【文章內容簡介】 ....XXXIX 結論 ..............................................................................................................................XXXIX 展望 ..............................................................................................................................XXXIX 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) III 致謝 .............................................................................................................................................. XL 參考文獻 ..................................................................................................................................... XLI 附錄 1 .............................................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 附錄 2 .............................................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) I 1 緒論 課題來源 模擬 生產(chǎn)實際 課題 :太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設計 。 能源現(xiàn)狀及發(fā)展 能源是人類社會賴以生存和發(fā)展 的物質基礎。當前，包括我國在內的絕大多數(shù)國家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。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 [1]。 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?shù)谋戎?，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(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 [2]， 20世紀 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 20%，風力發(fā)電的年增長率更是高達 26%。預計在未來 5至 10年內，可持續(xù)能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結束礦物燃料一統(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 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 50 1018KJ，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(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/cm2 A，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 天，年平均云量高達 。其它地區(qū)的太陽年輻射總量居中。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) II 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(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。 太陽能的特點 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 [5]： 第一，它是人類可以利用的最豐富的能源，據(jù)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(fā)利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發(fā)達的農(nóng)村、海島 和邊遠地區(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： 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(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(fā)新能源，如太陽能等。 能源危機 ，環(huán)境保護成為當今世界關注的熱點問題。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(xù)發(fā)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(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)濟企徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) III 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 外學者的研究熱點 。 解決這一問題應從兩個方面入手 [10]，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(xiàn)有的技術則可解決。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，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域。 太陽能利用的國內外發(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(chuàng)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(fā)電，是利用半導體硅等將光轉化為電能。從 2021 年 起，日本太陽能發(fā)電量一直居世界首位， 2021 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 2021 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(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)電總容量達 12 兆瓦，能為 3500 多個家徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) IV 庭供電。截至 2021 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(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。 2021 年，美國光伏發(fā)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(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體材料的研發(fā)，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 2021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)電技術的競爭力將會大大增強。太陽能在能源發(fā)展中占有相當?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 [14]。 意大利 1998 年開始實行“全國太陽能屋頂計劃”， 將于 2021 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 2021 年前推廣 150 萬套太陽能屋頂系統(tǒng)。法國已經(jīng)批準了代號為“太陽神 2021”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 2021 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(jié)能“九五”計劃和 2021 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 2021 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(lián)網(wǎng)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(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，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。 2021 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