環境適應性太陽能廣告牌設計與分析

劉俞伶，曹茜，周航，張志剛，談光輝

（周南中學，長沙 410201）

環境適應性太陽能廣告牌設計與分析

劉俞伶，曹茜，周航，張志剛*，談光輝

（周南中學，長沙 410201）

研究了一款環境適應性太陽能廣告牌系統，利用階梯形光伏電板為LED廣告牌供電，綜合電源感應切換系統、環境亮度感應調節系統及相關環境適應性設計，使得該裝置能夠在太陽能蓄電池供電與城市供電合理切換，自動調節廣告牌亮度，并能防生物侵害、防潮防腐蝕等滿足環境適應性要求。理論研究結果表明，系統具有智能化、人性化、經濟節能、工況穩定等特點，值得推廣應用。

環境適應性；階梯形光伏電板；電源切換；亮度調節

引言

現如今石油、煤的過度使用，導致化石能源日益枯竭，能源使用成本不斷上漲，同時產生大量一氧化碳、二氧化硫等有害氣體，帶來一系列環境污染問題。而太陽能因其資源豐富、可利用性高、清潔環保，太陽能光伏照明設備因具有綠色節能、照明效果好等優點被廣泛使用，特別是太陽能供電的新型廣告牌在當代廣告宣傳中的應用[1]。目前太陽能廣告牌存在太陽光能利用率低，光伏電板占地面積過大，使用環境要求較高，控制系統分散等問題[2，3]，在此基礎上，本文設計了一套環境適應性太陽能廣告牌系統，該系統能夠在太陽能蓄電池供電與城市供電合理切換，自動調節廣告牌亮度，并能防生物侵害、防潮防腐蝕。

1 系統總體設計

圖1是環境適應性太陽能廣告牌控制系統。該環境適應性太陽能廣告牌主要利用階梯形光伏電板將自然光轉化為電能儲存在蓄電池中，當出現陰雨天氣等光照不足情況時，蓄電池給廣告牌供電，若蓄電池電量枯竭，則220 V生活用電也可以作為備選通過穩壓直流電源變換器進行供電，確保廣告牌正常工作，綜合相應環境適應性設計，使得該裝置能夠在太陽能蓄電池供電與城市供電合理切換、隨環境亮度自動調節廣告牌亮度，環境適應性強。

圖1 環境適應性太陽能廣告牌控制系統框圖

整個電路采用單片機控制，如圖2所示。電路開關分兩種，一是通過手動開關直接控制廣告牌工作狀態；二是采用定時開關，開關電壓信號作為輸入信號輸入到A/D 轉換器中將輸入的模擬信號轉換成為數字信號，然后再送入單片機進行數據處理，當AD值大于50小于1 000時，廣告牌正常工作，當AD值低于50時，廣告牌定時關斷。該單片機系統結構簡單，使用方便，可靠性高，可工作到106～107h無故障，可控性強。

2 環境適應性設計

環境適應性即設備在其壽命期限內可能遇到的各種環境條件作用下能實現其所有預定功能和性能而不被破壞的能力，是設備的重要質量特性之一。環境適應性設計就是提高設備抵抗外界環境阻力能力、增強設備內部工作穩定性的一系列相應措施，設計思路從兩方面考慮，一是設計降低環境影響程度的系統、方法，二是采用耐環境能力強的材料、結構及工藝[4]。

考慮到廣告牌全年工作，四季的溫度、濕度和氣候條件不一，雨雪冰雹甚至偶發的極端天氣對其在各種工況下的穩定工作造成不小考驗，比較顯著的影響因素是光照強度、亮度、高低溫、霉菌、沙塵等。本裝置從明確設備環境平臺、選定設計方案到具體工程設計，環境適應性設計貫穿全文，重點落在太陽能發電、電源穩定供電、亮度適應性調節和外觀結構設計四部分，下面結合實際操作具體討論相應措施。

2.1 太陽能供電部分

本裝置供電部分由太陽能光伏電板、發電用功率調節器、驅動電路控制器、鉛蓄電池組成，每組使用三塊多晶硅光伏電板，如圖3所示的 1、2、3號，排布采用階梯形排布。將1、2號的長邊和2、3號的長邊用可旋轉的潤滑轉軸相連，以保證1、3號光伏電板可繞旋轉軸旋轉。在2號光伏電板底部中央也有一根轉軸與2號光伏電板的長邊平行，并與底部一支撐桿相連，與此同時，該支撐桿與底座上一活動鉸鏈相連，三者共同作用，以確保三塊光伏電板構成的整體可繞支撐桿旋轉到任意方向。

多晶硅光伏電板本身具有高轉化效率、制備工藝相對簡化、制作成本相對低廉的特點，采用階梯形排布，確保每一塊光伏電板都能調整到與當地太陽直射角垂直，使得單塊電板單位面積吸收光能最大化且不會對相鄰光伏電板產生遮擋影響，保證太陽光能的充分吸收利用。光伏電板白天將吸收的自然光能轉化為電能，傳輸給太陽能控制器后儲存在蓄電池內，因為鉛蓄電池成本低廉，溫度適用范圍廣，電壓穩定，經過產品升級換代，其維護工作日益便捷,蓄電池擬采用鉛蓄電池。同時，由于太陽能光伏電板輸入電能不穩定，為延長鉛蓄電池使用壽命，避免蓄電池過度充電或深度放電，將補充充放電控制器，能夠防止過充電、反充電、過放電并具有短路保護、雷擊保護等功能[5]。

2.2 電源感應切換系統

圖3 階梯型光伏電板排布裝置圖

圖4為電源感應切換系統。由圖可知，電源感應切換系統中引入了一個集成運算放大器，該運算放大器與光伏電板的蓄電池相連接，通過對蓄電池的輸出電壓的高低進行運算，進而斷開或接通開關Q1、Q2。當遇上連續晴朗天氣，蓄電池蓄電充足，輸出電壓高時，Q1連通，Q2斷開由蓄電池為LED廣告牌供電；若陰雨天氣頻繁，太陽能蓄電池蓄電短缺，導致輸出電壓低，Q1斷開，Q2連通，改由220 V用戶生活用電供電，220 V用戶生活用交流電需經過一個穩壓直流電源變換器，該變換器由電源變壓器、整流電路、濾波器、穩壓電路組成，將市電轉化為12 V直流電，供LED廣告牌使用。

總之，電源感應切換系統可實時監測蓄電池工作狀態，實時切換LED廣告牌的供電來源，確保廣告牌的工作不受陰雨天氣條件影響。

2.3 環境亮度感應調節系統

圖5是環境亮度感應調節系統。該系統工作原理是利用外界環境光信號通過光敏傳感器轉換出相應電信號，經過信號放大器后的放大電信號再傳輸進單片機中進行計算，輸出PWM控制信號，再經大容量電容器濾波成直流電壓，再通過驅動放大器放大，輸出放大后的電壓信號，來控制柵極電壓的高低，從而控制LED廣告牌流通電流，以調節廣告牌亮度。其中升壓電路是利用升壓變壓器將蓄電池電能逐漸流失而緩慢減小的電壓升高，以確保LED廣告牌的正常工作；驅動放大器放在末級功放前面，對輸入信號進行放大，使其達到末級功放要求的輸入功率的功率放大器。環境亮度感應調節系統依據外部環境亮度來調節廣告牌亮度，使LED廣告燈牌既顯眼又節能。

2.4 外觀結構部分

綜合考慮外部環境的各方面影響，如蛇鼠蚊蟲侵害、陰雨風沙天氣等，通過建立合理有效的防護體系，減緩環境應力對系統的消極作用。

1）防生物侵害設計：采用氣密性金屬外殼結構，經適當表面處理，減少霉菌等營養物質污染；保持內部空氣清潔干燥，使相對濕度小于60 %，不利于有害微生物生長繁殖；廣告牌箱體孔洞部位封裝金屬網，阻擋細小昆蟲或蛇鼠等動物的破壞。

2）防潮、防腐蝕設計：外殼頂部平滑流線型設計，避免凹槽，條件允許的情況下，還可進行憎水處理、浸漬處理，防止積水淤積導致腐蝕；在制作塑料、橡膠部件中添加防老化劑、防霉劑等；外殼與開關、電纜插座頭等部件采取密封措施。

3）防塵、防雨、防太陽輻射設計：LED燈箱外殼結構盡量簡單、光滑且合理，布置足夠多的排水孔，及時處理積水；使用材料保證足夠的剛度跟硬度，選擇耐腐蝕的金屬材料和耐老化的非金屬材料，以承受氣流沖擊、雨水、冰雹沙塵等侵蝕；涂刷有機絕緣漆覆層或金屬覆蓋層，主要通過電鍍、化學鍍、熱噴鍍等, 常用的金屬鍍層有鋅、鎳、鉻等鍍層[6]。

4）抗震動、抗沖擊設計：增強結構的強度、剛度；采取局部加強，部件連接處、承接處安裝加緊固件，必要時加裝減震器。

5）設置監控設備：一方面可配合管理機構時時監控安保、交通狀況，另一方面供用戶對廣告牌使用情況進行監管，及時修繕[7]。

3 效益分析

圖4 電源感應切換系統圖

圖5 環境亮度感應調節系統圖

表1 污染物減排計算（單位：kg）

3.1 經濟效益分析

LED（Light Emitting Diode）是冷光源，跟傳統燈具相比，同等亮度的情況下，散熱量、耗電量小；作為固態半導體器件，更堅固牢靠，損壞率低，使用壽命長，人工維修費用低；同時LED燈不僅色彩豐富，宣傳效果好，而且綠色無污染，絕大多數可以回收二次利用，符合節能減排的發展要求。

現擬采用環境適應性太陽能LED廣告牌實際功率為10 W，輸出電壓為12 V。據經驗計算，1.8 W的LED燈亮度相當于20 W日光燈水平，所以該裝置亮度相當于110 W日光燈亮度，假定每塊LED廣告牌18 h常亮，則單日節約電量為1.8 kW·h。

目前，市面上145×145×2.5 mm的A級多晶硅光伏電板工作電壓12 V，輸出功率3 W，售價20元，3塊一組取10組，光伏電板成本為600元。若光伏電板每日工作時間10 h，單日蓄電量達0.9 kW·h，用戶一年可減少電費支出約為611.1元。

3.2 環境效益分析

依據國家標準火力發電技術要求，國家統計局每發一度電消耗0.404 kg標準煤，該裝置一年節約標準煤量為398.1 kg。按照每燃燒1 t標準煤排放二氧化碳約2.6 t，二氧化硫約24 kg，氮氧化物約7 kg的污染物減排計算，該環境適應性太陽能廣告牌的節能減排效果如表1所示。

單個裝置一年節約電費支出611.1元，節約標準煤398.1 kg，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放量大大降低，對溫室效應、酸雨、水體富營養化等環境污染現狀的改善起到關鍵作用，成批量使用的收益更為可觀，無論是從經濟效益還是環境效益來看，該環境適應性太陽能廣告牌確實具有節能減排、高效環保的使用特點。

4 應用與展望

采用階梯形光伏電板，太陽能電源部分可活動角度實現最大化，確保任一光伏電板都可調節到與當時環境的太陽直射角垂直，極大地提高了單位面積內對太陽光能的吸收量，達到對太陽光能的充分利用。電源感應切換調節系統、環境亮度感應調節系統的雙系統智能控制下，實時監測太陽能蓄電池的工作狀態，自動選擇合適電源以節約電能；隨外界環境亮度自適應調節LED廣告牌亮度，合理利用能源的同時宣傳效果顯著。相應的外觀結構設計，如防生物侵害設計、防潮防腐蝕設計、防塵防雨防太陽輻射設計等，增強了系統自身耐環境應力的能力，從結構、工藝、材料等方面實現環境適應性目標。

綜合來看，該系統緊緊圍繞環境適應性這一主題，具有高效節能環保，適用范圍廣，太陽能儲蓄、轉化、供電三位一體，可控性強，適用于各種商業場所、公共景點等特點，非常符合21世紀科技發展新潮流，為可持續發展做出了貢獻。

[1]王東,姚敏茹,王丹,等.并網式LED環保廣告牌供電系統設計[J].電子世界, 2013（17）：155-156.

[2]王丹,姚敏茹,王東,等.并網式LED廣告牌設計與分析[J].價值工程, 2013（27）：41-43.

[3]劉洋.獨立自動跟蹤太陽能供電系統在照明設備中的應用[J].電子科技, 2013（10）：41.

[4]劉晶晶,花燚,廖長榮.基于單片機的太陽能光伏發電自動跟蹤控制系統設計[J]. 黑龍江科技信息, 2016,(31):73.

[5]熊長武. 裝備環境適應性設計思想變革與實踐[J]. 裝備環境工程, 2014,(02):20-25.

[6] 張仁群,岳濤.大型電子系統顯示控制臺環境適應性設計[J].環境技術, 2011,35(4): 22-24.

[7] 翟瑋. 機載電子設備環境適應性設計[J]. 電子機械工程, 2012, 28(5): 7-10.

Design and Analysis on Environment Adaptive Solar Billboard

LIU Yu-ling, CAO Qian, ZHOU Hang, ZHANG Zhi-gang, TAN Guang-hui
(Zhounan High School, Changsha 410201)

A new environment adaptive solar billboard adopting ladder type photovoltaic panels for the LED billboard power supply and combing switch power supply induction system, environmental brightness induction control system and related environmental adaptability design are investigated and analyzed. The device can be used to switch the power supply of the solar battery and the power supply of the city, to automatically adjust the brightness of the billboard, and to prevent the damage from biology and moisture corrosion to satisfy the requirement of environmental. The theoretical research shows that system has the characteristics of intelligence, humanization, economic energy-saving, and stable working condition, which is worthy of promotion and application.

environment adaptive; ladder type photovoltaic panels; power switch; brightness control

TH122

A

1004-7204（2017）02-0037-04

張志剛（1982-），男（漢族），湖南長沙人，周南中學，本科，教師，研究方向：通用技術、能源與環境。