自動折疊式太陽能板的設計*

□ 苗玉剛 □ 何玉輝 □ 李 云

四川信息職業技術學院 電氣工程系 四川廣元 628040

1 設計背景

全球石化能源日益緊張,可再生資源產業得到快速發展。太陽能作為一種清潔、可再生新能源,有助于人類解決能源危機、大氣污染等問題。太陽能板可以將太陽能轉換為電能,收集使用或者并入電網。為了提高太陽能的利用效率,目前設計的太陽能板一般體積很大,遇到狂風暴雨、大雪冰雹等惡劣天氣時,容易被吹翻或壓垮,造成損壞,而且日積月累容易產生沙塵、鳥糞等,影響光伏轉換效率,大大影響使用壽命和使用效果。針對上述問題,筆者設計了一種結構緊湊、體積輕巧的自動折疊式太陽能板。這一太陽能板可以根據天氣變化自動實現折疊,早上自動打開,晚上自動收縮,不需要人工干預。這一太陽能板還安裝有風速和雨滴傳感器,一旦遇到惡劣天氣,會自動折疊,折疊時毛刷能夠自動清潔灰塵、鳥糞等。

2 設計思路

國外對太陽能板折疊機構的研究和應用起步較早,技術也比較成熟。太陽能板折疊機構于20世紀60年代由美國航空航天局提出[1],一般應用于航天衛星。折疊形式分為折和疊兩種[2]。折分為軸心式和平行式,疊分為重疊式、套式、卷式。太陽能板材料比較特殊,鑒于使用壽命要求和折疊動作比較頻繁,疊通常采用重疊式。近幾年,航天用太陽能板展開機構逐漸被應用至普通生活。我國太陽能板折疊機構雖然研發起步晚,但是形式多樣。

李金花[3]發明了一種光伏板可折疊的太陽能汽車,采用電機驅動光伏板繞固定軸轉動180°翻轉,實現四塊小光伏板的展開、折疊,但是效率低、結構復雜、不易維護。陸海濤[4]發明了一種使用抽屜式折疊太陽能發電板的電動汽車,優點是采用薄片型光伏板,結構緊湊,缺點是采用手動方式折疊,智能化不足。蔣志斌[5]發明了一種折疊太陽能車,所使用的折疊機構為層狀結構,展開后上下層相鄰的太陽能板之間相互遮擋,需要借助散光片增大光伏板的采光面積,整體結構質心不平衡。

在國內外學者研究的基礎上,筆者設計了一種自動折疊式太陽能板,運用計算機桌鍵盤臺的推拉原理[6],將三塊太陽能板平行重疊放置,中間層太陽能板固定在底板上,上、下層太陽能板通過滑軌固定在底板上。工作時,上層太陽能板與下層太陽能板反向自動伸出。不工作時,上層太陽能板與下層太陽能板同向自動收縮。這一太陽能板整體結構簡單,操作方便,受熱面積可以增大三倍,有效避免了環境問題的影響。

3 結構設計

3.1 總體結構

自動折疊式太陽能板主要由伸縮折疊模塊、高精度追蹤云臺模塊、安裝支座、環境監測模塊、控制系統模塊等組成,總體結構如圖1所示。

▲圖1 自動折疊式太陽能板總體結構

伸縮折疊模塊通過鋁合金型材支架固定在高精度追蹤云臺模塊的連接板上,高精度追蹤云臺模塊通過螺釘固定在安裝支座上,安裝支座通過地腳螺栓固定在相應的地面安裝位置。伸縮折疊模塊的安全罩上安裝有環境監測模塊的三杯式風速傳感器、光敏電阻感光傳感器、雨滴傳感器,用于感知外部氣候環境[7]。

3.2 伸縮折疊模塊

伸縮折疊模塊結構如圖2所示。為了使設備整體結構緊湊,質量輕,強度高,大部分機械部件采用鋁合金材質[8]。起支撐作用的框架采用3060歐標鋁合金型材組合結構,便于拆裝。滾珠絲桿直徑為12 mm,導程為4 mm,精度等級為C級,有效行程為300 mm。驅動電機為中空步進電機,通過轉子直接驅動滾珠絲桿,傳動效率高。非標零部件自行設計加工,傳感器支架采用厚為1.5 mm的鈑金,上、下底板采用厚為12 mm的鋁合金,連接豎板和其它配件采用厚為3 mm的鋁合金,鋁合金加工件全部進行陽極氧化處理。為了降低成本,縮短設計周期,非標零部件全部委托第三方代加工[8]。

中間太陽能板通過螺釘固定在上、下底板的正中間,上、下太陽能板通過不銹鋼靜聲滑軌固定在上、下底板上,并且對稱分布于中間太陽能板的兩側,即三塊太陽能板平行等距重疊安裝,中間太陽能板固定不動,上、下太陽能板隨滑軌自由滑動,在保證結構緊湊的同時,使質量分布均衡,避免承重不均勻,影響控制精度。

上太陽能板的側面安裝有毛刷,毛刷能隨上太陽能板自由滑動,用于清除中間太陽能板表面的灰塵等雜物。中間太陽能板的側面安裝有毛刷,毛刷和中間太陽能板固定不動,用于清除下太陽能板表面的灰塵等雜物。上、下底板的側面也安裝有毛刷,用于清除上太陽能板表面的灰塵等雜物。

3.3 高精度追蹤云臺模塊

太陽光照射在太陽能板表面,一部分被反射至大氣層中,剩下部分被吸收,產生光伏效應。太陽能板吸收效率受外界環境因素的影響比較大。為了使太陽能板能夠最大限度吸收太陽光能量,需要對太陽的位置進行高精度追蹤,時刻保證太陽能板采集面和太陽入射光垂直。

云臺是一種結構復雜的光電一體設備載體,被用于運載高精密儀器設備,采用直流伺服電機驅動、蝸輪蝸桿傳動、增量式光電編碼器反饋,以及基于數字信號處理器的控制驅動[9]。在高精度追蹤云臺模塊中,筆者采用二自由度高精度工業云臺,驅動太陽能板適時進行角度調整,使太陽能板與陽光的夾角始終為理想角度。

對于二自由度高精度工業云臺,一般基于動力源和傳動機構進行選型。動力源主要包括電機的選型和參數的確定,傳動機構是機械結構的核心,主要包括傳動機構的類型和傳動比的確定[10]。結合整體負載、控制要求及使用環境,最終選擇HY-MW17-01A型兩軸工業云臺,具體參數見表1。這一云臺采用防水航空接頭,傳動方式為蝸輪蝸桿傳動,承載方式為頂載,防護等級為IP66。

4 數字化實體建模

所有產品創意初期在大腦中只是一個模糊概念,在沒有數字化模型的情況下,要制造出一件產品,必然會經歷多次迭代設計、試產和不斷改進,整個周期長達數月甚至數年,每一次設計變更都會造成巨大的費用和時間消耗[11]。為了解決這個問題,新的研發制造思路不斷出現。其中,數字化雙胞胎技術已成為制造企業邁向“工業4.0”的重要解決方案之一。數字化雙胞胎技術可以支持企業進行價值鏈整合與數字化轉型,在產品設計、生產規劃、生產工程、生產實施、服務的各個環節打造一致、無縫數據平臺,形成基于模型的虛擬企業和基于自動化技術的現實企業鏡像。

▲圖2 伸縮折疊模塊結構

表1 兩軸工業云臺參數

SolidWorks軟件采用基于特征的參數化建模方法,可以在同一個數據庫中進行實體建模、虛擬裝配、二維圖紙設計、運動仿真,以及有限元分析[12]。筆者應用SolidWorks軟件進行自動折疊式太陽能板的三維數字化建模及裝配,并進行太陽能板折疊運動過程的干涉檢查分析。自動折疊式太陽能板三維模型如圖3所示。

▲圖3 自動折疊式太陽能板三維模型

5 結束語

筆者針對目前小型太陽能板的應用特點,在查閱資料和調研后,設計了一種自動折疊式太陽能板。這一太陽能板借助計算機桌鍵盤臺的推拉原理進行折疊,有效解決了傳統太陽能板體積大、受光面積小、容易受氣候影響等問題。這一太陽能板整體結構輕巧,使用靈活。折疊時,可以自動清潔太陽能板灰塵,保持表面干凈。在設計過程中,運用數字化雙胞胎技術設計了這一太陽能板的整體三維數字模型,為后續進行結構強度分析、動力學分析及虛擬調試奠定了基礎,大大縮短了產品的設計研發周期。