德 国之后，居世界第位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了 阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提 高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到 年，美国光伏发电成本将从现在的美分千瓦时降到美分千瓦时，届时，太阳 能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博 士对世界次能源替代趋势的研究结果表明，到年后，核能将占第位，太阳能占 第二位，世纪末，太阳能将取代核能占第位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。 意大利年开始实行全国太阳能屋顶计划，将于年完成，总投入亿 里拉，总容量达万千瓦。印度也于年月宣布，将在年前推广万套太 阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为太阳神的太阳能利用计划，按照该计划， 每年将投入万法郎资金，到年，法国每年安装太阳能热水器的用户达万家。 我国由建设部制定的建筑节能九五计划和年规则中已将太阳能热水系 统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，年销售面积 近万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制生产销售和安装的企 业达余家，年产值亿元。根据我国年太阳能光电光伏发电发 展计划，在年和年的太阳能光电总容量将分别达到万千瓦和万千瓦。 在联网阳光电站建设方面，计划年前建成座级阳光电站。由国家投资万 元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量千瓦，于年 月建成发电。这也是世界海拔最高中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太 阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。 太阳追踪系统的国内外研究现状 在太阳能跟踪方面，我国在年研跟踪太阳由东向西的运动同时控制 部分也发出信号驱动由马达带动传动箱中的蜗杆蜗轮转动，再输出带动环形支架和 接收器转动，跟踪太阳南北方向的运动，由此来实现对太阳的两个方向的跟踪。 系统优点该跟踪机构结构简单。对于两个方向的跟踪，都利用蜗杆蜗轮副传动， 在紧凑的结构下得到很大的传动比，能使用功率很小的马达同时传递足够的动力，使用功 率小的马达降低了其能源成本和制造成本蜗杆蜗轮副的自锁性能好，能防风防雨。结 构紧凑，运动空间大。传动装置设置在传动箱内，受到了较好的保护，提高了装置的寿命。 齿圈转动式跟踪器 机构结构马达固定在支架上，马达的输出轴连接小齿轮，小齿轮与齿圈 啮合。齿圈连接着主轴上，主轴安装在支架上主轴相对于支架可以转动，马达安 装在主轴前端的块板上，马达的输出轴连接小齿轮，小齿轮与齿圈啮合，齿圈 连接着转动架，转动架安装在主轴上转动架相对于主轴可以转动。 机构实现自动跟踪的原理当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达毕业设计论文 年月 带动小齿轮转动，小齿轮带动齿圈和主轴转动同时控制信号驱动马达带动小齿 轮。小齿轮带动齿圈和转动架转动，通过马达马达的共同工作实现对太阳方 位角和高度角的跟踪。 图齿圈转动跟踪器 系统特点该跟踪机构结构简单，造价低。两个方向的跟踪都利用齿轮副传递动力， 能在使用功率较小的马达的同时传递足够大的动力，使用功率较小的马达降低了其能源成 本和制造成本由于使用半个齿圈，能在紧凑的结构下得到较大的传动比。结构紧凑，运 动空间大。 本课题的机械设计方案 图本课题的机械设计方案 机构结构马达固定在支架上，马达的输出轴连接小齿轮，小齿轮与大齿轮 啮合。把齿轮连接着主轴上，主轴安装在支架上主轴相对于支架可以转动，马达安装 在主轴前端的块板上，马达的输出轴连接小齿轮，小齿轮与齿圈啮合，齿圈连接 着太阳能板，转动架安装在主轴上。 机构实现自动跟踪的原理当太阳光线发生偏离时。控制部分发出控制信号驱动马达 带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动同时控制信号驱动马达带动小齿 轮。小齿轮带动齿圈和太阳能板转动，通过马达马达的共同工作实现对太阳方 位角和高度角的跟踪。毕业设计论文 年月 跟踪方案的比较选择 目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式视日运动轨迹 跟踪光电跟踪视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做 个简要的介绍和比较。 视日运动轨迹跟踪 不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的， 通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。 太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有 具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体 值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角 形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。 根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在 应用中，全球定位系统可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统 则根据提供的地理时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高 准确性和高可靠性。 在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的 高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪 装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回 到基准零点。 参考目前世界通用的算法，涉及到赤纬角和时角的大致有二种算法算法，采用 中国国家气象局气象辐射观测方法算法，采用世界气象组织气象和观测方法。 由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增 大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为 了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安 装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时， 仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直 仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。 光电跟踪 传统的光电跟踪是采用级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件 组成位置检测器控制组件跟踪头。其跟踪系统框图如图所示。位置检测器主要 由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池光敏电阻等。控制组件主要接受从 位置检测器来的微弱信号，经放大后送到跟踪头，跟踪头实为跟踪装置的执行元件。毕业设计论文 年月 图跟踪系统框图 下面对年应用光学杂志介绍的种五象限法太阳跟踪仪做简单介绍， 下图为五象限光电转换器原理。在半径为的大圆内有个半径为的小圆，将大圆 与小圆之间的圆环分成四个象限。每象限的分界线与轴均成度，小圆为第像限。 图五象限光电转换器原理 在上述象限中为跟踪定位测向象限，象限为主测象限。将片面积性能参数 相同的光电池安装在所设计的个象限内，当阳光照射到片光电池上时必然产生光电流， 光电流强度与光强成正比。 为了测量准确，在光电池前放置可调光学镜筒，将个凸透镜放在镜筒前，透镜安放 在镜筒的最外沿，如图所示。当光线经过透镜照到镜筒底部的片光电池上时，调节 筒的长度，使光斑正好完全覆盖片光电池。当太阳光与光轴成角度时，光线经过透镜 照射到片光电池上形成的光斑必然发生偏移，如图所示。阴影部分为光线照到的部 分，此时有的光电池不能被光斑完全覆盖，因此各光电池产生的光电流不尽相同，将光电 流差经过系列处理后输入到跟踪头，驱动电机动作,调节跟踪装置,直到个象限光电池 输出的光电流相等，此时太阳光线与透镜光轴平行，驱动电机无动作。 为了使测量跟踪装置更安全可靠，该装置采用象限主测光电池进行光强测量和判 断，使装置在夜晚停止工作。将第象限的电压与外来控制电压进行比较，可选择 合适的控制测量跟踪装置的工作状态，在夜晚时，装置停止工作在有太阳光时 ，装置正常工作。毕业设计论文 年月 图镜筒结构 图光线与光轴不垂直时 理论上，镜筒越长，光电池的灵敏度愈高，但是镜筒长度和透镜的参数也有关系，不 可能无限制增长，通常镜筒长度，以取为宜。系统的位置精度，基本决定于传感 器的精度，因此能够比较容易实现跟踪装置具有较高的精确度，光电池只要能捕捉到透镜 聚焦的光斑就可以跟踪太阳，且结构设计较为简单。 但当长时间出现云遮后或早晨太阳刚升起时,太阳光线与透镜光轴的夹角超过定的 角度范围，由于镜筒结构的限制，透镜聚焦的光斑无法被光电池捕捉到这时跟踪装置便无 法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。因而该种跟踪装置只能在定的角度范围内实 现高精度跟踪，其跟踪范围跟镜筒结构有关。 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精 确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟 踪装置的方向。而传感器跟踪也存在响应慢精度差稳定性差些情况下出现跟 踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪 费和部件的额外磨损。 如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的基 础上加两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定 位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修毕业设计论文 年月 绪论 课题来源 模拟生产实际课题太阳能自动跟踪系统设计。 课题背景 能源现状及发展 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都 以石油天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不 断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究 开发工作。 虽然在可预见的将来，煤炭石油天然气等