光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧存岱 潘冬喜

廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（廣西 南寧 530007）

0 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)和民用建筑技術(shù)的快速發(fā)展，地下室照明能耗迅速增長(zhǎng)，從而加大了化石燃料消耗，如何節(jié)約能源消耗、減少化石燃料使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題已成為目前關(guān)注的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能是一種取之不竭、用之不盡的綠色能源，其在采光照明、光伏發(fā)電照明等方面的應(yīng)用，較好地解決了照明能耗居高不下的問(wèn)題。在光纖導(dǎo)管照明裝置中，如何保持受光裝置與太陽(yáng)光垂直，直接關(guān)系裝置的采光效率[1]。文章從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，提高了太陽(yáng)能的利用效率。

1 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光纖導(dǎo)光照明裝置用于辦公、住宅、商業(yè)建筑的地下室照明，一般安裝在建筑物的屋頂或部分接受太陽(yáng)光較多的平臺(tái)處，面積不大、地點(diǎn)分散，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首要考慮其經(jīng)濟(jì)性，通常采用運(yùn)算速度高、集成2路1MSPS的ADC的C8051F063作為控制核心，采用較少的外圍電路即可達(dá)到控制的目的。光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

圖1中，四象限傳感器將接收的太陽(yáng)光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，使電壓信號(hào)維持在V1～V4；經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)控制選通送入單片機(jī)C8051F063的16位高速ADC0和ACD1中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；C8051F063根據(jù)光強(qiáng)差及光強(qiáng)差與平均光強(qiáng)的比值計(jì)算出方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)的運(yùn)行方向、角度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)受光裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，直至四象限傳感器的光強(qiáng)差與平均光強(qiáng)比值達(dá)到預(yù)設(shè)參數(shù)要求。

2 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)跟蹤控制經(jīng)常采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤、光電跟蹤或兩者結(jié)合的方式。該設(shè)計(jì)采用時(shí)間控制和光電跟蹤相結(jié)合的方式[2-3]。相較于視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以節(jié)約陰天電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)造成的能耗，同時(shí)避免光電跟蹤系統(tǒng)易跟蹤紊亂的問(wèn)題。光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

如圖2所示，系統(tǒng)上電初始化后，設(shè)置系統(tǒng)初始時(shí)間，自動(dòng)判斷系統(tǒng)是否在工作時(shí)間內(nèi)，若不在工作時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，5 min后再次判斷；若在工作時(shí)間內(nèi)，控制電機(jī)將受光裝置旋轉(zhuǎn)至與該時(shí)間對(duì)應(yīng)的方位角位置。啟動(dòng)四象限傳感器采集太陽(yáng)光強(qiáng)度信號(hào)，判斷是否是晴天，若不是晴天，根據(jù)時(shí)間對(duì)應(yīng)方位角；若是晴天，則根據(jù)太陽(yáng)光強(qiáng)度信號(hào)計(jì)算需要調(diào)整的角度及電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

四象限探測(cè)器是一種把感光面平均分割成四個(gè)對(duì)稱部分的光電探測(cè)器，四個(gè)部分分別對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系的象限，四象限傳感器示意圖如圖3所示。太陽(yáng)光束經(jīng)方形孔在探測(cè)器上形成光斑，當(dāng)太陽(yáng)光束與四象限探測(cè)器不垂直時(shí)，會(huì)在探測(cè)器四象限產(chǎn)生不同大小的光電流，經(jīng)電路調(diào)理后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入C8051F063的ADC0和ADC1，計(jì)算出方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)相應(yīng)的步數(shù)和方向。為避免受光裝置抖動(dòng)和提高受光效率，當(dāng)太陽(yáng)光束與探測(cè)器垂直后，每隔1 min采集1次數(shù)據(jù)。以水平方向?yàn)槔? min太陽(yáng)偏移角度為0.25 °，經(jīng)系統(tǒng)跟蹤后，太陽(yáng)光束與受光器法線方向最大夾角為0.125 °，太陽(yáng)光接受效率為99.9%，因此需要四象限傳感器強(qiáng)度差不大于0.1%。

圖3 四象限傳感器示意圖

四象限傳感器太陽(yáng)光強(qiáng)度差計(jì)算公式如下：

式中：k為待定常數(shù)。

3 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用ST公司的L298N芯片作為方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片工作電壓最高可達(dá)46 V，持續(xù)輸出電流達(dá)2 A，瞬時(shí)電流達(dá)3 A，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

該設(shè)計(jì)的主控制器C8051F063電源電壓采用3.3V DC，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298N電源電壓采用12V DC。為避電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)主控制器造成干擾，在主控制器C8051F063和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298N之間加入了2個(gè)光電耦合器TLP521-4，以有效隔離主控制器C8051F063和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298N。

主控制器C8051F063的P0.0、P0.1、P0.4、P0.5引腳經(jīng)光電隔離后接至L298N的IN1～I(xiàn)N4引腳，4個(gè)引腳的高低電平組合可控制方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。主控制器C8051F063的P0.2和P0.6輸出的PWM信號(hào)連接至L298N的ENA和ENB，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比改變兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以便電機(jī)快速及時(shí)地旋轉(zhuǎn)至計(jì)算位置。方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)均為感性負(fù)載，在其停止或正反轉(zhuǎn)切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的反向感生電動(dòng)勢(shì)，為保護(hù)L298N驅(qū)動(dòng)芯片不被感生電動(dòng)勢(shì)擊穿，在L298N驅(qū)動(dòng)芯片輸出端口和2個(gè)電機(jī)之間加入了8個(gè)1N4818續(xù)流二極管[5-6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)光纖導(dǎo)光照明裝置需求特點(diǎn)，通過(guò)時(shí)間控制和光電跟蹤相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了光纖導(dǎo)光照明裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)晴陰天檢測(cè)結(jié)果，采用不同的跟蹤方式，進(jìn)一步降低了太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)電能消耗。在晴天時(shí)，太陽(yáng)跟蹤誤差小于0.125 °，太陽(yáng)光利用效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。該系統(tǒng)以C8051F063為主控芯片，簡(jiǎn)化了外圍電路，降低了系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)成本，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。