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雙引擎太陽(yáng)能玩具車設(shè)計(jì),關(guān)鍵詞：雙引擎，太陽(yáng)能電池板，超大吸光面積,安徽大學(xué)11級(jí)新能源材料與器件：鮮開(kāi)誠(chéng),目錄,1.設(shè)計(jì)背景,,3.太陽(yáng)能電池板工作原理,,4.玩具汽車運(yùn)動(dòng)原理,,6.總結(jié),,2.玩具車外形設(shè)計(jì),5.玩具車內(nèi)部電路分析,,,設(shè)計(jì)背景,太陽(yáng)能汽車的應(yīng)用能夠降低全球環(huán)境污染，創(chuàng)造潔凈的生活環(huán)境，隨著全球經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽(yáng)能汽車作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)不是一個(gè)神話。燃燒汽油的汽車是城市中一個(gè)重要的污染源頭，汽車排放的廢氣包括二氧化硫和氮氧化物都會(huì)引致空氣污染，影響我們的健康?，F(xiàn)各國(guó)的科學(xué)家正致力開(kāi)發(fā)產(chǎn)生較少污染的電動(dòng)汽車，希望可以取代燃燒汽油的汽車。由于現(xiàn)在各大城市的主要電力都是來(lái)自燃燒化石燃料的，使用電動(dòng)汽車會(huì)增加用電的需求，即間接增加發(fā)電廠釋放的污染物。有鑒于此，一些環(huán)保人士就提倡發(fā)展太陽(yáng)能汽車，太陽(yáng)能汽車使用太陽(yáng)能電池把光能轉(zhuǎn)化成電能，電能會(huì)在儲(chǔ)電池中存起備用，用來(lái)推動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)。由于太陽(yáng)能車不用燃燒化石燃料，所以不會(huì)放出有害物。據(jù)估計(jì)，如果由太陽(yáng)能汽車取代燃汽車輛，每輛汽車的二氧化碳排放量可減少43至54%。,設(shè)計(jì)背景,太陽(yáng)能動(dòng)力汽車玩具可以說(shuō)是最好玩的太陽(yáng)能玩具。特別受男孩的歡迎，而它們的能量全部來(lái)自最環(huán)保的能源——太陽(yáng)能，這可是如今最時(shí)髦的話題，卻很少被用到玩具身上。陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池板，為小玩具提供源源不斷的動(dòng)力。這套玩具可以充分發(fā)揮及培養(yǎng)小朋友的想象力、創(chuàng)造力，而且對(duì)于年齡較小的孩子來(lái)說(shuō)，其操作性更強(qiáng)也更安全。,目錄,玩具車外形設(shè)計(jì),這是我用3DMAX軟件繪制的我設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能汽車外形：,玩具車外形設(shè)計(jì),這是渲染出的車型三視圖：,正視圖,俯視圖,左視圖,目錄,玩具車外形設(shè)計(jì),這種玩具汽車外形設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1.玩具車頂受光面積可達(dá)0.75（1.5*0.5）平方米或更大，有很大的受光面積，持續(xù)提供能量，可保守估計(jì)跑至少500米。2.平拉窗打開(kāi)可將收音機(jī)等放入，做到很好地模擬真實(shí)汽車。3.可用輕質(zhì)碳鋁材料制作，質(zhì)地輕盈。4.操作簡(jiǎn)易安全。,,工作原理,太陽(yáng)能電池板工作原理,P型與N型半導(dǎo)體,,PN結(jié),,太陽(yáng)能電池板,,太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)如下：圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照左下圖。圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導(dǎo)體。同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如右下圖。,P型與N型半導(dǎo)體,,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,PN結(jié),N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而P型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，此之謂PN結(jié)。,,當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層)，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。如下圖：,太陽(yáng)能電池板,當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。(如下圖所示）另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜（如圖），將反射損失減小到5％甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能光電板。,目錄,玩具汽車運(yùn)動(dòng)原理,這是我用3DMAX軟件繪制的我設(shè)計(jì)的玩具模型：,玩具汽車運(yùn)動(dòng)原理,這是渲染出的車型三視圖：,俯視圖,左視圖,正視圖,玩具汽車運(yùn)動(dòng)原理,右下圖所示為玩具模型概念圖，前面左右兩邊的兩個(gè)輪子是主動(dòng)輪，各接一個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力。后輪是從動(dòng)輪(由于不重要，以滾珠代替)，后輪起到平衡的作用。上方為兩組太陽(yáng)能電池板，為小車提供動(dòng)力。車體由一個(gè)面包板組成，同時(shí)控制電路也焊接在面包下方,一套系統(tǒng)指的是一塊太陽(yáng)能電池板通過(guò)一套控制電路來(lái)控制一臺(tái)電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)。將兩套系統(tǒng)安裝在一臺(tái)車上，那么這臺(tái)車的兩個(gè)輪子就分別受控于兩塊太陽(yáng)能電池板，這樣通過(guò)改變太陽(yáng)能電池板在車上的安裝姿態(tài)，就可以使兩塊太陽(yáng)能電池板分別接收到不同強(qiáng)度的光照，這樣兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)有所不同，通過(guò)這個(gè)控制原理，太陽(yáng)能小車可以在光的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。,玩具汽車運(yùn)動(dòng)原理,因?yàn)楸卷?xiàng)目機(jī)器人是左右兩組太陽(yáng)能電池板，分別控制交叉位置左右兩邊的電機(jī)以驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)。選擇交叉位置控制，可以確保機(jī)器人基本上是沿著光源的方向近乎直線的前進(jìn)：左邊受光則把右邊身體運(yùn)動(dòng)，然后變成右邊受光，再把左邊身體擺過(guò)來(lái)，如此前進(jìn)。,通過(guò)控制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就可以控制整個(gè)機(jī)器人行進(jìn)的方向：I．左右兩個(gè)前輪都向前轉(zhuǎn)，則機(jī)器人向“正前方”直線前進(jìn)；II．左右兩個(gè)前輪都向后轉(zhuǎn)，則機(jī)器人向“正后方”直線倒退；III.左前輪向后轉(zhuǎn)，右前輪向前轉(zhuǎn)，則機(jī)器人將以后輪為軸心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)向右后方轉(zhuǎn)彎倒退；IV.左前輪向前轉(zhuǎn)，右前輪向后轉(zhuǎn)，則機(jī)器人將以后輪為軸心順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)向左后方轉(zhuǎn)彎倒退。,目錄,玩具車內(nèi)部電路分析,本作品的最核心技術(shù)在于控制電路的設(shè)計(jì)，經(jīng)調(diào)試，下面這套電路比較符合要求：,玩具車內(nèi)部電路分析,太陽(yáng)能電池對(duì)電容充電，當(dāng)充電量達(dá)到由LED二極管設(shè)置的充電上限后，則電路開(kāi)始瞬間放電提供給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；雖然電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)消耗電能使電壓下降至低于LED二極管的下限，但是由于電路存在一個(gè)導(dǎo)通循環(huán)的機(jī)制，仍然會(huì)繼續(xù)放電讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠盡可能的把電容中存儲(chǔ)的電能都消耗掉，當(dāng)消耗完電容中的電能后，重新由太陽(yáng)能電池對(duì)其進(jìn)行充電，如此循環(huán)往復(fù)，玩具車得以持續(xù)運(yùn)動(dòng)。,目錄,總結(jié),圍繞著兒童科普方向的競(jìng)賽主題，本作品有著好的可操作性和安全性，十分有趣。但仍然有許多美中不足的地方，有以下可能的解決方法：1.該玩具在自然太陽(yáng)光可能不能正常運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榭赡墚?dāng)時(shí)太陽(yáng)光亮度較弱且明暗不穩(wěn)，建議在陽(yáng)光明亮的地方運(yùn)行，可以用一百瓦白熾燈代替太陽(yáng)光。2.建議使用前先置于陽(yáng)光下一段時(shí)間充滿電再使用。3.若電機(jī)轉(zhuǎn)一下就不轉(zhuǎn)了，可能是電機(jī)電阻過(guò)大，可以在電機(jī)兩端并聯(lián)一個(gè)幾十歐姆的電阻以減小電阻。或者也有可能是太陽(yáng)能電池板電壓高，而電機(jī)功率小而消耗的電流也小，電機(jī)放電的速度趕不上太陽(yáng)能充電的速度，導(dǎo)致三級(jí)管一旦導(dǎo)通后就無(wú)法截止。解決的辦法可以嘗試在NPN三級(jí)管基極與PNP三極管集電極之間連接一個(gè)1k左右的電阻，使三級(jí)管導(dǎo)通的條件提高。,目錄,,感謝對(duì)本作品的支持！,