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太阳能电池板转向机构设计毕业设计.docx
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1、 毕业设计毕业设计(论文论文)太阳能电池板转向机构设计 系系 别别 :机械与电子工程系 专业(班级):专业(班级):08 级机械设计制造及其自动化(1)班 作者(学号)作者(学号):指 导 教师:指 导 教师:完 毕 日期:完 毕 日期:2023 年 4 月 27 日 目 录 中文摘要中文摘要 1 英文摘要英文摘要 2 1 概述概述 3 1.1 能源与环保3 1.2 太阳能的特点4 1.3 国内外太阳能应用的现状5 1.4 太阳能跟踪技术现状6 2 实现转向机构的理论基础实现转向机构的理论基础10 2.1 地球围绕太阳的运营规律10 2.2 太阳高度角和方位角的拟定10 3 转向机构转向机构的
2、设计的设计13 3.1 转向机构的整体设计13 3.2 步进电机14 3.2.1 步进电机的概述14 3.2.2 步进电机的选择15 3.3 太阳能自动跟踪方位角部分的设计16 3.3.1 步进电机的转速的计算17 3.3.2 齿轮的设计计算18 3.3.3 蜗轮蜗杆的选择21 3.4 太阳能自动跟踪高度角部分的设计24 3.4.1 步进电机的转速的计算25 3.4.2 蜗轮蜗杆的选择25 3.4.3 齿轮的设计计算28 3.4.4 凸轮的设计计算32 3.5 本章小结36 结论结论37 谢辞谢辞38 参考文献参考文献39 太阳能电池板转向机构设计 摘 要:太阳能作为一种洁净的能源,既是一次能
3、源,又是可再生能源,有着化石能源无法比拟的优越性。但太阳能运用效率低这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普及。太阳自动跟踪装置的运用是提高太阳能运用率的一个重要途径。研究精确的太阳跟踪装置,可使太阳能采光板的热接受率大大提高,从而可提高太阳能的运用效率,拓宽太阳能的运用领域。在太阳能发电中,电池板受光面与太阳光线的角度是决定太阳能发电效率的关键因素。为找到一种价格低廉、跟踪精度高的太阳跟踪方法,本论文提出了“二维驱动,二维跟踪”的机械系统方案。本论文一方面分析了两种太阳跟踪方法,即单轴跟踪和双轴跟踪。然后尝试设计一种可以自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光-电转化率。该
4、系统是以凸轮机构和蜗轮蜗杆为核心,运用太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算,并借助两个步进电机同时工作来实现双轴跟踪系统,使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线,从而提高太阳能的吸取效率。由于时间及目前的知识限制,跟踪系统只是进行粗略的角度跟踪,有较大误差,此后如有机会再进行改善。关键字:太阳自动跟踪;太阳照射角;凸轮机构;蜗轮蜗杆;步进电机 Design of Steering Mechanism for Solar Panel Abstract:The solar energy is one kind of clean sources of energy,primary energy,re
5、generative energy,has a lot of unique advantages.However,the problem that low utilization efficiency is always affecting and blocking the popularization of heliotechnics.The development of auto-solar tracker is a king of important approach which can improve solar energy utilization ratio.The develop
6、ment of exact auto-solar tracker can improve the receiving efficiency of sunlight,then can improve the receiving efficiency of sunlight,then can improve solar energy utilization and broaden the field of solar energy utilization.In solar power generation,the angle of the battery plate facing sun and
7、sunlight is a key factor determining the efficiency of solar power generation.To find a sun-tracking way with little cost and high precision,this thesis proposes a mechanical system,with two-dimension driving and two-dimension tracking.This paper firstly analyzes the two kinds of solar tracking meth
8、od,namely single axis tracking and dual-axis tracking.Next,we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar light-electricity conversion efficiency.The system is based on cam mechanism and worm gear,orbit the sun elevation angle formula using the sun and calculati
9、ng azimuth and take two step motors work together at the same time driven Dual-axis tracking system,make the solar panels perpendicular to the solar incidence line,to improve the absorption efficiency of solar energy.Because of the time and the current limitations of the knowledge,the tracking syste
10、m to track the point of view is rough,there are many errors,if the opportunity arised the design will be improved in the future.Keywords:Auto-solar Track;Sun Angle;Cam Mechanism;Worm Gear;Step Motor 太阳能电池板转向机构设计 1 概 述 1.1 能源与环保 随着时代的前进,人类社会和经济的发展速度日益增长,但是与此同时人类社会的承担和责任也随之增长。能源是国民经济和社会发展的基础,社会经济发展得越快
11、,人类对能源的需求就越大,运用能源时也许对环境导致较大限度的破坏。目前世界的重要能源是由吸取太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源,如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述因素,世界能源问题日益严峻,表现在如下方面:1.1.1 能源短缺 世界上大部分国家能源供应局限性,据记录近10 年内化石燃料(煤、石油与天然气等)能量消耗增长了近20倍,预计此后十年化石燃料的用量将翻一番,但全球己探明的石油储量只能用到2050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。1.1.2 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
12、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。1.1.3 温室效应 化石能源的运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。这一问题己提到全球的议事日程,有关国际组织己召开多次会议,限制各国COZ等温室气体的排放量。能源问题关系到经济是否可以可连续发展。一次能源的日益枯竭,已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭,石油,原子能等。占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的,不可再生的。据有关资料显示:石油储量的综合估算,可支配的化学能源的极限大约为1180 1510亿吨,以1995年世界石油的年开采量32亿吨计算,石油储量大约在2050年左
13、右宣告枯竭;天然气储备估计在13180152900兆立方米,年开采量维持在2300兆立方米,将在57一65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨,1995年煤炭开采量为3亿吨,可以供应169年;铀的年开采量目前为每年6万吨,根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期,核聚变在2050年前没有实现的希望。能源短缺的形势很严峻,当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能、绿色生物能、燃料电池、海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展,使人们在能源危机的焦急中,感到不少欣慰 。1.2 太阳能
14、的特点 太阳是一个巨大的能源,万物生长都要依靠太阳,地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭,石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一,因此运用太阳能的潜力是十分大的。而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。太阳辐射能与煤炭,石油,核能相比较。有如下的优点:1.2.1 储量的“无限性”太阳能是取之不尽的可再生能源,可运用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75 X 1021 kW,极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73 1011kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1
15、1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中,到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7 1013kW,相称于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年,相对于人类历史来说,太阳可源源不断供应地球能源的时间可以是无限的。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。这就决定了开发运用太阳能将是人类解决常规能源缺少、枯竭的最有效途径。1.2.2 存在的普遍性 虽然由于纬度的不同、气候条件的差异导致了太阳能辐射的不均匀但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。这就为常规能源缺少的国家和地区解决能源问
16、题提供了美好前景。1.2.3 运用的清洁性 太阳能像风能、潮汐能等洁净能源同样,其开发运用时几乎不产生任何污染,加之其储量的无限性,是人类抱负的替代能源。1.2.4 运用的经济性 可以从两个方面看太阳能运用的经济性。一是太阳能取之不尽,用之不竭,并且在接受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,有些太阳能运用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发运用太阳能的技术突破,太阳能运用的经济性将会更明显 。1.3 国内外太阳能运用的现状 我国地处北半球欧亚大陆的东部,土地辽阔,幅员广大。我国的国土跨度从南至北,自西至东,距离都在5000km以上,总面积达960万平方公里,占
17、世界陆地总面积的7%,居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上,有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为3340 8400MJ/(m a),中值为5852MJ/(m2 a)。我国太阳能资源丰富和比较丰富的、类地区,年日照时数大于2200h,太阳辐射总量高于50165852MJ/(m2 a),面积约占全国总面积的2/3以上。太阳能应用涉及太阳能发电和太阳能热运用。太阳能发电又分为光伏发电,光化学发电,光感应发电和光生物发电。光伏发电是运用太阳能电池这种半导体器件吸取太阳光辐射能,使之转化成电能的直接发电形式,光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从1999年的201MW增长到2023年
18、的1100MW。目前以32.1%的年平均增长率高速发展,位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热运用计划,2023年光伏发电装机容量达成5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相随着的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑,总目的是2023年光伏发电装机容量达成3GW。美国能源部制定了从2023年1月1日开始的5年国家光伏计划和20232030年的长期规划,以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目的。按照预计的发展速度,2023 年美国光伏销售达成4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右
19、。预测未来2023仍将保持10%或稍高的发展水平,达成1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年发展迅速,居发展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约10MW,累计安装量4050MW。因此,到2023年世界光伏系统累计安装容量将达成1415GW。太阳能光伏发电是太阳能运用的重要方式,随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实行,太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站,西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足,地理位置偏僻,电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发
20、电应用系统也出现在生活中,如太阳能交通警示灯,高速公路上的太阳能广告牌,太阳能路灯等。2023年我国系统累计装机容量为70MW,中华人民共和国可再生能源法,承诺2023年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看,2023-2023年每年的平均装机容量约60MW。虽然我国太阳能发电水平有了相称限度的提高,但是离大规模的应用推广尚有很大的距离,光伏产业还处在成长期。随着技术的进步,光伏系统的成本会越来越低,性能会越来越好,应用的领域会越来越宽广 。1.4 太阳能跟踪技术现状 现阶段国内外已有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。(1)单轴跟踪一般采用:倾斜布置东
21、西跟踪;焦线南北水平布置,东西跟踪;焦线东西水平布置,南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪,工作原理基本相似。图1-1是第3种跟踪方式的原理,跟踪系统的转轴(或焦线)东西向布置,根据事先计算的太阳方位的变化,太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式,一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直,此时太阳能接受率最大,而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简朴,但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行,接受太阳能的效果并不抱负。图1-1 单轴焦线东西水平布置(南北跟踪)(2)双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟
22、踪和高度一方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图1-2所示,太阳能设备的能量转换部分的一轴指向天球北极,即与地球自转轴相平行,故称为极轴;另一轴与极轴垂直,称为赤纬轴。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转,其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化,通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂,但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线,极轴支承装置的设计比较困难。图1-2 极轴式跟踪 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,其原理如图1-3所示。太阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面,另一根
23、轴与方位轴垂直,称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分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太阳能设备的能量转换部分的倾斜角,从而使能量转换部分所在平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,并且太阳能设备的能量转换部分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1-3 高度-方位角式全跟踪 目前,国外对于太阳能技术跟踪装置(或称为太阳跟踪器)的研究有,美国Blackace,在1997年研制了单轴太阳跟踪器,完毕了东西方向的自动跟踪,而南北方向则通过手动调节,接受器对太阳能的热接受率提高了15%。1998年美国加州成功的研究了八
24、JM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能量,使热收率进一步提JoeLH.Godman研制了活动太阳能方位跟踪装置,该装置通过大直径回转台使太阳能接受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,以提高夏季能量的获取率。2023年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置,该装置运用控制电机完毕跟踪,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13
25、21。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。近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。1929 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,完毕了单轴跟踪,国家气象局计量站在1990 年研制了FST型全自动太阳跟踪器,成功的应用于太阳辐射观测 。太阳的跟踪方式普遍采用双向跟踪,且都是采用两个动力源驱动同时跟踪太阳的方位和高度两个角度方向,有效的太阳跟踪装置可太阳能运用效率提高35%。目前太阳跟踪装置重要有电子跟踪类、机械跟踪类、尚有GPS 追踪类。机械类跟踪系统体积庞大而又笨重,运送、安装或者维修都比
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