太陽能驅(qū)動晾曬器的結(jié)構(gòu)及工作原理

陳孝平+張永亮

摘 要：設(shè)計(jì)一種太陽能驅(qū)動晾曬器。該晾曬器利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動直流電機(jī)，由直流電機(jī)轉(zhuǎn)子通過彈簧直接驅(qū)動晾曬架，便于被晾曬物比較均勻晾曬。設(shè)計(jì)中采用的彈簧具有蓄能、傳能雙重功能，減少能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，從而提高太陽能的利用效率、減輕設(shè)備重量、降低成本，提高了設(shè)備價(jià)值。同時(shí)，恰當(dāng)?shù)碾姍C(jī)保護(hù)電路和棘輪機(jī)構(gòu)等保證了電機(jī)不欠壓、不過壓、不反轉(zhuǎn)，保障直流電機(jī)的正常使用壽命。

關(guān)鍵詞：晾曬器；太陽能；彈簧；價(jià)值工程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.051

1 引言

日常生活和生產(chǎn)中，需要利用太陽光和風(fēng)晾曬食物、產(chǎn)品等，比如晾曬陽干魚。為晾曬均勻，要求人工翻動或電機(jī)驅(qū)動翻動食物、產(chǎn)品，翻曬活動要么繁瑣要么耗能。利用太陽能作為動力來代替現(xiàn)有晾曬方式，節(jié)能、省事。

但是，現(xiàn)有太陽能應(yīng)用一般工作過程為：太陽能電池產(chǎn)生較少的電能----蓄電池存儲電能----蓄電池向電動機(jī)集中輸出較強(qiáng)的電能----電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能----機(jī)械設(shè)備減速增扭后再輸出，顯然較多的能量轉(zhuǎn)化過程極大地降低了太陽能的利用效率，同時(shí)增加價(jià)格比較貴的蓄電池，設(shè)備的成本提高，重量增重。基于價(jià)值工程理論，設(shè)計(jì)時(shí)在保證設(shè)備基本功能不變的前提下，減少不必要的零部件，降低設(shè)備成本，無疑提高了設(shè)備價(jià)值?？紤]到晾曬器的主要功能是能夠使產(chǎn)品有一定旋轉(zhuǎn)，受光面、受風(fēng)面有變換就可以滿足生產(chǎn)需求，至于電動機(jī)是否勻速轉(zhuǎn)動沒有很高的要求。本設(shè)計(jì)就是基于價(jià)值工程理論，比較巧妙地利用彈簧蓄能、傳能，減少能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，從而提高太陽能的利用效率、減輕設(shè)備重量、降低成本，提高設(shè)備價(jià)值。

2 太陽能驅(qū)動晾曬器的結(jié)構(gòu)

如圖1所示的太陽能驅(qū)動晾曬器，包括支撐架2、安裝在支撐架2上的直流電機(jī)3、安裝在支撐架2內(nèi)的導(dǎo)軌盤7、可以在導(dǎo)軌盤7內(nèi)圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)動架5、連接直流電機(jī)3與轉(zhuǎn)動架5的蓄能彈簧4、與直流電機(jī)3電連接的太陽能電池板1以及固定在支撐架2上用于防止直流電機(jī)3反向轉(zhuǎn)動的棘輪機(jī)構(gòu)10。蓄能彈簧4的一端與直流電機(jī)3的轉(zhuǎn)子軸30連接，蓄能彈簧4的另一端與轉(zhuǎn)動架5固定連接。

轉(zhuǎn)動架5為2根相互垂直的水平軸固定連接而成，2根水平軸的交匯處連接設(shè)置有連接軸50，蓄能彈簧4的一端與連接軸50連接固定。水平軸相對于轉(zhuǎn)子軸30的軸線對稱，每根所述水平軸的兩端分別安裝有滾動軸承6，滾動軸承6型號規(guī)格完全相同。

滾動軸承6安裝在導(dǎo)軌盤7的U形槽72內(nèi)。導(dǎo)軌盤7通過上導(dǎo)軌盤70和下導(dǎo)軌盤71拼接而成。棘輪機(jī)構(gòu)10包括固定在支撐架2上的棘輪以及與直流電機(jī)3的轉(zhuǎn)子軸30固定的棘爪，棘爪抵觸在棘輪上后防止直流電機(jī)3反轉(zhuǎn)。

太陽能電池板1產(chǎn)生的電能直接輸出到直流電機(jī)3，輸出過程受電機(jī)保護(hù)電路控制、保護(hù)。直流電機(jī)3又直接驅(qū)動蓄能彈簧4，當(dāng)光線弱，太陽能電池板1產(chǎn)生電能不足夠大時(shí)，直流電機(jī)3會使蓄能彈簧4扭轉(zhuǎn)儲存機(jī)械能；當(dāng)蓄能彈簧4儲能足夠多時(shí)，就會驅(qū)動轉(zhuǎn)動架5、滾動軸承6、晾曬物等繞轉(zhuǎn)子軸30的軸線圓周運(yùn)動；當(dāng)光線較強(qiáng)、太陽能電池板1產(chǎn)生的能力足夠大時(shí)，轉(zhuǎn)動架5、滾動軸承6、晾曬物等繞轉(zhuǎn)子軸30的軸線圓周運(yùn)動的響應(yīng)會迅速些，相對的轉(zhuǎn)動速度也快些，保障晾曬物在強(qiáng)太陽光線轉(zhuǎn)動快、晾曬更加均勻。

本設(shè)計(jì)巧妙地用蓄能彈簧存儲機(jī)械能、直接由蓄能彈簧輸出扭矩驅(qū)動晾曬物，減少了由太陽能轉(zhuǎn)化為設(shè)備扭矩的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高太陽能的利用率、減少了成本、降低了重量；太陽光強(qiáng)時(shí)需要轉(zhuǎn)動晾曬物轉(zhuǎn)動快些，此時(shí)太陽能電池板產(chǎn)生的電能也多，驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)速也快，從而能量供給與需求天然吻合。為防止電機(jī)反轉(zhuǎn)燒毀電機(jī)線圈，采用棘輪機(jī)構(gòu)防止電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 電路設(shè)計(jì)

為使電機(jī)不欠壓、不過壓，保障直流電機(jī)的正常使用壽命。設(shè)計(jì)圖2所示保護(hù)電路。

在太陽能電池板1和直流電機(jī)之間的電機(jī)保護(hù)電路，由欠壓采樣電路、過壓采樣電路、過流采樣電路、參考電壓、功率管驅(qū)動電路、比較器和555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。

在正常工作狀態(tài)下，太陽能電池板1輸出電壓12V，陰天或夜晚時(shí)，輸出電壓偏低，欠壓取樣電路檢測到的電壓值低于參考電壓，經(jīng)比較器后輸出低電平，觸發(fā)由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行延時(shí)，并通過驅(qū)動電路關(guān)斷功率管。如果經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，太陽能電池板1輸出電壓回到正常的工作范圍內(nèi)，則功率管開通，直流電機(jī)正常工作，否則繼續(xù)進(jìn)行欠壓保護(hù)。

過壓和過流保護(hù)電路原理與欠壓保護(hù)原理類似，當(dāng)輸出電壓或電流過高時(shí)，過壓或過流取樣電路檢測到低電平，觸發(fā)由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行延時(shí)，并通過驅(qū)動電路關(guān)斷功率管。如果經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，輸出電壓回到正常的工作范圍內(nèi)，則功率管開通，直流電機(jī)正常工作，否則繼續(xù)進(jìn)行過壓或過流保護(hù)。

電機(jī)保護(hù)電路的控制面板上設(shè)置有3只電位器，其中1只電位器為延時(shí)保護(hù)時(shí)間的人工設(shè)定的電位器，余下的2只電位器分別為人工進(jìn)行欠壓和過壓保護(hù)值設(shè)定的電位器。過流保護(hù)值是不能人工設(shè)定的，機(jī)內(nèi)已經(jīng)設(shè)定為額定電流的1.2-1.5倍。

4 結(jié)語

該太陽能驅(qū)動晾曬器具備如下幾個優(yōu)點(diǎn)：

第一，利用太陽能作為能源，清潔環(huán)保；

第二，使用蓄能彈簧存儲機(jī)械能、直接由蓄能彈簧輸出扭矩驅(qū)動晾曬物，減少了由太陽能轉(zhuǎn)化為設(shè)備扭矩的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高太陽能的利用率、減少了成本、降低了重量，設(shè)備價(jià)值得到提高；

第三，太陽光線弱，太陽能小，也不需要過快地轉(zhuǎn)動晾曬物。當(dāng)太陽光線較強(qiáng)時(shí)，需要相對比較快地轉(zhuǎn)動晾曬物，這時(shí)太陽能電池板提供電能也大，推動直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度也相應(yīng)變快，從而通過彈簧帶動轉(zhuǎn)子架轉(zhuǎn)動也隨之變快。天然地實(shí)現(xiàn)太陽光線強(qiáng)，翻動晾曬物快的需求，使晾曬物晾曬得更均勻。

第四，晾曬期間的光線不均，產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定，恰當(dāng)?shù)碾姍C(jī)保護(hù)電路和棘輪機(jī)構(gòu)等保證了電機(jī)不欠壓、不過壓、不反轉(zhuǎn)，保障直流電機(jī)的正常使用壽命，所采用的電路造價(jià)低廉。

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