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++大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告表 論文(設(shè)計)名稱 太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 論文（設(shè)計） 來源 教師科研 論文（設(shè)計）類型 C 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 學(xué)號 班級 1、 研究或設(shè)計的目的和意義： 隨著煤炭、石油等不可再生的礦物質(zhì)能源的日益枯竭以及因其使用帶來的巨大的環(huán)境壓力越來越嚴峻，大力開拓新能源與可再生能源如核能、風(fēng)能、太陽能等的實際應(yīng)用成為人類解決能源緊張和保護生態(tài)環(huán)境的重要戰(zhàn)略選擇。而能源問題將更為突出，主要有以下幾個方面： 1. 能源短缺。世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟發(fā)展的需要。從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。 2. 環(huán)境污染。由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量;局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土。 3. 溫室效應(yīng)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。這一問題已提到全球的議事日程，有關(guān)國際組織已召開多次會議，限制各國CO2等溫室氣體的排放量。因此，人類在解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。 而太陽能作為新能源的重要組成部分，具有以下幾個特點： 1. 惻堵量的“無限性”。太陽每秒鐘放射的能量大約是1. 68×1023kW，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1. 892×1013千億t，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。 2. 存在的普遍性。相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。 3. 使用的清潔性。太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。 4. 使用的經(jīng)濟性?？梢詮膬蓚€方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時不征收任何“稅”，可以隨地取用;二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，太陽能利用不僅可能而且可行。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理想的替代能源。 我國的太陽能資源比較豐富 ,從其分布來看 ,西部地區(qū)的太陽能年輻射 總量均在 5 400 MJ/ ( m2 . a) 以上 ,西藏地區(qū)更是 達到了 6 700 MJ/ (m2 . a) ,開發(fā)太陽能對于西部的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。利用太陽能的關(guān)鍵是提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率 ,目前一般情況下仍是采用太陽能電池板固定朝南安裝的方式對太陽能進行采集 ,也有利用太陽的運動規(guī)律采用定時的方法對太陽進行跟蹤,但這些方法均沒有充分利用太陽能資源 ,轉(zhuǎn)換效率較低 , 成本高。作者所設(shè)計的太陽能自動跟蹤裝置,能使太陽能電池板始終保持與太陽光垂直 ,保持最大的轉(zhuǎn)換效率 ,具有跟蹤精度高、 少維護等優(yōu)點 , 具有很好的實用價值。 2、 研究或設(shè)計的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢： （1） 國內(nèi)外研究或設(shè)計的現(xiàn)狀： 1. 單軸跟蹤裝置。美國Blaekaee，在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，如下圖1，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)，接收器的熱接收率提高了15%。1998年美國加州成功研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進一步提高。JoeLH.Goodmars研制了活動太陽能方位跟蹤裝置，如下圖2，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個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)，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏天季節(jié)里能量的獲取率。2002年2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，如下圖3，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(yīng)用領(lǐng)域。1994年在德國北部，太陽能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽能跟蹤裝置。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實現(xiàn)了單軸被動式太陽跟蹤，如下圖4。單軸太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作費用低，太陽能接收效率比固定式裝置有較大提高。由于單軸跟蹤裝置一般只能實現(xiàn)東西方向的太陽跟蹤，而不能對太陽的南北方向的頃角變化進行自動跟蹤，因此太陽能接收率相對來說仍較低。 圖1 斜單軸太陽能自動跟蹤裝置 圖2 活動方位單軸太陽能自動跟蹤裝置 圖3 新型太陽能跟蹤裝置 圖4 單軸被動式太陽能 2. 雙軸跟蹤裝置，如下圖5。近年來，隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展與控制成本的不斷降低，實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的精確跟蹤的雙軸跟蹤技術(shù)已成為研究與運用的熱點。Neville分別對雙軸跟蹤裝置、單軸跟蹤裝置和固定式裝置的太陽能接收效率進行了理論分析，研究發(fā)現(xiàn)，雙軸跟蹤裝置的接收效率分別比單軸跟蹤裝置和固定裝置提高5-10%和50℅。 圖5 雙軸太陽能跟蹤裝置 3. 高度角－方位角式太陽跟蹤，如下圖6。高度角方位角式太陽跟蹤方法又稱為地平坐標系雙軸跟蹤。通常集熱器的方位軸垂直于地平面，另一軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時集熱器根據(jù)太陽的視日運動繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變集熱器的傾斜角，從而使反射鏡面的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點是跟蹤精度高，而且集熱器裝置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)計比較容易。 圖6 高度角－方位角式太陽跟蹤 ? 近年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究。1992年推出了太陽灶自動跟蹤系統(tǒng)，2013年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動跟蹤器完成了單向跟蹤，國家氣象局計量站在1990年研制了FST型全自動太陽跟蹤器，成功地應(yīng)用于太陽輻射觀測。由中國科學(xué)院電工研究所、北京科諾偉業(yè)科技有限公司聯(lián)合研制的大型高壓并網(wǎng)光伏逆變器以及單、雙軸跟蹤并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如下圖7和圖8所示，在西藏羊八井可再生能源示范基地正式并網(wǎng)運行，該單、雙軸跟蹤并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則是目前我國容量最大、技術(shù)最先進的跟蹤系統(tǒng)，采用目前國際上主流技術(shù)，具有外形美觀、噪音低、跟蹤精度高、耗電量小、耐侯性好的特點，平均發(fā)電量提高20%以上。中國專利CN201039038公開了一處用于光伏發(fā)電的自適應(yīng)對日跟蹤裝置，無需控制和驅(qū)動電機用的電子元器件，結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、可靠性高、成本低、耐氣候性好。文獻中介紹了一種以太陽能為自給動力的自力式跟蹤裝置，其伺服系統(tǒng)采用光、熱、氣壓、液壓、機械能之間的能量轉(zhuǎn)換與傳遞，以實現(xiàn)信號反饋與驅(qū)動工作平臺對太陽的跟蹤。 （2） 發(fā)展趨勢： 1.可持續(xù)發(fā)展再次掀起太陽能開發(fā)利用的高潮。人類利用太陽能已有幾千年的歷史，但發(fā)展一直很緩慢，現(xiàn)代意義上的開發(fā)利用只是近半個世紀的事情。1954年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太陽電池，從此揭開了太陽能開發(fā)利用的新篇章，之后，太陽能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機有力地促進了太陽能的開發(fā)利用。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內(nèi)的實施，太陽能的開發(fā)利用又被推到新高度。21世紀初 至中葉將是太陽能開發(fā)利用技術(shù)的重要發(fā)展時期。世界范圍內(nèi)的能源問題、環(huán)境問題的最終解決將依靠可再生潔凈能源特別是太陽能的開發(fā)利用。 2. 新型太陽能電池開發(fā)技術(shù)可望獲得重大突破。光伏技術(shù)的發(fā)展，近期將以高效晶體硅電池為主，如下圖9，然后逐步過渡到薄膜太陽能電池如下和各種新型太陽能光電池的發(fā)展，如前所述，晶體硅太陽電池具有轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、商業(yè)化程度高等優(yōu)點，但也存在硅材料緊缺、制造成本高等問題。而薄膜太陽能電池，圖10，以及各種新型太陽能電池，如下圖11新型鈣鈦礦型太陽能電池，都具有生產(chǎn)材料廉價、生產(chǎn)成本低等特點，隨著研發(fā)投入的加大，必將促使其中一、二種獲得突破，正如專家斷言，只要有一、二種新型電池取得突破，就會使光電池局面得到極大的改善。 圖9高效晶體硅太陽能電池 圖10高效晶體硅電池 圖11新型鈣鈦礦型太陽能電池 3. 太陽能光電制氫產(chǎn)業(yè)將得到大力發(fā)展。隨著光電化學(xué)及光伏技術(shù)和各種半導(dǎo)體電極試驗的發(fā)展，使得太陽能制氫成為氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇，如圖12。20世紀90年代在太陽能制氫方面獲得了較大進展，1990年德國建成一座500kW太陽能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽能制氫廠。印度于1995年推出了一項制氫計劃，投資4800萬美元，在每年有300個晴天的塔爾沙漠中建造一座500KV太陽能電站制氫，用光伏一電解系統(tǒng)制得的氫，以金屬氫化物的形式貯存起來，保證運輸?shù)陌踩淠芫哂兄亓枯p、熱值高、爆發(fā)力強、品質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點。隨著太陽能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳氫化合物 能源將是21世紀的一個重要發(fā)展趨勢。 圖12 太陽能電站制氫 4. 太陽能熱利用技術(shù)將得到普及，光電技術(shù)將逐步向城市推進。隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識和節(jié)能意識的普遍提高，太陽能熱利用領(lǐng)域?qū)⒌玫阶畲笙薅鹊臄U展，其普及程度將會有較大的提高。隨著太陽能熱水器性能的改善，太陽能熱水器將逐步取代電熱水器和燃氣熱水器。與此同時，光伏技術(shù)將逐步由農(nóng)村、偏遠地區(qū)以及其它特殊應(yīng)用場合向城市推進，伴隨著更多國家屋頂計劃的實施，光伏發(fā)電將走進城市的千家萬戶。 5. 空間太陽能電站顯示出良好的發(fā)展前景。如圖13，隨著人類航天技術(shù)以及微波輸電技術(shù)的進一步發(fā)展，空間太陽能電站的設(shè)想可望得到實現(xiàn)。由于空間太陽能電站不受天氣、氣候條件的制約，其發(fā)展顯示出美好的前景，是人類大規(guī)模利用太陽能的另一條有效途徑。 圖12 空間太陽能電站 未來的太陽跟蹤裝置應(yīng)采用全自動跟蹤。一是機構(gòu)設(shè)計方面，機構(gòu)設(shè)計將朝著高剛度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，使電池板的太陽光率最大，從而降低發(fā)電的成本。二是系統(tǒng)控制方面，控制將綜合采用光、機、電一體化技術(shù)，實現(xiàn)對太陽光的全自動跟蹤，控制 限位裝置有東、西、上、下四個極限限位功能，跟蹤精度高、角度范圍大，有自動返回功能。大型的太陽能光伏發(fā)電裝置可引入計算機測控系統(tǒng)實現(xiàn)對充電電壓、充電電流、跟蹤光強、風(fēng)速、電瓶溫度等模擬量進行采集、處理、顯示和打印，實現(xiàn)防風(fēng)，報警控制，蓄電池的充電、放電和分級控制等功能，對設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。 3、 主要研究或設(shè)計內(nèi)容，需要解決的關(guān)鍵問題和思路： 本課題要求設(shè)計雙軸高度角－方位角式太陽跟蹤裝置的機械結(jié)構(gòu)，即方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)提出太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)方案，并對方案進行分析。其結(jié)構(gòu)主要部件有：方位角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；輔助部件有：太陽能光伏板板托，連接機架。太陽能跟蹤裝置要能夠使所有部件協(xié)調(diào)、流暢、準確的運動起來，在豎直方向上方位角實現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)；水平方向上俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)0°～90°的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽能光伏板對太陽光線的追蹤；目前在太陽能發(fā)電方面人們所面臨的主要問題是利用率不高和成本較高，而通過提高利用率可相應(yīng)減少發(fā)電成本，因此，如何最大限度地提高利用率成為國內(nèi)外研究的熱點。目前解決這一問題主要從兩方面入手，一是提高電池的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽能的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用太陽跟蹤技術(shù)則可較好地解決。理論分析表明:太陽的跟蹤與非跟蹤，能量接收率相差37.70Ic}'?？梢?，精確的跟蹤可使太陽能的接收率大大提高，進而提高了太陽能的利用率。 具體研究內(nèi)容如下： 1. 完成能改變高度角即俯仰角、回轉(zhuǎn)方位角的運動方案設(shè)計。 2. 完成改變高度角即俯仰角的機械結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)方位角的機械機構(gòu)設(shè)計，繪制裝配圖。 3. 繪制改變高度角即俯仰角的機械結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)方位角的機械結(jié)構(gòu)等的零件圖。 4. 根據(jù)太陽運動軌跡進行運動仿真，實現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)運動和豎直方向的俯仰運動。 4、 完成畢業(yè)論文（設(shè)計）所必須具備的工作條件及解決的辦法： 1、 學(xué)習(xí)一門三維設(shè)計的軟件（Pro-E、Solid Works、UG），解決方法老師教學(xué)和自學(xué)。 2、 掌握二維的CAD軟件平面設(shè)計出圖。解決方法老師教學(xué)和自學(xué)。 3、了解整個太陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程，提出設(shè)計方案，在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成方案的最終確定,編寫論文，完成設(shè)計，最后完成答辯。 5、 工作的主要階段、進度與時間安排： 6、 閱讀的主要參考文獻及資料名稱： [1]宋開峰，新型太陽跟蹤裝置機構(gòu)的研究 [J]天津：河北工業(yè)大學(xué)，2004 （1）. [2]高峰，孫成權(quán)，劉全根.太陽能開發(fā)利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].?世界科技研究與發(fā)展，2001，23（4）：35-391. [3]饒鵬，孫勝利，葉虎勇.兩維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)的研制[J]，控制工程，2004：（5）：542-543 [4]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M],北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004:32-36. [5]濮良貴，紀明剛主編.機械設(shè)計 [M],北京：高等教育出版社，2005年5月第8版. [6]機械設(shè)計基礎(chǔ)[M],北京：高等教育出版社. [7]陳建彬，沈惠平，丁磊，危鳳江，太陽能光伏發(fā)電二軸跟蹤機構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，機械設(shè)計與制造，第8期，（2010）08-0264-03 說明：1、論文（設(shè)計）類型：A—理論研究；B—應(yīng)用研究；C—設(shè)計等； 2、論文（設(shè)計）來源：指來源于科研項目、生產(chǎn)/社會實際、教師選題或其他（學(xué)生自擬）等； 3、各項欄目空格不夠，可自行擴大。