一种压电驱动的太阳能电池板智能调节装置的制作方法

本发明涉及太阳能电池板技术领域，具体涉及一种压电驱动的太阳能电池板智能调节装置。

背景技术：

太阳能电池板是一种绿色环保可再生能源装置，其通过光电效应或者光化学效应将太阳辐射能换成电能，已广泛应用于交通、通信、石油、气象等领域。

在实际使用中，太阳能电池板的发电效率与太阳辐射角度(即太阳光入射方向与太阳能电池板顶面夹角)有很大联系。由于地球自转和公转产生的昼夜交替和四季更替，导致太阳能电池板工作环境的太阳光入射方向随时间不断变化。当前，大部分太阳能电池板被安装于固定支架上，无法实现角度调节，严重影响了太阳能电池板的工作效率。少量具有角度调节功能的太阳能电池板装置也都以电磁电机、液压机构和气动机构为动力原件，但是这类装置存在诸多结构和性能缺陷：

1.现有太阳能电池板角度调节装置主要以电磁电机、液压机构和气动机构为动力原件，该类调节装置体积大、结构复杂，增加了制备成本和加工难度；此外，电磁电机、液压机构和气动机构性能易受温度、湿度和电磁环境干扰，限制了调节装置的使用范围。

2.现有太阳能电池板角度调节装置反应时间长、运动不易控制，且大多只具备垂直方向的角度调节功能，导致太阳能电池板无法及时获得最优的工作状态，进而影响太阳能电池板的能量转化效率。

3.现有太阳能电池板角度调节装置在工作过程中有噪声，易发热，无法长时间持续工作，且这类调节装置需要频繁进行润滑、补液和补气等维护工作，增加了设备运营成本，严重影响使用寿命。

4.现有太阳能电池板角度调节装置重量大，耗能高，结构不易集成，在新能源产业轻量化、小型化和智能化的发展趋势下，无法满足行业发展所需要的结构和性能要求。

压电材料是一种具有压电效应和逆压电效应的功能材料，其刚度大、强度高、工作寿命长、换能效率高、机械加工性能好，能够实现电能和机械能的相互转换。基于逆压电效应的压电驱动器将变形或振动直接作用于从动件进行机械驱动或机械控制，而非传统动力原件那样需通过齿轮或带轮等传动机构将运动传输至从动件，因而具有体积小、结构简单、耐湿热、无噪声、能耗低、驱动力大、无电磁干扰、能量密度高、响应速度快和控制精度高等特点。近年来，压电驱动器已经运用在微机电系统、生物工程以及医疗卫生等领域。

关于逆压电效应和压电驱动器：

压电材料是一种功能材料，具有逆压电效应，如图1所示，当对压电材料施加电场时，压电材料不仅产生极化，还将产生与电场强度成比例的变形，且变形形式(伸长或缩短)与电场的方向有关，当外加电场撤去时，这些变形也随之消失，这种将电能转化为机械能的现象被称为逆压电效应。

压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应制作的新型驱动器。当输入一定的电压时，压电驱动器将产生随电压升高而逐渐增大的变形量，从而将电能转变成机械运动。当前，压电驱动器主要包括双晶片型压电驱动器和叠堆型压电驱动器两种。如图2所示，叠堆型压电驱动器主要由压电陶瓷片、内部电极以及外部电极等部分组成，采用机械上串联、电极上并联的方式。与双晶片型压电驱动器相比，叠堆型压电驱动器在变形量、驱动力、能量变换率和稳定性方面都具有明显优势。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种压电驱动的太阳能电池板智能调节装置，该装置根据压电材料的逆压电效应，采用压电驱动器代替传统的电磁电机、液压机构和气动机构等动力原件，实现了对太阳能电池板的纵向及水平方向的角度的智能化调节。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种压电驱动的太阳能电池板智能调节装置，包括支架、太阳能电池板、及智能调节装置本体，所述的支架包括带有底座的支撑杆，在支撑杆上套设有同轴设置的圆柱形套筒，所述的套筒的底端与支撑杆的侧壁顶部固定连接，所述的支撑杆的顶端延伸入套筒内；所述的智能调节装置本体包括设置于套筒内的旋转式压电驱动器、固定连接于旋转式压电驱动器顶端且位于套筒上方的活动平台、设置于活动平台上表面的步进式压电驱动器、设置于活动平台上方的活动支架，所述的旋转式压电驱动器的底端与支撑杆的顶端转动连接，所述的活动支架的底端一侧通过第一连接件与活动平台的上表面铰接，另一侧通过第二连接件与步进式压电驱动器铰接，所述的太阳能电池板设置于活动支架的上表面，所述的旋转式压电驱动器设有压电自锁器；所述的活动支架的边缘还设有光敏传感器，在活动平台的上表面设有控制器和电源，所述的步进式压电驱动器、旋转式压电驱动器、压电自锁器、控制器与电源电性连接，所述的光敏传感器与控制器信号连接，所述的控制器分别与步进式压电驱动器、旋转式压电驱动器、压电自锁器电性连接。

优选的，所述的第一连接件包括设置于活动平台上表面左侧前后端的2个冲孔支架，所述的活动支架的下表面左端与冲孔支架的上端铰接；所述的活动平台的上表面的中部还设有沿左右方向设置的导轨，所述的步进式压电驱动器设置于导轨内，在步进式压电驱动器的前端还固定连接有滑块，并通过滑块和第二连接件与活动支架铰接，所述的步进式压电驱动器的前后端面可在通电状态的变化下与导轨的导轨壁锁定或脱离，所述的第二连接件包括连杆，所述的连杆的两端分别与活动支架、滑块的顶端铰接，所述连杆的长度大于第一连接件的长度。

优选的，所述的步进式压电驱动器包括压电叠堆a、压电叠堆b、压电叠堆c、柔性铰链a、弹簧、摩擦片a和摩擦片b，所述的压电叠堆b和压电叠堆c分别沿水平垂直于导轨的方向套嵌在柔性铰链a内的两端，所述的压电叠堆a有2个，分别套嵌在压电叠堆b与压电叠堆c之间的柔性铰链a内，所述的弹簧分别与压电叠堆a、压电叠堆b、压电叠堆c的端部固定连接，所述的摩擦片a、摩擦片b分别粘接于柔性铰链a左右端的前后侧端面，并与导轨的导轨壁配合使用。

优选的，所述的旋转式压电驱动器包括截面为“凸”形的转子、均匀分布于转子侧壁外表面下部的压电叠堆d、压电叠堆e、压电叠堆f、压电叠堆g,所述的压电叠堆d、压电叠堆e、压电叠堆f、压电叠堆g的下端与转子固定连接，上端还固定连接有质量块，所述的支撑杆顶端设有倒圆台形的滑槽，所述的转子的底端一体成型有与转子同轴的倒圆台形的凸台，所述的凸台与滑槽转动连接。

优选的，所述的转子的下部为立方体结构，上部为圆柱型结构，所述的压电叠堆d、压电叠堆e、压电叠堆f、压电叠堆g分别设置于立方体结构的4个侧壁外表面，且压电叠堆d、压电叠堆e、压电叠堆f、压电叠堆g的轴线分别与转子的轴线夹45度角。

优选的，所述的压电自锁器包括压电叠堆h、柔性铰链b和摩擦片c，所述的柔性铰链b套设于圆柱形结构的外部，在柔性铰链b内壁表面的两侧还设有柔性菱形框，所述的柔性菱形框架的一端与柔性铰链b的内壁固定连接，与连接处相对的菱形框架的端部、及柔性铰链b的外壁表面均粘接有摩擦片c，所述的压电叠堆h设置于菱形框架内，且压电叠堆h的上下端分别与菱形框架的另外两端固定连接，所述的摩擦片c分别与转子的外壁表面上部、及套筒的内壁表面配合使用。

优选的，所述的活动支架为上端敞口的矩形槽结构，在矩形槽的槽壁顶端设有阶梯孔，所述的光敏传感器固定安装于阶梯孔内。

优选的，所述的套筒顶端且位于转子的上部外侧还套设有盖板。

本发明一种压电驱动的太阳能电池板智能调节装置具有如下有益效果：

本发明结构简单，成本低，能够适应各类环境，使用范围广，且能够使太阳能电池板实现纵向、水平方向角度的智能化调节，调节时，响应速度快，不需要额外的人工辅助，具有自感知、自调节、自驱动的能力，能使太阳能电池板发挥最大的工作效率，在运行过程中，噪音低，运行成本低，装配方便，可做到小型化。

附图说明

图1：压电材料的逆压电效应示意图；

图2：压电叠堆结构示意图；

图3：本发明的整体结构剖面图；

图4：本发明a-a处的剖面图；

图5：本发明活动平台剖视结构示意图；

图6：本发明步进式压电驱动器的结构示意图：

图7：本发明旋转式压电驱动器的结构示意图；

图8：本发明压电自锁器的结构示意图；

图9：本发明工作流程框图；

图10：本发明初始状态三维等轴测视图；

图11：本发明初始状态侧视图；

图12：本发明初始状态俯视图；

图13：本发明纵向转动后三维等轴测视图；

图14：本发明纵向转动后侧视图；

图15：本发明纵向转动后俯视图；

图16：本发明纵向和水平转动后三维等轴测视图；

01：太阳辐射；1：太阳能电池板，2：活动支架，3：光敏传感器，4：连杆，5：活动平台，6：控制器，7：电源，8：步进式压电驱动器；9：滑块；10：旋转式压电驱动器，11：压电自锁器，12：盖板，13：支撑柱，14：滑槽，15：凸台，16：套筒；501：导轨，502：冲孔支架，503：销钉，504：冲孔支座，505：螺栓，506：螺纹孔；801：压电叠堆a，802：压电叠堆b，803：压电叠堆c，804：柔性铰链a，805：弹簧，806：摩擦片a，807：摩擦片b；1001：压电叠堆d，1002：压电叠堆e，1003：压电叠堆f，1004：压电叠堆g，1005：转子，1006：质量块，1007：固定螺栓；1101：压电叠堆h，1102：柔性铰链b，1103：摩擦片c，1104：菱形框架。

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1、

如图3～5所示：

一种压电驱动的太阳能电池板智能调节装置，包括支架、太阳能电池板1、及智能调节装置本体，所述的支架包括带有底座的支撑杆13，在支撑杆13上套设有同轴设置的圆柱形套筒16，所述的套筒16的底端与支撑杆13的侧壁顶部固定连接，所述的支撑杆13的顶端延伸入套筒16内；所述的智能调节装置本体包括设置于套筒16内的旋转式压电驱动器10、固定连接于旋转式压电驱动器10顶端且位于套筒16上方的活动平台5、设置于活动平台5上表面的步进式压电驱动器8、设置于活动平台5上方的活动支架2，所述的旋转式压电驱动器10的底端与支撑杆13的顶端转动连接，所述的活动支架2的底端一侧通过第一连接件与活动平台5的上表面铰接，另一侧通过第二连接件与步进式压电驱动器8铰接，所述的太阳能电池板1设置于活动支架2的上表面，所述的旋转式压电驱动器10设有压电自锁器11；所述的活动支架2的边缘还设有光敏传感器3，在活动平台5的上表面设有控制器6和电源7，所述的步进式压电驱动器8、旋转式压电驱动器10、控制器6、压电自锁器11与电源7电性连接，所述的光敏传感器3与控制器6信号连接，所述的控制器6分别与步进式压电驱动器8、旋转式压电驱动器10、压电自锁器11电性连接。

本实施例中，旋转式压电驱动器10与活动平台5的固定连接方式包括但不限于如图3、图5所示的通过螺栓505连接或者焊接或者卡扣连接，其目的是传递旋转式压电驱动器10的转动，以保证活动平台保持水平状态为度；而旋转式压电驱动器10的底端与支撑杆13的顶端可通过多种形式实现转动连接，包括但不限于通过轴承、环形滑轨、圆形的滑槽，其目的是实现太阳能电池板1水平方向的旋转位移；活动支架2的下表面一侧通过第一连接件与活动平台5上表面铰接，另一侧通过第二连接件与步进式压电驱动器8铰接，在步进式压电驱动器8向右侧移动时，太阳能电池板1可实现绕第一连接件的铰接轴旋转，从而实现纵向角度的调节；在纵向调节和水平调节的综合作用下，可使太阳能电池板与太阳辐射的方向相对，从而使太阳能电池板发挥最好的效率；作为进一步的优化，本发明还设置了光敏传感器3和控制器6，通过光敏传感器3对光照状态的实时传感，以及控制器预设的程序，可使太阳能电池板持续处于最佳的工作状态，从而实现了太阳能电池板的姿态的智能化调节；如图5所示，活动平台5上预设有螺纹孔，控制器6和电源7可通过螺钉固定设置于活动平台上。

实施例2、

在实施例1的基础上，本实施例做出了进一步改进，具体为：

如图4、5所示，所述的第一连接件包括设置于活动平台5上表面左侧前后端的2个冲孔支架502，所述的活动支架2的下表面左端与冲孔支架502的上端铰接；所述的活动平台5的上表面的中部还设有沿左右方向设置的导轨501，所述的步进式压电驱动器8设置于导轨501内，在步进式压电驱动器8的前端还固定连接有滑块9，并通过滑块9和第二连接件与活动支架2铰接，所述的步进式压电驱动器8的前后端面可在通电状态的变化下与导轨501的导轨壁锁定或脱离，所述的第二连接件包括连杆4，所述的连杆4的两端分别与活动支架2、滑块9的顶端铰接，所述连杆的长度大于第一连接件的长度。

本实施例中，通过设置导轨501可以确保步进式压电驱动器8沿导轨限定的方向行进，在行进中，滑块9与导轨501保持滑动连接，而步进式压电驱动器8则通过交替与导轨壁锁定或脱离的形式推动滑块9向右侧或左侧移动，如图3、图5所示，当滑块9向右侧移动时，太阳能电池板1进行纵向调节，并沿着冲孔支架502上的铰接轴(即销钉503)旋转，旋转的范围设定在0-90度，在此范围内，可充分满足对光调节的需要；从图3可以看出，连杆4的长度明显长于第一连接件的长度，在能够实现的范围内，连杆4越长，太阳能电池板1所能实现的纵向调节的角度越大。

实施例3、

在实施例2的基础上，本实施例公开了步进式压电驱动器8的优选结构：

如图6所示，所述的步进式压电驱动器8包括压电叠堆a801、压电叠堆b802、压电叠堆c803、柔性铰链a804、弹簧805、摩擦片a806和摩擦片b807，所述的压电叠堆b802和压电叠堆c803分别沿水平垂直于导轨501的方向套嵌在柔性铰链a804内的两端，所述的压电叠堆a801有2个，分别套嵌在压电叠堆b802与压电叠堆c803之间的柔性铰链a804内，所述的弹簧805分别与压电叠堆a801、压电叠堆b802、压电叠堆c803的端部固定连接，所述的摩擦片a806、摩擦片b807分别粘接于柔性铰链a804左右端的前后侧端面，并与导轨501的导轨壁配合使用。

如图6所示，柔性铰链a804包括用于套嵌压电叠堆b802的左部，用于套嵌压电叠堆c803的右部，左部和右部之间相互连接，并套嵌有2个压电叠堆a801；具体使用时，当步进式压电驱动器8通电后，首先，压电叠堆c803通电收缩使摩擦片b807与导轨501分离，压电叠堆b802断电保持初始形状，摩擦片a806与导轨501保持接触，压电叠堆a801通电伸长，带动柔性铰链a804向右伸长，压电叠堆c803和摩擦片b807向右运动，进而推动滑块9向右滑动，连杆4发生逆时针转动，使太阳能电池板1和活动支架2逆时针转动；然后，压电叠堆c803断电伸长恢复初始形状，摩擦片b807与导轨501恢复接触，太阳能电池板1恢复垂直方向锁紧状态，压电叠堆b802通电收缩使摩擦片a806与导轨501脱离，压电叠堆a801断电收缩恢复初始形状，柔性铰链a804收缩恢复初始形状，带动压电叠堆b802和摩擦片a806向右运动；最后，压电叠堆a801和压电叠堆c803保持初始形状，压电叠堆b802断电恢复初始形状，摩擦片a806与导轨501恢复接触。同理，当步进式压电驱动器8向左移动时，可使太阳能电池板1及活动支架2绕第一连接件的铰接轴顺时针转动，通过步进式压电驱动器8的左右移动实现了太阳能电池板1沿纵向角度的双向调节。

实施例4、

在以上实施例的基础上，本实施例公开了旋转式压电驱动器10的优选结构：

如图7所示，所述的旋转式压电驱动器10包括截面为“凸”形的转子1005、均匀分布于转子1005侧壁外表面下部的压电叠堆d1001、压电叠堆e1002、压电叠堆f1003、压电叠堆g1004,所述的压电叠堆d1001、压电叠堆e1002、压电叠堆f1003、压电叠堆g1004的下端与转子1005固定连接，上端还固定连接有质量块1006，所述的支撑杆13顶端设有倒圆台形的滑槽14，所述的转子1005的底端一体成型有与转子同轴的倒圆台形的凸台15，所述的凸台15与滑槽14转动连接。

在具体使用时，旋转式压电驱动器10通电，压电叠堆d1001和压电叠堆f1003断电处于初始形状，压电叠堆e1002和压电叠堆g1004通电瞬时伸长，由于质量块1006的惯性，带动转子1005沿逆时针转动，进而带动太阳能电池板1和活动支架2逆时针转动，转至一定角度后，在光敏传感器3检测到合适的太阳辐射强度后，控制器6使压电叠堆e1002和压电叠堆g1004断电恢复初始状态，然后通过压电自锁器11将转子1005锁定；上述运动过程是在一个交流电信号周期内完成的太阳能电池板1沿逆时针方向的一个转动步，不断循环上述过程，可逐渐达到更大的转动幅度，在达到理想光照条件后，由控制器停止旋转式压电驱动器10，并通过压电自锁器11锁定。同理，调换旋转式压电驱动器10内的压电叠堆的通断电状态，可使太阳能电池板1完成顺时针方向的转动。

实施例5、

在实施例4的基础上，本实施例做出了进一步改进，具体为：

如图7所示，所述的转子1005的下部为立方体结构，上部为圆柱型结构，所述的压电叠堆d1001、压电叠堆e1002、压电叠堆f1003、压电叠堆g1004分别设置于立方体结构的4个侧壁外表面，且压电叠堆d1001、压电叠堆e1002、压电叠堆f1003、压电叠堆g1004的轴线分别与转子1005的轴线夹45度角。

所有压电叠堆的轴线与转子1005的轴线呈45度角安装可改变不同运动(伸长和缩短)时凸台15与滑槽14间摩擦力，当质量块由于惯性带动转子1005旋转时，转子1005受到斜上方的拉力，使凸台15与滑槽14之间的摩擦力变小，而当压电叠堆断电时，凸台15与滑槽14的摩擦力恢复常态，通过以上设置，避免了交流电信号作用下转子1005的回退运动。

实施例6、

在实施例5的基础上，本实施例公开了压电自锁器11的结构，具体为：

如图8所示，所述的压电自锁器11包括压电叠堆h1101、柔性铰链b1102和摩擦片c1103，所述的柔性铰链b1102套设于圆柱形结构的外部，在柔性铰链b1102内壁表面的两侧还设有柔性菱形框1104，所述的柔性菱形框架1104的一端与柔性铰链b1102的内壁固定连接，与连接处相对的菱形框架1104的端部、及柔性铰链b1102的外壁表面均粘接有摩擦片c1103，所述的压电叠堆h1101设置于菱形框架1104内，且压电叠堆h1101的上下端分别与菱形框架的另外两端固定连接，所述的摩擦片c1103分别与转子的外壁表面上部、及套筒16的内壁表面配合使用。

如图3、图5、图7和图8所示，旋转式压电驱动器10与活动平台5通过螺栓505固定连接，压电自锁器11未通电时，压电叠堆h1101和柔性铰链b1102处于初始形状。由于柔性菱形框1104存在预变形，因此摩擦片c1103分别与转子1005外壁、套筒16内壁相挤压；在摩擦力作用下，旋转式压电驱动器10和固定支架保持相对静止，进而使太阳能电池板1处于水平方向锁紧状态；在通电时，首先，压电叠堆h1101通电伸长使摩擦片c1103与转子1005和套筒16分离，保证旋转式压电驱动器10可以自由转动。

实施例7、

在以上实施例的基础上，本实施例做出了进一步改进，具体为：

如图3所示，所述的活动支架2为上端敞口的矩形槽结构，在矩形槽的槽壁顶端设有阶梯孔，所述的光敏传感器3固定安装于阶梯孔内。

实施例8、

在以上实施例的基础上，本实施例做出了进一步改进，具体为：

如图3所示，所述的套筒顶端且位于转子的上部外侧还套设有盖板12。

本实施例中，盖板12可实现防尘、防潮、固定作用。

本发明的使用原理：

图9示出了本发明的工作流程图，太阳辐射01的信号经由光敏传感器3传递至控制器6，控制器6通过太阳辐射01的角度判断太阳能电池板是否处于最佳工作状态，如果是，则选择不运动，如果否，则通过控制步进式压电驱动器8、旋转式压电驱动器10、压电自锁器11对太阳能电池板的竖直方向的角度和水平方向的角度进行调节，在调节过程中，光敏传感器3不断检测太阳辐射的信号，并传递给控制器，当控制器6判断太阳能电池板1处于最佳工作状态时，则停止运动。

材料和型号说明：太阳能电池板1采用光电转换效率较高的单晶硅太阳能板；光敏传感器3采用可见光型led引脚式封装光敏传感器；控制器6采用可编程plc控制器；电源7采用体积小、重量轻、绿色环保的锂电池；活动支架2、连杆4、活动平台5、弹簧805、质量块1006、固定螺栓1007、盖板12、固定支架均采用45#钢，且表面做热镀锌防锈处理；滑块9和转子1005采用经调质处理的45#钢，增加耐磨性；压电叠堆a801、压电叠堆b802、压电叠堆c803、压电叠堆d1001、压电叠堆e1002、压电叠堆f1003、压电叠堆g1004和压电叠堆h1101均采用具备较大输出力的日本nec-tokin公司生产的ae0505d16型压电叠堆；柔性铰链a804和柔性铰链b1102采用具有高韧性的聚合物材料，比如橡胶；摩擦片a806、摩擦片b807和摩擦片c1103采用具有高耐磨性的纤维增强树脂基复合材料。