电气设计太阳能智慧路灯设计论文_施海莹

（银川市规划建筑设计研究院有限公司 750000）

摘要：针对目前太阳能路灯存在的发电效率低，控制性差，能耗高的问题，设计了一种新型太阳能智慧路灯。采用STM32芯片作为主控制器，利用BH1750光照传感器模块采集光照数据，通过光照差值驱动电机带动光伏电池板进行太阳跟踪，提高发电效率，同时利用采集到的光照数据实现对天气的阴晴判断，避免了不必要的电机启停损耗。电机选取超低转速的直流减速电机，在提高转动精确性的同时，简化了机械设计。照明控制方式也在传统时控和光控基础上增加了微波感应控制，通过智能调光进一步达到节能目的。

关键词：太阳跟踪；路灯；STM32

1概述

在新能源的开发利用中，太阳能以其诸多的优点得到了极大的重视，前人利用太阳能制造出了太阳能路灯。这种路灯利用太阳能发出的电能供给夜间照明使用，不但环保，而且安装施工也较为简便。然而，目前的太阳能路灯存在着以下问题：

（1）光伏电池板角度固定，不能根据太阳的运行轨迹调整方向，因此能量转换效率偏低。

（2）传统的路灯控制普遍使用时控和光控，虽然在一定程度上满足了节能要求，但是在控制方式上还是略显单一，有进一步优化的空间。

针对上述问题，设计了一种以STM32芯片作为主控制器，控制光伏电池板根据天气条件及太阳方位自动转动，并将时控、光控和微波感应控制结合，实现了智能调光照明控制方式的太阳能智慧路灯。

2设计方案

2.1光伏电池板太阳跟踪控制

目前太阳跟踪系统大体上可以分为两类：双轴跟踪系统和单轴跟踪系统。本设计中光伏电池板使用多晶硅材料，由于对跟踪精度的要求不高，故采用单轴跟踪系统，即垂直方向固定不动，水平方向进行间歇跟踪。光伏电池板垂直倾角的选定按照其倾角与当地纬度的关系确定，因某市的地理坐标位置为东经125.35，北纬43.88，故将太阳能电池板的垂直倾角固定为550。太阳跟踪系统结构见图1，系统中包括光照传感器，继电器，直流减速电机和STM32主控制。

其中，主控制器芯片中集成了一个独立的定时器，构成实时时钟，在相应的软件配置下，可以提供时钟日历的功能。因该定时器为32位可编程计数器，可以记录4294967296s，约合136年，固可满足应用的长期需求。利用实时时钟为系统提供时钟信号来源，并采取分时跟踪的策略。设定每日早6：00启动跟踪，每小时经过光照传感器采集光照数据判断东西两侧的光照强度，当西侧光强高于东侧光强时，由主控制器发出信号控制继电器动作，进而驱动电机转动。当到达晚18：00时，电机反转到达东侧限位开关，结束跟踪动作，等待次日跟踪时间到来。太阳跟踪系统流程如图2。另外，光照传感器检测环境照度低于设定照度阈值时，跟踪系统不会工作，以避免电机不必要的启停，造成电能损耗。

2.2智能照明控制

采用时控、光控、感应控制三者结合的控制方式。其中感应控制使用微波人体感应传感器，利用多普勒效应的原理以非接触方式感应是否有行人经过。智能照明控制流程如图3所示，设定每晚18：00开启照明，开启前先进行环境照度检测，如果环境照度低于设定阈值，则确认开启照明，直至晚23：00为全功率照明模式，以满足日常人行亮度需求。晚23：00以后进入半功率照明模式，这时启动微波人体感应传感器，当有行人经过路灯时，照明亮度提高，人离开后，照明亮度降低。

3工作原理

系统总图如图4所示。该系统由光伏发电系统、蓄电池充放电管理系统以及智能路灯照明系统三部分组成，光伏发电系统利用光伏电池板吸收太阳能进行发电；蓄电池充放电管理系统将转化的电能存储在蓄电池中，并优化管理蓄电池的充放电过程；智能路灯照明系统将时控、光控和感应控制三者结合智能调节路灯亮度。其中，主控制器控制光伏电池板进行太阳跟踪以及对路灯照明的智能控制。

4性能分析

使用光伏电池板（10W，峰值电压17.5V）对12V10W负载进行供电，采用太阳跟踪和非跟踪两种方式进行对比实验，测得功率-时间关系如图5所示。通过图5可以明显观察到跟踪式光伏电池板发电效率高于非跟踪式光伏电池板。

5 系统体系结构

智慧路灯管理系统的系统框图如图6所示。系统的体系结构为多

层分布式结构，从下至上可分为底层监控层、中间传输层和顶层管理层。其中传输层是系整个系统的通讯枢纽，它运行状态的稳定与否直接决定整个系统数据传输的质量。考虑到城市路灯通信容量大，路灯过多过于密集导致个别节点出现丢包的可能性，采用NB－IOT通信方式接入顶层服务器终端，底层监控层主要由监控终端组成，而每个监控终端作为一个路灯节点，并且每个路灯节点有一个唯一的标识（IMEI），这些节点与顶层服务器终端进行数据传输。而NB－IOT是非实时在线的，服务器和其之间无法实时通信，这就存在丢包的可能性，必须有重传和验证机制。所以此次系统采用华为的 CoAP 机制，这样可避免丢包和冲突，确保底层监控端与服务器通信良好。所有路灯实现分布式控制，底层终端将采集到的状态、电量、温湿度、位置等信息以网络方式上传到服务器，上位机管理软件通过读取本地数据库的信息进行对路灯信息的查询与处理，若发现有路灯报错提示，则将路灯的位置信息与可能的损坏信息打印给维修工人，维修工人可第一时间获取路灯的位置，及时处理有问题的路灯，实现太阳能路灯管理的有效管理，提高城市管理的智慧化进程。

结束语：

综上所述，我国绝大部分地区都具有良好的太阳能资源，充分利用太阳能清洁环保的特点设计的太阳能智慧路灯既提高了发电效率，又降低了耗电量，达到了节能减排的效果。产品结构简单，安装、维

护方便，且成本低，投资回收期短。无论对城市市政道路照明的辅助还是对农村及偏远地区的基础设施建设都有实际的应用价值。随着技术的发展，光伏发电设备的成本也会继续降低，其所带来的社会效益、环境效益前景不可估量。

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论文作者:施海莹

论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期

论文发表时间:2018/12/12

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