自動(dòng)逐日式太陽(yáng)能小車(chē)軟硬件方案實(shí)現

21世紀最緊缺的便是能源，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(yáng)能、核能、風(fēng)能等新能源中太陽(yáng)能不但無(wú)污染而且儲量豐富。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強度為1369w/㎡。地球赤道的周長(cháng)為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jì)H為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說(shuō)太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬(wàn)噸煤。如此巨大的能量寶庫如何不讓人心動(dòng)?

現如今很多地方都已經(jīng)用太陽(yáng)能代替原先能源。太陽(yáng)能發(fā)電是應用最多的。但太陽(yáng)能發(fā)電由于材料的原因，從太陽(yáng)的光能轉化為電能的轉化率不是很高，而且太陽(yáng)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備，尤其是大功率的移動(dòng)交通工具。

因此我們就想通過(guò)用較小的太陽(yáng)能板來(lái)吸收較多的太陽(yáng)能來(lái)實(shí)現太陽(yáng)能利用率的提高，以及作為汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，已達到節能減排的效果。本設計的目標便是通過(guò)透鏡的方法，提高單位面積的太陽(yáng)能電池板上的光照強度，從而減輕了太陽(yáng)能發(fā)電系統的重量，使之有可能應用于實(shí)際的太陽(yáng)能車(chē)的設計上。讓汽車(chē)的能源從石油轉變成清潔的太陽(yáng)能，保護環(huán)境實(shí)現可持續發(fā)展。

2.工作原理

本系統分為光追蹤模塊、光能收集模塊、小車(chē)運動(dòng)模塊。

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

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

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

3、小車(chē)運動(dòng)模塊，利用上述光能發(fā)電產(chǎn)生動(dòng)力，使得小車(chē)運動(dòng)

小車(chē)利用蓄電池中的電能運動(dòng)，本方案采用紅外遙控方式來(lái)控制小車(chē)的前進(jìn)、后退、轉彎等行為

模塊示意圖：

2.1最佳太陽(yáng)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(yáng)光的最佳入射角度，知道這個(gè)角度后才可以讓太陽(yáng)能電池移動(dòng)到最佳接受位置。我們使用傳感器來(lái)感受太陽(yáng)光的強弱以此來(lái)確定太陽(yáng)光的最佳入射角度。

太陽(yáng)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(zhù)兩個(gè)軸進(jìn)行轉動(dòng)。先在水平方向轉360°，邊轉邊進(jìn)行采樣分析，記錄下光照最強的那個(gè)角度，再在垂直方向轉動(dòng)180°，同樣進(jìn)行采樣分析，記錄下光照最強的點(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)驗證，在外加5v電源下，光照非常弱時(shí)亦能導通，不佳。

光敏電阻在外接5v電源時(shí)，無(wú)光照條件下，電阻很大，電路中電流很小，在一定光強時(shí)電阻很小，電流迅速增大，符合系統要求。但光敏電阻受溫度和周?chē)h(huán)境影響很大。

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

2、步進(jìn)電機以及驅動(dòng)電路

步進(jìn)電動(dòng)機是一種將電脈沖信號轉變成相應的角位移的機電執行元件，每當輸入一個(gè)電脈沖信號時(shí)，它便轉過(guò)一個(gè)固定的角度(步進(jìn)角)。

3、同時(shí)我們將監測傳感器的電流值大小，當小車(chē)轉彎或行駛到陰影里時(shí)，傳感器的電流值將會(huì )小于一個(gè)閾值，這時(shí)我們便開(kāi)始重新監測最佳的太陽(yáng)入射角。若監測一周下來(lái)，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(shí)間后再進(jìn)行監測。

2.2太陽(yáng)能的接受

現如今的太陽(yáng)能發(fā)電大多都是固定地點(diǎn)放置大量的太陽(yáng)能電池板來(lái)發(fā)電。這種方法又一個(gè)不好的地方就是太笨重了，沒(méi)有便攜性。因此我們便想了一個(gè)方法，通過(guò)透鏡的聚焦性，讓大面積的光聚焦在比較小的太陽(yáng)能電池板上，這樣太陽(yáng)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(jiàn)光及紅外光聚焦起來(lái)，而且成本低，質(zhì)量輕。從而更加使得這個(gè)系統適合于便攜。

將太陽(yáng)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，根據監測到的最佳入射角(水平方向角、垂直俯仰角)轉向透鏡，使之始終垂直于太陽(yáng)入射光，這樣便可實(shí)現能源的最大接受。

具體的操作流程與模塊1類(lèi)似，參見(jiàn)上一模塊流程圖。

系統示意圖如下：

2.3太陽(yáng)能存儲及控制

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

2.3.1太陽(yáng)能控制器

由于太陽(yáng)能電池的輸入電壓及功率受光照等因素影響而不穩定，因此需要一個(gè)太陽(yáng)能充放電控制器對其進(jìn)行控制以達到對蓄電池充電保護，放電保護，析氣調節，超壓保護，過(guò)流保護等 ，使之不會(huì )過(guò)充過(guò)放電。

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

其中單片機作為微處理器控制作用;電流電壓反饋單元對系統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電阻與單片機A/D轉換模塊組成，將模擬信號轉換為數字信號;保護單元檢測電路電流以防止短路等情況;指示單元可現實(shí)電路各種工作狀態(tài)并在異常時(shí)發(fā)出警報。

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)足矣達到我們的要求了。

由于暫時(shí)沒(méi)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(gè)蓄電池，一個(gè)對系統進(jìn)行供能，一個(gè)進(jìn)行充電，當充滿(mǎn)后可以再將兩者互換繼續使用。兩者的互換可以通過(guò)單片機控制繼電器來(lái)實(shí)現.

示意電路圖如下

2.4小車(chē)的遙控及驅動(dòng)模塊

有了能源動(dòng)力，小車(chē)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(chē)的運動(dòng)，并實(shí)現對小車(chē)兩個(gè)蓄電池的切換。

2.4.1紅外遙控小車(chē)的運動(dòng)：

小車(chē)的運動(dòng)模式有4種：前進(jìn)、后退、左轉、右轉，在本方案中，設計成有四個(gè)按鈕來(lái)分別代表上述四種運動(dòng)模式，放開(kāi)按鈕則代表小車(chē)停止運動(dòng)。

小車(chē)所使用的普通直流電機的工作電壓大于單片機輸出端所提供的電壓，因此還需要一個(gè)電機驅動(dòng)芯片

小車(chē)的遙控實(shí)現：

2.4.2小車(chē)車(chē)速的控制：

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

2.4.3小車(chē)的轉向:

小車(chē)的轉向采用差速法，即兩個(gè)直流電機分別控制兩個(gè)輪子，當兩個(gè)輪子的轉速一致時(shí)，小車(chē)前進(jìn)或后退，當兩個(gè)輪子同向但有速度差時(shí)，小車(chē)轉向

2.4.4兩個(gè)蓄電池的切換：

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

在上述的兩個(gè)過(guò)程中，單片機的具體工作包括對用戶(hù)指令的解碼、對電機驅動(dòng)芯片的控制、對繼電器的控制這三個(gè)部分

3.可行性分析

3.1太陽(yáng)能的接受轉化及耗能

3.1.1太陽(yáng)能發(fā)電中最重要的便是太陽(yáng)能電池板。因為太陽(yáng)能利用率的低下使得如何提高太陽(yáng)能電池板的光電轉換率成為了一個(gè)關(guān)注的問(wèn)題。

光伏電池的輸出電流：

其中np 并聯(lián)的光伏電池個(gè)數 ，

ns 串聯(lián)的光伏電池個(gè)數，

Iph 用來(lái)表示太陽(yáng)能光伏電池所產(chǎn)生的電流 。

S為太陽(yáng)的日照強度

ISSO 是太陽(yáng)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(yáng)能反向飽和電流

q：一個(gè)電子所含的電荷量

k：波爾茲曼常數

T：太陽(yáng)能光伏電池的溫度

A：太陽(yáng)能光伏電池的理想因數(1~5)

V:輸出電流

那么可得太陽(yáng)能光伏電池的輸出功率由上訴三個(gè)公式可知，太陽(yáng)能電池板的輸出功率和光照強度和溫度有關(guān)

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

假設環(huán)境為AM1.5，太陽(yáng)常數1200W/m2，溫度25攝氏度。

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

P陽(yáng)=1200*(30*30)/10000=108w

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

假設我們的太陽(yáng)能電池板面積10cm*10cm,那么光照強度便提升了(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(yáng)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(shí)的消耗等方面原因，實(shí)際的轉化率提升并不如理論上這么理想，保守估計轉化率為20%-25%

那么我們粗略計算可得

P輸出=P陽(yáng)*η=108w*22.5%=24.3w

假設經(jīng)過(guò)太陽(yáng)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)電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)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為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓·米。

現假設半徑為5CM，每分鐘轉速為30轉/min，小車(chē)總重量20k，則滾動(dòng)摩擦力為，設滾動(dòng)摩擦因數為0.1;那么f=20N;

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

3.2行駛速度對入射角的影響分析

現在來(lái)分析下當小車(chē)沿著(zhù)一個(gè)方向快速行駛時(shí)，對入射角的偏移會(huì )造成多大的影響。

已知太陽(yáng)到地球的距離為一億五千萬(wàn)公里，這么遠的距離相對于地球的半徑可看成太陽(yáng)光線(xiàn)都是平行到達地球的。已知地球的半徑為r=6400km，假設小車(chē)的速度為100km/h。

東西走向

小車(chē)從A地以100km/h的速度由西向東行駛，1分鐘后經(jīng)過(guò)了

S=100/60 km

對應的在地球上的角度為

設太陽(yáng)光與地表切平面的夾角為β，那么由圖分析可知小車(chē)從A地到B地的β角變化了

而地球自轉的時(shí)候角度變化為

180/(12*60)=0.25º

那么小車(chē)從A地到B地實(shí)際的角度變化為=0.25º±0.0149º

當小車(chē)從西向東走時(shí)，取﹢號

當小車(chē)從東向西走時(shí)，取﹣號

小車(chē)速度對俯仰角角度的偏差為

0.0149/0.25=5.9%，可以忽略不計。

因此小車(chē)東西走向時(shí)對俯仰角的偏差基本可以忽略不計。

南北走向

假設在1min內地球不偏轉，那么小車(chē)南北走向行駛時(shí)只有對方向角有偏差影響。

假設條件如東西走向，那么小車(chē)在1min內走過(guò)的角度為

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

那么小車(chē)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。

4.總結

大多數的太陽(yáng)能汽車(chē)的電池板都是平鋪在汽車(chē)頂部，不會(huì )隨著(zhù)太陽(yáng)光的入射角度改變方向，太陽(yáng)能的利用效率極低，而且因為太陽(yáng)能板面積過(guò)大，成本過(guò)高，因此嚴重阻礙了太陽(yáng)能能源的推廣，在當今能源緊缺、環(huán)保意識逐漸增強的時(shí)代，降低清潔能源的那個(gè)成本，充分利用清潔能源已成當務(wù)之急，而本方案正好提供了一個(gè)解決這些問(wèn)題的辦法，1、我們采用了光追蹤模塊對太陽(yáng)光的光照強度實(shí)時(shí)監測，定位太陽(yáng)光的入射角度，使太陽(yáng)能接收器始終正對陽(yáng)光，大大提高了太陽(yáng)能的利用效率。2、利用了菲涅爾透鏡對太陽(yáng)光進(jìn)行聚焦，使得太陽(yáng)能電池板可以做到足夠小，節省了昂貴的太陽(yáng)能板成本，無(wú)疑對推廣太陽(yáng)能這種綠色能源有著(zhù)巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢，本方案中采用的菲涅爾透鏡具有重量輕、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，而且已經(jīng)應用于太陽(yáng)能聚光發(fā)電的工業(yè)用途上，前景相當樂(lè )觀(guān)。但需要注意的是由于目前技術(shù)的限制，光電轉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，起到節約能源的作用，并不能作為完全的替代能源使用。