自动逐日式太阳能小车软硬件方案实现

1.引言：

21世纪最紧缺的便是能源，地球上的石油和煤都在以惊人的速度消耗，作为不可再生能源，他们最终都将被消耗殆尽。因此寻找新的代替能源便成了摆在科学家们面前的新课题。

太阳能、核能、风能等新能源中太阳能不但无污染而且储量丰富。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369w/㎡。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。如此巨大的能量宝库如何不让人心动？

现如今很多地方都已经用太阳能代替原先能源。太阳能发电是应用最多的。但太阳能发电由于材料的原因，从太阳的光能转化为电能的转化率不是很高，而且太阳能电池板比较笨重，如今很多都只用于定点发电，不能很好的用于便携设备，尤其是大功率的移动交通工具。

因此我们就想通过用较小的太阳能板来吸收较多的太阳能来实现太阳能利用率的提高，以及作为汽车的动力来源，已达到节能减排的效果。本设计的目标便是通过透镜的方法，提高单位面积的太阳能电池板上的光照强度，从而减轻了太阳能发电系统的重量，使之有可能应用于实际的太阳能车的设计上。让汽车的能源从石油转变成清洁的太阳能，保护环境实现可持续发展。

2.工作原理

本系统分为光追踪模块、光能收集模块、小车运动模块。

1、光追踪模块，用来检测得到太阳光的入射角度，以使得透镜、太阳能电池板组合能够时刻正对太阳光，充分利用太阳能产生电能

2、光能收集模块，用来吸收太阳能产生电能，并储存在蓄电池中，供给小车使用

光能收集模块采用了透镜来聚焦光线，使得太阳能电池板的面积大大缩小，降低了成本，光能收集模块根据光追踪模块所提供的太阳光直射角度，由单片机驱动步进电机，改变透镜、太阳能板组合的水平角和俯仰角，使其正对太阳光，达到最佳接收效果，而后将太阳能储存在蓄电池中。

3、小车运动模块，利用上述光能发电产生动力，使得小车运动

小车利用蓄电池中的电能运动，本方案采用红外遥控方式来控制小车的前进、后退、转弯等行为

模块示意图：

  图1：系统框图

2.1最佳太阳光入射角度检测模块

本文的方法中首先要知道的便是太阳光的最佳入射角度，知道这个角度后才可以让太阳能电池移动到最佳接受位置。我们使用传感器来感受太阳光的强弱以此来确定太阳光的最佳入射角度。

太阳光的最佳入射角度具体分为水平方位角和垂直俯仰角，因此我们需要让传感器沿着两个轴进行转动。先在水平方向转360°，边转边进行采样分析，记录下光照最强的那个角度，再在垂直方向转动180°，同样进行采样分析，记录下光照最强的点。

1、传感器的选择

有多种传感器可供选择，如光敏电阻，光敏三极管，光敏二极管，光伏电池。

对于光敏三极管、光敏二极管，经验证，在外加5v电源下，光照非常弱时亦能导通，不佳。

光敏电阻在外接5v电源时，无光照条件下，电阻很大，电路中电流很小，在一定光强时电阻很小，电流迅速增大，符合系统要求。但光敏电阻受温度和周围环境影响很大。

光伏电池有如下优点：将接受的光转化为电信号，无需外接电源；在一定范围内，随光强增大，产生的电信号呈线性增大，稳定性好；受温度已经环境因素影响较小。

2、步进电机以及驱动电路

步进电动机是一种将电脉冲信号转变成相应的角位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲信号时，它便转过一个固定的角度（步进角）。

3、同时我们将监测传感器的电流值大小，当小车转弯或行驶到阴影里时，传感器的电流值将会小于一个阈值，这时我们便开始重新监测最佳的太阳入射角。若监测一周下来，最大的值还是比阈值小，那么判定为阴影或其他状况，延迟一段时间后再进行监测。

2.2太阳能的接受

现如今的太阳能发电大多都是固定地点放置大量的太阳能电池板来发电。这种方法又一个不好的地方就是太笨重了，没有便携性。因此我们便想了一个方法，通过透镜的聚焦性，让大面积的光聚焦在比较小的太阳能电池板上，这样太阳能电池板的面积便可以大大减小。而透镜我们选择菲涅尔透镜，这种透镜可以将大部分可见光及红外光聚焦起来，而且成本低，质量轻。从而更加使得这个系统适合于便携。

将太阳能电池板固定在透镜的焦点上。因此我们只要控制透镜的朝向即可，根据监测到的最佳入射角（水平方向角、垂直俯仰角）转向透镜，使之始终垂直于太阳入射光，这样便可实现能源的最大接受。

具体的操作流程与模块1类似，参见上一模块流程图。

系统示意图如下：

2.3太阳能存储及控制

完成了太阳光最佳入射角的检测以及太阳能电池板的移位之后便要将太阳能存储起来，以供小车驱动及电机的耗能。因此我们需要一个蓄电电路，由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组成。

2.3.1太阳能控制器

由于太阳能电池的输入电压及功率受光照等因素影响而不稳定，因此需要一个太阳能充放电控制器对其进行控制以达到对蓄电池充电保护，放电保护，析气调节，超压保护，过流保护等 ，使之不会过充过放电。

太阳能控制器主要包裹单片机、电压采集单元、逆变单元、电流电压反馈单元、保护单元、运行指示输出单元等。

其中单片机作为微处理器控制作用；电流电压反馈单元对系统电压电流反馈信号检测，可采用电阻法、霍尔传感器法、互感器法；电压采集单元由可调电阻与单片机A/D转换模块组成，将模拟信号转换为数字信号；保护单元检测电路电流以防止短路等情况；指示单元可现实电路各种工作状态并在异常时发出警报。

下面是该模块的流程图

2.3.2能量存储

对于蓄电池的选用可以选普通的铅酸蓄电池，成本可以低一些，也已经足矣达到我们的要求了。

由于暂时没有找到可以边充电边放电的蓄电池，因此我们只能选用两个蓄电池，一个对系统进行供能，一个进行充电，当充满后可以再将两者互换继续使用。两者的互换可以通过单片机控制继电器来实现.

示意电路图如下

2.4小车的遥控及驱动模块

有了能源动力，小车的行驶也必须要得到控制，因此在方案里，我们采用红外遥控小车的运动，并实现对小车两个蓄电池的切换。

2.4.1红外遥控小车的运动：

小车的运动模式有4种：前进、后退、左转、右转，在本方案中，设计成有四个按钮来分别代表上述四种运动模式，放开按钮则代表小车停止运动。

小车所使用的普通直流电机的工作电压大于单片机输出端所提供的电压，因此还需要一个电机驱动芯片

小车的遥控实现：

2.4.2小车车速的控制：

本方案中出于成本考虑，并未采用步进电机来进行精确的调速，而是采用了普通的直流电机，可采用PWM调速法进行调速，利用单片机输出端输出高电平的脉宽及其占空比的大小来控制电机的转速，从而控制小车的速度

2.4.3小车的转向:

小车的转向采用差速法，即两个直流电机分别控制两个轮子，当两个轮子的转速一致时，小车前进或后退，当两个轮子同向但有速度差时，小车转向

2.4.4两个蓄电池的切换：

在本方案中，采用的蓄电池不能同时进行充电和放电过程，因此必须使用两个蓄电池，一个电池供电给小车使用，另一个电池吸收太阳能充电，因此势必要控制好两个蓄电池的切换，考虑用单片机控制继电器的通断来切换蓄电池的状态，而控制信号可以由用户通过红外遥控输出

在上述的两个过程中，单片机的具体工作包括对用户指令的解码、对电机驱动芯片的控制、对继电器的控制这三个部分

3.可行性分析

3.1太阳能的接受转化及耗能

3.1.1太阳能发电中最重要的便是太阳能电池板。因为太阳能利用率的低下使得如何提高太阳能电池板的光电转换率成为了一个关注的问题。

光伏电池的输出电流：

（1）

其中n_p 并联的光伏电池个数 ，

n_s 串联的光伏电池个数，

I_ph 用来表示太阳能光伏电池所产生的电流  。

（2）

S为太阳的日照强度

I_SSO  是太阳能光伏电池工作在参考温度和日照条件下的测得的短路电流

I_sat  太阳能反向饱和电流

q：一个电子所含的电荷量       

k：波尔兹曼常数

T：太阳能光伏电池的温度           

A：太阳能光伏电池的理想因数（1~5）       

 V:输出电流

那么可得太阳能光伏电池的输出功率

  （3）

由上诉三个公式可知，太阳能电池板的输出功率和光照强度和温度有关

由上诉两图所示，温度一定时，提高光照强度可以提高输出功率。则我们来估算一下太阳能电池板的输出功率大概有多少。

假设环境为AM1.5，太阳常数1200W/m2，温度25摄氏度。

设我们的菲涅尔透镜的表面积为30cm*30cm，则接受到的太阳光功率，

P_阳=1200*（30*30）/10000=108w

普通光照时一般的太阳能板的转化率为15%左右，如今我们将菲涅尔透镜接收到的阳光聚焦，增大了光照强度，则可提高单位面积上的太阳能转化率。

假设我们的太阳能电池板面积10cm*10cm,那么光照强度便提升了（30*30）/（10*10）=9倍。由公式（2）知，光伏电池产生的电流提高了9倍，理论上分析可得太阳能电池板的输出功率增加了好几倍，但由于材料的性能以、温度升高以及能量存储时的消耗等方面原因，实际的转化率提升并不如理论上这么理想，保守估计转化率为20%-25%

那么我们粗略计算可得

P_输出=P_阳*η=108w*22.5%=24.3w

假设经过太阳能控制器和蓄电池后损耗10%的能量，

那么最后存入蓄电池的能量为

P_存=P_输出*90%=21.87w

3.1.2步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

   
   
其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米。

现假设半径为5CM，每分钟转速为30转/min，小车总重量20k，则滚动摩擦力为

，

设滚动摩擦因数为0.1；

那么f=20N；

电机功率

本小车上需要使用的步进电机为6-7个，则消耗功率为18-22w。

3.2行驶速度对入射角的影响分析

现在来分析下当小车沿着一个方向快速行驶时，对入射角的偏移会造成多大的影响。

已知太阳到地球的距离为一亿五千万公里，这么远的距离相对于地球的半径可看成太阳光线都是平行到达地球的。已知地球的半径为r=6400km，假设小车的速度为100km/h。

东西走向

小车从A地以100km/h的速度由西向东行驶，1分钟后经过了

S=100/60 km 

对应的在地球上的角度为

设太阳光与地表切平面的夹角为β，那么由图分析可知小车从A地到B地的β角变化了

而地球自转的时候角度变化为

180/（12*60）=0.25º

那么小车从A地到B地实际的角度变化为

=0.25º±0.0149º

当小车从西向东走时，取﹢号

当小车从东向西走时，取﹣号

小车速度对俯仰角角度的偏差为

0.0149/0.25=5.9%，可以忽略不计。

因此小车东西走向时对俯仰角的偏差基本可以忽略不计。

南北走向

假设在1min内地球不偏转，那么小车南北走向行驶时只有对方向角有偏差影响。

假设条件如东西走向，那么小车在1min内走过的角度为

同理，由于地球的偏转为自西向东，因此不会对方向角产生影响。产生影响的只有小车行驶产生的角度偏差。

那么小车以100km/h南北走向行驶1min后产生的方向角偏差只有

基本可以忽略不计。

4.总结

大多数的太阳能汽车的电池板都是平铺在汽车顶部，不会随着太阳光的入射角度改变方向，太阳能的利用效率极低，而且因为太阳能板面积过大，成本过高，因此严重阻碍了太阳能能源的推广，在当今能源紧缺、环保意识逐渐增强的时代，降低清洁能源的那个成本，充分利用清洁能源已成当务之急，而本方案正好提供了一个解决这些问题的办法，1、我们采用了光追踪模块对太阳光的光照强度实时监测，定位太阳光的入射角度，使太阳能接收器始终正对阳光，大大提高了太阳能的利用效率。2、利用了菲涅尔透镜对太阳光进行聚焦，使得太阳能电池板可以做到足够小，节省了昂贵的太阳能板成本，无疑对推广太阳能这种绿色能源有着巨大的经济优势，本方案中采用的菲涅尔透镜具有重量轻、价格低的优点，而且已经应用于太阳能聚光发电的工业用途上，前景相当乐观。但需要注意的是由于目前技术的限制，光电转换的效率并不是很高，因此光能发电在本方案中只作辅助能源之用，起到节约能源的作用，并不能作为完全的替代能源使用。