自動逐日式太陽能小車軟硬件方案實(shí)現(xiàn)

1.引言：

21世紀(jì)最緊缺的便是能源，地球上的石油和煤都在以驚人的速度消耗，作為不可再生能源，他們最終都將被消耗殆盡。因此尋找新的代替能源便成了擺在科學(xué)家們面前的新課題。

太陽能、核能、風(fēng)能等新能源中太陽能不但無污染而且儲量豐富。地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1369w/㎡。地球赤道的周長為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173000TW。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。如此巨大的能量寶庫如何不讓人心動?

現(xiàn)如今很多地方都已經(jīng)用太陽能代替原先能源。太陽能發(fā)電是應(yīng)用最多的。但太陽能發(fā)電由于材料的原因，從太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率不是很高，而且太陽能電池板比較笨重，如今很多都只用于定點(diǎn)發(fā)電，不能很好的用于便攜設(shè)備，尤其是大功率的移動交通工具。

因此我們就想通過用較小的太陽能板來吸收較多的太陽能來實(shí)現(xiàn)太陽能利用率的提高，以及作為汽車的動力來源，已達(dá)到節(jié)能減排的效果。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)便是通過透鏡的方法，提高單位面積的太陽能電池板上的光照強(qiáng)度，從而減輕了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的重量，使之有可能應(yīng)用于實(shí)際的太陽能車的設(shè)計(jì)上。讓汽車的能源從石油轉(zhuǎn)變成清潔的太陽能，保護(hù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2.工作原理

本系統(tǒng)分為光追蹤模塊、光能收集模塊、小車運(yùn)動模塊。

1、光追蹤模塊，用來檢測得到太陽光的入射角度，以使得透鏡、太陽能電池板組合能夠時刻正對太陽光，充分利用太陽能產(chǎn)生電能

2、光能收集模塊，用來吸收太陽能產(chǎn)生電能，并儲存在蓄電池中，供給小車使用

光能收集模塊采用了透鏡來聚焦光線，使得太陽能電池板的面積大大縮小，降低了成本，光能收集模塊根據(jù)光追蹤模塊所提供的太陽光直射角度，由單片機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，改變透鏡、太陽能板組合的水平角和俯仰角，使其正對太陽光，達(dá)到最佳接收效果，而后將太陽能儲存在蓄電池中。

3、小車運(yùn)動模塊，利用上述光能發(fā)電產(chǎn)生動力，使得小車運(yùn)動

小車?yán)眯铍姵刂械碾娔苓\(yùn)動，本方案采用紅外遙控方式來控制小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等行為

模塊示意圖：

 

2.1最佳太陽光入射角度檢測模塊

本文的方法中首先要知道的便是太陽光的最佳入射角度，知道這個角度后才可以讓太陽能電池移動到最佳接受位置。我們使用傳感器來感受太陽光的強(qiáng)弱以此來確定太陽光的最佳入射角度。

太陽光的最佳入射角度具體分為水平方位角和垂直俯仰角，因此我們需要讓傳感器沿著兩個軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動。先在水平方向轉(zhuǎn)360°，邊轉(zhuǎn)邊進(jìn)行采樣分析，記錄下光照最強(qiáng)的那個角度，再在垂直方向轉(zhuǎn)動180°，同樣進(jìn)行采樣分析，記錄下光照最強(qiáng)的點(diǎn)。

 

1、傳感器的選擇

有多種傳感器可供選擇，如光敏電阻，光敏三極管，光敏二極管，光伏電池。

對于光敏三極管、光敏二極管，經(jīng)驗(yàn)證，在外加5v電源下，光照非常弱時亦能導(dǎo)通，不佳。

光敏電阻在外接5v電源時，無光照條件下，電阻很大，電路中電流很小，在一定光強(qiáng)時電阻很小，電流迅速增大，符合系統(tǒng)要求。但光敏電阻受溫度和周圍環(huán)境影響很大。

光伏電池有如下優(yōu)點(diǎn)：將接受的光轉(zhuǎn)化為電信號，無需外接電源;在一定范圍內(nèi)，隨光強(qiáng)增大，產(chǎn)生的電信號呈線性增大，穩(wěn)定性好;受溫度已經(jīng)環(huán)境因素影響較小。

2、步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動電路

步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移的機(jī)電執(zhí)行元件，每當(dāng)輸入一個電脈沖信號時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度(步進(jìn)角)。

3、同時我們將監(jiān)測傳感器的電流值大小，當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎或行駛到陰影里時，傳感器的電流值將會小于一個閾值，這時我們便開始重新監(jiān)測最佳的太陽入射角。若監(jiān)測一周下來，最大的值還是比閾值小，那么判定為陰影或其他狀況，延遲一段時間后再進(jìn)行監(jiān)測。

2.2太陽能的接受

現(xiàn)如今的太陽能發(fā)電大多都是固定地點(diǎn)放置大量的太陽能電池板來發(fā)電。這種方法又一個不好的地方就是太笨重了，沒有便攜性。因此我們便想了一個方法，通過透鏡的聚焦性，讓大面積的光聚焦在比較小的太陽能電池板上，這樣太陽能電池板的面積便可以大大減小。而透鏡我們選擇菲涅爾透鏡，這種透鏡可以將大部分可見光及紅外光聚焦起來，而且成本低，質(zhì)量輕。從而更加使得這個系統(tǒng)適合于便攜。

將太陽能電池板固定在透鏡的焦點(diǎn)上。因此我們只要控制透鏡的朝向即可，根據(jù)監(jiān)測到的最佳入射角(水平方向角、垂直俯仰角)轉(zhuǎn)向透鏡，使之始終垂直于太陽入射光，這樣便可實(shí)現(xiàn)能源的最大接受。

具體的操作流程與模塊1類似，參見上一模塊流程圖。

系統(tǒng)示意圖如下：

 

 

2.3太陽能存儲及控制

完成了太陽光最佳入射角的檢測以及太陽能電池板的移位之后便要將太陽能存儲起來，以供小車驅(qū)動及電機(jī)的耗能。因此我們需要一個蓄電電路，由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組成。

2.3.1太陽能控制器

由于太陽能電池的輸入電壓及功率受光照等因素影響而不穩(wěn)定，因此需要一個太陽能充放電控制器對其進(jìn)行控制以達(dá)到對蓄電池充電保護(hù)，放電保護(hù)，析氣調(diào)節(jié)，超壓保護(hù)，過流保護(hù)等 ，使之不會過充過放電。

太陽能控制器主要包裹單片機(jī)、電壓采集單元、逆變單元、電流電壓反饋單元、保護(hù)單元、運(yùn)行指示輸出單元等。

其中單片機(jī)作為微處理器控制作用;電流電壓反饋單元對系統(tǒng)電壓電流反饋信號檢測，可采用電阻法、霍爾傳感器法、互感器法;電壓采集單元由可調(diào)電阻與單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;保護(hù)單元檢測電路電流以防止短路等情況;指示單元可現(xiàn)實(shí)電路各種工作狀態(tài)并在異常時發(fā)出警報(bào)。

下面是該模塊的流程圖

 

2.3.2能量存儲

對于蓄電池的選用可以選普通的鉛酸蓄電池，成本可以低一些，也已經(jīng)足矣達(dá)到我們的要求了。

由于暫時沒有找到可以邊充電邊放電的蓄電池，因此我們只能選用兩個蓄電池，一個對系統(tǒng)進(jìn)行供能，一個進(jìn)行充電，當(dāng)充滿后可以再將兩者互換繼續(xù)使用。兩者的互換可以通過單片機(jī)控制繼電器來實(shí)現(xiàn).

示意電路圖如下

 

 

2.4小車的遙控及驅(qū)動模塊

有了能源動力，小車的行駛也必須要得到控制，因此在方案里，我們采用紅外遙控小車的運(yùn)動，并實(shí)現(xiàn)對小車兩個蓄電池的切換。

2.4.1紅外遙控小車的運(yùn)動：

小車的運(yùn)動模式有4種：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，在本方案中，設(shè)計(jì)成有四個按鈕來分別代表上述四種運(yùn)動模式，放開按鈕則代表小車停止運(yùn)動。

小車所使用的普通直流電機(jī)的工作電壓大于單片機(jī)輸出端所提供的電壓，因此還需要一個電機(jī)驅(qū)動芯片

小車的遙控實(shí)現(xiàn)：

 

 

2.4.2小車車速的控制：

本方案中出于成本考慮，并未采用步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行精確的調(diào)速，而是采用了普通的直流電機(jī)，可采用PWM調(diào)速法進(jìn)行調(diào)速，利用單片機(jī)輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的速度

2.4.3小車的轉(zhuǎn)向:

小車的轉(zhuǎn)向采用差速法，即兩個直流電機(jī)分別控制兩個輪子，當(dāng)兩個輪子的轉(zhuǎn)速一致時，小車前進(jìn)或后退，當(dāng)兩個輪子同向但有速度差時，小車轉(zhuǎn)向

2.4.4兩個蓄電池的切換：

在本方案中，采用的蓄電池不能同時進(jìn)行充電和放電過程，因此必須使用兩個蓄電池，一個電池供電給小車使用，另一個電池吸收太陽能充電，因此勢必要控制好兩個蓄電池的切換，考慮用單片機(jī)控制繼電器的通斷來切換蓄電池的狀態(tài)，而控制信號可以由用戶通過紅外遙控輸出

在上述的兩個過程中，單片機(jī)的具體工作包括對用戶指令的解碼、對電機(jī)驅(qū)動芯片的控制、對繼電器的控制這三個部分

3.可行性分析

3.1太陽能的接受轉(zhuǎn)化及耗能

3.1.1太陽能發(fā)電中最重要的便是太陽能電池板。因?yàn)樘柲芾寐实牡拖率沟萌绾翁岣咛柲茈姵匕宓墓怆娹D(zhuǎn)換率成為了一個關(guān)注的問題。

光伏電池的輸出電流：

 

 

其中np 并聯(lián)的光伏電池個數(shù) ，

ns 串聯(lián)的光伏電池個數(shù)，

Iph 用來表示太陽能光伏電池所產(chǎn)生的電流 。

 

 

S為太陽的日照強(qiáng)度

ISSO 是太陽能光伏電池工作在參考溫度和日照條件下的測得的短路電流

Isat 太陽能反向飽和電流

q：一個電子所含的電荷量

k：波爾茲曼常數(shù)

T：太陽能光伏電池的溫度

A：太陽能光伏電池的理想因數(shù)(1~5)

V:輸出電流

那么可得太陽能光伏電池的輸出功率[!--empirenews.page--]

 

 

由上訴三個公式可知，太陽能電池板的輸出功率和光照強(qiáng)度和溫度有關(guān)

 

由上訴兩圖所示，溫度一定時，提高光照強(qiáng)度可以提高輸出功率。則我們來估算一下太陽能電池板的輸出功率大概有多少。

假設(shè)環(huán)境為AM1.5，太陽常數(shù)1200W/m2，溫度25攝氏度。

設(shè)我們的菲涅爾透鏡的表面積為30cm*30cm，則接受到的太陽光功率，

P陽=1200*(30*30)/10000=108w

普通光照時一般的太陽能板的轉(zhuǎn)化率為15%左右，如今我們將菲涅爾透鏡接收到的陽光聚焦，增大了光照強(qiáng)度，則可提高單位面積上的太陽能轉(zhuǎn)化率。

假設(shè)我們的太陽能電池板面積10cm*10cm,那么光照強(qiáng)度便提升了(30*30)/(10*10)=9倍。由公式(2)知，光伏電池產(chǎn)生的電流提高了9倍，理論上分析可得太陽能電池板的輸出功率增加了好幾倍，但由于材料的性能以、溫度升高以及能量存儲時的消耗等方面原因，實(shí)際的轉(zhuǎn)化率提升并不如理論上這么理想，保守估計(jì)轉(zhuǎn)化率為20%-25%

那么我們粗略計(jì)算可得

P輸出=P陽*η=108w*22.5%=24.3w

假設(shè)經(jīng)過太陽能控制器和蓄電池后損耗10%的能量，

那么最后存入蓄電池的能量為

P存=P輸出*90%=21.87w

3.1.2步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：

 

 

其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米。

現(xiàn)假設(shè)半徑為5CM，每分鐘轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/min，小車總重量20k，則滾動摩擦力為，設(shè)滾動摩擦因數(shù)為0.1;那么f=20N;

 

 

 

本小車上需要使用的步進(jìn)電機(jī)為6-7個，則消耗功率為18-22w。

3.2行駛速度對入射角的影響分析

現(xiàn)在來分析下當(dāng)小車沿著一個方向快速行駛時，對入射角的偏移會造成多大的影響。

已知太陽到地球的距離為一億五千萬公里，這么遠(yuǎn)的距離相對于地球的半徑可看成太陽光線都是平行到達(dá)地球的。已知地球的半徑為r=6400km，假設(shè)小車的速度為100km/h。

東西走向

 

 

小車從A地以100km/h的速度由西向東行駛，1分鐘后經(jīng)過了

S=100/60 km

對應(yīng)的在地球上的角度為

 

 

設(shè)太陽光與地表切平面的夾角為β，那么由圖分析可知小車從A地到B地的β角變化了

而地球自轉(zhuǎn)的時候角度變化為

 

180/(12*60)=0.25º

那么小車從A地到B地實(shí)際的角度變化為=0.25º±0.0149º

 

當(dāng)小車從西向東走時，取﹢號

當(dāng)小車從東向西走時，取﹣號

小車速度對俯仰角角度的偏差為

0.0149/0.25=5.9%，可以忽略不計(jì)。

因此小車東西走向時對俯仰角的偏差基本可以忽略不計(jì)。

南北走向

 

 

假設(shè)在1min內(nèi)地球不偏轉(zhuǎn)，那么小車南北走向行駛時只有對方向角有偏差影響。

假設(shè)條件如東西走向，那么小車在1min內(nèi)走過的角度為

 

 

同理，由于地球的偏轉(zhuǎn)為自西向東，因此不會對方向角產(chǎn)生影響。產(chǎn)生影響的只有小車行駛產(chǎn)生的角度偏差。

那么小車以100km/h南北走向行駛1min后產(chǎn)生的方向角偏差只有

 

 

基本可以忽略不計(jì)。

4.總結(jié)

大多數(shù)的太陽能汽車的電池板都是平鋪在汽車頂部，不會隨著太陽光的入射角度改變方向，太陽能的利用效率極低，而且因?yàn)樘柲馨迕娣e過大，成本過高，因此嚴(yán)重阻礙了太陽能能源的推廣，在當(dāng)今能源緊缺、環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)的時代，降低清潔能源的那個成本，充分利用清潔能源已成當(dāng)務(wù)之急，而本方案正好提供了一個解決這些問題的辦法，1、我們采用了光追蹤模塊對太陽光的光照強(qiáng)度實(shí)時監(jiān)測，定位太陽光的入射角度，使太陽能接收器始終正對陽光，大大提高了太陽能的利用效率。2、利用了菲涅爾透鏡對太陽光進(jìn)行聚焦，使得太陽能電池板可以做到足夠小，節(jié)省了昂貴的太陽能板成本，無疑對推廣太陽能這種綠色能源有著巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，本方案中采用的菲涅爾透鏡具有重量輕、價格低的優(yōu)點(diǎn)，而且已經(jīng)應(yīng)用于太陽能聚光發(fā)電的工業(yè)用途上，前景相當(dāng)樂觀。但需要注意的是由于目前技術(shù)的限制，光電轉(zhuǎn)換的效率并不是很高，因此光能發(fā)電在本方案中只作輔助能源之用，起到節(jié)約能源的作用，并不能作為完全的替代能源使用。

原有方法	本方案優(yōu)勢	待改進(jìn)點(diǎn)
原方案需要大量的太陽能電池板	用透鏡方法提高了單位面積下的光照強(qiáng)度，減小的太陽能電池板的面積，同等功率下可以減少50%以上面積	需要控制太陽能電池板的溫度，溫度過高時轉(zhuǎn)化率較低
太陽能電池板固定地點(diǎn)無法移動	由于太陽能電池板的面積減小，因此便于攜帶，可用于移動物體上	透鏡的選用要質(zhì)量更輕，精度更高
太陽能電池板方向固定，隨著太陽轉(zhuǎn)動接受陽光	令太陽光始終以垂直角度射到透鏡和太陽能電池板上，能量最大化	透鏡及太陽能板一起移動時會有額外的能量消耗，需要將能量消耗做到最小
有些方案依據(jù)某地固定的陽光軌跡令太陽能板按照既定的軌跡轉(zhuǎn)動	我們實(shí)時檢測電流強(qiáng)度，在電流變?nèi)鯐r自動檢測太陽光的最佳位置，實(shí)現(xiàn)跟蹤功能	需要識別烏云，微小轉(zhuǎn)彎等情況下的識別，避免多做功