一種自動(dòng)追蹤太陽(yáng)能小車(chē)設(shè)計(jì)*

尹學(xué)愛(ài) 邱光輝

(濱州學(xué)院物理與電子科學(xué)系 山東 濱州 256603) (中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院 山東 濟(jì)南 250013)

1 引言

隨著世界對(duì)能源短缺和環(huán)境保護(hù)的呼聲不斷高漲，太陽(yáng)能的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注并已取得一定的成就[1～3].太陽(yáng)能的作用和發(fā)展正走進(jìn)更多人的視野，太陽(yáng)能汽車(chē)將對(duì)解決面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染具有重要意義[4，5].現(xiàn)階段的太陽(yáng)能小車(chē)大部分都是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，再將電能儲(chǔ)存到電池中，最后再利用電池對(duì)小車(chē)進(jìn)行供電.即使在太陽(yáng)光充足的情況下仍然只能利用電池供能，而不能將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能來(lái)供能.完善的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)是充分利用太陽(yáng)能和環(huán)境保護(hù)必不可少的重要組成部分[6].

如此看來(lái)，以太陽(yáng)能為能源設(shè)計(jì)出的小車(chē)，在目前情況下去掉電池還不能實(shí)現(xiàn).那么，就從如何完善太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)，充分利用太陽(yáng)能來(lái)考慮設(shè)計(jì)方案.

2 設(shè)計(jì)方案及原理

本作品設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能小車(chē)的追蹤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能電池板隨太陽(yáng)光高精度旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)尋找太陽(yáng)光最強(qiáng)方向.這樣太陽(yáng)能小車(chē)就能夠在太陽(yáng)能充足的時(shí)候一邊充電一邊運(yùn)行，提高太陽(yáng)能的利用率.

作品分為兩個(gè)部分：機(jī)械設(shè)計(jì)部分和控制部分.

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)部分

車(chē)體部分：小車(chē)底座由一圓木板加工而成.太陽(yáng)能追蹤部分主要由步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、電池板和金屬桿組成.電池板連接在一個(gè)支撐它的主軸上，連接部分可自由轉(zhuǎn)動(dòng).電池板在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn).步進(jìn)電機(jī)與支撐電池板的主軸相接，電機(jī)工作即可帶動(dòng)電池板旋轉(zhuǎn)；電池板在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)由一個(gè)舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)：將舵機(jī)固定到支撐電池板的主軸上，金屬桿與舵機(jī)連接且金屬桿與電池板接觸 ，舵機(jī)工作即可調(diào)節(jié)金屬桿與電池板之間的接觸點(diǎn)位置，以此來(lái)調(diào)節(jié)電池板與太陽(yáng)光之間的夾角.通過(guò)以上兩個(gè)平面(水平平面和豎直平面)內(nèi)的自由旋轉(zhuǎn)即可保證電池板與陽(yáng)光垂直.

太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追蹤太陽(yáng)能有兩種追蹤模式：光電檢測(cè)追蹤模式和太陽(yáng)角度追蹤模式[7].本小車(chē)以AVR單片機(jī)作為控制電路的核心，利用由光電二極管組成的比較電路來(lái)判斷太陽(yáng)光強(qiáng)弱，從而決定小車(chē)是通過(guò)電池板運(yùn)行還是鋰電池運(yùn)行.其主要工作原理如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2.2 控制部分

2.2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制及原理

車(chē)整體動(dòng)力系統(tǒng).由直流減速電機(jī)提供小車(chē)整體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，小車(chē)采用的電機(jī)扭矩為6 kg/cm，轉(zhuǎn)速為110 r/min.在運(yùn)動(dòng)時(shí)主要是通過(guò)程序來(lái)分別控制小車(chē)兩個(gè)后輪的前進(jìn)、靜止和后退，實(shí)現(xiàn)小車(chē)前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)彎.小車(chē)的前端安裝3個(gè)光電開(kāi)關(guān)，分別朝向左前、正前方、右前3個(gè)方向.能感測(cè)到各自的正前方是否存在障礙物，并輸回電信號(hào)，分別以高低電平來(lái)表示，再通過(guò)程序判斷決定小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向.小車(chē)也安裝了無(wú)線遙控裝置，可模擬無(wú)人駕駛.

太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng).由步進(jìn)電機(jī)(42BYGH)和舵機(jī)(S3001)兩部分組成.步進(jìn)電機(jī)為電池板的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，其優(yōu)點(diǎn)是精準(zhǔn)定位，且不易受外界影響噪音?。欢鏅C(jī)為電池板的垂直調(diào)整提供動(dòng)力，其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力強(qiáng)大，定位精準(zhǔn).在電池板前面裝有3個(gè)光敏電阻，背面裝有一個(gè)光敏電阻.感光系統(tǒng)工作時(shí)光敏電阻將采集的光強(qiáng)傳給AVR單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并將該值輸送到Nokia5110顯示屏上進(jìn)行顯示.

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)程序的精心設(shè)計(jì)，節(jié)省了小車(chē)自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的時(shí)間，增加了小車(chē)對(duì)新能源的高效利用和節(jié)能.

2.2.2 能量?jī)?chǔ)存控制及原理

小車(chē)裝備有最大輸出電壓為13.2 V，最大輸出電流700 mA的電池板和可輸出12 V的鋰電池，兩者組成小車(chē)儲(chǔ)能部分，電池板可直接為小車(chē)提供能量也可為鋰電池充電.在電池板與鋰電池間充電處加入一個(gè)二極管， 這樣既能保證在陽(yáng)光充足的條件下電池板為鋰電池充電又能保證在陽(yáng)光不足的條件下小車(chē)能夠正常的運(yùn)行.當(dāng)電池板產(chǎn)生的電壓高于12.6 V時(shí)，如果繼續(xù)給鋰電池充電將影響其壽命，因此特別為鋰電池另裝了10 Ω的電阻(約為鋰電池內(nèi)阻).同時(shí)為確保電壓穩(wěn)定，小車(chē)在供電點(diǎn)位處接有穩(wěn)壓模塊，為系統(tǒng)的功能穩(wěn)定又增加了一份保障.

3 結(jié)論

太陽(yáng)能小車(chē)根據(jù)光強(qiáng)追蹤太陽(yáng)能，在陽(yáng)光充足的地方小車(chē)可以不用蓄電池就能運(yùn)行，同時(shí)也可對(duì)蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)電，提高太陽(yáng)能的利用率.采用AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制，提高了小車(chē)自動(dòng)避障的反應(yīng)速度.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

參考文獻(xiàn)

1 徐文燦，袁俊，嚴(yán)偉，等.太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的探索與實(shí)驗(yàn).物理實(shí)驗(yàn)，2003(9):45～48

2 王長(zhǎng)貴，崔容強(qiáng)，周簧. 新能源發(fā)電技術(shù). 北京：中國(guó)電力出版社,2003

3 馬健，向平，趙衛(wèi)鳳，等. 基于步進(jìn)電機(jī)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì).電力電子技術(shù)，2008,42(9)：34～36

4 鄭益文，馬立新，魯奕，等.太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的智能控制與系統(tǒng)設(shè)計(jì).微特電機(jī)，2011(7)：49～52

5 張琪、黃東、鄭宏飛. 太陽(yáng)能在汽車(chē)上應(yīng)用的前景與挑戰(zhàn).太陽(yáng)能, 2006(4)：42～44

6 趙麗偉.太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的研究： [碩士論文].吉林大學(xué)，2010.7～9

7 毛桂生.太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的研究:[碩士論文].華南理工大學(xué)，2010.7～11