太阳能自动跟踪系统

1.绪论1.1 课题背景由于现今高科技环境下，能源是促进经济发达和社会进步的原动力。从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源，然而其蕴藏量有限，大量使用造成全球环境生态和气候产生莫大的变化，同时大气中的温室气体浓度大幅提高，造成气温逐渐升高、海平面上升等温室效应的现象，威胁了我们生存的环境。因此在环保意识抬头的今日，积极开发低污染及低危险性能源乃为迫切的需要。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，但是人们对核能及太阳能，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的提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1%，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，可持续能源将与矿物燃料相抗衡，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。1.1.1 我国太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在 5000km 以上，总面积达 960×10 km2，占世界总面积的7%，居世界第三位。据估算，我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×10kJ，全国各地太阳年辐射总量达 335837KJ/cm 2A，中值为586KJ/cm2A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在 4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为“日光城”的拉萨市,1961 年至 1970 年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为 68，年平均晴天为 108.5 天，阴天为 98.8 天，年平均云量为 4.8，太阳总辐射为 816KJ/cm2A，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最,那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h， 相对日照为 26，年平均晴天为 24.7 天，阴天达 244.6 天，年平均云量高达 8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。所以充分开发利用太阳能对于我国的发展有着重要的现实意义和战略意义。1.1.2 太阳能的优点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：（1）它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。（2）在地球上，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）太阳能是一种清洁无污染的能源，在开发利用时，不会产生废渣，废水，废气，不会影响生态平衡。1.2 太阳能跟踪系统的研究意义长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些矿物作为一次性不可再生资源，储量有限，而且燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地球气温升高，生态环境恶化。据国际能源机构预测，人类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，如太阳能等。能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署资料，目前矿物燃料提供了世界商业能源的 95%，且其使用在世界范围内以每10 年 20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济企划厅和三泽公司合作研究认为，到 2030 年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。太 阳 能 既 是 一 次 能 源 ， 又 是 可 再 生 能 源 。 它 资 源 丰 富 ， 既 可 免 费 使 用 ，又 无 需 运 输 ， 对 环 境 无 任 何 污 染 。 作 为 能 源 消 耗 大 国 ， 如 何 提 高 对 太 阳 能 利用 率 是 解 决 能 源 危 机 的 可 行 方 法 之 一 。 设 计 一 个 对 太 阳 实 现 全 天 候 跟 踪 系 统 ，是 提 高 太 阳 能 利 用 率 根 本 方 法 。科技以人为本，是为人类服务的，本人设计的太阳能全天候跟踪系统充分的体现了该特点，体现出人类与环境的和平相处，解决能源危机，造福于人类和社会，所以太阳能全天候跟踪系统是值得研究和实际运用的。本课题的研究成功，对创建能源节约型，环境友好型社会具有较大的意义，也有较好的市场发展前景。1.3 太阳能利用的方法目前, 光伏发电技术是太阳能利用的主要手段之一, 但该技术所使用的能量转换设备昂贵,转换效率相对偏低, 种种不足制约着其发展。而且，太阳能自身也存在着的间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题, 这对太阳能的收集和利用也提出了更高的要求，而很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的, 所以对太阳能资源的利用很不充分, 发电效率低下。因此, 在没有出现高效的光伏电池材料之前, 研制具有实用价值的低成本太阳聚光器及自动跟踪系统, 是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。本篇论文中我们所设计的是太阳能自动跟踪装置,目的是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。它是一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案,该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。1.4 太阳能利用的国内外发展现状日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用， 从 1979 年第二次石油危机后开始，1990 年进入普及高峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从 2000 年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003 年太阳能发电装机容量约为 86 万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的 49.1%，并计划到 2010 年达到 482 万千瓦，增加约 6 倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到 20 世纪 70 年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。1990 年德国政府推出了“一千屋顶计划” ，至 1997 年已完成近万套屋顶系统，每套容量 15 千瓦，累计安装量已达 3.3 万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了 5 倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资 7000 万欧元，占地 77 万平方米，发电总容量达 12 兆瓦，能为 3500 多个家庭供电。截至 2005 年年底，德国共有 670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产 4700 兆瓦的热量。已用 4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约 2.7 亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005 年，美国光伏发电总容量达到100 万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第 3 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 2015 年，美国光伏发电成本将从现在的 2140 美分/千瓦时降到 6 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，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到 2050 年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21 世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。意大利 1998 年开始实行“全国太阳能屋顶计划” ，将于 2002 年完成，总投入 5500 亿里拉，总容量达 5 万千瓦。印度也于 1997年 12 月宣布，将在 2002 年前推广 150 万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神 2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入 3000 万法郎资金，到 2006 年，法国每年安装太阳能热水器的用户达 2 万家。我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和 2010 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，1997 年销售面积近 300 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 1000 余家，年产值 20 亿元。根据我国 19962020 年太阳能光电 PV（光伏发电）发展计划，在 2000 年和 2020 年的太阳能光电总容量将分别达到 6.6 万千瓦和 30 万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划 2020 年前建成 5 座 MW 级阳光电站。由国家投资 1700 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 100 千瓦，于 1998 年 12 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。1.5 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 1997 年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了 ATM 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002 年 2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，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。在国内近年来有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，1994 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。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.6 提高太阳能的利用率太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，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，而后者利用现有的技术则可解决。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能