獨(dú)立自動跟蹤太陽能供電系統(tǒng)在照明設(shè)備中的應(yīng)用

摘 要：太陽能被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要、最清潔的能源之一。中國幅員遼闊，可利用的太陽能資源豐富。目前中國的道路照明供電系統(tǒng)有兩種，一種是純市政供電；另一種安裝固定太陽能電池板供電。后者設(shè)備中的電池板處于固定的狀態(tài)（向南），總的發(fā)電量不大，加上光能轉(zhuǎn)換效率低和電能不易存儲等缺點(diǎn)，太陽能在道路照明系統(tǒng)中未能得到很好的推廣。本文根據(jù)太陽在不同經(jīng)緯度的運(yùn)行規(guī)律以及太陽高度角在不同時刻的轉(zhuǎn)換，論證了以單片機(jī)為核心的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。同時，以道路兩側(cè)的三角形廣告牌的燈作為用電器，并將純電力燈、太陽能電池板固定的燈以及本次設(shè)計(jì)的自動跟蹤燈做了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面的比較，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益，并給出了在中國適合應(yīng)用我們產(chǎn)品的具體地區(qū)。理論研究結(jié)果表明，與前兩者系統(tǒng)相比，采用以單片機(jī)自動控制系統(tǒng)為核心的新型太陽能自動跟蹤系統(tǒng)利用太陽能的效率更高，經(jīng)濟(jì)效益更明顯。

關(guān)鍵詞：太陽能；自動跟蹤；單片機(jī)；太陽高度角；效益

中圖分類號：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 20-0000-01

一、引言

對于太陽能的應(yīng)用，民用方面主要應(yīng)用在道路照明燈具上。目前在國內(nèi)西部光明工程，非主干道太陽能路燈，太陽能庭院燈和太陽能草坪燈，太陽能裝飾燈已經(jīng)逐漸形成規(guī)模。我研究小組將道路使用的廣告牌上的燈作為用電器，通過我們的研究，試圖提高對太陽能的利用率以及使用效益。本文所述是一種獨(dú)立的、高效的太陽能供電系統(tǒng)，其用電器范圍很廣泛。為了更加利于分析和計(jì)算，我們此處將用電器定為道路兩邊的三角形廣告牌照明燈具。

二、系統(tǒng)介紹

（一）總體設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制的太陽自動跟蹤系統(tǒng)、單片機(jī)控制的控制系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)和用電器五大部分組成。其關(guān)系如下圖所示：

單片機(jī)控制的太陽能自動追蹤系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心，其主要的功能是通過單片機(jī)控制太陽能電池板的轉(zhuǎn)動。由于太陽系在銀河系中的運(yùn)行軌道是復(fù)雜的橢圓螺旋線而不是我們所熟知的橢圓軌道，因此需要將太陽的運(yùn)行軌跡分成兩個方向的運(yùn)動（以地球?yàn)閰⒖枷担?，即?jīng)線方向的運(yùn)動和緯線方向的運(yùn)動。兩個方向分別由高度角和方位角體現(xiàn)（第二第三部分詳細(xì)介紹）。通過控制太陽能電池板的位置，就可以控制發(fā)電系統(tǒng)。

發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板構(gòu)成，通過單片機(jī)的控制，可以使電池板與太陽光線保持垂直。這樣就能最大限度的獲得太陽能，從而提高發(fā)電量和發(fā)電效率。

發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能通過導(dǎo)線被蓄電池系統(tǒng)儲存起來，蓄電系統(tǒng)主要構(gòu)成為大容量的蓄電池和相關(guān)的控制器組成。蓄電池系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)控制。

其他由單片機(jī)控制的系統(tǒng)還包括用電器系統(tǒng)，用電器系統(tǒng)包括照明燈具及其電路、單片機(jī)控制的太陽能自動追蹤系統(tǒng)的單片機(jī)耗電和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動耗電以及MRTLC智能照明控制系統(tǒng)耗電等。

（二）使用范圍。該供電系統(tǒng)使用的范圍很廣泛，但是就目前的狀況來分析，主要應(yīng)用在道路交通方面如道路兩邊的路燈、公交站的站牌下的照明燈以及其他地方如隧道、公園裝飾物的用電設(shè)備。因此只要是有太陽光照的地方，理論上就可以安裝此種供電設(shè)備。根據(jù)不同的用電器的功率不同，還可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整太陽能電池板的數(shù)量、蓄電池的蓄電能力及使用燈具的個數(shù)等?？梢哉f這種產(chǎn)品具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可推廣性。

（三）控制程序?？刂瞥绦虬▋刹糠?，兩部分均由單片機(jī)控制，一部分是對于一天、一年中的轉(zhuǎn)動時間的控制。因?yàn)樘柮刻斓纳鸾嵌群臀恢枚疾灰粯?，因此需要設(shè)定具體的參數(shù)，保證每天太陽升起的時候可以對準(zhǔn)太陽；另一部分是每一天中燈開關(guān)的時間，此部分主要由MRTLC智能照明控制系統(tǒng)控制。

該系統(tǒng)直接用程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制使其白天在程序的控制下面向太陽轉(zhuǎn)動。我們按照一年4個季度白天時間的不同：春天大約為7：00～18：00，即11小時，合39600*1000ms；夏天大約為6：00～19：00，即13小時，合46800*1000ms；秋天大約為7：00～18：00，即11小時，合39600*1000ms；冬天大約為8：00～17：00，即9小時，合32400*1000ms，把每個季度里太陽的高度角和偏轉(zhuǎn)角看成大致相同，分別設(shè)計(jì)了4個主程序循環(huán)，以控制步進(jìn)電機(jī)的左右偏轉(zhuǎn)及上下偏轉(zhuǎn)。

對于每天晚上開燈、早上關(guān)燈的控制，系統(tǒng)采用目前廣告牌上邊廣泛應(yīng)用的MRTLC智能照明控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以智能、遠(yuǎn)程控制每天燈開關(guān)的時間，可以根據(jù)每個季節(jié)的天黑時間的不同，來智能控制燈的開關(guān)，從而最大程度上的節(jié)省能源。

三、經(jīng)濟(jì)效益分析

我們將新型太陽能自動跟蹤技術(shù)應(yīng)用到大型廣告牌中，相比于舊型固定太陽能來說，使得太陽能電池板可以接收更多的陽光，大大提高轉(zhuǎn)化率；前期的投資比較大，因?yàn)樯婕暗教柲茈姵匕宓馁徺I、蓄電池的購買等需要耗費(fèi)大量的資金。但相對于傳統(tǒng)的電能來說，不需要鋪設(shè)電纜，不用支付電費(fèi)，使用壽命在20年以上（這里取25年），可大大節(jié)省成本。

四、適用地區(qū)范圍分析

根據(jù)我們方案的太陽能電池板在陰天情況下的持續(xù)天數(shù)的多少分類，確定我們的產(chǎn)品的適用范圍。低于2.6天為一般不太適合使用我們產(chǎn)品：重慶，貴陽，遵義；2.6到3天為一般適合使用我們產(chǎn)品：廣州，北海，柳州，岳陽，長沙，荊州，武漢，洛陽，鄭州，成都，廈門，福州，贛州，南昌，寧波，溫州，杭州，蕪湖，合肥，上海，南京，青島，黑龍江，哈爾濱，大連；3到3.5天比較適合使用我們的產(chǎn)品：北京，天津，沈陽，長春，滿洲里，邯鄲，濟(jì)南，延安，昆明，河口，西昌，汕尾，海口，三亞；3.5天到4天適合使用我們的產(chǎn)品：呼和浩特，太原，石家莊，西安，銀川，蘭州，烏魯木齊，吐魯番；4天以上非常適合使用我們的產(chǎn)品：西寧，阿勒泰，格爾木，日喀則，拉薩。

五、優(yōu)缺點(diǎn)

（一）優(yōu)點(diǎn)：高效性；節(jié)能環(huán)保；可靠性強(qiáng)；可控性強(qiáng)；適用范圍廣；推廣性強(qiáng)；可調(diào)整性強(qiáng)；太陽能儲蓄、轉(zhuǎn)化、供電三位一體。

（二）缺點(diǎn)：前期投資較大；蓄電池容量小。

參考文獻(xiàn)：

[1]高磊，謝玲玲，卓浩澤.基于步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2011，13（12）：11-16.

[2]饒鵬，孫勝利，葉虎勇.兩維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)的研制[J].控制工程，2004，11（6）：542-545.

[作者簡介]劉洋（1991-），男，本科在讀，北京交通大學(xué)理學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。