太阳能风扇的研究及设计
太阳能风扇的研究及设计[20191223155558]
摘 要
太阳能风扇的设计主要有两大部分：（1）由太阳能电池板以及蓄电池构成的供电系统，这其中还要解决太阳能电池提供电压不稳的问题。（2）由调速板以及直流电机构成的风扇转动系统。
设计中采用功率是1.1 ，工作时电压为6 ，电流为170 的多晶硅太阳能电池。由于太阳能电池板在不同光照强度、不同光照角度下所产生的电压不一样，为了稳定这一电压，本文设计了DC-DC降压稳压电路来解决这一难题。设计降压稳压电路所采用的芯片是LM2577S，其输入电压可在6 -24 ，输出电压可调，本文将其设在了3 。本文所采用的蓄电池是普通的镍氢蓄电池，工作时电压为3 ，正好符合本文所用电机的额定工作电压。将蓄电池与太阳能电池板并联就组成了太阳能风扇的供电系统部分。
风扇转动系统部分是由调速板以及直流电机所构成。直流电机工作时，额定工作电压为3 ，额定转数每分钟约10000转，空载电流约为95 ，堵转电流约为950 。调速板采用的是直流电机调压模块，输入电压3-24 ，调速范围较大，调节的电机速度稳定力矩大。太阳能风扇的转动系统就是由该调压模块与直流电机连接组成的。
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关键字:太阳能蓄电池直流电机
Keywords: Solar energy;Battery;DC motor目 录
1.引言 1
1.1电风扇的产业现状 1
1.2发展太阳能风扇的目的及意义 1
1.3研究思路以及方法 1
2.太阳能风扇总体设计方案 3
2.1太阳能风扇供电系统的设计 3
2.2太阳能风扇转动系统的设计 4
2.3本章小结 4
3.太阳能风扇的供电系统 5
3.1太阳能电池的分析及选用 5
3.1.1太阳能电池的工作原理 5
3.1.2太阳能电池的主要种类和特性 5
3.2DC-DC降压电路的设计 8
3.3蓄电池的分析及选用 12
3.4本章小结 12
4.风扇系统的研究 14
4.1电动机的分析及选用 14
4.2电动机的调速方法 15
4.3本章小结 17
5. 实物的设计 18
5.1太阳能电池 18
5.2DC-DC降压模块 19
5.3调压模块 20
5.4实物的运行 21
结束语 23
参考文献 24
致谢 25
1.引言
1.1电风扇的产业现状
电风扇是由电动机带动扇叶转动的一种电器设备。它能够让周围空气加快速度从而达到降热解暑、净化空气的目的。电风扇使用范围十分广泛，例如：学校、食堂、浴室、医院等等公共场所[1-3]。
现今出现了许多新鲜、让人耳目一新的电风扇样式。比如说有声控电风扇、有灯头电风扇、有防伤手指电风扇还有火柴盒电风扇等等，各种各样的款式，让人眼花缭乱[4]。
在如今飞速发展的社会上，市场竞争愈发的激烈。空调因为制冷效果出众所以慢慢代替了电风扇在人们心中的位置。但是电风扇和空调相比还是有许许多多优点的，第一点就是它比空调的能耗要小，随着全球能源不断减少以及人们逐渐加深的节能观念，因此电风扇还是有一定竞争优势的[5]。第二点就是在空调间里面呆的时间久了容易感染疾病。现今，许多因为吹空调而得疾病的新闻屡见不鲜，因此电风扇还是有很大发展空间的。
1.2发展太阳能风扇的目的及意义
本课题研究的太阳能风扇是利用太阳能电池将光能转化成电能，产生电压和电流，使得马达转动，带动风扇运作扇风。该系统可在室外使用，简单实用。
此系统主要是利用太阳能来供电，太阳能是一种新兴的可再生能源，其具有普遍、无害、巨大、长久等优点。因此本系统既节能又环保无污染，非常具有研究的价值和意义。
1.3研究思路以及方法
太阳能风扇是以太阳能为电能带动马达转动的，因此设计时就需要太阳能电池板还有马达、风扇以及连接用的导线若干。因为太阳能板产生的电压是跟太阳的照射强度和照射角度有关系，所以产生的电压不稳定，因此要能够持续稳定的给电路提供电压，本文就要设计一个稳压电路。考虑到有阴雨天或者是夜间无阳光照射时，系统无法通过太阳能电池供电，因此还要加一个蓄电池，这样的话，在阳光充足的情况下，可以先给蓄电池充满电，然后到了光照不足或者没有光照的情况下，便可以用蓄电池供电，使得系统正常运作。
2.太阳能风扇总体设计方案
太阳能风扇主要由太阳能电池板、稳压电路、蓄电池、调速器以及电动机五部分组成。当太阳光照射到太阳能电池板上时，电池板会产生电流，经过稳压电路传给电动机，电动机会带动风扇转动，这就是太阳能风扇总体的设计。考虑到在光照不良或者夜间无光照的情况下也要使得风扇转动，所以增加一个蓄电池来供电。当光照条件充足时，太阳能电池板产生的电流既可以供电动机使用，又可以给充电电池充电，一举两得。到了晚上或者太阳光照射不足的情况下，系统则可以使用蓄电池来供电，如图2-1就是太阳能风扇工作示意图。
图2-1 太阳能风扇工作示意图
2.1太阳能风扇供电系统的设计
太阳能风扇的供电要足，否则可能导致风扇不转，因此要选择合适的电压。太阳能电池可以选择3 左右的。如果需要将多余的电量存储起来的话，则还需要选择一个合适的蓄电池。蓄电池是为了防止在夜间无光照或者光照不良的情况下，太阳能电池板无法工作，其就能作为第二电源，向负载供电。蓄电池工作时，为了防止它会向太阳能电池板反向供电，所以在太阳能电池板与可充电电池之间要加一个防反冲二极管，让电池的电能能够全部给电动机使用。
DC-DC稳压电路工作过程为：太阳能电池板将太阳光照射时所产生的能量输入DC-DC降压电路，电路会根据要求，通过DC-DC变换输出所需要的电压以及电流，将其给风扇供电。DC-DC转换器分为三类：降压型DC-DC转换电路、升压型DC-DC转换电路以及升降压型DC-DC转换电路。
2.2太阳能风扇转动系统的设计
风扇转动系统主要分为调速电路以及直流电机两个部分。调速电路本文使用了直流电机调压模块，输入3-24 ，调速范围较大。本文采用额定电压在3 ，额定电流为95 的电机。当太阳能电池板输出的电压经过降压之后，输入到调速板，这时只需改变调速板就能改变电机的转速。
2.3本章小结
本章节按照设计思路和方法提出了总体的设计方案，知道需要做出太阳能风扇系统的两大模块，一个是太阳能风扇的供电系统，还有一个是太阳能风扇转动系统。
3.太阳能风扇的供电系统
太阳能风扇的供电系统乃是重中之重，整个系统使用的是太阳能供电。但是为了防止在夜间或者光照不良的情况下也能让系统供电，本文设计使用可充电电池来使得整个供电系统更加的完整没有缺陷，如图3-1则是整个太阳能风扇的供电系统示意图。
图3-1 太阳能风扇供电系统示意图
3.1太阳能电池的分析及选用
3.1.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池能够将吸收的太阳能直接转化成电能然后输出给负载供电，其工作原理就是光生伏特效应。用大于或等于禁带宽度能量的太阳光照射在p-n结上，p区和n区就会形成新的电子-空穴对，产生非平衡载流子。非平衡载流子打破原有的热平衡，其在内建电场的作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散，若此时p-n结是开路，则在结的两端就会积累电子-空穴对，产生开路电压，如图3-2为太阳能电池工作原理示意图[6]。
图3-2 太阳能电池的工作原理
3.1.2太阳能电池的主要种类和特性
现今拥有最高转换效率的电池便是单晶硅太阳能电池。在实验室中，可以达到24.7%的最高转换效率，即使在生产投资，其也能达到15%~18%的转换效率。在规模化的生产以及应用中占领着主要位置，但因为其较高的成本，而且以目前的技术很难做到将其降低，所以为了能够节省硅材料，我们只能够另辟蹊径，寻找它的替代品[7]。
多晶薄膜太阳能电池比起单晶硅，其拥有着较低的价格，但是其效率要比非晶硅的效率要高，在实验室中能够达到18%的最高转换效率，即使在生产投资中也能达到10%~17%的转换效率。综合节省硅材料和较高的工业生产的转换效率这两个方面来看的话，多晶硅薄膜太阳能电池将会成为太阳能电池市场上的“领头羊”。
拥有较高转换效率的非晶硅薄膜太阳能电池，由于其较轻的份量以及相对低廉的价钱，因此其适用于生产投资。但关键受其制作材料的影响，衰退的光电效率会直接影响其稳定性，从而导致在实际应用中会产生极大的不良影响。如果能解决其稳定性的问题，那么非晶硅薄膜太阳能电池无疑将会成为太阳能电池市场上的一匹“黑马”。
分析以上多个条件，从价格、转换效率以及使用寿命等情况，本文选用多晶硅太阳能电池，因为其成本低，但却有较高的转换效率，符合本设计的实际生产情况。
如图3-3就是本文所选用的多晶硅太阳能电池，其额定工作电压为5 -6 ，额定工作电流为170 ，额定功率在1.1 ，其转化效率在17%，高的转化效率以及高的输出效率，而且其还有良好的抗震、抗摔、防变形等能力。其弱光性也很好，即使在光照强度不强的情况下，其也能够正常工作。
摘 要
太阳能风扇的设计主要有两大部分：（1）由太阳能电池板以及蓄电池构成的供电系统，这其中还要解决太阳能电池提供电压不稳的问题。（2）由调速板以及直流电机构成的风扇转动系统。
设计中采用功率是1.1 ，工作时电压为6 ，电流为170 的多晶硅太阳能电池。由于太阳能电池板在不同光照强度、不同光照角度下所产生的电压不一样，为了稳定这一电压，本文设计了DC-DC降压稳压电路来解决这一难题。设计降压稳压电路所采用的芯片是LM2577S，其输入电压可在6 -24 ，输出电压可调，本文将其设在了3 。本文所采用的蓄电池是普通的镍氢蓄电池，工作时电压为3 ，正好符合本文所用电机的额定工作电压。将蓄电池与太阳能电池板并联就组成了太阳能风扇的供电系统部分。
风扇转动系统部分是由调速板以及直流电机所构成。直流电机工作时，额定工作电压为3 ，额定转数每分钟约10000转，空载电流约为95 ，堵转电流约为950 。调速板采用的是直流电机调压模块，输入电压3-24 ，调速范围较大，调节的电机速度稳定力矩大。太阳能风扇的转动系统就是由该调压模块与直流电机连接组成的。
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关键字:太阳能蓄电池直流电机
Keywords: Solar energy;Battery;DC motor目 录
1.引言 1
1.1电风扇的产业现状 1
1.2发展太阳能风扇的目的及意义 1
1.3研究思路以及方法 1
2.太阳能风扇总体设计方案 3
2.1太阳能风扇供电系统的设计 3
2.2太阳能风扇转动系统的设计 4
2.3本章小结 4
3.太阳能风扇的供电系统 5
3.1太阳能电池的分析及选用 5
3.1.1太阳能电池的工作原理 5
3.1.2太阳能电池的主要种类和特性 5
3.2DC-DC降压电路的设计 8
3.3蓄电池的分析及选用 12
3.4本章小结 12
4.风扇系统的研究 14
4.1电动机的分析及选用 14
4.2电动机的调速方法 15
4.3本章小结 17
5. 实物的设计 18
5.1太阳能电池 18
5.2DC-DC降压模块 19
5.3调压模块 20
5.4实物的运行 21
结束语 23
参考文献 24
致谢 25
1.引言
1.1电风扇的产业现状
电风扇是由电动机带动扇叶转动的一种电器设备。它能够让周围空气加快速度从而达到降热解暑、净化空气的目的。电风扇使用范围十分广泛，例如：学校、食堂、浴室、医院等等公共场所[1-3]。
现今出现了许多新鲜、让人耳目一新的电风扇样式。比如说有声控电风扇、有灯头电风扇、有防伤手指电风扇还有火柴盒电风扇等等，各种各样的款式，让人眼花缭乱[4]。
在如今飞速发展的社会上，市场竞争愈发的激烈。空调因为制冷效果出众所以慢慢代替了电风扇在人们心中的位置。但是电风扇和空调相比还是有许许多多优点的，第一点就是它比空调的能耗要小，随着全球能源不断减少以及人们逐渐加深的节能观念，因此电风扇还是有一定竞争优势的[5]。第二点就是在空调间里面呆的时间久了容易感染疾病。现今，许多因为吹空调而得疾病的新闻屡见不鲜，因此电风扇还是有很大发展空间的。
1.2发展太阳能风扇的目的及意义
本课题研究的太阳能风扇是利用太阳能电池将光能转化成电能，产生电压和电流，使得马达转动，带动风扇运作扇风。该系统可在室外使用，简单实用。
此系统主要是利用太阳能来供电，太阳能是一种新兴的可再生能源，其具有普遍、无害、巨大、长久等优点。因此本系统既节能又环保无污染，非常具有研究的价值和意义。
1.3研究思路以及方法
太阳能风扇是以太阳能为电能带动马达转动的，因此设计时就需要太阳能电池板还有马达、风扇以及连接用的导线若干。因为太阳能板产生的电压是跟太阳的照射强度和照射角度有关系，所以产生的电压不稳定，因此要能够持续稳定的给电路提供电压，本文就要设计一个稳压电路。考虑到有阴雨天或者是夜间无阳光照射时，系统无法通过太阳能电池供电，因此还要加一个蓄电池，这样的话，在阳光充足的情况下，可以先给蓄电池充满电，然后到了光照不足或者没有光照的情况下，便可以用蓄电池供电，使得系统正常运作。
2.太阳能风扇总体设计方案
太阳能风扇主要由太阳能电池板、稳压电路、蓄电池、调速器以及电动机五部分组成。当太阳光照射到太阳能电池板上时，电池板会产生电流，经过稳压电路传给电动机，电动机会带动风扇转动，这就是太阳能风扇总体的设计。考虑到在光照不良或者夜间无光照的情况下也要使得风扇转动，所以增加一个蓄电池来供电。当光照条件充足时，太阳能电池板产生的电流既可以供电动机使用，又可以给充电电池充电，一举两得。到了晚上或者太阳光照射不足的情况下，系统则可以使用蓄电池来供电，如图2-1就是太阳能风扇工作示意图。
图2-1 太阳能风扇工作示意图
2.1太阳能风扇供电系统的设计
太阳能风扇的供电要足，否则可能导致风扇不转，因此要选择合适的电压。太阳能电池可以选择3 左右的。如果需要将多余的电量存储起来的话，则还需要选择一个合适的蓄电池。蓄电池是为了防止在夜间无光照或者光照不良的情况下，太阳能电池板无法工作，其就能作为第二电源，向负载供电。蓄电池工作时，为了防止它会向太阳能电池板反向供电，所以在太阳能电池板与可充电电池之间要加一个防反冲二极管，让电池的电能能够全部给电动机使用。
DC-DC稳压电路工作过程为：太阳能电池板将太阳光照射时所产生的能量输入DC-DC降压电路，电路会根据要求，通过DC-DC变换输出所需要的电压以及电流，将其给风扇供电。DC-DC转换器分为三类：降压型DC-DC转换电路、升压型DC-DC转换电路以及升降压型DC-DC转换电路。
2.2太阳能风扇转动系统的设计
风扇转动系统主要分为调速电路以及直流电机两个部分。调速电路本文使用了直流电机调压模块，输入3-24 ，调速范围较大。本文采用额定电压在3 ，额定电流为95 的电机。当太阳能电池板输出的电压经过降压之后，输入到调速板，这时只需改变调速板就能改变电机的转速。
2.3本章小结
本章节按照设计思路和方法提出了总体的设计方案，知道需要做出太阳能风扇系统的两大模块，一个是太阳能风扇的供电系统，还有一个是太阳能风扇转动系统。
3.太阳能风扇的供电系统
太阳能风扇的供电系统乃是重中之重，整个系统使用的是太阳能供电。但是为了防止在夜间或者光照不良的情况下也能让系统供电，本文设计使用可充电电池来使得整个供电系统更加的完整没有缺陷，如图3-1则是整个太阳能风扇的供电系统示意图。
图3-1 太阳能风扇供电系统示意图
3.1太阳能电池的分析及选用
3.1.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池能够将吸收的太阳能直接转化成电能然后输出给负载供电，其工作原理就是光生伏特效应。用大于或等于禁带宽度能量的太阳光照射在p-n结上，p区和n区就会形成新的电子-空穴对，产生非平衡载流子。非平衡载流子打破原有的热平衡，其在内建电场的作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散，若此时p-n结是开路，则在结的两端就会积累电子-空穴对，产生开路电压，如图3-2为太阳能电池工作原理示意图[6]。
图3-2 太阳能电池的工作原理
3.1.2太阳能电池的主要种类和特性
现今拥有最高转换效率的电池便是单晶硅太阳能电池。在实验室中，可以达到24.7%的最高转换效率，即使在生产投资，其也能达到15%~18%的转换效率。在规模化的生产以及应用中占领着主要位置，但因为其较高的成本，而且以目前的技术很难做到将其降低，所以为了能够节省硅材料，我们只能够另辟蹊径，寻找它的替代品[7]。
多晶薄膜太阳能电池比起单晶硅，其拥有着较低的价格，但是其效率要比非晶硅的效率要高，在实验室中能够达到18%的最高转换效率，即使在生产投资中也能达到10%~17%的转换效率。综合节省硅材料和较高的工业生产的转换效率这两个方面来看的话，多晶硅薄膜太阳能电池将会成为太阳能电池市场上的“领头羊”。
拥有较高转换效率的非晶硅薄膜太阳能电池，由于其较轻的份量以及相对低廉的价钱，因此其适用于生产投资。但关键受其制作材料的影响，衰退的光电效率会直接影响其稳定性，从而导致在实际应用中会产生极大的不良影响。如果能解决其稳定性的问题，那么非晶硅薄膜太阳能电池无疑将会成为太阳能电池市场上的一匹“黑马”。
分析以上多个条件，从价格、转换效率以及使用寿命等情况，本文选用多晶硅太阳能电池，因为其成本低，但却有较高的转换效率，符合本设计的实际生产情况。
如图3-3就是本文所选用的多晶硅太阳能电池，其额定工作电压为5 -6 ，额定工作电流为170 ，额定功率在1.1 ，其转化效率在17%，高的转化效率以及高的输出效率，而且其还有良好的抗震、抗摔、防变形等能力。其弱光性也很好，即使在光照强度不强的情况下，其也能够正常工作。
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