【正文】 太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達 80 萬千瓦，假如把地球表面 %的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率 5%，每年發(fā)電量可達 1012 千瓦小時，相當于世界上能耗的 40 倍 ，而且太陽能發(fā)電的實施對環(huán)境不會造成任何的污染，是最理想的新型能源。太陽能 資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。在中國廣闊的土地上，有著豐富的太陽能資源。年 日照時數(shù) 大于 2020 小時。 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)換和光化學轉(zhuǎn)換，此外，還有儲能技術(shù)。 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]： 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 2 頁 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。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。 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(zhuǎn)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。據(jù)國際能源機構(gòu)預測，人類正面臨礦物燃料枯竭的嚴重威脅。 能源危機，環(huán)境保護成為當今世界關(guān)注的熱點問題。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。其中具有獨特優(yōu)勢的太陽能開發(fā)前景廣闊。 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”的畢業(yè)設計 (論文 ) 第 3 頁 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。 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。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)外學者的研究熱點。太陽跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能。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。 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，也是太陽能應用技術(shù)強國。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。太陽光能發(fā)電，是利用半導 體硅等將光轉(zhuǎn)化為電能。 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)。根據(jù)德國聯(lián)邦太陽能經(jīng)濟協(xié)會的 數(shù)字，在過去的幾畢業(yè)設計 (論文 ) 第 4 頁 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。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 多個家庭供電。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。 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。目前，美國正在新建幾座新的太陽能電站。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(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]。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)。 我國由建設部制定的 《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。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。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。這也是世界海拔最高、中國裝機容量最大的太陽能電站。 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 5 頁 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。 2020 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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應用領(lǐng)域。 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 。 (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，還要設計光電轉(zhuǎn)換電路。 (5)設計控制方案，及驅(qū)動電路。 第二章 ,主要是對太陽自動追蹤系統(tǒng)進行了總體設計，確定了系統(tǒng)的追蹤方式。 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 ,步進電動機以及畢業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 驅(qū)動電路。 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 7 頁 2 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)總體設計 本課題的機械設計方案 圖 24本課題的機械設計方案 機構(gòu)結(jié)構(gòu)：馬達固定在支架上，馬達 8 的輸出軸連接小齒輪，小齒輪與大齒輪 5 嚙合。 機構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏離時。小齒輪 2 帶動齒圈和太陽能板轉(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。 跟蹤方案的比較選擇 目前國內(nèi)外采用的跟蹤太陽的方法有很多，但不外乎三種方式 [22]: (1)視 日運動軌跡跟蹤； (2)光電跟蹤； (3)視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合。 本設計的光敏器件選為光敏電阻。如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，兩個光敏電阻接收到的光強度相同，所以它們的阻值相同，此時電動機不轉(zhuǎn)動。 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 9 頁 3 機械設計部分 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)機械設計方案 圖 31自動跟蹤系統(tǒng)機械設計方案 機構(gòu)結(jié)構(gòu)：步進電機 8 固定在地板支架上，步進電機 8 的輸出軸連接小齒輪，小齒輪與大齒輪 5 嚙合。 機構(gòu)實現(xiàn)自動跟蹤的原理：當太陽光線發(fā)生偏離時。小齒輪 2 帶動齒圈和太陽能板轉(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。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做 “ 光生伏打效應 ” ，因此太陽能電池又稱為 “ 光伏電池 ” ，用于太陽能電池的半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，和任何物質(zhì)的原子一樣，半導體的原子也是由帶正電的畢業(yè)設計 (論文 ) 第 10 頁 原子核和帶負電的電子組成，半導體硅 原子的外層有 4 個電子，按固定軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由于這些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導體，通常用符號 P 表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號 N 代表。太陽能電池的奧妙就在這個 “ 結(jié) ”上， P－ N 結(jié)就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動。這樣，在 P－ N 結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的電壓。如果這時分別在 P 型層和 N 型層焊上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。目前，技術(shù)最成熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅