一種自動追蹤太陽能小車設計*

尹學愛 邱光輝

(濱州學院物理與電子科學系 山東 濱州 256603) (中化地質礦山總局山東地質勘查院 山東 濟南 250013)

1 引言

隨著世界對能源短缺和環境保護的呼聲不斷高漲，太陽能的應用受到廣泛關注并已取得一定的成就[1～3].太陽能的作用和發展正走進更多人的視野，太陽能汽車將對解決面臨的能源危機和環境污染具有重要意義[4，5].現階段的太陽能小車大部分都是先將太陽能轉化成電能，再將電能儲存到電池中，最后再利用電池對小車進行供電.即使在太陽光充足的情況下仍然只能利用電池供能，而不能將太陽能直接轉化成電能來供能.完善的太陽能追蹤系統是充分利用太陽能和環境保護必不可少的重要組成部分[6].

如此看來，以太陽能為能源設計出的小車，在目前情況下去掉電池還不能實現.那么，就從如何完善太陽能追蹤系統，充分利用太陽能來考慮設計方案.

2 設計方案及原理

本作品設計的太陽能小車的追蹤系統能夠實現太陽能電池板隨太陽光高精度旋轉，自動尋找太陽光最強方向.這樣太陽能小車就能夠在太陽能充足的時候一邊充電一邊運行，提高太陽能的利用率.

作品分為兩個部分：機械設計部分和控制部分.

2.1 機械設計部分

車體部分：小車底座由一圓木板加工而成.太陽能追蹤部分主要由步進電機、舵機、電池板和金屬桿組成.電池板連接在一個支撐它的主軸上，連接部分可自由轉動.電池板在水平面內的旋轉由一個步進電機來實現.步進電機與支撐電池板的主軸相接，電機工作即可帶動電池板旋轉；電池板在豎直平面內的旋轉由一個舵機來實現：將舵機固定到支撐電池板的主軸上，金屬桿與舵機連接且金屬桿與電池板接觸 ，舵機工作即可調節金屬桿與電池板之間的接觸點位置，以此來調節電池板與太陽光之間的夾角.通過以上兩個平面(水平平面和豎直平面)內的自由旋轉即可保證電池板與陽光垂直.

太陽能電池板自動追蹤太陽能有兩種追蹤模式：光電檢測追蹤模式和太陽角度追蹤模式[7].本小車以AVR單片機作為控制電路的核心，利用由光電二極管組成的比較電路來判斷太陽光強弱，從而決定小車是通過電池板運行還是鋰電池運行.其主要工作原理如圖1所示.

圖1 系統工作原理圖

2.2 控制部分

2.2.1 運動系統控制及原理

車整體動力系統.由直流減速電機提供小車整體運動的動力，小車采用的電機扭矩為6 kg/cm，轉速為110 r/min.在運動時主要是通過程序來分別控制小車兩個后輪的前進、靜止和后退，實現小車前進后退和轉彎.小車的前端安裝3個光電開關，分別朝向左前、正前方、右前3個方向.能感測到各自的正前方是否存在障礙物，并輸回電信號，分別以高低電平來表示，再通過程序判斷決定小車的運動方向.小車也安裝了無線遙控裝置，可模擬無人駕駛.

太陽能追蹤系統.由步進電機(42BYGH)和舵機(S3001)兩部分組成.步進電機為電池板的旋轉提供動力，其優點是精準定位，且不易受外界影響噪音小；舵機為電池板的垂直調整提供動力，其優點是動力強大，定位精準.在電池板前面裝有3個光敏電阻，背面裝有一個光敏電阻.感光系統工作時光敏電阻將采集的光強傳給AVR單片機，由單片機進行A/D轉換并將該值輸送到Nokia5110顯示屏上進行顯示.

通過對系統程序的精心設計，節省了小車自動適應環境的時間，增加了小車對新能源的高效利用和節能.

2.2.2 能量儲存控制及原理

小車裝備有最大輸出電壓為13.2 V，最大輸出電流700 mA的電池板和可輸出12 V的鋰電池，兩者組成小車儲能部分，電池板可直接為小車提供能量也可為鋰電池充電.在電池板與鋰電池間充電處加入一個二極管， 這樣既能保證在陽光充足的條件下電池板為鋰電池充電又能保證在陽光不足的條件下小車能夠正常的運行.當電池板產生的電壓高于12.6 V時，如果繼續給鋰電池充電將影響其壽命，因此特別為鋰電池另裝了10 Ω的電阻(約為鋰電池內阻).同時為確保電壓穩定，小車在供電點位處接有穩壓模塊，為系統的功能穩定又增加了一份保障.

3 結論

太陽能小車根據光強追蹤太陽能，在陽光充足的地方小車可以不用蓄電池就能運行，同時也可對蓄電池進行儲電，提高太陽能的利用率.采用AVR單片機控制系統對小車進行控制，提高了小車自動避障的反應速度.經過實驗測試，系統可靠，運行穩定，定位準確，達到設計要求.

參考文獻

1 徐文燦，袁俊，嚴偉，等.太陽能自動跟蹤系統的探索與實驗.物理實驗，2003(9):45～48

2 王長貴，崔容強，周簧. 新能源發電技術. 北京：中國電力出版社,2003

3 馬健，向平，趙衛鳳，等. 基于步進電機的太陽跟蹤系統設計.電力電子技術，2008,42(9)：34～36

4 鄭益文，馬立新，魯奕，等.太陽能跟蹤系統的智能控制與系統設計.微特電機，2011(7)：49～52

5 張琪、黃東、鄭宏飛. 太陽能在汽車上應用的前景與挑戰.太陽能, 2006(4)：42～44

6 趙麗偉.太陽能自動追蹤系統的研究： [碩士論文].吉林大學，2010.7～9

7 毛桂生.太陽能電池板自動追蹤系統的研究:[碩士論文].華南理工大學，2010.7～11