CN101414418B - 一种太阳电池发电演示仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池发电演示仪器，包括有地球模型、模拟太阳、地球绕太阳运动的模拟轨道、机械机构和电气控制机构，所述地球模型上设置有太阳电池和太阳电池指示灯，所述机械机构包括公转机构、地轴机构和自转机构，所述电气控制机构通过接口控制公转机构、地轴机构和自转机构的运动而带动地球模型绕模拟太阳按照日地关系在地球绕太阳运动的模拟轨道上进行模拟运动。本发明太阳电池发电演示仪器能够演示太阳电池发电，演示太阳辐射的周日和周年变化，以及由此导致的太阳电池周年发电量的变化及其原理，同时可以演示其它的天文相关知识。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光电利用领域，具体涉及一种太阳电池发电演示仪器。
背景技术
太阳电池是指将太阳辐射能直接转换成电能的一种器件。自1954年发明太阳电池至今，太阳电池的应用已经进入高速增长时期，近些年的年增长率均超过50％。
标志太阳电池发电能力大小的指标是发电效率。人们研制不同的材料或工艺来制作的各种不同类型的太阳电池，其最主要的目的是提高发电效率，或者说是提高太阳电池吸收和利用太阳能的效率。在具体应用时，必须尽可能地使太阳光线垂直入射到太阳电池，以提高太阳电池的发电效率和总发电量。
然而在一般情况下，太阳电池总是在固定的地点进行固定的安装，如固定式的太阳光伏电站。因为地球自转，太阳每天东升西落，导致入射到太阳电池的太阳辐射能量存在周日变化。地球围绕太阳公转，导致入射到太阳电池的太阳辐射能量存在周年变化。
传统的太阳电池发电演示装置，都是仅仅演示太阳电池能够发电(如点亮一个小灯泡)，不能演示太阳辐射的周日和周年变化，当然就不能演示太阳电池周年发电量的变化及其原理。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳电池发电演示仪，该仪器能够演示太阳电池发电，同时还可以演示太阳辐射的周日和周年变化。
本发明提供的一种太阳电池发电演示仪器，包括有地球模型、模拟太阳、地球绕太阳运动的模拟轨道(即模拟黄道)、机械机构和电气控制机构，所述地球模型上设置有太阳电池和太阳电池指示灯，所述机械机构包括公转机构、地轴机构和自转机构，所述电气控制机构通过接口控制公转机构、地轴机构和自转机构的运动而带动地球模型绕模拟太阳按照日地关系在地球绕太阳运动的模拟轨道上进行模拟运动。
本发明提供的太阳电池发电演示仪器还包括有基座、中心轴和外壳，所述外壳设置在基座的上部，所述地球绕太阳运动的模拟轨道设置在外壳上，所述中心轴穿过外壳后垂直固定在基座上，所述公转机构设置在中心轴上并可绕所述中心轴转动，所述地轴机构安装在所述公转机构上，并且支撑所述的自转机构，所述的公转机构、地轴机构和自转机构分别与各自的驱动电机相连，通过各自的驱动电机驱动，所述模拟太阳设置在所述中心轴的顶端，所述地球模型安装在所述自转机构上。
本发明所述的太阳电池设置在所述地球模型的外表面，其位置与所述模拟太阳的位置相适配，用于接收模拟太阳的辐射能量而产生电能，驱动太阳电池指示灯。
本发明所述太阳电池指示灯为LED灯，LED指示灯由太阳电池所发的电能直接驱动点亮。
本发明所述电气控制机构包括控制计算机、电源箱和演示机构，所述控制计算机通过接口与演示机构连接，电源箱分别与控制计算机及演示机构电连接并向控制计算机及演示机构提供电源。
本发明所述电气控制机构的主要工作包括有数据采集、地球自转及其定位和角度校准、地球公转及其定位和角度校准、手动定位以及遥控操作。
本发明太阳电池发电演示仪器能够演示太阳电池发电，演示太阳辐射的周日和周年变化，以及由此导致的太阳电池周年发电量的变化及其原理，同时可以演示其它的天文相关知识。参观者可以亲自参与，以手动方式改变仪器的状态，并分析显示结果，从而对太阳能光伏发电等相关知识具有更深刻的认识。本发明太阳电池发电演示仪器是非常好的太阳能光伏转换及天文科普仪器。
附图说明
图1为本发明太阳电池发电演示仪器的结构示意图；
图2是图1中的A向局部放大图；
图3为实施例之地球模型在夏至位置时的日地相对位置示意图；
图4为实施例之地球模型在冬至位置时的日地相对位置示意图；
图5为本发明的电气控制机构的原理框图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明太阳电池发电演示仪器，包括有地球模型8、模拟太阳4、地球绕太阳运动的模拟轨道18、机械机构和电气控制机构。地球模型8上设置有太阳电池7和太阳电池指示灯9，太阳电池指示灯9采用LED灯，LED指示灯由太阳电池所发的电能直接驱动点亮。机械机构包括公转机构、地轴机构和自转机构，电气控制机构通过接口控制公转机构、地轴机构和自转机构运动而带动地球模型8绕模拟太阳4按照日地关系在地球绕太阳运动的模拟轨道18上进行模拟运动。
本发明太阳电池发电演示仪器还包括有基座16、中心轴3和外壳1，外壳1设置在基座16的上部，地球绕太阳运动的模拟轨道18设置在外壳1上，中心轴3穿过外壳1后垂直固定在基座16上，公转机构设置在中心轴3上并可绕中心轴3转动，地轴机构安装在公转机构上，并且支撑自转机构，公转机构、地轴机构和自转机构分别与各自的驱动电机相连，通过各自的驱动电机驱动，模拟太阳4设置在中心轴3的顶端，地球模型8安装在自转机构上。
本发明的公转机构包括公转轴套17、公转臂5和支撑杆6，公转轴套17套装中心轴3，公转轴套17与公转机构的驱动电机相连，在驱动电机驱动下绕中心轴3转动，公转臂5为与中心轴3呈垂直状的悬臂梁结构，其固定安装在公转轴套17的上部，公转臂5的一端的端部承托所述的地轴机构，其另一端的端部承托配重2，支撑杆6的一端与公转轴套17相连，其另一端与公转臂5相连，支撑杆6与公转臂5具有夹角。
本发明的地轴机构包括地轴支座15、地轴13和地轴轴套14，地轴支座15固定安装在公转臂5的一端的端部，地轴13垂直安装在所述地轴支座15上，地轴轴套14套装所述地轴13，地轴轴套14与地轴机构的驱动电机相连，在驱动电机驱动下绕地轴13转动。
本发明的自转机构包括自转支架12、自转轴10和自转轴套11，自转支架12为弯折结构，其具有直边和折边，直边和折边之间具有夹角，自转支架12的直边固定安装在地轴轴套14的顶端，自转轴10安装在自转支架12的折边上，其与折边相垂直，自转轴套11套装自转轴10，自转轴套11与自转机构的驱动电机相连，在驱动电机驱动下绕自转轴10转动，地球模型8固定安装在自转轴套11上。
结合图3对本发明作出说明：1)因地球有围绕太阳运行的公转运动，这将导致入射到太阳电池的太阳辐射能量存在周年变化。当地球运行到夏至位置时，太阳光大角度照射北半球。比如将太阳电池放在北纬23度的广州位置处，太阳光在正午时将直射太阳电池，这将导致进入太阳电池的太阳辐射量增加，从而太阳电池的发电量也相应增加。本发明演示仪器中，在地球模型的北极位置，放置了一个LED灯头，它是由放置在地球模型上的太阳电池所发的电直接驱动点亮。2)地球一天自转一圈，由此导致太阳每天东升西落的现象，也导致入射到太阳电池的太阳辐射能量存在周日变化。因此LED灯头的亮度也会有周日变化，在广州为正午时刻，LED灯头最亮。因为在夏季太阳光是大角度照射北半球，因此总体上平均来讲，同样的太阳电池在夏季的每天发电量将多于在其他三个季节的每天发电量。
结合图4对本发明作出说明：1)当地球运行到冬至位置时，太阳光小角度照射北半球。比如将太阳电池放在北纬23度的广州位置处，太阳光在正午时将不能直射太阳电池，这将导致进入太阳电池的太阳辐射量减少，从而太阳电池的发电量也相应减少。本发明演示仪器中，在地球模型的北极位置，放置了一个LED灯头，它是由放置在地球模型上的太阳电池所发的电直接驱动点亮。此时会看到，在冬至日的正午时，LED灯头显然不如在夏至时的正午时亮。2)因为在冬季太阳光是小角度照射北半球，因此总体上平均来讲，同样的太阳电池在冬季的每天发电量将少于在其他三个季节的每天发电量(应该是夏季的发电量最多)。
如图5所示，本发明电气控制机构包括控制计算机、电源箱和演示机构，控制计算机通过接口与演示机构连接，电源箱分别与控制计算机及演示机构电连接并向控制计算机及演示机构提供电源。电气控制机构的主要工作包括有数据采集、地球自转及其定位和角度校准、地球公转及其定位和角度校准、手动定位以及遥控操作。本演示仪器的运动由核心控制计算机控制，通过界面友好的应用软件控制演示仪的定位、运行等，并同步显示系统的运动状态和模拟电站的发电量。
Claims (5)
1.一种太阳电池发电演示仪器，包括有地球模型、模拟太阳、地球绕太阳运动的模拟轨道、基座、中心轴、外壳、机械机构和电气控制机构，所述外壳设置在所述基座的上部，所述地球绕太阳运动的模拟轨道设置在外壳上，所述中心轴穿过外壳后垂直固定在基座上，所述机械机构包括公转机构、地轴机构和自转机构，所述公转机构设置在中心轴上并可绕所述中心轴转动，所述地轴机构安装在所述公转机构上，并且支撑所述的自转机构，所述电气控制机构通过接口控制公转机构、地轴机构和自转机构的运动而带动地球模型绕模拟太阳按照日地关系在地球绕太阳运动的模拟轨道上进行模拟运动，所述地球模型安装在所述自转机构上，其特征在于：所述模拟太阳竖直设置在所述中心轴的顶端，所述地球模型上设置有太阳电池和太阳电池指示灯，所述的公转机构、地轴机构和自转机构分别与各自的驱动电机相连，通过各自的驱动电机驱动，所述的公转机构包括公转轴套、公转臂和支撑杆，公转轴套套装中心轴，公转轴套与公转机构的驱动电机相连，在公转机构的驱动电机驱动下绕中心轴转动，公转臂为与中心轴呈垂直状的悬臂梁结构，其固定安装在公转轴套的上部，公转臂的一端的端部承托所述的地轴机构，其另一端的端部承托配重，支撑杆的一端与公转轴套相连，其另一端与公转臂相连，支撑杆与公转臂具有夹角；所述的地轴机构包括地轴支座、地轴和地轴轴套，地轴支座固定安装在公转臂的一端的端部，地轴垂直安装在所述地轴支座上，地轴轴套套装所述地轴，地轴轴套与地轴机构的驱动电机相连，在地轴机构的驱动电机驱动下绕地轴转动；所述的自转机构包括自转支架、自转轴和自转轴套，自转支架为弯折结构，其具有直边和折边，直边和折边之间具有夹角，自转支架的直边固定安装在地轴轴套的顶端，自转轴安装在自转支架的折边上，其与折边相垂直，自转轴套套装自转轴，自转轴套与自转机构的驱动电机相连，在自转机构的驱动电机驱动下绕自转轴转动，地球模型固定安装在自转轴套上。
2.根据权利要求1所述的太阳电池发电演示仪器，其特征在于：所述的太阳电池设置在所述地球模型的外表面，其位置与所述模拟太阳的位置相适配，用于接收模拟太阳的辐射能量而产生电能，驱动太阳电池指示灯。
3.根据权利要求1所述的太阳电池发电演示仪器，其特征在于：所述太阳电池指示灯为LED指示灯，LED指示灯由太阳电池所发的电能直接驱动点亮。
4.根据权利要求1或2所述的太阳电池发电演示仪器，其特征在于：所述电气控制机构包括控制计算机、电源箱和演示机构，所述控制计算机通过接口与演示机构连接，电源箱分别与控制计算机及演示机构电连接并向控制计算机及演示机构提供电源。
5.根据权利要求4所述的太阳电池发电演示仪器，其特征在于：所述电气控制机构的主要工作包括有数据采集、地球自转及其定位和角度校准、地球公转及其定位和角度校准、手动定位以及遥控操作。
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