太陽能智慧路燈設(shè)計(jì)

馮思 齊彥宇　楊利　賈振國　季鵬偉　郭瑞

摘 要：針對目前太陽能路燈存在的發(fā)電效率低，控制性差，能耗高的問題，設(shè)計(jì)了一種新型太陽能智慧路燈。采用STM32芯片作為主控制器，利用BH1750光照傳感器模塊采集光照數(shù)據(jù)，通過光照差值驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)光伏電池板進(jìn)行太陽跟蹤，提高發(fā)電效率，同時(shí)利用采集到的光照數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對天氣的陰晴判斷，避免了不必要的電機(jī)啟停損耗。電機(jī)選取超低轉(zhuǎn)速的直流減速電機(jī)，在提高轉(zhuǎn)動(dòng)精確性的同時(shí)，簡化了機(jī)械設(shè)計(jì)。照明控制方式也在傳統(tǒng)時(shí)控和光控基礎(chǔ)上增加了微波感應(yīng)控制，通過智能調(diào)光進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能目的。

關(guān)鍵詞：太陽跟蹤；路燈；STM32

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）23-0091-03

Abstract： Aiming at the problems of low efficiency， poor controllability and high energy consumption of solar street lamps at present， a new type of solar intelligent street lamps is designed. The STM32 chip is used as the main controller and the BH1750 light sensor module is used to collect the illumination data. The photovoltaic panel is driven by the illumination difference motor to track the solar energy and the efficiency of power generation is improved. At the same time， the light data collected can be used to judge the weather and avoid unnecessary starting and stopping loss of the motor. Motor selection of ultra-low speed DC deceleration motor， in order to improve the accuracy of rotation at the same time， simplify the mechanical design. Based on the traditional time control and light control， microwave induction control is added to the lighting control mode， which can further achieve the purpose of energy saving through intelligent dimming.

Keywords： solar tracking； streetlamp； STM32

1 概述

在新能源的開發(fā)利用中，太陽能以其諸多的優(yōu)點(diǎn)得到了極大的重視，前人利用太陽能制造出了太陽能路燈[9]。這種路燈利用太陽能發(fā)出的電能供給夜間照明使用，不但環(huán)保，而且安裝施工也較為簡便。然而，目前的太陽能路燈存在著以下問題：

（1）光伏電池板角度固定，不能根據(jù)太陽的運(yùn)行軌跡調(diào)整方向，因此能量轉(zhuǎn)換效率偏低。

（2）傳統(tǒng)的路燈控制普遍使用時(shí)控和光控，雖然在一定程度上滿足了節(jié)能要求，但是在控制方式上還是略顯單一，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種以STM32芯片作為主控制器，控制光伏電池板根據(jù)天氣條件及太陽方位自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并將時(shí)控、光控和微波感應(yīng)控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)光照明控制方式的太陽能智慧路燈。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 光伏電池板太陽跟蹤控制

目前太陽跟蹤系統(tǒng)大體上可以分為兩類：雙軸跟蹤系統(tǒng)和單軸跟蹤系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中光伏電池板使用多晶硅材料，由于對跟蹤精度的要求不高，故采用單軸跟蹤系統(tǒng)，即垂直方向固定不動(dòng)，水平方向進(jìn)行間歇跟蹤。

光伏電池板垂直傾角的選定按照其傾角與當(dāng)?shù)鼐暥鹊年P(guān)系如表1所示，因所在地為吉林省長春市，長春市的地理坐標(biāo)位置為東經(jīng)125.35，北緯43.88，故將太陽能電池板的垂直傾角固定為55°。

太陽跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)中包括光照傳感器，繼電器，直流減速電機(jī)和STM32主控制器。

其中，主控制器芯片中集成了一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在相應(yīng)的軟件配置下，可以提供時(shí)鐘日歷的功能。因該定時(shí)器為32位可編程計(jì)數(shù)器，可以記錄4294967296s，約合136年，固可滿足應(yīng)用的長期需求。利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)來源，并采取分時(shí)跟蹤的策略。設(shè)定每日早6：00啟動(dòng)跟蹤，每小時(shí)經(jīng)過光照傳感器采集光照數(shù)據(jù)判斷東西兩側(cè)的光照強(qiáng)度，當(dāng)西側(cè)光強(qiáng)高于東側(cè)光強(qiáng)時(shí)，由主控制器發(fā)出信號(hào)控制繼電器動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)晚18：00時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)到達(dá)東側(cè)限位開關(guān)，結(jié)束跟蹤動(dòng)作，等待次日跟蹤時(shí)間到來。太陽跟蹤系統(tǒng)流程如圖2。另外，光照傳感器檢測環(huán)境照度低于設(shè)定照度閾值時(shí)，跟蹤系統(tǒng)不會(huì)工作，以避免電機(jī)不必要的啟停，造成電能損耗。

2.2 智能照明控制

采用時(shí)控、光控、感應(yīng)控制三者結(jié)合的控制方式。其中感應(yīng)控制使用微波人體感應(yīng)傳感器，利用多普勒效應(yīng)的原理以非接觸方式感應(yīng)是否有行人經(jīng)過。

智能照明控制流程如圖3所示，設(shè)定每晚18：00開啟照明，開啟前先進(jìn)行環(huán)境照度檢測，如果環(huán)境照度低于設(shè)定閾值，則確認(rèn)開啟照明，直至晚23：00為全功率照明模式，以滿足日常人行亮度需求。晚23：00以后進(jìn)入半功率照明模式，這時(shí)啟動(dòng)微波人體感應(yīng)傳感器，當(dāng)有行人經(jīng)過路燈時(shí)，照明亮度提高，人離開后，照明亮度降低。

3 工作原理

系統(tǒng)總圖如圖4所示。

該系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池充放電管理系統(tǒng)以及智能路燈照明系統(tǒng)三部分組成，光伏發(fā)電系統(tǒng)利用光伏電池板吸收太陽能進(jìn)行發(fā)電；蓄電池充放電管理系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)在蓄電池中，并優(yōu)化管理蓄電池的充放電過程；智能路燈照明系統(tǒng)將時(shí)控、光控和感應(yīng)控制三者結(jié)合智能調(diào)節(jié)路燈亮度。其中，主控制器控制光伏電池板進(jìn)行太陽跟蹤以及對路燈照明的智能控制。

實(shí)物外形照片見圖5。

4 性能分析

使用光伏電池板（10W，峰值電壓17.5V）對12V10W負(fù)載進(jìn)行供電，采用太陽跟蹤和非跟蹤兩種方式進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，測得功率-時(shí)間關(guān)系如圖6所示。

通過圖6可以明顯觀察到跟蹤式光伏電池板發(fā)電效率高于非跟蹤式光伏電池板。

5 結(jié)束語

我國絕大部分地區(qū)都具有良好的太陽能資源，充分利用太陽能清潔環(huán)保的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的太陽能智慧路燈既提高了發(fā)電效率，又降低了耗電量，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維護(hù)方便，且成本低，投資回收期短。無論對城市市政道路照明的輔助還是對農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電設(shè)備的成本也會(huì)繼續(xù)降低，其所帶來的社會(huì)效益、環(huán)境效益前景不可估量。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱明海，李中明.太陽能路燈選型、設(shè)計(jì)及安裝[J].蓄電池，2012，49（04）：188-191.

[2]陳本源，謝淼，錢超.追日型太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2015，43（11）：2081-2085.

[3]喬柱，劉伊生，廖雅雙，等.城市道路照明節(jié)能潛力研究[J].電力電子技術(shù)，2016，50（12）：38-41.

[4]楊屹巍.LED路燈在市政道路照明中的應(yīng)用[J].居業(yè)，2017（11）：36-37.

[5]王晏，甘貴林.太陽能路燈在城市中的應(yīng)用探討[J].青?？萍迹?008（04）：10-12.

[6]CJJ45-2015.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[M].中國：中華人民共和國建設(shè)部，2015.

[7]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊齒輪傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.