光伏體育館智能照明系統的設計

曹大瑞 滕 騰

（徐州工程學院，江蘇 徐州 221111）

0 引言

2020年9月中國向全球宣誓，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。2021年12月31日，工信部、住建部、交通運輸部、農業農村部、國家能源局聯合下發了《智能光伏產業創新發展行動計劃（2021—2025年）》的通知提出，發展智能光伏建筑、智能光伏農業、智能光伏鄉村建設。因此，清潔可再生的太陽能研究已成為各國發展研究的一個重要問題，而分布式智能光伏發電，將成為太陽能光伏研究領域的一個重要課題。

傳統的光伏發電與體育館結合，自然光利用率差。本系統的設計將體育館自然采光與光伏發電結合在一起，打破傳統太陽能板位置固定短處，通過光照度傳感模塊對環境光照強度進行數據采集，同時根據光照強度調節太陽能電池板的位置，實現了光伏發電與體育館照明的智能化。

1 總體設計

本設計將光伏發電和體育館有機結合。太陽能電池板發電為整個系統的正常工作供電，由于用太陽能發電的電壓和電流不穩定，利用三端穩壓器進行穩壓然后給蓄電池充電。防止連續陰雨天氣系統不能正常工作，此系統需連接220 V市電補償電壓。該系統通過光強傳感器和溫度傳感器將接收光強信號和溫度信號傳送STC89C52RC芯片控制系統進行反饋，并通過液晶顯示屏顯示，外界可以實時監控。同時系統還控制舵機控制太陽能電池板的狀態，光強較強時，系統控制太陽能電池板平鋪遮光；光強較弱時，系統控制太陽能電池板抬起漏光；光強非常弱時，不僅太陽能電池板抬起而且補光燈也會亮起。除了智能控制外，還可以人工控制。系統組織結構圖如圖1所示。

圖1 系統組織結構圖

2 具體設計

2.1 智能系統的供電

智能系統的供電是由太陽能發電系統供應的，所用單晶硅太陽能電池板規格是450 W、2 120×1 052×40 mm，太陽能電池組件的轉化效率是20.5%。

太陽能電池所發的電量主要用于整個系統的正常運作、舵機工作和補光燈的照明。

2.2 主控模塊的設計

主控模塊由主控芯片、時鐘控制電路、復位中斷電路、電源等組成。電源電路用來供電，電路圖如圖2所示。

圖2 單片機最小系統設計圖

2.3 顯示模塊設計

顯示模塊主要由LCD1602液晶顯示構成，本設計對于顯示方面的要求不是非常高，只要能夠顯示系統的光照和溫度即可。LCD16021是字符型的顯示液晶屏，顯示數字和字母都是比較非常方便的，除此LCD16021成本和功耗都非常低，而且易于控制，是再合適不過的選擇。

2.4 光感模塊設計

2.4.1 PCF8591 A/D采樣電路設計

PCF8591需要單獨供電，受外界影響較少，功耗較少。

2.4.2 補光燈電路設計

在這里補光燈主要運用的是LED燈，LED是一種注入型電致發光器件，它由P型和N型半導體組合而成。發光機理可分為PN結注入發光與異質結發光兩種類型。

2.5 升壓模塊設計

升壓裝置選擇的是外國的高性能芯片即主要是DC-DC升壓模塊，其質量遠高于一般選擇。

（1）本模塊采用高性能進口芯片，性能優于一般的模塊。

（2）如果輸進隨意的0.9～5 V范圍內的電壓，都能放出5 V平穩的電壓，其轉換效率最高達96%，相比其他的升壓模塊是相當高的。

（3）工業級溫度范圍：-40℃～85℃。

（4）轉換效率高，最高達96%。

（5）超級小的體積，其尺寸是25 mm×18 mm，經常用于很多微型設備供電。

（6）帶工作指示燈。

2.6 總體硬件電路連接

本設計用STC89C52RC作為控制芯片，用來作為總體控制，用PCF8591和DS18B20作為光照和溫度的輸出信號，將其發送到控制芯片，從而實現舵機和補光燈模塊的執行；LCD1602液晶顯示為整個電路的顯示模塊，可以實時監測溫度和光照，進一步監測大棚內的環境。整體連接圖如圖3所示。

圖3 總體電路連接圖

3 調試結果

在硬件設計基本完成初期，連上電路進行調試的時候，發現太陽能板組不能根據光照強度的大小而發生改變，但是LED補光燈卻能夠有所反應，其原因是，太陽能電池板比較重，舵機電路所需的電壓較大，外在的鋰電池完全負荷不了，于是在硬件方面添加了升壓電路，實現了設計的要求。

4 結語

本設計將體育館采光與光伏發電結合在一起，有效地改善了體育館內的光照，實現了智能化采光與照明。本設計是利用PCF8591光強傳感器和DS18b20溫度傳感器將外界信號傳送給作為控制系統的STC89C52RC芯片進行反饋，通過太陽能電池板組和補光燈的狀態來調節體育館內的光照環境，同時通過液晶顯示屏顯示，使得外界可以實時監控。

本設計通過光照度傳感模塊對環境光照強度進行數據采集，根據系統設定的不同的閾值范圍，太陽能電池板呈現不同的狀態。同時體育館內的環境都可以通過LCD1620進行實時監測。