华南理工大学
本科毕业设计（论文）开题报告
论文题目 __________________________
班 级____________________
姓 名____________________
学 号____________________
指导教师____________________
开题时间____________________
填表日期____________________
开题报告内容：
1.1开发新能源的迫切需要
人们很难想象,如果没有电，人类的生活会变成什么样子。随着社会生产的日益发展,人类对电的需求每年以很大幅度增加,进而对能源的需求也迅速增长。全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤,而在1995年,这种消耗达到了140亿吨标准煤,即25年间增长了69.7%,并预计,到2020年全世界对能源的消耗会达到195亿吨标准煤。根据公认的估算,如果人类对能源的需求以目前的速度增长,全世界的石油将在今后40年间被耗尽,而天然气和煤也最多分别能维持60年和200年左右。可见,矿物热料并不是取之不尽的。不仅如此,大量使用化石能源己经开始造成全球变暖,燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质,严重污染了人类的生存环境[1]。
我国拥有居世界第一位的水能资源,居世界第二位的煤炭探明储量,居世界第11位的石油探明可采储量。但由于我国人口众多,人均能源资源严重不足,而我国现在所面临的却是能源需求量成倍增长的严重挑战。
因此,采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用,是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。这对于世界尤其是我国是十分迫切的。而太阳能资源丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境,是国际社会公认的理想替代能源,所以开发利用太阳能受到越来越普遍的重视,成为目前各国都在研究的重大课题。
1.2调研报告
1.2.1光伏发电的优点
光伏发电技术(Photovoltaic)是将太阳能转化为电能的技术,其核心是可释放电子的半导体物质。最常用的半导体材料是在地壳中储量丰富的硅。太阳能光伏电池有两层半导体,一层为正极,一层为负极。阳光照射在半导体上时,两极交界处产生电流。阳光强度越大,电流就越强。太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作,在阴天也能发电。由于反射阳光,少云的天气甚至比晴天发电效果更好[2]。
与传统的化石能源相比,光伏发电具有以下优点:
1.储量丰富。太阳能是取之不尽的可再生能源。太阳每秒钟辐射的能量大约是1.6x1023kW,其中到达地球的能量高达8x1013kW,相当于燃烧6x109吨标准煤[3]。按此计算,一年内到达地球表面的太阳能总量折合成标准煤约1.2x1016亿吨,是目前世界主要能源探明储量的1万倍,因此可以说太阳能是“无限”的,取之不尽,用之不竭。
2.燃料免费。太阳能资源无处不在,可以直接免费获取,不受地域条件的,应用范围广泛,只是地区之间有丰富与欠丰富的差别。
3.长寿命。一般没有会磨损、毁坏或需更换的活动部件,因此系统使用寿命长,晶体硅光伏电池的使用寿命能够达到25年以上[4]。
4.无污染。光伏发电无任何有害气体及声、光、磁、噪音等排放,因此是一种清洁安全的能源。
5.低维护费用。保持系统运转稳定仅需要很少的维护,节约了系统维护的成本。
6.原料储量丰富。硅作为光伏电池生产所使用的主要原料,在地壳中的储量十分丰富,随着硅提纯技术和转换效率的不断提高及相关技术的发展,光伏发电的成本正呈现快速下降的趋势[5,6]。
7.安装方便。光伏发电系统机动灵活,可在任何地方快速安装。光伏发电系统可用作分布式电力系统,也可用于光伏建筑集成(Building Integrated Photovoltaic),一方面可以节省发电基地使用的土地面积和费用;另一方面可以用光伏组件来充当部分建筑材料,节约成本。
8.适合高海拔地区。在海拔较高的地区,由于空气稀薄,柴油发电机的工作效率会降低,但此类地区较强的日照强度将使得光伏系统可以输出更高的功率,因此使用光伏发电非常有利脚[7,8]。
1.2.2光伏发电存在的问题
虽然光伏发电有很多突出的优点,但同时也存在着一些有待考虑的问题:
1.光电转换效率不高
由于光伏电池的特点,在选取光伏电池原材料时必须考虑到材料的光导效应和光导效果,目前光电转换效率较高的单晶硅电池的转换效率在20%左右,同时由于对光电效率转换控制不当,真正的光电转换效率还会降低。
2.受气候影响大
如果在阳光不充足的多云或阴雨天气,随着光照强度的降低,光伏电池的转换效率会大幅度降低,因此,光伏系统不适合应用于阴雨天气较多的地区。另外,由于空气中的尘埃会落到电池板上,长时间沉积会阻碍光线的照射,也会对转换效率造成影响。
3.光伏发电成本较高
晶体硅太阳电池主要原料是高纯硅,其纯度高达99.9999%,虽然硅是地壳中含量仅次于氧的元素,但是要从石英砂中提炼出高纯度的硅需要消耗大量的能量,成本较高,这就使得硅原料的价格一直居高不下,制约了光伏市场的快速发展。另外,由于硅提纯技术被德国、日本、美国等国家垄断,目前我国生产晶体硅电池需要的原料大多依赖进口,导致生产成本进一步升高[1,9]。
1.3工作任务分析
由于太阳能作为一种新能源，具有具有低密度、间歇性、空间分布不断变化的特点，所以我们需要对太阳能的收集提出跟高要求，要尽可能高效收集起来。
1、目前，在大部分地方，太阳能收集装置都是固定角度安装，造成太阳无法直射收集版，这造成了很多太阳能无法被利用，本文采用太阳能自动跟踪技术，使太阳能电池板与阳光时刻垂直，达到最大吸收效率。
2、在南方的夏天，大量台风侵入，大量太阳能电池板会受到台风的攻击，导致结构不稳定，甚至是直接是损坏。改进太阳能电池板单轴跟踪装置的机械结构，使之能够在台风来临的时候，减少台风对结构的破坏和影响。
1.4方案拟定与分析
1.太阳能自动跟踪方式的确定
常用太阳能自动跟踪的方式有2种：1、光电跟踪；2、视日运动轨迹跟踪。
光电跟踪方式跟踪精度高，但是易受到外界环境的干扰，而视日运动轨迹跟踪虽然跟踪精度差，但是基本不受外界杂散光影响。本次设计采用两种方式相结合的方法达到追踪效果。
1、在晴天的时候， 采用光电跟踪的方式，追求最高效率收集太阳能
2、在多云或阴雨天气，采用视日运动轨迹跟踪，能够避免捕捉错误对象，比如云层边缘的亮点等。
3、在台风天气下，由于机器容易受损，所以要将太阳能收集板收起来或是固定某一安全的角度。
2.太阳能电池板单轴跟踪机械结构设计
3.太阳能光伏发电装置的抗台风外形设计
在南方，夏天台风频发，不少太阳能发电装置因此而性能下降，有的甚至遭到损坏。太阳能板由于面积较大，所以受到台风的拉力也较大，支架就会受到很大的拉力，轻则装置松动，重则直接损坏。本文准备队太阳能发电板的外壳进行改善，通过结构的改变达到减少台风拉力的大小。
1.5、毕业论文撰写提纲及实施计划
1.5.1 提纲
1、绪论
1.1开发新能源的迫切需要
1.2调研报告
1.2.1光伏发电的优点
1.2.2光伏发电存在的问题
1.3自动跟踪技术的研究现状和发展趋势
1.4工作任务分析
1.5方案拟定与分析
2、太阳能自动设计
2.1太阳能自动跟踪方式的确定
2.1.1 光电跟踪
2.1.2 视日运动轨迹跟踪
2.2 太阳能自动的设计
3、太阳能单轴跟踪机械结构设计
3.1 单轴的机构选择
3.2 单轴具体结构的设计
4、太阳能光伏发电装置的抗台风外形设计
4.1 抗风常见外形设计
4.2 太阳能电池板的外形选择
4.3 电池板的尺寸确定
5、结论与展望
1.6 参考文献
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| 机械设计与制造，2005，7(7)：157-159. |
| 指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 |
| 文献综述内容（与论文主题相关的国内外研究理论、研究方法、进展情况、存在问题、参考依据等）： 1.自动跟踪技术的研究现状和发展趋势 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管相继开发出一系列的太阳能装置，如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但对太阳能的利用还远远不够。究其原因，主要是利用率不高。就目前太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。为了提高光伏发电系统的发电效率，主要可以从四个方面入手，首先通过调节太阳能电池板相对于太阳光的角度，使太阳能电池板时刻与太阳光保持垂直，从而实现太阳能电池板时刻都处于最大的发电潜力。其次是通过电力电子技术调节加在太阳能电池板两端的等效阻抗，使太阳能电池板时刻工作在最大功率点处还有提高逆变效率。最后可以通过提高光电转换效率即在同样光照强度下，同等条件下，光能最大程度转换成电能[10,11]。 前两者利用现有的技术则可解决，而后者属于能量转换领域，还有待研究。其实，不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。大学建筑系的和教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差较大，精确的跟踪太阳的运行轨迹可使接收器的接收率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域[12,13]。 2. 常用的太阳能跟踪方案 2.1光电跟踪方式 光电跟踪都是通过光敏器件（如硅光电池、光敏电阻、光敏二极管）来检测太阳的位置变化，实现控制装置跟踪太阳。把光敏器件对称的安装在靠近遮光板的两侧，当电池板正对太阳时，光敏器件完全处于光照区，输出大小相同的电信号，输入到放大比较电路中处理输出为零信号不驱动跟踪机构，不进行跟踪；当太阳偏移则会使遮光板下有阴影的产生，遮光板两侧的光敏器件受到的光照强度不均匀使得放大比较电路输出信号差将驱动跟踪机构调整角度，完成跟踪机构对太阳的精确跟踪。光电跟踪也有着自身的缺点，光电跟踪采用闭环控制来实现，尽管光电跟踪方式灵敏度高，但是光敏元件易受天气情况和环境中杂散光线的影响，在检测太阳光的过程中易引起误动作而不能对准太阳，使得跟踪稳定性能降低。 2.2视日运动轨迹跟踪方式 依跟踪系统控制的维数为标准，视日运动轨迹跟踪方式有一维跟踪和二维跟踪两种控制方式。 1）一维跟踪方式 一维跟踪方式东西向方位角跟踪和南北向高度角跟踪。这两种跟踪方式都是通过控制跟踪机构实现东西方向和南北方向自动跟踪。在一维跟踪方式下，每天只有中午时刻才能正对准太阳，从而接收到最大太阳光照能量，除此之外太阳光线只能斜射到太阳能电池板的受光面，使得接收的太阳光照能量降低。一维跟踪具有结构简单、易于实现的优势，但不能实现太阳光线时刻跟太阳能电池板保持垂直，太阳能的利用率低下，收集太阳能的效果不理想[14]。 2）二维跟踪方式 二维跟踪也可称为双跟踪或全跟踪，能够在太阳高度角和太阳方位角同时跟踪太阳，从而时刻最大接收太阳光照能量。以坐标系作为划分依据，有极轴式和高度角-方位角式全跟踪[15~18]两种。 一、极轴式全跟踪 平行于地球自转轴指向天球北极的一个轴，即是所谓的极轴；而与极轴相垂直的一个轴被称为赤纬轴。跟踪机构工作时绕极轴旋转，设定其转速应与地球自转的角速度方向相反而大小相同来实现跟踪太阳的目的。此外，为适应太阳赤纬角的变化，赤纬轴需根据季节的变化进行定期调整。赤纬轴作俯仰转动是为了跟踪太阳高度角的改变，由于极轴跟踪结构上的特点使得整个系统的重心不在极轴轴线上，给支承装置的设计带来了一定的难度，所以基本上不使用。 二、 高度角-方位角式全跟踪 高度角-方位角式太阳跟踪方法是基于地平坐标系的二维跟踪，垂直于地平面是跟踪机构的方位轴，跟方位轴垂直的另一根轴是俯仰轴。太阳的方位角发生变化时，跟踪机构绕方位轴转动；太阳的高度角发生变化时，跟踪机构绕俯仰轴进行俯仰运动，保证太阳光线垂直入射在太阳能电池板上[19~20]。 当太阳位置随着时间在变化时，二维跟踪系统能够通过驱动俯仰轴做相应的调整实现对太阳高度角的跟踪，同时也对方位轴进行驱动调整实现对太阳能方位角的跟踪，在误差允许的范围内让太阳光线始终垂直照射到太阳能电池板上，并且该装置的结构简单，容易设计。 这种跟踪方式具有跟踪精度高、稳定性比较高的优点，能够充分利用太阳能。由于太阳能电池板的重心落在了方位轴上，使得跟踪系统的结构设计比较简单[21]。同时视日运动轨迹跟踪不受天气、环境杂散光的干扰，可靠性较高。但它也有着自身的缺陷，太阳方位角和高度角的计算难免有误差产生，由于是开环控制方式使得误差得不到修正而影响跟踪精度。 总而言之，目前太阳的跟踪方式各有优缺点，而且现有的太阳自动跟踪系统还不够完善，也并不能显著提高太阳能利用率，因此要在太阳发电行业中推广应用还要有一段路要走，即通过自动跟踪高效地利用太阳能，还需要更为深入的研究开发。 |
| 说明： 1. 学生应通过调研和资料搜集（要有10篇以上相关文章的阅读量），主动与指导教师讨论，在指导教师指导下完成开题报告。开题报告需经各系或论文指导小组讨论、学院教学指导委员会审查合格后，方可正式进入下一步毕业设计（论文）阶段。 2. 理、工科开题报告撰写不少于2500字，人文社科开题报告不少于3500字，包括论文选题的背景和意义、工作任务分析、调研报告、方案拟定与分析、毕业论文撰写提纲及实施计划、文献综述（设计类可不提交文献综述）等。 3. 开题报告字体为小四号，宋体（英文需用Times New Roman字体），行距为固定值20磅。 4. 此表一式三份，一份交学院装入毕业设计（论文）档案袋，一份交指导教师，一份学生自存。 |
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