用于太阳能发电预测的高层云动态特征实时监测装置制造方法及图纸

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。本发明专利技术实时性良好、可靠性强、成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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CXD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，成本较闻。当然，如果用CXD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，技术专利“一种地基全天空成像装置(专利号ZL201020508374. I)”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。该技术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，该技术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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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，结合安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：所述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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍官军，张立彬，胥芳，蒋建东，潘国兵，张洪涛，谭大鹏，吴乐彬，蔡世波，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：