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摘 要：近年来，太阳能路灯越来越普及。本文通过对太阳能路灯增加太阳跟踪功能的新型太阳能路灯的结构设计及原理、特点，做了详细阐述，并对应用提出展望。
关键词：太阳能路灯 跟踪功能 结构设计 特点 原理
中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0068-01
1 太阳能路灯概况及背景技术
太阳能作为一种清洁、无污染的可再生新能源，近年来受到了越来越多的关注，其应用也越来越广泛。太阳能路灯作为其中一种应用，也正被广泛普及。太阳能路灯相比于常规的路灯，具有很多独特的优点，如安装简单，不用鋪设复杂的输电线路、配电设备，不需开挖路面、埋管工程，不消耗电能，大幅降低维护成本等。
目前，市场上的太阳能路灯样式较多，但结构基本相同，主要包括太阳能电池组件（光电板）、蓄电池、控制器、灯杆和灯具等。对于现有的太阳能路灯，太阳能电池组件大都是固定在路灯灯杆顶端，以一定的倾斜角度朝正南方向固定，由于白天太阳的运行轨迹是不断变化的，导致太阳能电池组件正面不是始终和太阳光垂直，太阳能的利用率较低。
2 有太阳跟踪功能的太阳能路灯结构设计及工作原理与特点
本人这里主要介绍的是具有太阳跟踪功能的太阳能路灯的跟踪系统结构设计。而有太阳跟踪功能的太阳能路灯，目前市场上还较少或几乎没有，像应用于其它方面的太阳跟踪系统及结构，本人所了解到的和见到的都较为复杂，多用到减速器等，不是复杂笨重、体积较大，成本较高，就是其结构薄弱，抗风性能差。当然也就难以应用到太阳能路灯上。
而本人设计的这款有太阳跟踪功能的太阳能路灯（以下简称追日太阳能路灯），其组成部件包括灯杆、灯具、跟踪翻转机构、感光器、跟踪信号处理及控制器、蓄电池、路灯智能充放电及自动亮灯关灯控制器、光电板托架和光电板。跟踪翻转机构由电动推杆、带座轴承和铰支组成。
这款有太阳跟踪功能的太阳能路灯的特点：南北向（太阳高度角方向）以与水平30°固定倾斜设计，东西向（太阳高度角方向）全方位自动跟踪，光电板最大跟踪翻转角度达160°。跟踪角度大，结构简单，安装方便，耐候性好，抗风能力强、故障率低、成本低，经济性好等优点。太阳方位感光器跟踪太阳运行轨迹，使光电板时刻保持正对太阳方向，提高太阳能利用率，延长路灯亮灯时间。同时，所用太阳方位感光跟踪控制器也结构简单，成本低，生产方便。
下面就其结构及工作原理做详细说明，如下图所示，灯具2通过灯具弯管5与灯杆1固定连接，灯杆1顶端套设有光电板头架管6，光电板头架管6顶端安装有与之转动连接的转轴7，光电板托架3通过轴承座8与转轴7两端连接，光电板4固定安装在光电板托架3上，光电板4上装有太阳方位感光器9；光电板头架管6上还连接有电动推杆10，电动推杆10下端与光电板头架管6铰接，上端铰接于光电板托架3底部；灯杆1上的蓄电池及控制器箱11内设有跟踪信号处理及控制器12和蓄电池13，跟踪信号处理及控制器12信号输入端与太阳方位感光器9电连接，信号输出端与电动推杆10连接，电源输入端与蓄电池连接；光电板4通过充放电及自动亮灯关灯控制器分别与蓄电池13和灯具2连接。（图1）
太阳方位感光器9检测头两侧边与水平面形成的锐角θ为45°，检测头两侧边对称固定连接有太阳能感光硅片，两侧的太阳能感光硅片分别朝向东西方向布置安装，并分别与控跟踪信号处理及制器12连接。检测头由不锈钢钢板和支撑杆在中心固定，支撑杆下端垂直固定在光电板4上。
跟踪信号处理及控制器12上设有阳光弱指示灯14和电动推杆运动方向指示灯15。太阳能感光硅片还可检测太阳光强度，当太阳能感光硅片检测到太阳光强度不能达到发电条件时（例如阴天或夜晚），跟踪信号处理及控制器12的阳光弱指示灯14亮起，并控制电动推杆10和光电板4进入休眠状态。电动推杆转动方向指示灯15为双色发光二极管，分别用不同的颜色指示电动推杆10的运动方向，当发光二极管熄灭时，表示电动推杆10锁定。
追日系统工作时，太阳方位感光器9中的两个太阳能感光硅片检测感应电压，并感应太阳光强度，然后将检测到的信号发送给控制器12，控制器12先对太阳光强度进行判断，若太阳光强度不能达到工作条件时（例如阴天或夜晚），控制器12控制阳光弱指示灯14亮起，并控制电动推杆10和光电板4进入休眠状态。若太阳光强度达到工作条件，跟踪信号处理及控制器12对接收的两个太阳能感光硅片的检测电压进行比较处理，并对电动推杆10发出伸缩运动的控制命令，进而使电动推杆10推动光电板4转动，当两个太阳能感光硅片的检测电压达到平衡时停止，即太阳垂直于光电板4，进而达跟着太阳转动一定倾斜角度的目的。
当一天的太阳跟踪结束，休眠状态达2小时后，光电板4自动回到与东西方向夹角成0°位置（及水平位置）。当第二天太阳升起时，东边的太阳能感光硅片感应到阳光，唤醒控制器12工作，控制器12控制电动推杆10推动光电板4转动并正对太阳。
3 应用展望和结束语
随着现代工业的发展，资源、能源及环境保护的问题日益突出。因此，新型能源以及清洁能源的应用是时代发展的需求，太阳能以其清洁而环保的特点，必将被越来越多的人们所了解和青睐。太阳能路灯作为其中一种应用，正被广泛普及，具有太阳跟踪功能的太阳能路灯则是对原有技术的提升，更充分利用地太阳能，让其效率更高。笔者相信这项技术的应用和普及将越来越广泛。
参考文献
[1] 王少怀.机械设计师手册[M].机械工业出版社出版，1989：324-335.
[2] 李建英，吕文华，晓雷，等.一种智能型全自动跟踪装置的机械设计[J].机械学报，2003，24（3）：330-333.
关键词：太阳能路灯 跟踪功能 结构设计 特点 原理
中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0068-01
1 太阳能路灯概况及背景技术
太阳能作为一种清洁、无污染的可再生新能源，近年来受到了越来越多的关注，其应用也越来越广泛。太阳能路灯作为其中一种应用，也正被广泛普及。太阳能路灯相比于常规的路灯，具有很多独特的优点，如安装简单，不用鋪设复杂的输电线路、配电设备，不需开挖路面、埋管工程，不消耗电能，大幅降低维护成本等。
目前，市场上的太阳能路灯样式较多，但结构基本相同，主要包括太阳能电池组件（光电板）、蓄电池、控制器、灯杆和灯具等。对于现有的太阳能路灯，太阳能电池组件大都是固定在路灯灯杆顶端，以一定的倾斜角度朝正南方向固定，由于白天太阳的运行轨迹是不断变化的，导致太阳能电池组件正面不是始终和太阳光垂直，太阳能的利用率较低。
2 有太阳跟踪功能的太阳能路灯结构设计及工作原理与特点
本人这里主要介绍的是具有太阳跟踪功能的太阳能路灯的跟踪系统结构设计。而有太阳跟踪功能的太阳能路灯，目前市场上还较少或几乎没有，像应用于其它方面的太阳跟踪系统及结构，本人所了解到的和见到的都较为复杂，多用到减速器等，不是复杂笨重、体积较大，成本较高，就是其结构薄弱，抗风性能差。当然也就难以应用到太阳能路灯上。
而本人设计的这款有太阳跟踪功能的太阳能路灯（以下简称追日太阳能路灯），其组成部件包括灯杆、灯具、跟踪翻转机构、感光器、跟踪信号处理及控制器、蓄电池、路灯智能充放电及自动亮灯关灯控制器、光电板托架和光电板。跟踪翻转机构由电动推杆、带座轴承和铰支组成。
这款有太阳跟踪功能的太阳能路灯的特点：南北向（太阳高度角方向）以与水平30°固定倾斜设计，东西向（太阳高度角方向）全方位自动跟踪，光电板最大跟踪翻转角度达160°。跟踪角度大，结构简单，安装方便，耐候性好，抗风能力强、故障率低、成本低，经济性好等优点。太阳方位感光器跟踪太阳运行轨迹，使光电板时刻保持正对太阳方向，提高太阳能利用率，延长路灯亮灯时间。同时，所用太阳方位感光跟踪控制器也结构简单，成本低，生产方便。
下面就其结构及工作原理做详细说明，如下图所示，灯具2通过灯具弯管5与灯杆1固定连接，灯杆1顶端套设有光电板头架管6，光电板头架管6顶端安装有与之转动连接的转轴7，光电板托架3通过轴承座8与转轴7两端连接，光电板4固定安装在光电板托架3上，光电板4上装有太阳方位感光器9；光电板头架管6上还连接有电动推杆10，电动推杆10下端与光电板头架管6铰接，上端铰接于光电板托架3底部；灯杆1上的蓄电池及控制器箱11内设有跟踪信号处理及控制器12和蓄电池13，跟踪信号处理及控制器12信号输入端与太阳方位感光器9电连接，信号输出端与电动推杆10连接，电源输入端与蓄电池连接；光电板4通过充放电及自动亮灯关灯控制器分别与蓄电池13和灯具2连接。（图1）
太阳方位感光器9检测头两侧边与水平面形成的锐角θ为45°，检测头两侧边对称固定连接有太阳能感光硅片，两侧的太阳能感光硅片分别朝向东西方向布置安装，并分别与控跟踪信号处理及制器12连接。检测头由不锈钢钢板和支撑杆在中心固定，支撑杆下端垂直固定在光电板4上。
跟踪信号处理及控制器12上设有阳光弱指示灯14和电动推杆运动方向指示灯15。太阳能感光硅片还可检测太阳光强度，当太阳能感光硅片检测到太阳光强度不能达到发电条件时（例如阴天或夜晚），跟踪信号处理及控制器12的阳光弱指示灯14亮起，并控制电动推杆10和光电板4进入休眠状态。电动推杆转动方向指示灯15为双色发光二极管，分别用不同的颜色指示电动推杆10的运动方向，当发光二极管熄灭时，表示电动推杆10锁定。
追日系统工作时，太阳方位感光器9中的两个太阳能感光硅片检测感应电压，并感应太阳光强度，然后将检测到的信号发送给控制器12，控制器12先对太阳光强度进行判断，若太阳光强度不能达到工作条件时（例如阴天或夜晚），控制器12控制阳光弱指示灯14亮起，并控制电动推杆10和光电板4进入休眠状态。若太阳光强度达到工作条件，跟踪信号处理及控制器12对接收的两个太阳能感光硅片的检测电压进行比较处理，并对电动推杆10发出伸缩运动的控制命令，进而使电动推杆10推动光电板4转动，当两个太阳能感光硅片的检测电压达到平衡时停止，即太阳垂直于光电板4，进而达跟着太阳转动一定倾斜角度的目的。
当一天的太阳跟踪结束，休眠状态达2小时后，光电板4自动回到与东西方向夹角成0°位置（及水平位置）。当第二天太阳升起时，东边的太阳能感光硅片感应到阳光，唤醒控制器12工作，控制器12控制电动推杆10推动光电板4转动并正对太阳。
3 应用展望和结束语
随着现代工业的发展，资源、能源及环境保护的问题日益突出。因此，新型能源以及清洁能源的应用是时代发展的需求，太阳能以其清洁而环保的特点，必将被越来越多的人们所了解和青睐。太阳能路灯作为其中一种应用，正被广泛普及，具有太阳跟踪功能的太阳能路灯则是对原有技术的提升，更充分利用地太阳能，让其效率更高。笔者相信这项技术的应用和普及将越来越广泛。
参考文献
[1] 王少怀.机械设计师手册[M].机械工业出版社出版，1989：324-335.
[2] 李建英，吕文华，晓雷，等.一种智能型全自动跟踪装置的机械设计[J].机械学报，2003，24（3）：330-333.