向日葵式追光智能太阳能路灯设计探讨

李晓诺，王 鑫，周达志，陈佳瑜，李茹婷

（安徽三联学院交通工程学院 安徽 合肥 230601）

0 引言

现如今，“双碳”绿色经济的快速发展已经成为全球首要热点话题。文中所提到的“双碳”即指“碳达峰”和“碳中和”。其中，“碳达峰”是指CO2排放量达到我国有史以来的最高点，将产量趋势由增转为降。“碳中和”是指在规定时间段内，二氧化碳的排放量与二氧化碳的吸收量达到平衡状态。“碳中和”概念的产生是全球能源需求大形势下的产物。

2006年，我国在“十一五”计划纲领中提出节能减排计划，目的是为了淘汰落后且重污染的相关产业，我国石油供给量不足，目前仍然需要进口。但全球油价涨幅不定，我国石油一直受控于欧美各国。为保证我国能源可以安全且高效使用，我国构建出一套自主可控的能源体系，力图大力发展以电力、风力、氢气等清洁能源为核心的新能源产业。2020年，中国首次推出“30·60”计划，力争2030完成“碳达峰”目标、2060完成“碳中和”计划。高碳能源体系向绿色清洁能源体系的整体转移。就现阶段各国能源发展情况来看，关于这次“双碳”计划的能源革命堪比第一次工业革命。现阶段，各能源的使用和发展方向在全球史上将出现一个重要的转折点。

随着大量石油、天然气等化石燃烧大量的开采和使用，导致“温室效应”和全球气候变暖等全球性的气候问题，也产生了酸雨、雾霾等严重的环境污染；同时化石燃料是不可再生资源，随着大量的开采日益枯竭。正因为这些问题日益凸显出来，世界上很多国家开始重视太阳能的开发和利用，地球所接受到的太阳能总量是全球所有国家所需能量的三万倍至四万倍，因此全球对有效利用太阳能这一问题极为重视。以内蒙古为例，内蒙古太阳能资源总量及开发潜力巨大，是大规模发展绿色清洁新能源发电的重要战略资源。太阳能资源总量居全国第二位，仅次于西藏，日照时间2 517～3 277 h，每平方米太阳能辐射量4 800～6 400焦耳，特别是西部阿拉善盟等地的戈壁、沙漠、沙地等地域，太阳能资源尤为丰富。

路灯作为交通设施之一，对我们夜间照明起着非常重要的作用，但是大多数情况下，路灯存在照明度不够、照明时长不充足等问题。据资料显示，太阳能路灯一般于19:00开始照亮，于凌晨3:00停止。而夜晚无路灯照亮期间仍有车辆行驶、行人走动，为道路安全管理带来极大不便。该项目目的是研发一种可360°旋转，具备追光兼聚光功能的太阳能路灯。本文研究的主要方向是增加太阳能电池板对光能量的吸收，提高光能源的利用率，从而有效节约能源，解决太阳能路灯夜晚亮度不够、照亮时间不长等问题。

1 国内外路灯发展情况对比

1.1 国内太阳能路灯市场现状

近年来，人们节能环保的意识逐渐增强，国内太阳能路灯产量一直保持持续增长，太阳能路灯这个新兴行业呈现出较快发展速度。太阳能同风能、生物能等新生能源路灯逐渐引起人们的关注，但光伏转化效果却不理想。因此，提高能量转换效率是新能源发展最重要的，同时也是争相研究的方向。我国高纬度地区众多，其中甘肃、宁夏、新疆和青藏高原等地区的太阳能辐射总量最大，全年平均日照时长可达3 200～3 300 h，等同于225～285 kg标准煤炭的燃烧所产生的光伏电池热量，因此如何合理高效地利用该能源成为当地人们关注的焦点。

1.2 国外太阳能路灯市场现状

太阳能路灯作为新兴产业发展较为迅速，各国在路灯的研发中，将焦点放在了电量供给上。1839年，贝克雷尔发现电势差的现象，即“光生伏打效应”；1954年，恰宾和皮尔松制出单晶硅光伏电池，发明了可实用的光伏发电技术；2004年，Amonix研制出了92倍聚光条件下效率高达27.6%的太阳能背结硅电池；2011年，Solar Junction研发出聚光三结砷化稼电池，该电池在1 000倍聚光条件下效率可以保持在43%；Sandia国家级实验室最早设计研发聚光光伏发电技术，并建成世界上第一座聚光光伏发电阵列[1]。

砷化稼是目前转化率较高的材料，但其价格昂贵，不能广泛推广使用。而提高能量转换效率的同时可广泛应用是新能源材料发展最重要的研究方向，能否通过提高能源收集方式来提高其能量转换效率成为重点研究话题。

2 设计思路

根据现有的资料对路灯进行实地调查，统计居民对路灯的意见和想法，分析当前路灯所存在的不足，并对所产生的问题进行设计规划。计算太阳能电伏板的平均供应量，统计路灯照明的时长，观察太阳能路灯与传统路灯的亮度，再将改良后向日葵式太阳能路灯与传统路灯进行比较 ，对比两者长供电量、照明时长及照射亮度。分析光的折射，确定太阳能电池板凹面的夹角，使光的折射达到最大限度，从而吸收更多的光能，使得电池板将光能转换为电能的能量更多，从而达到增大供电量的目的。

通过网上数据调查，统计归纳出白天各地区的光照时长及光照强度，分析其利弊，思考该路灯是否更适宜该地区使用，太阳能电伏板的追光是否能为该地区提供更多便利，思考改良后的路灯的用处。计算改良后的向日葵式太阳能路灯的供电量，再通过统计调查传统路灯的供电量以及日常太阳能路灯的供电量，计算其差值。

3 设计原理

3.1 太阳能追光设计原理

本项目设计的电路部分以单片机作为核心主板，运用光敏电阻采集光源光线，经电压比较器处理后并将数据传输给单片机，该单片机将处理后的数据再传输给电机驱动系统，最终控制两路电机对水平和垂直方位上电池板的高度进行了调整[2]，见图1。

3.1.1 太阳能板的寻光系统

寻找光源对光电进行检测是本装置的主要部分，该设计为要求太阳能电池板始终对着太阳，则需要4个光敏分别对太阳光进行检测其强弱，光敏分别采用一个垂直于太阳能板模板的平台上进行安装，而其检测的精度则需要通过调节光电检测模板在各种工作环境中的滑动变阻器来完成。其中光电检a对左光线位置进行检测，当光线逐渐远离电池板时a处的检测系统就会发出一个信号，单片机通过这个信号将驱动电机M1转向，从而使电池板跟着光线左转；光电检测b对右边的光线位置进行检测，当光线完全远离电池板时b处检测得到，并将信号传输给单片机信号，单片机驱动电机M1转向使电池板跟着光线向右旋转[3]。同理，光电式检测c、d对于太阳光在垂直方向上的角度变化进行检测，单片机经过进一步的处理之后控制电机M2正、反方向的旋转，进而可以实现电池板在垂直方向上的自动调整，见图2。

电池板垂直方向上的调整电机M2加入一个减速箱使其变化速率减小，避免因变化太快使光电检测误检，否则会导致电池板在垂直方向不停地摆动[4]。

3.1.2 电压比较器的电路介绍

电压比较器的作用是比较两个电压的大小。当“＋”端电压较高于“－”端，电压比较器的输出为高电平状态；相反，当“＋”输入端电压低于“－”输入端，电压比较器的输出为低电平状态。

该设计中具体采用的寻光电路见图3，电路采用光敏电阻作为寻光传感元件。

3.1.3 电机驱动

在追光设计中电机驱动部分采用继电器驱动方式，电机的正反转都由一个单路和一个双路继电器组合完成，其中单路继电器的使用用于控制相应电机的驱动电源的通断，双路继电器用控制电机的正反转方向[4]。其原理图见图4。

3.2 太阳能聚光设计原理

经调查统计，相比平面太阳能光板凹面光板的集热效率更高。因此，本文从光学、热学、电学的角度对该款凹面太阳能光板进行模型建立，通过电板产生光生伏特效应将光能转换成电能。该项目太阳能电路板聚光系统主要由菲涅尔透镜和多个小型硅晶板组成。

菲涅尔透镜：数学家菲涅尔将传统的平面凸镜材料去除约80%，并将冠状表面薄片的表面透镜拉平，因此形成了由一系列小棱镜组成的平面透镜，该小棱镜被称为“菲涅尔透镜”[5]。该透镜不仅减少了重量，而且节约了制作成本。

硅晶板：该设计采用的硅晶板即由小型硅晶片通过串并联电路连接，形成一个内陷凹面。该反射式聚光技术将光进行二次折射从而大大提高光电转化率。

3.3 技术路线

该项目需要两方面技术才能运行。（1）电路的连接，主要的电路连接技术在于将电池板的小型硅晶体通过串并联依次进行连接，最终拼接成一个凹形圆曲面，从而达到了聚光的效果；其次是太阳能路灯整体部分的连接。（2）程序的编辑，通过程序对电池板下达指令，使得太阳能电池板可跟随太阳的转动而旋转，从而增大可利用面积来提高太阳光的利用率，达到了增加光能吸收的效果。

3.4 实施方案

（1）改变现有太阳能光板平衡转动控制装置，使其可以360度旋转。

（2）旋转基础上加入感应装置，即追光系统，主要采用了光电检测原理，利用寻光元件。

（3）由于平面太阳光板不如凹面光板的集热效率，所以我们设计了一种凹面性的太阳光板，加快集热效率，最大利用太阳光。

（4）对实验结果进行计算，具体分析出电机耗能，与改造前相比减少了能耗。

4 创新特色

太阳能的追光性：太阳能路灯360°可旋转追光，极大程度上提高了对太阳光的利用率，解决了太阳能路灯晚上照亮时常不足的缺点。同时考虑到电机耗电问题，向日葵式太阳能路灯设置了光感应器，当光照强度达到一定数值时开始转动，这样可以改善电机耗电情况，从而达到的效果更佳。

太阳能的聚光性：利用光的折射原理和太阳光的照射角度，将原本为平面的太阳能电伏板改为凹面太阳能电伏板，利用光线折射及增大可利用面积来提高太阳光的利用率，达到了增加光能吸收的效果。

5 应用前景

目前，能源短缺问题尚未解决，随着时代的发展其形势越来越严峻。据统计，不可生能源不断减少，近几年新能源的发展速度逐渐高涨，但是人们对新能源的利用率极低。因此，提高新能源利用率成了当今世界的一大热点。该设计不仅很好地改善了能源短缺的问题，而且在一定程度上保护了环境。

路灯的发明使用意义重大，它可以照亮回家的路途，降低了夜间交通事故的发生率。但路灯的耗电量却十分大，因此需要研发一种既节能环保又可以为人们夜间照明的路灯，而这种路灯就是应用前景广阔的太阳能路灯。

6 结语

据统计，照亮时长不足、亮度不够是目前太阳能路灯的最大弊端，二者最根本的原因其实仍归根于供电不足。本文研究方案是建设一种新型向日葵式追光智能太阳能路灯，其具有360 °旋转的特性，可迅速感知最佳光源，以便最大限度地吸收光热，转化为电能。同时，该方案对电机的需求能量比传统较少，且较大程度地利用凹面光板的集热效果，达到热能的有效转化，其操作可行性较大。并且本项目可以有效改善供电问题，尤其是在偏远无电且昼夜温差大的地区，其具有广泛的应用前景。