【文章內(nèi)容簡介】 陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。 研究課題的意義 新環(huán)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(chǎn)生大量的二氧化碳，造成地球氣溫升高，生態(tài)環(huán)境惡化。據(jù)國際能源機構(gòu)預(yù)測，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴(yán)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(fā) 新能源，如太陽能等。 能源危機 ，環(huán)境保護成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點問題。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署資料 [7]，目前礦物燃料提供了世界商業(yè)能源的 95%， 且其使用在世界范圍內(nèi)以每 10年 20%的速度增長。這些燃料的燃燒構(gòu)成改變氣候的溫室氣體的最大排放源，按照可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)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(fā)和廣泛利用。其中具有獨特優(yōu)勢的太陽能開發(fā)前景廣闊。日本經(jīng)濟企徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 劃廳和三澤公司合作研究認為，到 2030 年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽能 。 基于當(dāng)今世界能源 問題和環(huán)境保護問題已成為全球的一個“人類面臨的最大威脅”的嚴(yán)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(tǒng)的開發(fā)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(fā)，對節(jié)約能源、保護環(huán)境也有重大的意義 [8]。 提高太陽能的利用率 太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源 [9]，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(nèi)外學(xué)者的研究熱點 。 解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手 [10]，一是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽能的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能。不管哪種太陽能利用設(shè)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(nèi)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(xué)建筑系的教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關(guān)系，理論分析表明 [11]: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(lǐng)域。 太陽能利用的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 日本是世界上太陽能開發(fā)利用第一大國，也是太陽能應(yīng)用技術(shù)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(shù)日益創(chuàng)新，能量轉(zhuǎn)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(fā)電，是利用半導(dǎo)體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。從 2020 年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位， 2020 年太陽能發(fā)電裝機容量約為 86 萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機容量的 %，并計劃到 2020 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(jì) 70年代，現(xiàn)在德國已經(jīng)在太陽能系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、規(guī)劃和安裝等方面積累了大量經(jīng)驗，發(fā)明了一系列高效的太陽能系統(tǒng)。 1990 年德國政府推出了“一千屋頂計劃” [13]，至 1997 年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套 容量 1～5 千瓦，累計安裝量已達 萬千瓦。根據(jù)德國聯(lián)邦太陽能經(jīng)濟協(xié)會的數(shù)字，在過去的幾年中，德國太陽能相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加了 5倍，增速比其他國家平均水平高出一倍。另據(jù)德新社報道，全球最大的太陽能發(fā)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(fā)電廠投資 7000 萬歐元，占地 77萬平方米，發(fā)電總?cè)萘窟_ 12兆瓦，能為 3500 多個家徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 庭供電。截至 2020 年年底，德國共有 670 萬平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽能集熱器，每年可生產(chǎn) 4700 兆瓦的熱量。已用 4%的德國家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計每年可節(jié)約 億升 取暖用油。 目前，美國太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)形成了從多晶硅材料提純、光伏電池生產(chǎn)到發(fā)電系統(tǒng)制造比較完備的生產(chǎn)體系。 2020 年，美國光伏發(fā)電總?cè)萘窟_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(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，美國政府最近制定了陽光計劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財政投入，加快多晶硅和薄膜半導(dǎo)體材料的研發(fā)，提高太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，美國正在新建幾座新的太陽能電站。預(yù)計到 2020年，美國光伏發(fā)電成本將從現(xiàn)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(fā)電技術(shù)的競爭 力將會大大增強。太陽能在能源發(fā)展中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，據(jù)美國博士對世界一次能源替代趨勢的研究結(jié)果表明，到 2050 年后，核能將占第一位，太陽能占第二位， 21 世紀(jì)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 [14]。 意大利 1998 年開始實行“全國太陽能屋頂計劃”， 將于 2020 年完成，總投入 5500 億里拉，總?cè)萘窟_ 5 萬千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，將在 2020 年前推廣 150 萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。法國已經(jīng)批準(zhǔn)了代號為“太陽神 2020”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 2020 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(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計劃和 2020 年規(guī)則》中已將太陽能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項目 。 目前我國太陽能熱水器的推廣普及十分迅速 [15]， 1997 年銷售面積近 300 萬平方米，數(shù)量居世界首位。全國從事太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達 1000 余家，年產(chǎn)值 20 億元。根據(jù)我國 1996～ 2020 年太陽能光電 PV（光伏發(fā)電）發(fā)展計劃，在 2020 年和 2020 年的太陽能光電總?cè)萘繉⒎謩e達到 萬千瓦和 30 萬千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽光電站建設(shè)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(fā)電。這也是世界海拔最高、中國裝機容量最大的太陽能電站?？傊?，大力發(fā)展太陽能利用技術(shù)，使節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要途徑。 太陽追蹤系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)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(diào)節(jié)，接收器的 接收 效 率提高了。 1998 年 美 國加州成功的研究了 ATM 兩軸跟蹤器 [16]，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。 2020 年 2月美國亞利桑那大學(xué)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。在國內(nèi)近年來有不少專家學(xué)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(tǒng)， 1994 年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器，完成了單向跟蹤。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 目前 [17]，太陽追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)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(jù)視日運動軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的 隨機系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。 論文的研究內(nèi)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(xiàn)大范圍、高精度跟蹤。論文的主要工作包括 : (l)分析太陽運行規(guī)律，比較國內(nèi)外主要的幾種跟蹤方案，提出合理的跟蹤策略 。 (2) 機械部分也是實現(xiàn)追蹤目的的關(guān)鍵， 主要是機械設(shè)計和計算，裝配圖及其零件圖 。 (3)分析傳感器工作原理， 分析 該傳感器大范圍、高精度跟蹤的可行性 ，還要設(shè)計 光電轉(zhuǎn)換 電路 。 (4)選取控制芯片，分析系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計控制系統(tǒng) 。 (5)設(shè)計控制方案， 步進電動機以及驅(qū)動電路 。 論文結(jié)構(gòu) 第一章 ,緒論主要闡述了課題的研究背景、目的及意義，以及國內(nèi)外太陽能的利用現(xiàn)狀、太陽追蹤方式的發(fā)展現(xiàn)狀 。 第二章 ,主要是對太陽自動追蹤系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，確定了系統(tǒng)的追蹤方式 。 第三章 ,太陽自動追蹤系統(tǒng)機械設(shè)計部分，主要是機械設(shè)計和計算，裝配圖及其零件圖 。 第四章 ,自動跟蹤系 統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu) ,光電轉(zhuǎn)換器 ,單片機及其外圍電路 ,步進電動機以及驅(qū)動電路 。 第五章 , 課題總結(jié)及展望 。 2 太陽能自動 跟 蹤系統(tǒng)總體設(shè)計 太陽運行的規(guī)律 由于地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了太陽位置相對于地面靜止物體的運 動。這徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 種變化是周期性和可以預(yù)測的。地球極軸和黃道天球極軸存在的一個 27 度 的夾角，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。冬至?xí)r這個角為 23 度 27 分 ，然后逐漸增大，到春分時變?yōu)?0 并繼續(xù)增大 ， 夏至?xí)r赤緯角最大 為 23 度 27 分 ，并開始減小 ； 到秋分時赤緯角又變?yōu)?，并繼續(xù)減小，直到冬至，另一個變化周期開始 [18]。 跟蹤器機械執(zhí)行部分比較選擇 根據(jù)分析以前的跟蹤器機械執(zhí)行部分的問題，以及成本等各個方面考慮， 有 以下幾種跟蹤器。 立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器 圖 21立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器 跟蹤器的結(jié)構(gòu) [19]： 大 齒輪 固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面 (主軸相對于底座可以轉(zhuǎn)動 )，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接馬達 1的輸出軸。馬達 1 固定在轉(zhuǎn)動架上，轉(zhuǎn)動架以及支架固定安裝在主軸上，接收器、馬達 2安裝在支架上面 (接收器相對于支架可以轉(zhuǎn)動 )，馬達 2的輸出軸連接在接收器上。 跟蹤器實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏移的時候，控制部分發(fā)出控制信號驅(qū)動馬達 1 帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，由于大齒輪固定。使得小齒輪自轉(zhuǎn)的同時圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動，因此帶動轉(zhuǎn)動架以及固定在轉(zhuǎn)動架上的主軸、支架以及接收器轉(zhuǎn)動；同時控制信號驅(qū)動馬達2帶動接收器相對與支 架轉(zhuǎn)動，通過馬達 馬達 2 的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。系統(tǒng)特點：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，造價低。對于方位角的跟蹤，利用齒輪副傳動，能在使用功率較小的馬達的同時傳遞足夠大的動力，使用功率較小的馬達降低了其能源成本和制造成本。整個跟蹤器的結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較高。傳動裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)動架下。受到了較好的保護，提高了傳動裝置的壽命。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 陀螺儀式跟蹤器 圖 22陀螺儀式跟蹤器 跟蹤器的結(jié)構(gòu) [20]：傳動箱 1 固定安裝在支架上，馬達 1安裝在傳動箱 1 上，傳動箱 1的內(nèi)部是由蝸桿、蝸輪組成的運動副，馬達 1的輸出軸 連接蝸桿，環(huán)形支架安裝在支架上面 (環(huán)形支架相對于支架可以轉(zhuǎn)動 )，傳動箱 1的輸出軸連接環(huán)形支架，傳動箱 2 固定安裝在環(huán)形支架上，馬達 2 安裝在傳動箱 2上，傳動箱 2 內(nèi)也是由蝸桿、蝸輪組成的運動副。馬達 2的輸出軸連接蝸桿，接收器安裝在環(huán)形支架上面 (接收器相對于環(huán)形支架可以轉(zhuǎn)動 )，傳動箱 2 的輸出軸連接接收器。 該跟蹤器可以選擇不同朝向安裝，當(dāng)按照 上 圖 的朝向進行安裝時，跟蹤器跟蹤的實現(xiàn)原理如下：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏移時，控制部分發(fā)出信號驅(qū)動馬達 2帶動傳動箱 2中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動，再輸出帶動接收器相對于環(huán)形支架轉(zhuǎn)動，跟蹤太陽由東 向西的運動；同時控制部分也發(fā)出信號驅(qū)動由馬達 1帶動傳動箱 1中的蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動，再輸出帶動環(huán)形支架和接收器轉(zhuǎn)動，跟蹤太陽南北方向的運動，由此來實現(xiàn)對太陽的兩個方向的跟蹤。 系統(tǒng)優(yōu)點：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單。對于兩個方向的跟蹤，都利用蝸桿、蝸輪副傳動，在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到很大的傳動比，能使用功率很小的馬達同時傳遞足夠的動力，使用功率小的馬達降低了其能源成本和制造成本；蝸桿、蝸輪副的自鎖性能好，能防風(fēng)防雨。結(jié)構(gòu)緊湊，運動空間大。傳動裝置設(shè)置在傳動箱內(nèi)，受到了較好的保護，提高了裝置的壽命 。 齒圈轉(zhuǎn)動 式 跟蹤器 機 構(gòu)結(jié)構(gòu) [21]：馬達 1固定在支架上，馬達 1的輸出軸連接小齒輪 1，小齒輪 1與齒圈1 嚙合。齒圈 1 連接著主軸上，主軸安裝在支架上 (主軸相對于支架可以轉(zhuǎn)動 )，馬達 2 安裝在主軸前端的一塊板上，馬達 2 的輸出軸連接小齒輪 2，小齒輪 2 與齒圈 2 嚙合，齒圈2連接著轉(zhuǎn)動架，轉(zhuǎn)動架安裝在主軸上 (轉(zhuǎn)動架相對于主軸可以轉(zhuǎn)動 )。 機構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當(dāng)太陽光線發(fā)生偏離時?？刂撇糠职l(fā)出控制信號驅(qū)動馬達1 帶動小齒輪 1 轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動齒圈 1 和主軸轉(zhuǎn)動；同時控制信號驅(qū)動馬達 2 帶動小齒輪 2。小齒輪 2 帶動齒圈 2 和轉(zhuǎn)動架轉(zhuǎn)動，通過馬達 馬達 2 的 共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 圖 23齒圈轉(zhuǎn)動跟蹤器 系統(tǒng)特點：該跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，造價低。兩個方向的跟蹤都利用齒輪副傳遞動力，能在使用功率較小的馬達的同時傳遞足夠大的動力，使用功率較小的馬達降低了其能源成本和制造成本；由于使用半個齒圈，能在緊湊的結(jié)構(gòu)下得到較大的傳動比。