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++大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告表
論文(設(shè)計(jì))名稱
太陽(yáng)能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
論文（設(shè)計(jì)） 來源
教師科研
論文（設(shè)計(jì)）類型
C
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
班級(jí)
1、 研究或設(shè)計(jì)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(yán)峻，大力開拓新能源與可再生能源如核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等的實(shí)際應(yīng)用成為人類解決能源緊張和保護(hù)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(gè)方面：
1. 能源短缺。世界上大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)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(yán)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(yán)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(guó)際組織已召開多次會(huì)議，限制各國(guó)CO2等溫室氣體的排放量。因此，人類在解決上述能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。
而太陽(yáng)能作為新能源的重要組成部分，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1. 惻堵量的“無限性”。太陽(yáng)每秒鐘放射的能量大約是1. 68×1023kW，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1. 892×1013千億t，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬倍。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。
2. 存在的普遍性。相對(duì)于其他能源來說，太陽(yáng)能對(duì)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(guó)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(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。
4. 使用的經(jīng)濟(jì)性?？梢詮膬蓚€(gè)方面看太陽(yáng)能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽(yáng)能時(shí)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(yáng)能利用不僅可能而且可行。鑒于此，太陽(yáng)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(guó)的太陽(yáng)能資源比較豐富 ,從其分布來看 ,西部地區(qū)的太陽(yáng)能年輻射 總量均在 5 400 MJ/ ( m2 . a) 以上 ,西藏地區(qū)更是 達(dá)到了 6 700 MJ/ (m2 . a) ,開發(fā)太陽(yáng)能對(duì)于西部的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵是提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率 ,目前一般情況下仍是采用太陽(yáng)能電池板固定朝南安裝的方式對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行采集 ,也有利用太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律采用定時(shí)的方法對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤,但這些方法均沒有充分利用太陽(yáng)能資源 ,轉(zhuǎn)換效率較低 , 成本高。作者所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置,能使太陽(yáng)能電池板始終保持與太陽(yáng)光垂直 ,保持最大的轉(zhuǎn)換效率 ,具有跟蹤精度高、 少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn) , 具有很好的實(shí)用價(jià)值。
2、 研究或設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)：
（1） 國(guó)內(nèi)外研究或設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀：
1. 單軸跟蹤裝置。美國(guó)Blaekaee，在1997年研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器，如下圖1，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了15%。1998年美國(guó)加州成功研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進(jìn)一步提高。JoeLH.Goodmars研制了活動(dòng)太陽(yáng)能方位跟蹤裝置，如下圖2，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽(yáng)能接收器可從東到西跟蹤太陽(yáng)，這個(gè)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(yáng)能收集器可以從東到西跟蹤太陽(yáng)，以提高夏天季節(jié)里能量的獲取率。2002年2月美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，如下圖3，該裝置利用控制電機(jī)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(guó)北部，太陽(yáng)能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤，如下圖4。單軸太陽(yáng)能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)東西方向的太陽(yáng)跟蹤，而不能對(duì)太陽(yáng)的南北方向的頃角變化進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，因此太陽(yáng)能接收率相對(duì)來說仍較低。
圖1 斜單軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置 圖2 活動(dòng)方位單軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置
圖3 新型太陽(yáng)能跟蹤裝置 圖4 單軸被動(dòng)式太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)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(yùn)用的熱點(diǎn)。Neville分別對(duì)雙軸跟蹤裝置、單軸跟蹤裝置和固定式裝置的太陽(yáng)能接收效率進(jìn)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(yáng)能跟蹤裝置
3. 高度角－方位角式太陽(yáng)跟蹤，如下圖6。高度角方位角式太陽(yáng)跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)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(shí)集熱器根據(jù)太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)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(yáng)光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)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(jì)比較容易。
圖6 高度角－方位角式太陽(yáng)跟蹤
? 近年來國(guó)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(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，2013年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器完成了單向跟蹤，國(guó)家氣象局計(jì)量站在1990年研制了FST型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，成功地應(yīng)用于太陽(yáng)輻射觀測(cè)。由中國(guó)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(yùn)行，該單、雙軸跟蹤并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則是目前我國(guó)容量最大、技術(shù)最先進(jìn)的跟蹤系統(tǒng)，采用目前國(guó)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(diǎn)，平均發(fā)電量提高20%以上。中國(guó)專利CN201039038公開了一處用于光伏發(fā)電的自適應(yīng)對(duì)日跟蹤裝置，無需控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)用的電子元器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、成本低、耐氣候性好。文獻(xiàn)中介紹了一種以太陽(yáng)能為自給動(dòng)力的自力式跟蹤裝置，其伺服系統(tǒng)采用光、熱、氣壓、液壓、機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換與傳遞，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)反饋與驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。
（2） 發(fā)展趨勢(shì)：
1.可持續(xù)發(fā)展再次掀起太陽(yáng)能開發(fā)利用的高潮。人類利用太陽(yáng)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(gè)世紀(jì)的事情。1954年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一塊太陽(yáng)電池，從此揭開了太陽(yáng)能開發(fā)利用的新篇章，之后，太陽(yáng)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(jī)有力地促進(jìn)了太陽(yáng)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(shí)施，太陽(yáng)能的開發(fā)利用又被推到新高度。21世紀(jì)初
至中葉將是太陽(yáng)能開發(fā)利用技術(shù)的重要發(fā)展時(shí)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(yáng)能的開發(fā)利用。
2. 新型太陽(yáng)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(yáng)能電池如下和各種新型太陽(yáng)能光電池的發(fā)展，如前所述，晶體硅太陽(yáng)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(diǎn)，但也存在硅材料緊缺、制造成本高等問題。而薄膜太陽(yáng)能電池，圖10，以及各種新型太陽(yáng)能電池，如下圖11新型鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池，都具有生產(chǎn)材料廉價(jià)、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，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(huì)使光電池局面得到極大的改善。
圖9高效晶體硅太陽(yáng)能電池 圖10高效晶體硅電池
圖11新型鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池
3. 太陽(yáng)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(yàn)的發(fā)展，使得太陽(yáng)能制氫成為氫能產(chǎn)業(yè)的最佳選擇，如圖12。20世紀(jì)90年代在太陽(yáng)能制氫方面獲得了較大進(jìn)展，1990年德國(guó)建成一座500kW太陽(yáng)能制氫示范廠，沙特阿拉伯已建成發(fā)電能力為350kW的太陽(yáng)能制氫廠。印度于1995年推出了一項(xiàng)制氫計(jì)劃，投資4800萬美元，在每年有300個(gè)晴天的塔爾沙漠中建造一座500KV太陽(yáng)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(yùn)輸?shù)陌踩淠芫哂兄亓枯p、熱值高、爆發(fā)力強(qiáng)、品質(zhì)純凈、貯存便捷等許多優(yōu)點(diǎn)。隨著太陽(yáng)能制氫技術(shù)的發(fā)展，用氫能取代碳?xì)浠衔?
能源將是21世紀(jì)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。
圖12 太陽(yáng)能電站制氫
4. 太陽(yáng)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(jìn)。隨著世界范圍內(nèi)的環(huán)境意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的普遍提高，太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域?qū)⒌玫阶畲笙薅鹊臄U(kuò)展，其普及程度將會(huì)有較大的提高。隨著太陽(yáng)能熱水器性能的改善，太陽(yáng)能熱水器將逐步取代電熱水器和燃?xì)鉄崴?。與此同時(shí)，光伏技術(shù)將逐步由農(nóng)村、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及其它特殊應(yīng)用場(chǎng)合向城市推進(jìn)，伴隨著更多國(guó)家屋頂計(jì)劃的實(shí)施，光伏發(fā)電將走進(jìn)城市的千家萬戶。
5. 空間太陽(yáng)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(jìn)一步發(fā)展，空間太陽(yáng)能電站的設(shè)想可望得到實(shí)現(xiàn)。由于空間太陽(yáng)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(yáng)能的另一條有效途徑。
圖12 空間太陽(yáng)能電站
未來的太陽(yáng)跟蹤裝置應(yīng)采用全自動(dòng)跟蹤。一是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將朝著高剛度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，使電池板的太陽(yáng)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(jī)、電一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的全自動(dòng)跟蹤，控制
限位裝置有東、西、上、下四個(gè)極限限位功能，跟蹤精度高、角度范圍大，有自動(dòng)返回功能。大型的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置可引入計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電壓、充電電流、跟蹤光強(qiáng)、風(fēng)速、電瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集、處理、顯示和打印，實(shí)現(xiàn)防風(fēng)，報(bào)警控制，蓄電池的充電、放電和分級(jí)控制等功能，對(duì)設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。
3、 主要研究或設(shè)計(jì)內(nèi)容，需要解決的關(guān)鍵問題和思路：
本課題要求設(shè)計(jì)雙軸高度角－方位角式太陽(yáng)跟蹤裝置的機(jī)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(yáng)能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案進(jìn)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(yáng)能光伏板板托，連接機(jī)架。太陽(yáng)能跟蹤裝置要能夠使所有部件協(xié)調(diào)、流暢、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)起來，在豎直方向上方位角實(shí)現(xiàn)0°～360°旋轉(zhuǎn)；水平方向上俯仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0°～90°的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏板對(duì)太陽(yáng)光線的追蹤；目前在太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。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(yáng)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(yáng)跟蹤技術(shù)則可較好地解決。理論分析表明:太陽(yáng)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(yáng)能的接收率大大提高，進(jìn)而提高了太陽(yáng)能的利用率。
具體研究?jī)?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(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)。
2. 完成改變高度角即俯仰角的機(jī)械結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)方位角的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制裝配圖。
3. 繪制改變高度角即俯仰角的機(jī)械結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)方位角的機(jī)械結(jié)構(gòu)等的零件圖。
4. 根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和豎直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)。
4、 完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）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(jì)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(jì)出圖。解決方法老師教學(xué)和自學(xué)。
3、了解整個(gè)太陽(yáng)能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，提出設(shè)計(jì)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(jì)，最后完成答辯。
5、 工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排：
6、 閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱：
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[7]陳建彬，沈惠平，丁磊，危鳳江，太陽(yáng)能光伏發(fā)電二軸跟蹤機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，第8期，（2010）08-0264-03
說明：1、論文（設(shè)計(jì)）類型：A—理論研究；B—應(yīng)用研究；C—設(shè)計(jì)等；
2、論文（設(shè)計(jì)）來源：指來源于科研項(xiàng)目、生產(chǎn)/社會(huì)實(shí)際、教師選題或其他（學(xué)生自擬）等；
3、各項(xiàng)欄目空格不夠，可自行擴(kuò)大。