光伏體育館智能照明系統(tǒng)的設(shè)計

曹大瑞 滕 騰

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221111）

0 引言

2020年9月中國向全球宣誓，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。2021年12月31日，工信部、住建部、交通運輸部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家能源局聯(lián)合下發(fā)了《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2025年）》的通知提出，發(fā)展智能光伏建筑、智能光伏農(nóng)業(yè)、智能光伏鄉(xiāng)村建設(shè)。因此，清潔可再生的太陽能研究已成為各國發(fā)展研究的一個重要問題，而分布式智能光伏發(fā)電，將成為太陽能光伏研究領(lǐng)域的一個重要課題。

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電與體育館結(jié)合，自然光利用率差。本系統(tǒng)的設(shè)計將體育館自然采光與光伏發(fā)電結(jié)合在一起，打破傳統(tǒng)太陽能板位置固定短處，通過光照度傳感模塊對環(huán)境光照強度進行數(shù)據(jù)采集，同時根據(jù)光照強度調(diào)節(jié)太陽能電池板的位置，實現(xiàn)了光伏發(fā)電與體育館照明的智能化。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計將光伏發(fā)電和體育館有機結(jié)合。太陽能電池板發(fā)電為整個系統(tǒng)的正常工作供電，由于用太陽能發(fā)電的電壓和電流不穩(wěn)定，利用三端穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓然后給蓄電池充電。防止連續(xù)陰雨天氣系統(tǒng)不能正常工作，此系統(tǒng)需連接220 V市電補償電壓。該系統(tǒng)通過光強傳感器和溫度傳感器將接收光強信號和溫度信號傳送STC89C52RC芯片控制系統(tǒng)進行反饋，并通過液晶顯示屏顯示，外界可以實時監(jiān)控。同時系統(tǒng)還控制舵機控制太陽能電池板的狀態(tài)，光強較強時，系統(tǒng)控制太陽能電池板平鋪遮光；光強較弱時，系統(tǒng)控制太陽能電池板抬起漏光；光強非常弱時，不僅太陽能電池板抬起而且補光燈也會亮起。除了智能控制外，還可以人工控制。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

2 具體設(shè)計

2.1 智能系統(tǒng)的供電

智能系統(tǒng)的供電是由太陽能發(fā)電系統(tǒng)供應(yīng)的，所用單晶硅太陽能電池板規(guī)格是450 W、2 120×1 052×40 mm，太陽能電池組件的轉(zhuǎn)化效率是20.5%。

太陽能電池所發(fā)的電量主要用于整個系統(tǒng)的正常運作、舵機工作和補光燈的照明。

2.2 主控模塊的設(shè)計

主控模塊由主控芯片、時鐘控制電路、復(fù)位中斷電路、電源等組成。電源電路用來供電，電路圖如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計圖

2.3 顯示模塊設(shè)計

顯示模塊主要由LCD1602液晶顯示構(gòu)成，本設(shè)計對于顯示方面的要求不是非常高，只要能夠顯示系統(tǒng)的光照和溫度即可。LCD16021是字符型的顯示液晶屏，顯示數(shù)字和字母都是比較非常方便的，除此LCD16021成本和功耗都非常低，而且易于控制，是再合適不過的選擇。

2.4 光感模塊設(shè)計

2.4.1 PCF8591 A/D采樣電路設(shè)計

PCF8591需要單獨供電，受外界影響較少，功耗較少。

2.4.2 補光燈電路設(shè)計

在這里補光燈主要運用的是LED燈，LED是一種注入型電致發(fā)光器件，它由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。發(fā)光機理可分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)發(fā)光兩種類型。

2.5 升壓模塊設(shè)計

升壓裝置選擇的是外國的高性能芯片即主要是DC-DC升壓模塊，其質(zhì)量遠高于一般選擇。

（1）本模塊采用高性能進口芯片，性能優(yōu)于一般的模塊。

（2）如果輸進隨意的0.9～5 V范圍內(nèi)的電壓，都能放出5 V平穩(wěn)的電壓，其轉(zhuǎn)換效率最高達96%，相比其他的升壓模塊是相當(dāng)高的。

（3）工業(yè)級溫度范圍：-40℃～85℃。

（4）轉(zhuǎn)換效率高，最高達96%。

（5）超級小的體積，其尺寸是25 mm×18 mm，經(jīng)常用于很多微型設(shè)備供電。

（6）帶工作指示燈。

2.6 總體硬件電路連接

本設(shè)計用STC89C52RC作為控制芯片，用來作為總體控制，用PCF8591和DS18B20作為光照和溫度的輸出信號，將其發(fā)送到控制芯片，從而實現(xiàn)舵機和補光燈模塊的執(zhí)行；LCD1602液晶顯示為整個電路的顯示模塊，可以實時監(jiān)測溫度和光照，進一步監(jiān)測大棚內(nèi)的環(huán)境。整體連接圖如圖3所示。

圖3 總體電路連接圖

3 調(diào)試結(jié)果

在硬件設(shè)計基本完成初期，連上電路進行調(diào)試的時候，發(fā)現(xiàn)太陽能板組不能根據(jù)光照強度的大小而發(fā)生改變，但是LED補光燈卻能夠有所反應(yīng)，其原因是，太陽能電池板比較重，舵機電路所需的電壓較大，外在的鋰電池完全負荷不了，于是在硬件方面添加了升壓電路，實現(xiàn)了設(shè)計的要求。

4 結(jié)語

本設(shè)計將體育館采光與光伏發(fā)電結(jié)合在一起，有效地改善了體育館內(nèi)的光照，實現(xiàn)了智能化采光與照明。本設(shè)計是利用PCF8591光強傳感器和DS18b20溫度傳感器將外界信號傳送給作為控制系統(tǒng)的STC89C52RC芯片進行反饋，通過太陽能電池板組和補光燈的狀態(tài)來調(diào)節(jié)體育館內(nèi)的光照環(huán)境，同時通過液晶顯示屏顯示，使得外界可以實時監(jiān)控。

本設(shè)計通過光照度傳感模塊對環(huán)境光照強度進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的不同的閾值范圍，太陽能電池板呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。同時體育館內(nèi)的環(huán)境都可以通過LCD1620進行實時監(jiān)測。