資源簡介

技術設計與創新

上杭一中 鐘求漢
一、發現問題、明確問題、確定課題。
二、課題（項目）查新。
三、設計分析
四、模型制作
五、試驗優化
六、創新要點
七、具有三性
一、發現問題、明確問題、確定課題
1、發現問題：人們隨著環保意識的不斷提高，利用太陽能的設備層出不窮，高端有嫦娥登月，低端有手機充電，在城市使用電動車的人越來越多。電動車電瓶電量用完了是要充電的，尤其是住在高樓的人，在停車處接電源又不方便，裝卸電池又很麻煩，能否設計一個太陽能充電器安裝在電動車上，只要有太陽就讓它時刻充電，這樣既可以節省電能，又方便了人們。
2、明確問題：根據現在的技術可以實現
3、確定課題；電動車太陽能雙軸跟蹤充電器
二、課題（項目）查新
1、我們從百度、Google等搜索到電動車太陽能充電器有如下圖片：















從百度、Google等搜索到電動車太陽能充電器幾十幅圖片，選擇了上述4幅比較有代表意義的，但是它都是將太陽能板固定平放在電動車上。太陽能板不會跟蹤太陽。
2、從國家專利網搜索到二項電動車太陽能充電裝置
（1）發明名稱 一種推拉開啟式電動車太陽能充電裝置 （圖片5）
（2）發明名稱 -- 電動車太陽能充電裝置 （圖片6）
從國家專利網上搜索到二項電動車太陽能充電裝置，一種是推拉開啟式電動車太陽能充電裝置，它的特點是三塊太陽能板，第一塊固定在尾箱體上表面，余二塊別通過滑軌安裝在電動車尾箱體內部，目的是用來收藏，是屬于推拉開啟式電動車太陽能充電裝置（圖片5所示）；另一種是太陽能板是由多塊組成并且可以折疊，是屬于折疊式電動車太陽能充電裝置（圖片6所示）。二種專利產品，它的太陽能板都不會跟蹤太陽。
綜上所述：
目前電動車太陽能充電器，它的太陽能板都采用固定、平放、推拉或折疊等四種方法，其充電效果很低。本項目研究的《電動車太陽能雙軸跟蹤充電器》的主要特點是:一軸是垂直方向跟蹤太陽，一軸是水平方向跟蹤太陽，使太陽能板時刻正對太陽，這樣太陽能轉化為電能的效率最高。
三、設計分析
在這里，我向大家介紹一種雙軸太陽能跟蹤器，所謂雙軸就是：一軸是垂直方向跟蹤太陽，另一軸是水平方向跟蹤太陽，使太陽能板時刻正對太陽，這樣在單位面積的太陽能轉化為電能的效率最高，則充電的效率也最高。如何實現雙軸跟蹤太陽呢？如果雙軸都采用電子跟蹤器，那么設計要求很高，制作工藝的過程困難較大。我們知道，在垂直方向上，每天太陽的角度變化不大，因此一年四季春、夏、秋、冬各調整一次，或許，每天調整一次即可，所以我們在垂直方向采用機械調整角度來得簡單；而水平方向太陽一天變化180度，那么我們就采用電子自動跟蹤器，每時每刻都和太陽同步，這樣就簡單有效實現了太陽能雙軸跟蹤了。
1．工作原理圖
2．工作過程：
（1） 太陽能板1輸出24V的直流電壓，通過直流升壓器2升為48V的直流電壓，通過電流表3給電動車電瓶4充電。
（2） 垂直方向調節：將太陽能板粗略對準太陽，開關K1為斷開狀態，旋松固定螺絲8，調節太陽能板的角度，并觀看電流表3的讀數，使它的數值最大，然后旋緊螺絲8，并將開關K1為關閉狀態，這樣不會因電流表的內阻而損耗電能。
（3） 水平方向自動跟蹤太陽：從電動車電瓶4接出12V電源，供太陽能跟蹤器5使用，太陽能跟蹤器5上的檢測頭6上有二個光敏電阻，檢測頭正對太陽時，二個光敏電阻光照度相等，太陽能跟蹤器5沒有輸出12V直流減速器7電機驅動電源；當光照度左右不等時，太陽能跟蹤器5相應輸出正反12V電源，驅動減速電機。由于檢測頭6上的二個光敏電阻是平行裝在太陽能板上的，所以太陽能板也就正對太陽了，達到自動跟蹤目的。經測試跟蹤器、直流減速器工作時小于200mA，工作時間小于5秒，靜態時小于10mA，所以能耗很小。
3．優點：
使用太陽能雙軸跟蹤器與上述查新發現中的六種圖片相比較，其突出的優點主要如下：
（1） 能使太陽能板最有效地吸收太陽能，減小太陽能板的面積，通過試驗至少可以減少一半以上面積，使裝置更輕，便于車載。
（2）能增大電動車續航一路，一邊行駛，一邊充電，通過試驗至少可以續航5KM以上。
4．使用直流升壓器的好處。
目前單塊太陽能板最高電壓一般設置在24V左右，而90%以上的電動車直流電壓設計在48V和60V。如果沒有直接升壓器，48V的電動車就要二塊24V的太陽能板串聯，60V則要三塊，這樣在續航充電帶來不便。目前直流升壓器的效率很高（最高可達96%），所以它的損耗很小。
5．選擇直流減速器，一般減速器有2轉/分，6轉/分，15轉/分等，選擇2轉/分的力矩大，但調整速度太慢，選擇15轉/分的調整速度很快，但力矩小電機負載過重。通過試驗選擇6轉/分的最佳，并且渦輪減速器有自動剎車功能。
四、模型制作過程
1．制作過程：
根據分析設計和工作原理圖，我們把太陽能板、太陽能跟蹤器、直流升壓器、直流減速器以及電流表、開關組合在一個支架上，直流減速器將支架分成二半，上半部可活動旋轉水平方向跟蹤太陽，下半部固定在電動車或地面上。
剛開始，為了更好更快地給電動車蓄電池充電，我買了1塊100W、12V、1.2*0.55M質量為8kg的太陽能板，，結果發現質量太重，面積太大，無法安裝。于是，我將太陽能板換成了20W、0.4*0.35M、質量1.8kg的太陽能板，起初固定安裝在車頭上，由于它需要旋轉跟蹤太陽，導致有時會遮擋前面的方向，最后才用活動支架把太陽能板裝在座位后面，支架的高度可以自動調節，不用時還可以把整個充電裝置卸掉，改成地面充電，這樣就解決了各種安裝不便的問題。
（實物圖1）
（實物圖2）
五、測試及優化：
我們測試采用的電動車電瓶的容量是48V 12AH，并在學校400M的操場試驗
（1）續航路程的測試（使用電量：電瓶3擋指示剩下1擋）
（2）平均電流的測定
（3）充電量的比較

試驗要求 太陽能充電器 400M操場 行駛路程 續航路程
電瓶充滿電 關 40.5 （圏） 16.2KM 0
電瓶充滿電 開 49 （圈） 19.6 KM 3.4KM

太陽能板 9:00-11:00 11:00-13:00 13:00-15:00 15:00-17:00 電流平均值
雙軸跟蹤 0.60A 0.82A 1.10A 0.78A 0.825A
固定不變 0.20A 0.35A 0.65A 0.40A 0.400A

試驗要求 太陽能板 充電時間 充電平均電流 充電量
電瓶待充電 雙軸跟蹤器 8H 0.825A 6.60AH
電瓶待充電 固定不變 8H 0.400A 3.20AH
（1）未帶充電行駛 （2）帶充電行駛
（1）轉彎處跟蹤太陽 （2）直道處跟蹤太陽
雙軸跟蹤
（3）任意方向跟蹤太陽 （4）任意方向跟蹤太陽
六、創新要點
1．利用雙軸太陽能跟蹤器，是目前太陽能轉化為電能效率最高的一種設備。而我們采用的一軸是機械，一軸是電子，這樣的雙軸不但效率高，而且結構簡單制作容易。
2．利用直流升壓器，能夠實現匹配電動車各種電瓶充電電壓的要求。
3．利用直流減速器，能使機械傳動部分緊湊小巧，便于車載，并能在行駛中跟蹤太陽充電，提高了續航路程。
具有三性
七、具有三性
1．科學性：本作品使用的太陽能板、太陽能跟蹤器是高科技產品，它的原理具有極強的科學性。
2．創新性：通過查新目前尚未有太陽能雙軸跟蹤充電裝置應用到電動車上。
3．實用性：節能環保，又方便人們。

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