趙 林，王志坤

(德州學(xué)院，山東 德州 253023)

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式的太陽(yáng)能裝置，該裝置的輸出動(dòng)力是電動(dòng)推桿和步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)電子伺服、信息反饋以及可編程控制等技術(shù)應(yīng)用，可自動(dòng)完成太陽(yáng)能板橫向和縱向的快速折疊、展開(kāi)以及追日等各項(xiàng)動(dòng)作。展開(kāi)后的太陽(yáng)能板采光面積可達(dá)3 平方米。具有動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于野外工作以及軍事活動(dòng)中［1］。

1 太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1.1 太陽(yáng)能追光技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)有很多方法［2］，但是一般都采取兩種方式:一種是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，另一種是光電追蹤方式，前者是開(kāi)環(huán)的程序控制系統(tǒng)，后者是閉環(huán)的隨機(jī)控制系統(tǒng)。

1.2 折疊式太陽(yáng)能裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.2.1 折疊及展開(kāi)機(jī)構(gòu)

本部分的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種可自動(dòng)完成二維展開(kāi)及折疊動(dòng)作的太陽(yáng)能板的板式結(jié)構(gòu)。要求動(dòng)作快，汽車攜帶方便。太陽(yáng)能陣面展開(kāi)面積大約為4 m2，折疊面積約為0.8 m2。由六塊4 620 ×100 mm 的小面積板組成，如下圖1 所示。折疊步驟大可分為兩步，第一步完成橫向折疊，將圖1 所示的陣面1、3 和4、6 分別折疊到2、5 上;第二步完成縱向折疊，將完成第一步折疊的兩部分繼續(xù)縱向折疊，使表面積進(jìn)一步減小，方便汽車的攜帶。折疊及展開(kāi)機(jī)構(gòu)的輸出動(dòng)力主要來(lái)自于安裝在各部位的電動(dòng)推桿。電動(dòng)推桿相對(duì)于液壓缸和氣缸有著特殊的優(yōu)點(diǎn)，例如:電動(dòng)推桿不需要復(fù)雜的成套系統(tǒng)支持;而且我們可以節(jié)約很多的空間，在無(wú)維護(hù)的情況下，可以安全可靠的工作;另外還沒(méi)有油污的污染，大幅度降低噪音，保持潔凈、安靜的工作環(huán)境;大多整體質(zhì)量輕，體積小，安裝運(yùn)輸非常方便;并且運(yùn)行精度高，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制以及自動(dòng)控制等。

圖1 太陽(yáng)能陣面示意圖

1)橫向折疊結(jié)構(gòu)

為了減少折疊式太陽(yáng)能電池板的空間，提高折疊的效率和速度，本文設(shè)計(jì)了橫向折疊單元結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，又利用抽屜滑道的原理，把兩塊太陽(yáng)能板通過(guò)滑道與箱體相連接，以箱體兩邊的電動(dòng)推桿為輸入動(dòng)力，分別帶動(dòng)上下太陽(yáng)能板收縮及伸出。簡(jiǎn)化分析問(wèn)題，略去鎖定和解鎖等機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化后每個(gè)單元的橫向折疊機(jī)構(gòu)包括箱體、擋板、太陽(yáng)能板［4］、推桿、滑道等部件。

該折疊機(jī)構(gòu)中，由于電動(dòng)推桿與太陽(yáng)能板的擋板相連接，推桿的伸縮動(dòng)作即可帶動(dòng)上下兩塊太陽(yáng)能板自動(dòng)伸縮，從而實(shí)現(xiàn)橫向折疊動(dòng)作。

2)縱向折疊結(jié)構(gòu)

經(jīng)上一步驟的橫向折疊后，太陽(yáng)能板折疊成相互平行的兩個(gè)大單元。為簡(jiǎn)化分析問(wèn)題，略去鎖定和解鎖等機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化后縱向折疊機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)板式折疊單元、推桿、上、下橫梁、以及兩根連桿，共計(jì)7 個(gè)桿件7 個(gè)運(yùn)動(dòng)副。

該縱向折疊機(jī)構(gòu)中，3(上橫梁)與基座連接固定，6(電動(dòng)推桿)為輸出動(dòng)力，固定于3(上橫梁)上，且活塞桿與1(下橫梁)連接固定，4(左單元)、5(右單元)與1(上橫梁)分別以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，2(左連桿)兩端分別以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接1(下橫梁)和4(左單元)，7(右連桿)兩端分別以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接和1(下橫梁)和5(右單元)。當(dāng)6(電動(dòng)推桿)伸出時(shí)，帶動(dòng)左右單元4、5 向下合攏，從而達(dá)到縱向折疊的目的。折疊后的圖形如下圖2 所示。

圖2 縱向折疊結(jié)構(gòu)圖

圖3 完全折疊結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 反饋機(jī)構(gòu)

在折疊與展開(kāi)過(guò)程中，有一個(gè)重要的信號(hào)檢測(cè)和反饋元件。即安置在橫向和縱向電動(dòng)推桿中的編碼器，它把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，前者稱之為碼盤，后者稱之為碼尺。它可以檢測(cè)電動(dòng)推桿行程的準(zhǔn)確位置，并將檢測(cè)信號(hào)傳遞到太陽(yáng)能裝置的PLC 控制系統(tǒng)中進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的對(duì)比，從而更準(zhǔn)確地決定和驗(yàn)證太陽(yáng)能板是否完全折疊或完全展開(kāi)。并且在系統(tǒng)每次啟動(dòng)之前，該檢測(cè)信號(hào)可以用來(lái)檢驗(yàn)折疊系統(tǒng)的安全性以及可靠性。折疊系統(tǒng)只有在接到PLC的指令后才可以判定是否開(kāi)始動(dòng)作。

圖4 太陽(yáng)能裝置折疊結(jié)構(gòu)圖

2 智能追光系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

2.1 智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以嵌入式［3］技術(shù)為背景，選擇了Samsung 公司的S3C44BOX 芯片作為系統(tǒng)的核心控制芯片，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合多種控制方式的全天候無(wú)人值守的太陽(yáng)能追光系統(tǒng)。

1)程序編譯環(huán)境ADS

ADS 是 ARM Developer Suite 縮 寫，是 1993 年 由Metrowerks 公司開(kāi)發(fā)的ARM 處理器下最主要的開(kāi)發(fā)工具。ADS 包括三種調(diào)試器ARM eXtended Debugger，AXD 向下兼容的ARM Debugger for Windows/ARM Debugger for UNIX 和ARM 符號(hào)調(diào)試器。其中AXD 不僅擁有低版本ARM 調(diào)試器的所有功能，還增加了了圖形用戶界面，更方便的顯示和編輯管理數(shù)據(jù)。ADSl.2 能夠支持ARM 10 之前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試及JTAG 硬件仿真調(diào)試，支持匯編、C、C++源程序，它的編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)。

2)在線調(diào)試代理H—JTAG

該軟件支持ADSl 2 編譯環(huán)境，兼容XP 和VISTA 操作系統(tǒng)并且支持STD JTAG 格式和WIGGLER 的硬件下載格式，支持ARM7 內(nèi)核和ARM9 內(nèi)核和大部分芯片。不僅二進(jìn)制和十六進(jìn)制的文件可以通過(guò)它進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，ELF 文件還可以通過(guò)它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制或十六進(jìn)制的文件。該軟件還附帶文件轉(zhuǎn)換和Flash 燒寫工具，支持現(xiàn)有的大部分Flash 芯片。該款軟件功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，對(duì)于本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)非常適合。此外在該系統(tǒng)的研究過(guò)程中還需要一款程序下載軟件Flash Programmer。

2.2 智能追光系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、中斷程序模塊設(shè)計(jì)、按鍵模塊設(shè)計(jì)、顯示模塊設(shè)計(jì)、太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追光模式、光電傳感追蹤模式。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是在系統(tǒng)啟動(dòng)后，先對(duì)其進(jìn)行初始化。然后由系統(tǒng)判斷該時(shí)間是不是白天，如果是在白天，系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)進(jìn)入太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追光模式，直接朝向太陽(yáng)的方向。如果是黑夜，系統(tǒng)則不啟動(dòng)，進(jìn)入休眠狀態(tài)。接著，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)天氣是不是陰天，如果是陰天的話，系統(tǒng)在太陽(yáng)軌跡追光模式下繼續(xù)運(yùn)行，如果是晴天，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到光電檢測(cè)［5］追蹤模式下繼續(xù)運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在收集和分析了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能發(fā)展和應(yīng)用的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和每種方案對(duì)比后，研究并設(shè)計(jì)了基于折疊的太陽(yáng)能電池板智能追光系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制裝置簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，成本低。

本文的研究工作及成果歸納如下:

1)本文設(shè)計(jì)一種可自動(dòng)完成二維展開(kāi)及折疊動(dòng)作的太陽(yáng)能板的板式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)減少折疊式太陽(yáng)能電池板的空間，提高折疊的效率和速度。

2)為了提高太陽(yáng)能的吸收效率、降低功耗、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，在智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上本文選擇了Samsung 公司的S3C44BOX 芯片作為系統(tǒng)的核心控制芯片，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單易行的感光部分方案，可以方便準(zhǔn)確的感知太陽(yáng)的位置。

［1］胡賽純，湯青.太陽(yáng)能利用現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.湖南城建高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003(2) ：47－49.

［2］孫孝仁.太陽(yáng)能利用的現(xiàn)狀與未來(lái)［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，1994(1) ：8－9.

［3］朱世佳.基于嵌入式的太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009，3：39－50.

［4］尹建華，李志偉.半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版，2009：9－45.

［5］吳碧晶.《傳感器》校本課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐［J］.福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(8) ：36－43.