一種新型智能可升降太陽能玻璃百葉窗的設計

摘要：針對現有高層建筑遮陽普遍存在的效率低、浪費大等問題，設計了一套智能化的新型可升降的太陽能玻璃百葉窗。該設計以玻璃百葉窗為載體，利用太陽能電池片遮陽與發電。同時，對傳統玻璃百葉窗進行改進，克服了其無法升降的缺點，使其不僅可以旋轉，同時可以自由升降。在控制系統的自動旋轉模塊上增加最大功率點跟蹤系統（MPPT），最大限度利用太陽能。

關鍵詞：窗體光伏 遮陽 發電 自動化

中圖分類號：TM 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（b）-0016-03

隨著近年來高層建筑的發展，其遮陽問題也一直被人們所關注。高層建筑，受安全性以及其自身高度等的局限性，很難安裝較為節能的大型鋁合金遮陽板，現如今普遍使用的仍是小型塑料百葉窗以及遮陽布。雖然兩者的遮陽效果大致都能滿足人們的要求，但由于使用時會遮擋光線入射，必定會造成大量電燈能耗的浪費，且沒有辦法產生能量補給，浪費了大量資源。

筆者由此引發思考，設計出一套智能可升降的太陽能玻璃百葉窗。通過機械傳動裝置實現百葉片的升降與旋轉，同時利用覆于百葉片上的太陽能電池片進行能量收集。控制系統由基于AT89C52的單片機控制程序和電路組成，實現百葉升降旋轉自動化、最大功率點跟蹤以及電壓轉換。

對于一個完整的智能太陽能百葉窗，整個系統分為五個部分，即玻璃百葉窗（包含太陽能板）、控制器、蓄電池、用電器和外部遙控。

1.百葉窗機械設計原理

玻璃百葉窗不同于傳統的大型鋁合金百葉窗，其通常安裝在室內，起到一個亮化空間，改善通風的作用，但玻璃百葉窗起不到遮陽的效果，通常為固定狀態，只能旋轉葉片角度，而不能改變上下位置。筆者由曬衣架引發思考，設計了該種可升降的玻璃百葉窗，如圖1所示。

機械設計原理主要分為百葉片旋轉與升降兩部分。

1.1百葉片的升降

首先，多根短桿相連形成了一個多菱形相連的框架結構，而該框架結構具有同步折疊與拉伸性。

旋轉桿11與螺紋進伸短桿2相咬合，進伸短桿2與頂部水平桿7相連，而水平桿與形成菱形框架機構的最上部一根短連桿相連，菱形機構中每一根短連桿互相連接。

當電動機轉動時，電機外伸旋轉桿11也隨之轉動，帶動螺紋進伸桿2向外運動，使得短連桿節點之間的距離減小，菱形機構整體上移，從而實現了百葉窗（含電池片）的上升；同樣，當電機反方向轉動時，使得螺紋進伸桿2向內運動，使得短連桿節點之間的距離增加，菱形機構整體下移，從而實現了百葉窗（含電池片）的下降。因此，控制電機的旋轉即可控制百葉片的上升與下降。

整個百葉窗的升降傳動鏈為：

電動機4→電機外伸旋轉桿11→螺紋進伸短桿2→頂部水平桿7→菱形機構短桿10→菱形升降機構。

1.2百葉片的旋轉

百葉片的旋轉采用平動機構，每根百葉片頂端伸出的銷軸與一個三折線機構相連，三折線機構的兩端一端與銷軸固定相連，另一端套于槽型軌道中。電機置于頂部，帶動槽型軌道的一端做圓周運動，從而帶動銷軸旋轉，百葉片也隨之旋轉。

旋轉傳動鏈為：

頂部電機→三折線機構外伸滑動槽3→三折線機構→8百葉片銷軸9→百葉片14→實現百葉片旋轉。

2.太陽能電池片的利用

根據設計，玻璃百葉窗安裝在室內，太陽能電池片覆于百葉片的表面，隨著百葉片的運動而同步運動。

2.1遮陽作用

由于太陽能電池片完全不透明，在炎熱且光線強烈的夏季，將全部百葉片降到最低位置，同時將百葉片轉動到豎直平面，則可以完全遮擋陽光，避免光線和熱量進入室內，有很好的遮陽效果。

2.2產能作用

太陽能電池片吸收陽光能產生電能，在該機構中太陽能電池片作為遮陽的主要工具，與此同時也能吸收其遮擋的陽光，將這部分能量收集與應用，是該百葉窗與傳統百葉窗最大的區別所在。

將每一片電池片通過焊帶串聯起來，由太陽能所產生的能量便能通過電路傳遞出來，收集到蓄電池上，蓄電池上的能量通過轉換器，為用電荷載提供匹配電壓，供給室內小型用電器工作，也可以運用于高層公寓，達到一個變相太陽能熱水器的作用。當發電的規模達到一定大的量之后也可以對電能實現并網，這種方式成本較高，短期內并不提倡應用。

2.3產能實驗測定

為了準確測定實際情況中太陽能電池片的產能情況，我們利用對比試驗進行測定，并將其與固定角度的墻體太陽能光伏進行了比較。測定數據后運用軟件進行數據處理，得到單位時間內收集的能量如表1所示。

通過實驗數據的比較可以發現，在不考慮電路能量損失和各方面折損的情況下，變化太陽能電池片角度、采用最大功率點跟蹤的方法所能收集的能量比墻體固定角度太陽能電池片所收集的能量要多達左右，如能將這部分能量加以利用，是個非常可觀的數目。

3.控制系統

整個控制系統分為最大功率點跟蹤、升降自動控制、旋轉自動控制和電壓轉換四個部分。控制系統由基于AT89C52單片機的控制程序和電路組成。與外部遙控相連接，通過外部遙控上的按鈕觸發程序運行，達到預設效果。

3.1最大功率點跟蹤系統

由于太陽高度角是隨時間不斷變化的，以不同的太陽高度角照射在太陽能電池片上所能產生的能量也是不同的，因此在控制系統中增加了最大功率點跟蹤系統（MPPT），通過百葉片的不斷旋轉調整太陽照射的角度，保證太陽能電池的輸出功率最大。

所謂最大功率點跟蹤系統，具體地講即主程序向電機發出旋轉命令，電機轉動，同時電功率數據模塊將測得的每一時刻的功率信號返回主程序，當到達輸出功率最大值位置時，程序向電機發送停止信號，電機停止轉動，百葉片也同樣停止轉動，此時太陽能輸出功率達到最高。

3.2旋轉自動控制系統

當然，雖然可以由最大功率點跟蹤系統實現太陽能的最大利用，但用戶也可以根據自身喜好調節百葉片的角度。通過外部遙控上的旋轉按鈕，向控制旋轉的電動機發出運行命令，百葉片隨之轉動，調整到適合的位置即可。

3.3升降自動控制系統

用戶可以根據需求自行調節百葉窗的整體高度。按下上升或下降按鈕，主程序向電動機4發出旋轉命令，通過機械傳動，帶動了整個菱形機構及百葉片上下升降。當上升或下降到一定要求的高度之后，按下停止按鈕則電機停止轉動，百葉片也停止上下運動。

在可升降的極限位置，也即窗的頂部和底部，兩端各安置一個紅外線接收和發射裝置。對于下部，紅外線能夠被接受為安全狀態，當紅外線不能被接收時，程序向電機傳輸停止命令，百葉片停止上下運動。對于上部，紅外線不能被接受為正常狀態，當紅外線能夠被接收時，表明已達到頂部位置不能再上升，因而程序發送停止命令。

3.4電壓轉換

白天太陽照射，電池片將太陽能轉化為電能，蓄電池將太陽能電池輸出的電能轉化為化學能儲存起來，到了夜間再將化學能轉化為電能輸出到外界負載上。但由于蓄電池的輸出電壓與用電器的工作電壓并不一定是一致的，因此在控制系統中加入一個轉換器，為用電器提供匹配電壓。

4.結語

隨著近些年來高層建筑的增加，玻璃幕墻的發展，窗體面積占建筑表面積的比例越來越大，利用窗體光伏達到遮陽節能效果是未來綠色建筑發展的一個重要方向，而該構件正是運用窗體光伏的概念，將遮陽與發電結合，優勢明顯，如能將其運用實際，將會是窗體光伏事業發展的另一種新的詮釋。同時，筆者對于傳統玻璃百葉窗進行了改進，使其能自動旋轉和升降，充分考慮和方便了用戶的使用。值得一提的是，筆者已按上述方案制作出了該智能可升降太陽能玻璃百葉窗的樣品，并且能實現預定的各項功能。