逐日太陽能發電路燈照明系統設計?

周亞軍 ， 楊漢嵩，劉建秀， 李慶強

（1 黃河科技學院 河南鄭州 450002； 2 鄭州輕工業學院 河南鄭州 450002）

0 引言

現今太陽能用于發電主要有兩種方式：一種是光→熱→電的轉換，另一種比較直接的方式是光→電的轉換，即光伏發電。日常生活中提到的煤和石油等化石能源追根溯源也屬于太陽能，是光—化學能轉換的一種，但此過程由于十分漫長，且被認為是不可再生的能源。又因為現今能源緊張的問題，所以直接且快捷的太陽能發電技術越來越受到各國的重視。

光→電轉換使用的是太陽能電池板。電池板的種類主要有4種，分別為單晶硅、多晶硅、非晶硅和化學染料電池板，考慮到路燈受風力的影響，選用轉化率最高的單晶硅，以減少其使用面積，但單晶硅的提純需要很高的成本。

1 逐日太陽能路燈的工作原理

本系統利用步進電機單軸跟蹤方式完成逐日的功能，盡可能多的吸收太陽能并轉化為電能儲存到蓄電池中，以備在晚上供路燈照明和系統控制使用。其中系統主要受控于時間和日光的強弱，電光源為LED燈，采用LED燈作為路燈的光源，因為LED的特點是發光效率高，耗電量小，使用壽命長，工作溫度低。相比于其他光源，可在同等亮度下更少的使用電量。利用光敏電阻感知日光的強弱，由單片機充當核心控制器。

系統總體設計思路如圖1所示。光電轉換元件將太陽能轉化為電能，經過變換電路，將其所發出的電能轉換成適于蓄電池充電的穩定電壓，充到蓄電池中；蓄電池的端電壓經過比較電路，發出信號給單片機，控制器據此信號控制變換電路，對蓄電池的充放電進行控制，達到保護蓄電池的目的；蓄電池為照明燈提供電能，控制器控制蓄電池對照明燈的供電時間；太陽光敏傳感器將太陽光信號采集回來，發送給控制器，控制器據此信號控制電動機轉動，電動機帶動太陽能電池轉動，達到跟蹤太陽的目的。

圖1 系統總體設計思路圖

太陽能板的轉動是通過光強和入射角度兩方面來檢測的。兩者檢測的方法基本相同，主要是把光敏電阻連入電橋，通過光敏電阻感光后發生的電阻變化使電橋臂電壓發生變化。然后通過比較器（LM393）比較電壓后（輸出0或+5 V），通過單片機判斷其高低電平得出檢測結果，做相應控制動作 。

電機采用的是步進電機，由單片機以軟件環分的方式產生四相脈沖（據電機而定），以方便電機旋轉角度的精確控制。驅動器采用常見的驅動芯片ULN2003(500mA/50V)，也可以調換更高功率的驅動器。因為未進行電燈鋼架結構、電池板托架結構和轉動裝置結構的設計，加之各地區最高風力不同，所以無法確定電機的具體功率及型號，但是一般而言，西北需要的功率較大，中原地帶需要的功率小一些。

充放電的控制對蓄電池的壽命有很大的影響，為保證要蓄電池的充放電不能過沖和過放。又因為蓄電池的電壓與其電量有一定的關系，所以可通過對比電池的放電曲線檢測電壓來間接控制電量。檢測方法也是應用電橋和電壓比較器，保證電壓在11 V到14 V之間變化，標準電壓為12 V。

測定的光線強弱和不同的時間段結果，由單片機分析后做出判斷，決定路燈是否通電。其中路燈開關、蓄電池充放電開關和電機電源開關都是依靠三極管來控制的。

為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。傾角根據不同地區的緯度應略有不同，因為冬季日照時間比較短，如果冬季系統收集電量能維持正常工作，則其他季節也可正常工作，故太陽能電池板只需與冬季的日光垂直即可。這也正是為什么逐日路燈不需用雙軸進行跟蹤的原因，一般雙軸用于并網發電，當產電過剩時可以把多余的電能供給電網。

系統總設計電路圖如圖2所示。其中，J1是太陽能電池板接口，J2是蓄電池接口，太陽能電池發出的電能經過由7812組成的穩壓電路為蓄電池充電。7805將蓄電池電壓穩定到+5 V,為系統提供電源。

圖2 逐日太陽能發電路燈照明系統電路圖

U3為用于判定蓄電池是否工作在正常電壓范圍內的電壓比較器LM393，其兩個運放的反相輸入端均接+5 V的基準電壓。R8、R9、R10、R11為分壓電阻，將蓄電池端電壓進行比例縮小接到U3的兩個同相輸入端上，其中R8:R9=9:5，R10:R11=6:5，當蓄電池端電壓高于上限14 V時，比較器輸出端1輸出高電平給單片機P1.7口，單片機根據此信號控制NPN1開關三極管斷開，停止對蓄電池充電，達到了防止蓄電池過充電保護的目的；當蓄電池端電壓低于其下限值11 V時，比較器輸出端2輸出低電平給單片機P1.6口，單片機根據此信號控制NPN2開關三極管斷開，蓄電池停止對照明燈供電，達到了防止蓄電池過放電保護的目的。

R1、R2、R3為光敏電阻，其中R3是用于檢測光強是否可以利用。穩壓管為U6的電壓比較器同相輸入端IN B+提供電壓做比較電壓。當光強達到一定值后，R3阻值也將減小到一定值，經過分壓電路接入芯片U6的反相輸入端的電壓將大于穩壓管提供給同相輸入端的電壓，這時U6的輸出端OUT B輸出低電平給單片機P1.5口，單片機根據此信號決定開始進行太陽跟蹤，否則不跟蹤。R1和R2用于檢測太陽光偏差信號，它們與太陽能電池固定在一起，太陽能電池正對太陽時，R1的阻值小于R2的阻值，因此經過分壓電路接入芯片U6的電壓比較器A的反相輸入端的電壓大于同相輸入端的電壓，比較器1輸出低電平。太陽自東向西運動，與太陽能電池偏離一定角度后，R1的阻值大于R2的阻值，因此經過分壓電路接入芯片U6的電壓比較器A的反相輸入端的電壓小于同相輸入端的電壓，比較器1輸出高電平，單片機P1.4口接收到高電平信號后，控制步進電機帶動太陽能電池向西旋轉，直到檢測P1.4口為低電平為止。

J3為照明燈接口，NPN2為控制照明燈的開關，單片機通過時間芯片定時程序控制照明時間。

2 軟件設計

C51單片機可以用匯編語言和C語言進行編程，匯編語言與機器指令一一對應，所以用匯編語言編寫的程序在單片機里運行起來效率高，但是編程難度高，而且不易理解。C語言程序可讀性高，更便于理解，本設計使用C語言編程。

主程序流程圖如圖3所示，第一次上電，系統進行初始化，系統進入循環狀態。程序不斷檢測單片機輸入I/O口狀態，如果發現定時時間到了，則執行相應的子程序；如果發現光強足夠發電信號和偏差信號都為真，則調用子程序步進電機正轉一步；如果發現蓄電池電壓過高或過低信號為真，則控制相應的開關三極管斷開。

當白天對太陽自西向東跟蹤結束后，需要把太陽能電池板轉回初始位置，等待次日重新自西向東對太陽進行跟蹤，這就需要定時程序。對照明時間進行控制也需要定時程序，可以保證系統以24 h為周期循環工作?；贒S1302時間芯片的時間程序如附錄。在此要說明的是，可以把時間芯片安裝上電池制作成可插拔的模塊形式，這樣就使得調試更方便，并可節省按鍵和顯示部件的費用，最主要的是可以提高系統的穩定性。

圖3 逐日太陽能發電路燈照明系統主程序流程圖

步進電動機有3種工作方式。以三相步進電機為例，如果步進電機按A、B、C、A順序循環通電工作，就稱這種工作方式為單三拍工作方式。其中“單”是指每次只對一相通電；“三拍”指的是磁場旋轉一周需要變相通電3次，這時轉子轉動一個齒距角。如果步進電機按AB、BC、CA順序循環通電工作，則稱這種工作方式為雙三拍工作方式。這里的“雙”是指每次給兩相通電，磁場旋轉一周也需要變相通電3次，與單三拍的步距角相同，由于每次要對兩相通電，所以耗電量大，但獲得的電磁轉矩也大，不易產生失步。如果步進電機按A、AB、B、BC、C、CA順序循環通電，就稱這種工作方式為六拍工作方式。此種方式磁場旋轉一周需要通六次電，步距角比三拍時小一半，所以精度高一倍。

本設計采用四相步進電機的八拍工作方式。其正反轉程序如下：

正轉：A、AB、B、BC、C、CD、D、DA；

反轉：A、AD、D、DC、C、CB、B、BA；

程序開始時，初始化正反轉編碼如下

uchar code FFW[8]={0x1f,0x3f,0x2f,0x6f,0x4f,0xcf,0x

3 實測數據及結論

采用跟蹤太陽的方式可以提高太陽能利用率27%，所儲能量可以使供電延長3個小時，設計中以AT89S52單片機為控制器，步進電機為執行機構，光敏電阻為傳感器的閉環控制系統，結構簡單，控制靈敏度高，實時性好，而且成本很低。采用C語言編程，可讀性好，簡單易懂。

目前從實驗結果看，變換電路使用穩壓芯片，其缺點在于不能進行最大功率點跟蹤，有部分電能浪費。

如果把控制電路各個部分都涉及成可插拔的模塊，這樣不僅方便日后的維修，還可以對系統或程序進行升級換代。希望在不久的將來，光伏產品廣泛應用在我們的生活中。這也是我們下一步想進行的工作。

[1]邢運民,陶永紅.現代能源與發電技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007:2-34.

[2]趙爭鳴.太陽能光伏發電及其應用[M].北京:科學出版社,2005:9-11.

[3]楊德仁.太陽能電池材料[M].北京:化學工業出版社,2006:6-28.

[4]呂正.自適應太陽跟蹤平臺理論分析及控制器設計[J].節能技術,2007,25(145):419-422.

[5]賀曉雷.一種用于太陽被動跟蹤的光電角偏差探測裝置[J].儀器儀表學報,2007,28(8):234-242.

[6]http://baike.baidu.com/view/450917.htm

[7]http://baike.baidu.com/view/1015514.htm

[8]饒鵬,孫勝利,葉虎勇.二維程控太陽跟蹤器控制系統的研究[J].控制工程,2004(11):532-536.

[9]尚華,黃慧榮.太陽能光伏發電效率的影響因素[J].寧夏電力,2007(5):48-57.

[10]陳旻峰.太陽能庭院燈照明電路設計[J].電氣電子教學學報,2008,30(3):26-28.