太陽能智慧路燈設計

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電效率低，控制性差，能耗高的問題，設計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據，通過光照差值驅動電機帶動光伏電池板進行太陽跟蹤，提高發電效率，同時利用采集到的光照數據實現對天氣的陰晴判斷，避免了不必要的電機啟停損耗。電機選取超低轉速的直流減速電機，在提高轉動精確性的同時，簡化了機械設計。照明控制方式也在傳統時控和光控基礎上增加了微波感應控制，通過智能調光進一步達到節能目的。

關鍵詞：太陽跟蹤；路燈；STM32

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：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

在新能源的開發利用中，太陽能以其諸多的優點得到了極大的重視，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出的電能供給夜間照明使用，不但環保，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，不能根據太陽的運行軌跡調整方向，因此能量轉換效率偏低。

（2）傳統的路燈控制普遍使用時控和光控，雖然在一定程度上滿足了節能要求，但是在控制方式上還是略顯單一，有進一步優化的空間。

針對上述問題，設計了一種以STM32芯片作為主控制器，控制光伏電池板根據天氣條件及太陽方位自動轉動，并將時控、光控和微波感應控制結合，實現了智能調光照明控制方式的太陽能智慧路燈。

2 設計方案

2.1 光伏電池板太陽跟蹤控制

目前太陽跟蹤系統大體上可以分為兩類：雙軸跟蹤系統和單軸跟蹤系統。本設計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，即垂直方向固定不動，水平方向進行間歇跟蹤。

光伏電池板垂直傾角的選定按照其傾角與當地緯度的關系如表1所示，因所在地為吉林省長春市，長春市的地理坐標位置為東經125.35，北緯43.88，故將太陽能電池板的垂直傾角固定為55°。

太陽跟蹤系統結構見圖1，系統中包括光照傳感器，繼電器，直流減速電機和STM32主控制器。

其中，主控制器芯片中集成了一個獨立的定時器，構成實時時鐘，在相應的軟件配置下，可以提供時鐘日歷的功能。因該定時器為32位可編程計數器，可以記錄4294967296s，約合136年，固可滿足應用的長期需求。利用實時時鐘為系統提供時鐘信號來源，并采取分時跟蹤的策略。設定每日早6：00啟動跟蹤，每小時經過光照傳感器采集光照數據判斷東西兩側的光照強度，當西側光強高于東側光強時，由主控制器發出信號控制繼電器動作，進而驅動電機轉動。當到達晚18：00時，電機反轉到達東側限位開關，結束跟蹤動作，等待次日跟蹤時間到來。太陽跟蹤系統流程如圖2。另外，光照傳感器檢測環境照度低于設定照度閾值時，跟蹤系統不會工作，以避免電機不必要的啟停，造成電能損耗。

2.2 智能照明控制

采用時控、光控、感應控制三者結合的控制方式。其中感應控制使用微波人體感應傳感器，利用多普勒效應的原理以非接觸方式感應是否有行人經過。

智能照明控制流程如圖3所示，設定每晚18：00開啟照明，開啟前先進行環境照度檢測，如果環境照度低于設定閾值，則確認開啟照明，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以后進入半功率照明模式，這時啟動微波人體感應傳感器，當有行人經過路燈時，照明亮度提高，人離開后，照明亮度降低。

3 工作原理

系統總圖如圖4所示。

該系統由光伏發電系統、蓄電池充放電管理系統以及智能路燈照明系統三部分組成，光伏發電系統利用光伏電池板吸收太陽能進行發電；蓄電池充放電管理系統將轉化的電能存儲在蓄電池中，并優化管理蓄電池的充放電過程；智能路燈照明系統將時控、光控和感應控制三者結合智能調節路燈亮度。其中，主控制器控制光伏電池板進行太陽跟蹤以及對路燈照明的智能控制。

實物外形照片見圖5。

4 性能分析

使用光伏電池板（10W，峰值電壓17.5V）對12V10W負載進行供電，采用太陽跟蹤和非跟蹤兩種方式進行對比實驗，測得功率-時間關系如圖6所示。

通過圖6可以明顯觀察到跟蹤式光伏電池板發電效率高于非跟蹤式光伏電池板。

5 結束語

我國絕大部分地區都具有良好的太陽能資源，充分利用太陽能清潔環保的特點設計的太陽能智慧路燈既提高了發電效率，又降低了耗電量，達到了節能減排的效果。產品結構簡單，安裝、維護方便，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村及偏遠地區的基礎設施建設都有實際的應用價值。隨著技術的發展，光伏發電設備的成本也會繼續降低，其所帶來的社會效益、環境效益前景不可估量。

參考文獻：

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