自动折叠式太阳能板的设计*

□ 苗玉刚 □ 何玉辉 □ 李 云

四川信息职业技术学院 电气工程系 四川广元 628040

1 设计背景

全球石化能源日益紧张,可再生资源产业得到快速发展。太阳能作为一种清洁、可再生新能源,有助于人类解决能源危机、大气污染等问题。太阳能板可以将太阳能转换为电能,收集使用或者并入电网。为了提高太阳能的利用效率,目前设计的太阳能板一般体积很大,遇到狂风暴雨、大雪冰雹等恶劣天气时,容易被吹翻或压垮,造成损坏,而且日积月累容易产生沙尘、鸟粪等,影响光伏转换效率,大大影响使用寿命和使用效果。针对上述问题,笔者设计了一种结构紧凑、体积轻巧的自动折叠式太阳能板。这一太阳能板可以根据天气变化自动实现折叠,早上自动打开,晚上自动收缩,不需要人工干预。这一太阳能板还安装有风速和雨滴传感器,一旦遇到恶劣天气,会自动折叠,折叠时毛刷能够自动清洁灰尘、鸟粪等。

2 设计思路

国外对太阳能板折叠机构的研究和应用起步较早,技术也比较成熟。太阳能板折叠机构于20世纪60年代由美国航空航天局提出[1],一般应用于航天卫星。折叠形式分为折和叠两种[2]。折分为轴心式和平行式,叠分为重叠式、套式、卷式。太阳能板材料比较特殊,鉴于使用寿命要求和折叠动作比较频繁,叠通常采用重叠式。近几年,航天用太阳能板展开机构逐渐被应用至普通生活。我国太阳能板折叠机构虽然研发起步晚,但是形式多样。

李金花[3]发明了一种光伏板可折叠的太阳能汽车,采用电机驱动光伏板绕固定轴转动180°翻转,实现四块小光伏板的展开、折叠,但是效率低、结构复杂、不易维护。陆海涛[4]发明了一种使用抽屉式折叠太阳能发电板的电动汽车,优点是采用薄片型光伏板,结构紧凑,缺点是采用手动方式折叠,智能化不足。蒋志斌[5]发明了一种折叠太阳能车,所使用的折叠机构为层状结构,展开后上下层相邻的太阳能板之间相互遮挡,需要借助散光片增大光伏板的采光面积,整体结构质心不平衡。

在国内外学者研究的基础上,笔者设计了一种自动折叠式太阳能板,运用计算机桌键盘台的推拉原理[6],将三块太阳能板平行重叠放置,中间层太阳能板固定在底板上,上、下层太阳能板通过滑轨固定在底板上。工作时,上层太阳能板与下层太阳能板反向自动伸出。不工作时,上层太阳能板与下层太阳能板同向自动收缩。这一太阳能板整体结构简单,操作方便,受热面积可以增大三倍,有效避免了环境问题的影响。

3 结构设计

3.1 总体结构

自动折叠式太阳能板主要由伸缩折叠模块、高精度追踪云台模块、安装支座、环境监测模块、控制系统模块等组成,总体结构如图1所示。

▲图1 自动折叠式太阳能板总体结构

伸缩折叠模块通过铝合金型材支架固定在高精度追踪云台模块的连接板上,高精度追踪云台模块通过螺钉固定在安装支座上,安装支座通过地脚螺栓固定在相应的地面安装位置。伸缩折叠模块的安全罩上安装有环境监测模块的三杯式风速传感器、光敏电阻感光传感器、雨滴传感器,用于感知外部气候环境[7]。

3.2 伸缩折叠模块

伸缩折叠模块结构如图2所示。为了使设备整体结构紧凑,质量轻,强度高,大部分机械部件采用铝合金材质[8]。起支撑作用的框架采用3060欧标铝合金型材组合结构,便于拆装。滚珠丝杆直径为12 mm,导程为4 mm,精度等级为C级,有效行程为300 mm。驱动电机为中空步进电机,通过转子直接驱动滚珠丝杆,传动效率高。非标零部件自行设计加工,传感器支架采用厚为1.5 mm的钣金,上、下底板采用厚为12 mm的铝合金,连接竖板和其它配件采用厚为3 mm的铝合金,铝合金加工件全部进行阳极氧化处理。为了降低成本,缩短设计周期,非标零部件全部委托第三方代加工[8]。

中间太阳能板通过螺钉固定在上、下底板的正中间,上、下太阳能板通过不锈钢静声滑轨固定在上、下底板上,并且对称分布于中间太阳能板的两侧,即三块太阳能板平行等距重叠安装,中间太阳能板固定不动,上、下太阳能板随滑轨自由滑动,在保证结构紧凑的同时,使质量分布均衡,避免承重不均匀,影响控制精度。

上太阳能板的侧面安装有毛刷,毛刷能随上太阳能板自由滑动,用于清除中间太阳能板表面的灰尘等杂物。中间太阳能板的侧面安装有毛刷,毛刷和中间太阳能板固定不动,用于清除下太阳能板表面的灰尘等杂物。上、下底板的侧面也安装有毛刷,用于清除上太阳能板表面的灰尘等杂物。

3.3 高精度追踪云台模块

太阳光照射在太阳能板表面,一部分被反射至大气层中,剩下部分被吸收,产生光伏效应。太阳能板吸收效率受外界环境因素的影响比较大。为了使太阳能板能够最大限度吸收太阳光能量,需要对太阳的位置进行高精度追踪,时刻保证太阳能板采集面和太阳入射光垂直。

云台是一种结构复杂的光电一体设备载体,被用于运载高精密仪器设备,采用直流伺服电机驱动、蜗轮蜗杆传动、增量式光电编码器反馈,以及基于数字信号处理器的控制驱动[9]。在高精度追踪云台模块中,笔者采用二自由度高精度工业云台,驱动太阳能板适时进行角度调整,使太阳能板与阳光的夹角始终为理想角度。

对于二自由度高精度工业云台,一般基于动力源和传动机构进行选型。动力源主要包括电机的选型和参数的确定,传动机构是机械结构的核心,主要包括传动机构的类型和传动比的确定[10]。结合整体负载、控制要求及使用环境,最终选择HY-MW17-01A型两轴工业云台,具体参数见表1。这一云台采用防水航空接头,传动方式为蜗轮蜗杆传动,承载方式为顶载,防护等级为IP66。

4 数字化实体建模

所有产品创意初期在大脑中只是一个模糊概念,在没有数字化模型的情况下,要制造出一件产品,必然会经历多次迭代设计、试产和不断改进,整个周期长达数月甚至数年,每一次设计变更都会造成巨大的费用和时间消耗[11]。为了解决这个问题,新的研发制造思路不断出现。其中,数字化双胞胎技术已成为制造企业迈向“工业4.0”的重要解决方案之一。数字化双胞胎技术可以支持企业进行价值链整合与数字化转型,在产品设计、生产规划、生产工程、生产实施、服务的各个环节打造一致、无缝数据平台,形成基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。

▲图2 伸缩折叠模块结构

表1 两轴工业云台参数

SolidWorks软件采用基于特征的参数化建模方法,可以在同一个数据库中进行实体建模、虚拟装配、二维图纸设计、运动仿真,以及有限元分析[12]。笔者应用SolidWorks软件进行自动折叠式太阳能板的三维数字化建模及装配,并进行太阳能板折叠运动过程的干涉检查分析。自动折叠式太阳能板三维模型如图3所示。

▲图3 自动折叠式太阳能板三维模型

5 结束语

笔者针对目前小型太阳能板的应用特点,在查阅资料和调研后,设计了一种自动折叠式太阳能板。这一太阳能板借助计算机桌键盘台的推拉原理进行折叠,有效解决了传统太阳能板体积大、受光面积小、容易受气候影响等问题。这一太阳能板整体结构轻巧,使用灵活。折叠时,可以自动清洁太阳能板灰尘,保持表面干净。在设计过程中,运用数字化双胞胎技术设计了这一太阳能板的整体三维数字模型,为后续进行结构强度分析、动力学分析及虚拟调试奠定了基础,大大缩短了产品的设计研发周期。