光伏体育馆智能照明系统的设计

曹大瑞 滕 腾

（徐州工程学院，江苏 徐州 221111）

2020年9月中国向全球宣誓，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年12月31日，工信部、住建部、交通运输部、农业农村部、国家能源局联合下发了《智能光伏产业创新发展行动计划（2021—2025年）》的通知提出，发展智能光伏建筑、智能光伏农业、智能光伏乡村建设。因此，清洁可再生的太阳能研究已成为各国发展研究的一个重要问题，而分布式智能光伏发电，将成为太阳能光伏研究领域的一个重要课题。

传统的光伏发电与体育馆结合，自然光利用率差。本系统的设计将体育馆自然采光与光伏发电结合在一起，打破传统太阳能板位置固定短处，通过光照度传感模块对环境光照强度进行数据采集，同时根据光照强度调节太阳能电池板的位置，实现了光伏发电与体育馆照明的智能化。

本设计将光伏发电和体育馆有机结合。太阳能电池板发电为整个系统的正常工作供电，由于用太阳能发电的电压和电流不稳定，利用三端稳压器进行稳压然后给蓄电池充电。防止连续阴雨天气系统不能正常工作，此系统需连接220 V市电补偿电压。该系统通过光强传感器和温度传感器将接收光强信号和温度信号传送STC89C52RC芯片控制系统进行反馈，并通过液晶显示屏显示，外界可以实时监控。同时系统还控制舵机控制太阳能电池板的状态，光强较强时，系统控制太阳能电池板平铺遮光；
光强较弱时，系统控制太阳能电池板抬起漏光；
光强非常弱时，不仅太阳能电池板抬起而且补光灯也会亮起。除了智能控制外，还可以人工控制。系统组织结构图如图1所示。

图1 系统组织结构图

2.1 智能系统的供电

智能系统的供电是由太阳能发电系统供应的，所用单晶硅太阳能电池板规格是450 W、2 120×1 052×40 mm，太阳能电池组件的转化效率是20.5%。

太阳能电池所发的电量主要用于整个系统的正常运作、舵机工作和补光灯的照明。

2.2 主控模块的设计

主控模块由主控芯片、时钟控制电路、复位中断电路、电源等组成。电源电路用来供电，电路图如图2所示。

图2 单片机最小系统设计图

2.3 显示模块设计

显示模块主要由LCD1602液晶显示构成，本设计对于显示方面的要求不是非常高，只要能够显示系统的光照和温度即可。LCD16021是字符型的显示液晶屏，显示数字和字母都是比较非常方便的，除此LCD16021成本和功耗都非常低，而且易于控制，是再合适不过的选择。

2.4 光感模块设计

2.4.1 PCF8591 A/D采样电路设计

PCF8591需要单独供电，受外界影响较少，功耗较少。

2.4.2 补光灯电路设计

在这里补光灯主要运用的是LED灯，LED是一种注入型电致发光器件，它由P型和N型半导体组合而成。发光机理可分为PN结注入发光与异质结发光两种类型。

2.5 升压模块设计

升压装置选择的是外国的高性能芯片即主要是DC-DC升压模块，其质量远高于一般选择。

（1）本模块采用高性能进口芯片，性能优于一般的模块。

（2）如果输进随意的0.9～5 V范围内的电压，都能放出5 V平稳的电压，其转换效率最高达96%，相比其他的升压模块是相当高的。

（3）工业级温度范围：-40℃～85℃。

（4）转换效率高，最高达96%。

（5）超级小的体积，其尺寸是25 mm×18 mm，经常用于很多微型设备供电。

（6）带工作指示灯。

2.6 总体硬件电路连接

本设计用STC89C52RC作为控制芯片，用来作为总体控制，用PCF8591和DS18B20作为光照和温度的输出信号，将其发送到控制芯片，从而实现舵机和补光灯模块的执行；
LCD1602液晶显示为整个电路的显示模块，可以实时监测温度和光照，进一步监测大棚内的环境。整体连接图如图3所示。

图3 总体电路连接图

在硬件设计基本完成初期，连上电路进行调试的时候，发现太阳能板组不能根据光照强度的大小而发生改变，但是LED补光灯却能够有所反应，其原因是，太阳能电池板比较重，舵机电路所需的电压较大，外在的锂电池完全负荷不了，于是在硬件方面添加了升压电路，实现了设计的要求。

本设计将体育馆采光与光伏发电结合在一起，有效地改善了体育馆内的光照，实现了智能化采光与照明。本设计是利用PCF8591光强传感器和DS18b20温度传感器将外界信号传送给作为控制系统的STC89C52RC芯片进行反馈，通过太阳能电池板组和补光灯的状态来调节体育馆内的光照环境，同时通过液晶显示屏显示，使得外界可以实时监控。

本设计通过光照度传感模块对环境光照强度进行数据采集，根据系统设定的不同的阈值范围，太阳能电池板呈现不同的状态。同时体育馆内的环境都可以通过LCD1620进行实时监测。

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