寧存岱 潘冬喜

廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（廣西 南寧 530007）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)和民用建筑技術(shù)的快速發(fā)展，地下室照明能耗迅速增長，從而加大了化石燃料消耗，如何節(jié)約能源消耗、減少化石燃料使用帶來的環(huán)境問題已成為目前關(guān)注的熱點。太陽能是一種取之不竭、用之不盡的綠色能源，其在采光照明、光伏發(fā)電照明等方面的應(yīng)用，較好地解決了照明能耗居高不下的問題。在光纖導(dǎo)管照明裝置中，如何保持受光裝置與太陽光垂直，直接關(guān)系裝置的采光效率[1]。文章從實用性和經(jīng)濟性角度出發(fā)，設(shè)計了一款光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)，提高了太陽能的利用效率。

1 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計

光纖導(dǎo)光照明裝置用于辦公、住宅、商業(yè)建筑的地下室照明，一般安裝在建筑物的屋頂或部分接受太陽光較多的平臺處，面積不大、地點分散，在設(shè)計時應(yīng)首要考慮其經(jīng)濟性，通常采用運算速度高、集成2路1MSPS的ADC的C8051F063作為控制核心，采用較少的外圍電路即可達到控制的目的。光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

圖1中，四象限傳感器將接收的太陽光強度信號進行信號調(diào)理，使電壓信號維持在V1～V4；經(jīng)模擬開關(guān)控制選通送入單片機C8051F063的16位高速ADC0和ACD1中進行AD轉(zhuǎn)換；C8051F063根據(jù)光強差及光強差與平均光強的比值計算出方位角電機和俯仰角電機的運行方向、角度，驅(qū)動電機帶動受光裝置轉(zhuǎn)動，直至四象限傳感器的光強差與平均光強比值達到預(yù)設(shè)參數(shù)要求。

2 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計

太陽跟蹤控制經(jīng)常采用視日運動軌跡跟蹤、光電跟蹤或兩者結(jié)合的方式。該設(shè)計采用時間控制和光電跟蹤相結(jié)合的方式[2-3]。相較于視日運動軌跡跟蹤，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以節(jié)約陰天電機持續(xù)轉(zhuǎn)動造成的能耗，同時避免光電跟蹤系統(tǒng)易跟蹤紊亂的問題。光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

如圖2所示，系統(tǒng)上電初始化后，設(shè)置系統(tǒng)初始時間，自動判斷系統(tǒng)是否在工作時間內(nèi)，若不在工作時間內(nèi)，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，5 min后再次判斷；若在工作時間內(nèi)，控制電機將受光裝置旋轉(zhuǎn)至與該時間對應(yīng)的方位角位置。啟動四象限傳感器采集太陽光強度信號，判斷是否是晴天，若不是晴天，根據(jù)時間對應(yīng)方位角；若是晴天，則根據(jù)太陽光強度信號計算需要調(diào)整的角度及電機旋轉(zhuǎn)方向，然后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動[4]。

四象限探測器是一種把感光面平均分割成四個對稱部分的光電探測器，四個部分分別對應(yīng)直角坐標系的象限，四象限傳感器示意圖如圖3所示。太陽光束經(jīng)方形孔在探測器上形成光斑，當(dāng)太陽光束與四象限探測器不垂直時，會在探測器四象限產(chǎn)生不同大小的光電流，經(jīng)電路調(diào)理后轉(zhuǎn)換成電壓信號送入C8051F063的ADC0和ADC1，計算出方位角電機和俯仰角電機相應(yīng)的步數(shù)和方向。為避免受光裝置抖動和提高受光效率，當(dāng)太陽光束與探測器垂直后，每隔1 min采集1次數(shù)據(jù)。以水平方向為例，1 min太陽偏移角度為0.25 °，經(jīng)系統(tǒng)跟蹤后，太陽光束與受光器法線方向最大夾角為0.125 °，太陽光接受效率為99.9%，因此需要四象限傳感器強度差不大于0.1%。

圖3 四象限傳感器示意圖

四象限傳感器太陽光強度差計算公式如下：

式中：k為待定常數(shù)。

3 光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)電機驅(qū)動電路設(shè)計

該設(shè)計采用ST公司的L298N芯片作為方位角電機和俯仰角電機的驅(qū)動芯片。該芯片工作電壓最高可達46 V，持續(xù)輸出電流達2 A，瞬時電流達3 A，可同時驅(qū)動2個直流電機。電機驅(qū)動電路圖如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動電路圖

該設(shè)計的主控制器C8051F063電源電壓采用3.3V DC，電機驅(qū)動器L298N電源電壓采用12V DC。為避電機旋轉(zhuǎn)時對主控制器造成干擾，在主控制器C8051F063和電機驅(qū)動器L298N之間加入了2個光電耦合器TLP521-4，以有效隔離主控制器C8051F063和電機驅(qū)動器L298N。

主控制器C8051F063的P0.0、P0.1、P0.4、P0.5引腳經(jīng)光電隔離后接至L298N的IN1～IN4引腳，4個引腳的高低電平組合可控制方位角電機和俯仰角電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。主控制器C8051F063的P0.2和P0.6輸出的PWM信號連接至L298N的ENA和ENB，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比改變兩個電機的轉(zhuǎn)速，以便電機快速及時地旋轉(zhuǎn)至計算位置。方位角電機和俯仰角電機均為感性負載，在其停止或正反轉(zhuǎn)切換時會產(chǎn)生較高的反向感生電動勢，為保護L298N驅(qū)動芯片不被感生電動勢擊穿，在L298N驅(qū)動芯片輸出端口和2個電機之間加入了8個1N4818續(xù)流二極管[5-6]。

4 結(jié)束語

文章根據(jù)光纖導(dǎo)光照明裝置需求特點，通過時間控制和光電跟蹤相結(jié)合的方式設(shè)計了光纖導(dǎo)光照明裝置太陽跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)晴陰天檢測結(jié)果，采用不同的跟蹤方式，進一步降低了太陽跟蹤系統(tǒng)電能消耗。在晴天時，太陽跟蹤誤差小于0.125 °，太陽光利用效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。該系統(tǒng)以C8051F063為主控芯片，簡化了外圍電路，降低了系統(tǒng)硬件開發(fā)成本，具有一定的應(yīng)用價值。