【正文】 .......................................... 51 （一）流程圖設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 51 （二）程序設(shè)計(jì) .............................................................................................................. 53 （三）本章小結(jié) .............................................................................................................. 57 結(jié)論與展望 ............................................................................................................................ 58 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................... 59 致謝 ...................................................................................................................................... 60 外文文獻(xiàn) ............................................................................................................................... 61 （一）原文 ..................................................................................................................... 61 （二）翻譯 ..................................................................................................................... 66 1 摘要 隨著以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷耗用將越來(lái)越適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要，包括太陽(yáng)能在內(nèi) 的可再生資源將會(huì)越來(lái)越受到人們的重視。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（包括電路原理圖）。 第 1 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容： 調(diào)查了解目前太陽(yáng)能電池板的使用情況、測(cè)試垂直照射和不垂直照射的工作效率； 查閱資料，掌握 MCS— 51 單片機(jī)、控制電機(jī)及相關(guān)電路的工作原理及應(yīng)用方法； 按本任務(wù)書(shū)要求完成設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）： 實(shí)習(xí)報(bào)告。太原理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）： 要求設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)以調(diào)整太陽(yáng)能電池板光照攝射角度的系統(tǒng)，以提高太陽(yáng)能電池的光 — 電能量轉(zhuǎn)化率。 太陽(yáng)能電池板在 0— 180℃ 內(nèi)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，使入射光垂直照射； 根據(jù)季節(jié)變化太陽(yáng)能電池板可調(diào)整維度； 該設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)使用此太陽(yáng)能電池板供電力工作； 使用該系統(tǒng)后應(yīng)使用太陽(yáng)能電池板提高效率 ≥5% ； 此設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期室外運(yùn)行。 查閱資料記錄。 設(shè)計(jì)程序、圖紙的電子文檔。利用潔凈的太陽(yáng)光能，以半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)有這十分廣闊的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，利用太陽(yáng)軌道公式進(jìn)行太陽(yáng)高度角及方位角計(jì)算，并利用 計(jì)時(shí)芯片以及 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙軸跟蹤系統(tǒng)， 使 太陽(yáng)能電池板始終垂直于太陽(yáng)入射光線，從而提高太陽(yáng)能的吸收效率。 由于時(shí)間及作者目前的知識(shí)限制，跟蹤系統(tǒng) 只是 進(jìn)行粗略的角度跟蹤，有較大誤差，今后如有機(jī)會(huì)再進(jìn)行改進(jìn)。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展得越快，人類對(duì)能源的需求就越大，利用能源時(shí)可能對(duì)環(huán)境造成較大程度的破壞。正是由于上述原因，世界能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，表現(xiàn)在如下方面： 世界上大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計(jì)近 10 年內(nèi)化石燃料 (煤、石油與天然氣等 )能量消耗增加了近 20倍，預(yù) 計(jì)今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的石油儲(chǔ)量只能用到 2050年，天然氣也只能延續(xù)到 2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。 化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化。能源問(wèn)題關(guān)系到經(jīng) 濟(jì)是否能夠可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)在人們常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。據(jù)有關(guān)資料顯示 :石油儲(chǔ)量的綜合估算，可支配的化學(xué)能源的極限大約為 1180一 1510億噸，以 1995年世界石油的年開(kāi)采量 32億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在 2050年左右宣告枯竭 。煤的儲(chǔ)量約為 5600億噸， 1995年煤炭開(kāi)采量為 3億噸，可以供應(yīng) 169年 。能源短缺的形勢(shì)很嚴(yán)峻，當(dāng)前世界多數(shù)國(guó)家對(duì)能源問(wèn)題都很重視。太陽(yáng)能、綠色生物能、燃料電池、海洋能等新能源的研究與應(yīng)用為人們描繪出希望。 （二） 太陽(yáng)能的特點(diǎn) 太陽(yáng)是一個(gè)巨大的能源，萬(wàn)物生長(zhǎng)都要依靠太陽(yáng)，地球上絕大部分能源歸根究底是來(lái)自太陽(yáng)的。全世界人們一年所用的各種能量之和也只有到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能的數(shù)萬(wàn)分之一，因此利用太陽(yáng)能的潛力是十分大的。 太陽(yáng)輻射能與煤炭，石油，核能相比較。太陽(yáng)放射的總輻射能量大約是 X 1021 kW，極其巨大的。在到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為 X 1013kW，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬(wàn)五千多倍。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無(wú)限性”，取之不盡，用之不竭。 雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽(yáng)能輻射的不均勻但相對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能對(duì)于地球上絕 大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。 太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開(kāi)發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無(wú)限性，是人類理想的替代能源。一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在 5 接收太陽(yáng)能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用 。隨著科技的發(fā)展以及人類開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的技術(shù)突破，太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更明顯。我國(guó)的國(guó)土跨度從南至北，自西至東，距離都在 5000km以上，總面積達(dá) 960萬(wàn)平方公里，占世界陸地總面積的 7%,居世界第三位。全國(guó)各地太陽(yáng)能輻射量為 3340 8400MJ/()，中值為 5852MJ/（ m2? a）。 太陽(yáng)能應(yīng)用包括太陽(yáng)能發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用。光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽(yáng)光輻射能，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電是當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)電的主流。目前以 %的年平均增長(zhǎng)率高速發(fā)展，位于世界能源發(fā)電市場(chǎng)增長(zhǎng)率的首位。歐盟的可再生能源白皮書(shū)及相伴隨的“起飛運(yùn)動(dòng)”是驅(qū)動(dòng)歐洲光伏發(fā)展的里程碑 ,總目標(biāo)是 2021年光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到 3GW。按照預(yù)計(jì)的發(fā)展速度 ,2021 年美國(guó)光伏銷售達(dá)到 。預(yù)測(cè)未來(lái) 10年仍將保持 10%或稍高的發(fā)展水平 ,達(dá)到 (約 %)。因此 ,到 2021年世界光伏系統(tǒng)累計(jì)安裝容量將達(dá)到 14～ 15GW。目前我國(guó)已建成的較大的光伏電站有西藏雙湖 25千瓦光伏電站，西藏安多 100千瓦光伏電站以及目前中國(guó)最大的新疆北塔山牧場(chǎng) 150千瓦太陽(yáng)能光伏電站等。近來(lái)一些幾瓦到幾百 瓦的中小型光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽(yáng)能交通警示燈，高速公路上的太陽(yáng)能廣告牌，太陽(yáng)能路燈等。從國(guó)家發(fā)改委制定的中長(zhǎng)期規(guī)劃看 ,20212020年每年的平均裝機(jī)容量約60MW。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏系統(tǒng)的成本會(huì)越來(lái)越低，性能會(huì)越來(lái)越好，應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越寬廣。在這里把吸收的太陽(yáng)七能轉(zhuǎn)換成熱能，然后由傳熱介質(zhì)經(jīng)過(guò)蓄熱環(huán)節(jié)，再輸入熱動(dòng)力機(jī)，膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后以電能的形式輸出，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。 圖 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) 塔式太陽(yáng)能發(fā)電站的聚光子系統(tǒng)是大量按一定排列方式布置的平面反 射鏡陣列群 .它們按四個(gè)象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一個(gè)巨大的鏡場(chǎng)。 由幾何光學(xué)基本知識(shí)可知，要使反射光線方向保持不變，當(dāng)入射光線偏轉(zhuǎn) ? 角度時(shí)，平面鏡需要偏轉(zhuǎn) ? /2角度。 在塔式系統(tǒng)中，各個(gè)定日鏡相對(duì)于中心塔有著不同的朝向和距離，因此，每個(gè)定日鏡的跟蹤都要進(jìn)行單獨(dú)的兩維控制，且各個(gè)定日鏡的控制各不相同。 美國(guó)太陽(yáng) Ⅱ 號(hào)電站是世界上較為典型的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，是在總結(jié)太陽(yáng) I號(hào)電站試運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為推進(jìn)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站商用化進(jìn)程而建設(shè)的先導(dǎo)性工程。 。如圖 。 圖 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 聚光太陽(yáng)電池是降低太陽(yáng)電池利用總成本的一種措施 。 聚光太陽(yáng)電池分兩類，一般低倍率的聚光，采用晶體硅太陽(yáng)電池，適當(dāng)考慮散熱條件即可。這時(shí)普通晶體硅太陽(yáng)電池已無(wú)法承受，必須選用專門的材料和電池結(jié)構(gòu)制造聚光太陽(yáng)電池。特點(diǎn)是直徑很大的菲涅爾透鏡可以做的很薄，與球面透鏡相比可大大減輕透鏡的重量。菲涅爾透鏡一方面對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚焦，另一方面對(duì)電池組件也起保護(hù)作用。 圖 聚光太陽(yáng)電池組件模塊的結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤聚焦光伏發(fā)電系統(tǒng)是 采用聚焦的方式將太陽(yáng)光的光能密度大大提高 (400倍以上 )，可使太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率提高，在小面積的單晶硅片上獲得大的電流。 但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏電池上的光斑能量很強(qiáng)，因此聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是精確跟蹤太陽(yáng)，其聚光比越大跟蹤精度要求就越高，聚光比為400時(shí)跟蹤精度要求小于 176。在一般情況下跟蹤精度越高其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，造價(jià)就越高，甚至造價(jià)高于光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電池的總造價(jià)。主要特征是采用盤(pán) 狀拋物面鏡聚光集熱器，其結(jié)構(gòu)從外形上看類似于大型拋物面雷達(dá)天線。碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工作原理比較簡(jiǎn)單，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽(yáng)光聚焦在一點(diǎn)上，即為點(diǎn)聚焦，其聚光比可以高達(dá)數(shù)百到數(shù)千倍?；蛟诮裹c(diǎn)處直接放置發(fā)動(dòng)機(jī)組發(fā)電，如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組構(gòu)成的碟式太陽(yáng)能斯特林發(fā)電裝置，技術(shù)上更為先進(jìn)。也可用于較大的用電戶，把數(shù)臺(tái)至十?dāng)?shù)臺(tái)裝置并聯(lián)起來(lái)，組成小型太陽(yáng)能熱發(fā)電站。由于接收器安裝在碟式反射鏡的焦點(diǎn)上，那么只要碟式反射鏡的中軸線跟太陽(yáng)光線平行，便能保證碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率為最大。 圖 蝶式太陽(yáng)能系統(tǒng)發(fā)電裝置 目前碟式發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤方式和塔式電站中定日鏡的跟蹤方式完全相同，多 采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式。 （ 五 ） 太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種 。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤，工作原理基本相似。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽(yáng)光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)太陽(yáng)能接收率最大 。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的主光軸平行，接收太陽(yáng)能的效果并不理想。極軸式全跟蹤原理如圖 ，太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱 為極軸 ； 另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過(guò)極 11 軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易。 1998年美國(guó)加州成功的研究了八 JM兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的涅耳透鏡，這樣可 以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多能量，使熱收率進(jìn)一步提 跟蹤裝置，該裝置通過(guò)大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽(yáng)能接收器可從東到西跟蹤太陽(yáng)，這個(gè)方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽(yáng)能收集器可以從東到西跟蹤太陽(yáng)，以提高夏季能量的獲取率。 1994年在德國(guó)北部，太陽(yáng)能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽(yáng)能跟蹤裝置 1321。 近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開(kāi)展了這方面的研究。 1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤，國(guó)家氣象局計(jì)量站在 1990 年研制了 FST型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽(yáng)輻射觀測(cè) 。 （ 1） 時(shí)鐘式太陽(yáng)跟蹤裝置是一種被動(dòng)式的跟蹤裝置，有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法。雙軸跟蹤器的主要結(jié)構(gòu)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)反射器以每小時(shí) 15度的恒速繞日軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)的赤經(jīng)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)反射器以每天以巧分的恒速繞季軸旋轉(zhuǎn)，以跟蹤太陽(yáng)的