高速公路太阳能路灯的逐日系统设计

　　摘要：高速公路采用太阳能路灯是一种安全节能的解决方案，但是存在冬季白天光照不足,蓄电池蓄能偏少，导致夜间照明时间过短的问题，因此需要提高太阳能的利用率。如果太阳能集光板尽量保持与入射太阳光线垂直，可以明显提高发电效率。采用数字光强检测模块和步进电机及驱动模块，设计太阳能路灯集光板的逐日系统，实现对太阳光强的自动检测，使太阳光基本垂直入射到太阳能集光板上，提高了光伏转化效率，延长了照明时间。

　　关键词：光伏发电;逐日系统;步进电机

　　0引言

　　高速公路所用路灯以太阳光为能源，白天给蓄电池充电，夜间由蓄电池供电，省去了复杂的管线铺设，同时布局可以任意调整,安全节能，是一种科学合理的新能源照明解决方案。然而这一方案对太阳能的利用仍有各种不足的地方，其中最突出的问题是在提高太阳能的利用率上。目前的太阳能路灯的照明时间一般在8~14h,冬季由于白天日照时间短，所以夜间照明时间大多只能保持在8h左右，相对于北方大部分地区所需要的夜间照明时间10~12h,还存在明显差距。

　　当前常用的太阳能集光板对太阳能的转化效率大概在35%左右。通过对太阳运行的规律分析可以发现，在不同时刻和角度，太阳发射到地球上的能量的强度都是不同的，太阳能集光板接收太阳能的效率与太阳光的入射角度息息相关，受光面是否垂直于太阳,对能量的接收率影响很大。如果能够自动调整太阳能集光板的角度进行追日，将大大提高接收率,进而提高发电效果，延长路灯的夜间照明时间3〕。为了实现这一目标，最有效的途径就是使用逐日系统，使太阳光始终保持垂直照射到太阳能集光板上，充分接收太阳能,提高光能利用水平。

　　研究表明，相同条件下，安装逐日系统的发电装置比集光板固定安装的发电量要提高35%左右。为此，本文采用数字光强检测模块和步进电机设计的逐日系统,实现了对太阳光强的自动检测，使阳光始终保持基本垂直入射到太阳能集光板上，提高了光伏转化效率涎长了太阳能路灯的照明时间。

　　1硬件设计

　　目前的太阳能逐日系统主要有2种方案可以选择,分别是程序控制式和光电跟踪式。其中程序控制式是指根据对太阳运行轨迹进行分析,通过天文学公式的运算,计算出具体地点的某一时刻太阳的高度角与方向角,以此来调整太阳能集光板的角度，使之能够实现与太阳光照垂直,实现太阳能集光板逐日的目的,这种方式需要通过大量的运算,对控制器硬件要求较高，优点是不受天气的影响，完全自主地完成跟踪，但是可能会因计算而产生较大的误差，需要定时进行校准，否则会影响精度。为适应高度角和方向角的变化,这一系统需要双轴跟踪,同时调整水平倾角和垂直倾角,因此一般在大规模太阳能发电系统中使用"。高速公路路灯所用的太阳能发电系统属于小型系统,适合采用另外一种跟踪方案—光电式跟踪系统。

　　该系统使用光强传感器来检测太阳的位置，根据检测结果来调整太阳能集光板的角度，当太阳发生偏转时，光强传感器受光面积不同,接收将产生并输出与光照面积成正比的数字量，交由单片机作为偏差信号,驱动机械跟踪机构,调整水平角度,使集光板的受光面与太阳光接近于垂宜，完成太阳水平方向的自动跟踪。为了尽量提高太阳能电池集光板接收到太阳辐射能,对与垂直最佳倾角的设定应根据不同地区的纬度有所不同，鉴于冬季日照时间较短,如冬季时集光板收集的电量可以正常工作，那么其他季节自然也可以正常工作,故此集光板倾角只需与冬季的日光角度垂直即可，这也正是路灯的逐日系统不需要使用双轴跟踪的原因"列O本文所用的跟踪方式为光电式跟踪，系统硬件主要由光强传感器模块、单片机、步进电机、电机驱动模块等组成。

　　本文通过光强传感器来检测太阳的方位，传感器将太阳光强转换为数字后送单片机进行处理,经程序中预设的比较值，来输出脉冲信号,经过电机驱动模块驱动步进电机,实现比较精确的角度偏转。太阳能逐日系统要求光强检测模块能够比较精确地判断光照强度差别，对光强传感器的灵敏度有较高的要求，同时也要满足小巧灵活,容易操作等多种要求,通过对各种光强传感器的比较,本文最后选择了数字光强检测模块GY-30。GY-30采用了BH1750FVI芯片，功能强大，适用于太阳光的检测。H1750FVI芯片的供电电压在3~5V,所能测量的光照度范围在0~65535lx;由于芯片内置16bitAD转换器，可以进行直接数字输出，省略了复杂的计算和标定的过程;其测试性能可以接近于视觉灵敏度的分光特性。VCC为供电电源,SCL为I2C总线时钟引脚,SDA为I2C总线数据引脚，ADDRBH1750为I2C设备地址引脚,GND为接地引脚。

　　GY-30模块的SDA,SCL引脚与单片机的P0.0和P0.1引脚直接相连，将GY-30产生的数字光信号直接传输到单片机中进行处理。单片机选用STC12C5A60S2,功耗低、抗干扰强，指令代码与传统8051完全兼容，但速度快8~12倍。内部集成MAX810复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。由于本文的控制对象为步进电机,需要精确控制步进电机的旋转角度，对运行速度和抗干扰能力要求较高,适合采用此款单片机。本文的驱动部件选用步进电机，步进电机又称脉冲电动机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

　　步进电机的运行主要受脉冲信号的频率和脉冲个数的控制，与负载变化无关。脉冲频率和脉冲个数分别控制步进电机的转速和转动角度，接收的脉冲信号驱动步进电机按照设定的旋转方向转过1个固定的角度(步距角)。步进电机的旋转是通过固定旋转角度逐个累进的，可以改变控制脉冲的个数来调节角位移，从而准确定位，也可以改变脉冲频率来调节电机转速和加速度9呵。本文选用的是28BYJ-48五线四相步进电机,其电压为DC5-12V,对步进电机施加连续的控制脉冲时，可促使其连续转动。每1个脉冲信号对应步进电机的绕组的通电状态改变1次，同时转子转过一定角度(步距角)。当通电状态的改变完成1个循环，转子转过1个齿距。本文采用的是四相步进电机的8拍工作方式。其正反转程序如下：正转:A,AB,B,BC,C,CD,D,DA;反转:A,AD,D,DC,C,CB,B,BAO由于单片机的驱动力不足，需要使用电机驱动芯片ULN2003A进行放大后与步进电机相连。

　　2软件流程

　　系统工作流程如下:当电源打开后，首先进行初始化,由单片机分配地址单元,初始化各个端口，打开总中断，系统初始化，初始化串口，设置波特率等,设置当前状态位。当系统开始运行时,2个光强传感器开始接收阳光光强数据，由单片机对接收的光强数据进行比较。当左边光敏元件检测出的数值较大的话，电机驱动控制步进电机向左方转动1个角度,当右边光敏元件检测出的数值较大的话,电机驱动控制步进电机向右方转动1个角度。30s过后,再重新比较2个数据的大小，重新判断转动的方向。

　　2个光强值的差值在一定范围内，即可认为相等，关闭系统，停止运行。5min后，重复以上过程。系统基本流程如图5所示。本文将各个分模块的处理函数分别写入对应子程序中，通过主程序调用的方式实现函数的功能。主程序根据逐日系统主流程图编写，主程序中调用了系统初始化函数Sys_Init()函数,用于在开机时初始化串口与设置波特率。因系统实时运行，所以将电机驱动函数放置到while循环中，由RefreshBhl750()函数读取数字光强检测模块的光强信号,通过对光强信号的判读函数，驱动电机转动。

　　3结论

　　本文进行了高速公路太阳能路灯的逐日系统设计,与传统固定方式比较,所用方案能够提高太阳能利用率约30%左右,所收集的电量可以延长供电时间2.5h以上。设计方案以光电传感器为信息采集端，以STC12C5A60S2单片机作为核心，步进电机作为执行机构的逐日系统,整体结构简单,灵敏度高,经济实用,在测试实验中取得了较为理想的结果，非常适合高速公路路灯这样小型太阳能发电装置使用。

　　参考文献

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　　电子论文投稿刊物：《电子设计工程》是1993年创刊，原名《国外电子元器件》，主要介绍具有较高学术水平的、电子领域相关的理论、技术、方法的专业性技术期刊。国内刊号CN：61-1477/TN，国际刊号ISSN：1674-6236。主要介绍当前比较先进的国内外电子技术、元器件技术及其应用的科学技术类期刊，主要囊括电源技术应用、工业自动化、网络与通信工程、测控与仪器仪表、图像与多媒体技术、汽车电子、消费类电子、嵌入式系统、信息安全以及计算机应用等领域。