【文章內(nèi)容簡介】 ......................................................................................... 40 III 致謝 ............................................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 41 附錄 1 ............................................................................................................................................ 43 附錄 2 ............................................................................................................................................ 51 1 1 緒論 課題來源 模擬生產(chǎn)實(shí)際 課題 :太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 課題背景 能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前，包括我國在內(nèi)的絕大多數(shù)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(huán)境的不斷惡化，很多國家都在認(rèn)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(fā)工作。 雖然在可預(yù)見的將來，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，但人們對核能以及太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑺δ?、生物能等可持續(xù)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(jù)統(tǒng)計(jì) [2]， 20 世紀(jì) 90年代，全球煤炭和石油的發(fā)電量每年增長 l%，而太陽能發(fā)電每年增長達(dá) 20%，風(fēng)力發(fā)電的年增長率更是高達(dá) 26%。預(yù)計(jì)在未來 5 至 10 年內(nèi)，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)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(dá) 960 104km，占世界總面積的 7%，居世界第三位。 據(jù)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(dá) 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(nèi)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(qū)的太陽輻射總量很大。尤其是青藏高原地區(qū)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(qū)和同緯度的地區(qū)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(shù)僅為 ，相對日照為 26％，年平均晴天為 天，陰天達(dá) 天，年平均云量高達(dá) 。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。 2 目前太陽能的開發(fā)和利用 人類直接利用太陽能有三大技術(shù)領(lǐng)域 [4]，即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。 太陽光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的產(chǎn)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(fā)電裝置及太陽能醫(yī)療器具。 太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大優(yōu)點(diǎn) [5]： 第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)估計(jì)，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(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價值。 第三，太陽能是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時，不會產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態(tài)平衡。 太陽能的利用有它的缺點(diǎn)： 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(dāng)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(yùn)動，保證太陽能設(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(jī)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(jī)，迫使各國政府投入大量的人力和財(cái)力，研究和開發(fā)新能源，如太陽能等。 能源危機(jī)，環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。 [7]據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署資料，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(dú)特優(yōu)勢的太陽能開發(fā)前景廣闊。日本經(jīng)濟(jì)企 3 劃廳和三澤公司合作研究認(rèn)為，到 2030 年，世界電力生產(chǎn)的一半將依靠太陽能。 [8]基于當(dāng)今世界能源問題和環(huán)境保護(hù)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(jìn)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(qiáng)太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)。 [10]解決這一問題應(yīng)從兩個方面入手，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(yùn)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， [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(jìn)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(qiáng)國。日本太陽熱能的利用， [12]從 1979 年第二次石油危機(jī)后開始， 1990 年進(jìn)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 20xx 年起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位， 20xx 年太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約為 86 萬千瓦，占世界太陽能發(fā)電裝機(jī)容量的 %，并計(jì)劃到 20xx 年達(dá)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(yàn)，發(fā)明了一系列高效的太陽能系統(tǒng)。 [13]1990年德國政府推出了“一千屋頂計(jì)劃”，至 1997 年已完成近萬套屋頂系統(tǒng)，每套容量 1～ 5千瓦，累計(jì)安裝量已達(dá) 萬千瓦。根據(jù)德國聯(lián)邦太陽能經(jīng)濟(jì)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(bào)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(yùn)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_(dá) 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(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(jì)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。 20xx 年， [14]美國光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)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(jì)劃，大幅度增加了光伏發(fā)電的財(cái)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(jì)到20xx 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(qiáng)。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(qiáng)了重視。 意大利 1998 年開始實(shí)行“全國太陽能屋頂計(jì)劃”，將于 20xx 年完成，總投入 5500 億里拉，總?cè)萘窟_(dá) 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(tǒng)。法國已經(jīng)批準(zhǔn)了代號為“太陽神 20xx”的太陽能利用計(jì)劃，按照該計(jì)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(dá) 2萬家。 我國由建設(shè)部制定的《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和 20xx 年規(guī)則》中已將太陽能熱水系統(tǒng)列入成果推廣項(xiàng)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(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(dá) 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(jì)劃，在 20xx 年和 2020 年的太陽能光電總?cè)萘繉⒎謩e達(dá)到 萬千瓦和 30 萬千瓦。在聯(lián)網(wǎng)陽光電站建設(shè)方面，計(jì)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(jī)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(jī)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(hù)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。 [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(jìn)一步提高。 20xx 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(jī)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 5 動跟蹤器，完成了單向跟蹤。 目前， [17]太陽追蹤系統(tǒng)中實(shí)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(yùn)動軌跡追蹤；前者是閉環(huán)的隨機(jī)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(shí)現(xiàn)大范圍、高精度