基于太陽能發電的新型電子信息宣傳欄的設計

丁伊博，蔡艦洋，屈靖怡

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著社會的不斷進步，節約能源和保護環境已經成為人們行事的準則之一。各行各業電子信息材料代替傳統的紙質材料已成為時代的潮流。由于傳統宣傳欄需要浪費大量紙張，不符合可持續發展的基本要求。同時在觀感上，相較于電子宣傳欄而言，傳統宣傳欄不滿足人們的觀感需求，因此逐漸被電子宣傳欄所替代。

電子宣傳欄造型美觀、內容豐富，政府機構可以利用電子宣傳欄來宣傳國家政策和民政信息，社區等公共場所也可以進行相關通知的發布。除了用于投放傳統的公共信息之外，宣傳欄還加入了廣告宣傳功能，商家可以自行購買使用權，從而完成小眾信息的傳播，促進了宣傳欄功能實現多樣化。但現有的電子宣傳欄結構單一，大多安裝在室外，容易粘附灰塵，人工清潔較為困難，并且經過長時間的陽光照射，電子顯示屏遭到陽光的侵蝕，影響人們的觀看和信息傳播效果。本文將介紹一種新型太陽能電子信息宣傳欄，通過太陽能發電，同時借助太陽能電池儲存的能源進行自動清潔，節省了人力，符合新時代可持續發展的主題。

1 太陽能電子信息宣傳欄供電裝置系統

1.1 太陽能電池板的工作原理

太陽能電池板是為整個系統提供能源供給的重要組成部分，其本質是一個大型的P-N 結。當太陽光照射到太陽能電池板的表面，在其內部能夠形成由空穴和電子進行擴散引發的電場。此時，大量的光子進入到P-N 結當中，在不斷運動的過程中形成電子對和空穴對。內部的電子和空穴會反向移動，在太陽能電池板的兩側產生電壓差[1]。在形成電壓差的情況下，將負載接在電池兩側的電極，便可持續產生直流電，從而實現了太陽能向電能的轉換。這個過程充分利用了清潔能源——太陽能，減少了對人工供電的消耗，實現了資源的充分利用。

因為太陽能電池板輸出的電壓易受到外界環境的影響，無論溫度、濕度還是空氣中所含有的各種雜質微粒，都會對其產生很大影響，所以太陽能電池板產生的電壓相較而言是不穩定的，輸出的電流密度大約為21～25 mA/cm2。單個太陽能電池板所發出的直流電壓大約為0.5 V，不能滿足屏幕顯示的供電要求，因此通過串并聯將太陽能電池板組合起來使用能夠加大供電電池的輸出電壓，滿足供電器件的電能要求。P-N 結原理見圖1。

圖1 P-N 結原理圖

1.2 供電電池的選型

秉持著節約能源的理念，本裝置在設計中采用多晶硅太陽能電池進行供電，此類電池的光電轉換效率相對較高。多晶硅太陽能電池主體采用鋼化玻璃制成，其透光率可達90%，極大程度地提高了光能的轉化率。太陽能電池的激活層采用晶體硅層，既能在成本上做到最大限度的節約，又能使晶體硅太陽能電池的穩定性得到保證。多晶硅太陽能電池相較于單晶硅太陽能電池，透光性更強，能夠在光電轉換的過程中更加滿足經濟性需求，適用于產品的加工制造[2]。

1.3 光伏控制器的選型

在發電系統中，高速CPU 微處理器和高精度模數（A/D） 轉換器是光伏控制器的主要組成部分。通過光伏控制器能夠對電池方陣進行控制，從而實現蓄電池為太陽能逆變器負載供電的自動控制[3]，省去了人工對電池充電及更換的過程，極大程度地提高了電能供給的傳遞效率。光伏控制器不僅能夠快速采集光伏系統工作狀態信息，而且為評估光伏系統的合理性提供了準確的依據。除此之外，光伏控制器還能夠傳輸通信數據，對系統子站進行集中的管理控制，實現了高效化的信息轉換[4]。

1.4 遮陽板選材

為了將裝置更加穩固的連接，選用遮陽板來固定裝置的太陽能電池板和光伏控制器。同時，能夠減少太陽光對裝置其他部分的影響，調整太陽光的照射程度，起到較好的降溫作用。隨著人們對遮陽板要求的不斷提高，材料方面主要為塑料、發泡聚丙烯（Expanded Polypropylene，EPP） 材料、聚氨酯（Polyurethane，PU） 發泡材料、紙板材料等，但這些都是傳統遮陽板的材料，已經無法滿足現代生產的要求。隨著科技的發展，目前已經出現了一種汽車液晶遮陽板，但成本價格相較于其他材質而言過高，大多數城市不適用。從綜合角度來看，本文選擇EPP 作為遮陽板的加工材料。

EPP 是一種高結晶型聚合物復合材料，因其具有環保、抗壓、緩沖、隔熱等功能，從而成為人們在產品加工時的首選材料。EPP 最大的特點在于其密度相對較低，可以很大程度上減輕遮陽板的質量，方便加工成品的運輸。利用EPP 加工的產品具有抗震吸能性、耐熱性、耐化學品性、發生形變后恢復率高等優點。EPP 材質的各種指標特性見表1。

表1 EPP 材質的指標特性

2 太陽能電子信息宣傳欄屏幕顯示裝置

為了讓接收者能夠清楚地觀察到宣傳欄中的信息，本裝置采用發光二極管（Light Emitting Diode，LED） 電子顯示屏。LED 電子顯示屏是由數十萬個半導體LED 像素點[5]均勻排列組成，利用不同材料的顏色差異和感電性特質，制造各種LED 像素點，能夠顯示不同的顏色，使電子屏幕的視覺觀看效果最優化，兼具顯示文字、圖形、視頻、信號等各種信息的強大功能。

顯示屏是由數個可組合拼接的顯示單元板構成，顯示單元板的串并聯結合保證了圖像信息的完整顯示，相較于傳統的整體式顯示板，經濟效益更加突顯。主控電路將顯示數據存儲到幀存儲器，同時又輸送到數據分配電路，實現了信號高效同步化傳輸。顯示數據通過數據分配電路送到LED 驅動電路，從而在LED 屏幕上顯示圖像信息，達到最快的信息可視化呈現。本文采用PH16 戶外LED 顯示屏，性能參數見表2。

表2 LED 顯示屏指標推薦參數

3 太陽能電子信息宣傳欄控制系統

3.1 太陽能發電組件控制系統的構成

太陽能發電組件控制系統主要由蓄電池、顯示屏、光伏電池組件、上位機和控制器5 個部分構成，其結構見第72 頁圖2。光伏電池能夠將太陽能轉化為電能，其中一部分儲存在蓄電池中，作為裝置運行能源供給，而另一部分可以直接為控制器和負載供電，實現了能源的雙向同步利用。上位機部分通過以太網與電子顯示屏通信，利用高效的信息傳輸，進行監控和故障診斷，以便于系統的保護和維修。控制器是整個系統的核心，能夠實現最大功率跟蹤點算法和電子顯示屏的驅動等功能。

圖2 新型太陽能電子宣傳欄控制系統結構圖

3.2 清潔控制系統的工作原理

在清潔控制系統中，為了能夠實現清潔棉連接部分的上下運動，因此采用了電磁鐵吸合的方式。在不需要清潔時，通過外加電壓的作用，電磁鐵能夠強力吸合，實現裝置的待機準備；當裝置開始工作時，通過拉動手柄（控制開關） 斷開控制電路，清潔棉則隨著移動板在外加彈簧的作用下，進行上下往復的運動[6]，對宣傳欄進行清潔；當工作一段時間后，隨著彈簧的彈性形變完全恢復，磁鐵則再次吸合，完成清潔的工作。電磁鐵與供電系統和顯示屏共同組成電子宣傳欄，電子信息宣傳欄模型見圖3。

圖3 電子信息宣傳欄模型圖

3.3 LED 顯示屏控制電路的運行

LED 顯示屏包括控制系統和顯示系統兩部分。本文將MCS-51 單片機作為控制微處理機。控制系統包括了單片機的程序存儲器、數據存儲器以及數據通信的串行接口或并行接口、LED 顯示的掃描電路等[7]。顯示電路包括LED 功率驅動電路和數據移位鎖存[8]。本文采用數據移位鎖存和功率驅動集成的芯片TPIC6595，每個輸出端口通過150 mA 的電流，滿足LED 顯示屏的要求，圖4 為MCS-51 單片機引腳圖。

圖4 MCS-51 單片機引腳圖

運用16 行點陣顯示屏，以1/16 掃描的方法進行分析。在單片機系統中，把輸出口的低4 位作為掃描行進行輸出，經過線路轉換來選通掃描行驅動晶體管。將掃描的數據寫入并串轉換集成電路74HC589， 串行送出給串并轉換集成電路TPIC6595，完成一行數據后，鎖存數據并選通行掃描晶體管。在下一次進入掃描中斷程序時，能夠掃描下一行的數據。由TPIC6595 和74HC589 數據移位信號的特點可知，兩種芯片都是時鐘上升沿觸發移位，可以把TPIC6595 的時鐘信號反相后作為74HC589 的移位脈沖，74HC589 送出數據時利用時鐘脈沖的下降沿移位，而TPIC6595 接收數據時 利用時鐘脈沖的上升沿移位，從而實現了對大于16 行的顯示系統進行掃描顯示。

4 太陽能電子信息宣傳欄前景分析

4.1 經濟效益

新型太陽能電子信息宣傳欄采用太陽能電池板與蓄電池配合的方式為電子顯示屏提供電力支持，可以有效解決裝置使用時的用電能耗，降低宣傳欄的經濟成本。同時此裝置安裝有清潔結構，該結構可清潔電子顯示屏表面的灰塵，避免顯示屏粘附灰塵影響宣傳效果，節省了人工清潔費用。采用的多晶硅太陽能電池是目前應用最廣的太陽能電池，在生產成本和使用性能上具有較大優勢。

4.2 適用場所

新型太陽能電子信息宣傳欄采用太陽能發電[1]，節省了開支以及人力資源消耗的成本，同時解決了因供電和電路接觸不良等原因斷電造成的電子信息宣傳欄的信息傳播失效等問題。不僅能夠為政府機關以及城鎮社區提供便利的信息宣傳途徑，還適合企業的廣告投放，實現人人共享的信息傳播鏈。同時，為響應國家節能減排的號召，這種宣傳欄能夠配合許多節能環保宣傳活動一起出現在人們的視野中，向市民宣傳可持續發展的意識，共同保護人類的家園。

4.3 市場競爭力

目前，市場上的宣傳欄大多數為傳統宣傳欄，無法滿足信息的及時更替，同時浪費大量紙張用于打印宣傳信息，在市場上不具備強大的競爭力。即使有電子宣傳欄的存在，由于宣傳欄的顯示屏過大，需要24 h 維持供電，電力消耗巨大，同時需要匹配相應的工人進行定期的清潔，不滿足低耗節能的基本原則。新型太陽能電子信息宣傳欄克服了以上兩個缺點，不僅無需進行紙張替換，而且減少了電能的消耗以及實現了宣傳欄自動清潔，符合低碳生活的標準，使產品本身在市場中更加具有競爭力。

5 結束語

本文通過分析新型太陽能電子信息宣傳欄的工作原理，提出了將太陽能與電子宣傳欄相結合的產品設計理念。通過利用太陽能進行電能的供給，并設計自動清潔功能，完成了對傳統宣傳欄的改進，為人們的生活和信息的傳播提供了極大的便利。