可折叠式太阳能电池板智能追光系统的研究

赵 林，王志坤

(德州学院，山东 德州 253023)

本文设计了一种便携式的太阳能装置，该装置的输出动力是电动推杆和步进电机，通过电子伺服、信息反馈以及可编程控制等技术应用，可自动完成太阳能板横向和纵向的快速折叠、展开以及追日等各项动作。展开后的太阳能板采光面积可达3 平方米。具有动作迅速，结构紧凑，携带方便，自动化程度高等特点，可以广泛应用于野外工作以及军事活动中［1］。

1 太阳能追光系统的研究与设计

1.1 太阳能追光技术国内外发展现状

目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳有很多方法［2］，但是一般都采取两种方式:一种是根据视日运动轨迹追踪，另一种是光电追踪方式，前者是开环的程序控制系统，后者是闭环的随机控制系统。

1.2 折叠式太阳能装置的设计与应用

1.2.1 折叠及展开机构

本部分的设计目标是设计一种可自动完成二维展开及折叠动作的太阳能板的板式结构。要求动作快，汽车携带方便。太阳能阵面展开面积大约为4 m2，折叠面积约为0.8 m2。由六块4 620 ×100 mm 的小面积板组成，如下图1 所示。折叠步骤大可分为两步，第一步完成横向折叠，将图1 所示的阵面1、3 和4、6 分别折叠到2、5 上;第二步完成纵向折叠，将完成第一步折叠的两部分继续纵向折叠，使表面积进一步减小，方便汽车的携带。折叠及展开机构的输出动力主要来自于安装在各部位的电动推杆。电动推杆相对于液压缸和气缸有着特殊的优点，例如:电动推杆不需要复杂的成套系统支持;而且我们可以节约很多的空间，在无维护的情况下，可以安全可靠的工作;另外还没有油污的污染，大幅度降低噪音，保持洁净、安静的工作环境;大多整体质量轻，体积小，安装运输非常方便;并且运行精度高，可以实现远距离控制、集中控制以及自动控制等。

图1 太阳能阵面示意图

1)横向折叠结构

为了减少折叠式太阳能电池板的空间，提高折叠的效率和速度，本文设计了横向折叠单元结构为对称结构，又利用抽屉滑道的原理，把两块太阳能板通过滑道与箱体相连接，以箱体两边的电动推杆为输入动力，分别带动上下太阳能板收缩及伸出。简化分析问题，略去锁定和解锁等机构，简化后每个单元的横向折叠机构包括箱体、挡板、太阳能板［4］、推杆、滑道等部件。

该折叠机构中，由于电动推杆与太阳能板的挡板相连接，推杆的伸缩动作即可带动上下两块太阳能板自动伸缩，从而实现横向折叠动作。

2)纵向折叠结构

经上一步骤的横向折叠后，太阳能板折叠成相互平行的两个大单元。为简化分析问题，略去锁定和解锁等机构，简化后纵向折叠机构包括两个板式折叠单元、推杆、上、下横梁、以及两根连杆，共计7 个杆件7 个运动副。

该纵向折叠机构中，3(上横梁)与基座连接固定，6(电动推杆)为输出动力，固定于3(上横梁)上，且活塞杆与1(下横梁)连接固定，4(左单元)、5(右单元)与1(上横梁)分别以转动副连接，2(左连杆)两端分别以转动副连接1(下横梁)和4(左单元)，7(右连杆)两端分别以转动副连接和1(下横梁)和5(右单元)。当6(电动推杆)伸出时，带动左右单元4、5 向下合拢，从而达到纵向折叠的目的。折叠后的图形如下图2 所示。

图2 纵向折叠结构图

图3 完全折叠结构图

1.2.2 反馈机构

在折叠与展开过程中，有一个重要的信号检测和反馈元件。即安置在横向和纵向电动推杆中的编码器，它把角位移或直线位移转换成了电信号，前者称之为码盘，后者称之为码尺。它可以检测电动推杆行程的准确位置，并将检测信号传递到太阳能装置的PLC 控制系统中进行快速而准确的对比，从而更准确地决定和验证太阳能板是否完全折叠或完全展开。并且在系统每次启动之前，该检测信号可以用来检验折叠系统的安全性以及可靠性。折叠系统只有在接到PLC的指令后才可以判定是否开始动作。

图4 太阳能装置折叠结构图

2 智能追光系统开发环境

2.1 智能追光系统的设计

该智能追光系统的设计以嵌入式［3］技术为背景，选择了Samsung 公司的S3C44BOX 芯片作为系统的核心控制芯片，设计了一种结合多种控制方式的全天候无人值守的太阳能追光系统。

1)程序编译环境ADS

ADS 是 ARM Developer Suite 缩 写，是 1993 年 由Metrowerks 公司开发的ARM 处理器下最主要的开发工具。ADS 包括三种调试器ARM eXtended Debugger，AXD 向下兼容的ARM Debugger for Windows/ARM Debugger for UNIX 和ARM 符号调试器。其中AXD 不仅拥有低版本ARM 调试器的所有功能，还增加了了图形用户界面，更方便的显示和编辑管理数据。ADSl.2 能够支持ARM 10 之前的所有ARM系列微控制器，支持软件调试及JTAG 硬件仿真调试，支持汇编、C、C++源程序，它的编译效率高、系统库功能强。

2)在线调试代理H—JTAG

该软件支持ADSl 2 编译环境，兼容XP 和VISTA 操作系统并且支持STD JTAG 格式和WIGGLER 的硬件下载格式，支持ARM7 内核和ARM9 内核和大部分芯片。不仅二进制和十六进制的文件可以通过它进行相互转化，ELF 文件还可以通过它转换成二进制或十六进制的文件。该软件还附带文件转换和Flash 烧写工具，支持现有的大部分Flash 芯片。该款软件功能强大，性能稳定，对于本系统的开发非常适合。此外在该系统的研究过程中还需要一款程序下载软件Flash Programmer。

2.2 智能追光系统总体的设计

该系统的总体设计包括系统主程序设计、中断程序模块设计、按键模块设计、显示模块设计、太阳运动轨迹追光模式、光电传感追踪模式。该系统的设计流程是在系统启动后，先对其进行初始化。然后由系统判断该时间是不是白天，如果是在白天，系统将会启动进入太阳运动轨迹追光模式，直接朝向太阳的方向。如果是黑夜，系统则不启动，进入休眠状态。接着，系统开始检测天气是不是阴天，如果是阴天的话，系统在太阳轨迹追光模式下继续运行，如果是晴天，系统转换到光电检测［5］追踪模式下继续运行。

3 结束语

本文在收集和分析了国内外太阳能发展和应用的趋势，经过大量的调研和每种方案对比后，研究并设计了基于折叠的太阳能电池板智能追光系统，该系统控制装置简单，设计合理，成本低。

本文的研究工作及成果归纳如下:

1)本文设计一种可自动完成二维展开及折叠动作的太阳能板的板式结构，该结构减少折叠式太阳能电池板的空间，提高折叠的效率和速度。

2)为了提高太阳能的吸收效率、降低功耗、简化结构，在智能追光系统的设计上本文选择了Samsung 公司的S3C44BOX 芯片作为系统的核心控制芯片，并设计了简单易行的感光部分方案，可以方便准确的感知太阳的位置。

［1］胡赛纯，汤青.太阳能利用现状与趋势［J］.湖南城建高等专科学校学报，2003(2) ：47－49.

［2］孙孝仁.太阳能利用的现状与未来［J］.科技情报开发与经济，1994(1) ：8－9.

［3］朱世佳.基于嵌入式的太阳能智能追光系统设计［D］.北京交通大学硕士学位论文，2009，3：39－50.

［4］尹建华，李志伟.半导体硅材料基础［M］.北京：化学工业出版，2009：9－45.

［5］吴碧晶.《传感器》校本课程的开发与实践［J］.福建师范大学学报，2007(8) ：36－43.