自动跟踪式太阳电池系统的设计设计说明书.doc

大学毕业设计说明书 I 自动跟踪式太阳电池系统的设计自动跟踪式太阳电池系统的设计 摘摘 要要 本设计就是针对太阳能发电利用率相当低下设计的 设计原理是根据地球绕太阳 自转和公转为出发点 通过两个步进电机来模拟地球绕太阳自转和公转 能使太阳光 线始终与反射镜保持垂直入射 在通过反射镜把太阳光线都聚焦在太阳能电池板上 固定式太阳能发电机的太阳能利用率为 本设计设计的自动跟踪式太阳能发电机15 的太阳能的利用率得到 是固定式发电机的太阳能利用率的 5 倍 从而大大的降75 低了太阳能发电的成本 相比水火发电成本还是比较高 本设计设计的太阳能自动跟 踪器发电过程中 由于凹镜把采集的太阳能都聚焦 10 厘米见方的太阳能电池板上 所 以在转化电能的时候也产生了一定的热能 为了给太阳能电池板降温 我们在太阳能 电池板上安装了一些蛇形的冷却管 通过蛇形冷却管在降温的同时也能产生能热 而 热能可以用来供给暖气或者洗澡应用 从总体的利用率来看 太阳能自动跟踪器发电 几乎接近水火发电成本 及具有在农村或者小型的工厂推广的价值 同时也为全球环 保事业作出了杰出的贡献 关键词 关键词 太阳能电池板 光电效应 反光镜 聚焦 自动跟踪器 步进电机 大学毕业设计说明书 II AutomaticAutomatic solarsolar cellscells trackingtracking systemsystem AbstractAbstract This design is aimed for the low utilization of solar power The design principle is based on a common starting point the rotation and revolution of the Earth around the Sun Through two stepper motors to simulate the rotation and revolution of the Earth around the Sun the sun light can always maintain a normal incidence with reflecting mirror Through the reflecting mirrors sun s ray can be focus on solar panels The solar energy utilization of fixed solar energy generators is The solar energy utilization of the automatic solar 15 cells tracking system we designed is which is five times of the fixed solar 75 energy generators Therefore the cost of solar power generation has reduced dramatically But compared to water and fire power the cost of it is still high During the solar tracker automatically generating process as the concave mirror has collect some solar energy and focus them on the 10 cm square solar cell board so a certain amount of heat was produced when transformed into electrical energy In order to lower the temperature of solar panels we have installed some snake like cooling pipe on solar panels While cooling down the snake like cooling pipe could produce heat and the heat can be used to supply heating or bath applications From the aspect of the utilization of solar energy the cost of solar tracker automatically generator is close to water and fire power It has made great contribution to the global environment and valuable for the rural small factories as well Key words solar panels photoelectric effect mirror Focus automatic tracking device stepping motor 大学毕业设计说明书 III 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 1 太阳能开发的意义 1 1 2 太阳能的开发利用的目的 1 1 3 利用太阳能的方法和特点 1 1 3 1 利用太阳能的方法 1 1 3 2 太阳能电池的特点 3 1 3 3 太阳能利用中的经济问题 4 1 4 提高太阳能利用率的方法 5 第二章 太阳能电池 6 2 1 太阳能电池 6 2 1 2 太阳能发电系统 6 2 1 1 太阳能电池分类 7 2 1 1 1 硅太阳能电池 7 2 1 1 2 多元化合物薄膜太阳能电池 8 2 1 1 3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 9 2 1 1 4 纳米晶太阳能电池 9 2 1 1 5 有机太阳能电池 9 2 1 1 6 纳米晶化学太阳能电池 9 2 1 3 太阳能电池的原理 10 大学毕业设计说明书 IV 2 1 3 1 常用的硅太阳能电池工作原理与结构 12 2 2 太阳能电池板新型涂层研发成功 16 2 3 太阳能电池产业现状 16 2 3 1 全球太阳能电池产业现状 16 2 3 2 我国太阳能电池产业现状 18 2 4 太阳能电池及太阳能发电前景简析 19 第三章 太阳能自动跟踪器设计原理 20 3 1 自动跟踪器的原理 20 3 2 太阳能自动跟踪系统的组成 21 3 2 1 自动跟踪系统 21 3 2 1 1 太阳高度角调节 21 3 2 1 2 太阳方位角调节 21 3 2 2 步进电机控制脉冲计算 22 3 2 3 冷却系统 23 第四章 设计原始参数 24 第一节 抗风力计算 24 4 1 风力载荷的计算 24 4 1 1 在地理上 24 4 1 2 风载的估算 25 第二节 太阳能凹型反射镜的设计 27 4 2 1 焦点的相对直径的计算 27 4 2 2 设计参数的选取 28 大学毕业设计说明书 V 第五章 太阳能跟踪器设计计算 29 第一节 中心联接轴设计 29 5 1 1 连接轴的受力分析 29 5 1 2 弯矩的计算及弯矩图 29 5 1 3 轴的强度校核计算 30 第二节 滑动螺旋的传动 31 5 2 1 选择材料和许用应力 31 5 2 2 按耐磨性计算螺纹中经 31 5 2 3 自锁性验算 31 5 2 4 螺杆强度验算 31 5 2 5 螺母螺纹强度验算 32 5 2 6 螺杆的稳定性验算 32 第三节 圆柱直齿轮的设计 33 5 3 1 选择齿轮类型 材料 精度 及齿数 33 5 3 1 1 选齿轮精度 33 5 3 1 2 选齿轮材料 33 5 3 1 3 小齿轮齿数选 33 5 3 2 齿面接触强度设计 33 5 3 2 1 确定公式内各参数 33 5 3 2 2 计算 34 5 3 3 按齿根弯曲强度设计 35 5 3 3 1 确定公式内各计算数值 35 5 3 3 2 设计计算 36 大学毕业设计说明书 VI 5 3 4 几何尺寸计算 36 第四节 步进电机的选择 38 5 4 1 选择步进电机相数 38 5 4 2 最大静态转矩的计算 38 5 4 2 1 摩擦转矩的计算 38 5 4 2 2 总加速转矩 38 5 4 2 3 最大必要 静态 转矩的计算 39 5 4 3 查表选电机 39 第五节 中心立轴的设计 40 5 5 1 轴的受力分析及弯矩的计算 40 5 5 1 1 受力力的计算 40 5 5 1 2 弯矩的计算 40 5 5 2 计算危险截面的最小轴径 41 5 5 2 1 轴选材 41 5 5 2 2 轴强度校核计算 41 5 5 3 选取实际钢管材料尺寸 41 第六节 轴承的设计计算 42 5 6 1 求两轴承受到的径向载荷 r1 F 和 r2 F 42 5 6 2 求两轴承的计算轴向力 r1 F 和 r2 F 42 5 6 3 求轴承当量动载荷 1 P 和 2 P 43 5 6 4 验算轴承的寿命 43 第六章 发电量的计算 44 6 1 日发电量的计算 44 大学毕业设计说明书 VII 结束语 49 参考文献 50 大学毕业设计说明书 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 太阳能开发的意义太阳能开发的意义 人类对太阳能的利用有着悠久的历史 我国早在两千多年前的战国时期 就知道 利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火 利用太阳能来干燥农副产品 发展到现代 太阳 能的利用已日益广泛 它包括太阳能的光热利用 太阳能的光电利用和太阳能的光化 学利用等 太阳能的利用有被动式利用 光热转换 和光电转换两种方式 太阳能发 电一种新兴的可再生能源利用方式 使用太阳电池 通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能 使用太阳能热 水器 利用太阳光的热量加热水 并利用热水发电 利用太阳能进行海水淡化 现在 太阳能的利用还不很普及 利用太阳能发电还存在成本高 转换效率低的问题 但是 太阳电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用 1 2 太阳能的太阳能的开发利用的目的开发利用的目的 太阳是一颗恒星 它使我们居住的地球大气保持温暖 风生云涌 电闪雷鸣 江 河奔流 万物生长 利用开发太阳能的目的就是利用太阳能的热 热利用有太阳能热力装置 如热水器 太阳灶 太阳能干燥 制冷等 光利用有 光发电 光转换等 1 3 利用太阳能的方法和特点利用太阳能的方法和特点 1 3 1 利用太阳能的方法利用太阳能的方法 太阳能是人类取之不尽 用之不竭的可再生能源 也是清洁能源 不产生任何环 大学毕业设计说明书 2 境污染 人们常采用光热转化 光电转换和光化学转换这三种形式来充分有效地利用 太阳能 1 光热转换 太阳能光热转换属目前世界范围内太阳能利用的一种最普及最主要的形式 它是 利用太阳光照射物体表面产生的热效应 现在的主要应用包括太阳能热水器 干燥器 温室与太阳房 太阳灶 采暖和制冷 海水淡化装置 太阳能热发电装置等 2 光电转换 太阳能光电转换主要是以半导体材料为基础 利用光照产生电子 空穴对 在 PN 结上可以产生光电流和光电压的现象 光伏效应 从而实现太阳能光电转化的目 的 通常所用的半导体材料主要是硅 众所周知 在地球表面太阳能的能量密度低 而且不稳定连续 用太阳能电池及相应储存技术可大面积采集 储存太 2 1000 W m 阳能 以适应人们动作和日常生活需要 太阳能电池的研究能够解决这一问题 3 光化学转换 光化学转换技术主要包括光合作用和光电化学转换技术 目前尚处于实验室研究 阶段 染料敏化钠米薄膜太阳能电池具有成本低廉 制作工业简单的优点 成为当前 研究的热点 它通过染料光敏化剂吸收太阳光的能量 使染料分子中的电子发生跃迁 最后电子进入收集电极 通过外回路产生光电流 这种技术的发展 将使人们利用太 阳能的形式向智能化发展 太阳能的利用水平取决于太阳能材料的发展水平 新材料 新工艺的出现 可进 一步提高人类利用太阳能的水平 欧美有百万屋顶发电计划并在制订太空发电战略 我国正在西部地区实施阳光发电工程 大学毕业设计说明书 3 1 3 2 太阳能电池的特点太阳能电池的特点 太阳能是一种把太阳光转换成电能的绿色可再生能源 与其他常规能源相比 具 有以下几个特点 太阳能取之不尽 用之不竭 据估算 一年之中投射到地球的太阳能 其能量相 当于 137 万亿吨标准煤所产生的热量 大约为目前全球一年内利用各种能源所产生能 量的两万倍 太阳能在转换过程中不会产生危及环境的污染 太阳能资源遍及全球 可以分散地 区域性地开采 我国约有 2 3 的地区可以较 好利用太阳能资源 光伏发电是间歇性的 有阳光时才发电 且发电量与阳光的强弱成正比关系 光伏发电是静态运行 没有运动部件 寿命长 无需或极少需要维护 光伏系统模块化 可以安装在靠近电力消耗的地方 在远离电网的地区 可以降 低输电和配电成本 增加供电设施的可靠性 优点 普遍 太阳光普照大地 无论陆地或海洋 无论高山或岛屿 都处处皆有 可直接开发和利用 且勿须开采和运输 无害 开发利用太阳能不会污染环境 它是最清洁的能源之一 在环境污染 越来越严重的今天 这一点是极其宝贵的 巨大 每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿吨标准煤 其总 量属现今世界上可以开发的最大能源 长久 根据目前太阳产生的核能速率估算 氢的贮量足够维持上百亿年 而 地球的寿命也约为几十亿年 从这个意义上讲 可以说太阳的能量是用之不竭的 大学毕业设计说明书 4 缺点 分散性 到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大 但是能流密度很低 平 均说来 北回归线附近 夏季在天气较为晴朗的情况下 正午时太阳辐射的辐照度最 大 在垂直于太阳光方向 1 平方米面积上接收到的太阳能平均有 1000W 左右 若按全 年日夜平均 则只有 200W 左右 而在冬季大致只有一半 阴天一般只有 1 5 左右 这样的能流密度是很低的 因此 在利用太阳能时 想要得到一定的转换功率 往往 需要面积相当大的一套收集和转换设备 造价较高 不稳定性 由于受到昼夜 季节 地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以 及晴 阴 云 雨等随机因素的影响 所以 到达某一地面的太阳辐照度既是间断的 又是极不稳定的 这给太阳能的大规模应用增加了难度 为了使太阳能成为连续 稳 定的能源 从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源 就必须很好地解决蓄能 问题 即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来 以供夜间或阴雨天使用 但目前蓄 能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一 效率低和成本高 目前太阳能利用的发展水平 有些方面在理论上是可行的 技术上也是成熟的 但有的太阳能利用装置 因为效率偏低 成本较高 总的来说 经济性还不能与常规能源相竞争 在今后相当一段时期内 太阳能利用的进一步发展 主要受到经济性的制约 1 3 3 太阳能利用中的经济问题太阳能利用中的经济问题 世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会 需要 而又不危及后代人前途的社会 因此 尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的 矿物能源 是能源建设应该遵循的原则 随着能源形式的变化 常规能源的贮量日益 下降 其价格必然上涨 而控制环境污染也必须增大投资 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国 煤炭约占商品能源消费结构的 76 大学毕业设计说明书 5 已成为我国大气污染的主要来源 大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减 少环境污染的重要措施 能源问题是世界性的 向新能源过渡的时期迟早要到来 从 长远看 太阳能利用技术和装置的大量应用 也必然可以制约矿物能源价格的上涨 1 4 提高太阳能利用率的方法提高太阳能利用率的方法 由能量关系我们知道 在能量的转换中 不可避免的要损失一些能量 因而 我 们要尽可能地减少能量转换 并且注重能量转换中转换工具的效率 提高太阳能利用率 就是从这两方面入手 就太阳能发电而言 有两种转换方式 一种是光能热能电能 是先把太阳光辐射能量转换成为热量 然后再用转换的热 量再次转换成电能 称之为热发电 另一种是通过光能电能 是利用光电材料 将 太阳光直接变换为电能输出 称之为光发电 不难看出 前一种的能量损失一定比后一种的能量损失大 从能量转换来分析 显然第二种比第一种利用率高 当然 利用率的高低还要取决于它的设计方案 应用原理及使用是否合理 从技术上讲 第一种能量转换虽然次数多了一些 但技术难度不大 而且从造价 上也是比较便宜的 技术相对比较完备 然而第二种能量形式的转换技术不是相对成 熟 还存在一些问题 因为光电材料就是以技术难题 而且价格比较昂贵 但前景广 阔 并且各国都相当重视在这个领域的研究 大学毕业设计说明书 6 第二章第二章 太阳能电池太阳能电池 图 2 1 2 1 太阳能电池太阳能电池 2 2 1 1 2 2 太太阳阳能能发发电电系系统统 太阳能发电系统由太阳能电池组 太阳能控制器 蓄电池 组 组成 如输出 电源为交流 220V 或 110V 还需要配置逆变器 各部分的作用为 一 太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分 也是太 阳能发电系统中价值最高的部分 其作用是将太阳的辐射能力转换为电能 或送往 蓄电池中存储起来 或推动负载工作 太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个 系统的质量和成本 二 太阳能控制器 太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态 并对 蓄电池起到过充电保护 过放电保护的作用 在温差较大的地方 合格的控制器还 应具备温度补偿的功能 其他附加功能如光控开关 时控开关都应当是控制器的可 选项 三 蓄电池 一般为铅酸电池 小微型系统中 也可用镍氢电池 镍镉电池 大学毕业设计说明书 7 或锂电池 其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来 到需要的 时候再释放出来 四 逆变器 在很多场合 都需要提供220VAC 110VAC 的交流电源 由于 太阳能的直接输出一般都是 12VDC 24VDC 48VDC 为能向 220VAC 的电器提供电 能 需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能 因此需要使用 DC AC 逆变器 在某些场合 需要使用多种电压的负载时 也要用到DC DC 逆变 器 如将 24VDC 的电能转换成 5VDC 的电能 注意 不是简单的降压 2 1 1 太阳能电池分类太阳能电池分类 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式 以下表示为 a 两大类 而前者又分为单结晶形和多结晶形 按材料可分为硅薄膜形 化合物半导体薄膜形和有机膜形 而化合物半导体薄 膜形又分为非结晶形 a Si H a Si H F a SixGel x H 等 V 族 GaAs InP 等 族 Cds 系 和磷化锌 Zn 3 p 2 等 太阳能电池根据所用材料的不同 太阳能电池还可分为 硅太阳能电池 多元 化合物薄膜太阳能电池 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机太阳能电池 其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的 在应用中居主导地位 2 2 1 1 1 1 1 1 硅硅太太阳阳能能电电池池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池 多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太 阳能电池三种 单晶硅太阳能电池转换效率最高 技术也最为成熟 在实验室里最高的转换效 率为 24 7 规模生产时的效率为 15 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地 位 但由于单晶硅成本价格高 大幅度降低其成本很困难 为了节省硅材料 发展 大学毕业设计说明书 8 了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较 成本低廉 而效率高于非晶硅薄膜电池 其实验室最高转换效率为 18 工业规模生产的转换效率为 10 因此 多晶硅薄 膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻 转换效率较高 便于大规模生产 有极 大的潜力 但受制于其材料引发的光电效率衰退效应 稳定性不高 直接影响了它 的实际应用 如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题 那么 非晶硅大阳 能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一 2 2 1 1 1 1 2 2 多多元元化化合合物物薄薄膜膜太太阳阳能能电电池池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐 其主要包括砷化镓III V 族化合 物 硫化镉 硫化镉及铜锢硒薄膜电池等 硫化镉 碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高 成本较 单晶硅电池低 并且也易于大规模生产 但由于镉有剧毒 会对环境造成严重的污 染 因此 并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品 砷化镓 GaAs III V 化合物电池的转换效率可达 28 GaAs 化合物材料具 有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率 抗辐照能力强 对热不敏感 适合于 制造高效单结电池 但是 GaAs 材料的价格不菲 因而在很大程度上限制了用 GaAs 电池的普及 铜铟硒薄膜电池 简称 CIS 适合光电转换 不存在光致衰退问题 转换效率 和多晶硅一样 具有价格低廉 性能良好和工艺简单等优点 将成为今后发展太阳 能电池的一个重要方向 唯一的问题是材料的来源 由于铟和硒都是比较稀有的元 素 因此 这类电池的发展又必然受到限制 2 2 1 1 1 1 3 3 聚聚合合物物多多层层修修饰饰电电极极型型太太阳阳能能电电池池 大学毕业设计说明书 9 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向 由 于有机材料柔性好 制作容易 材料来源广泛 成本底等优势 从而对大规模利用 太阳能 提供廉价电能具有重要意义 但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚 开始 不论是使用寿命 还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比 能否 发展成为具有实用意义的产品 还有待于进一步研究探索 2 2 1 1 1 1 4 4 纳纳米米晶晶太太阳阳能能电电池池 纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的 优点在于它廉价的成本和简 单的工艺及稳定的性能 其光电效率稳定在10 以上 制作成本仅为硅太阳电池 的 1 5 1 10 寿命能达到 2O 年以上 但由于此类电池的研究和开发刚刚起步 估计不久的将来会逐步走上市场 2 2 1 1 1 1 5 5 有有机机太太阳阳能能电电池池 有机太阳能电池 顾名思义 就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池 大 家对有机太阳能电池不熟悉 这是情理中的事 如今量产的太阳能电池里 95 以上是硅基的 而剩下的不到 5 也是由其它无机材料制成的 2 2 1 1 1 1 6 6 纳米晶化学太阳能电池纳米晶化学太阳能电池 在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的 但由于成本居高不下 远 不能满足大规模推广应用的要求 为此 人们一直不断在工艺 新材料 电池薄膜化 等方面进行探索 而这当中新近发展的纳米 TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科 学家的重视 以染料敏化纳米晶体太阳能电池 DSSCs 为例 这种电池主要包括镀有透明导电 膜的玻璃基底 染料敏化的半导体材料 对电极以及电解质等几部分 如图所示 白色小球表示 TiO2 红色小球表示染料分子 染料分子吸收太阳光能跃 迁到激发态 激发态不稳定 电子快速注入到紧邻的 TiO2导带 染料中失去的电子则 大学毕业设计说明书 10 很快从电解质中得到补偿 进入 TiO2导带中的电于最终进入导电膜 然后通过外回路产 生光电流 纳米晶 TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能 其光电效率稳定在 10 以上 制作成本仅为硅太阳电池的 1 5 1 10 寿命能达到 20 年以上 但由于此类电池的研究和开发刚刚起步 估计不久的将来会逐步走上市场 2 2 1 1 3 3 太太阳阳能能电电池池的的原原理理 太阳光照在半导体 p n 结上 形成新的空穴 电子对 在 p n 结电场的作用下 空穴由 n 区流向 p 区 电子由 p 区流向 n 区 接通电路后就形成电流 这就是光 电效应太阳能电池的工作原理 一 太阳能发电方式太阳能发电有两种方式 一种是光 热 电转换方式 另一种是光 电直接转换方式 1 光 热 电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电 一般是由太阳 能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气 再驱动汽轮机发电 前一个过程是光 热转换过程 后一个过程是热 电转换过程 与普通的火力发电一样 太阳能热 发电的缺点是效率很低而成本很高 估计它的投资至少要比普通火电站贵5 10 倍 一座 1000MW 的太阳能热电站需要投资 20 25 亿美元 平均 1kW 的投资为 2000 2500 美元 因此 目前只能小规模地应用于特殊的场合 而大规模利用在经 济上很不合算 还不能与普通的火电站或核电站相竞争 2 光 电直接转换方式该方式是利用光电效应 将太阳辐射能直接转换成 电能 光 电转换的基本装置就是太阳能电池 太阳能电池是一种由于光生伏特效 应而将太阳光能直接转化为电能的器件 是一个半导体光电二极管 当太阳光照到 光电二极管上时 光电二极管就会把太阳的光能变成电能 产生电流 当许多个电 大学毕业设计说明书 11 池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了 太阳能电 池是一种大有前途的新型电源 具有永久性 清洁性和灵活性三大优点 太阳能电 池寿命长 只要太阳存在 太阳能电池就可以一次投资而长期使用 与火力发电 核能发电相比 太阳能电池不会引起环境污染 太阳能电池可以大中小并举 大到 百万千瓦的中型电站 小到只供一户用的太阳能电池组 这是其它电源无法比拟的 电池板原料 玻璃 EVA 电池片 铝合金壳 包锡铜片 不锈钢制价 蓄电 池等 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源 也是清洁能源 不产生任何的环境 污染 在太阳能的有效利用当中 大阳能光电利用是近些年来发展最快 最具活力的研 究领域 是其中最受瞩目的项目之一 图 2 1 3 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础 其工作原理是利用光电材料吸收光能 后发生光电于转换反应 根据所用材料的不同 太阳能电池可分为 1 硅太阳能电池 2 以无机盐如砷化镓 III V 化合物 硫化镉 铜铟硒等多元化合物为材料的电池 3 功能高分子材料制备的大阳能电池 4 纳米晶太阳能电池等 大学毕业设计说明书 12 2 2 1 1 3 3 1 1 常常用用的的硅太阳能电池工作原理与结构硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应 一般的半导体主要结构如下 图 2 1 3 1 1 图中 正电荷表示硅原子 负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 当硅晶体中 掺入其他的杂质 如硼 磷等 当掺入硼时 硅晶体中就会存在着一个空穴 它的形成 可以参照下图 图 2 1 3 1 2 图中 正电荷表示硅原子 负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 而黄色的表 大学毕业设计说明书 13 示掺入的硼原子 因为硼原子周围只有 3 个电子 所以就会产生入图所示的蓝色的空穴 这个空穴因为没有电子而变得很不稳定 容易吸收电子而中和 形成 P positive 型 半导体 同样 掺入磷原子以后 因为磷原子有五个电子 所以就会有一个电子变得非常活 跃 形成 N negative 型半导体 黄色的为磷原子核 红色的为多余的电子 如下图 图 2 1 3 1 3 N 型半导体中含有较多的空穴 而 P 型半导体中含有较多的电子 这样 当 P 型和 N 型半导体结合在一起时 就会在接触面形成电势差 这就是 PN 结 当 P 型和 N 型半 导体结合在一起时 在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层 界面的 P 型一侧带负电 N 型一侧带正电 这是由于 P 型半导体多空穴 N 型半导体多自由电子 出现了浓度差 N 区的电子会扩散到 P 区 P 区的空穴会扩散到 N 区 一旦扩散就形成 了一个由 N 指向 P 的 内电场 从而阻止扩散进行 达到平衡后 就形成了这样一个 特殊的薄层形成电势差 这就是 PN 结 大学毕业设计说明书 14 图 2 1 3 1 4 当晶片受光后 PN 结中 N 型半导体的空穴往 P 型区移动 而 P 型区中的电子往 N 型区移动 从而形成从 N 型区到 P 型区的电流 然后在 PN 结中形成电势差 这就形成 了电源 如下图所示 图 2 1 3 1 5 由于半导体不是电的良导体 电子在通过 p n 结后如果在半导体中流动 电阻非 常大 损耗也就非常大 但如果在上层全部涂上金属 阳光就不能通过 电流就不能产 生 因此一般用金属网格覆盖 p n 结 如图 梳状电极 以增加入射光的面积 另外硅表面非常光亮 会反射掉大量的太阳光 不能被电池利用 为此 科学家们 大学毕业设计说明书 15 给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜 如图 将反射损失减小到 5 甚至更小 一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限 于是人们又将很多电池 通常是 36 个 并 联或串联起来使用 形成太阳能光电板 2 2 1 1 3 3 2 2 硅太阳能电池的生产流程硅太阳能电池的生产流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350 450 m 的高质量硅片上制成的 这种硅片 从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成 图 2 1 3 2 上述方法实际消耗的硅材料更多 为了节省材料 目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学 气相沉积法 包括低压化学气相沉积 LPCVD 和等离子增强化学气相沉积 PECVD 工 艺 此外 液相外延法 LPPE 和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池 化学气相沉积主要是以 SiH2Cl2 SiHCl3 SiCl4或 SiH4 为反应气体 在一定的保护气 氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上 衬底材料一般选用 Si SiO2 Si3N4等 大学毕业设计说明书 16 但研究发现 在非硅衬底上很难形成较大的晶粒 并且容易在晶粒间形成空隙 解决这 一问题办法是先用 LPCVD 在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层 再将这层非晶硅层退火 得到较大的晶粒 然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜 因此 再结晶技术无疑是 很重要的一个环节 目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法 多晶硅薄膜 电池除采用了再结晶工艺外 另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术 这样 制得的太阳能电池转换效率明显提高 2 2 2 2 太太阳阳能能电电池池板板新新型型涂涂层层研研发发成成功功 美国伦斯勒理工学院研究人员 2008 年开发出一种新型涂层 将其覆盖在太阳 能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到96 2 而普通太阳能电池板的阳光吸收 率仅为 70 左右 新涂层主要解决了两个技术难题 一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的太阳 光谱 二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光 从而提高了太阳能电池板 吸收太阳光的效率 普通太阳能电池板通常只能吸收部分太阳光谱 而且通常只在吸收直射的太阳 光时工作效率较高 因此很多太阳能装置都配备自动调整系统 以保证太阳能电池 板始终与太阳保持最有利于吸收能量的角度 2 2 3 3 太太阳阳能能电电池池产产业业现现状状 现阶段以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流 而以光化学效应工作的湿 式太阳能电池则还处于萌芽阶段 2 2 3 3 1 1 全全球球太太阳阳能能电电池池产产业业现现状状 据 Dataquest 的统计资料显示 目前全世界共有 136 个国家投入普及应用太阳 大学毕业设计说明书 17 能电池的热潮中 其中有 95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发 积 极生产各种相关的节能新产品 1998 年 全世界生产的太阳能电池 其总的发电量 达 1000 兆瓦 1999 年达 2850 兆瓦 2000 年 全球有将近 4600 家厂商向市场提供 光电池和以光电池为电源的产品 目前 许多国家正在制订中长期太阳能开发计划 准备在 21 世纪大规模开发太 阳能 美国能源部推出的是国家光伏计划 日本推出的是阳光计划 NREL 光伏计 划是美国国家光伏计划的一项重要的内容 该计划在单晶硅和高级器件 薄膜光伏 技术 PVMaT 光伏组件以及系统性能和工程 光伏应用和市场开发等 5 个领域 开展研究工作 美国还推出了 太阳能路灯计划 旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳 能供电 根据计划 每盏路灯每年可节电 800 度 日本也正在实施太阳能 7 万套 工程计划 日本准备普及的太阳能住宅发电系统 主要是装设在住宅屋顶上的太 阳能电池发电设备 家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司 一个标准家庭可安装 一部发电 3000 瓦的系统 欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的 尤里卡 高 科技计划 推出了 10 万套工程计划 这些以普及应用光电池为主要内容的 太 阳能工程 计划是目前推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一 日本 韩国以及欧洲地区总共 8 个国家最近决定携手合作 在亚洲内陆及非洲 沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站 他们的目标是将占全球陆地面积约 1 4 的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来 为 30 万用户提供 100 万千瓦 的电能 计划将从 2001 年开始 花 4 年时间完成 目前 美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额 美国拥有世界上 最大的光伏发电厂 其功率为 7MW 日本也建成了发电功率达 1MW 的光伏发电厂 全世界总共有 23 万座光伏发电设备 以色列 澳大利亚 新西兰居于领先地位 大学毕业设计说明书 18 20 世纪 90 年代以来 全球太阳能电池行业以每年 15 的增幅持续不断地发展 据 Dataquest 发布的最新统计和预测报告显示 美国 日本和西欧工业发达国家在 研究开发太阳能方面的总投资 1998 年达 570 亿美元 1999 年 646 亿美元 2000 年 700 亿美元 2001 年将达 820 亿美元 2002 年有望突破 1000 亿美元 2 2 3 3 2 2 我我国国太太阳阳能能电电池池产产业业现现状状 我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视 早在七五期间 非晶硅半导体的 研究工作已经列入国家重大课题 八五和九五期间 我国把研究开发的重点放在大 面积太阳能电池等方面 2003 年 10 月 国家发改委 科技部制定出未来5 年太 阳能资源开发计划 发改委 光明工程 将筹资 100 亿元用于推进太阳能发电技术 的应用 计划到 2005 年全国太阳能发电系统总装机容量达到300 兆瓦 2002 年 国家有关部委启动了 西部省区无电乡通电计划 通过太阳能和小 型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题 这一项目的启动大大刺激了太阳能 发电产业 国内建起了几条太阳能电池的封装线 使太阳能电池的年生产量迅速增 加 我国目前已有 10 条太阳能电池生产线 年生产能力约为 4 5MW 其中 8 条生产 线是从国外引进的 在这 8 条生产线当中 有 6 条单晶硅太阳能电池生产线 2 条非 晶硅太阳能电池生产线 据专家预测 目前我国光伏市场需求量为每年 5MW 2001 2010 年 年需求量将达 10MW 从 2011 年开始 我国光伏市场年需求量将 大于 20MW 目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂 河北宁晋单晶硅基地和四川 峨眉半导体材料厂等厂商 其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生 产基地 占世界太阳能单晶硅市场份额的25 左右 在太阳能电池材料下游市场 目前国内生产太阳能电池的企业主要有无锡尚德 南京中电 保定英利 河北晶澳 林洋新能源 苏州阿特斯 常州天合 云南天达 大学毕业设计说明书 19 光伏科技 宁波太阳能电源 京瓷 天津 太阳能等公司 总计年产能在800MW 以上 2 2 4 4 太太阳阳能能电电池池及及太太阳阳能能发发电电前前景景简简析析 目前 太阳能电池的应用已从军事领域 航天领域进入工业 商业 农业 通信 家用电器以及公用设施等部门 尤其可以分散地在边远地区 高山 沙漠 海岛和农村使用 以节省造价很贵的输电线路 但是在目前阶段 它的成本还很高 发出 1kW 电需要投资上万美元 因此大规模使用仍然受到经济上的限制 但是 从长远来看 随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光 电转换装置的 发明 各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求 太阳能电池仍将是利用太阳 辐射能比较切实可行的方法 可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景 大学毕业设计说明书 20 第三章第三章 太阳能自动跟踪器设计太阳能自动跟踪器设计原理原理 3 1 自动跟踪器的原理自动跟踪器的原理 设计的原始出发点 根据地球绕太阳视日运转 保持太阳光线垂直照射凹镜面 通过凹镜面把太阳光线聚焦在太阳能电池板上 太阳能电池板在经过光电效应转化成 电能 而凹镜面始终能保持太阳光线垂直照射是通过两个步进电机来控制 步进电机 A 模拟控制地球绕太阳公转 步进电机 B 模拟地球绕太阳的自转 太阳能电池板 凹镜面 锅面底支架 中心连 接螺栓 步进电机 步进电机 滑动螺杆 大齿轮 小齿轮 中心立轴 外支撑轴 圆锥滚子轴承 接地板 图 3 1 能自动跟踪器设计的总体图 大学毕业设计说明书 21 3 2 太阳能自动跟踪系统的组成太阳能自动跟踪系统的组成 本设计有两套系统组成 自动跟踪系统和冷却系统 3 2 13 2 1 自动跟踪系统自动跟踪系统 太阳每天东升西落 站在地球表面的人会观测到太阳很有规律的在地球上运动 视日运动轨迹跟踪 就是利用电子控制单元根据相应的公式和参数计算出白天太阳的 实时位置 然后发出指令给步进电机 驱动太阳跟踪装置 以达到对太阳实时跟踪的 目的 太阳在地球上的位置可由以下两个太阳角确定 太阳高度角和太阳方位角 太阳高度角又称太阳高度是指太阳光线与地表水平面之间的夹角 太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角 3 2 1 13 2 1 1 太阳高度角调节太阳高度角调节 把太阳高度角的运动规律转化成 PLC 程序 通过 PLC 转变成脉冲传给步进电机 A 步进电机 A 经脉冲指令控制旋转角 带动丝杠旋转 丝杠和螺母旋转实现对太阳高度 角调整 图 3 2 高度角的调节简图 3 2 1 23 2 1 2 太阳方位角调节太阳方位角调节 大学毕业设计说明书 22 把太阳方位角的运动规律转化成 PLC 程序 通过 PLC 转变成脉冲传给步进电机 B 步进电机 B 经脉冲指令控制旋转角度 带动小齿轮旋转 大齿轮固体不动 小齿轮围 绕大齿轮做周向运转来调整太阳方位角的变化 图 3 3 方位角调节简图 3 2 23 2 2 步进电机控制脉冲计算步进电机控制脉冲计算 假设高度角增加一度 计算需要多少个脉冲 丝杠参数 步进电机参数 24 32 3 30 5 32 5 30dmm Pmm dmm Dmm 步距角 一个脉冲 0 36 图 3 4 丝杠上升的距离 一周需要的脉冲 个 所以太阳高度角平均增大一度所需脉冲 360 1000 0 36 个 13 34333 3 假设方位角运转一度 计算需要多少个脉冲 大学毕业设计说明书 23 大齿轮 小齿轮 传动比 由传动比 2 110 3zmmm 1 21 3zmmm 5i 得 大齿轮转一度 小齿轮需要转五度 所以步进电机 B 也需要旋转五度 大齿轮平 均旋转一度所需的脉冲数 个 5 14 0 36 3 2 33 2 3 冷却系统冷却系统 由于太阳能电池板在发电过程 产生电能 同时也产生热能 热能必须75 15 通过散热器给太阳能电池板降温 保证太阳能电池板正常工作 因此在太阳能电池板 侧面加一些蛇形水管 给蛇形水管供连续的凉水 来给太阳能电池板降温 在降温的 同时也产生了一些热水 我们把热水可以供给用户 用户可以用降温的热水连接暖气 也可以用来洗澡等等 大学毕业设计说明书 24 第四章第四章 设计原始参数设计原始参数 本章将主要介绍太阳能自动跟踪器设计所需的基本设计参数 及设计要求 主要的 设计参数是抗风力及凹镜面的形状和反射面积 第一节第一节 抗风力计算抗风力计算 4 1 风力载荷的计算风力载荷的计算 4 1 1 在地理上在地理上 我国西部地区太阳能功能能源相对丰富 而这些地域的风压却相对较大 而且由 于受西北信风的影响 这些地区除了冷空气侵袭较为严重外 还受到高海拔的影响 造成空气流动大 容易形成大风 每年冬春及深秋季节 西北信风又将向南转移 并 常在高空维持强进的偏西风气流 这种气流如在某些条件下 将形成地面上偏西风 这种风 多在平原形成 发生 经查得最大风速极少超过 25 米 秒 9 级大风 中国境内盛行的冬夏风向相反或接近相反的现象 亚洲东部和南部都是世界上季 风盛行的地区被称为东亚季风和南亚季风 中国的季风是东亚季风的重要组成部分 南亚季风主要影响中国的西南地区 称为西南季风 就季节而言 中国季风分为冬季 风和夏季风 夏季风是由东南季风和西南季风组成 中国的季风是海陆分布 行星风 系和青藏高原等地形因素综合作用的结果 但最根本的原因是海陆分布的热力差异 由于海洋与陆地物理性质不同 海洋的热容量高于陆地 陆地比海洋吸热快得多 放 热也快得多 所以 冬季陆地气温明显低于海洋 成为高气压区 而海洋气温偏高 成为低气压区 则形成陆地吹向海洋的冬季风 而夏季 陆地气温明显高于海洋 海 大学毕业设计说明书 25 洋为高气压区 陆地为低气压区 则形成海洋吹向陆地的夏季风 中国地处世界上最 大的亚欧大陆的东部 面临世界上最大的太平洋 海陆影响显著 热力差异大 致使 中国成为世界上季风最显著的国家之一 冬季盛行偏北的冬季风 夏季盛行东南季风 和西南季风 而冬季严寒 高压的青藏高原则起了加强冬季风的作用 夏季这里成为 低压区 又起了加强夏季风影响的作用 行星风系在形成中国季风中的作用 主要表 现在西南季风的形成上 西南季风实际上是南半球的东南信风 随行星风系的季节移 动 过赤道后 受地转偏向力的影响 方向偏转 才形成西南季风的 季风给中国带 来了深刻的影响 冬季风使中国冬季更加寒冷 干燥 加剧了南北的温差 夏季风给 中国带来了丰沛的降水 高温期与多雨期一致 十分有利于农业的发展 尤其是长江 中下游地区 虽然处于回归高压带上 但却未形成沙漠地带 反而成了著名的 鱼米 之乡 中国冬夏季风的交替更迭 使中国成为世界典型的四季分明的国家 自然景观 的纬度地带性更具特色 季风还使中国成为旱涝等灾害严重的国家 4 1 2 风载的估算风载的估算 风速与风压 风压是在最大风速时 垂直于风向的表面上所受的压强 根据伯努利方程得出的风 压关系 风的动压为 4 1 1 2 0 5 po wr 其中为风压 为空气密度 为风速 p w 2 KN m o r 2 Kg m m s 由于空气密度 和重度 的关系为 g 因此有 g 得 o rrr o r o rr 0 5 g 4 1 2 p wr 2 此式为标准风压公式 在标准状态下 气压为 1013 温度为 空气重度 a hP15 C 0 01225 纬度为 45 处的重力加速度 g 9 8 得r 3 KN m 2 m s 大学毕业设计说明书 26 1600 4 1 3 p w 2 此式为用风速估计风压的通用公式 应当指出的是 空气重度和重力加速度随纬 度和海拔高度而变 一般来说 r g 在高原上要比在平原地区小 也就是说同样的风速 在相同的温