王 杰，朱 松，楊 宇，祁淼洋，吳 健，曹潔潔

（常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

太陽能作為一種眾所周知的新型清潔能源，受到了世界各國的廣泛關(guān)注.但是普通的太陽能發(fā)電系統(tǒng)不能跟蹤太陽光的移動(dòng)，發(fā)電效率較低.目前，主要的太陽光跟蹤模式包括光電式跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤.本設(shè)計(jì)是一款使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)程序控制，基于光電式追蹤理論，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的追蹤，從而提高太陽能利用效率的裝置.同時(shí)考慮到在實(shí)際應(yīng)用過程中環(huán)境因素可能對(duì)裝置帶來的不利影響，我們加裝了雨量傳感器和風(fēng)速感應(yīng)傳感器[1]，當(dāng)風(fēng)速和雨量較大時(shí)，單片機(jī)能夠控制太陽能面板的折疊，以此來延長太陽能面板的使用壽命.本設(shè)計(jì)安裝有追光系統(tǒng)，利用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的追蹤，同時(shí)使太陽能面板與太陽光始終保持約90°[2]角，從而提高太陽能的利用效率.

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)由追光系統(tǒng)、展臂系統(tǒng)及太陽能面板展開與折疊系統(tǒng)三大部分組成.其中追光系統(tǒng)主要對(duì)展臂系統(tǒng)和太陽能面板展開與折疊系統(tǒng)起調(diào)控作用.利用光敏傳感器判斷是否達(dá)到工作條件.當(dāng)符合工作條件時(shí)，追光系統(tǒng)會(huì)控制展臂展開，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽能面板的展開.當(dāng)太陽能面板完全展開后，追光系統(tǒng)會(huì)根據(jù)此時(shí)太陽的高度角和方位角，控制蝸桿伺服減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高度角的粗調(diào)，控制伺服行星減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位角的粗調(diào).然后利用光敏傳感器，采用四象限法對(duì)高度角和方位角進(jìn)行微調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)太陽能面板的對(duì)光以及自動(dòng)折疊太陽能面板的功能.總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 自動(dòng)折疊太陽能面板總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 展臂系統(tǒng)

展臂系統(tǒng)由兩個(gè)展臂、兩個(gè)轉(zhuǎn)軸、一個(gè)雙軸電機(jī)、兩對(duì)蝸輪蝸桿組成.雙軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋向不同的蝸桿，蝸桿帶動(dòng)蝸輪，蝸輪與展臂固連，以此實(shí)現(xiàn)展臂的展開與收回，如圖2所示.

圖2 展臂系統(tǒng)

展臂初始為豎直狀態(tài)，工作時(shí)為水平狀態(tài)，最大展開角度為90°.本系統(tǒng)利用了蝸輪蝸桿的自鎖原理，選用的蝸輪蝸桿中的蝸桿導(dǎo)程角小于摩擦角，故當(dāng)展臂處于水平狀態(tài)時(shí)展臂系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自鎖，保持展臂水平的狀態(tài).

3 太陽能面板展開與折疊系統(tǒng)

太陽能面板展開與折疊系統(tǒng)有兩個(gè)控制扇葉展開與折疊的減速電機(jī)，一個(gè)主動(dòng)齒輪，一個(gè)從動(dòng)齒輪，兩朵“太陽花”（每朵各8片扇葉）等主體零件組成.太陽能面板初始狀態(tài)為閉合狀態(tài)，工作時(shí)完全展開.

如圖3所示，扇葉由太陽能電池板、扇葉梁、擋片1和擋片2組成.其中上扇葉的擋片1只能在下扇葉的擋片1和擋片2之間移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)上部扇葉每轉(zhuǎn)過45°后帶動(dòng)下部扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)最上端扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)315°時(shí)，扇葉完全打開.

圖3 太陽能面板工作原理圖

如圖4所示，本系統(tǒng)最上端扇葉即圖中上扇葉直接固定在驅(qū)動(dòng)軸上，中間的扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)部位連接有軸承，軸承間裝有墊片，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng).主動(dòng)齒輪與電機(jī)軸和從動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)軸之間采用頂絲固定.當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)齒輪通過齒輪嚙合帶動(dòng)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng).下扇葉與臂座固定，可以對(duì)上扇葉起限位作用，當(dāng)上扇葉轉(zhuǎn)過315°過便無法再轉(zhuǎn)動(dòng).扇葉的折疊原理也與上文所述相同，電機(jī)的反轉(zhuǎn)使得驅(qū)動(dòng)軸反向旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)扇葉折疊.

圖4 扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖

4 追光系統(tǒng)

4.1 追光系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)追光系統(tǒng)感知到天氣及光照達(dá)到條件時(shí)，控制展臂展開，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽能面板的展開.而后追光系統(tǒng)通過光敏傳感器對(duì)太陽光的捕捉，實(shí)現(xiàn)太陽能面板高度角及方位角的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)太陽能面板的對(duì)光.當(dāng)夜晚來臨或是遇到雨雪天氣時(shí)，追光系統(tǒng)控制太陽能面板折疊，實(shí)現(xiàn)展臂收回.

同時(shí)對(duì)太陽花運(yùn)行中的各種情況進(jìn)行了如下保護(hù)功能設(shè)計(jì)：

（1）加裝雨量感應(yīng)傳感器，當(dāng)超過設(shè)定的雨量值時(shí)，系統(tǒng)將暫時(shí)收起葉片；

（2）加裝風(fēng)速感應(yīng)傳感器，當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)，葉片將收起.

4.2 追光系統(tǒng)的組成

追光系統(tǒng)的控制部分由光敏傳感器和開發(fā)板組成，如圖5所示.使用STM32F427IIHX單片機(jī)，STM32CUBUMX配置PWM，ADC等引腳，keil5編程.本系統(tǒng)采用4個(gè)光敏電阻作為傳感器來檢測(cè)太陽光線的變化，采用四象限法[3]，將4塊光敏電阻按4個(gè)象限放置在轉(zhuǎn)軸上，采集阻值變化.當(dāng)東西兩個(gè)傳感器的阻值差值超過設(shè)定值時(shí)，將模擬信號(hào)傳送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器中，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的方位角.同理當(dāng)南北兩個(gè)傳感器的阻值差值超過設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的高度角.通過智能運(yùn)算，改變PWM值，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到東西兩個(gè)傳感器和南北兩個(gè)傳感器的阻值差值在設(shè)定值范圍以內(nèi)，從而保證太陽能面板始終保持對(duì)光狀態(tài).追光系統(tǒng)控制原理圖如圖6所示.

圖5 追光系統(tǒng)控制部分

圖6 追光系統(tǒng)控制原理圖

4.3 太陽高度角和方位角的計(jì)算與調(diào)控

太陽光線與地球赤道面的夾角就是太陽的赤緯角，以?表示.在一年中，太陽赤緯角每天都在變化，但不超過±23°27′的范圍.夏天最大變化到夏至日的+23°27′，冬天最小變化到冬至日的-23°27′.太陽赤緯角隨季節(jié)的變化，可按照庫伯方程[4]由公式（1）計(jì)算得到.

式中n為一年中的天數(shù).

（1）太陽高度角的計(jì)算

太陽高度角是指從太陽中心直射到當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，以α表示.其值在0°～90°，日出日落時(shí)為0°，太陽在正頂時(shí)為90°，太陽的高度角計(jì)算公式如式（2）所示.

其中：α為太陽高度角；φ為地理緯度；?為太陽赤緯角；t為太陽時(shí)角.

（2）太陽方位角的計(jì)算

太陽方位角計(jì)算公式如式（3）所示.

其中：β為太陽方位角；φ為地理緯度；?為太陽赤緯角.

通過以上公式，我們知道了某個(gè)地點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和當(dāng)前時(shí)間后，就可以計(jì)算出太陽相對(duì)于此位置的方位角和高度角[5].這時(shí)我們可以利用追光系統(tǒng)對(duì)裝置相對(duì)于太陽的高度角和方位角進(jìn)行一個(gè)粗調(diào)，便于后面利用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)太陽高度角和方位角的微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)裝置的對(duì)光.追光系統(tǒng)的機(jī)械部分由兩個(gè)控制太陽能面板傾斜對(duì)光的蝸桿伺服減速電機(jī)，一個(gè)伺服行星減速電機(jī)及一對(duì)錐齒輪等主體零件組成，通過硬件控制實(shí)現(xiàn)追光.

高度角的調(diào)節(jié)：由追光系統(tǒng)傳遞信號(hào)給蝸桿伺服減速電機(jī)，蝸桿伺服減速電機(jī)通過正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)太陽能面板傾斜角度的變化，從而實(shí)現(xiàn)太陽能面板的對(duì)光，如圖7所示.

圖7 高度角的調(diào)節(jié)

方位角的調(diào)節(jié)：由追光系統(tǒng)傳遞信號(hào)給伺服行星減速電機(jī)，伺服行星減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)小錐齒輪，小錐齒輪通過齒輪嚙合傳動(dòng)帶動(dòng)大錐齒輪，進(jìn)而帶動(dòng)整體的旋轉(zhuǎn)，如圖8所示.

圖8 方位角的調(diào)節(jié)

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)追蹤太陽位置，太陽能面板可自動(dòng)展開與折疊的裝置.展臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)展臂展開和雙軸電機(jī)失電后，利用蝸輪蝸桿的自鎖使展臂保持展開的工作狀態(tài).太陽能面板展開與折疊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)太陽能面板的自動(dòng)展開與折疊，搭配雨量和風(fēng)速傳感器，遇到惡劣天氣可自動(dòng)折疊收回.該裝置比傳統(tǒng)太陽能發(fā)電裝置更加便捷，使用壽命更長.追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用光敏傳感器與單片機(jī)組合，對(duì)裝置相對(duì)于太陽的高度角和方位角進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)太陽能面板自動(dòng)保持與太陽光角度接近于90°.與傳統(tǒng)太陽能發(fā)電裝置相比，該設(shè)計(jì)能夠大大提高太陽能的利用效率.