摘要：針對現(xiàn)有高層建筑遮陽普遍存在的效率低、浪費大等問題，設(shè)計了一套智能化的新型可升降的太陽能玻璃百葉窗。該設(shè)計以玻璃百葉窗為載體，利用太陽能電池片遮陽與發(fā)電。同時，對傳統(tǒng)玻璃百葉窗進行改進，克服了其無法升降的缺點，使其不僅可以旋轉(zhuǎn)，同時可以自由升降。在控制系統(tǒng)的自動旋轉(zhuǎn)模塊上增加最大功率點跟蹤系統(tǒng)（MPPT），最大限度利用太陽能。

關(guān)鍵詞：窗體光伏 遮陽 發(fā)電 自動化

中圖分類號：TM 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（b）-0016-03

隨著近年來高層建筑的發(fā)展，其遮陽問題也一直被人們所關(guān)注。高層建筑，受安全性以及其自身高度等的局限性，很難安裝較為節(jié)能的大型鋁合金遮陽板，現(xiàn)如今普遍使用的仍是小型塑料百葉窗以及遮陽布。雖然兩者的遮陽效果大致都能滿足人們的要求，但由于使用時會遮擋光線入射，必定會造成大量電燈能耗的浪費，且沒有辦法產(chǎn)生能量補給，浪費了大量資源。

筆者由此引發(fā)思考，設(shè)計出一套智能可升降的太陽能玻璃百葉窗。通過機械傳動裝置實現(xiàn)百葉片的升降與旋轉(zhuǎn)，同時利用覆于百葉片上的太陽能電池片進行能量收集?？刂葡到y(tǒng)由基于AT89C52的單片機控制程序和電路組成，實現(xiàn)百葉升降旋轉(zhuǎn)自動化、最大功率點跟蹤以及電壓轉(zhuǎn)換。

對于一個完整的智能太陽能百葉窗，整個系統(tǒng)分為五個部分，即玻璃百葉窗（包含太陽能板）、控制器、蓄電池、用電器和外部遙控。

1.百葉窗機械設(shè)計原理

玻璃百葉窗不同于傳統(tǒng)的大型鋁合金百葉窗，其通常安裝在室內(nèi)，起到一個亮化空間，改善通風(fēng)的作用，但玻璃百葉窗起不到遮陽的效果，通常為固定狀態(tài)，只能旋轉(zhuǎn)葉片角度，而不能改變上下位置。筆者由曬衣架引發(fā)思考，設(shè)計了該種可升降的玻璃百葉窗，如圖1所示。

機械設(shè)計原理主要分為百葉片旋轉(zhuǎn)與升降兩部分。

1.1百葉片的升降

首先，多根短桿相連形成了一個多菱形相連的框架結(jié)構(gòu)，而該框架結(jié)構(gòu)具有同步折疊與拉伸性。

旋轉(zhuǎn)桿11與螺紋進伸短桿2相咬合，進伸短桿2與頂部水平桿7相連，而水平桿與形成菱形框架機構(gòu)的最上部一根短連桿相連，菱形機構(gòu)中每一根短連桿互相連接。

當電動機轉(zhuǎn)動時，電機外伸旋轉(zhuǎn)桿11也隨之轉(zhuǎn)動，帶動螺紋進伸桿2向外運動，使得短連桿節(jié)點之間的距離減小，菱形機構(gòu)整體上移，從而實現(xiàn)了百葉窗（含電池片）的上升；同樣，當電機反方向轉(zhuǎn)動時，使得螺紋進伸桿2向內(nèi)運動，使得短連桿節(jié)點之間的距離增加，菱形機構(gòu)整體下移，從而實現(xiàn)了百葉窗（含電池片）的下降。因此，控制電機的旋轉(zhuǎn)即可控制百葉片的上升與下降。

整個百葉窗的升降傳動鏈為：

電動機4→電機外伸旋轉(zhuǎn)桿11→螺紋進伸短桿2→頂部水平桿7→菱形機構(gòu)短桿10→菱形升降機構(gòu)。

1.2百葉片的旋轉(zhuǎn)

百葉片的旋轉(zhuǎn)采用平動機構(gòu)，每根百葉片頂端伸出的銷軸與一個三折線機構(gòu)相連，三折線機構(gòu)的兩端一端與銷軸固定相連，另一端套于槽型軌道中。電機置于頂部，帶動槽型軌道的一端做圓周運動，從而帶動銷軸旋轉(zhuǎn)，百葉片也隨之旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)傳動鏈為：

頂部電機→三折線機構(gòu)外伸滑動槽3→三折線機構(gòu)→8百葉片銷軸9→百葉片14→實現(xiàn)百葉片旋轉(zhuǎn)。

2.太陽能電池片的利用

根據(jù)設(shè)計，玻璃百葉窗安裝在室內(nèi)，太陽能電池片覆于百葉片的表面，隨著百葉片的運動而同步運動。

2.1遮陽作用

由于太陽能電池片完全不透明，在炎熱且光線強烈的夏季，將全部百葉片降到最低位置，同時將百葉片轉(zhuǎn)動到豎直平面，則可以完全遮擋陽光，避免光線和熱量進入室內(nèi)，有很好的遮陽效果。

2.2產(chǎn)能作用

太陽能電池片吸收陽光能產(chǎn)生電能，在該機構(gòu)中太陽能電池片作為遮陽的主要工具，與此同時也能吸收其遮擋的陽光，將這部分能量收集與應(yīng)用，是該百葉窗與傳統(tǒng)百葉窗最大的區(qū)別所在。

將每一片電池片通過焊帶串聯(lián)起來，由太陽能所產(chǎn)生的能量便能通過電路傳遞出來，收集到蓄電池上，蓄電池上的能量通過轉(zhuǎn)換器，為用電荷載提供匹配電壓，供給室內(nèi)小型用電器工作，也可以運用于高層公寓，達到一個變相太陽能熱水器的作用。當發(fā)電的規(guī)模達到一定大的量之后也可以對電能實現(xiàn)并網(wǎng)，這種方式成本較高，短期內(nèi)并不提倡應(yīng)用。

2.3產(chǎn)能實驗測定

為了準確測定實際情況中太陽能電池片的產(chǎn)能情況，我們利用對比試驗進行測定，并將其與固定角度的墻體太陽能光伏進行了比較。測定數(shù)據(jù)后運用軟件進行數(shù)據(jù)處理，得到單位時間內(nèi)收集的能量如表1所示。

通過實驗數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，在不考慮電路能量損失和各方面折損的情況下，變化太陽能電池片角度、采用最大功率點跟蹤的方法所能收集的能量比墻體固定角度太陽能電池片所收集的能量要多達左右，如能將這部分能量加以利用，是個非?？捎^的數(shù)目。

3.控制系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)分為最大功率點跟蹤、升降自動控制、旋轉(zhuǎn)自動控制和電壓轉(zhuǎn)換四個部分?？刂葡到y(tǒng)由基于AT89C52單片機的控制程序和電路組成。與外部遙控相連接，通過外部遙控上的按鈕觸發(fā)程序運行，達到預(yù)設(shè)效果。

3.1最大功率點跟蹤系統(tǒng)

由于太陽高度角是隨時間不斷變化的，以不同的太陽高度角照射在太陽能電池片上所能產(chǎn)生的能量也是不同的，因此在控制系統(tǒng)中增加了最大功率點跟蹤系統(tǒng)（MPPT），通過百葉片的不斷旋轉(zhuǎn)調(diào)整太陽照射的角度，保證太陽能電池的輸出功率最大。

所謂最大功率點跟蹤系統(tǒng)，具體地講即主程序向電機發(fā)出旋轉(zhuǎn)命令，電機轉(zhuǎn)動，同時電功率數(shù)據(jù)模塊將測得的每一時刻的功率信號返回主程序，當?shù)竭_輸出功率最大值位置時，程序向電機發(fā)送停止信號，電機停止轉(zhuǎn)動，百葉片也同樣停止轉(zhuǎn)動，此時太陽能輸出功率達到最高。

3.2旋轉(zhuǎn)自動控制系統(tǒng)

當然，雖然可以由最大功率點跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能的最大利用，但用戶也可以根據(jù)自身喜好調(diào)節(jié)百葉片的角度。通過外部遙控上的旋轉(zhuǎn)按鈕，向控制旋轉(zhuǎn)的電動機發(fā)出運行命令，百葉片隨之轉(zhuǎn)動，調(diào)整到適合的位置即可。

3.3升降自動控制系統(tǒng)

用戶可以根據(jù)需求自行調(diào)節(jié)百葉窗的整體高度。按下上升或下降按鈕，主程序向電動機4發(fā)出旋轉(zhuǎn)命令，通過機械傳動，帶動了整個菱形機構(gòu)及百葉片上下升降。當上升或下降到一定要求的高度之后，按下停止按鈕則電機停止轉(zhuǎn)動，百葉片也停止上下運動。

在可升降的極限位置，也即窗的頂部和底部，兩端各安置一個紅外線接收和發(fā)射裝置。對于下部，紅外線能夠被接受為安全狀態(tài)，當紅外線不能被接收時，程序向電機傳輸停止命令，百葉片停止上下運動。對于上部，紅外線不能被接受為正常狀態(tài)，當紅外線能夠被接收時，表明已達到頂部位置不能再上升，因而程序發(fā)送停止命令。

3.4電壓轉(zhuǎn)換

白天太陽照射，電池片將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，蓄電池將太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，到了夜間再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸出到外界負載上。但由于蓄電池的輸出電壓與用電器的工作電壓并不一定是一致的，因此在控制系統(tǒng)中加入一個轉(zhuǎn)換器，為用電器提供匹配電壓。

4.結(jié)語

隨著近些年來高層建筑的增加，玻璃幕墻的發(fā)展，窗體面積占建筑表面積的比例越來越大，利用窗體光伏達到遮陽節(jié)能效果是未來綠色建筑發(fā)展的一個重要方向，而該構(gòu)件正是運用窗體光伏的概念，將遮陽與發(fā)電結(jié)合，優(yōu)勢明顯，如能將其運用實際，將會是窗體光伏事業(yè)發(fā)展的另一種新的詮釋。同時，筆者對于傳統(tǒng)玻璃百葉窗進行了改進，使其能自動旋轉(zhuǎn)和升降，充分考慮和方便了用戶的使用。值得一提的是，筆者已按上述方案制作出了該智能可升降太陽能玻璃百葉窗的樣品，并且能實現(xiàn)預(yù)定的各項功能。