1、酒 泉 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计2011 级 光伏材料加工与应用技术 专业题 目： 太阳能单轴跟踪系统的设计毕业时间： 二 O 一四年六月 学生姓名： 李小凤 指导教师： 祁正荣 班 级： 2011 光伏材料班 2013 年 6 月 20 日酒泉职业技术学院 2014 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表姓名 李小凤 班级 11 级光伏材料班 专业 光伏材料加工与应用技术指导教师第一次指导意见 年 月 日指导教师第二次指导意见 年 月 日指导教师第三次指导意见 年 月 日指导教师评语及评分成绩： 签字（盖章） 年 月 日答辩小组评价意见及评分 成绩： 签字（盖章） 年 月 日教学系毕
2、业实践环节指导小组意见签字（盖章） 年 月 日学院毕业实践环节指导委员会审核意见 签字（盖章） 年 月 日 说明：1、以上各栏必须按要求逐项填写.。2、此表附于毕业论文 (设计) 封面之后。目 录摘 要 .1一、太阳能的概述 .1（一）当今能源的现状及发展 1（二）太阳能资源的开发和利用 1（三）太阳能的特点 21.太阳能的优点 22.太阳能的缺点 2二、太阳能电池原理 .2三、太阳能自动跟踪系统的应用 .2（一）单轴跟踪系统的投资效益分析 3（二）单轴跟踪系统的工作原理与技术 31.光控跟踪技术 32.时控跟踪技术 33.光控和时控复合跟踪技术 4（三）单轴跟踪装置的组成及基本参数 41.单
3、轴跟踪装置的组成 42 单轴跟踪装置参数 .4（四）太阳能单轴跟踪系统的总体设计 51.太阳运行的规律 52.跟踪器机械执行部分比较选择 5（五）单轴跟踪方案的比较选择 71 .视日运动轨迹跟踪 .72.光电跟踪 73.视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 8结 论 .8参考文献 .8致 谢 .91太阳能单轴跟踪系统的设计摘要：人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高。太阳能自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题
4、。本文介绍了一种单轴太阳能跟踪系统，针对现有系统发电效率低下，提出了定时检测光强性以实现系统发电部件电池板的自动跟踪。在此基础上，结合目前应用实际，采用单轴跟踪的方式，提高了系统的光电转换效率。此外，单轴跟踪的方法，在结构上简单牢固，未降低系统的抗风能力，因此，具有较好的实用性和推广价值。关键词：太阳能；单轴跟踪；电池板；定时间测光强性；光电转换效率一、太阳能的概述（一）当今能源的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
5、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、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计 20 世纪 90 年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长 l%，而太阳能发电每年增长达 20%，风力发电的年增长率更是高达 26%。预计在未来 5 至 10 年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。 相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。 （二）太阳能资源的开发和利用人类直接利用太阳能有三
6、大技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换， 此外，还有储能技术。太阳光热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、2采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具。（三）太阳能的特点1.太阳能的优点作为一种新能源，它与常规能源相比有很多优点。（1）太阳能是可以利用的最丰富的能源，可以说是取之不尽，用之不竭。（2）地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。（3）太阳能是十分洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。2.太阳能的
7、缺点（1）能量密度较低，日照较好的，往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。（2）大气影响较大，给使用带来不少困难。（3）转换效率低。（4）间歇性工作，地域依赖性强。二、太阳能电池原理太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏特效应” ，太阳能电池又称为“光伏电池” 。当太阳光照射到由 P、N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 PN结上时，在一定条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，形成内建静电场。如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载，就会形成电压和电流，这就是太阳能电池的基
8、本原理。单片太阳能电池就是一薄片半导体 P-N 结。标准光照条件下，额定输出电压为 0.48V。为了获得较高的输出电压和较大容量，往往把多片太阳能电池连接在一起。太阳能电池的输出功率是随机的。不同时间、不同地点、不同安装方式下，同一块太阳能电池的输出功率也是不同的。目前，太阳能电池的光电转换率一般在百分之十几以上，个别发达国家的太阳能电池光电转换率已经可以达到 30%左右。3三、太阳能自动跟踪系统的应用传统的太阳能光伏组件和方阵大都采用固定式支架安装，这种安装方式使光伏组件或方阵不能随着太阳位置的变化而移动，无法提高光伏系统的发电效率。为进一步提高光伏发电系统的发电效率，提高电池组件的有效发电
9、量，太阳能自动跟踪系统在国内外光伏发电系统中逐步得到了认可和推广应用。太阳能自动跟踪系统可以使电池组件始终保持与太阳光线垂直，消除固定电站的余弦损失，使电池组件接受到更多的光能量，从而提高发电量。自动跟踪系统分为单轴式跟踪和双轴式跟踪，其共同点是使太阳能光伏方阵表面法线依照太阳的运动规律做相应的运动，使太阳光的入射角减小。通过自动跟踪，一方面可以提高太阳辐射能的利用率，使发电系统转换效率提高；另一方面可以减少太阳电池的使用面积，使系统的建造成本降低。同等条件下，采用自动跟踪系统的发电量要比普通固定式的发电量提高 30%左右，这是经过多次工程验证得出的结论，也是被光伏业界普遍认可的数据。跟踪系统
10、一般分为三大类：双轴跟踪系统、单轴跟踪系统和准双轴跟踪系统（季节性调整） 。本文主要研究的是太阳能单轴跟踪系统。（一）单轴跟踪系统的投资效益分析对于单轴跟踪系统，投资成本通常比固定电站系统成本增加 8%12%，而系统产出（发电量）将增加 20%35%，因此单轴跟踪系统电站比固定支架系统电站发电成本将降低 10%20%。总而言之，跟踪式系统电站比固定式电站的发电成本有明显的降低。（二）单轴跟踪系统的工作原理与技术1.光控跟踪技术光控太阳能跟踪技术纯粹利用太阳光线制导，这种跟踪技术大致通过以下几种传感器件实现信号采集。（1）光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等器件，由于温度漂移严重目前已经不采用。（
11、2）薄膜电池光敏器件比上述光敏器件性能显著提高，但同样存在精度不高以及温度漂移现象。（3）晶体硅光敏器件和砷化镓光敏器件温度适应性强，工作较为可靠。4光控跟踪方法的优点是跟踪精度高，缺点是探知太阳偏离位置的角度范围太有限，无法实现大角度搜索跟踪。2.时控跟踪技术时控太阳能跟踪技术就是利用数字化单片机时间控制电路，定时跟踪，这种跟踪方法技术可靠，性能稳定，跟踪精度可达 0.5 度。时控跟踪方法的优点是不受阴雨天气影响，跟踪可靠、性能稳定；缺点是没有光控跟踪方法的跟踪精度高。3.光控和时控复合跟踪技术光控和时控复合跟踪技术是针对天气忽阴忽晴变化莫测的特点研发的。光控和时控复合跟踪技术的跟踪方式:(
12、1)当天空有太阳时，系统会自动转入光控跟踪。跟踪精度不大于 0.1 度。(2)当天空阴天时，跟踪系统自动转入时控跟踪，跟踪精度不大于 0.5 度。光控和时控复合跟踪方法大大缩短了系统跟踪到位的所需时间，最大限度地提高了太阳能的采集利用率，是比较理想的跟踪方式。（三）单轴跟踪装置的组成及基本参数1.单轴跟踪装置的组成单轴跟踪装置是由驱动部件（包括驱动系统和感光系统）和支架两部分组成的装置。2 单轴跟踪装置参数单轴跟踪装置参数应符合表1的规定。表1 单轴跟踪装置技术参数项 目 技术指标规格 1KWp、1.5KWp、2KWp、3KWp、4KWp。装置的重量 最大 7kg/ m2标准尺寸 125m 2
13、， （0.14kW）主轴的长度 36m载重 最大 20kg/m2跟踪精度 10空载系统的容差（开始跟踪时） 3跟踪角度 最大 1105项 目 技术指标最大静态扭矩 5001500N.m扭矩与面积比 2Nm/m2(AM1.5)最大安全瞬时风速 140km/h正常工作最大瞬时风速 80Km/h复位的时间 大约 20min.使用环境温度范围 -30+50防护等级 IP65外观 表面应热镀锌或作其它防锈处理加以保护。使用寿命 10 年（四）太阳能单轴跟踪系统的总体设计1.太阳运行的规律由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动。这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天
14、球极轴存在的一个 27 度的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为 23 度 27 分，然后逐渐增大，到春分时变为 0,并继续增大，夏至时赤纬角最大为 23 度 27 分，并开始减小；到秋分时赤纬角又变 0，并继续减小，直到冬至，另一个变化周期开始。2.跟踪器机械执行部分比较选择根据分析以前的跟踪器机械执行部分的问题，以及成本等各个方面考虑，有以下几种跟踪器。(1) 立柱转动式跟踪器跟踪器的结构：大齿轮固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动)，小齿轮与大齿轮啮合，小齿轮连接马达 1 的输出轴。马达 1 固定在转动架上，转动架以及支架固定安装在主轴上，
15、接收器、马达 2 安装在支架上面(接收器相对于支架可以转动)，马达 2 的输出轴连接在接收器上。跟踪器实现自动跟踪的原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动马达 1 带动小齿轮转动，由于大齿轮固定。使得小齿轮自转的同时围绕大齿轮转动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达 2 带动接收器相对与支架转动，通过马达 1、马达 2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。系统特点：该跟踪机构结构简单，造价低。对于方位角6的跟踪，利用齿轮副传动，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。整个
16、跟踪器的结构紧凑，刚度较高。传动装置设置在转动架下。受到了较好的保护，提高了传动装置的寿命。(2)陀螺仪式跟踪器传动箱 1 固定安装在支架上，马达 1 安装在传动箱 1 上，传动箱 1 的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达 1 的输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱 1 的输出轴连接环形支架，传动箱 2 固定安装 在环形支架上，马达 2 安装在传动箱 2 上，传动箱 2 内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达 2 的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)，传动箱 2 的输出轴连接接收器。该跟踪器可以选择不同朝向安装，当按
17、照上图的朝向进行安装时，跟踪器跟踪的实现原理如下：当太阳光线发生偏移时，控制部分发出信号驱动马达 2 带动传动箱 2 中的蜗杆、蜗轮转动，再输出带动接收器相对于环形支架转动，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 1 带动传动箱 1 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，
18、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。（3）齿圈转动式跟踪器机构结构：马达 1 固定在支架上，马达 1 的输出轴连接小齿轮 1，小齿轮 1 与齿圈 1 啮合。齿圈 1 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 2 安装在主轴前端的一块板上，马达 2 的输出轴连接小齿轮 2，小齿轮 2 与齿圈 2 啮合，齿圈 2 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 1 带动小齿轮 1 转动，小齿轮带动齿圈 1 和主轴转动；同时控制信号驱动马达 2 带动小
19、齿轮 2。小齿轮 2 带动齿圈 2 和转动架转动，通过马达 1、马达 2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。（4）齿圈转动跟踪器7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。（五）单轴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 一个简要的介绍和比较。1.视日运动轨迹跟踪不论是采
20、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(GPS)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
21、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 l，采用中国国家气象局气象辐射观测方法；算法 2，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
22、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8面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。2.光电跟踪传统的光电跟踪是采用一级传感器跟踪方式，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。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。3.视日运动轨迹跟踪和光电跟
23、踪相结合使用此类跟踪方法时，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、某些情况下出现错误跟 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正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。结 论通过采
24、用太阳能单轴跟踪系统带动太阳能电池板的旋转，有效提高了太阳能光伏系统的发电量，同时单轴跟踪具有技术难度低、经济性好、稳定性高的优点，尤其适用于 1001000W 功率范围内的光伏发电系统。而此类系统多应用于光伏照明及互用电源系统，由于此类光伏系统市场数量巨大，单轴太阳能跟踪系统具有广阔的市场推广前景。参考文献：1王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术M.北京：化学工业出版社，2005.2赵争鸣，刘建政.太阳能光伏发电及其应用M.北京：科学出版社，20053沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术M.北京：化学工业出版社，2005.4谢士涛.光伏建筑一体化技术与应用J.光伏专刊，2008（3）：14-1
25、5.5李忠实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护.北京：人民邮电出版社，2010. 96郑军.光伏组件加工实训.北京：电子工业出版社，2010.10致 谢经过了两个月的学习和查找资料，在祁正荣老师的悉心指导和严格要求下，我终于完成了太阳能单轴跟踪系统的设计论文。从课题选择、开题报告到具体设计，每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战，也成就了我在大学期间独立完成的最大的项目。记得在刚接到这个课题时，由于对论文的具体格式及内容不是很了解，我都有些茫然不知所措。于是我给自己提出了第一个问题：设计好一个论文需要什么具体的专业知识，带着这个疑问我开始了独立地学习，去图书馆查阅相关资料、上网去了解太阳能单轴跟踪系统的最新动向，渐渐头脑中关于该论题的概念清晰了起来。在具体设计的过程中，感谢我的毕业设计导师祁正荣老师，以及和我一起做课题的同学，正是有了他们的帮助才使我这篇稚嫩的设计日臻完善。每一次改进我都收获很多，每一次修改后的成功我都能兴奋好长一段时间。虽然我的设计作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程。本次设计让我对太阳能单轴跟踪系统的认识又上升到了一个新的台阶，不论是对今后的学习还是工作都打下了良好的基础。
