一种新型智能可升降太阳能玻璃百叶窗的设计

第第页一种新型智能可升降太阳能玻璃百叶窗的设计摘要：针对现有高层建筑遮阳普遍存在的效率低、浪费大等问题，设计了一套智能化的新型可升降的太阳能玻璃百叶窗。该设计以玻璃百叶窗为载体，利用太阳能电池片遮阳与发电。同时，对传统玻璃百叶窗进行改进，克服了其无法升降的缺点，使其不仅可以旋转，同时可以自由升降。在控制系统的自动旋转模块上增加最大功率点跟踪系统（MPPT），最大限度利用太阳能。

关键词：窗体光伏遮阳发电自动化

中图分类号：TM文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）02（b）-0016-03

随着近年来高层建筑的发展，其遮阳问题也一直被人们所关注。高层建筑，受安全性以及其自身高度等的局限性，很难安装较为节能的大型铝合金遮阳板，现如今普遍使用的仍是小型塑料百叶窗以及遮阳布。虽然两者的遮阳效果大致都能满足人们的要求，但由于使用时会遮挡光线入射，必定会造成大量电灯能耗的浪费，且没有办法产生能量补给，浪费了大量资源。

笔者由此引发思考，设计出一套智能可升降的太阳能玻璃百叶窗。通过机械传动装置实现百叶片的升降与旋转，同时利用覆于百叶片上的太阳能电池片进行能量收集。控制系统由基于AT89C52的单片机控制程序和电路组成，实现百叶升降旋转自动化、最大功率点跟踪以及电压转换。

对于一个完整的智能太阳能百叶窗，整个系统分为五个部分，即玻璃百叶窗（包含太阳能板）、控制器、蓄电池、用电器和外部遥控。

1.百叶窗机械设计原理

玻璃百叶窗不同于传统的大型铝合金百叶窗，其通常安装在室内，起到一个亮化空间，改善通风的作用，但玻璃百叶窗起不到遮阳的效果，通常为固定状态，只能旋转叶片角度，而不能改变上下位置。笔者由晒衣架引发思考，设计了该种可升降的玻璃百叶窗，如图1所示。

机械设计原理主要分为百叶片旋转与升降两部分。

1.1百叶片的升降

首先，多根短杆相连形成了一个多菱形相连的框架结构，而该框架结构具有同步折叠与拉伸性。

旋转杆11与螺纹进伸短杆2相咬合，进伸短杆2与顶部水平杆7相连，而水平杆与形成菱形框架机构的最上部一根短连杆相连，菱形机构中每一根短连杆互相连接。

当电动机转动时，电机外伸旋转杆11也随之转动，带动螺纹进伸杆2向外运动，使得短连杆节点之间的距离减小，菱形机构整体上移，从而实现了百叶窗（含电池片）的上升；同样，当电机反方向转动时，使得螺纹进伸杆2向内运动，使得短连杆节点之间的距离增加，菱形机构整体下移，从而实现了百叶窗（含电池片）的下降。因此，控制电机的旋转即可控制百叶片的上升与下降。

整个百叶窗的升降传动链为：

电动机4电机外伸旋转杆11螺纹进伸短杆2顶部水平杆7菱形机构短杆10菱形升降机构。

1.2百叶片的旋转

百叶片的旋转采用平动机构，每根百叶片顶端伸出的销轴与一个三折线机构相连，三折线机构的两端一端与销轴固定相连，另一端套于槽型轨道中。电机置于顶部，带动槽型轨道的一端做圆周运动，从而带动销轴旋转，百叶片也随之旋转。

旋转传动链为：

顶部电机三折线机构外伸滑动槽3三折线机构8百叶片销轴9百叶片14实现百叶片旋转。

2.太阳能电池片的利用

根据设计，玻璃百叶窗安装在室内，太阳能电池片覆于百叶片的表面，随着百叶片的运动而同步运动。

2.1遮阳作用

由于太阳能电池片完全不透明，在炎热且光线强烈的夏季，将全部百叶片降到最低位置，同时将百叶片转动到竖直平面，则可以完全遮挡阳光，避免光线和热量进入室内，有很好的遮阳效果。

2.2产能作用

太阳能电池片吸收阳光能产生电能，在该机构中太阳能电池片作为遮阳的主要工具，与此同时也能吸收其遮挡的阳光，将这部分能量收集与应用，是该百叶窗与传统百叶窗最大的区别所在。

将每一片电池片通过焊带串联起来，由太阳能所产生的能量便能通过电路传递出来，收集到蓄电池上，蓄电池上的能量通过转换器，为用电荷载提供匹配电压，供给室内小型用电器工作，也可以运用于高层公寓，达到一个变相太阳能热水器的作用。当发电的规模达到一定大的量之后也可以对电能实现并网，这种方式成本较高，短期内并不提倡应用。

2.3产能实验测定

为了准确测定实际情况中太阳能电池片的产能情况，我们利用对比试验进行测定，并将其与固定角度的墙体太阳能光伏进行了比较。测定数据后运用软件进行数据处理，得到单位时间内收集的能量如表1所示。

通过实验数据的比较可以发现，在不考虑电路能量损失和各方面折损的情况下，变化太阳能电池片角度、采用最大功率点跟踪的方法所能收集的能量比墙体固定角度太阳能电池片所收集的能量要多达左右，如能将这部分能量加以利用，是个非常可观的数目。

3.控制系统

整个控制系统分为最大功率点跟踪、升降自动控制、旋转自动控制和电压转换四个部分。控制系统由基于AT89C52单片机的控制程序和电路组成。与外部遥控相连接，通过外部遥控上的按钮触发程序运行，达到预设效果。

3.1最大功率点跟踪系统

由于太阳高度角是随时间不断变化的，以不同的太阳高度角照射在太阳能电池片上所能产生的能量也是不同的，因此在控制系统中增加了最大功率点跟踪系统（MPPT），通过百叶片的不断旋转调整太阳照射的角度，保证太阳能电池的输出功率最大。

所谓最大功率点跟踪系统，具体地讲即主程序向电机发出旋转命令，电机转动，同时电功率数据模块将测得的每一时刻的功率信号返回主程序，当到达输出功率最大值位置时，程序向电机发送停止信号，电机停止转动，百叶片也同样停止转动，此时太阳能输出功率达到最高。

3.2旋转自动控制系统

当然，虽然可以由最大功率点跟踪系统实现太阳能的最大利用，但用户也可以根据自身喜好调节百叶片的角度。通过外部遥控上的旋转按钮，向控制旋转的电动机发出运行命令，百叶片随之转动，调整到适合的位置即可。

3.3升降自动控制系统

用户可以根据需求自行调节百叶窗的整体高度。按下上升或下降按钮，主程序向电动机4发出旋转命令，通过机械传动，带动了整个菱形机构及百叶片上下升降。当上升或下降到一定要求的高度之后，按下停止按钮则电机停止转动，百叶片也停止上下运动。

在可升降的极限位置，也即窗的顶部和底部，两端各安置一个红外线接收和发射装置。对于下部，红外线能够被接受为安全状态，当红外线不能被接收时，程序向电机传输停止命令，百叶片停止上下运动。对于上部，红外线不能被接受为正常状态，当红外线能够被接收时，表明已达到顶部位置不能再上升，因而程序发送停止命令。

3.4电压转换

白天太阳照射，电池片将太阳能转化为电能，蓄电池将太阳能电池输出的电能转化为化学能储存起来，到了夜间再将化学能转化为电能输出到外界负载上。但由于蓄电池的输出电压与用电器的工作电压并不一定是一致的，因此在控制系统中加入一个转换器，为用电器提供匹配电压。

4.结语

随着近些年来高层建筑的增加，玻璃幕墙的发展，窗体面积占建筑表面积的比例越来越大，利用窗体光伏达到遮阳节能效果是未来绿色建筑发展的一