智能隨動太陽能燈塔設計

黃 琰，毛中華，余 穩，張錦濤，王建臣，*

（1.衢州學院 浙江省空氣動力裝備技術重點實驗室，浙江 衢州；2.浙江尤尼威機械有限公司，浙江 衢州）

在碳達峰、碳中和的目標下，清潔能源的發展對于減少碳排放和環境保護至關重要。為了充分利用清潔可再生能源，光伏發電型移動照明燈塔，采用LED照明燈具[1]。然而，光伏發電型移動照明燈塔也存在一些問題：光伏電池的轉換效率較低，受到氣候環境的影響發電量較少。若要增加發電量，需要增加太陽能板的數量和質量。為了克服這些問題，可改進光伏電池的技術，提高其轉換效率；可使用更高效的太陽能板和優化光伏發電系統的設計以提高發電量；可結合其他清潔能源技術增強燈塔的發電能力。總之，現有移動太陽能燈塔仍需要進一步改進和創新。

智能隨動太陽能燈塔提供了一種有效的解決方案。該燈塔通過采用LED 燈具，設計可升降的照明裝置、智能隨動系統和自動調光系統等功能，以達到安全、節能、省力等目的。智能隨動系統根據太陽光的位置和光照強度，自動調整太陽能板的角度和位置，以最大限度地吸收太陽能。自動調光系統根據環境光照條件實時調整LED 燈具的亮度。智能隨動太陽能燈塔可實現自動化運行，提供可靠的照明效果，同時節約能源和減少人工操作，符合環保和安全的要求。

1 智能隨動太陽能燈塔系統組成

智能隨動太陽能燈塔的主要組成：升降系統、智能照明系統、智能隨動系統和光伏系統。升降系統用于調節燈塔的高度，可以根據需要將燈塔升高或降低到適合的照明位置。智能調光系統會根據當前的光照強度和環境亮度等條件，自動調整LED 燈具的亮度。智能隨動系統主要用于控制光伏系統中太陽能板的運動。光伏系統通過光電與雙軸高度角- 方位角跟蹤相結合的方法，太陽能板會跟隨太陽轉動，并實時調整位置，保證太陽光線垂直于板面[2]。

2 機械結構設計

智能隨動太陽能燈塔系統的整體機械結構由以下幾個部分組成：底盤、升降裝置、光伏系統、照明燈部分、控制屏、保護外罩等，智能隨動太陽能燈塔三維結構如圖1 所示。

圖1 燈塔三維結構設計示意

2.1 機械模塊設計

光伏系統是智能隨動太陽能燈塔的重要組成部分，它由折疊式太陽能板、高度角齒輪、方位角齒輪、太陽能板支撐架、步進電機、轉動架、光敏電阻傳感器和光線照射角傳感器等組件組成，如圖2 所示。

圖2 光伏系統

折疊式太陽能板是太陽能轉換的關鍵部分，可以根據需要進行折疊和展開，能更好地捕捉太陽能。高度角齒輪由步進電機1 驅動，控制太陽能板支撐架繞著水平軸轉動，以跟蹤太陽光線強度變化的高度角。方位角齒輪由步進電機2 驅動，控制轉動架圍繞垂直底座軸進行水平運動，以跟蹤太陽光線強度變化的方位角。

折疊式太陽能板裝置的設計能夠解決燈塔頂部面積有限的問題，提高太陽能的利用率。光伏系統的智能隨動功能會根據太陽光線的位置和光照強度，自動調整太陽能板的角度和位置，以最大化太陽能的吸收和轉換效率。

燈塔升降系統由伺服油缸、伸縮桿、液壓缸、活塞、閥門和控制系統等組件組成，如圖3 所示。

圖3 燈塔升降裝置

伺服油缸是負責實現燈塔照明裝置的升降功能的關鍵部件。它由液壓缸和伸縮桿組成。液壓缸包括一個活塞和油缸，液壓油通過液壓泵從油缸的一側進入，液壓力作用在活塞上，使其產生線性運動。

控制系統通過調節液壓泵的流量和壓力，以及控制閥門的開關來控制液壓油的流動，進而控制伺服油缸的運動。

伸縮桿連接伺服油缸和照明裝置，傳遞伺服油缸的運動力，使照明裝置相應地升降，以實現最佳照明效果。液壓系統的控制在實現精確升降控制的同時具有穩定性和可靠性，確保燈塔的升降過程平穩和安全。

2.2 太陽能跟蹤部分的設計

2.2.1 太陽運行位置的確定

因為地球的自轉和公轉運動，太陽相對于地球上某一位置是周期性變化的。所以太陽的高度角和方位角在特定的位置和時間可以確定太陽的方向和位置。

2.2.2 跟蹤方案選擇

太陽能跟蹤控制方式是通過特定的設備和系統，跟蹤太陽的位置和移動，以最大化提升太陽能的發電效率。有壓差式跟蹤、視日運動軌跡跟蹤控制[3]、光電跟蹤。這里我們采用了光電跟蹤與雙軸高度角- 方位角跟蹤方法[4]相結合，在保證全天自動跟蹤的同時，避免云、霧、雨、雪等惡劣環境的干擾，并且采用間歇式的跟蹤方法[5]，在提高發電量的同時減少了能耗。

2.3 理論計算

2.3.1 太陽高度角和方位角的計算

如圖4 所示，太陽位于L 點時高度角和方位角的計算[6]。

圖4 太陽位于L 點時的天球示意

由余弦公式可得：

上式即任意緯度、任意日期、任意時角角度的太陽高度角及方位角計算公式。

2.3.2 燈塔照明數據

最高離地高度：5.5 m，燈源：燈塔采用4 只LED燈，每個功率為300 W，總功率為1 200 W。光通量為300 000 LM。照射面積：燈塔的照射面積為150～200 m2，照明裝置可以覆蓋一個較大的區域。照明距離：燈塔的照明距離為25～30 m，可以提供高亮度的照明效果，適用于較遠距離的照明需求。燈頭旋轉角度：燈塔的照明裝置能在水平方向上旋轉120°，以實現廣泛的照明范圍。

這些參數將影響燈塔的設計和功能，確保它能夠提供高亮度、高效節能的照明效果，覆蓋較大的區域，并滿足較遠距離的照明需求。具體參數如表1 所示。

表1 燈塔照明參數

3 控制系統設計

智能隨動太陽能燈塔主要由智能調光系統和智能隨動跟蹤系統組成。PLC 通過模擬調光方式，輸入0～10 V 的模擬直流信號到控制系統。驅動器會根據接收到的信號，調整智能照明系統的光照強度。在燈塔開始運行時，系統會初始化LED 燈的亮度值。然后判斷用戶是否開啟調光功能。如果未開啟調光模式，系統將以默認亮度照明。若開啟了調光模式，系統會設定燈塔的照射亮度目標值。當傳感器檢測到光照強度發生變化，系統會讀取當前的亮度值，并將其與設定的亮度值進行比較。系統開始調節LED 燈的照明亮度，以逐步接近目標值。如果傳感器檢測到LED 燈的光照強度沒有變化，則無需進行燈光亮度的調整。通過智能調光系統，燈塔可以有效節省能源并提供舒適的照明效果。

智能隨動跟蹤系統是在不同時間、同一地點使用數學公式計算太陽在天空中的高度角和方位角，以精確控制跟蹤設備運動的同時，利用光敏電阻在不同的光照條件下會阻值會發生變化的原理[7]，將四個完全相同的傳感器放在太陽能板的四邊，如圖5 所示。

圖5 傳感器安裝

當太陽光線和太陽能板垂直方向形成夾角時，接收到光強多的光敏電阻阻值減小，通過數據采模塊將光照強度值轉化為0～20 mA 的電流值后匯總各路輸入的模擬量，通過Modbus 通信協議發送給PLC 進行程序處理。最后PLC 控制電機，對高度角和方位角進行修正，使得四個光敏電阻的阻值相等，實現太陽光線垂直照射太陽能板，達到最大的發電效率，如圖6所示。

圖6 智能跟蹤流程

4 實驗

我們完成了實物模型的試制，并進行功能和追光效率的驗證。使用西門子公司的S7-200SMART ST30作為主控制器，實現了對太陽能板的全天候追蹤。裝置能在2 秒內調整太陽能板的傾角，隨動裝置的平均電壓值為13.25 V，比固定裝置的8.39 V 高出了57.9%。實驗結果驗證了智能且隨動系統設計和控制原理的有效性。圖7 為研制的實物模型。

圖7 智能隨動太陽能燈塔實物

5 總結

本文設計的智能隨動太陽能燈塔，實現了提高采光率、增加發電量和自適應環境亮度調整，符合當下的社會發展，系統主要有以下幾個優點。

（1） 采用折疊式太陽能板，在節約燈塔頂部空間的同時，增加了3 倍的采光面。

（2） 采用光電跟蹤與雙軸高度角- 方位角跟蹤相結合的方法，并選用間歇式跟蹤，在能耗低的同時，提高了對太陽的利用效率。

（3） LED 燈結合智能調光系統，可以保證環境光提供的照度與燈塔光提供的照度的和為恒定值。