[發明專利]全域天空云團實時動態監測裝置

有效

• 申請號: 201310528792.5
• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN103605377A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 鮑官軍;馬小龍;張立彬;胥芳;蔡世波;張洪濤;潘國兵;譚大鵬;陳教料;吳樂彬;胡雄心;李理
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

技術領域

本發明涉及一種全域天空云團實時動態監測裝置，尤其是面向光伏面板遮擋計算及超短期發電預測的全域天空云團實時動態監測裝置。

背景技術

隨著社會經濟的快速發展，能源消耗劇增，化石能源日趨枯竭，化石燃料燃燒產生了嚴重的環境污染、給地球的生態平衡和人類的生活帶來了嚴重的威脅。近年來，太陽能這種可再生能源越來越受到人們的矚目。

以光伏電池技術為核心的光伏利用成為太陽能開發利用中最重要的應用形式，利用光伏發電，具有明顯的優點：結構簡單，體積小重量輕，容易安裝運輸，建設周期短，維護方便，清潔，安全。2010年以前，我國的光伏發電多處于光伏發電階段，2011～2020年，中國的太陽能發電市場將轉向并網發電系統。

對光伏電站輸出功率進行預測，有助于電力系統調度的統籌安排，有利于常規能源和光伏發電能源的協調，電力部門及時調整調度計劃，合理安排電網運行方式。一方面有效降低光伏接入電網對原有電網的影響，提高電網運行的安全性和穩定性。另一方面減少電力系統的備用和運行成本，以充分利用太陽能資源，獲得更大的經濟效益和社會效益。

光伏發電系統的輸出功率是隨機的，受到太陽輻射、天氣因素以及太陽能電池板本身的材料因素影響，其發電量和輸出電功率隨機性強，波動大，不可控制，在天氣突變、云團迅速變化及移動時表現的尤其突出，這種發電方式在接入電網后會對電網原有的電能質量和安全帶來影響。所以，有必要對天空云團的動態變化過程進行實時監測。目前用于天空云層監測的設備已有商品化的產品，如全域觀天儀、魚眼鏡頭等能夠對當地視覺范圍內的360度全域天空圖像進行實時數據采集和分析，一般用于天文觀測、氣象預報、攝像等。近年來也有研究單位利用該類設備進行天空云層的動態特性分析，以用于太陽能發電的功率預測。全域觀天儀的主要部件是一個半球形的反射鏡，將360度范圍內天空成像在反射鏡表面，然后用CCD攝像頭進行拍攝，獲取數據信息，利用計算機軟硬件程序對獲取的半球形照片或視頻進行展開和相應的感興趣目標識別與定位處理；魚眼鏡頭是一種半球形的透鏡，將周圍大視角范圍內的物體通過半球形透鏡折射投影到CCD模塊成像，后續的處理與全域觀天儀基本一致。

上述設備雖然能夠對較大范圍視角內的天空云層圖像進行采集和后續處理，但是采用球形反射鏡或透鏡成像使得外界物體在圖像中都存在非常大的形狀和位置畸變，即使能夠采用相應的算法對畸變的物像進行一定程度的展開復原，但是其與實際物體的特征依然存在較大的差異，并且物像精度和準確度較低，距離成像中心越遠，這種問題越嚴重。所以類似全域觀天儀和魚眼鏡頭這樣的設備在太陽能發電預測中進行云層監測時存在以下主要問題：1、圖像畸變嚴重，復原精度和準確性差；2、圖像畸變校正和復原算法復雜，實時性不能滿足太陽能發電短期/超短期預測的需求；3、球形的鏡面或透鏡加工難度大，成本較高。

當然，如果用CCD攝像機直接拍攝天空，也可以得到一定范圍內的天空圖像。但是CCD是精密電子元器件，長期曝光于太陽直射的強光下時會迅速老化甚至損壞。

針對以上問題，實用新型專利“一種地基全天空成像裝置（專利號：ZL201020508374.1）”提出了一種新的天空成像裝置，將數字相機固定在一種特殊設計的機構上，該機構可以帶動數字相機進行水平面內360度、俯仰180度旋轉，實現數字相機對整個天空的掃描拍攝。該實用新型專利克服了全域觀天儀、魚眼鏡頭等天空成像設備所存在的圖像畸變與失真嚴重等問題，但是其中的數字相機必須對整個天空進行逐區域拍攝，不可避免會被太陽強光直接照射，這對數字相機的CCD元件的損傷較大；并且，該實用新型專利所提出的裝置必須順序拍攝12張天空局部圖片，然后再用軟件對12張天空局部圖片進行拼接才能得到整個天空的圖像，順序拍攝12張天空局部圖片過程中需要不斷調整數字相機的方位，這樣獲得一幅完整的天空圖像所需要的時間較長，難以滿足太陽能發電系統短期/超短期發電功率預測的需要；另外，由于12張天空局部圖片拍攝時間不同，存在時間差，而天空云層（尤其是高層云）的變化非常迅速，所以由12張天空局部圖片所拼接得到的天空圖像不是同一時刻的天空云層狀態，并不能真實地反映天空云層的動態狀況。

也有“用于太陽能發電預測的高層云動態特征實時監測裝置”（專利號：201210390205），但是該裝置只是對局部天空范圍內的高層云平面成像的觀測，得出的光伏發電的預測信息不夠全面。

發明內容