太阳能跟踪装置结构设计-双轴高度角-方位角式【8张CAD高清图纸和文档】【YC系列】
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YC系列
太阳能
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YC
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- 内容简介：
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+大学本科生毕业论文（设计）开题报告表论文(设计)名称 太阳能跟踪装置结构设计论文（设计） 来源 教师科研论文（设计）类型 C指导教师学生姓名学号班级1、 研究或设计的目的和意义： 随着煤炭、石油等不可再生的矿物质能源的日益枯竭以及因其使用带来的巨大的环境压力越来越严峻，大力开拓新能源与可再生能源如核能、风能、太阳能等的实际应用成为人类解决能源紧张和保护生态环境的重要战略选择。而能源问题将更为突出，主要有以下几个方面：1. 能源短缺。世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。 2. 环境污染。由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量;局部地区形成酸雨，严重污染水土。3. 温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，有关国际组织已召开多次会议，限制各国CO2等温室气体的排放量。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。 而太阳能作为新能源的重要组成部分，具有以下几个特点：1. 恻堵量的“无限性”。太阳每秒钟放射的能量大约是1. 681023kW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1. 8921013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。2. 存在的普遍性。相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。3. 使用的清洁性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。4. 使用的经济性。可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可能而且可行。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。 我国的太阳能资源比较丰富 ,从其分布来看 ,西部地区的太阳能年辐射 总量均在 5 400 MJ/ ( m2 . a) 以上 ,西藏地区更是 达到了 6 700 MJ/ (m2 . a) ,开发太阳能对于西部的发展有着重要的现实意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池的转换效率 ,目前一般情况下仍是采用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集 ,也有利用太阳的运动规律采用定时的方法对太阳进行跟踪,但这些方法均没有充分利用太阳能资源 ,转换效率较低 , 成本高。作者所设计的太阳能自动跟踪装置,能使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直 ,保持最大的转换效率 ,具有跟踪精度高、 少维护等优点 , 具有很好的实用价值。 2、 研究或设计的国内外现状和发展趋势：（1） 国内外研究或设计的现状：1. 单轴跟踪装置。美国Blaekaee，在1997年研制了单轴太阳跟踪器，如下图1，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率提高了15%。1998年美国加州成功研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使热接收率进一步提高。JoeLH.Goodmars研制了活动太阳能方位跟踪装置，如下图2，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏天季节里能量的获取率。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，如下图3，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置。捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪，如下图4。单轴太阳能跟踪装置结构简单，制作费用低，太阳能接收效率比固定式装置有较大提高。由于单轴跟踪装置一般只能实现东西方向的太阳跟踪，而不能对太阳的南北方向的顷角变化进行自动跟踪，因此太阳能接收率相对来说仍较低。 图1 斜单轴太阳能自动跟踪装置 图2 活动方位单轴太阳能自动跟踪装置 图3 新型太阳能跟踪装置 图4 单轴被动式太阳能2. 双轴跟踪装置，如下图5。近年来，随着控制技术的不断发展与控制成本的不断降低，实现对太阳方位角和高度角的精确跟踪的双轴跟踪技术已成为研究与运用的热点。Neville分别对双轴跟踪装置、单轴跟踪装置和固定式装置的太阳能接收效率进行了理论分析，研究发现，双轴跟踪装置的接收效率分别比单轴跟踪装置和固定装置提高5-10%和50。 图5 双轴太阳能跟踪装置3. 高度角方位角式太阳跟踪，如下图6。高度角方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪。通常集热器的方位轴垂直于地平面，另一轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。 图6 高度角方位角式太阳跟踪 近年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，2013年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器完成了单向跟踪，国家气象局计量站在1990年研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功地应用于太阳辐射观测。由中国科学院电工研究所、北京科诺伟业科技有限公司联合研制的大型高压并网光伏逆变器以及单、双轴跟踪并网光伏发电系统如下图7和图8所示，在西藏羊八井可再生能源示范基地正式并网运行，该单、双轴跟踪并网光伏发电系统则是目前我国容量最大、技术最先进的跟踪系统，采用目前国际上主流技术，具有外形美观、噪音低、跟踪精度高、耗电量小、耐侯性好的特点，平均发电量提高20%以上。中国专利CN201039038公开了一处用于光伏发电的自适应对日跟踪装置，无需控制和驱动电机用的电子元器件，结构简单、使用寿命长、可靠性高、成本低、耐气候性好。文献中介绍了一种以太阳能为自给动力的自力式跟踪装置，其伺服系统采用光、热、气压、液压、机械能之间的能量转换与传递，以实现信号反馈与驱动工作平台对太阳的跟踪。（2） 发展趋势：1.可持续发展再次掀起太阳能开发利用的高潮。人类利用太阳能已有几千年的历史，但发展一直很缓慢，现代意义上的开发利用只是近半个世纪的事情。1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳电池，从此揭开了太阳能开发利用的新篇章，之后，太阳能开发利用技术发展很快，特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力地促进了太阳能的开发利用。随着可持续发展战略在世界范围内的实施，太阳能的开发利用又被推到新高度。21世纪初至中叶将是太阳能开发利用技术的重要发展时期。世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用。2. 新型太阳能电池开发技术可望获得重大突破。光伏技术的发展，近期将以高效晶体硅电池为主，如下图9，然后逐步过渡到薄膜太阳能电池如下和各种新型太阳能光电池的发展，如前所述，晶体硅太阳电池具有转换效率高、性能稳定、商业化程度高等优点，但也存在硅材料紧缺、制造成本高等问题。而薄膜太阳能电池，图10，以及各种新型太阳能电池，如下图11新型钙钛矿型太阳能电池，都具有生产材料廉价、生产成本低等特点，随着研发投入的加大，必将促使其中一、二种获得突破，正如专家断言，只要有一、二种新型电池取得突破，就会使光电池局面得到极大的改善。 图9高效晶体硅太阳能电池 图10高效晶体硅电池 图11新型钙钛矿型太阳能电池3. 太阳能光电制氢产业将得到大力发展。随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展，使得太阳能制氢成为氢能产业的最佳选择，如图12。20世纪90年代在太阳能制氢方面获得了较大进展，1990年德国建成一座500kW太阳能制氢示范厂，沙特阿拉伯已建成发电能力为350kW的太阳能制氢厂。印度于1995年推出了一项制氢计划，投资4800万美元，在每年有300个晴天的塔尔沙漠中建造一座500KV太阳能电站制氢，用光伏一电解系统制得的氢，以金属氢化物的形式贮存起来，保证运输的安全。氢能具有重量轻、热值高、爆发力强、品质纯净、贮存便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发展，用氢能取代碳氢化合物能源将是21世纪的一个重要发展趋势。 图12 太阳能电站制氢4. 太阳能热利用技术将得到普及，光电技术将逐步向城市推进。随着世界范围内的环境意识和节能意识的普遍提高，太阳能热利用领域将得到最大限度的扩展，其普及程度将会有较大的提高。随着太阳能热水器性能的改善，太阳能热水器将逐步取代电热水器和燃气热水器。与此同时，光伏技术将逐步由农村、偏远地区以及其它特殊应用场合向城市推进，伴随着更多国家屋顶计划的实施，光伏发电将走进城市的千家万户。5. 空间太阳能电站显示出良好的发展前景。如图13，随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展，空间太阳能电站的设想可望得到实现。由于空间太阳能电站不受天气、气候条件的制约，其发展显示出美好的前景，是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。 图12 空间太阳能电站 未来的太阳跟踪装置应采用全自动跟踪。一是机构设计方面，机构设计将朝着高刚度，大范围跟踪方向发展，使电池板的太阳光率最大，从而降低发电的成本。二是系统控制方面，控制将综合采用光、机、电一体化技术，实现对太阳光的全自动跟踪，控制限位装置有东、西、上、下四个极限限位功能，跟踪精度高、角度范围大，有自动返回功能。大型的太阳能光伏发电装置可引入计算机测控系统实现对充电电压、充电电流、跟踪光强、风速、电瓶温度等模拟量进行采集、处理、显示和打印，实现防风，报警控制，蓄电池的充电、放电和分级控制等功能，对设备统一监控管理。 3、 主要研究或设计内容，需要解决的关键问题和思路： 本课题要求设计双轴高度角方位角式太阳跟踪装置的机械结构，即方位角回转结构、俯仰角调节结构。根据课题所给的技术参数提出太阳能跟踪装置结构方案，并对方案进行分析。其结构主要部件有：方位角回转结构，俯仰角调节结构；辅助部件有：太阳能光伏板板托，连接机架。太阳能跟踪装置要能够使所有部件协调、流畅、准确的运动起来，在竖直方向上方位角实现0360旋转；水平方向上俯仰角调节结构实现090的旋转，实现太阳能光伏板对太阳光线的追踪；目前在太阳能发电方面人们所面临的主要问题是利用率不高和成本较高，而通过提高利用率可相应减少发电成本，因此，如何最大限度地提高利用率成为国内外研究的热点。目前解决这一问题主要从两方面入手，一是提高电池的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用太阳跟踪技术则可较好地解决。理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪，能量接收率相差37.70Ic。可见，精确的跟踪可使太阳能的接收率大大提高，进而提高了太阳能的利用率。 具体研究内容如下：1. 完成能改变高度角即俯仰角、回转方位角的运动方案设计。2. 完成改变高度角即俯仰角的机械结构、回转方位角的机械机构设计，绘制装配图。3. 绘制改变高度角即俯仰角的机械结构、回转方位角的机械结构等的零件图。4. 根据太阳运动轨迹进行运动仿真，实现水平方向的旋转运动和竖直方向的俯仰运动。4、 完成毕业论文（设计）所必须具备的工作条件及解决的办法：1、 学习一门三维设计的软件（Pro-E、Solid Works、UG），解决方法老师教学和自学。2、 掌握二维的CAD软件平面设计出图。解决方法老师教学和自学。3、了解整个太阳能跟踪装置结构的设计流程，提出设计方案，在导师指导下完成方案的最终确定,编写论文，完成设计，最后完成答辩。5、 工作的主要阶段、进度与时间安排：6、 阅读的主要参考文献及资料名称：1宋开峰，新型太阳跟踪装置机构的研究 J天津：河北工业大学，2004 （1）.2高峰，孙成权，刘全根.太阳能开发利用的现状及发展趋势J.世界科技研究与发展，2001，23（4）：35-391.3饶鹏，孙胜利，叶虎勇.两维程控太阳跟踪器控制系统的研制J，控制工程，2004
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