华中科技大学 硕士学位论文 双轴跟踪碟式太阳能集热器的研究 姓名：王尚文 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：高伟;黄树红 20070129
摘
要
当今世界能源短缺，环境污染，化石能源濒临枯竭，在这种情况下，可再生能 源的利用就显得尤为重要。太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性、开发利用的 清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，其开发利用是最终解决常规能源特别是化 石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替 代能源。 本文在分析总结太阳能利用方式和国内外太阳能利用水平的基础上，运用相关 的理论，提出和设计了一种发电功率为 500W，旋转抛物面集热器直径为 1m，釆用 方位角—高度角双轴精确跟踪太阳的碟式斯特林太阳能发电系统。该系统功率比较 小，结构相对简单，效率较高，成本低。非常适合我国大面积的偏远山区、草原、 沙漠，或电网未覆盖的地区等以户为单位的日常照明等生活用电，对改善偏远地区 人民的生活水平有积极作用。 本文除完成小型斯特林太阳能发电系统的结构设计外，还研究和设计了太阳双 轴跟踪系统。提出了视日运动轨迹跟踪(程序控制)和传感器跟踪两级混合跟踪方案， 并运用 VC 语言开发了跟踪软件，完成了太阳运行轨迹校核计算和模拟。从而实现 了全天候和高精度跟踪太阳，达到了提升集热温度，提高太阳能的利用率和系统的 发电效率之目的。
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石能源的利用会产生温室效应，污染环境等，这一系列问题都使可再生能源在全球 范围内升温。从目前世界各国既定能源战略来看，大规模的开发利用可再生能源， 已成为未来各国能源战略的重要组成部分。自上个世纪 90 年代以来可再生能源发展 很快，世界上许多国家都把可再生能源作为能源政策的基础。从世界可再生能源的 利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展最快，产业前景最好，其开发利 用增长率远高于常规能源。 1.1.3 我国可再生能源的发展 2000 年中国消费了可再生能源 25630 万 t 标准煤， 占一次能源消费量的 19.7 % ， 其中新的可再生能源利用为 3720 万 t 标准煤，占可再生能源总量的 14.5 % ，而小 水电又占新的可再生能源利用总量的 78%，可再生能源发电量 83.1 亿 kW・h，占总 发电量的 6.17 %[3]。 尽管中国可再生能源具有巨大的资源潜力，部分技术实现了商业化，产业也有 一定的发展，但与国外发达国家相比，无论在技术、规模、水平，还是在发展速度 上，仍然存在较大的差距。可再生能源产业发展还面临许多问题和障碍。主要是， 多数可再生能源技术发电成本过高和市场容量相对狭小。目前，除了小水电外，中 国可再生能源发电成本远高于常规能源发电成本。例如,小水电发电成本约为煤电的 1.2 倍，生物质发电(沼气发电)为煤电的 1.5 倍,风力发电成本为煤电的 1.7 倍。光伏 发电为煤电的 11～18 倍。显然，成本高会抑制可再生能源市场；反之，市场狭小又 会给可再生能源的成本降低造成障碍，形成恶性循环，使可再生能源产业的发展陷 入困境。 政府为了推动可再生能源的发展，全国人大常委会已在 2005 年 2 月 28 日通过 了《中华人民共和国可再生能源法》 ，并将于 2006 年 1 月 1 日起执行。该法将可再 生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优 先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资金支持可再生能 源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利用的 技术进步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。该法的通过，对促进
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可再生能源的开发利用、增加能源的供应、改善能源结构、提高能源安全、保护环 境、实现我国经济社会的可持续发展，具有十分重大的意义。
1.2 太阳能利用
1.2.1 太阳能简介 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽管太阳辐射到地 球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为 3.75×1026W）的 22 亿分之一。太阳辐射 穿过地球大气层时，不仅受到大气层中的空气分子、水汽及灰尘所散射，而且受到 大气中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收，所以投射到地球上的太阳辐射有显著的衰 减，大约有 70%投射到地面，尽管如此，投射到地面上的太阳能一年中仍高达 1.05 ×1018kW・h，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于 500 万吨标准煤[4]。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于 太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以 来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限 于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换[5]。太阳能既是一次能源，又是可再 生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。 1.2.2 太阳辐射的几个概念 一、太阳常数 Isc 地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳绕行，这就是说，太阳与地球的距离不是 一个常数。如：一月一日近日点时，日地间距 1.47×108km；七月一日远日点时，日 地间距 1.52×108km，一年中每天的日地距离都不一样。对于光和热来说，某一点的 辐射强度与距光源距离的平方成正比，这就意味着，地球大气层上界的太阳辐射强 度随日地间距不同而异。然而，由于日地间距很大，当日地距离等于其平均距离时， 太阳张角才 32′，这就是说，地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。人们 使用“太阳常数”来描述大气层上界的太阳辐射强度。太阳常数的数值是指在平均
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绪 论
1.1 能源现状和发展趋势
1.1.1 世界能源消费现状 能源是人类社会发展的重要基础资源。但随着世界经济的发展、世界人口的剧 增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的 争夺日趋激烈、能源危机严重、环境污染加重和环保压力加大。据美国能源部能源 情报署 《国际能源展望 2004》 基准状态预测[1]， 全球能源消费总量将从 2001 年的 102.4 亿吨油当量增加到 2025 年 162 亿吨油当量，世界能源消费在 2001-2025 年将增加 54%。 全球化石能源的枯竭是不可避免的，将在本世纪内基本开采殆尽。英国石油公 司《BP 世界能源统计 2006》数据表明[2]，以目前的开采速度计算，全球石油探明储 量可供生产 40 多年，天然气和煤炭则分别可以供应 65 年和 162 年。 作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，目前中国的能源消费已占世界能 源消费总量的 13.6%，世界能源消费将越来越向中国和亚太地区聚集。据预测，目前 中国主要能源煤炭、石油和天然气的储采比分别为约 80、15 和近 50，大致为全球平 均水平的 50%、40%和 70%左右，均早于全球化石能源枯竭速度。未来 5-10 年，中 国煤炭国内生产量基本能够满足国内消费量，原油和天然气的生产则不能满足需求， 特别是原油的缺口最大。寻求可再生资源，对于中国来说既重要又迫切。其中可再 生能源的开发与利用尤为引人注目。 1.1.2 世界可再生能源的发展趋势 世界大部分国家能源供应不足，各国努力寻求稳定充足的能源供应，都对发展 能源的战略决策给予极大的重视，其中可再生能源的开发与利用尤为引人注目。化
Program control
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：
关键字：
太阳能
太阳能热发电
斯特林循环
பைடு நூலகம்
集热器
程序控制跟踪
传感器跟踪
I
Abstract
About energy consumption, there is same problem ， such as Energy shortage, Environmental pollution, and the fossil sources dring up. In this case, it is very important to develop and utilize renewable energy. Solar energy have some advantages, for example limitless reserves, distributing everywhere, cleanness and economical. So it is the way to solve Energy shortage, Environmental pollution, and greenhouse effect to develop and utilize renewable energy, and is human perfect replaceable sources. Solar energy utilization means and status are introduced, on this base, the dish-stirling solar power generation system is proposed. The system’s electric power is 500W, the solar concentrator’s diameter is 1meter, uses elevation-azimuth tow-axes sun-track equipment. This system’s characteristic is low power, simple configuration, high efficiency, low cost. It is very suitable to some places, where is out of the way area, plain, desert and some place without electricity. The low power system would use to light and daily electricity for a door. It could improve this place people standard of living. In the paper, some part is about the tow-axes sun-track equipment. Tow step commix sun track system is presented. Which includes program control and sensor track. The track control software which is develop with VC, account the sun moving contrail, could finish program control. The track system could track the sun all-weather, enhance the concentrator temperature and the generation electricity efficiency. Keyword： Solar energy Solar thermal power generation Sensor track Stirling cycle Concentrator