用于太阳能发电预测的高层云动态特征实时监测装置

摘要

一种用于太阳能发电预测的高层云动态特征实时监测装置，包括局部天空平面成像模块和嵌入式监控系统，圆形平面镜安装在平面镜框内，平面镜框可转动地安装在底座上，平面镜框与周向转动机构连接，平面镜框上安装摄像头支架，摄像头支架的上端安装摄像头，摄像头位于平面镜的正上方，摄像头支架上安装径向移动机构，太阳遮片安装在径向移动机构上；嵌入式监控系统包括图像采集模块、云动态特征监测模块，用于对采集到的天空图像进行处理，抽取太阳能发电功率预测所需要的云层动态参数；太阳遮片控制模块，用以向径向移动机构和周向转动机构发送驱动信号实现所需要的位移和角位移增量。本发明实时性良好、可靠性强、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及高层云动态特征监测技术，尤其是一种高层云动态特征实时监测装置，可以用于实时计算天空云层对太阳辐照的影响，为实际太阳辐照预测提供准确依据，适用于太阳能发电系统、太阳能集热系统、太阳热水器、太阳灶、太阳房、太阳能干燥、太阳能温室、太阳能制冷与空调等，尤其适用于太阳能热发电系统、太阳能光伏发电系统等的短期/超短期发电功率预测应用。

背景技术

随着全球社会经济的发展，能源短缺问题日趋严峻。欧盟联合研究中心2012年发布的一份研究报告表明：按目前的社会经济发展速度和能源消耗比例，传统的化石能源（煤、石油、天然气等）将在100年之内消耗殆尽，并且这一趋势会随着社会经济的加速发展而加剧。故此，世界各国纷纷由政府层面出台能源相关的法律法规，极力鼓励、刺激、推进、加强新能源的研发和工程应用，这些新能源包括：太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能、地热、核能等。其中太阳能具有清洁无污染、取之不尽、用之不竭、全球分布范围广阔、利用过程环保无污染等突出优点，是一种绿色可再生能源。2011年3月11日，日本大地震引起的福岛核电站泄露问题，使得世界各国都不得不重新审视核能开发的安全性，暂缓相关工程的批建，部分国家（如德国、日本等）甚至关闭了正在运行发电的诸多核电厂，转而加大对太阳能发电的支持力度。可以预见，不远的将来，太阳能发电将迅速增大其在全球能源供给中的比例，并逐步成为主要的能源利用形式之一。

太阳能发电功率强烈依赖于当时当地的实际太阳辐照度，而实际的太阳辐照度除了受到地理位置、海拔高度、太阳高度等因素影响外，在太阳辐射进入大气层以后，太阳能接收装置（集热系统或光伏面板等）所接收到的实际太阳辐照度还受到云层遮挡、大气散射、地面反射、大气湿度、气溶胶等诸多气象和天气因素的影响，因而太阳能发电具有随机、波动和间歇性等缺点。尤其是在晴空少云或多云的天气，云量多少、云层厚度、云层形状及其变化、云层运动速度等高层云动态特征对太阳能发电的短期/超短期行为具有决定性的影响。

电力功率预测是发电、输电、变电和供用电等电力市场各个环节都必须掌握的重要决策支持数据，尤其是对于电力调度、监控和管理来讲，准确的短期电力功率预测更是至关重要，它直接关系到电网及网内设备的正常运行和安全。太阳能发电由于其随机、波动和间隙性的缺点，尤其需要保证其短期/超短期发电功率预测的准确性，这就需要对天空云层的特征进行及时的检测并反馈给太阳能发电功率预测系统，作为功率预测计算的重要支持数据。

目前对于天空云层监测的设备已有商品化的产品，如全域观天仪、鱼眼镜头等能够对当地视觉范围内的360度全域天空图像进行实时数据采集和分析，一般用于天文观测、气象预报、摄像等。近年来也有研究单位利用该类设备进行天空云层的动态特性分析，以用于太阳能发电的功率预测。全域观天仪的主要部件是一个半球形的反射镜，将360度范围内天空成像在反射镜表面，然后用CCD摄像头进行拍摄，获取数据信息，利用计算机软硬件程序对获取的半球形照片或视频进行展开和相应的感兴趣目标识别与定位处理；鱼眼镜头是一种半球形的透镜，将周围大视角范围内的物体通过半球形透镜折射投影到CCD模块成像，后续的处理与全域观天仪基本一致。

上述设备虽然能够对较大范围视角内的天空云层图像进行采集和后续处理，但是采用球形反射镜或透镜成像使得外界物体在图像中都存在非常大的形状和位置畸变，即使能够采用相应的算法对畸变的物像进行一定程度的展开复原，但是其与实际物体的特征依然存在较大的差异，并且物像精度和准确度较低，距离成像中心越远，这种问题越严重。所以类似全域观天仪和鱼眼镜头这样的设备在太阳能发电预测中进行云层监测时存在以下主要问题：1、图像畸变严重，复原精度和准确性差；2、图像畸变校正和复原算法复杂，实时性不能满足太阳能发电短期/超短期预测的需求；3、球形的镜面或透镜加工难度大，成本较高。

当然，如果用CCD摄像机直接拍摄天空，也可以得到一定范围内的天空图像。但是CCD是精密电子元器件，长期曝光于太阳直射的强光下时会迅速老化甚至损坏。

针对以上问题，实用新型专利“一种地基全天空成像装置（专利号：ZL201020508374.1）”提出了一种新的天空成像装置，将数字相机固定在一种特殊设计的机构上，该机构可以带动数字相机进行水平面内360度、俯仰180度旋转，实现数字相机对整个天空的扫描拍摄。该实用新型专利克服了全域观天仪、鱼眼镜头等天空成像设备所存在的图像畸变与失真严重等问题，但是其中的数字相机必须对整个天空进行逐区域拍摄，不可避免会被太阳强光直接照射，这对数字相机的CCD元件的损伤较大；并且，该实用新型专利所提出的装置必须顺序拍摄12张天空局部图片，然后再用软件对12张天空局部图片进行拼接才能得到整个天空的图像，顺序拍摄12张天空局部图片过程中需要不断调整数字相机的方位，这样获得一幅完整的天空图像所需要的时间较长，难以满足太阳能发电系统短期/超短期发电功率预测的需要；另外，由于12张天空局部图片拍摄时间不同，存在时间差，而天空云层（尤其是高层云）的变化非常迅速，所以由12张天空局部图片所拼接得到的天空图像不是同一时刻的天空云层状态，并不能真实地反映天空云层的动态状况。

发明内容

为了克服已有高层云图像设备的实时性差、可靠性差、成本高的不足，本发明提供一种实时性良好、可靠性强、成本低的用于太阳能发电预测的高层云动态特征实时监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于太阳能发电预测的高层云动态特征实时监测装置，包括局部天空平面成像模块和嵌入式监控系统，其中，所述局部天空平面成像模块包括圆形平面镜和摄像头，所述圆形平面镜安装在平面镜框内，所述平面镜框可转动地安装在底座上，所述平面镜框与周向转动机构连接，所述平面镜框上安装摄像头支架，所述摄像头支架的上端安装摄像头，所述摄像头位于平面镜的正上方，所述摄像头支架上安装径向移动机构，太阳遮片安装在径向移动机构上；

所述嵌入式监控系统包括：

图像采集模块，用于采集摄像头实时拍摄的天空图像；

云动态特征监测模块，用于对采集到的天空图像进行处理，抽取太阳能发电功率预测所需要的云层动态参数，包括：摄像头及支架阴影去除单元，用于采用模板匹配算法将摄像头及支架阴影从天空图像中去除，并根据前一秒图像数据及云层运动速度等信息对被遮挡区域进行补偿处理；太阳遮片阴影检测与去除单元，用于采用阈值分割和形状特征匹配判断法进行太阳遮片阴影的检测与去除，去除后的补偿同样根据前一秒图像数据及云层运动速度等信息对其进行补偿处理；云团数目及位置辨识单元，用于应用腐蚀和膨胀算法进行天空图像内云团数目提取识别，根据天空成像区域范围和云层高度信息，映射各云团在地球经纬网中的位置信息；云团厚度及分布特征辨识单元，用于根据经验统计数据设定阈值，对检测到的每一块云团进行厚度及其梯度分布信息测算，并整体分析云团的间距以及间距变化等信息；云团形态辨识单元，用于采用云团形态特征提取及模板匹配算法并结合当前时间点前序列图像特征辨识云团的尺寸、形状及其变化趋势信息；云团运动速度辨识与预测单元，用于通过前后序列图像云团信息的对比分析，测算云团运动速度信息；

太阳遮片控制模块，用以根据当前地理经纬度、当地节气、时间计算当前太阳高度角和太阳方位角，结合安装海拔高度、坐标系方位以及装置自身的结构参数计算当前太阳在平面镜中的成像位置和太阳遮片实现太阳直射光遮挡的位置数据，然后计算得到径向位移和周向角位移的增量，分别向径向移动机构和周向转动机构发送驱动信号实现所需要的位移和角位移增量。

进一步，所述周向转动机构包括周向驱动步进电机和驱动齿轮，所述周向驱动步进电机的输出轴上安装驱动齿轮，所述平面镜框的外侧设有外齿圈，所述驱动齿轮与所述外齿圈啮合。当然，也可以采用其他类型的周向转动机构。

所述径向移动机构包括径向驱动步进电机和同步带，所述同步带的两端分别安装在同步带轮上，所述同步带轮安装在所述摄像头支架上，所述同步带呈径向布置，所述径向驱动步进电机的输出轴上安装其中一个同步带轮，所述太阳遮片安装在所述同步带上。当然，也可以采用其他类型的径向移动机构。

本发明的有益效果主要表现在：实时性良好、可靠性强、成本低。

附图说明

图1是局部天空平面成像原理图。

图2是本装置可测高层云范围计算原理图。

图3是局部天空平面成像结构图。

图4是太阳遮片径向移动机构图。

图5是高层云动态特征实时监测装置系统构成图。

图6是云动态监测模块算法流程图。

图7是上位机功能模块构成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种用于太阳能发电预测的高层云动态特征实时监测装置，包括：局部天空平面成像模块和嵌入式监控系统。

局部天空平面成像模块是采用平面镜成像原理将一定范围内的天空景象成像在一块平面镜上，然后通过一个CCD摄像头拍摄平面镜内的像，即可得到特定范围内的天空图像。其中平面镜可以是一块普通的圆形镜面，固定在平面镜框内，平面镜框外侧设有外齿圈，用于周向旋转运动的传递。CCD摄像头也采用普通的定焦摄像头，使用一个刚性支撑结构将CCD摄像头固定在平面镜框上。平面镜、CCD摄像头及其支架、平面镜框组成一体化组件，平面镜框与底座之间用一推力轴承进行联接，存在一个相对转动的自由度。在CCD摄像头支架上另设一太阳遮片，实现对太阳直射的实时遮挡，防止太阳直射平面镜造成CCD成像元件的损伤。为保证太阳遮片能够覆盖整个平面镜范围，在底座上设置了周向转动机构、在CCD摄像头支架上设置了径向移动机构，将太阳遮片固定在径向移动机构上。周向转动机构由周向驱动步进电机、齿轮及平面镜框组成，周向驱动步进电机固定在底座上，周向驱动步进电机通电运转时可驱动齿轮旋转，进而带动与齿轮啮合的平面镜框上的外齿圈，从而驱动整个平面镜、平面镜框和CCD摄像头及其支架组件一起做周向旋转运动，亦即带动CCD摄像头支架上的太阳遮片做周向转动；径向移动机构由径向驱动步进电机、同步带组成，当径向驱动步进电机通电运转时，带动同步带做径向直线运动，驱动固定在同步带上的太阳遮片实现径向移动。上述周向转动和径向移动所合成的运动形式可满足太阳遮片的运动轨迹覆盖整个平面镜成像区域，保证太阳遮片对太阳直射光的有效遮挡。

该模块能够成像的天空范围也是一个圆形区域，其半径可由下式进行计算：

$>R=(h_1+h_2)\frac{r}{h_1}---\left(1\right)$>

式(1)中，R表示被成像的天空区域半径；h₁表示CCD摄像头与平面镜之间的距离，h₂表示高层云的高度，一般为2000～3000米；r表示平面镜半径。

例如，取值h₂=2500米,r＝0.5米,h₁=0.5米,则根据式(1)可得R≈2500米。即可以成像的天空范围是半径为2500米的一块圆形区域。高层云的一般运行速度为10～30米/秒，则应用该模块可监控的云层运动时间平均为200秒。这样的云层监测覆盖范围及时间范围对于一般的太阳能光伏发电系统进行超短期预测是适用的。

由于CCD摄像头架设在平面镜的正上方，所以CCD摄像头及其支架也会在平面镜内成像，故而会遮挡一部分天空成像。被遮挡区域半径可由下式进行计算：

$>R^{\prime }=(h_1+h_2)\frac{r^{\prime }}{2h_1}---\left(2\right)$>

式(2)中，R’表示被遮挡的天空区域半径，r’表示CCD摄像头的直径。

例如，取值h₂=2500米,r’=0.01米,h₁=0.5米,则根据式(2)可得R’≈25米。由于高层云运动速度在10～30米/秒，故这个被遮挡的半径25米的区域可由前一秒的云层运动数据进行自动计算并加以补偿，对太阳能发电预测准确性和实时性影响较小。

太阳遮片所形成的天空遮盖影响与上述CCD摄像头遮挡的影响类似。

CCD摄像头的支架采用较细的钢结构，其遮挡的天空部分比CCD摄像头遮挡的面积更小，也同样可以采用前一秒云层运动数据进行补偿。

嵌入式监控系统用于采集CCD摄像头拍摄的图像或视频，对天空高层云图像进行分割、识别等计算处理，具体包括图像/视频采集模块、云动态特征监测模块、电机驱动控制模块以及数据接口。

1）图像/视频采集模块：可以通过设定，以图像模式或者视频模式从CCD摄像头实时读取天空图像或视频信息，并将其作为云动态特征监控模块的输入数据，同时根据上位机软件的需要和设定，通过数据接口以一定的传输协议将图像或视频数据上传给上位机软件。

2）云动态特征监测模块：是天空高层云分析与监测的核心模块，主要是对采集到的天空图像进行一系列算法处理，抽取太阳能发电功率预测所需要的云层动态参数，包括：（1）CCD摄像头及支架阴影去除：采用模板匹配算法将CCD摄像头及支架阴影从天空图像中去除，并根据前一秒图像数据及云层运动速度等信息对被遮挡区域进行补偿处理；（2）太阳遮片阴影检测与去除：太阳遮片的阴影可能会出现在平面镜像中，因其形状规整并且与周围图像信息差距明显，故采用阈值分割和形状特征匹配判断法进行太阳遮片阴影的检测与去除，去除后的补偿同样根据前一秒图像数据及云层运动速度等信息对其进行补偿处理；（3）云团数目及位置辨识：应用腐蚀和膨胀算法进行天空图像内云团数目提取识别，根据天空成像区域范围和云层高度信息，映射各云团在地球经纬网中的位置信息；（4）云团厚度及分布特征辨识：根据经验统计数据设定合理阈值，对检测到的每一块云团进行厚度及其梯度分布信息测算，并整体分析云团的间距以及间距变化等信息；（5）云团形态辨识：采用云团形态特征提取及模板匹配算法并结合当前时间点前序列图像特征辨识云团的尺寸、形状及其变化趋势等信息；（6）云团运动速度辨识与预测：通过前后序列图像云团信息的对比分析，测算云团运动速度信息。

3）电机驱动控制模块：该模块根据当前地理经纬度、当地节气、时间计算当前太阳高度角和太阳方位角，结合本装置的安装海拔高度、坐标系方位以及装置自身的结构参数计算当前太阳在平面镜中的成像位置和太阳遮片实现太阳直射光遮挡的位置数据，然后计算得到径向位移和周向角位移的增量，分别向径向驱动步进电机和周向驱动步进电机发送驱动信号实现所需要的位移和角位移增量。随着时间的推移，上述过程不断重复，保证太阳遮片能够实时准确地实现对太阳直射光的遮挡。

4）数据接口：设有RS232、USB、TCP/IP等通讯协议，根据设定，采用其中的莫一种通讯协议向上位机传送天空图像或视频、云团数目及位置、云团厚度及分布、云团形态、云团运动速度等信息，上述信息可以在上位机软件系统显示和处理，更主要的是作为太阳能发电功率预测算法的基础数据。

上位机主要是安装于工业控制计算机或PC机，用于天空图像/视频以及云团信息的读取、显示和保存。具体包括：动态视频显示模块、云监测数据显示模块、算法设置模块、数据通讯设置模块和数据库支持系统。

1）动态视频显示模块：在计算机屏幕上实时显示CCD摄像头采集得到的天空图像/视频信息；

2）云监测数据显示模块：在计算机屏幕上实时显示嵌入式监控系统中云动态特征监测模块计算得到的云团数目及位置、云团厚度及分布、云团形态、云团运动速度等信息；

3）算法设置模块：提供算法设置窗口，允许用户在上位机系统中根据实际天气及云层特征，自行设置嵌入式监控系统中云动态特征监测模块中各计算分析算法的可调参数，以得到较为理想的监测数据信息；

4）数据通讯设置模块：提供数据通讯设置窗口，允许用户根据当前的数据物理连接方式设置相应的数据通讯形式；

5）数据库支持系统：提供数据存储方案及数据库系统，用于存储CCD摄像头所采集到的天空图像或视频原始数据、嵌入式监控系统中云动态特征监测模块所计算得到的云团数目及位置、云团厚度及分布、云团形态、云团运动速度等信息数据。

图1～图4中，1为CCD摄像头，2为CCD摄像头支架，3为平面镜，4为太阳遮片，5为底座，6为平面镜框，7为齿轮，8为周向驱动步进电机，9为推力轴承，10为径向驱动步进电机，11为同步带

图2用于说明公式（1）和公式（2）的来源：

$>\tan \phi =\frac{r}{h_1}=\frac{R}{h_1+h_2}\to R=(h_1+h_2)\frac{r}{h_1}---\left(1\right)$>

$>\tan \phi =\frac{r^{\prime }}{h_1}=\frac{R^{\prime }}{h_1+h_2}\to R^{\prime }=(h_1+h_2)\frac{r^{\prime }}{2h_1}---\left(2\right).$>