太陽能自動跟蹤系統設計_畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ......................................................................................... 40 III 致謝 ............................................................................................................................................... 40 參考文獻 ....................................................................................................................................... 41 附錄 1 ............................................................................................................................................ 43 附錄 2 ............................................................................................................................................ 51 1 1 緒論 課題來源 模擬生產實際 課題 :太陽能自動跟蹤系統設計。 課題背景 能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎。當前，包括我國在內的絕大多數國家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源 [1]。隨著礦物燃料的日漸枯竭和全球環境的不斷惡化，很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源 的研究開發工作。 雖然在可預見的將來，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結構中占有相當的比重，但人們對核能以及太陽能、風能、地熱能、水力能、生物能等可持續能源資源的利用日益重視，在整個能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。據統計 [2]， 20 世紀 90年代，全球煤炭和石油的發電量每年增長 l%，而太陽能發電每年增長達 20%，風力發電的年增長率更是高達 26%。預計在未來 5 至 10 年內，可持續能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結束礦物燃料一統天下的局面。 相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會能源的希望 所在。 我國太陽能資源 我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。 我國地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。我國的國土跨度從南到北、自西至東，距離都在 5000km 以上，總面積達 960 104km，占世界總面積的 7%，居世界第三位。 據估算 [3]，我國陸地表面每年接 收 的太陽輻射能約為 5010 18kJ，全國各地太陽年輻射總量達 335～ 837KJ/cm2 A，中值為586KJ/cm2 A。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云 南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽輻射總量很大。尤其是青藏高原地區最大，那里平均海拔高度在 4000m 以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。例如被人們稱為 “ 日光城 ” 的拉薩市， 1961 年至 1970 年的平均值，年平均日照時間為 ，相對日照為 68％，年平均晴天為 天，陰天為 天，年平均云量為 ，太陽總輻射為 816KJ/cm2a ，比全國其它省區和同緯度的地區都高。全國以四川和貴州兩省的太陽年輻射總量最小，其中尤以四川 盆地為最，那里雨多、霧多，晴天較少。例如素有 “ 霧都 ” 之稱的成都市，年平均日照時數僅為 ，相對日照為 26％，年平均晴天為 天，陰天達 天，年平均云量高達 。其它地區的太陽年輻射總量居中。 2 目前太陽能的開發和利用 人類直接利用太陽能有三大技術領域 [4]，即光熱轉換、光電轉換和光化學轉換，此外，還有儲能技術。 太陽光熱轉換技術的產品很多，如熱水器、開水器、干燥器、采暖和制冷，溫室與太陽房，太陽灶和高溫爐，海水淡化裝置、水泵、熱力發電裝置及太陽能醫療器具。 太陽能作為一種新能源，它與常規能源相比有三大優點 [5]： 第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據估計，在過去漫長的 11 億年中，太陽消耗了它本身能量的 2%，可以說是取之不盡，用之不竭。 第二，地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發達的農村、海島和邊遠地區更具有利用的價值。 第三，太陽能是一種潔凈的能源，在開發和利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態平衡。 太陽能的利用有它的缺點： 第一， 能流密度較低，日照較好的，地面上 1 平方米的面積所接受的能量只有 1 千瓦左右。往往需要相當大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。 第二，大氣影響較大，給使用帶來不少困難。 課題研究的目的 本課題研究一種基于光電傳感器的太陽光線自動跟蹤裝置，該裝置能自動跟蹤太陽光線的運動，保證太陽能設備的能量轉換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設備的能量利用率。 研究課題的意義 新環保能源 長期以來 [6]，世界能源主要依靠石油和煤炭等礦物燃料，而這些礦物作為一 次性不可再生資源，儲量有限，而且燃燒時產生大量的二氧化碳，造成地球氣溫升高，生態環境惡化。據國際能源機構預測，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴重威脅。這種全球性的能源危機，迫使各國政府投入大量的人力和財力，研究和開發新能源，如太陽能等。 能源危機，環境保護成為當今世界關注的熱點問題。 [7]據聯合國環境規劃署資料，目前礦物燃料提供了世界商業能源的 95%，且其使用在世界范圍內以每 10 年 20%的速度增長。這些燃料的燃燒構成改變氣候的溫室氣體的最大排放源，按照可持續發展的目標模式，決不能單靠消耗礦物原料來維持日益增長的能 源需求。因此越來越多的國家都在致力于對可再生能源的深度開發和廣泛利用。其中具有獨特優勢的太陽能開發前景廣闊。日本經濟企 3 劃廳和三澤公司合作研究認為，到 2030 年，世界電力生產的一半將依靠太陽能。 [8]基于當今世界能源問題和環境保護問題已成為全球的一個“人類面臨的最大威脅”的嚴重問題，本課題的目的是為了更充分的利用太陽能、提高太陽能的利用率，而進行太陽追蹤系統的開發研究，這對我們面臨的能源問題有重大的意義。同時太陽能又是一種無污染的清潔能源，加強太陽能的開發，對節約能源、保護環境也有重大的意義。 提高太陽能的利用率 [9]太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽能裝置如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能電池等等，但太陽能的利用還遠遠不夠，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太陽能裝置而言，如何最大限度的提高太陽能的利用率，仍為國內外學者的研究熱點。 [10]解決這一問題應從兩個方面入手，一是提高太陽能裝置的能量轉換率，二是提高太陽能的接收效率，前者屬于能量轉換領域，還有待研究，而后者利用現有的技術則可解決。太陽跟蹤系統為解 決這一問題提供了可能。不管哪種太陽能利用設備，如果它的集熱裝置能始終保持與太陽光垂直，并且收集更多方向上的太陽光，那么，它就可以在有限的使用面積內收集更多的太陽能。但是太陽每時每刻都是在運動著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽光，那就必須要跟蹤太陽。香港大學建筑系的教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關系， [11]理論分析表明 :太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差 %，精確的跟蹤太陽可使接收器的接收效率大大提高，進而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領域。 太陽能利用的國內外發 展現狀 日本是世界上太陽能開發利用第一大國，也是太陽能應用技術強國。日本太陽熱能的利用， [12]從 1979 年第二次石油危機后開始， 1990 年進入普及高峰。太陽能技術日益創新，能量轉換率不斷提高，成本也是新能源中最低的。日本將太陽能的利用分為太陽光能和熱能兩種。太陽光能發電，是利用半導體硅等將光轉化為電能。從 20xx 年起，日本太陽能發電量一直居世界首位， 20xx 年太陽能發電裝機容量約為 86 萬千瓦，占世界太陽能發電裝機容量的 %，并計劃到 20xx 年達到 482 萬千瓦，增加約 6倍。 德國對太陽能資源的利用可追 溯到 20 世紀 70 年代，現在德國已經在太陽能系統的開發、生產、規劃和安裝等方面積累了大量經驗，發明了一系列高效的太陽能系統。 [13]1990年德國政府推出了“一千屋頂計劃”，至 1997 年已完成近萬套屋頂系統，每套容量 1～ 5千瓦，累計安裝量已達 萬千瓦。根據德國聯邦太陽能經濟協會的數字，在過去的幾年中，德國太陽能相關產品的產量增加了 5倍，增速比其他國家平均水平高出一倍。另據德新社報道，全球最大的太陽能發電廠已在德國南部巴伐利亞州正式投入運營。這家太陽能發電廠投資 7000 萬歐元，占地 77 萬平方米，發電總容量達 12 兆瓦，能為 3500 多個家庭 4 供電。截至 20xx 年年底，德國共有 670 萬平方米的屋頂鋪設了太陽能集熱器，每年可生產 4700 兆瓦的熱量。已用 4%的德國家庭利用了清潔環保、用之不竭的太陽能，估計每年可節約 億升取暖用油。 目前，美國太陽能光伏發電已經形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產到發電系統制造比較完備的生產體系。 20xx 年， [14]美國光伏發電總容量達到 100 萬千瓦，排在日本和德國之后，居世界第 3位。為了降低太陽能光伏發電系統的生產成本，美國政府最近制定了陽光計劃，大幅度增加了光伏發電的財政投入，加快 多晶硅和薄膜半導體材料的研發，提高太陽能光伏電池的光電轉化效率。目前，美國正在新建幾座新的太陽能電站。預計到20xx 年，美國光伏發電成本將從現在的 21～ 40 美分 /千瓦時降到 6 美分 /千瓦時，屆時，太陽能光伏發電技術的競爭力將會大大增強。太陽能在能源發展中占有相當的優勢，據美國博士對世界一次能源替代趨勢的研究結果表明，到 2050 年后，核能將占第一位，太陽能占第二位， 21 世紀末，太陽能將取代核能占第一位，很多國家對太陽能的利用加強了重視。 意大利 1998 年開始實行“全國太陽能屋頂計劃”，將于 20xx 年完成，總投入 5500 億里拉，總容量達 5 萬千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，將在 20xx 年前推廣 150 萬套太陽能屋頂系統。法國已經批準了代號為“太陽神 20xx”的太陽能利用計劃，按照該計劃，每年將投入 3000 萬法郎資金，到 20xx 年，法國每年安裝太陽能熱水器的用戶達 2萬家。 我國由建設部制定的《建筑節能“九五”計劃和 20xx 年規則》中已將太陽能熱水系統列入成果推廣項目。 [15]目前我國太陽能熱水器的推廣普及十分迅速， 1997 年銷售面積近 300 萬平方米，數量居世界首位。全國從事太陽能熱水器研制、生產、銷售和安裝的企業達 1000 余家，年產值 20 億元。根據我國 1996～ 2020 年太陽能光電 PV（光伏發電）發展計劃，在 20xx 年和 2020 年的太陽能光電總容量將分別達到 萬千瓦和 30 萬千瓦。在聯網陽光電站建設方面，計劃 2020 年前建成 5 座 MW 級陽光電站。由國家投資 1700 萬元修建的西藏第三座太陽能電站 —— 安多光伏電站，總裝機容量 100 千瓦，于 1998 年 12月建成發電。這也是世界海拔最高、中國裝機容量最大的太陽能電站。總之，大力發展太陽能利用技術，使節約能源和保護環境的重要途徑。 太陽追蹤系統的國內外研究現狀 在太陽能跟蹤 方面，我國在 1997 年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調節，接收器的接收效率提高了。 [16]1998 年美國加州成功的研究了 ATM 兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使效率進一步提高。 20xx 年 2月美國亞利桑那大學推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機完成跟蹤，采用鋁型材框架結構，結構緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領域。在國內近年來有不少專家學者也相繼開展了這方面的研究， 1992 年推出了太陽灶自動跟蹤系統， 1994 年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自 5 動跟蹤器，完成了單向跟蹤。 目前， [17]太陽追蹤系統中實現追蹤太陽的方法很多，但是不外乎采用如下兩種方式：一種是光電追蹤方式，另一種是根據視日運動軌跡追蹤；前者是閉環的隨機系統，后者是開環的程控系統。 論文的研究內容 本文所介紹的太陽跟蹤裝置采用了光電追蹤方式，可實現大范圍、高精度