摘 要

在这个全球能源应用形势变得越来越严峻，我们需要去发现一个可持续发展的能源替代方式，太阳能光伏正在迅猛发展，在很多太阳能资源较充裕的国家及地区，尤其是在德国和日本已经得到充分了的推广和应用。除此之外，美国也及其重视风能.太阳能等可持续，可再生的清洁能源。然而在我国，像半导体，太阳能光伏等大半导体产业也获得巨大的成果。在全世界对新能源的越来越重视的今天，必将对以太阳能光伏应用为主的新能源产业投入更多的精力与财力。特别是近几年，中国对太阳能产业更是特别注重，其光伏产能已成为世界首位，我们的社会也将逐步迈入一个新的太阳能时代。

人类的生活生存离不开能源，然而现在全世界的能源资源比如石油和煤炭等总有枯竭的一天，在未来的某一天我们的后代可能将面对没有能源可以使用的困境，所以我们必须防患于未然，需要开发如太阳能这样的新能源。使用太阳能不仅仅是因为它储量无限，同时它还是一种清洁能源，在这个对自然环境的保护意识日益重视的时代，可以说太阳能是21世纪最需要重视，最需要重点开发的资源。当然太阳能也有它的缺点，比如能量密度较低，受空间的局限性较大，间歇性等。也正是这方面的原因，目前对太阳能的利用率一直很低。所以我这次毕业设计的主要任务就是设计出一种太阳跟踪装置来提高对太阳能的利用率。

设计了一款应用于阵列式光伏发电的单轴联动反追踪装置，通过简化机械结构设计，设计新型单轴联动追踪方案代替原有独立追踪系统，结构简化，耐用性高，可有效降低因加装追踪系统而产生的额外费用；通过反追踪控制方案的设计实现对光伏组件的自规避阴影解决方案，有效提高早晚发电的收益率。

这次对自动跟踪装置的研究有机械设计和控制部分两个大板块研究，我主要负责机械部分的设计，设计原理：当太阳光线偏离光照强度变低时，控制系统将发出信号，控制电动机带动高度角传动机构的齿轮转动起来，然后，齿轮带动与其连接的主轴。除此之外，信号同时控制电动机带动方位角的机构的齿轮转动起来，然后，齿轮使得齿圈和太阳能板跟着转动。这样就能全面跟踪太阳方位角和高度角。

关键词：太阳能追踪装置；单轴联动反追踪；太阳能；光伏发电

Abstract

With the global energy situation more and more serious, we need to find a sustainable alternative energy sources, solar photovoltaic is the rapid development of more abundant solar energy resources in the country, especially in Germany and Japan to be fully promoted and applied. In addition, the United States and its attention to solar energy. Wind energy and other sustainable, renewable clean energy. In China, like semiconductor, solar photovoltaic and other large semiconductor industry has also been a huge achievement. In the world of new energy more and more attention, is bound to solar photovoltaic applications based new energy industry into more energy and financial resources. Especially in recent years, China is particularly focused on the solar energy industry, its photovoltaic production capacity has become the world's first, our society will gradually enter a new era of solar energy.

Our life is inseparable from the energy, and now our resources such as oil and coal are gradually depleted, a serious threat to our future life, this time, we must develop new energy like solar energy, its advantages are not just Unlimited reserves, as well as clean, economical, large number of advantages and many other advantages. At the same time solar energy also has shortcomings, such as low density, spatial distribution at any time change, intermittent and so on. Because of this, the utilization rate of solar energy has been very low. So my main task of graduation design is to study a tracking device to improve the utilization of solar energy.

A new uniaxial linkage tracking scheme is designed to replace the original independent tracking system by simplifying the mechanical structure design. The structure is simplified and the durability is high. And the extra cost of the tracking system is adopted. The self-avoidance shadow solution of the PV module is realized by the design of the anti-tracking control scheme, which effectively improves the yield of the power generation sooner or later.

This is the main part of the design of the mechanical part of the principle: when the sun light deviation, this time the control system will send a signal to the motor to drive the height of the angle The gears of the transmission mechanism are rotated, and then the gears are moved with the main shaft connected thereto. In addition, the signal simultaneously controls the motor to drive the azimuth of the gears of the mechanism to rotate, and then the gear causes the ring gear and the solar panel to follow the rotation. This will be able to fully track the sun azimuth and height angle.

Key Words: Solar tracking; Device uniaxial Linkage anti - tracking solar Photovoltaic power generation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1 能源现况及前景 1

1.1.2 国内外太阳能利用情况 1

1.1.3 太阳跟踪系统国内外情况 2

1.2 论文研究的目的和意义 3

1.3 论文研究的内容 4

第2章 联动式单轴太阳能跟踪装置的机械设计 5

2.1 相关资料的收集 5

2.1.1 太阳与地球的运动规律 5

2.1.2 太阳能跟踪需要满足的条件 5

2.2 跟踪方案的比较和选择 6

2.2.1 跟踪方案的类型 6

2.2.2 对跟踪方案进行选择 8

2.3 对单轴太阳能跟踪装置的资料整理 8

2.3.1 单轴追踪 8

2.3.2 平单轴与斜单轴 8

2.4 联动式单轴太阳能跟踪器 10

2.4.1 联动式单轴太阳能跟踪器介绍 10

2.4.2 联动式单轴太阳能跟踪的技术方案 10

2.5 机械部分的具体计算与设计 13

2.5.1 传动机构的选择 13

2.5.2 齿轮的具体计算 13

2.5.3 电机的选择 16

2.5.4 关于步进电机的特性介绍 17

2.6 联动式单轴太阳能跟踪的转动驱动机构 18

2.6.1 对转动驱动机构的介绍 18

2.6.2 转动驱动机构的具体实施 18

2.7 太阳能电池板自动清扫装置 20

2.7.1 太阳能电池板自动清扫装置的介绍 20

2.7.2 太阳能电池板自动清扫装置的具体实施 21

第3章 结论 23

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1能源现况及前景

现今的世界环境，人们的生产需要的能源主要来自矿物燃料，例如：石油.天燃气.煤炭等，但是这些资源都是不可再生的，所以我们急需找到可以替代这些不可再生的资源，来应对未来会到来的能源危机，这个对人类未来的可持续发展有着意义重大。

目前的发展中，有许多新能源，可再生能源可以发展，其中太阳能是非常值得重点发展的一种可再生能源，它的清洁性，建设成本较低，取之不尽用之不竭，可再生可持续，并且十分安全可靠。综合以上优点，人类应该加大开发利用太阳能的力度。

除此之外，随着人类的科技发展突破，光伏发电技术也为新型能源的开发利用提供了科学技术方面的支持。通过光伏效应，利用太阳能发电，让太阳能更好的得到利用，作为一种清洁的新型能源，也非常符合人类可持续发展战略。当然，万事都有其两面性，对太阳能的利用，也有许多的难题需要我们去解决。最主要的问题就是人们对太阳能的利用率并不高，这也是其成本提高的原因。所以现在怎样提高对太阳能的利用率是一个备受关注的问题。那么怎样去解决呢？我们可以从两个方向去研究考虑。其中一个是对电池的改进优化，通过提高其转换能量的效率。然后另外一个是通过提高接受太阳能效率，这个就需要改良太阳的追踪方案。我本次设计的课题就是通过改良太阳追踪方案，提高跟踪的精确性和智能性，通过这种方法来提高对太阳能的利用效率。

1.1.2 国内外太阳能利用情况

由于资源的短缺和环境的压力，世界各国都越来越重视对太阳能的利用。对太阳能使用最为重视的国家是日本，作为世界第三大经济体，日本对能源的消耗的主力国家之一。但是由于日本本国资源的匮乏，其能源主要依赖于进口。而正是因为资源匮乏，日本也更加重视对太阳能的开发利用。在太阳能利用方面，日本主要是将太阳能进行发电来利用，日本已经是全球太阳能发电量最大的国家了^[1]。对于中国，日本是中国太阳能供应链最大的客户。由于日本人对产品质量的要求很高，他们也很在意发电设备的质量和效率问题，这也是需要我们在意的

除了日本，德国也是十分重视太阳能的利用，这方面的技术可以说是遥遥领先其他国家的。在上世纪70年代，德国就已经开始了对太阳开发利用的研究了。经过了数十年的积累，德国这方面的技术已经非常领先了。德国的主要研发方向是对太阳能系统开发，生产，规划和安装方面的。 更加重要的是，德国的太阳能技术的发展速度也是非常惊人的，在过去的短短几年中，德国与太阳能所有相关的产品的产量得到提高了近5倍。其增长速度也是远高于世界平均水平。而且德国还拥有世界上最大的太阳能发电站，每年的发电量12兆瓦，通过太阳能的使用，节约了大量的燃油资源^[2]。

在欧洲和美国，他们相继宣布了“百万屋顶光伏计划”,将太阳能利用深入到所有公民身边，让每个公民都能参与进来。这个计划的意义重大，不仅仅是可以在更大的范围里合理的利用太阳能资源，还让能源意识深入人心，深入生活。这可能带来的成果会让人们更加积极，更加自觉的去节约能源。目前，全球的人们都越来越重视太阳能资源，每年太阳能电池的销售量超过了60兆瓦。

在国内，每年的煤炭燃烧是目前我国大气污染最大的来源，所以我国也应该更多地开发更清洁的能源来替代矿石能源，这样可以减轻污染。当然，我国在这上面的发展是令人欣喜的。我国有丰富的太阳能资源，并且已经建设了几十个太阳能发电站。在甘肃，青海，新疆这些地方，是得天独厚的太阳能发电站的良好建设地，这里每天光照强度大，地域广阔，日照时间长。在很多家庭的屋顶上，都装有太阳能热水器，据不完全统计，国内的太阳能热水器覆盖率已经超过了百分之十。每年，我国利用太阳能发电总功率已经达到了2.9兆瓦，这是一个巨大的成就。并且，我国的太阳能利用设施还在飞速的发展，我们也有出色的自然条件来支持这一产业的发展，这让我们对我国未来的太阳能产业充满了信心。

1.1.3光伏跟踪的现状

太阳跟踪系统的定义就是在指太阳有效的光照时间内，能使太阳光始终垂直的照射到光线收集装置，以达到对太阳能最大的利用效率的跟踪系统。在人类对太阳能的利用形式很多，但是这些都绕不开对太阳光线的收集，聚集太阳辐射能量是利用太阳能的第一步。对太阳的位置进行自动追踪能极大的提高对太阳能的利用效率，从而也能够提高太阳能发电效率。这也是太阳能自动跟踪系统被研发出来的意义。目前，太阳自动跟踪技术在国外已经相当来说比较成熟，上个世纪八十年代，ATM两轴跟踪装置就已经在美国被研发成功，实现了对太阳在东西南北四个方向的追踪，不仅可以调节方向角，还可以对方位角进行调节，这个研究意义重大，让光伏跟踪来到了一个新的时代^[3]。提高了对太阳能的接收效率，使得对太阳能的利用效率大大的提高。

但是在我国，对太阳跟踪方面的研究起步却比较晚，很多方面的技术还没有发展起来。尽管太阳能具有清洁，可持续利用等优点，但是太阳直射的太阳能密度却比较小，受天气和时间影响很大。在相同的地理，天气条件下，自动跟踪光伏阵列的发电效率比固定式的发电设备高了超过35%，成本低了接近四分之一。目前，国内外的追日系统的追踪方式包括两种方式：单轴追踪和双轴追踪。这两种追踪方式都有自己的特点。单轴追踪，明显可以看出只有一个轴可以旋转，它是通过转动此旋转轴来改变电池板的位置角度，从而实现太阳光线垂直于电池板，提高效率。但是，值得注意的是，一天之中只有在正午时刻光线垂直，而早上、下午均为斜射，并且对太阳高度无法实现实时追踪。因此，效率并不是很高。图 1 为单轴系统的一种方式。除此之外，还有焦线南北水平布置，东西跟踪，原理与南北向相同^[4]。

1.2设计研究的目的和意义

进行太阳能跟踪系统的研究，是为了设计出一种效率更高，成本更低的光伏跟踪系统，使太阳能的接收效率更高，达到更高的经济效益。这样就需要保持太阳光始终能够垂直照射，也需要尽量少的让光伏阵列系统被阴影遮挡，这样需要调整发电设备中的控制机构来调整支架安装面趋于水平方向运行直至阴影消除，减少阴影遮挡，实现发电量的最大化。

当然，太阳能的利用是全世界未来能源的来源重大战略方向，所以开发出更好的太阳能跟踪系统意义重大。这样不仅可以解决资源匮乏的问题，同样可以缓解生态环境的压力，让地球的自我调节能力让生态趋于平衡，造福于后世。让未来的人类能够享受更清新的空气，更清澈的河流与海洋，让世界上的万物更加和谐。所以说，作为一个机械行业的从事者，这也是我们必须面对，必须完成的使命，对我们来说意义重大。

1.3论文研究的内容

设计了一款应用于阵列式光伏发电的单轴联动反追踪装置，通过简化机械结构设计，设计新型单轴联动追踪方案代替原有独立追踪系统，结构简化，耐用性高，可有效降低因加装追踪系统而产生的额外费用；通过反追踪控制方案的设计实现对光伏组件的自规避阴影解决方案，有效提高早晚发电的收益率。

由于每天太阳都在不停的运转，早上从东边升起，黄昏又从西边落下。在不同的时间里对地面的角度也不同，对太阳能电池板的角度也不同。所以为了解决这个问题，需要设计一套跟踪系统使太阳光线能够一直垂直照射太阳能收集板上。

设计的主要任务首先是设计一款太阳能跟踪装置，包括支撑装置，跟踪装置，传动装置，减速机构等。然后为了选顶一个合适的跟踪方案，就需要了解太阳的运行规律，并进行相关的计算，从而选择一个合适的跟踪方案。除此之外，再确定好跟踪方案后，还需要对各零部件进行选择校核。包括对齿轮.轴.等零件的选择计算。最后需要绘制整个跟踪装置的装配图。

我主要负责的是对跟踪系统的机械机构部分的设计，除此之外，还有控制部分的设计我也会简单了解和选择。以上就是我本次毕业设计的全部内容。

第2章 单轴联动光伏阵列反追踪装置的机械结构设计

2.1相关资料的收集

2.1.1太阳与地球的运动规律

要设计光伏跟踪系统了解地球与太阳的运动规律是必须的。随着季节的变化，每天的时间变化，各个地区维度的不同，太阳辐射的强度也会在不断地变化。所以，必须首先了解太阳相对于地球的运动规律，才能合理的设计光伏跟踪系统的机构和方案。

地球在空间中的运动，有公转和自转这两种运动形式，除了绕着太阳公转外，地球还围绕着地轴进行着自转。地球围绕太阳公转的轨迹近似一个椭圆。这个轨道被称为黄道。黄道面椭圆的偏心率较小。当太阳与地球距离最小时，距离约为147.1千米。最远的距离大概是152.1千米。地球自转轴与黄道平面的角度适中保持不变。但是正午时分太阳光线与赤道平面的角度却是呈周期变化。周期时间为一年。变化的角度便称为太阳赤纬角^[6]。