可追踪太阳能光伏发电教学装置的设计与制作

张春卿 刘世泉 李 琪

北京信息职业技术学院 北京 100015

目前，太阳能作为一种绿色能源越来越多地引起了全世界的广泛关注，并进行大力开发与利用。本文通过论述可追踪太阳能光伏发电教学装置的设计与制作过程，一方面体现了先进的工程技术，为机电一体化技术专业核心职业能力的培养提供了一个新颖典型的教学载体；另一方面也教育学生珍惜资源，节能减排，为建立环保型社会贡献力量。

1 追踪方案实现的基本原理

太阳的运动轨迹是自东向西进行运动，为提高光电转化效率，太阳能电池板需要在空间做立体的转动，以保证电池板和太阳光线始终垂直。太阳能电池板的这种接近半球面的立体运动可以分解为两个，南北方向的上下俯仰运动和东西方向的水平旋转运动(如图1所示)。太阳能电池板对光的追踪运动最终通过俯仰运动和旋转的合成实现。

图1 追踪方案原理图

2 可追踪太阳能光伏发电教学装置的方案设计

可追踪太阳能光伏发电教学装置为一个完整的机电一体化系统，包含五大部分：驱动系统、传动系统、机械本体、传感检测系统以及控制系统。驱动系统为电池板俯仰运动和旋转运动的动力源；传动系统主要传送扭矩；机械本体主要支撑太阳能电池板；传感检测系统接收光信号，并反馈给控制系统；控制系统对信息进行处理。

2.1 驱动与传动系统的设计

驱动方式的设计依据是驱动对象的运动要求，南北方向的上下俯仰运动需要驱动电池板进行匀速转动，东西方向的水平旋转运动需要驱动电池板和部分传动机构一起做匀速转动。两个方向上的运动不需要精准的位置度要求和固定转角的要求，只实现平稳转动即可。因而可采用2个直流电机，分别给两个方向提供动力源。直流电机还具有结构紧凑、体积小，承受过载能力强等优点。

传动系统是将电机的转动扭矩传给电池板。太阳的转角变化率较小，设定的转角变化率是1弧度每分钟。电机输出端在设计时，选择常见的蜗轮蜗杆减速器，以保证输出端达到预定的转速。轴与支架之间通过轴承进行连接，水平方向上选用深沟球轴承，垂直方向上选用推力球轴承。

2.2 机械本体部分的设计

机械部分的基本设计要求是稳定支撑电池板和整个驱动传动机构。机械本体由三部分组成：底部支架、中间传动机构以及顶部支撑(如图2所示)。

图2 机械结构框架设计图

在保证整个系统机械刚性的前提下，为了减轻整个教学装置的重量，节约成本，其主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，用标准的紧固件和定位销连接。底部支架采用工字型支架，并配以脚轮，稳定且易于移动；中间传动机构部分采用直流电机带动减速器实现水平方向的旋转运动和上下的俯仰运动，两个方向的转动角度达到±90度；顶部支撑部分的结构也可采用铝型材框架结构。

2.3 传感检测系统的设计

传感检测系统利用电池板中间的光电传感器来接受光信号，并配合调理电路将测得的光源进行信号处理。光电传感器由4个光敏电阻和隔光板组成，4个光敏电阻可以从东、西、南、北4个方向上接受光信号，接收到的光信号传给控制系统，由控制系统转化为电机1和2的正转或反转信号，从而驱动电池板运动，使其与光源保持垂直。检测系统的工作原理示意图如图3。

图3 检测系统工作原理示意图

光电传感器的控制线路是由光电传感器、电阻R1，R2，电位器W1，W2，LM324，555电路，发光管D1组成。光电传感器检测到的位置信号与设定信号(由W1和R1给定)比较后输出位置信号，经555电路处理后，送控制器处理。传感器的控制总线路设计如图4所示，由4个光敏电阻、4个比较器和4个施密特触发器组成，它的作用是检测太阳能板的位置。

图4 传感器总线路设计图

2.4 控制系统的设计

控制系统方案的设计中除了光电传感器参与工作的典型闭环控制系统，也增设了开环控制系统(如图5所示)。如此，太阳能电池板既可以实现对光源的自动追踪，也可以根据需要，通过触摸屏或手动按钮控制电池板两个方向上的运动。

图5 控制系统设计方案

其中，闭环控制系统主要由控制器PLC、执行器(电机1，2)、太阳能板和传感器组成。此外，还有触摸屏、4个手动按钮和4个继电器。控制器的作用是接收传感器和给定值送来的偏差信号、执行控制程序控制整个系统运行；执行器由2个直流电机组成，接收控制器送来的控制信号，完成正转、反转驱动太阳能板向东、西、南、北运行；太阳能板是被控对象它的作用是把太阳能转换成电能；光电传感器的作用就是检测光源位置，并反馈给控制器。

2.5 逆变输出部分的设计

作为光伏发电装置，太阳能电池板收集到的光能通过控制器，转化成电能，储存在蓄电池中，在有需要的时候，蓄电池中的电又经过逆变器逆变输出为220伏特的交流电，或直接输出24伏特直流，设计方案如图6所示。

图6 逆变输出设计方案

3 可追踪太阳能光伏发电教学装置的制作

该装置的制作过程需要首先确定太阳能电池板的物理参数，以及直流电机、减速器的选型。直流电机的选型计算如下所示。

3.1 电机转速要求

电池板设定的转角变化率：1 rad/min

减速器减速比：1:80

减速器输入转速：1 rad/min×80=80 rad/min≈13 r/min

电机的输出转速>13 r/min即可满足电池板转动要求

3.2 电机功率要求

电机1负载：≈2 kg(太阳能电池板重量)

电机2负载：≈5 kg(3 kg+2 kg)(传动机构+太阳能电池板重量)

G=mg=9.8 N/kg×5 kg=49 N

电机的输出扭矩：

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

效率因数η：0.85

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

根据计算结果，直流电机可以选型为：电压24伏特、功率5瓦特、RPM25。

然后在Inventor环境下对该装置进行三维数字化建模，虚拟装配设计。利用三维软件可以完成零件的建模、整个装置的装配、运动的干涉检验，以及反出二维的零件加工图纸(如图7所示)。

图7 三维数字化虚拟仿真设计

虚拟仿真设计之后，进行实体零部件的加工与装配。对所有的零部件进行分类：设计类零件，如外壳、连接板、轴等，需要进行外协加工，共13件；常用件，如链轮、链条、键等，外出采购半成品进行再加工，共15件；标准件，如螺钉、螺母、卡簧、垫片等，直接买对应型号使用，近100件；此外支架部分，选用铝合金型材，可以直接进行组装。

传感检测与控制系统的制作流程是设计、制作与调试。设计工作要完成整个系统的电路设计、所有元器件的选型；制作工作包括焊接、制作光电传感器、整个装置控制部分的布线、接线；调试工作包括PLC编程、触摸屏编程以及出现问题后的电路改进。

逆变输出部分，选择的控制器专为太阳能直流供电系统、太阳能直流电路控制系统设计，并使用了专用电脑芯片的智能化控制；负载部分有直流负载(BITC标示板——发光二极管)和交流负载(霓虹灯)。

最终研制的可追踪太阳能光伏发电教学装置如图8所示。

图8 可追踪太阳能光伏发电教学装置实物图

4 结束语

可追踪太阳能光伏发电教学装置作为一个新颖的典型的教学载体，可以帮助教师开发设计教学项目，它涵盖机电一体化技术专业多门专业课程的内容，如机械设计、机械加工工艺、PLC编程、触摸屏控制、传感器原理及应用、控制电路设计、电机拖动以及光能转换等。该设备主要应用于教学项目设计的一个综合性载体，与实际的发电设备比较而言，用于吸收光源的电池板数目与面积较小，光电转化率较低，并且驱动跟踪系统的动力来源有限。但依托该教学设备，学生可以在实践动手的过程中，既综合了所学的知识技能，提高自身的核心职业能力，又普及了太阳能发电的科普知识，接触新事物、新科技，广开眼界，拓宽对未来就业的思路。

[1]县永平.常用3kW太阳能光伏发电系统设计方案[J].甘肃科技,2011(9):69-70,73.

[2]孙中武,张俊君.大学校园太阳能光伏发电的实践及构想[J].陕西建筑,2009(9):44-45.

[3]元智大学.以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统[M/OL].http://www.docin.com/p-34981097.html.