便携式太阳能装置的设计与应用先进制造技术作业.docx
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便携式太阳能装置的设计与应用先进制造技术作业
便携式太阳能装置的设计与应用
摘要:
文中设计一种便携式太阳能装置,该装置以电动推杆和步进电机为输出动力,通过信息反馈、电子伺服以及可编程控制等技术,可自动完成太阳能板横向和纵向的快速折叠、展开以及逐日动作。
展开后太阳能板的采光面积达3平方米。
具有动作迅速,结构紧凑,携带方便,自动化程度高等特点,可广泛用于野外工作及军事活动中。
关键词:
太阳能板;折叠&展开机构;追日系统;电动推杆;步进电机
0引言
折叠太阳能装置主要用于野外工作及野外活动中,随着现代通讯技术、电子工业的发展,电子通讯工具及各种电器用品在野外的应用量越来越大,电源的获得与电源的补给已成为一种新的问题,如野外地质勘测、探险、野外军事活动等等,所使用的电器用品都需要得到电源及电源的补给。
普通的电池由于容量有限,不可大量携带,且大量使用时价格昂贵。
因此太阳能电池是上述这些活动中电源获取及电源补给的一种重要方式,会越来越得到更多的使用[1]。
但传统的太阳能装置是一种板式结构,携带很不方便,尤其是需要电源功率较大时,板的面积也同步增大,大面积板的携带是很困难的,甚至是不可能的。
目前可自动折叠及展开的太阳能电池板大量的应用于航空航天领域,由于其工作的空间环境具有真空失重的特殊性,因此这一类太阳能板的自动展开及折叠使用微电机或扭簧驱动就能实现[2]。
而在民用领域,虽然也有折叠式的,但大多数只是只能依靠人工来完成展开及折叠,在结构偏大的情况下,尚远远不能很好的满足使用方便性的要求。
本课题正是基于这一方面的研究,设计了以下结构,它能很好的解决板式结构的自动折叠、展开、逐日等一系列复杂的问题。
1折叠及展开机构
本部分的设计目标是设计一种可自动完成二维展开及折叠动作的太阳能板的板式结构。
要求动作迅速,方便汽车的携带,太阳能阵面展开面积为3㎡,折叠面积为0.5㎡。
由六块4550x100mm的小面积板组成,如图1所示。
折叠步骤分为两步,第一步完成横向折叠,将图1所示的阵面1、3和4、6分别折叠到2、5上;第二步完成纵向折叠,将完成第一步折叠的两部分继续纵向折叠,使比表面积进一步减小,方便汽车的携带。
折叠及展开机构的输出动力来自于安装在各个部位的电动推杆,电动推杆相对于液压缸和气缸有着独到的优点,例如:
电动推杆不需要复杂的成套系统支持(包括泵,管道,阀门,50过滤器,很多接头等);我们可以节约很多的空间,而且在无维护的情况下,安全可靠的工作;没有油污的污染,大幅度降低噪音,保持洁净/安静的工作环境;整体质量轻,体积小,安装运输方便;运行精度高,而且可以实现远距离控制、集中控制或程序自动控制等。
图1太阳能阵面示意图
1.1横向折叠结构
为减少折叠太阳能板的空间,提高折叠效率和速度,本文设计横向折叠单元结构为对称结构,利用抽屉滑道的原理,两块5(太阳能板)通过4(滑道)与3(箱体)连接,以固定在箱体两边的2(电动推杆)为输入动力,分别带动上下太阳能板板收缩及伸出。
简化分析问题,略去锁定和解锁等机构,简化后每个单元的横向折叠机构包括箱体、挡板、太阳能板、推杆、滑道等部件,如下图2所示:
图2横向折叠结构图
1—挡板;2—电动推杆;3—箱体;4—滑道;5—太阳能板;
该折叠机构中,由于电动推杆与太阳能板的挡板相连接,推杆的伸缩动作即可带动上下两块太阳能板自动伸缩,从而实现横向折叠动作。
1.2纵向折叠结构
经上一步骤的横向折叠后,太阳能板折叠成相互平行的两个大单元。
为简化分析问题,略去锁定和解锁等机构,简化后纵向折叠机构包括两个板式折叠单元、推杆、上、下横梁、以及两根连杆,共计7个杆件7个运动副。
其构造如下图3所示:
该纵向折叠机构中,3(上横梁)与基座连接固定,6(电动推杆)为输出动力,固定于3(上横梁)上,且活塞杆与1(下横梁)连接固定,4(左单元)、5(右单元)与1(上横梁)分别以转动副连接,2(左连杆)两端分别以转动副连接1(下横梁)和4(左单元),7(右连杆)两端分别以转动副连接和1(下横梁)和5(右单元)。
当6(电动推杆)伸出时,带动左右单元4、5向下合拢,从而达到纵向折叠的目的。
折叠后的图形如下图4所示:
图3纵向折叠结构图
1—下横梁;2—右连杆;3—上横梁;4—左单元;5—右单元;6—电动推杆;7-左连杆
图4完全折叠结构图
1.3反馈机构
在折叠与展开过程中有一个重要的信号检测和反馈元件。
即安置在横向和纵向电动推杆中的编码器(encoder),编码器把角位移或直线位移转换成电信号,前者称为码盘,后者称码尺。
它可以检测电动推杆行程的准确位置[3][4],并将检测信号传递到太阳能装置的PLC控制系统中进行快速而准确的对比,从而更准确地决定和验证太阳能板是否完全折叠或完全展开。
而且在系统每次启动之前,该检测信号可以用来检验折叠系统的安全性和可靠性。
折叠系统只有在接到PLC的指令后才决定是否开始动作。
2“追日”机构
上述的可自动折叠及展开的太阳能板是接受太阳光的部件,必须按照一定的倾角来固定,由于一般的装置不能够保证接受太阳光的部件与太阳光始终垂直,大大降低了单位面积上的太阳能的利用效率[5]。
下文所叙述的一种旋转装置,它采用电子伺服控制来实现自动控100制与调整,经过一系列的信号检测,能够使固定在该装置上接受太阳光部件的表面始终与太阳光垂直,大大提高了太阳能的利用效率。
逐日机构的旋转动力来自于安装在机架上的步进电机。
相较于一般的电机,步进电机有十分独到的优点,例如:
步进电机具有优秀的起停和反转响应;负载可直接连接到电机的转轴上并且可以极低速的同步旋转;由于每步的精度在3%-5%,而且不会将一步的误差积累105到下一步,因而有较好的位置精度和运动的重复性;步进电机最有意义的一个优点就是电机的响应仅由数字输入脉冲确定,因而在开环系统里可以实现精确的控制[6]。
开环控制意味着不需要关于(转子)位置方面的反馈信息。
这种控制避免了使用昂贵的传感器以及像光学编
码器这样的反馈设备,因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你(转子)的位置。
2.1固定及旋转机构
装置的固定及旋转结构如图5、图6所示。
主要由感光元件、执行元件、传动组件以及控制系统组成。
该结构的旋转动力来自步进电机。
将上述的自动折叠及展开机构固定在1、14(人字型支架)上,利用前后支架的高度差,可使太阳能板与地面成45°角。
在非工作状态下,人字形支架可在10、13(转轴)的作用下可折叠并拢,以便进一步减小折叠后的空间。
选用一种大扭矩的4(步进电机),电机的转轴通过销圆柱销与11(上横梁)连接,由于太阳能装置的5(箱体)固定在11(上横梁)上,随着步进电机的转动,太阳能装置的折叠单元便可实现“追日”功能。
图5旋转结构图
1-左支架;2-连杆;3-左支撑筒;4-步进电机;5-箱体;6-电动推杆;7-挡板;8-PSD传感器;9-右支撑筒;10-转轴;11-上横梁;12-电动推杆;13-转轴;14-右支架;15-下横梁;
图6固定支架结构图
10-上转轴;13-下转轴
2.2旋转机构的工作原理
下面以上述结构示意图为例,进一步简要说明该旋转机构的工作原理及应用。
在该太阳能板上表面上安装有高精度的二维PSD传感器(PositionSensitiveLightDetector),安装时,PSD的遮光罩的顶部平面以及受光面均要与旋转台的固定平板面平行,在正常的工作状态下,它可以检测太阳光的入射光线与固定平面法线的夹角。
太阳光透过二维PSD传感器的透光孔到达传感器的受光面后,受光面的四个电极就产生电流,这些电信号依次经过前置放大电路、滤波电路以及采样保持电路后,再经过A/D转换器转换成数字量后保存到中央逻辑控制系统(PLCSystem)的寄存器R中。
若入射点光的位置在受光面的中心,则受光面
的各个电极的电流均相等,此时入射光线与固定平面垂直;若入射点光的位置不在受光面的中心,受光面的电极电流不相等。
可通过下列步骤调整旋转平面:
①通过确定入射点光与受光面中心的相对位置,计算出入射光线与固定平面法线的夹角;②通过计算出控制水平转动的步进电机和控制竖直转动的步进电机的旋转角度,使入射太阳光线与固定平面法线之间的140夹角为0。
;③计算出输出控制字节,再由单片机根据计算结果发出控制指令,通过单片机与步进电机的接口电路以及多路转换开关来依次选择控制步进电机,并使它们转动到对应的角度,使太阳光的入射光线与固定平面法线的夹角为0[5]。
下图7,即为二维自动旋转台的工作原理图。
图7旋转机构工作原理图
另外,该机构在PLC中心控制系统的控制下可以自动控制整个太阳能装置在紧急情况下的停止以及解除制动后的重新启动,使整个太阳能装置更好处于智能化操作过程中。
例如,当发生诸如动力系统的电源断开等此类紧急状态时,PLC中心控制系统会发出紧急信号给折叠系统及逐日系统的控制单元,依靠太阳能装置本身的蓄能设备为折叠系统和逐日系统供电,依次驱动电动推杆和步进电机回到初始状态,对其进行实时保护,使整个装置处于安全的运输状态,以便于为太阳能装置的下一步操作做好必要准备,如进行维护或修理等等。
综合以上设计,该机构可在非人力作用下快速实现折叠及展开及逐日动作。
展开后的采光面积达3平方米以上,折叠后的所占的空间体积相比普通太阳能板大大减少(如图8所示总宽395mm,总高805mm),非常方便于野外携带和使用。
达到了设计的目的。
图8太阳能装置折叠结构图
3结语
野外活动使用中的太阳能电池板,其携带方便性及使用方便性是最重要的性能要求,本设计解决了大型太阳能板板式结构的快速自动多重折叠展开及旋转的问题。
具有结构紧凑,携带方便,自动化程度高等特点。
与普通不能折叠的太阳能电池板相比,这种性能至少能使产品的销售价格提高50%——80%,而新增成本只提高了30%,新增投资利润率极高。
随着太阳能电池成本的不断降低,随着电子、电讯等工具在野外应用的增多,可自动完成多重展开及折叠的大型太阳能电池板的使用将会随着这种变化而增加。
本设计的多重折叠太阳能电池板,可以做到三平方米以上的采光面积时,仍很方便携带及使用,有可能会成为野外工作
及野外活动必备的随车配件,有着非常可观的应用前景。
[参考文献](References)
[1]叶少军,可折叠的太阳能电池板组:
中国,ZL200720111494.6[P].2008-9-10.
[2]陈务军,张淑杰.空间可展结构体系与分析导论[M],北京:
中国宇航出版社,2006
[3]何希才.传感器及其应用[M].北京:
国防工业出版社,2001:
95-100
[4]段朝辉.浅谈液压系统在风力发电机中的应用[J].中国风电资讯,2010(01):
32-34
[5]叶继涛,陈儿同,王芳等.步进电机在二维自动旋转台中的应用[J].驱动控制,2003(4):
35-43
[6]史敬灼,步进电动机伺服控制技术[M].北京:
科学出版社,2007.
现代设计方法在此设计中的应用:
1、创新设计:
自动打开折叠太阳能板应用于民用。
追日机构始终保持与阳光垂直以便接受更多太阳能。
2、绿色设计:
是指借助产品生命周期中与产品相关的各类信息,利用并行设计等各种先进的设计理论,使设计出的产品具有先进的技术性、良好的环境协调性以及合理的经济性的一种系统设计方法。
利用太阳能供给外出所需能源,无污染,节能。
3、优化设计:
它不同于传统的设计思想,是在符合一系列限制条件的前提下,应用最优化数学原理求解满足最优结果的设计参数解的一种现代化设计方法。
此设计中,首先将问题按照优化设计错规定的格式建立数学模型,然后用合适的有话计算方法在计算机中对数学模型进行寻优求解,得到工程设计问题的最有设计方案,例如横纵向折叠机构在生产前必须进行建模以便达到力学结构学的各要求。
4、可靠性设计:
它是在规定是时间内、规定的条件下,以概率论和数理统计为理论基础,以失效分析,失效预测及各种可靠性试验为依据,以完成产品规定功能为目标的现代设计方法。
5、计算机辅助设计:
它是把人们的经验、智慧和创造力与计算机运算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等功能有机的结合起来,进行设计信息处理,发挥人和及其的各自特长,通过人际交换作用完成设计工作的一种现代设计方法。
分析设计过程:
以计算机技术为核心,对传统设计理论与方法的继承、延伸与扩展,不仅限于方案设计、技术设计,由经验的、类比的设计方法像精确的、优化的方法延伸,由确定的设计模型向随机的模糊的模型延伸,由单思维模式向多思维模式的延伸,而且表现为设计范畴的不断扩大。
把已有的太空太阳能技术移植简化到日常野外生活,微型化方便化,这过程中,计算机替代传统的手工设计,已经从简单的计算机设计和绘图发展到优化设计、并行设计、三维特征建模、面向制造与装配的设计制造一体化,把一个想法二维三维的表现出来并加以分析,以减少日后的生产中出现各种因涉及不妥导致的损坏,可靠性设计在此发挥其巨大作用。
先进制造工艺在此设计中的应用:
1、超精密加工:
2、微细/纳米加工技术:
3、告诉加工技术
4、现代特种加工技术
5、快速原型制造技术
6、绿色制造技术
先进制造技术在此设计中的应用:
1、现代数控加工技术
2、工业机器人技术
3、柔性制造技术
4、自动检测与监控技术
作业小结:
此次作业,真的遇到很多困难,因为没有学的东西太多了,从开始的抱怨到最后认真的翻阅资料,收获真的挺多的,通过图书馆资料的翻阅,我了解了一些先进制造工艺与先进制造方法,虽然只是皮毛,但是随着今后的学习的深入我相信一定能更深入的了解这些先进的思想与技术,翻阅的同时,仍然很多东西无法看懂,为今后的学习留下了许多伏笔。
此次作业的完成真的很有难度。
学生不才,仅仅完成到此程度,望老师谅解。
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
机械0801
姓名:
学号:
完成日期:
2011.10.23
先进制造工艺技术
作业题目:
便携式太阳能装置的设计与应用
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
机械0801
姓名:
学号:
完成日期:
2011.10.23
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- 关 键 词:
- 便携式 太阳能 装置 设计 应用 先进 制造 技术 作业
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