论文总字数：38604字

摘 要

随着中国经济的快速增长与社会的高速发展，我国对能源的需求量逐渐增加，传统的化石能源资源濒临枯竭与造成的环境污染问题已日渐成为当今社会面临的严峻挑战。塔式太阳能热发电是一种新型太阳能利用技术，一般的塔式系统中采用闭环控制，本文设计了一种主动跟踪太阳的双轴跟踪系统，控制电机带动东西轴、南北轴的转动调整定日镜的朝向，从而将照在定日镜上的太阳光线反射到接收器上。本文选定太阳能利用装置中的双轴跟踪系统为研究对象，通过理论分析，确定双轴系统的空间位置和双轴转动角度间的关系，然后以线度测量为手段，通过把线度值转化为角度值，最终实现双轴跟踪系统的空间定位。首先，研究了定日镜平面的法线随着太阳位置变化的运动规律，然后将法线在空间中的运动分解为东西轴和南北轴的转角，将角度变化转化为电机转动的线度值，带入数据计算了一天内双轴转角的实际值，绘制成图并分析变化规律。然后分析了测角仪造成的系统误差问题，最后编写了一个程序，以时间、地点（经纬度）、定日镜位置等为已知参数，计算得出太阳高度角、方位角、东西轴转角、南北轴转角以及电机转动线度。

关键词：塔式太阳能；双轴跟踪；空间定位；线度测量

Abstract

With the rapid growth of China's economy and the development of society, China's demand for energy is gradually increasing. The exhaustion of traditional fossil energy resources and the problem of environmental pollution have increasingly become a severe challenge to today's society. Tower solar thermal power generation is a new type of solar energy utilization technology. Open-loop control is adopted in the general tower system. This paper designs a two-axis tracking system that actively tracks the sun, and controls the motor to drive the rotation adjustment of the east-west axis and the north-south axis. The orientation of the sun mirror reflects the sun's rays shining on the heliostats onto the receiver. In this paper, the two-axis tracking system in the solar energy utilization device is selected as the research object. Through the theoretical analysis, the relationship between the spatial position of the two-axis system and the biaxial rotation angle is determined, and then the linearity value is transformed by means of the linearity measurement. For the angle value, the spatial positioning of the two-axis tracking system is finally realized. Firstly, the motion law of the normal of the plane of the heliostat with the change of the sun position is studied. Then the motion of the normal in space is decomposed into the rotation angle of the east-west axis and the north-south axis, and the angle change is converted into the linear value of the motor rotation. , bring in the data to calculate the actual value of the two-axis corner in one day, draw a diagram and analyze the law of change. Then the system error caused by the goniometer is analyzed. Finally, a program is programmed to calculate the solar elevation angle, azimuth angle, east-west axis angle, time, location (latitude and longitude), heliostat position, etc. North and South axis rotation angle and motor rotation line.

KEY WORDS: tower solar energy，two-axis tracking，spatial location，linearity measurement

摘 要 I

Abstract II

目录......................................................................................................................................................................Ш

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.1.1 我国太阳能资源分布情况 1

1.1.2 太阳能发电分类 2

1.1.3 太阳能热发电特点 4

1.1.4 研究意义 4

1.2 国内外研究现状 5

1.2.1 国外研究动态 5

1.2.2 国内技术现状 5

1.3 论文研究的主要内容 6

1.4 本章小结 7

1.5 论文结构 7

第二章 太阳能双轴跟踪控制器的总体方案设计 8

2.1 引言 8

2.2 双轴跟踪控制器的方案分析 8

2.3 本文跟踪方式选择与结构设计 10

2.4 本章小结 12

第三章 太阳位置计算 13

3.1 太阳的运动规律 13

3.2 参考坐标系分类及选取 13

3.3 太阳时与时差 14

3.3.1 真太阳时 14

3.3.2 平太阳时 15

3.3.3 时差 15

3.3.4 太阳时角 15

3.4 太阳位置算法 15

3.5 本章小结 16

第四章 定日镜运动规律的研究 17

4.1 定日镜结构及工作原理 17

4.2 定日镜运动规律建模 17

4.2.1 定日镜反射过程建模 17

4.2.2 转轴角度建模 21

4.3数据分析 22

4.4 转动角度的测量 23

4.5 线度转换 25

4.6 双轴太阳能跟踪系统计算程序 26

4.7 本章小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 展望 28

致 谢 30

参考文献 31

附录 33

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

能源是国家的命脉和社会的基石。能源可以被划分为石油、煤炭、天然气等不可再生的化石能源，以及风能、太阳能、生.物.质能等可再生能源。21世纪以来，全球人口总量与世界经济持续增长，各国对能源的需求也与日俱增，世界范围内油气资源的竞争也日渐激烈，环境污染与全球气候变化受到广泛关注。在现今世界的能源.消耗比例构成中，化石能源是人类的主要能量来源，煤、石油与天然气所占的能源需求构成分别为40%、24%、26%^[1]。研究表明，按照目前全世界化石能源的消耗速度，煤炭的供应量只能维持200年左右，而石油、天然气只能维持到21世纪中叶^[2]。由此可见，人类目前对不可再生的化石能源的利用只是一个初步的阶段，一次能源将来被清洁可再生的新能源取代也是必然的。当今人类生存环境逐渐恶化，化石燃料的大量开采和燃烧造成了雾霾的泛滥，煤炭燃烧.排.放的二氧化硫、二氧化碳导致了严重的后果，例如全球变暖、酸雨以及PM2.5的大量产生。所以，我们要居安思危，尽早开发新型可再生能源。能源不仅是宝贵的经济资源，更是重要的政治资源和战略资源，因此能源安全问题越来越受到国家高度重视^[3]。目前，中国能源消费结构中依然是以化石能源的消费为主，化石能源开采殆尽及造成的环境污染问题极大地促进了可再生能源技术的快速发展。而在可再生能源中太阳能又是储量最大的能源，中国也是世界上太阳能资源最丰富的国家之一。因此，为了缓解目前中国能源短缺的巨大压力和保障国家能源安全，开发可再生的新型能源势在必行，而太阳能就是清洁、无污染的新型能源之一。开发塔式太阳能热发电将为我国解决能源短缺和环境污染等问题提开辟一条新的道路。

1.1.1 我国太阳能资源分布情况

我国太阳能资源储量很大，在世界上也处于前列。据统计，我国超过2/3的国土上有着较丰富的太阳能资源，特别是新疆、西藏、甘.肃.以及内蒙等地区^[4]，十分适合在这些地区建成大规模的太阳能电站。按照各地区每年接收到的太阳.辐.射量，可以把全国分为4种地域，如图1-1所示。

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