自動(dòng)折疊式太陽能板的設(shè)計(jì)*

□ 苗玉剛 □ 何玉輝 □ 李 云

四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 四川廣元 628040

1 設(shè)計(jì)背景

全球石化能源日益緊張,可再生資源產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)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(jī)、大氣污染等問題。太陽能板可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,收集使用或者并入電網(wǎng)。為了提高太陽能的利用效率,目前設(shè)計(jì)的太陽能板一般體積很大,遇到狂風(fēng)暴雨、大雪冰雹等惡劣天氣時(shí),容易被吹翻或壓垮,造成損壞,而且日積月累容易產(chǎn)生沙塵、鳥糞等,影響光伏轉(zhuǎn)換效率,大大影響使用壽命和使用效果。針對(duì)上述問題,筆者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積輕巧的自動(dòng)折疊式太陽能板。這一太陽能板可以根據(jù)天氣變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)折疊,早上自動(dòng)打開,晚上自動(dòng)收縮,不需要人工干預(yù)。這一太陽能板還安裝有風(fēng)速和雨滴傳感器,一旦遇到惡劣天氣,會(huì)自動(dòng)折疊,折疊時(shí)毛刷能夠自動(dòng)清潔灰塵、鳥糞等。

2 設(shè)計(jì)思路

國外對(duì)太陽能板折疊機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較早,技術(shù)也比較成熟。太陽能板折疊機(jī)構(gòu)于20世紀(jì)60年代由美國航空航天局提出[1],一般應(yīng)用于航天衛(wèi)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(dòng)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(jī)構(gòu)逐漸被應(yīng)用至普通生活。我國太陽能板折疊機(jī)構(gòu)雖然研發(fā)起步晚,但是形式多樣。

李金花[3]發(fā)明了一種光伏板可折疊的太陽能汽車,采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)光伏板繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)四塊小光伏板的展開、折疊,但是效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維護(hù)。陸海濤[4]發(fā)明了一種使用抽屜式折疊太陽能發(fā)電板的電動(dòng)汽車,優(yōu)點(diǎn)是采用薄片型光伏板,結(jié)構(gòu)緊湊,缺點(diǎn)是采用手動(dòng)方式折疊,智能化不足。蔣志斌[5]發(fā)明了一種折疊太陽能車,所使用的折疊機(jī)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)質(zhì)心不平衡。

在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,筆者設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)折疊式太陽能板,運(yùn)用計(jì)算機(jī)桌鍵盤臺(tái)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(shí),上層太陽能板與下層太陽能板反向自動(dòng)伸出。不工作時(shí),上層太陽能板與下層太陽能板同向自動(dòng)收縮。這一太陽能板整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,受熱面積可以增大三倍,有效避免了環(huán)境問題的影響。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)折疊式太陽能板主要由伸縮折疊模塊、高精度追蹤云臺(tái)模塊、安裝支座、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、控制系統(tǒng)模塊等組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 自動(dòng)折疊式太陽能板總體結(jié)構(gòu)

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(tái)模塊的連接板上,高精度追蹤云臺(tái)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(yīng)的地面安裝位置。伸縮折疊模塊的安全罩上安裝有環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的三杯式風(fēng)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(huán)境[7]。

3.2 伸縮折疊模塊

伸縮折疊模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了使設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量輕,強(qiáng)度高,大部分機(jī)械部件采用鋁合金材質(zhì)[8]。起支撐作用的框架采用3060歐標(biāo)鋁合金型材組合結(jié)構(gòu),便于拆裝。滾珠絲桿直徑為12 mm,導(dǎo)程為4 mm,精度等級(jí)為C級(jí),有效行程為300 mm。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為中空步進(jìn)電機(jī),通過轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿,傳動(dòng)效率高。非標(biāo)零部件自行設(shè)計(jì)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(jìn)行陽極氧化處理。為了降低成本,縮短設(shè)計(jì)周期,非標(biāo)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(duì)稱分布于中間太陽能板的兩側(cè),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(dòng),上、下太陽能板隨滑軌自由滑動(dòng),在保證結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí),使質(zhì)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(cè)面安裝有毛刷,毛刷能隨上太陽能板自由滑動(dòng),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(cè)面安裝有毛刷,毛刷和中間太陽能板固定不動(dòng),用于清除下太陽能板表面的灰塵等雜物。上、下底板的側(cè)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(tái)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(chǎn)生光伏效應(yīng)。太陽能板吸收效率受外界環(huán)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(duì)太陽的位置進(jìn)行高精度追蹤,時(shí)刻保證太陽能板采集面和太陽入射光垂直。

云臺(tái)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光電一體設(shè)備載體,被用于運(yùn)載高精密儀器設(shè)備,采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、增量式光電編碼器反饋,以及基于數(shù)字信號(hào)處理器的控制驅(qū)動(dòng)[9]。在高精度追蹤云臺(tái)模塊中,筆者采用二自由度高精度工業(yè)云臺(tái),驅(qū)動(dòng)太陽能板適時(shí)進(jìn)行角度調(diào)整,使太陽能板與陽光的夾角始終為理想角度。

對(duì)于二自由度高精度工業(yè)云臺(tái),一般基于動(dòng)力源和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型。動(dòng)力源主要包括電機(jī)的選型和參數(shù)的確定,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的核心,主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型和傳動(dòng)比的確定[10]。結(jié)合整體負(fù)載、控制要求及使用環(huán)境,最終選擇HY-MW17-01A型兩軸工業(yè)云臺(tái),具體參數(shù)見表1。這一云臺(tái)采用防水航空接頭,傳動(dòng)方式為蝸輪蝸桿傳動(dòng),承載方式為頂載,防護(hù)等級(jí)為IP66。

4 數(shù)字化實(shí)體建模

所有產(chǎn)品創(chuàng)意初期在大腦中只是一個(gè)模糊概念,在沒有數(shù)字化模型的情況下,要制造出一件產(chǎn)品,必然會(huì)經(jīng)歷多次迭代設(shè)計(jì)、試產(chǎn)和不斷改進(jìn),整個(gè)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年,每一次設(shè)計(jì)變更都會(huì)造成巨大的費(fèi)用和時(shí)間消耗[11]。為了解決這個(gè)問題,新的研發(fā)制造思路不斷出現(xiàn)。其中,數(shù)字化雙胞胎技術(shù)已成為制造企業(yè)邁向“工業(yè)4.0”的重要解決方案之一。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)可以支持企業(yè)進(jìn)行價(jià)值鏈整合與數(shù)字化轉(zhuǎn)型,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實(shí)施、服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)打造一致、無縫數(shù)據(jù)平臺(tái),形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)鏡像。

▲圖2 伸縮折疊模塊結(jié)構(gòu)

表1 兩軸工業(yè)云臺(tái)參數(shù)

SolidWorks軟件采用基于特征的參數(shù)化建模方法,可以在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行實(shí)體建模、虛擬裝配、二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真,以及有限元分析[12]。筆者應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行自動(dòng)折疊式太陽能板的三維數(shù)字化建模及裝配,并進(jìn)行太陽能板折疊運(yùn)動(dòng)過程的干涉檢查分析。自動(dòng)折疊式太陽能板三維模型如圖3所示。

▲圖3 自動(dòng)折疊式太陽能板三維模型

5 結(jié)束語

筆者針對(duì)目前小型太陽能板的應(yīng)用特點(diǎn),在查閱資料和調(diào)研后,設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)折疊式太陽能板。這一太陽能板借助計(jì)算機(jī)桌鍵盤臺(tái)的推拉原理進(jìn)行折疊,有效解決了傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)輕巧,使用靈活。折疊時(shí),可以自動(dòng)清潔太陽能板灰塵,保持表面干凈。在設(shè)計(jì)過程中,運(yùn)用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)設(shè)計(jì)了這一太陽能板的整體三維數(shù)字模型,為后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、動(dòng)力學(xué)分析及虛擬調(diào)試奠定了基礎(chǔ),大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)周期。