螺桿式傳動(dòng)型太陽能清洗機(jī)設(shè)計(jì)

楊天祥 張曉燕 王錦雯 張明明 賀澤芳 宋遂愿

【摘 ?要】灰塵對(duì)太陽能板的利用率的影響很大，設(shè)計(jì)自動(dòng)清洗對(duì)太陽能板進(jìn)行清洗。可以提高太能板對(duì)陽光的利用率。該裝置包括：自動(dòng)噴灑裝置、清洗旋轉(zhuǎn)裝置、上下傳動(dòng)裝置，通過51單片機(jī)進(jìn)行控制并調(diào)速，可以滿足不同形式的灰塵進(jìn)行清洗，通過海綿擦洗減少對(duì)太陽能板的損害。

【關(guān)鍵詞】太陽能板;自動(dòng)清洗;速度可調(diào)

引言

新疆是重要的能源基地，包括石油、風(fēng)能、太陽能等，光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)為減少了碳的排放排放量，使綠色清潔的能源得到普及[1]。新疆的日照十分豐富，太陽能資源是清潔，但由于新疆的地理位置等原因，一年四季都會(huì)有風(fēng)沙，是太陽能光伏板覆蓋上一層泥土，太陽能電池板的理論發(fā)電效率是25-30%，實(shí)際是20-25%;受污染后發(fā)電效率降為10-18%[1]，太陽能的吸收轉(zhuǎn)換是太陽能利用的第一步，影響以后太陽能利用的后續(xù)效率，目前太陽能的清洗都依賴人工，表面覆蓋泥土等污漬[2]，使勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率不高，成本也較高且不易完成，在作業(yè)地方潮濕容易發(fā)生觸電危險(xiǎn)[3]。在天氣發(fā)生變化的時(shí)候，按下遙控器啟動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)清洗模式，滿足不同的清洗要求。

1 總體設(shè)計(jì)方案與工作原理

1.1總體設(shè)計(jì)方案

螺桿式傳動(dòng)太陽能清洗機(jī)主要構(gòu)成為上下傳動(dòng)的兩個(gè)螺桿、單片機(jī)、紅外線遙控器、變速箱、清洗電機(jī)、動(dòng)力輸出電機(jī)、12V直流電源。其中上下傳動(dòng)的兩個(gè)螺桿和清洗電機(jī)，組成清洗裝置的總體框架，已保證清洗時(shí)動(dòng)力充足。單片機(jī)、紅外線遙控器構(gòu)成裝置的控制部分，控制時(shí)邏輯清析不易發(fā)生控制混亂。整個(gè)設(shè)計(jì)裝置原理如圖1。動(dòng)力電機(jī)帶動(dòng)螺桿左右旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為1500或3000每分鐘），轉(zhuǎn)速通過繼電器的開斷控制不同電流來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。螺桿上面帶動(dòng)一條薄片，薄片上面裝有電機(jī)，當(dāng)動(dòng)力電機(jī)開始動(dòng)作的時(shí)候，帶動(dòng)薄片開始上下移動(dòng)，薄片上面的電機(jī)開始清洗窗戶。控制單片機(jī)控制動(dòng)力電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)單片機(jī)接收到紅外線信號(hào)時(shí)，單片機(jī)和動(dòng)力輸出的電機(jī)都放置在下部，旁邊為上下傳動(dòng)的螺桿，螺桿上面的為太陽能的清洗部分，引腳輸出高低電平控制繼電器的開斷以達(dá)到控制。

1.2工作原理

窗戶上面的污漬多種多樣，為了使其在清洗的時(shí)候能夠有效的全部清洗干凈，采用旋轉(zhuǎn)清洗的方式進(jìn)行，直接接觸太陽能的清洗裝置是由海綿制成，然后將電機(jī)固定在上下移動(dòng)的薄片上面，當(dāng)按下裝置的啟動(dòng)按鈕的時(shí)候，薄片上面的電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)將清洗劑的加入，而清洗劑的加入方式。通過水泵將清洗劑送的旋轉(zhuǎn)的清洗機(jī)構(gòu)上面[4]。旋轉(zhuǎn)的清洗加上清洗劑的使用可以使頑固污漬在較短時(shí)間清洗掉，清洗時(shí)間變短可以減少多玻璃的磨損程度，起到裝置的最佳效果。采用螺桿傳動(dòng)軸可以使控制方式靈活多變，可以延長太陽能自凈儀的使用壽命。通過步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度可以使其停在任意位置，對(duì)需要清潔的地方做重點(diǎn)清潔。

2硬件的設(shè)計(jì)

單片機(jī)的I/O口的分配，共使用10個(gè)引腳來進(jìn)行控制，其中4個(gè)為檢測裝置和繼電器的供電引腳，供電引腳均勻從單片機(jī)的供電電源取得。其中用來接收紅外線裝置集成為一體的，有三個(gè)引腳。為保證繼電器控器可靠，選用單獨(dú)兩個(gè)引腳，繼電器通入不同的電流來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小。繼電器的接線采用交叉接線，以提高繼電器的工作安全性。

3 軟件的設(shè)計(jì)

運(yùn)用Keil對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，程序如下：

選用紅外通信裝置一般用紅外線發(fā)射裝置和紅外線接收裝置兩部分組成。其中紅外線發(fā)射裝置常用載波的形式傳遞二進(jìn)制信號(hào)，載波頻率為 38kHz，紅外遙控器使用的是 NEC 協(xié)議（脈沖寬度調(diào)制）0、1時(shí)序如圖5所示。單片機(jī)通過計(jì)算高低電平時(shí)間來判斷接收到的數(shù)據(jù)是 0 還是1[5]。

NEC發(fā)送指令的數(shù)據(jù)格式為：引導(dǎo)碼、地址碼、地址反碼、控制碼、控制反碼。命令碼和地址碼發(fā)送兩次，在第二次發(fā)送時(shí)，將所有發(fā)送的位取反，用來驗(yàn)證第一次發(fā)送消息的是否正確，地址碼和命令碼都是LSB要先于MSB發(fā)送[6]。發(fā)送順序?yàn)橄鹊臀缓蟾撸鐖D6所示。主要程序如下所示。

void ReadIr（）interrupt 0 ?讀取中斷里面的函數(shù)值

{delay（700）;

if（IRIN==0）延時(shí)7毫秒確認(rèn)接收的是否為鍵盤所按下

{e=1000;但不滿足條件時(shí)，跳出循環(huán)避免程序出錯(cuò)時(shí)，程序卡住

while（（IRIN==0）&&e>0））

{delay（1）;

err--;

} 如果出現(xiàn)引導(dǎo)碼中的9毫秒

if（IRIN==1）{

err=500;

while（（IRIN==1）&&（err>0））{等待引導(dǎo)碼中4.5毫秒

delay（1）;

err--;}

系統(tǒng)裝置的運(yùn)行是通過按鍵進(jìn)行控制的，當(dāng)按下對(duì)于的按鍵的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)中斷函數(shù)，檢測是否按下按鍵，利用中斷控制I/O口的開斷，具體程序如下：

void IrInit（）

{ IT0=1;設(shè)置下降沿觸發(fā)

EX0=1;打開中斷0

EA=1;打開總中斷

IRIN=1;初始化端口

}

主程序是通過中斷檢測到有信號(hào)的輸入后，單片機(jī)判斷輸入信號(hào)的的類型，通過if函數(shù)進(jìn)行選擇。受控制機(jī)構(gòu)包括：給水泵、清洗電機(jī)、螺桿電機(jī)，這些機(jī)構(gòu)是單片機(jī)通過控制I/O電平的高低，繼而控制繼電器的開斷（繼電器高電平動(dòng)作），程序如下圖所示：

void main（）

{IrInit（）;檢測中斷是否響應(yīng)，是執(zhí)行下面程序

while（1）

{DisplaData[0]= IrValue[2]/16;將儲(chǔ)存在IrValue中紅外線數(shù)字的數(shù)碼16進(jìn)制中的高位，儲(chǔ)存在DisplaData[0]中

DisplaData[1]= IrValue[2]%16;將儲(chǔ)存在IrValue中紅外線數(shù)字的數(shù)碼16進(jìn)制中的高位，儲(chǔ)存在DisplaData[1]中

由于篇幅有限，以上為裝置的部分程序，具體功能已注釋在后部。

4結(jié)論

該設(shè)計(jì)的核心為單片機(jī)，通過NEC紅外通信協(xié)議傳輸命令，具有實(shí)時(shí)自動(dòng)的清洗效果，可以根據(jù)太陽能板上面覆蓋不同的灰塵情況，選擇不同的工作模式，適用于集中發(fā)電的太陽能板，也可以在家庭中使用，使工作效率明顯提升，減少工作人員的潮濕地方工作觸電的危險(xiǎn)。整個(gè)清洗裝置可以根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行分解組裝，便于后期的調(diào)整，適合不同的的場景。

參考文獻(xiàn)：

[1]高凌云.太陽能電池板除塵新技術(shù)[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2010，22（05）：52.

[2]康洪波，范虹，趙蕾，龔旭，李曉琪.京津冀環(huán)境下太陽電池板清潔方法研究[J].電源技術(shù)，2017，41（07）：1045-1047.

[3]周利坤，劉宏昭，李悅.清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（05）：635-642.

[4]周利坤，劉宏昭，李悅.清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（05）：635-642.

[5]周利坤，劉宏昭，李悅.清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（05）：635-642.

[6]嚴(yán)洪立，李永紅，梅容芳.NEC協(xié)議的紅外遙控原理與模擬仿真[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2020，20（11）：63-66.

[7]崔承毅，趙冠男，王開宇，高慶華，李贊.紅外電機(jī)控制系統(tǒng)在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018，21（02）：1-3+7.