太阳能驱动晾晒器的结构及工作原理

陈孝平+张永亮

摘 要：设计一种太阳能驱动晾晒器。该晾晒器利用太阳能电池板将太阳能转化为电能驱动直流电机，由直流电机转子通过弹簧直接驱动晾晒架，便于被晾晒物比较均匀晾晒。设计中采用的弹簧具有蓄能、传能双重功能，减少能量转化环节，从而提高太阳能的利用效率、减轻设备重量、降低成本，提高了设备价值。同时，恰当的电机保护电路和棘轮机构等保证了电机不欠压、不过压、不反转，保障直流电机的正常使用寿命。

关键词：晾晒器；太阳能；弹簧；价值工程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.051

1 引言

日常生活和生产中，需要利用太阳光和风晾晒食物、产品等，比如晾晒阳干鱼。为晾晒均匀，要求人工翻动或电机驱动翻动食物、产品，翻晒活动要么繁琐要么耗能。利用太阳能作为动力来代替现有晾晒方式，节能、省事。

但是，现有太阳能应用一般工作过程为：太阳能电池产生较少的电能----蓄电池存储电能----蓄电池向电动机集中输出较强的电能----电动机将电能转化为机械能----机械设备减速增扭后再输出，显然较多的能量转化过程极大地降低了太阳能的利用效率，同时增加价格比较贵的蓄电池，设备的成本提高，重量增重。基于价值工程理论，设计时在保证设备基本功能不变的前提下，减少不必要的零部件，降低设备成本，无疑提高了设备价值。考虑到晾晒器的主要功能是能够使产品有一定旋转，受光面、受风面有变换就可以满足生产需求，至于电动机是否匀速转动没有很高的要求。本设计就是基于价值工程理论，比较巧妙地利用弹簧蓄能、传能，减少能量转化环节，从而提高太阳能的利用效率、减轻设备重量、降低成本，提高设备价值。

2 太阳能驱动晾晒器的结构

如图1所示的太阳能驱动晾晒器，包括支撑架2、安装在支撑架2上的直流电机3、安装在支撑架2内的导轨盘7、可以在导轨盘7内圆周运动的转动架5、连接直流电机3与转动架5的蓄能弹簧4、与直流电机3电连接的太阳能电池板1以及固定在支撑架2上用于防止直流电机3反向转动的棘轮机构10。蓄能弹簧4的一端与直流电机3的转子轴30连接，蓄能弹簧4的另一端与转动架5固定连接。

转动架5为2根相互垂直的水平轴固定连接而成，2根水平轴的交汇处连接设置有连接轴50，蓄能弹簧4的一端与连接轴50连接固定。水平轴相对于转子轴30的轴线对称，每根所述水平轴的两端分别安装有滚动轴承6，滚动轴承6型号规格完全相同。

滚动轴承6安装在导轨盘7的U形槽72内。导轨盘7通过上导轨盘70和下导轨盘71拼接而成。棘轮机构10包括固定在支撑架2上的棘轮以及与直流电机3的转子轴30固定的棘爪，棘爪抵触在棘轮上后防止直流电机3反转。

太阳能电池板1产生的电能直接输出到直流电机3，输出过程受电机保护电路控制、保护。直流电机3又直接驱动蓄能弹簧4，当光线弱，太阳能电池板1产生电能不足够大时，直流电机3会使蓄能弹簧4扭转储存机械能；当蓄能弹簧4储能足够多时，就会驱动转动架5、滚动轴承6、晾晒物等绕转子轴30的轴线圆周运动；当光线较强、太阳能电池板1产生的能力足够大时，转动架5、滚动轴承6、晾晒物等绕转子轴30的轴线圆周运动的响应会迅速些，相对的转动速度也快些，保障晾晒物在强太阳光线转动快、晾晒更加均匀。

本设计巧妙地用蓄能弹簧存储机械能、直接由蓄能弹簧输出扭矩驱动晾晒物，减少了由太阳能转化为设备扭矩的中间转换环节，提高太阳能的利用率、减少了成本、降低了重量；太阳光强时需要转动晾晒物转动快些，此时太阳能电池板产生的电能也多，驱动直流电机转速也快，从而能量供给与需求天然吻合。为防止电机反转烧毁电机线圈，采用棘轮机构防止电机反转。

3 电路设计

为使电机不欠压、不过压，保障直流电机的正常使用寿命。设计图2所示保护电路。

在太阳能电池板1和直流电机之间的电机保护电路，由欠压采样电路、过压采样电路、过流采样电路、参考电压、功率管驱动电路、比较器和555单稳态触发器构成。

在正常工作状态下，太阳能电池板1输出电压12V，阴天或夜晚时，输出电压偏低，欠压取样电路检测到的电压值低于参考电压，经比较器后输出低电平，触发由555构成的单稳态触发器进行延时，并通过驱动电路关断功率管。如果经过单稳态触发器设定的延時时间后，太阳能电池板1输出电压回到正常的工作范围内，则功率管开通，直流电机正常工作，否则继续进行欠压保护。

过压和过流保护电路原理与欠压保护原理类似，当输出电压或电流过高时，过压或过流取样电路检测到低电平，触发由555构成的单稳态触发器进行延时，并通过驱动电路关断功率管。如果经过单稳态触发器设定的延时时间后，输出电压回到正常的工作范围内，则功率管开通，直流电机正常工作，否则继续进行过压或过流保护。

电机保护电路的控制面板上设置有3只电位器，其中1只电位器为延时保护时间的人工设定的电位器，余下的2只电位器分别为人工进行欠压和过压保护值设定的电位器。过流保护值是不能人工设定的，机内已经设定为额定电流的1.2-1.5倍。

4 结语

该太阳能驱动晾晒器具备如下几个优点：

第一，利用太阳能作为能源，清洁环保；

第二，使用蓄能弹簧存储机械能、直接由蓄能弹簧输出扭矩驱动晾晒物，减少了由太阳能转化为设备扭矩的中间转换环节，提高太阳能的利用率、减少了成本、降低了重量，设备价值得到提高；

第三，太阳光线弱，太阳能小，也不需要过快地转动晾晒物。当太阳光线较强时，需要相对比较快地转动晾晒物，这时太阳能电池板提供电能也大，推动直流电机转子转动的速度也相应变快，从而通过弹簧带动转子架转动也随之变快。天然地实现太阳光线强，翻动晾晒物快的需求，使晾晒物晾晒得更均匀。

第四，晾晒期间的光线不均，产生的电能不稳定，恰当的电机保护电路和棘轮机构等保证了电机不欠压、不过压、不反转，保障直流电机的正常使用寿命，所采用的电路造价低廉。

参考文献：

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