可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置的設(shè)計(jì)與制作

張春卿 劉世泉 李 琪

北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京 100015

目前，太陽(yáng)能作為一種綠色能源越來(lái)越多地引起了全世界的廣泛關(guān)注，并進(jìn)行大力開(kāi)發(fā)與利用。本文通過(guò)論述可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，一方面體現(xiàn)了先進(jìn)的工程技術(shù)，為機(jī)電一體化技術(shù)專(zhuān)業(yè)核心職業(yè)能力的培養(yǎng)提供了一個(gè)新穎典型的教學(xué)載體；另一方面也教育學(xué)生珍惜資源，節(jié)能減排，為建立環(huán)保型社會(huì)貢獻(xiàn)力量。

1 追蹤方案實(shí)現(xiàn)的基本原理

太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是自東向西進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，為提高光電轉(zhuǎn)化效率，太陽(yáng)能電池板需要在空間做立體的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證電池板和太陽(yáng)光線(xiàn)始終垂直。太陽(yáng)能電池板的這種接近半球面的立體運(yùn)動(dòng)可以分解為兩個(gè)，南北方向的上下俯仰運(yùn)動(dòng)和東西方向的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(如圖1所示)。太陽(yáng)能電池板對(duì)光的追蹤運(yùn)動(dòng)最終通過(guò)俯仰運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的合成實(shí)現(xiàn)。

圖1 追蹤方案原理圖

2 可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置的方案設(shè)計(jì)

可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置為一個(gè)完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)，包含五大部分：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械本體、傳感檢測(cè)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為電池板俯仰運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源；傳動(dòng)系統(tǒng)主要傳送扭矩；機(jī)械本體主要支撐太陽(yáng)能電池板；傳感檢測(cè)系統(tǒng)接收光信號(hào)，并反饋給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理。

2.1 驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)依據(jù)是驅(qū)動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)要求，南北方向的上下俯仰運(yùn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)電池板進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，東西方向的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要驅(qū)動(dòng)電池板和部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一起做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)不需要精準(zhǔn)的位置度要求和固定轉(zhuǎn)角的要求，只實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)即可。因而可采用2個(gè)直流電機(jī)，分別給兩個(gè)方向提供動(dòng)力源。直流電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，承受過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

傳動(dòng)系統(tǒng)是將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩傳給電池板。太陽(yáng)的轉(zhuǎn)角變化率較小，設(shè)定的轉(zhuǎn)角變化率是1弧度每分鐘。電機(jī)輸出端在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇常見(jiàn)的蝸輪蝸桿減速器，以保證輸出端達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速。軸與支架之間通過(guò)軸承進(jìn)行連接，水平方向上選用深溝球軸承，垂直方向上選用推力球軸承。

2.2 機(jī)械本體部分的設(shè)計(jì)

機(jī)械部分的基本設(shè)計(jì)要求是穩(wěn)定支撐電池板和整個(gè)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械本體由三部分組成：底部支架、中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及頂部支撐(如圖2所示)。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)圖

在保證整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械剛性的前提下，為了減輕整個(gè)教學(xué)裝置的重量，節(jié)約成本，其主體框架采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，用標(biāo)準(zhǔn)的緊固件和定位銷(xiāo)連接。底部支架采用工字型支架，并配以腳輪，穩(wěn)定且易于移動(dòng)；中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分采用直流電機(jī)帶動(dòng)減速器實(shí)現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下的俯仰運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到±90度；頂部支撐部分的結(jié)構(gòu)也可采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)。

2.3 傳感檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳感檢測(cè)系統(tǒng)利用電池板中間的光電傳感器來(lái)接受光信號(hào)，并配合調(diào)理電路將測(cè)得的光源進(jìn)行信號(hào)處理。光電傳感器由4個(gè)光敏電阻和隔光板組成，4個(gè)光敏電阻可以從東、西、南、北4個(gè)方向上接受光信號(hào)，接收到的光信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電機(jī)1和2的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電池板運(yùn)動(dòng)，使其與光源保持垂直。檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖3。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理示意圖

光電傳感器的控制線(xiàn)路是由光電傳感器、電阻R1，R2，電位器W1，W2，LM324，555電路，發(fā)光管D1組成。光電傳感器檢測(cè)到的位置信號(hào)與設(shè)定信號(hào)(由W1和R1給定)比較后輸出位置信號(hào)，經(jīng)555電路處理后，送控制器處理。傳感器的控制總線(xiàn)路設(shè)計(jì)如圖4所示，由4個(gè)光敏電阻、4個(gè)比較器和4個(gè)施密特觸發(fā)器組成，它的作用是檢測(cè)太陽(yáng)能板的位置。

圖4 傳感器總線(xiàn)路設(shè)計(jì)圖

2.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)中除了光電傳感器參與工作的典型閉環(huán)控制系統(tǒng)，也增設(shè)了開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(如圖5所示)。如此，太陽(yáng)能電池板既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的自動(dòng)追蹤，也可以根據(jù)需要，通過(guò)觸摸屏或手動(dòng)按鈕控制電池板兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。

圖5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

其中，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由控制器PLC、執(zhí)行器(電機(jī)1，2)、太陽(yáng)能板和傳感器組成。此外，還有觸摸屏、4個(gè)手動(dòng)按鈕和4個(gè)繼電器?？刂破鞯淖饔檬墙邮諅鞲衅骱徒o定值送來(lái)的偏差信號(hào)、執(zhí)行控制程序控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行；執(zhí)行器由2個(gè)直流電機(jī)組成，接收控制器送來(lái)的控制信號(hào)，完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能板向東、西、南、北運(yùn)行；太陽(yáng)能板是被控對(duì)象它的作用是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能；光電傳感器的作用就是檢測(cè)光源位置，并反饋給控制器。

2.5 逆變輸出部分的設(shè)計(jì)

作為光伏發(fā)電裝置，太陽(yáng)能電池板收集到的光能通過(guò)控制器，轉(zhuǎn)化成電能，儲(chǔ)存在蓄電池中，在有需要的時(shí)候，蓄電池中的電又經(jīng)過(guò)逆變器逆變輸出為220伏特的交流電，或直接輸出24伏特直流，設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 逆變輸出設(shè)計(jì)方案

3 可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置的制作

該裝置的制作過(guò)程需要首先確定太陽(yáng)能電池板的物理參數(shù)，以及直流電機(jī)、減速器的選型。直流電機(jī)的選型計(jì)算如下所示。

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速要求

電池板設(shè)定的轉(zhuǎn)角變化率：1 rad/min

減速器減速比：1:80

減速器輸入轉(zhuǎn)速：1 rad/min×80=80 rad/min≈13 r/min

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速>13 r/min即可滿(mǎn)足電池板轉(zhuǎn)動(dòng)要求

3.2 電機(jī)功率要求

電機(jī)1負(fù)載：≈2 kg(太陽(yáng)能電池板重量)

電機(jī)2負(fù)載：≈5 kg(3 kg+2 kg)(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)+太陽(yáng)能電池板重量)

G=mg=9.8 N/kg×5 kg=49 N

電機(jī)的輸出扭矩：

T=9550 P/n=9550×0.005 KW×60/25 r/min=114.6 N·m

效率因數(shù)η：0.85

力矩：F=T/d=114.6 N·m×0.85/0.4 m=243.525 N>49 N

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，直流電機(jī)可以選型為：電壓24伏特、功率5瓦特、RPM25。

然后在Inventor環(huán)境下對(duì)該裝置進(jìn)行三維數(shù)字化建模，虛擬裝配設(shè)計(jì)。利用三維軟件可以完成零件的建模、整個(gè)裝置的裝配、運(yùn)動(dòng)的干涉檢驗(yàn)，以及反出二維的零件加工圖紙(如圖7所示)。

圖7 三維數(shù)字化虛擬仿真設(shè)計(jì)

虛擬仿真設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行實(shí)體零部件的加工與裝配。對(duì)所有的零部件進(jìn)行分類(lèi)：設(shè)計(jì)類(lèi)零件，如外殼、連接板、軸等，需要進(jìn)行外協(xié)加工，共13件；常用件，如鏈輪、鏈條、鍵等，外出采購(gòu)半成品進(jìn)行再加工，共15件；標(biāo)準(zhǔn)件，如螺釘、螺母、卡簧、墊片等，直接買(mǎi)對(duì)應(yīng)型號(hào)使用，近100件；此外支架部分，選用鋁合金型材，可以直接進(jìn)行組裝。

傳感檢測(cè)與控制系統(tǒng)的制作流程是設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試。設(shè)計(jì)工作要完成整個(gè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、所有元器件的選型；制作工作包括焊接、制作光電傳感器、整個(gè)裝置控制部分的布線(xiàn)、接線(xiàn)；調(diào)試工作包括PLC編程、觸摸屏編程以及出現(xiàn)問(wèn)題后的電路改進(jìn)。

逆變輸出部分，選擇的控制器專(zhuān)為太陽(yáng)能直流供電系統(tǒng)、太陽(yáng)能直流電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并使用了專(zhuān)用電腦芯片的智能化控制；負(fù)載部分有直流負(fù)載(BITC標(biāo)示板——發(fā)光二極管)和交流負(fù)載(霓虹燈)。

最終研制的可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置如圖8所示。

圖8 可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

可追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電教學(xué)裝置作為一個(gè)新穎的典型的教學(xué)載體，可以幫助教師開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，它涵蓋機(jī)電一體化技術(shù)專(zhuān)業(yè)多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程的內(nèi)容，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工工藝、PLC編程、觸摸屏控制、傳感器原理及應(yīng)用、控制電路設(shè)計(jì)、電機(jī)拖動(dòng)以及光能轉(zhuǎn)換等。該設(shè)備主要應(yīng)用于教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一個(gè)綜合性載體，與實(shí)際的發(fā)電設(shè)備比較而言，用于吸收光源的電池板數(shù)目與面積較小，光電轉(zhuǎn)化率較低，并且驅(qū)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源有限。但依托該教學(xué)設(shè)備，學(xué)生可以在實(shí)踐動(dòng)手的過(guò)程中，既綜合了所學(xué)的知識(shí)技能，提高自身的核心職業(yè)能力，又普及了太陽(yáng)能發(fā)電的科普知識(shí)，接觸新事物、新科技，廣開(kāi)眼界，拓寬對(duì)未來(lái)就業(yè)的思路。

[1]縣永平.常用3kW太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].甘肅科技,2011(9):69-70,73.

[2]孫中武,張俊君.大學(xué)校園太陽(yáng)能光伏發(fā)電的實(shí)踐及構(gòu)想[J].陜西建筑,2009(9):44-45.

[3]元智大學(xué).以FPGA實(shí)現(xiàn)智能型太陽(yáng)能追蹤控制系統(tǒng)[M/OL].http://www.docin.com/p-34981097.html.