逐日太阳能发电路灯照明系统设计⋆

周亚军 ， 杨汉嵩，刘建秀， 李庆强

（1 黄河科技学院 河南郑州 450002； 2 郑州轻工业学院 河南郑州 450002）

0 引言

现今太阳能用于发电主要有两种方式：一种是光→热→电的转换，另一种比较直接的方式是光→电的转换，即光伏发电。日常生活中提到的煤和石油等化石能源追根溯源也属于太阳能，是光—化学能转换的一种，但此过程由于十分漫长，且被认为是不可再生的能源。又因为现今能源紧张的问题，所以直接且快捷的太阳能发电技术越来越受到各国的重视。

光→电转换使用的是太阳能电池板。电池板的种类主要有4种，分别为单晶硅、多晶硅、非晶硅和化学染料电池板，考虑到路灯受风力的影响，选用转化率最高的单晶硅，以减少其使用面积，但单晶硅的提纯需要很高的成本。

1 逐日太阳能路灯的工作原理

本系统利用步进电机单轴跟踪方式完成逐日的功能，尽可能多的吸收太阳能并转化为电能储存到蓄电池中，以备在晚上供路灯照明和系统控制使用。其中系统主要受控于时间和日光的强弱，电光源为LED灯，采用LED灯作为路灯的光源，因为LED的特点是发光效率高，耗电量小，使用寿命长，工作温度低。相比于其他光源，可在同等亮度下更少的使用电量。利用光敏电阻感知日光的强弱，由单片机充当核心控制器。

系统总体设计思路如图1所示。光电转换元件将太阳能转化为电能，经过变换电路，将其所发出的电能转换成适于蓄电池充电的稳定电压，充到蓄电池中；蓄电池的端电压经过比较电路，发出信号给单片机，控制器据此信号控制变换电路，对蓄电池的充放电进行控制，达到保护蓄电池的目的；蓄电池为照明灯提供电能，控制器控制蓄电池对照明灯的供电时间；太阳光敏传感器将太阳光信号采集回来，发送给控制器，控制器据此信号控制电动机转动，电动机带动太阳能电池转动，达到跟踪太阳的目的。

图1 系统总体设计思路图

太阳能板的转动是通过光强和入射角度两方面来检测的。两者检测的方法基本相同，主要是把光敏电阻连入电桥，通过光敏电阻感光后发生的电阻变化使电桥臂电压发生变化。然后通过比较器（LM393）比较电压后（输出0或+5 V），通过单片机判断其高低电平得出检测结果，做相应控制动作 。

电机采用的是步进电机，由单片机以软件环分的方式产生四相脉冲（据电机而定），以方便电机旋转角度的精确控制。驱动器采用常见的驱动芯片ULN2003(500mA/50V)，也可以调换更高功率的驱动器。因为未进行电灯钢架结构、电池板托架结构和转动装置结构的设计，加之各地区最高风力不同，所以无法确定电机的具体功率及型号，但是一般而言，西北需要的功率较大，中原地带需要的功率小一些。

充放电的控制对蓄电池的寿命有很大的影响，为保证要蓄电池的充放电不能过冲和过放。又因为蓄电池的电压与其电量有一定的关系，所以可通过对比电池的放电曲线检测电压来间接控制电量。检测方法也是应用电桥和电压比较器，保证电压在11 V到14 V之间变化，标准电压为12 V。

测定的光线强弱和不同的时间段结果，由单片机分析后做出判断，决定路灯是否通电。其中路灯开关、蓄电池充放电开关和电机电源开关都是依靠三极管来控制的。

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。倾角根据不同地区的纬度应略有不同，因为冬季日照时间比较短，如果冬季系统收集电量能维持正常工作，则其他季节也可正常工作，故太阳能电池板只需与冬季的日光垂直即可。这也正是为什么逐日路灯不需用双轴进行跟踪的原因，一般双轴用于并网发电，当产电过剩时可以把多余的电能供给电网。

系统总设计电路图如图2所示。其中，J1是太阳能电池板接口，J2是蓄电池接口，太阳能电池发出的电能经过由7812组成的稳压电路为蓄电池充电。7805将蓄电池电压稳定到+5 V,为系统提供电源。

图2 逐日太阳能发电路灯照明系统电路图

U3为用于判定蓄电池是否工作在正常电压范围内的电压比较器LM393，其两个运放的反相输入端均接+5 V的基准电压。R8、R9、R10、R11为分压电阻，将蓄电池端电压进行比例缩小接到U3的两个同相输入端上，其中R8:R9=9:5，R10:R11=6:5，当蓄电池端电压高于上限14 V时，比较器输出端1输出高电平给单片机P1.7口，单片机根据此信号控制NPN1开关三极管断开，停止对蓄电池充电，达到了防止蓄电池过充电保护的目的；当蓄电池端电压低于其下限值11 V时，比较器输出端2输出低电平给单片机P1.6口，单片机根据此信号控制NPN2开关三极管断开，蓄电池停止对照明灯供电，达到了防止蓄电池过放电保护的目的。

R1、R2、R3为光敏电阻，其中R3是用于检测光强是否可以利用。稳压管为U6的电压比较器同相输入端IN B+提供电压做比较电压。当光强达到一定值后，R3阻值也将减小到一定值，经过分压电路接入芯片U6的反相输入端的电压将大于稳压管提供给同相输入端的电压，这时U6的输出端OUT B输出低电平给单片机P1.5口，单片机根据此信号决定开始进行太阳跟踪，否则不跟踪。R1和R2用于检测太阳光偏差信号，它们与太阳能电池固定在一起，太阳能电池正对太阳时，R1的阻值小于R2的阻值，因此经过分压电路接入芯片U6的电压比较器A的反相输入端的电压大于同相输入端的电压，比较器1输出低电平。太阳自东向西运动，与太阳能电池偏离一定角度后，R1的阻值大于R2的阻值，因此经过分压电路接入芯片U6的电压比较器A的反相输入端的电压小于同相输入端的电压，比较器1输出高电平，单片机P1.4口接收到高电平信号后，控制步进电机带动太阳能电池向西旋转，直到检测P1.4口为低电平为止。

J3为照明灯接口，NPN2为控制照明灯的开关，单片机通过时间芯片定时程序控制照明时间。

2 软件设计

C51单片机可以用汇编语言和C语言进行编程，汇编语言与机器指令一一对应，所以用汇编语言编写的程序在单片机里运行起来效率高，但是编程难度高，而且不易理解。C语言程序可读性高，更便于理解，本设计使用C语言编程。

主程序流程图如图3所示，第一次上电，系统进行初始化，系统进入循环状态。程序不断检测单片机输入I/O口状态，如果发现定时时间到了，则执行相应的子程序；如果发现光强足够发电信号和偏差信号都为真，则调用子程序步进电机正转一步；如果发现蓄电池电压过高或过低信号为真，则控制相应的开关三极管断开。

当白天对太阳自西向东跟踪结束后，需要把太阳能电池板转回初始位置，等待次日重新自西向东对太阳进行跟踪，这就需要定时程序。对照明时间进行控制也需要定时程序，可以保证系统以24 h为周期循环工作。基于DS1302时间芯片的时间程序如附录。在此要说明的是，可以把时间芯片安装上电池制作成可插拔的模块形式，这样就使得调试更方便，并可节省按键和显示部件的费用，最主要的是可以提高系统的稳定性。

图3 逐日太阳能发电路灯照明系统主程序流程图

步进电动机有3种工作方式。以三相步进电机为例，如果步进电机按A、B、C、A顺序循环通电工作，就称这种工作方式为单三拍工作方式。其中“单”是指每次只对一相通电；“三拍”指的是磁场旋转一周需要变相通电3次，这时转子转动一个齿距角。如果步进电机按AB、BC、CA顺序循环通电工作，则称这种工作方式为双三拍工作方式。这里的“双”是指每次给两相通电，磁场旋转一周也需要变相通电3次，与单三拍的步距角相同，由于每次要对两相通电，所以耗电量大，但获得的电磁转矩也大，不易产生失步。如果步进电机按A、AB、B、BC、C、CA顺序循环通电，就称这种工作方式为六拍工作方式。此种方式磁场旋转一周需要通六次电，步距角比三拍时小一半，所以精度高一倍。

本设计采用四相步进电机的八拍工作方式。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、BA；

程序开始时，初始化正反转编码如下

uchar code FFW[8]={0x1f,0x3f,0x2f,0x6f,0x4f,0xcf,0x

3 实测数据及结论

采用跟踪太阳的方式可以提高太阳能利用率27%，所储能量可以使供电延长3个小时，设计中以AT89S52单片机为控制器，步进电机为执行机构，光敏电阻为传感器的闭环控制系统，结构简单，控制灵敏度高，实时性好，而且成本很低。采用C语言编程，可读性好，简单易懂。

目前从实验结果看，变换电路使用稳压芯片，其缺点在于不能进行最大功率点跟踪，有部分电能浪费。

如果把控制电路各个部分都涉及成可插拔的模块，这样不仅方便日后的维修，还可以对系统或程序进行升级换代。希望在不久的将来，光伏产品广泛应用在我们的生活中。这也是我们下一步想进行的工作。

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