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黄河科技学院毕业设计说明书第1页1.绪论：1.1课题背景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[1]。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[2]，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。1.2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，[12]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”[13]，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量1～5千瓦，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黄河科技学院毕业设计说明书第2页营。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21～40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[14]。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[15]，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1996～2020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。黄河科技学院毕业设计说明书第3页1.3太阳能利用的发展趋势据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为65.11万平方公里、186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积2.3％或全部沙漠的51.4％，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5％。因此这一方案是有可能实现的。另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。随着我国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！黄河科技学院毕业设计说明书第4页2.太阳能自动跟踪系统总体设计：2.1设计传动原理示意图立柱式太阳光伏发电装置工作示意图如图（1）（１）1-光源跟踪探测器;2-亮度传感器;3-光电池阵列;4-光电池阵列支架;5-防尘罩;6-垂直旋转轴瓦;7-垂直驱动涡杆;8-垂直驱动齿轮减速电机;9-垂直驱动涡杆;10-光电池阵列横担支架;11-光电池阵列横担;12-平面推力轴承;13-水平旋转轴;14–联轴器15–联轴器;16-水平驱动蜗轮蜗杆减速电机;17-水平驱动减速箱体;18-整体支撑立柱;19-控制箱整个装置的整体结构如上图所示，其中有电机8带动一组锥齿轮9传动，并通过齿轮黄河科技学院毕业设计说明书第5页轴带动蜗杆7从而驱动电池组阵列横担上的涡轮，使电池板转动，满足整个装置在垂直方向上的跟踪性能。而在水平方向上的传动结构由电机16来驱动，电机轴带动减速箱做减速传动，并通过减速轴3带动水平驱动蜗杆15，驱动涡轮14做减速减振的转动。涡轮带动轴筒使支撑台和整个电池板转动，以满足水平方向的跟踪要求。另外整个装置的控制有光敏传感器和压力传感器来感知信号传递给控制箱19，而控制电机的转动。当光敏传感器感知光照强度后会向控制箱发出信号，来控制电机的转动追踪光源。这个系统采用反馈控制结构，直至电池板以最大功率接受太阳光。当一天结束后即光照强度很弱接近于0，这时机构会自动感知信号，是整个装置回到原始位置。在初始位置有一限位控制开关，当轴转动到此处是，压住开关切断信号，使电机停止转动，是装置保持在此位置。（当遇到下雨和阴天的时候我们设定其运动和夜间的运动相同）。压力传感器是在装置遇到强风时，压力传感器会向控制器传递信号，而使电机驱动整个装置，根据压力传感器的信号调整位置，使其承受的压力最小。2.2工作原理简述太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用.通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N结为例说明。当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，黄河科技学院毕业设计说明书第6页其方向与光电流相反。2.3工作环境要求2.3.1该设计的太阳能发电系统要求能输出1KW的功率.2.3.2太阳能自动跟踪系统体现出了,该系统必须完成全天候的自动跟踪太阳的能力.达到最大功率的接受太阳光的目的.2.3.3因为输出功率较大,所用到的太阳能电池板较多,整个装置的面积很大.所以考虑到其所用的环境比较恶劣,要求其有抗风6级能力和遇到强风时能回平,保证以最小的面积来迎风.2.3.4设计要求此装置能使用15年左右2.3.5太阳能发电的基础是阳光,所以根据太阳的运动规律要在一天的结束后,使电池板自动回到原始位置.2.4设计内容要求2.4.1动力源的选择以电力380/220V的电动机带动,驱动整个装置的运动2.4.2.减速器的简单设计和蜗杆减速装置的参数计算2.4.3.传感器的选择2.4.4.整个装置的装配图和主要部件的零件图.2.4.5.箱体的设计和参数的确定2.4.6.文献综述和文献翻译一份2.4.7.编写设计说明说一份黄河科技学院毕业设计说明书第7页3.电池板的选择及布局分析3.1太阳能电池的种类及选择3.1.1太阳能电池板的发展及种类太阳能电池是一种近年发展起来的新型的电池。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一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏特效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P－N结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，P－N结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在P－N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏特效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。（1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。（2）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多