自动跟踪双抛物面聚光发电供热装置结构设计

毕 业 设 计（论文） 题目：自动跟踪双抛物面聚光发电供热装置结构设计 姓 名： 指导教师： 专 业： II 摘 要 随着全球范围内化石燃料储量逐渐枯竭，能源问题日益受到人们的重视,人们对自 然界广泛存在、取之不尽、用之不竭的可再生能源展开了广泛深入的研究。以太阳能为 代表的可再生能源的开发利用是保护人类生态环境减少大气污染的有效措施，也是世界 新能源开发利用的一个大趋势，被公认为是最具发展前途的一种可再生能源。 本文论述了一种自动跟踪双抛物面聚光发电供热装置。设计一种聚光器，该聚光器 采用电机控制高度角和方位角来保证装置能自动跟踪太阳光，使太阳光始终保持与光伏 板垂直，使得太阳光经平面镜反射后均匀地照射到对应一侧的太阳能电池板阵列上，实 现数倍聚光功能。从而提高单位面积太阳能电池的发电效率，对解决目前存在的资源短 缺以及越来越严峻的能源安全问题具有重要的意义。 关键词：太阳能，自动跟踪，光伏板，模块化 III ABSTRACT Along with the gradual depletion of fossil fuel reserves around the world, the energy production is highly spoken by people. People conduct broad and in-depth research on renewable energies which broadly and everlastingly exist in the nature. The development and utilization of renewable energies such as solar energy is an effective way to protect our environment and reduce air pollution, becoming a mainstream in the development and utilization of new energies around the world. On this paper, a kind of auto-tracking double-paraboloid concentrating solar photovoltaic device is discussed. The condensator is designed which use the motors to adjust the elevation angle and azimuthal angle to realize the auto-tracking function. When it works, it make the sunlight evenly reflect on solar battery array, realize high concentrating rate, finally improve the power generating efficiency on each solar battery unit, and it has enormously significant to solve the problem of national energy shortage and more and more austere energy security. Key words: solar power, automatic tracking, photovoltaic panels, modular IV 目 录 摘 要 .II ABSTRACTII 第一章 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 论文的课题来源 1 1.3 论文内容的提出 2 1.4 论文研究的目的和意义 4 1.5 国内外发展概况 .4 第二章 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的基本原理 .7 2.1 传统太阳能发电机优缺点分析 7 2.2 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的基本结构及工作原理 8 2.3 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的主要设计参数及选择 10 第三章 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的结构设计 .11 3.1 自动跟踪双抛物面聚光发电装置整体结构设计 11 3.2 自动跟踪系统的设计 13 3.3 冷却系统的设计 15 第四章 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的模块化设计 .18 4.1 模块化设计的概念 .18 4.2 模块化设计的基本原理 .20 4.3 模块化设计在自动跟踪双抛物面聚光发电装置设计中的应用 21 第五章 总结 .22 参考文献 .23 致 谢 .25 1 第一章 绪论 1.1 引言 太阳能发电机的发展史： 太阳能是人类最早认识并加以利用的能源之一，据中国古籍记载，早在 3000 年前， 人们就懂得聚焦太阳能来取火，人类早期对太阳能的开发利用在世界科学发展史上曾占 有一定的地位。在经历了建立在石化能源基础之上的工业革命之后，在世界能源结构的 转移中，太阳能发电处于突出的位置，全球目前年能源消费的总和只相当于太阳在 40 分钟内照射到地球表面的能量。太阳能随处可得，不必远距离输电，无噪声，不污染环 境。由于这些独特的优点，太阳能发电作为新兴的产业正在迅速崛起，正如世界观察研 究所的一项报告所指出:正在兴起的“太阳经济” 将成为未来全球能源的主流，实现以“ 太 阳经济”为主的能源转移将创造新的产业，新的就业机会，就像石油帮助人类形成了今 天的社会一样，这种新的能源经济也将创造人类的未来。 二十世纪 50 年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是 1954 年美国贝 尔实验室研制出电能转换效率 6%的实用型单晶硅电池，二是 1955 年以色列 Tabor 提出 选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为利用太 阳能发电奠定了技术基础。1954 年第一个太阳能电池问世和 1957 年第一颗人造卫星上 天，是光伏技术开发、利用的起点。经过近 40 年的发展，已形成一门新的光伏科学与 光伏工程。光伏发电系统具有使用寿命长、安全可靠、操作方便、维护简单、不易损坏、 适合无人管理等特点，它将是 21 世纪电工科技研究的重点，因而受到了高度的重视。 太阳能电池发电技术开发之初的 70 年代，由于价格昂贵，只能用于人造卫星，山顶上 的差转电台，海岛灯塔电源等不计成本必须用的场所。最初的太阳能电池是非晶硅的， 输出功率比较小，一般只能用于手表和计算器上，直到多晶硅、单晶硅太阳能电池出现 后，才使太阳能电池在电力应用上前进了一步。 1.2 论文的课题来源 1.2.1 全球化石燃料储量面临枯竭危机 世界工业化进展主要依靠消耗大量化石燃料来取得，随着世界人口的增长和经济的 发展，对于能源供应的需求量日益增加。然而，化石燃料的储量是有限的，全球石油只 能开采约 39 年，天然气可开采大约 57 年，煤炭可开采约 230 年。现在世界石油消费量 大约每年增长 2%，35 年后，消费量将增加一倍。所以化石燃料储量正面临逐渐枯竭的 2 危机局面。 1.2.2 环境污染、生态恶化已威胁到社会发展和人类生存 保护生态环境逐渐受到人们的重视，维持人类生存与发展，寻找替代能源以解决人 类未来对能源的需求已迫在眉睫。工业化给人类带来物质文明的同时，也带来严重的问 题，化石燃料的消费产生了大量的 SO2、C02、N02 和烟尘，而且还在不断增加，使全 球气候变暖，自然灾害频繁发生，酸雨范围越来越广，高空臭氧层空洞扩大，已威胁到 社会发展和人类生存。治理大气环境，防止污染已经到了刻不容缓的地步，并已成为各 国政府共识。为防止全球气候变暖的“京都议定书 ”已正式生效，到 2012 年欧盟要在 1990 年的基础上，减少温室气体排放量 8%；美国减少温室气体排放量 7%；日本减少 温室气体排放量 6%。我国是“京都议定书” 签署国，理应尽快采取措施，尽量减少温室 气体排放量。太阳能是取之不尽的清洁无公害能源，大力开发利用以太阳能为代表的可 再生能源是减少大气污染、保护人类生态环境的有效措施，也是世界能源开发利用的一 个新趋势。 1.2.3 开发新能源解决人类现在和未来对能源需求迫在眉睫 由于常规电网存在局限性，全球还有很多人至今未能用上电。由于居住分散、交通 不便，很难通过延伸公共电网来解决这些地区的供电问题。作为不受区域限制的太阳能， 是个理想的能源，光伏发电在这些地区大有用武之地，存在着巨大的潜在市场。近几年， 全世界各个国家为了进一步推动太阳能光伏产业的发展，纷纷修订和发表了光伏研发路 线图计划。日本:(NEDO) 在 2004 年 6 月发表的“ 面向 2030 光伏路线图的综述”提出:到 2010 年日本国内累计安装太阳电池组件容量将为 482GW，到 2030 年累计安装太阳 2 电 池太阳能光伏发电系统的优化设计组件容量要达到 1000GW，届时日本所有住宅所消费 的电力中将有 50%由太阳能光伏发电所提供，大约占全部电力供应的 10%。2004 年 3 月欧盟联合研究中心发表了“欧洲光伏研发路线图 ”提出: 在 2010 年太阳能发电提供的电 力将占总发电量的 1%，到 2040 年将占总发电量的 26%。大约在 2030 年太阳能发电将 发挥显著的作用，2050 年将占能源供应总量的 24%，到本世纪末将占全球总能源供应 的统治地位。美国在 2004 年 9 月发表了“我们太阳电力的未来:2030 及更久远的美国光 伏工业路线图” 提出目标是 :在 2025 年美国新增加发电容量的一半由太阳能发电提供。 2030 年美国太阳能发电量将为 3600 亿 KW，足够 3400 万户家庭使用，届时太阳能电力 将成为重要的电力来源。中国 2005 年颁布中华人民共和国可再生能源法 ，2007 年公 布可再生能源中长期发展规划 。 3 1.3 课题研究内容 自动跟踪太阳的反射聚光光伏发电系统的工作原理是：太阳光方位传感器将太阳光 的位置信号实时传送给跟踪控制电路，自动跟踪控制电路对传感信号进行运算、处理后， 通过机械传动机构驱动聚光器自动跟踪太阳。通过数倍聚光，从而提高单位面积光伏电 池的发电效率。光伏电池将会聚后的太阳光转换成电能，在蓄电池充放电控制器的控制 下输送到蓄电池组，同时为系统自身的自动跟踪控制电路提供电源，并经逆变器为其它 用电设备提供电能。该系统主要由太阳光方位传感器、自动跟踪控制电路、驱动电机及 机械传动机构、聚光器、光伏电池阵列、电池板冷却装置、蓄电池组、充放电控制器、 逆变器等部分组成。 本项目研究涉及机械学、光学、自动控制理论、能源科学等多个学科，属于太阳能 资源利用技术领域。主要研究内容包括：自动跟踪太阳技术（涉及太阳光方位传感器、 机械传动机构、自动跟踪控制电路） 、聚光光伏电池模块（涉及聚光、散热技术）等。 自动跟踪装置的研发 根据地球相对太阳运动规律，确立跟踪技术方案，研究、开发出适合聚光光伏发电 系统的自动跟踪装置。 太阳光方位传感器的研发 基于跟踪精度高、灵敏度高、无探测盲区的原则，研究大小范围偏差传感元件的合 理排列分布技术，设计在雨、雾、高温和低温等气候条件下均具有稳定性能的太阳光方 位传感器。 跟踪装置控制电路的研发 根据地球环绕太阳的运行规律，研究跟踪太阳的自动控制技术，并优化设计合适的 自动跟踪控制电路。 跟踪装置机械传动机构的研发 研究、开发出满足跟踪精度及防风要求，且成本低、结构简单可靠的机械传动机构。 反射聚光器的研究、开发 研究、开发出低成本且理论聚光比5.0 的反射聚光器。 光伏电池板散热装置的研发 对于低倍聚光的发电系统，太阳能电池方阵产生的热量可以通过电池板背面的铝制 翅片式散热器直接散发到大气中。散热器中翅片的齿高、齿间距、齿厚等结构尺寸是影 响散热器散热能力的重要因素。因此，对翅片散热器结构尺寸进行优化，以提高散热器 4 的散热能力是十分必要的。 1.4 论文研究的目的和意义 以太阳能为代表的新能源产业属於国家战略性新兴产业，具有科技含量高、市场潜 力大、增长速度快、产业带动强的特点。加快发展对内地积极调整能源结构、加快转变 能源增长方式等，具有十分重要的战略意义。 现在，内地太阳能发电产业已经具备一 定的产业基础，具备加快发展的条件，应该作为战略性新兴产业的重要领域。建议国家 积极实施新能源产业振兴规划，做大做强新能源装备制造业，综合运用财、税收、信贷 策，加快推进新能源产业发展。选用性价比高的充放电控制器、逆变器以及蓄电池，并 对其进行集成。 1.5 国内外发展概况 1.5.1 国外现状 （1）欧盟 聚光太阳电池系统项目 EUCLIDES，于 1998 年 11 月完成。该系统包括 14 个电 池方阵，每个方阵由 138 个聚光电池组件和 140 个槽式抛物镜面组成，每个方阵长 84m，单轴跟踪，几何聚光率为 38.2，功率为 480kWp，散热方式为被动式，电池为 BP 公司的激光刻槽埋栅电池。 G-rating 项目，从 2000 年 6 月到 2003 年 5 月，主要是为了制定光伏聚光元件和 组件的标准，促进光伏聚光系统的市场化。聚光系统并不能采用与非聚光系统相同的标 准，这与聚光系统本身的特点有关，通常只能利用直射光，太阳电池组件表面的光照不 均匀，需要有效的散热器等。 IDEOCONTE 项目，计划从 2002 年到 2006 年，目标是对于不同地区采用的聚光 光伏发电系统，确定以硅电池为基础的最佳系统结构，包括比较能量成本和不同系统类 型、跟踪方法、聚光率、气候类型之间的关系，明确在 1002000kWp 范围内的实际成 本和最优系统结构。 （2）美国 美国能源部正在实施的 HiPerf PV(High-Performance Photovoltaic)计划，是为了探求 光伏技术的性能极限，以便更好地提供有成本效益的洁净能源。该计划有两个重点，其 中之一就是研究多结聚光电池的性能。Prescott 的荒漠电站聚电站有 1.5MWp 的聚光电 池系统，采用美国 Amonix 公司 250 倍的聚光太阳电池，地平坐标双轴跟踪。 APS Star Center 调峰电站安装有 300 kW 的高倍聚光电池双轴跟踪系统。 （3）澳大利亚 5 澳大利亚国立大学从 1995 年起研究光伏聚光技术，在 1999 年与 Solahart 共同建立 了 Rockingham 聚光光伏系统，这个聚光系统总的截光面积为 154m，共 80 面抛物镜， 反射镜为 1170mm1600mm， ，功率为 20kW，散热采用被动式新型铝制散热片，双轴跟 踪，几何聚光率为 30，实际聚光率为 23，电池为高效单晶硅电池，工作于 70左右。 德国、美国、西班牙、澳大利亚等国和我国都分别开发了菲涅尔透镜聚光、反射聚光等 各种聚光光伏发电系统。聚光光伏发电按照聚光比分，可以划分成高倍聚光和低倍聚光。 数十倍、几百倍的聚光光伏发电系统在国外已有大量应用。如美国的 Spectrolab 公司研 制的高倍聚光太阳能电池 236 个太阳光照射强度下效率可达 39.0%；美国 Amonix 已经 安装了 500kW 的聚光光伏发电系统。菲涅尔透镜聚光的光强不均匀，大型抛物面制造 难度大。因此各国技术人员开始研究平面镜反射实现聚光，比如德国斯图加特 Zentrum fuer Sonnenenergie-undWasserstoff-Forschung 公司发明了 V 型聚光器实现了 2 倍聚光； 捷克斯洛伐克的 Poulek 生产一种屋脊形反射聚光器，也实现了 2 倍聚光；美国的 Falbel 发明了四面体的聚光器实现了 2.36 倍聚光。尽管以上技术具有鲜明的特点，对推广光伏 发电也起到了重要作用，但总体的经济效益还不是十分明显。以上这些因素均导致聚光 光伏发电系统的性价比提高不明显，使其优势难以体现。 1.5.2 国内研发情况 我国是个资源和能源相对贫乏国家，为了国家可持续发展，必须尽快解决这二个瓶 颈，国家对此十分重视，2005 年人大常委会通过了中华人民共和国可再生能源法 ， 最近又通过可再生能源中长期发展规划 ，提出到 2010 年我国可再生能源占能源总消 耗 10%，到 2020 年要达到 15%，为此国家准备投入 2 万亿元资金。光伏发电技术是我 国国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年) 、 “十一五” 计划的重点发展领域。 近年来世界光伏发电产业始终保持高速增长，我国太阳能电池的生产规模也在迅速扩大。 2002 年以来，随着无锡尚德、保定天威英利、中电光伏等新建规模企业的陆续建成投产， 我国的光伏电池生产能力迅速提升。最近几年，中国的光伏制造可以说是一步一个台阶， 电池和组件都是年均超过 100的高增长。2003 年中国太阳能光伏系统累计安装量约达 到了 55MWp，不仅满足了国内应用的需要，还实现了大量出口，2003 年中国电池产量 和组件产量分别排名世界第 6 和第 5；2004 年中国光伏电池和组件制造又全面跻身世界 五强，电池产量排名第 5，组件产量排名第 4，尽管 2003 年底以来上游硅片的短缺多少 影响了中国光伏产量的进一步放大。随着越来越多的企业投资光伏行业，到 2005 年底， 无锡尚德的产量达到 80-100MW，中国光伏电池总产能超过 250MW，光伏组件总产能 超过 400MW。目前中国总体上已经成为仅次于美日德三强的第四大光伏制造国。 6 但是目前光伏产业存在着生产太阳能电池的原料紧缺、应用成本较高等问题，国内 实际应用较少。从国际和国内形势发展来看，目前是太阳能发展的大好时机，而我国光 伏产业还处于初级阶段，与发达国家相比还存在许多问题，今后应加大研发力度，努力 降低光伏发电成本。而深入研发自动跟踪太阳的聚光光伏发电技术，是降低光伏发电成 本的有效途径之一。 7 第二章 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的基本原理 2.1 传统太阳能发电机优缺点分析 2.1.1 传统太阳能光伏发电优点分析 (1)太阳能随处可得，太阳能光伏发电到处可建，可就近供电，不必长距离 输送，避免了输电线路等损失。 (2)太阳能发电不用燃料，运行成本很低，可靠性高。 (3)太阳能发电部件不易损坏，维护简单。特别适合于无人值守情况下使用。 (4)太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，无噪声等公害，对环境无不良影响， 是理想的清洁能源，安装 1kW 太阳能光伏发电系统，与化石燃料发电相比，每年可以 减少 CO2 排放量 6002300kg，NO2 排放量 16kg， SO2 排放量 9kg 和微粒 0.6kg。 (5)太阳能发电系统建设周期短，而且是模块化安装，方便灵活，使用规模小到用作 太阳能计算器的几毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，可以根据负荷的增减，任意添加或 减少太阳电池容量，避免浪费。 (6)太阳能组件工作寿命可以达到 20 年以上。 (7)使用太阳能光伏发电供电，站址选择方便灵活。6 2.1.2 传统太阳能光伏发电缺点分析 (1)地面光伏发电有间歇性，在晚上或阴雨天就不能发电或很少发电，发电量与气候 条件有关，与负荷用电需要常常不相符合，所以通常要配备储能装置。并且要根据不同 使用地点进行专门的优化设计。 (2)能量密度较低，在标准测试条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为 1000W/m，大规模使用时，需要占有较大面积。 (3)目前价格仍较贵，为常规发电的 5-10 倍，初始投资高，影响了其大量推广应用。 2.1.3 有待研究的问题及发展趋势 在光伏发电的发展过程中，使用成本过高一直是制约其迅速推广应用的关键因素。 其重要原因之一是：用于生产太阳能电池的半导体材料价格昂贵，消耗量大，导致以太 阳能电池为核心的光伏发电系统的成本难以大幅度降低。聚光光伏发电的研究引起世界 各国的广泛重视，成为当今太阳能利用技术的研究热点。世界各国的科学家们一直在尝 试通过跟踪聚光的方法，增加太阳能电池所接受的太阳光照射强度，使得同样数量的半 8 导体材料产生更多的电能，而增加的跟踪聚光部件的价格远低于所节约的半导体材料价 格，从而大幅度降低光伏发电系统的成本。例如采用菲涅尔透镜点聚焦、抛物面反射线 聚焦、盘式聚焦等聚光方法，以及单轴、双轴跟踪机构。美国和欧洲的一些科学家在比 较了各种聚光光伏发电系统和平面光伏发电系统以后得出这样的结论：聚光光伏发电系 统在大规模光伏发电应用中具有较高的性能价格比，预计 2010 年聚光光伏发电的价格 可达到 6-8 美分/(kWh)，发展潜力巨大，市场前景广阔。 2.2 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的基本结构及工作原理 2.2.1 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的基本结构 自动跟踪太阳的聚光光伏发电系统包括聚光器、跟踪系统、和电池板散热装置。该 聚光器采用多块平面反射镜并通过巧妙的结构设计，使得太阳光经平面镜反射后均匀地 照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，实现数倍聚光功能，从而提高单位面积太阳能电 池的发电效率。 反射镜阵列由至少四列反射镜组成，分成两组，向两侧伸展，对称安装在框架中心 线两侧；框架与所述支架固定连接；太阳能电池组阵列也分成两组按一定角度呈蝶形对 称安装在所述支架中心线两侧，朝向平面反射镜阵列安装该形状使太阳能电池组件能够 最大限度地接受平面反射镜阵列的反射太阳光；每列反射镜反射的光线照射到对应一侧 的太阳能电池阵列上，且照射宽度略大于被照射的太阳能电池阵列宽度。本项目不采用 菲涅尔透镜、抛物面反射镜等制造难度较大的聚光镜，而是采用常见的平面反射镜，通 过巧妙的结构设计，使得每列反射镜反射的光线都均匀地照射到对应一侧的太阳能电阵 列上，从而实现聚光功能，制造简单，价格低廉。 2.2.2 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的工作原理 光伏发电聚光器的底部安装一排平面反射镜，太阳能电池板固定在聚光器顶端，聚 光器通过光电传感器、电控系统和驱动装置自动跟踪太阳转动，确保实时变化的太阳光 线与聚光器始终保持一定的位置关系。 9 图 2.1 聚光光学原理图 图 2.1 为光伏发电聚光器平面镜与太阳能电池板之间的位置关系，入射光线经各块 平面镜反射后均匀地照射到对应一侧的太阳能电池阵列上，实现数倍聚光功能。 图 2.2 聚光器的数学模型 图 2.2 为光伏发电聚光器的数学模型，在电池板和平面镜间建立直角坐标系，假设 电池板的放置角度和宽度分别为 和 AB1，如图入射光线 B1O1 经平面镜 O1O2 的端点 O1 反射后的光线 O1A 反射到电池板的端点 A，由入射光线和反射光线可得平面镜 O1O2 的放置角度 1。经电池板另一端点 B1，作反射光线 B1O2AO1，可得平面镜的 另一端点 O2，同理可得出其余平面镜 0203、0304 、0405的放置角度和尺寸。 10 图 2.3 位置跟踪系统控制方案 为了实现自动跟踪双抛物面聚光发电装置的自动跟踪这一功能，我利用两电机分别 控制调整电机的方位角和大小抛物面的高度角，这就用到了图 2.3 所示的位置跟踪系统 控制方案，从而能在原理上对装置器到自动跟踪的目的。 2.3 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的主要设计参数及选择 需要自动跟踪双抛物面聚光发电装置的参数设计主要有轴和轴承的选择，联轴器的 选择，底座和支架的设计参数，滚轮的设计参数，两个电动机的功率选择等。 2.3.1 轴和轴承的选择 因为我选择的标准大抛物面的尺寸为 1170*920*30，所以我选择轴的尺寸为两段 500 的轴，而且轴的末端尺寸为 30，所以选择的深沟球轴承尺寸为 D=72， B=19，d=30。因为此装置抛物面选转的角度是一天 360 度，而整个装置旋转的 角度更小，对轴和轴承的影响较小，所以不用校核，大概选这个轴承就可以了。 2.3.2 底座和支架的选择 根据大抛物面的尺寸大小来确定整个支架和底座尺寸的尺寸，所以我定底座的尺寸 为半径是 750 的圆，高 15。下横梁的尺寸定为十字架型的横梁 1500*240*30，两个垂直 支架的尺寸定为 960*240*40，两个水平支架的尺寸定为 1100*130*10，底座和支架的材 料基本定为灰铸铁 HT150 和 HT200。 2.3.3 滚轮的设计参数 为了保证底座上的装置能正常旋转，我把滚轮的尺寸定为半径 25，宽 12 的论子。 材料为灰铸铁 HT200。 2.3.4 两个电动机的功率选择及校核 11 我在控制高度角的电动机这方面选择了定制的卧式双头旋转电动机，安装型号为 IM 2552。因为此装置的旋转周期为一天，而且控制方式为点控，所以我选择的电动机 功率较小，大概定为 0.45KW。控制方位角的电动机比控制高度角的电动机功率稍微大 一点，大概定为 0.85KW，型号为 YD90S-4/2 的变速三相异步电动机。 对电动机进行校核，已知：电机功率0.45KW，转速在6000-12000转/ 分，带与带轮 间的摩擦系数=0.3，包角 =170 （2.97rad） ，带轮的外径为24mm，内径为10mm，皮 带的宽为10mm，厚度为1mm，带的弹性模量E取300MPa，每米带长的质量q=0.04，求 最大应力max 解：V=3.14*D1*n1/(60*1000)=15.072 m/s F=500【Pc/(v*z)】*【(2.5-Ka)/Ka】+q*v*v=66.35 N 查表Ka=2.44 经计算：max=28.38 MPa 许用= 343MPa 所以，强度校验合格。 第三章 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的结构设计 3.1 自动跟踪双抛物面聚光发电装置整体结构设计 此次设计的自动跟踪双抛物面聚光发电装置能应用于大部分的场合，随时吸收太阳 光来提供给人们使用。此装置的整体装置结构设计主要包括这几个方面：高度角控制部 件，方位角控制部件，冷却系统，轴承相关部件，底座滚轮，抛物面部件等。对于高度 角控制部件，方位角控制部件和冷却系统将会单独说明，下面我就对其他各个相关部件 进行结构设计并阐述。 3.1.1 轴承的相关部件结构设计 轴承是根据轴的最末端尺寸来选择的，如图 3.1 所示，在轴承的左端用轴盖来顶住， 轴承的右端有轴肩来挡住，使轴承不会松动。为了保证轴承的密封，在轴承的右侧加入 一个塑性挡油密封圈。 12 图 3.1 轴和轴承截面图 3.1.2 底座滚轮结构设计 整个装置用到 8 个轮子，轮子的结构如图 3.2 所示，由圆柱销过盈配合固定滚轮来 形成每个轮子，成双的分布在底座的四个方向，可以达到旋转的目的，具体的投影位置 如图 3.3 所示。 图 3.2 轮子截面图 13 图 3.3 滚轮位置和抛物面投影位置分布图 3.1.3 抛物面的位置布置和结构设计 抛物面的位置布置如图 3.3 所示的上下端投影所示，也可以参考图 3.4。而抛物面的 结构设计如图 3.5 所示，用铁皮夹住吸光抛物面，从而来固定抛物面。 图 3.4 抛物面夹持位置图 图 3.5 聚光板夹持截面图 整体装置的结构设计如下图 3.6 所示： 14 图 3.6 整体布局图 3.2 自动跟踪系统的设计 3.2.1 自动跟踪系统设计的整体方案 太阳的高度角和方位角的变化，使聚光光伏发电的聚光器与入射光线难以始终保持 一定的角度，因此要求采用一套自动跟踪机构，使聚光器自动跟踪太阳转动。如图 3.7 所示，通过光电传感器 2 实时接收变动的太阳光线并产生电信号给处理电路，当跟踪误 差达到设定值时，处理电路产生开关信号，控制驱动装置 1，通过传动轴 5 带动聚光器 自动跟踪太阳，使实时变化的太阳光线与聚光器始终保持一定的位置关系，从而确保聚 光器底部的平面镜 4 把太阳光线均匀地反射到聚光器顶部的太阳能电池板 3，以实现数 倍聚光功能。 1驱动装置；2传感器；3太阳能电池板；4平面镜；5传动轴 图 3.7 光伏发电聚光器截面图 15 根据不同的聚光方式，需要采用一维跟踪或二维跟踪方案。采用二维跟踪方案必须 采用两套驱动机构分别跟踪太阳的方位角和高度角，单机的规模受到限制，成本较高； 一维跟踪方案一般用于跟踪太阳的方位角，虽然太阳的高度角变化将使聚光光伏发电效 率降低，但成本低，可靠性好。 高度角方位角式全跟踪方法基于地平坐标系，跟踪太阳的高度角 和方位角 。此种太阳跟踪器有一根轴垂直于水平面和一根平行于当地水平面的俯仰轴，实现对 太阳的跟踪。地平坐标系跟踪方法是目前比较先进的一种跟踪方法，跟踪精度比较高。 地平坐标系是以真地平为基本圈，以南点为始点。所有经过天顶的大圆都垂直于真地平。 在地平坐标系中，太阳的位置由两个参数确定，即高度角和方位角。高度角是太阳射线 与水平面的夹角。方位角是太阳射线在水平面上的影子与正南方向的夹角。地平坐标系 双轴跟踪，聚光器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作 时使聚光器根据太阳运动绕方位轴转动以改变方位角，同时绕俯仰轴作俯仰运动以改变 聚光器的倾斜角，从而使反射镜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，支承结构的设计比较容易。 3.2.2 高度角控制部件结构设计 如图 3.8 所示，我应用摆放在角铁上的双头电动机的旋转分别带动两个联轴器旋转， 两联轴器的令一端分别与轴相连，而轴的令一侧上过盈配合着水平支架，从而实现旋转， 即高度角得到了控制。 图 3.8 高度角控制截面图 3.2.3 方位角控制部件结构设计 如图 3.9 所示，我应用摆放在底座上的电动机的旋转来控制整个装置的旋转，因为 电动机与小套筒相互带动选转，而底座中轴又与大套筒一起配合旋转，大小套筒用皮带 轮相连，电动机就能带动下横梁（即相当于整个装置上半部分）旋转。即方位角得到了 16 控制。电动机与小带轮，套筒和大带轮，套筒与转动轴均为过盈配合，因为整个装置质 量不大，所以不用键配合，过盈配合带动即可。 图 3.9 方位角控制截面图 3.3 冷却系统的设计 3.3.1 冷却方式的选择 通过跟踪聚光方法，提高了单位太阳能电池板的发电量，但太阳能电池板的温度也 随之有所升高。随电池板温度升高，在电池硅片 P-N 附近的活动层厚度减小，电池电压 和转换效率明显下降，所以单晶硅太阳能电池板的额定温度不能高于 80，必须采取相 应的措施来降低聚光所引起的电池板温度升高。表 3.1 为在太阳光照强度为 780W/m2 时， 不同聚光比和冷却条件下太阳能电池板的温度。由试验得知，采用 2 倍以上的聚光光伏 发电，必须在电池板背后增加冷却装置。采用水循环冷却，电池板降温效果最好。采用 在电池板背后安装铝合金散热片，也可使电池板温度降到额定工作温度以下。 表 3.1 不同聚光比和冷却条件下太阳能电池板的温度 所以从表中数据不难看出在同等聚光比的情况下水循环冷却方式下的电池板温度最 低，所以我选择水循环冷却方式。 3.3.2 冷却系统的基本结构 电池板背面散热器设计 对于低倍聚光的发电系统，太阳能电池方阵产生的热量可以通过电池板背面的铝制 17 翅片式散热器直接散发到大气中。散热器中翅片的齿高、齿间距、齿厚等结构尺寸是影 响散热器散热能力的重要因素。因此，对翅片散热器结构尺寸进行优化，以提高散热器 的散热能力。如图 3.10 为金属散热器的结构之一，如图 3.11 为带散热片的电池组件 图 3.10 金属散热器的结构之一 图 3.11 带散热片的电池组件 水冷却器研究设计： 系统结构与相关计算参数：无边框的电池板（宽 80mm，长 100mm）八块呈一排连 接，如图 3.12 中所示，通过 EVA（密 闭 泡 孔 结 构 ，材料：乙烯-醋酸乙烯共聚物）与 水冷却器连接，水冷器尺寸为长 870mm，宽 4mm 呈 10 根垂直铺成一排，水冷器材料 为镀锌钢板。 此外，传递到水的热量是从电池而来，因此，水的出口温度应低于或等于（极限情 况下）电池的温度，所以，如果要将水的温度提高到 50-60，则电池的温度应不低于 这个范围，事实上，考虑到 EVA 层的热阻，电池温度可能还要高出 10左右。综合考 虑，从某种意义上看，尽量降低电池温度，提高其效率和尽量提高水的出口温度之间似 乎存在很有意思的关系。 具体的冷却管位置安排如图 3.12 中所示。 18 图 3.12 光伏板和冷却管位置分布图 19 第四章 自动跟踪双抛物面聚光发电装置的模块化设计 4.1 模块化设计的概念 模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把系统划分成若干模块的过程。每个 模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整 个系统所要求的功能。模块具有以下几种基本属性：接口、功能、逻辑、状态，功能、 状态与接口反映模块的外部特性，逻辑反映它的内部特性。在系统的结构中，模块是可 组合、分解和更换的单元。 所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特 定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成 新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化设计是绿色设 计方法之一，它已经从理念转变为较成熟的设计方法。将绿色设计思想与模块化设计方 法结合起来，可以同时满足产品的功能属性和环境属性，一方面可以缩短产品研发与制 造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消 除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。 一、模块化与系列化 系列产品中的模块是一种通用件，模块化与系列化已成为现今装备产品发展的一个 趋势。 模块的三大特征 模块是模块化设计和制造的功能单元，具有三大特征：1.相对独立性，可以对模块 单独进行设计、制造、调试、修改和存储，这便于由不同的专业化企业分别进行生产； 2.互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使 模块满足更大数量的不同产品的需要；3.通用性，有利于实现横系列、纵系列产品间的 模块的通用，实现跨系列产品间的模块的通用。 二、模块化产品设计 （一）模块化设计的目的 模块化产品设计的目的是以少变应多变，以尽可能少的投入生产尽可能多的产品， 以最为经济的方法满足各种要求。由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足 用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口， 如果模块的划分和接口定义符合企业批量化 20 生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产 品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产和批量化生产这对矛盾得到解决。 （二）模块化设计的应用 虽然模块化的进程中充满荆棘，但它给企业带来飞一样的创新速度注定了模块化是 以后的发展趋势。模块化不仅加快了变革的速度，增大了竞争的压力，它还改变了企业 间的关系。在残酷的创新竞争中，如何在本行业中夺取更多的市场份额就显得极为重要。 一个企业作为某个需要不断创新的行业中由百个企业组成的模块制造商群体的一员，与 作为由少数几个企业占据垄断优势的稳定发展的行业中的成员有着很大的区别，没有任 何一种发展战略是永远奏效的。模块化市场的双重结构要求企业经理在两种主要的发展 战略中做出慎重选择：企业作为总设计师为多个模块构成的产品确立设计和生产原则； 企业也可以作为模块制造商为用户提供高性价比的模块产品，以性能和价格在市场上击 倒同类厂商。在制造行业中模块化的应用已非常普遍，如汽车工业和飞机制造等。现在， 一些公司正在把模块化这个理论扩展到产品生产和服务的设计上来，有些看似和模块化 根本不着边际的行业也在尝试着移植模块化理论，提高自身的创新速度。 三、模块化产品的优点 （一）对企业产品研发的贡献 由于模块化推进了创新的速度，使得企业领导者对竞争者的举动做出的反应时间大 大缩短。作为一条规则，管理者不得不更加适应产品设计上的各种发展，仅仅了解直接 竞争厂商的竞争战略是远远不够的，这个产品的其他模块的创新及行业内部易变的联盟 都有可能招致激烈的竞争。模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识的重用， 大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可 靠性和设计质量。模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业化和深入， 可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模 块。模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立地设计和发展，可以 进行并行设计、开发和并行试验、验证。模块的不同组合能满足用户的多样性需求，易 于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足企业批量化生产的需求。 （二）对企业工作效率和成本控制的贡献 设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩短 设计周期；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从而加 21 快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩短服务 周期和耗费资源时间。模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的经过验证 的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验证的模块， 可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可 以降低生产制造成本；产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以降低售后服务 成本。 （三）对企业组织的贡献 模块化有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的专 业化研究和不同模块系统的并行开发；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构 与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和售后服 务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成产品的供 应商规范，有利于产业分工的细化。 四、模块化的趋势 模块化是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想，现已成为一种新技术被 广泛应用，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。 如何使产品的模块化设计全方位地满足市场的多样化需求，应当引起企业经营者、新产 品开发人员及其标准化研究者的高度重视。模块化设计已被广泛应用于机床、电子产品、 航天、航空等设计领域，但至今模块化术语尚未给出公认的权威性定义。企业一方面必 须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量， 另一方面还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化，满足客户的定制需求。这样， 如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾，成为赢得竞争的关键能 力。平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多 样化配置，因此平台化、模块化的产品是解决定制化生产和批量化生产这对矛盾的一条 出路。 4.2 模块化设计的基本原理 模块化产品是实现以大批量的效益进行单件生产目标的一种有效方法。产品模块化 也是支持用户自行设计产品的一种有效方法。产品模块是具有独立功能和输入、输出的 标准部件。这里的部件，一般包括分部件、组合件和零件等。模块化产品设计方法的原 理是，在对一定范围内的不同功能或相同功能、不同性能、不同规格的产品进行功能分 析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的顾客定 制的产品，以满足市场的不同需求。这是相似性原理在产品功能和结构上的应用，是一 22 种实现标准化与多样化的有机结合及多品种、小批量与效率的有效统一的标准化方法。 4.3 模块化设计在自动跟踪双抛物面聚光发电装置设计中的应用 太阳能发电机在结构或功能上具有一定的相似性，因而有采用模块化设计方法的条 件。设计时必须从产品系统的整体出发，对产品功能、性能、成本诸方面的问题进行全 面综合分析，合理确定模块的划分。 太阳能发电机的模块划分是指对发电机进行功能分析与结构分析，合理划分具有某 一或某些功能的结构单元。因此，模块划分合理与否是模块化设计成败的关键。模块划 分就是部件划分并抽取共性过程。空间上离散或结构变化大的部件则按功能划分，设计 出所谓的功能模块；结构相对独立的部件按结构进行划分，设计出所谓的结构模块。而 在这样划分并进行相应的程序开发后，结构模块的结构可由结构参数为主，功能参数为 辅简单求得；而对于功能模块，可由功能参数为主，结构参数为辅出发进行推理，在多 种多样的结构形式中做出抉择。比如说将各个抛物面用铁皮装夹好进行大量生产，需要 时可以随意选择和搭配使用。 系列化的目的在于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求 方对产品的要求。发电机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可方便地用于各种场合 （室内和室外） ，符合太阳能发电机设计模块化的发展方向。 23 第五章 总结 两个多月的毕业设计即将结束，我设计的课题是自动跟踪双抛物面聚光发电供热装 置结构设计。在设计过程中也曾遇到过很多困难，刚拿到任务书时真有点不知所措，所 以先从收集有关资料开始慢慢摸索。我也看了很多关于自动跟踪双抛物面聚光发电供热 装置结构设计的资料，了解了自动跟踪双抛物面聚光发电供热装置结构特点。在老师和 学长的建议下，我开始仔细的一步步研究，一步步设计。对学生而言，每一个新课题刚 开始都是一个挑战，没什么难易之分，随着老师和学长的指导以及自己的领悟慢慢地就 发现这任务还是可以完成的，而且是比较容易完成的。 四年的大学学习生涯以毕业设计在忙碌中结束，也可以说毕业设计是四年所学知识 的大整合，身在其中才真正的体会到四年到底学了多少，有时候很幸运自己曾经学到了 一些知识，但有时候也后悔自己错过了很多学习的机会。设计中遇到了很多问题，自己 慢慢看书，查表又得重新的学习了一遍，也算是一种不错的体验。 24 参考文献 1邱宣怀.机械设计M.北京 :高等教育出版社,1989. 2郑文纬.吴克坚.机械原理M. 北京: 高等教育出版社,1997.7. 3徐灏.机械设计手册.第四卷M. 北京: 机械工业出版社,1992. 4吉卫喜.机械制造技术M. 北京: 机械工业出版社,2007. 5陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究J. 能源工程 ,2003,(3):18-21. 6王雪文,王洋,阎军锋,赵武等.太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计 J.西北大学学报(自然科学版), 2004,34(2):163-164. 7TANG K S, Kim FungMan. Anoptim a l fuzzy PID cont