太阳能电池板跟踪与除尘装置的设计

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随着能源问题的日益加重，低碳经济、节能减排已成为-个令人关注的社会问题。太阳能已成为世界各国竞相开发的绿色能源1，但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题，传统的太阳能电池板大都采用固定式安装，不跟随太阳位置的变化而移动，不能有效的保证电池板对太阳能的最佳接收，严重影响光电转换效率。同时，随着使用时间的积累，电池板迎光面会逐渐的积累-层灰尘主要是无机物 SO2和有机污染物鸟粪等，既减弱了太阳能电池板对光的吸收，影响电池的发电量，也容易因热岛效应”造成电池局部发热而损坏。综合比较实现追踪太阳的定时法、坐标法、光敏电阻光强比较等方法 ，以及自然雨水冲刷、人工擦拭高空危险、高压水枪清洁浪费水资源、定时电动自动清洗结构复杂等电池板除尘方法 ，我们设计了基于单片机电池板定点定角度”的单轴自动跟踪系统。同时，利用喷涂在电池板表面的纳米 TiO2透明薄膜的超亲水性”和催化降解”功能，实现电池板的主动自洁；利用高压风实现电来稿日期：2012-1 1-27基金项目：河北大学物理学院产学研项 目T201202；河北大学 2012年度实验室开放项目2012001作者简介：杨景发，1964-，男，河北邢台人，副教授，主要研究方向：光伏技术、LED、红外技术应用方面研究第9期 杨景发等：太阳能电池板跟踪与除尘装置的设计 61池板的被动除尘，充分提高太阳能电池的光-电转化率。

2理论研究2.1太阳能电池板倾角选择地球绕太阳运行的规律，如图所示∩知：即使在同纬度的地方，在不同的季节 ，太阳的入射角也是不同的，如图 2所示。

依据本次设计参考相关文献中的资料，为获得最大的日射量，电池板的倾角，如图3所示。推荐值如下：全年使用，占 ；若系统在夏季从春分到秋分 使用，6 -10。；冬季从秋分到春分使用 ，6 10。。式中： -当地的地理纬度 。由保定的地理位置可得，夏季将太阳能电池板倾角为 38。，冬季为 43。。

秋分春分图 1地球绕 日运行示意图Fig.1 Diagram of the Earth Around the Sun天顶图 3太阳电池板的倾角Fig.3 The nclination Angle of the Solar Panels2.2 TiO2超亲水性和催化降解在太阳光中紫外光照射条件下 ，TiO：价带电子被激发到导带，电子和空穴向TiO 表面迁移，在表面生成电子空穴对 ，电子与 Ti反应 ，空穴则与表面-OH反应 ，分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水表面羟基，化学吸附水可进-步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，即在 Ti 缺陷周围形成了高度亲水的微区，而表面剩余区域仍保持疏水性，这样就在TiO 表面构成了均匀分布的纳米尺寸分离的亲水和亲油微区，类似于二维的毛细管现象，由于水或油性液滴尺寸远远大于亲水或亲油区面积，故宏观上 TiO：表面表现出亲水和亲油特性 ，即当水淋在二氧化钛薄膜表面时不会成为水滴而是迅速扩散为均匀的水膜。

二氧化钛光触媒在受到太阳光的照射时，钛原子上的电子被光激发，形成电子空穴对，与空气中的水和氧发生反应，产生具有极强的氧化力的超氧负离子 Oz-和氢氧根自由基-OH，使有机物分解成二氧化碳和水，也能降解部分无机化合物，从而达到杀菌、除臭、净化空气的效果。

3设计研究系统主要包括太阳能电池板、继电器、单片机、充放电控制器、电磁阀、步进电机及其控制器 、喷射装置等部分，系统采用光电互补为整个电路提供电源。

本部分设计主要包括太阳能电池板定点定角度”的被动 自动跟踪系统和电池板的除尘设计。

图4系统总控制框图Fig.4 Block Diagram of System Control3.1太阳能电池板跟踪系统设计3.1.1跟踪 系统的结构设计跟踪系统的硬件部分主要由底座、主轴、齿轮、轴承和步进电机 1等部分组成，结构示意图，如图5所示。首先进行初始设定 ：根据不同的季节、地理纬度 ，通过手动旋钮设定电池板的倾角；通过软件设定每个时钟点的水平方向旋转角度。设定完成后，系统将依据没定的程序，控制部分发出控制信号驱动步进电机带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮和主轴转动，实现水平方向跟踪。

1，步进电机控制器 2.步进电机 3/J、齿轮 4.大齿轮 5.轴承 6.主轴 7底座图5太阳能自动跟踪系统硬件剖视图Fig.5 llustration of the Solar Automatic Tracking System Hardware3.1.2跟踪系统的软件设计跟踪系统软件设计所用单片机为 STC89C54，系统软件采用c语言编写，依据跟踪方案，完成时钟、定点旋转角度和自动复位设定，程序流程图，如图6所示。

机械 设 计 与 制造No.9Sept.2013表 4静载荷法与时程分析法计算结果对比表Tab.4 Results Comparison Between StaticLoad and Load-Time Analysis在《规范》 中，为计算风载荷对门机的影响是以最大风速、风压作为静载荷来进行考虑，不考虑风载荷的脉动特性。通过以上的计算可以看出，大型门式起重机考虑风载的脉动效应后的计算结果比不考虑其脉动效应的静载荷法计算结果偏大。最大应力超过静 载计算值的 95.34%，最 大变形超过静载计 算值的223.46%。故在风灾频发地区使用的大型门式起重机按《规范》 的计算结果较实际情况将偏小，计算结果偏于不安全。

5结论通过对门式起重机的风振特性的研究，可以得到以下几点结论：1大型门式起重机在考虑风载荷的脉动效应时，其应力、应变较静载作用有-定差异，其静载荷计算值偏于不安全。2考虑风载荷的脉动效应与剧载荷作用下的门机响应结果差异不是太大，故在普通门机设计计算时，将风作为静载荷考虑具有-定的可信性。3和 荷方法简便可行。利用统计意义上的随机风载荷功率谱密度函数模拟的时程曲线对起重机的分析设计更具有指导意义。4基于ANSYS软件的风载荷的时程分析方法简便可行，可为同类产品的设计提供借鉴和参考。