尹學(xué)愛 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].太陽能的作用和發(fā)展正走進(jìn)更多人的視野，太陽能汽車將對(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)階段的太陽能小車大部分都是先將太陽能轉(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)小車進(jìn)行供電.即使在太陽光充足的情況下仍然只能利用電池供能，而不能將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能來供能.完善的太陽能追蹤系統(tǒng)是充分利用太陽能和環(huán)境保護(hù)必不可少的重要組成部分[6].

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

2 設(shè)計(jì)方案及原理

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

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

車體部分：小車底座由一圓木板加工而成.太陽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，以此來調(diào)節(jié)電池板與太陽光之間的夾角.通過以上兩個(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光垂直.

太陽能電池板自動(dòng)追蹤太陽能有兩種追蹤模式：光電檢測(cè)追蹤模式和太陽角度追蹤模式[7].本小車以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判斷太陽光強(qiáng)弱，從而決定小車是通過電池板運(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

車整體動(dòng)力系統(tǒng).由直流減速電機(jī)提供小車整體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，小車采用的電機(jī)扭矩為6 kg/cm，轉(zhuǎn)速為110 r/min.在運(yùn)動(dòng)時(shí)主要是通過程序來分別控制小車兩個(gè)后輪的前進(jìn)、靜止和后退，實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)彎.小車的前端安裝3個(gè)光電開關(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)，分別以高低電平來表示，再通過程序判斷決定小車的運(yùn)動(dòng)方向.小車也安裝了無線遙控裝置，可模擬無人駕駛.

太陽能追蹤系統(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??；舵機(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.

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

2.2.2 能量儲(chǔ)存控制及原理

小車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，兩者組成小車儲(chǔ)能部分，電池板可直接為小車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， 這樣既能保證在陽光充足的條件下電池板為鋰電池充電又能保證在陽光不足的條件下小車能夠正常的運(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

太陽能小車根據(jù)光強(qiáng)追蹤太陽能，在陽光充足的地方小車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，提高太陽能的利用率.采用AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)小車進(jìn)行控制，提高了小車自動(dòng)避障的反應(yīng)速度.經(jīng)過實(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 王長貴，崔容強(qiáng)，周簧. 新能源發(fā)電技術(shù). 北京：中國電力出版社,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. 太陽能在汽車上應(yīng)用的前景與挑戰(zhàn).太陽能, 2006(4)：42～44

6 趙麗偉.太陽能自動(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