外出度假太阳能遮阳伞设计（大学毕业论文）

毕 业 设 计(论文)

题 目院 系专业班级学生姓名指导教师外出度假太阳能遮阳伞设计

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二***年*月

****大学本科毕业设计（论文）

外出度假太阳能遮阳伞设计

摘要

当前能源紧张、环境污染形势严峻，寻找替代能源是非常必要而且具有现实意义。太阳能是一种可持续利用的清洁能源，是一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。LED( 发光二极管) 是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件，是一种高效节能的电光源，它的发光效率高。节能寿命比较长，该灯利用利用太阳能电池将太阳发出的光能转换成电能, 通过LED 供电电路传输到LED灯，让其稳定，最大效率的发光。发光效率20lm/W 以上的白光LED的出现, 成为新世纪引人注目的节能照明光源。因此, 白光LED被普遍认为是在未来成为替代传统照明器具的一大潜力商品, 成为国际公认的下一代照明光源。

该设计以太阳能电池板作为“伞布”，采用太阳能电池板发电，在烈日下边遮阳边蓄电，在夜晚可以照明。该设计并把蓄电池、控制器等安装在底座内，美观的同时可起到固定遮阳伞的作用。把蓄电池和遮阳伞骨架设计成可分离，这样在阳光不充足时，可以通过USB或普通插口对其进行充电。把伞的结构分成三段，以方便放入私家车后备箱。本文在外出度假遮阳伞的设计上，融入太阳能和LED灯的结合，体现了绿色节能的原则。

关键词：太阳能；LED；遮阳伞

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SOLAR UMBRELLA DESIGN AWAY ON

HOLIDAY

Abstract

The current energy and environment pollution situation are terrible.So looking for alternative sources of energy is very necessary and realistic. Solar energy is a kind of sustainable utilization of clean energy, is a new type of green renewable energy, has large reserves, the use of economy, clean environmental protection, etc. And the application of solar photovoltaic power generation technology is the focus of attention of the common people. The LED (light emitting diode) is a kind of converting electric power into the visible light semiconductor emitting components, is a kind of high energy efficiency of electric light source, its high luminous efficiency.Energy saving life is longer, this lamp use the battery will use the solar energy from the sun light conversion into electrical energy, through the LED power supply circuit transmission to the LED lamp, let its stability, the maximum efficiency to shine. The luminous efficiency 20 lm/W above the emergence of the white LED, become the new century striking energy saving lighting source. Therefore, a white LED widely considered to be in the future to replace the traditional lighting appliance a large potential goods, be internationally recognized the next generation of lighting source.

This design uses solar panels as \shading the edge, in night electricity storage can be lighting. The design installs the battery and the controller in the base which looks beautiful and can fix the sunshade. The battery and umbrella skeleton designed to separation. So when the sun is not plentiful, it can charge through the USB or common socket. An umbrella of structure is divided into three sections, with convenient -ion in private cars trunk. In this paper, the design

of the umbrella away on holiday blends in solar and LED lamp union, reflected the green energy saving principle.

Keywords:Solar; LED; Sunshade

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目 录

1 绪论 ...................................................................... 1 1.1 课题背景 ---------------------------------------------------------------- 1 1.2 太阳能利用介绍 ---------------------------------------------------------- 1 1.3 太阳能光伏系统介绍 ------------------------------------------------------ 2 1.4 Pro/E软件的介绍 -------------------------------------------------------- 2

1.4.1 Pro/E的原理及特点 ............................................. 3 1.4.2 Pro/E软件各主要模块介绍 ....................................... 3 1.4.3 Pro/E建模一般过程 ............................................. 4 1.4.4 Pro/E中装配的基本方法 ......................................... 4

1.5 本文主要研究内容 -------------------------------------------------------- 5 2 总体方案设计 .............................................................. 6 2.1 整体结构方案 ------------------------------------------------------------ 6 2.2 太阳能光伏系统设计方案 -------------------------------------------------- 6 3 材料的选择 ................................................................ 7 3.1 引言 -------------------------------------------------------------------- 7 3.2 问题的提出 -------------------------------------------------------------- 7 3.3 金属材料的选择原则 ------------------------------------------------------ 8 3.4 铝合金的优良特性 -------------------------------------------------------- 8 3.5 铝合金系列及其用途 ------------------------------------------------------ 9 3.6 2024铝合金 ----------------------------------------------------------- 10

3.6.1 化学成分 ...................................................... 10 3.6.2 物理性能 ...................................................... 11

4 光源的选择 ............................................................... 12 5 电池组件和蓄电池选型 ..................................................... 14 5.1 太阳能电池组件选型 ----------------------------------------------------- 14 5.2 蓄电池选型 ------------------------------------------------------------- 14 6 控制器 ................................................................... 15 6.1 引言 ------------------------------------------------------------------- 15

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6.2最大功率点跟踪的原理和实现方法 ----------------------------------------- 16

6.2.1 最大功率点跟踪的原理 .......................................... 16 6.2.2 最大功率点跟踪的控制方法 ...................................... 17

6.3 实现最大功率点跟踪的具体电路 ------------------------------------------- 17 6.4 Bi Boost-Buck 在系统中的应用 ------------------------------------------ 18 7 太阳能遮阳伞的结构设计 ................................................... 20 7.1 太阳能遮阳伞各零件的设计 ----------------------------------------------- 20 7.2 太阳能遮阳伞的装配过程 ------------------------------------------------ 277 7.3 结构设计说明 ----------------------------------------------------------- 30 结 论 ..................................................................... 322 参考文献 .................................................................. 333 致谢 ...................................................................... 344

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2 总体方案设计

本文设计为外出度假太阳能遮阳伞，要求白天遮阳蓄电，夜晚照明。并且要能方便装入私家车后备厢。

2.1 整体结构方案

1、整体分成可装拆的三段，以方便装入私家车后备厢。上段全长1220mm,中段全长1000mm,下段全长700mm。安装后的全长分三个等级：2370mm,2470mm,2570mm；

2、考虑到柔性太阳能电池板可能比较重，为方便撑开，本文设计为自动撑开遮阳伞。结构类似普通自动雨伞，利用小支架和支架间的弹簧的弹力，推动支架下端向上运动，同时支架上端撑开伞骨；

3、为降低自动撑开惯性对伞骨架的损害，在小支架撑下端设计一带孔的薄片。通过它可拉一绳子，人可拉住绳子下端，控制自动撑开的速度；

4、为稳固伞，其一把蓄电池和控制器等放在底座内，降低伞的重心；其二在四个伞骨的顶端设计一小孔，通过它拉一绳子，绳子另一端可系在一固定的物体上。

2.2 太阳能光伏系统设计方案

1、“伞布”选用柔性太阳能电池板；

2、因蓄电池为直流电源，为方便与其匹配，选用LED作为光源。详见“光源的选择一章”；

3、为降低系统重心，把蓄电池和控制器等放在底座内；

4、为增大照明范围，把LED灯装在伞骨的顶端。并且设计最多四个LED灯，分别装在四个螺纹伞骨上。可根据实际需要和蓄电池电量剩余来决定装几个LED灯。

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3 材料的选择

3.1 引言

在机械产品设计过程中，不仅需要完成机械结构、零件的设计工作，而且还包括对构成零件的金属材料（以下简称材料） 进行选择和应用。由于材料的重量几乎占到了机械设备的全部重量，因此材料成本占到机械设备制造成本的50%或更高。而且从某种角度上看，材料的性能将决定一台机械设备的使用寿命，因此材料的选择和应用水平决定了一台机械设备的成本和质量水平。而任何材料都不可能同时具备各个方面的优良性能, 因此, 金属材料的选择问题实质上就是用其所长, 避其所短。具体地说, 就是通过分析零件的工作条件、失效形式、经济成本、制造工艺等几方面的要求, 进而选择出最能满足要求而又切实可行的材料。正确选择材料，合理应用和发掘材料的潜力就成为设计成功与否的关键因素。因此，正确理解和研究材料的性能以及其对设计质量的影响，对产品设计师们以及关注制造成本的人们来讲显得尤为重要。最好的设计方案应该是在满足了机械使用功能的前提下将制造材料的成本（包括制造成本）控制在尽可能低的范围以内。因此，最重要的设计原则应该是寿命匹配原则，就是说在机械设备的整个生命周期内，所有零部件的使用寿命应尽可能地保持一致[7]。像日本的汽车，假如设计寿命为10年，那么到10年的时候，汽车上的各种零件也都基本达到了报废的程度。其优点在于能够充分发挥材料的潜力，真正做到了物尽其用。当然，要达到这种高度的设计水准，需要几十年的不断研究和积累。在日常设计工作中，在材料的设计方面通常都是以强度要求为依据来进行校验的，即以零件在工作环境中所承受的载荷为基础，根据计算得出的材料强度进行选材——即强度校核。当然在实际工作中，并不是每一零件都需要经过具体计算，在大多数情况下零件设计是根据以往的经验或者参考相同或相类似的设计方案，并按照设计标准规定进行的。在设计时，为了满足零件的使用需要，以提高材料的疲劳强度和寿命为目的，对材料的塑韧性提出了很高的要求，并且根据零件的使用工况提出诸如耐磨、耐热、耐腐蚀、耐低温等特殊要求。为此，材料工作者开发研制出了各种金属材料以及相应的制造工艺以满足这些要求。

3.2 问题的提出

金属材料的选择实际上是一个系统工程, 非常复杂，需要考虑的方面太多。本文就这个问题提出几个原则性的问题, 以供大家参考。

各种机器零件在服役过程中, 都要承受一定的负荷, 有的还要经受热负荷和环境介质的作用, 在各种因素的作用下, 经过一定的时间, 机器零件可能会发生过量变形、表面损伤、甚至断裂等失效现象。用一定材料制造的机器零件的失效实质上就是在特定负荷和环境介质的作用下, 具有特定形状的机件材料的失效。材料具有不同的性能指标，可以反映对不同形式失效的抗力。通过失效分析, 不仅要提出造成材料失效的原因, 还要找出能

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正确评价材料抵抗这种失效的性能指标判据, 根据对这些性能指标的要求, 我们就能针对机件的工作条件和失效特点, 选择最适合的材料成分和组织状态, 并制定相应的工艺技术措施, 制造出既安全可靠, 又经济合理, 同时又能满足寿命要求的机器零件。

3.3 金属材料的选择原则

1.性能使用性原则 根据零件的工作环境条件、力学负荷条件, 按照材料的性能指标来选择相应的金属材料。一般来说，不同的钢种都是为满足一定的性能而设计的，其化学成分、性能指标都有一定的标准，因此可根据材料力学所计算的性能指标来选择相应的金属材料。这也是最通常采用的方法。需要指出的是，一般情况下不可能正好找到最适合的材料, 那么可以选择较高一级的材料。

2.失效性选择原则 任何机件在服役过程中, 经过一定时间后, 产生了一定的破坏现象, 使其不能继续正常地工作, 或达不到预期要求, 或变得不安全可靠，丧失了或部分丧失了原有的功能, 这种现象就是失效。分析该材料的零件如何失效，失效的主要原因，采取的对应措施，重新选择材料。该方法不适合新型材料零件的选择，但是可以通过分析相关零件的失效特点比照进行，之后，通过实验，选择合适的材料，这是目前较先进的材料选择方法。

3.加工工艺选择原则 任何金属材料制造的零件或部件, 都是通过不同的加工工艺、采用不同的加工设备以及通过不同的加工而生产制造出来的。那么在考虑材料价格的同时, 必须考虑工艺加工成本。例如有些塑料模具的材料成本只占总成本的5%，可是加工成本却高达50% 以上。特别是当零件的体积比较小时更是如此。因此, 在这种情况下, 应该充分考虑材料的工艺加工性, 以降低加工成本。

4.加工批量原则 加工批量也影响着材料的选择。单件、小批量和大批量生产是截然不同的, 大批量生产的零件, 由于适用于自动化, 此时, 加工工艺专业化, 可采用成本低廉、加工性能良好的材料, 单件、小批量生产的零件, 由于没有专业化加工设备, 因而加工工艺问题就比较突出, 这时的选材就应该特别注重考虑加工批量与工艺之间选择的问题。

5.经济原则 在选材时应该进行成本核算。应该考虑材料本身成本、加工工艺成本、市场宣传成本、管理成本、包装成本、运输成本。通过成本核算, 选定合算的材料。这个原则是决定能否采用该材料的决定性因素。

6.资源原则 不同的国家富有不同的金属材料资源, 因此, 也就有不同的、相应的国家政策, 在我们国家, 应该尽量采用我国富产的合金元素材料[8]。

3.4 铝合金的优良特性

铝合金因重量轻, 强度适中, 加工容易, 表面经阳极处理后耐蚀性佳, 因此广泛地被利用。自90 年代以来, 铝材在机械行业的应用进入了飞速发展阶段。例如，台湾出口

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的自行车中, 铝合金零件所占比例1980年只有4.7%，1993年为8.9%，从1995 年到2001 年却从10%跃升到70%, 而且依然出现整体成长之趋势，这当然与台湾自行车的转型有关，即从多档次产品转向高档产品。铝合金有以下三大优良特性：

1 .铝合金的轻质为最重要的特性。而铝合金材料的密度是铁的1/3，但铝材的弹性模量( 69~79 )远低于铬钼钢( 200~207)，其拉伸强度(246以上)亦低于铬钼钢(834) 以上, 虽然同样厚度的铝管其强度往往难以达同等铬钼钢材料的性能水平，通常需通过加厚才能满足要求；即使如此，基材为铝的机器也不到铁材的1/2。

2 .铝合金良好的吸震功能。铝材弹性模量低于铬钼钢，用铝材制成的车架能够最大限度地吸收来自于地面的震动。

3.铝合金表面良好的色彩表现效果。随着消费者少量多样化的要求, 对高端产品色彩要求越来越丰富多彩, 而铝合金表面良好的着色性极大地满足了消费者对色彩的需求。

3.5 铝合金系列及其用途

一系：1000系列铝合金代表1050、1060、1100系列。在所有系列中1000系列属于含铝量最多的一个系列。纯度可以达到99.00%以上。由于不含有其他技术元素，所以生产过程比较单一，价格相对比较便宜，是目前常规工业中最常用的一个系列。目前市场上流通的大部分为1050以及1060系列。1000系列铝板根据最后两位阿拉伯数字来确定这个系列的最低含铝量，比如1050系列最后两位阿拉伯数字为50，根据国际牌号命名原则，含铝量必须达到99.5%以上方为合格产品。我国的铝合金技术标准(ＧB/T3880-2006)中也明确规定1050含铝量达到99.5%。同样的道理1060系列铝板的含铝量必须达到99.6%以上。

二系：2000系列铝合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。2000系列铝板的特点是硬度较高，其中以铜原属含量最高，大概在3-5%左右。2000系列铝棒属于航空铝材，目前在常规工业中不常应用。

三系：3000系列铝合金代表3003、3A21为主。我国3000系列铝板生产工艺较为优秀。3000系列铝棒是由锰元素为主要成分。含量在1.0-1.5之间，是一款防锈功能较好的系列。

四系：4000系列铝棒代表为4A01、4000系列的铝板属于含硅量较高的系列。通常硅含量在4.5-6.0%之间。属建筑用材料,机械零件,锻造用材,焊接材料;低熔点,耐蚀性好，产品描述：具有耐热、耐磨的特性。

五系：5000系列铝合金代表5052、5005、5083、5A05系列。5000系列铝棒属于较常用的合金铝板系列，主要元素为镁，含镁量在3-5%之间。又可以称为铝镁合金。主要特点为密度低，抗拉强度高，延伸率高。在相同面积下铝镁合金的重量低于其他系列，在常规工业中应用也较为广泛。在我国5000系列铝板属于较为成熟的铝板系列之一。

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六系：6000系列铝合金代表6061主要含有镁和硅两种元素，故集中了4000系列和5000系列的优点6061是一种冷处理铝锻造产品，适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的应用。可使用性好，容易涂层，加工性好。

七系：7000系列铝合金代表7075主要含有锌元素。也属于航空系列，是铝镁锌铜合金，是可热处理合金，属于超硬铝合金，有良好的耐磨性。目前基本依靠进口，我国的生产工艺还有待提高。

八系：8000系列铝合金较为常用的为8011属于其他系列，大部分应用为铝箔，生产铝棒方面不太常用。

九系：9000系列铝合金是备用合金[9]。

3.6 2024铝合金

根据以上原则，考虑到遮阳伞的整体质量应该要小，且野外出游，可能风力对伞骨架的受力影响，再加上伞经常撑开合起，要有一定的耐磨性能。因此选用2024铝合金。

2024，国内通常叫做2A12，相当于LY12，通用的板材标准为AMS-QQ-A-250/4（非包铝）；AMS-QQ-A-250/5（包铝），2024的合金元素为铜，被称为硬铝，具有很高的强度和良好的切削加工性能，但耐腐蚀性较差。广泛应用于飞机结构（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等）、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他各种结构件，为Al-Cu-Mg系。

3.6.1 化学成分

硅 0.5% 铁 0.5% 铜 3.8-4.9 锰 0.0-0.9 镁 1.2-1.8 铬 0.10 锌 0.25 钛 0.15（5） 其它(3) 0.15 铝(4) 其余 备注：

(1)组合之元素性质以最高百分率表示，除非列出的是一个范围或是最低值； (2) 为了定出合适的数值限制，分析得来的观察或计算数值都是依据标准规则(ANSI Z25.1)以表示明确的范围；

(3) 除了非合金外，合金内的元素所规定的份量通常在分析报告中指示出来。但如果在分析过程中怀疑有其它元素存在或有部份元素被怀疑有过量的情形，更应进一

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步的分析直至有证实为止；

(4) 不是经由精炼过程的非合金铝中的铝质的含量就是其它的金属的总量和百分百纯铝之差－其差别在于百分之0.01或稍多一点（百份比的小数点后第二位）； (5) 最多可含有0.20%锆和钛。

3.6.2 物理性能

2024为铝－铜－镁系中的典型硬铝合金，其成份比较合理，综合性能较好。很多国家都生产这个合金，是硬铝中用量最大的。该合金的特点是：强度高，有一定的耐热性，可用作150°C以下的工作零件。温度高于125°C，2024合金的强度比7075合金的还高。热状态、退火和新淬火状态下成形性能都比较好，热处理强化效果显著，但热处理工艺要求严格。抗蚀性较差，但用纯铝包覆可以得到有效保护；焊接时易产生裂纹，但采用特殊工艺可以焊接，也可以铆接。广泛用于飞机结构、铆钉、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件。 2024用途：

2024铝合金由于有高强度和好疲劳强度，被广泛应用在航空器结构上，尤其是机翼与机身结构下的受到张力的地方。

2024铝合金密度为2.73 g/cm3。 力学性能：

抗拉强度σb(MPa)≥425 条件屈服强度σ0.2(MPa)≥275 试样尺寸：所有壁厚 注：管材室温纵向力学性能。 热处理工艺：

状态、退火和新淬火状态下成形性能都比较好，热处理强化效果显著，但热处理工艺要求严格。抗蚀性较差，但用纯铝包覆可以得到有效保护；焊接时易产生裂纹，但采用特殊工艺可以焊接，也可以铆接。

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4 光源的选择

光源的选择指标有很多，与人眼感觉相关的有色温、色度及显色指数。白炽灯给人以温暖的感觉，荧光灯、水银灯则给人以清冷的感觉，这主要是由于它们的色温不同所致。常用照明中我们选用白炽灯、荧光灯而不选用钠灯，是因为钠灯的显色指数小，看到的物体不真实，人眼也容易疲劳。因此，对系统光源进行选择需要考虑多方面，包括色度参数、

光度参数、可靠性、供电方式等[2]。表4-1列出了各种不同照明光源的特性。

表4-1 几种照明光源的特性

表

常用光源有很多种，但并不是每种都适合用于太阳能照明系统。普通照明从上表中可以看出供电方式有交流和直流，太阳能光伏系统提供的是直流电，传统光源要想使用太阳能，还要增加逆变电路，中间能量损耗要大于使用LED灯，在这样的情形下，理想的选择当然是使用LED灯。而且高压钠灯，这种光源存在显色性差、启动时间长、发热量大等缺点，而节能灯在支路、小区用得较多。表4-2列出了三种光源的光辐射抵达路面的情形。

表4-2 三种光源的光辐射抵达路面情形比较

[10]

考虑到太阳能灯的能量来源于白天的光照，能量有限，因此光源功率不能选择太大。我们选择白光LED作为光源，其光效达60lm/W，具有良好的照明效果，并且LED的电源为直流，这样太阳能光伏系统可以直接为它提供能源。在抵达路面光通量相同的情况下，高压钠灯、荧光灯的功耗大，而LED的节能效果显著，且高压钠灯和荧光灯如用太阳能还需增加逆变电路。由上可知，太阳能遮阳伞系统最合适的光源是白光LED，随着LED技术的进步，这个优势会更加明显。白炽灯由于光效差正在逐步被淘汰，随着光伏系统的普及，白光LED将成为普通照明的光源。

目前太阳能LED灯已成为太阳能照明的一个主要发展方向，随着LED技术的发展，太阳

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能灯具使用LED作为光源已是大势所趋由于LED使用低压直流电供电，当利用常规交流供电系统作为ED供电电源时，必须将电源转化成低压直流电才能使用这不仅增加了照明系统的成本，同时也降低了能源的利用率太阳能电池可直接将光能转化为直流电能，并且太阳能电池组件可以通过串并联的方式任意组合，再匹配对应的蓄电池就可以得到LED实际需要的电压，因而这种系统将获得较高的能源利用率以及较高的安全性、可靠性和经济性[11]。

综上所述，选用LED作为太阳能遮阳伞的光源。考虑到野外比较空旷，故选用4个功率为10W的LED灯。

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5 电池组件和蓄电池选型

5.1 太阳能电池组件选型

设计要求：保定地区，采用大功率LED光源，其工作电压24V、功耗40W，每天工作时数6h。

（1）保定地区近20年均辐射量107.7kcal/cm2，经计算峰值日照时数约为3.424h； （2）负载日耗电量：40÷24×6=10Ah;

（3）所需太阳能组件的总充电电流：1.05×6÷3.424÷0.85=2.165A，在这里，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率；

（4）太阳能组件的最少功率：17.2×2.165=37.238W。

选用100W太阳能电池组件，可以保证该系统在一年大多数情况下的正常运行。 注：因本文设计要求需用柔性太阳能电池板，而柔性太阳能电池板在本文截稿为止尚未出现。故该太阳能组件暂按普通太阳能电池板选用。

5.2 蓄电池选型

根据上面的计算，负载日耗电量10Ah。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：10×8=80Ah,选用1台12V/200Ah的蓄电池就可以满足要求[12]。

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6 控制器

6.1 引言

蓄电池管理系统包含对蓄电池的充放电控制与蓄电池的剩余容量预测。本文采用MSP430F147单片机来进行数据采集、 处理和控制，来完成对蓄电池的容量预测以及充放电控制。具体硬件实现电路如图6-1所示：

图6-1 MSP430F147单片机硬件控制电路

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在本系统中采用扰动观察法实现太阳能阵列最大功率点跟踪(MPPT)充电, 其中心思想是测量当前阵列输出电压和电流，计算输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量(或称之为扰动)，由光伏阵列I-U特性可知，其输出功率会发生改变，计算出改变后的功率，与改变前的比较即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续使用原扰动，如果减小则改变原扰动方向，来实现MPPT控制。虽然最大功率点跟踪控制调节由硬件电路实现，但控制给定由单片机根据MPPT原则给出。它送出的是一个PWM信号, 其占空比大小反映输出电压的高低,这个给定信号用来调节阵列的电压，其给定调节的软件流程如图

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6-2所示。

图6-2 MPPT软件流程图

太阳能电池即非恒流源也非恒压源，其输出功率随光照强度和温度的变化而变化，在一定的光照强度和温度下，太阳能电池只有工作于某一点上时其输出功率才能达到最大。因此如何确保环境变化时太阳能电池工作在最大功率点上，即如何实现最大功率点跟踪( MPPT)是系统要解决的主要问题。另外LED的驱动，防止蓄电池过充过放并合理地对其充电也是系统要考虑的问题[14]。

6.2最大功率点跟踪的原理和实现方法

6.2.1 最大功率点跟踪的原理

太阳能电池的输出特性曲线如图6-3所示。

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图6-3 两种情形下太阳能电池输出特性曲线

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从特性曲线上可以看出每条P-V 特性曲线上都只有一个最大功率点，最大功率点随光照度的增加而增加，随温度的上升而减少。若太阳能电池组直接对蓄电池充电，其输出电压恒定，无法实现最大功率点跟踪。实现方法就是在太阳能电池和蓄电池之间插入直流变换器，把直流变换器和蓄电池看作太阳能电池的负载，调节直流变换器的占空比，使负载和太阳能电池此时的内阻相匹配，负载上获得最大功率。现代电力电子技术可以使直流变换器的效率很高，因此太阳能电池组提供的功率大部分给蓄电池充电。直流变换器的输出电压可看作等于蓄电池电压，是不变的，调节占空比改变其输入电压即光伏电池的输出电压。

6.2.2 最大功率点跟踪的控制方法

目前理论上来说常用的最大功率跟踪方式有如下几种： 恒电压控制法、 扰动观察法、 增量电导法、 模糊逻辑控制法、 滞环比较法、 最优梯度法等。这些方法都是在光照强度和温度变化时依据光伏电池的特性曲线从数学方法上找到其相应的最大功率点，然后由相应的电路来实现。这些方法又各有优缺点，其中恒电压控制法具有电路简单易于实现等优点，实际中应用得较多。考虑到本系统功率不大，故采用恒电压控制法。从光伏电池的特性曲线上可以看出，温度不变时不同光照强度下的最大功率点上光伏电池的输出电压几乎是不变的，因此我们只需要使光伏电池的输出电压为某一值Um 就能够实现最大功率点跟踪[15]。这就是恒电压控制的原理。恒电压控制的缺点在于没有考虑到温度变化的因素。针对这一不足我们可做如下改进：加入温度补偿系统，让不同的温度范围对应不同的最大功率点电压Um，或按-3—-5mV/℃ 这样就可以很好地解决该问题。

6.3 实现最大功率点跟踪的具体电路

实现最大功率点跟踪用得较多的是 Buck 电路和Boost 电路。Buck 电路输入电流是断续的，若直接加在光伏电池上，光伏电池的输出电流是断续的，光伏电池不能处于最佳工作状态。因此Buck 电路与光伏电池之间必须插入储能电容。加入储能电容后，电路可靠性，体积等都会受到影响。相比之下，Boost 电路其输入端输入电流是连续的，Boost 电路只要其升压电感足够大就能保证光伏电池输出电流基本无波动，在实现最大功率点跟踪

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时有显著的优点。如图6-4所示。

图6-4 B00st电路

Boost 电路开关S闭合时，二极管D截止,光伏电池通过开关S让电感储能，同时电容C对蓄电池放电；开关 S 断开时D导通，光伏电池和电感一起对蓄电池放电，输出电压高于输入电压，同时让电容充电。只要开关管工作频率足够高，电容C足够大就能使输出稳定。Boost 电路输入输出关系为

Uo= Ui/(1-D)

电路输出电压等于蓄电池电压，一段时间可认为是不变的，调节占空比可使其输入电压即光伏电池的输出电压变化，从而实现最大功率点跟踪。滤波电容C较小有可能使蓄电池的充电电流波动较大，影响蓄电池的使用寿命，电容C可按下式确定：

C≧Iom(Uo-Ui)/(fUo⊿Uo)

式中： Iom，f，Uo分别指可能的最大充电电流、开关管工作频率和电容C上的电压波动。

6.4 Bi Boost-Buck 在系统中的应用

目前大部分功率LED驱动电路采用典型开关变换器，该方案的优点是技术成熟。典型开关变换器有非隔离的和隔离二种类型，非隔离开关变换器包括Buck、Boost和Boost-Buck变换器。

从整个系统来看，蓄电池的能量要双向传递。光伏电池给蓄电池充电要一个直流变换器，而蓄电池恒流驱动LED灯也要一个直流变换器。这2个直流变换器共用一个主电路， 而控制电路做在一起，就构成了双向直流变换器。双向直流变换器能实现能量的双向传递， 是典型的一机两用设备。它能减少电路的元件数量, 使控制集中，减小电路的体积。许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关反并一个有源开关，而将原来的有源开关反并一个无源开关而成为双向DC/DC 变换器[16]。上述Boost变换器通过上述变换构成 BiBoost-Buck 双向直流变换器,如图7-5所示。

图6-5 BiBoost-Buck 双向直流变换器电路图

蓄电池的充电和放电不会同时进行，所以任一时间能量都是单向传递的。能量从左往

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右传递即光伏电池对蓄电池充电时, 主要是由L, S1 , D1 和C1 工作,相当于Boost 电路；能量从右往左传递即蓄电池对LED灯供电时，主要是S2， L，C2 和D2 工作相当于Buck 电路。恰当选择足够大的电感L，就能使电路工作于Boost 电路时可以让电路输入电流基本无波动, 有利于实现最大功率点跟踪；电路工作于Buck 电路时易于实现对LED灯的恒流驱动。同时,电容C2 可选用较小的容值。

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7 太阳能遮阳伞的结构设计

7.1 太阳能遮阳伞各零件的设计

该太阳能遮阳伞为方便装入私家车后备箱里，把伞杆分成三节：上杆、中杆和下杆。零件包括：上节、中节、下节、伞骨、伞骨支架、小支架、弹簧、伞骨撑、支架撑、小支架撑、钩子等。这些零件主要用到pro/e里的一些拉伸命令。 1.上杆：

总长1220mm,外径25mm,内径20mm。为连接中杆，在距底部100mm处，有直径为8mm的通孔一个：

图7-1上杆

图7-2上杆局部图

2.中杆：中杆全长1000mm,外径30mm,内径25mm。在离上端50mm处有一直径为8mm的通孔，在离下端100mm，200mm,300mm处各有一个直径为8mm的通孔。中杆的作用只是为方便安装与装载：

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图7-3中杆

图7-4 中杆局部图

3.下杆：

下杆总长700mm,和底座连在一起。底座直径600mm,高200mm,用来装蓄电池和控制器。杆长500mm,外径35mm,内径30mm。离上端100mm处有一直径为8mm的通孔，用来和中杆连接。

图7-5 下杆

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4.伞骨：

伞骨有螺纹伞骨和拉绳伞骨各四个，总长都是862mm,直径为5mm。上端都是带有直径为3mm小孔的薄片。薄皮厚度为2mm,长、宽为6mm。离上端406mm处有同样一个薄片，和端处薄片在同一平面内。螺纹伞骨另一端是长为10mm的螺纹。拉绳伞骨另一端距端5mm处有一直径为3mm的通孔。

图7-6 伞骨

图7-7伞骨局部图

图7-8 拉绳伞骨顶端

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图7-9 螺纹伞骨顶端

5.伞骨支架：

伞骨支架共八个，总长412mm,粗为5mm,两端都是厚为2mm，长、宽为6mm的薄片，薄片中心有直径为3mm的通孔。与两薄片在同一平面，距一端136mm处有同样一薄片。

图7-10 伞骨支架

6.小支架：

小支架共八个，总长为156mm，两端都是厚为2mm,长、宽都是6mm的薄片，薄片中心有直径为3mm的小孔。

图7-11 小支架

7.弹簧：

弹簧原厂250mm，直径35mm,截面直径为3mm，节距是6mm。弹簧的作用是自动开伞。

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图7-12 弹簧

8.伞骨撑：

伞骨撑总长150mm,外径30mm,内径25mm,上端有八个小薄片均匀分布，小薄片厚度2mm,长、宽各为6mm。其作用是使伞骨铰链连接到伞杆上。伞骨撑和上杆过盈配合。伞骨撑下端外径是35mm,高为10mm,其作用是控制遮阳伞的撑开程度。

图7-13 伞骨撑

9.支架撑：

支架撑全长130mm,内径25mm,外径30mm。上端外径35mm，高6mm，在其周围有均匀布置的小薄片，其厚度为2mm,长、宽为6mm。其作用是使支架铰链连接在伞杆上，并可以沿杆滑动。

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图7-14 支架撑

10.小支架撑：

小支架撑全长150mm，上部外长130mm，内深120mm，外径45mm，内径40mm；下部外长20mm,内长30mm，外径30mm，内径25mm。上端有均匀分布的八个小薄片，小薄片厚2mm，长、宽各为6mm。小薄片下部中间开有长宽各为10mm的通孔。和通孔连线成90度角处有一小薄片，小薄片长款个为8mm,中间有直径为4mm的小孔。

图7-15 小支架撑下端

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图7-16 小支架撑

11.钩子：

钩子长350mm，高和宽均为4mm，钩部高8mm,长、宽均为4mm。在一端处半圆中心有直径为2mm的通孔。

图7-17 钩子

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7.2 太阳能遮阳伞的装配过程

装配是运动仿真的前提保障, 装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果, 装配前首先要确定运动的各构件以及各构件之间的运动副。确定好各构件及各构件之间的运动副之后, 即可通过选择构件和运动副组成机构, 最后由各机构组成整机。本设计装配主要用到销钉、滑杆、刚性等装配方式。 第一步，把伞骨撑刚性装配到上杆上：

图7-18 装配第一步

第二步，把支架撑滑杆装配到上杆：

图7-19 装配第二步

第三步，把弹簧装上：

图7-20 装配第三步

第四步，把小支架撑装上：

图7-21 装配第四步

第五步，把伞骨装上。螺纹伞骨与拉绳伞骨相间布置：

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图7-22 装配第五步

第六步，把支架装上：

图7-23 装配第六步

第七步，把小支架装上：

图7-24 装配第七步

第八步，把钩子装上：

图7-25 装配第八步

第九步，把中杆装上：

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图7-26 装配第九步

第十步，把底座装上：

图7-27 装配第十步

装配完毕：

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图7-28 装配完毕

7.3 结构设计说明

该设计为自动撑开伞。解开伞后，在弹簧的作用下，推动支架沿杆向上移动，同时支架撑开骨架。考虑到撑开的惯性可能会对伞骨造成损害，小支架撑下部设计了一个带孔的薄板。用绳子穿过小孔，可以控制撑开的速度。并且在收起时，可以通过把绳子往下拉，而不用站高。

伞收起后，有两种措施防止伞再次自动张开。一是在上杆下端两侧分别设置了一个钩子，在小支架伞撑和钩子同侧分别设置一个正方形的孔。伞收起后，把钩子勾到孔里。另一种措施是利用小支架撑上的绳子把伞缠起来。

拉绳伞骨在顶端设置有小圆孔，可以用绳子穿过其中，然后拉到一个固定的地方。这样会增大对抗风的力。螺纹伞骨在顶端有10mm的螺纹，可以把二极管固定在上。

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蓄电池和控制器等硬件均布置在底座内，一来美观，二来可以降低系统的重心，利于稳定。 全长：

全长分三个等级：2370mm,2470mm,2570mm。 伞撑开角度：

经计算可得伞完全撑开后的撑开角度是79°。 伞的体积：

由pro/e软件可求得整个遮阳伞骨架的体积是5835.307cm3。 伞骨架的重量：

因为材料选用2024铝合金，其密度为2.73 g/cm3,所以伞骨架的质量是2.73×5835.307=15.9kg。

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结 论

本文设计的LED 光伏路灯系统, 用恒电压控制法的Boost 电路实现了最大功率点跟踪, 在此基础上构成Bi Boost-Buck 变换器同时实现对LED 灯的恒流驱动。系统具有电路简单, 实现同样照明效果成本低, 电路体积小, 实用高效等优点, 在当前能源危机的背景下具有推广价值。并把该系统用到外出度假遮阳伞，给人们的出游带来极大方便。

本文又运用Pro/E软件对遮阳伞进行三维实体建模及装配。 完成的工作如下：

1. 运用Pro/E的基本模块对遮阳伞零件进行三维实体建模； 2．运用Pro/E的装配模块对遮阳伞骨架进行装配；

3. 对太阳能光伏系统里的电池板、控制器、蓄电池、光源进行选型或设计。 本次毕业设计使我所学到的知识得到进一步的巩固，并且学会了利用Pro/E绘图，对伞的构架有了深刻的认识，对太阳能光伏系统有了初步的了解。

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致谢

本次毕业设计是在花广如老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，花老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。几个月来，花老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向花老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！

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