智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔設(shè)計(jì)

黃 琰，毛中華，余 穩(wěn)，張錦濤，王建臣，*

（1.衢州學(xué)院 浙江省空氣動(dòng)力裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 衢州；2.浙江尤尼威機(jī)械有限公司，浙江 衢州）

在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)下，清潔能源的發(fā)展對(duì)于減少碳排放和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。為了充分利用清潔可再生能源，光伏發(fā)電型移動(dòng)照明燈塔，采用LED照明燈具[1]。然而，光伏發(fā)電型移動(dòng)照明燈塔也存在一些問題：光伏電池的轉(zhuǎn)換效率較低，受到氣候環(huán)境的影響發(fā)電量較少。若要增加發(fā)電量，需要增加太陽(yáng)能板的數(shù)量和質(zhì)量。為了克服這些問題，可改進(jìn)光伏電池的技術(shù)，提高其轉(zhuǎn)換效率；可使用更高效的太陽(yáng)能板和優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以提高發(fā)電量；可結(jié)合其他清潔能源技術(shù)增強(qiáng)燈塔的發(fā)電能力。總之，現(xiàn)有移動(dòng)太陽(yáng)能燈塔仍需要進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新。

智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔提供了一種有效的解決方案。該燈塔通過采用LED 燈具，設(shè)計(jì)可升降的照明裝置、智能隨動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)等功能，以達(dá)到安全、節(jié)能、省力等目的。智能隨動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)光的位置和光照強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)整太陽(yáng)能板的角度和位置，以最大限度地吸收太陽(yáng)能。自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境光照條件實(shí)時(shí)調(diào)整LED 燈具的亮度。智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，提供可靠的照明效果，同時(shí)節(jié)約能源和減少人工操作，符合環(huán)保和安全的要求。

1 智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔系統(tǒng)組成

智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔的主要組成：升降系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能隨動(dòng)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)。升降系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)燈塔的高度，可以根據(jù)需要將燈塔升高或降低到適合的照明位置。智能調(diào)光系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的光照強(qiáng)度和環(huán)境亮度等條件，自動(dòng)調(diào)整LED 燈具的亮度。智能隨動(dòng)系統(tǒng)主要用于控制光伏系統(tǒng)中太陽(yáng)能板的運(yùn)動(dòng)。光伏系統(tǒng)通過光電與雙軸高度角- 方位角跟蹤相結(jié)合的方法，太陽(yáng)能板會(huì)跟隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)調(diào)整位置，保證太陽(yáng)光線垂直于板面[2]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔系統(tǒng)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)由以下幾個(gè)部分組成：底盤、升降裝置、光伏系統(tǒng)、照明燈部分、控制屏、保護(hù)外罩等，智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 燈塔三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

2.1 機(jī)械模塊設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)是智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔的重要組成部分，它由折疊式太陽(yáng)能板、高度角齒輪、方位角齒輪、太陽(yáng)能板支撐架、步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)架、光敏電阻傳感器和光線照射角傳感器等組件組成，如圖2 所示。

圖2 光伏系統(tǒng)

折疊式太陽(yáng)能板是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，可以根據(jù)需要進(jìn)行折疊和展開，能更好地捕捉太陽(yáng)能。高度角齒輪由步進(jìn)電機(jī)1 驅(qū)動(dòng)，控制太陽(yáng)能板支撐架繞著水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)光線強(qiáng)度變化的高度角。方位角齒輪由步進(jìn)電機(jī)2 驅(qū)動(dòng)，控制轉(zhuǎn)動(dòng)架圍繞垂直底座軸進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)光線強(qiáng)度變化的方位角。

折疊式太陽(yáng)能板裝置的設(shè)計(jì)能夠解決燈塔頂部面積有限的問題，提高太陽(yáng)能的利用率。光伏系統(tǒng)的智能隨動(dòng)功能會(huì)根據(jù)太陽(yáng)光線的位置和光照強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)整太陽(yáng)能板的角度和位置，以最大化太陽(yáng)能的吸收和轉(zhuǎn)換效率。

燈塔升降系統(tǒng)由伺服油缸、伸縮桿、液壓缸、活塞、閥門和控制系統(tǒng)等組件組成，如圖3 所示。

圖3 燈塔升降裝置

伺服油缸是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)燈塔照明裝置的升降功能的關(guān)鍵部件。它由液壓缸和伸縮桿組成。液壓缸包括一個(gè)活塞和油缸，液壓油通過液壓泵從油缸的一側(cè)進(jìn)入，液壓力作用在活塞上，使其產(chǎn)生線性運(yùn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液壓泵的流量和壓力，以及控制閥門的開關(guān)來控制液壓油的流動(dòng)，進(jìn)而控制伺服油缸的運(yùn)動(dòng)。

伸縮桿連接伺服油缸和照明裝置，傳遞伺服油缸的運(yùn)動(dòng)力，使照明裝置相應(yīng)地升降，以實(shí)現(xiàn)最佳照明效果。液壓系統(tǒng)的控制在實(shí)現(xiàn)精確升降控制的同時(shí)具有穩(wěn)定性和可靠性，確保燈塔的升降過程平穩(wěn)和安全。

2.2 太陽(yáng)能跟蹤部分的設(shè)計(jì)

2.2.1 太陽(yáng)運(yùn)行位置的確定

因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)相對(duì)于地球上某一位置是周期性變化的。所以太陽(yáng)的高度角和方位角在特定的位置和時(shí)間可以確定太陽(yáng)的方向和位置。

2.2.2 跟蹤方案選擇

太陽(yáng)能跟蹤控制方式是通過特定的設(shè)備和系統(tǒng)，跟蹤太陽(yáng)的位置和移動(dòng)，以最大化提升太陽(yáng)能的發(fā)電效率。有壓差式跟蹤、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制[3]、光電跟蹤。這里我們采用了光電跟蹤與雙軸高度角- 方位角跟蹤方法[4]相結(jié)合，在保證全天自動(dòng)跟蹤的同時(shí)，避免云、霧、雨、雪等惡劣環(huán)境的干擾，并且采用間歇式的跟蹤方法[5]，在提高發(fā)電量的同時(shí)減少了能耗。

2.3 理論計(jì)算

2.3.1 太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算

如圖4 所示，太陽(yáng)位于L 點(diǎn)時(shí)高度角和方位角的計(jì)算[6]。

圖4 太陽(yáng)位于L 點(diǎn)時(shí)的天球示意

由余弦公式可得：

上式即任意緯度、任意日期、任意時(shí)角角度的太陽(yáng)高度角及方位角計(jì)算公式。

2.3.2 燈塔照明數(shù)據(jù)

最高離地高度：5.5 m，燈源：燈塔采用4 只LED燈，每個(gè)功率為300 W，總功率為1 200 W。光通量為300 000 LM。照射面積：燈塔的照射面積為150～200 m2，照明裝置可以覆蓋一個(gè)較大的區(qū)域。照明距離：燈塔的照明距離為25～30 m，可以提供高亮度的照明效果，適用于較遠(yuǎn)距離的照明需求。燈頭旋轉(zhuǎn)角度：燈塔的照明裝置能在水平方向上旋轉(zhuǎn)120°，以實(shí)現(xiàn)廣泛的照明范圍。

這些參數(shù)將影響燈塔的設(shè)計(jì)和功能，確保它能夠提供高亮度、高效節(jié)能的照明效果，覆蓋較大的區(qū)域，并滿足較遠(yuǎn)距離的照明需求。具體參數(shù)如表1 所示。

表1 燈塔照明參數(shù)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔主要由智能調(diào)光系統(tǒng)和智能隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)組成。PLC 通過模擬調(diào)光方式，輸入0～10 V 的模擬直流信號(hào)到控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)器會(huì)根據(jù)接收到的信號(hào)，調(diào)整智能照明系統(tǒng)的光照強(qiáng)度。在燈塔開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)初始化LED 燈的亮度值。然后判斷用戶是否開啟調(diào)光功能。如果未開啟調(diào)光模式，系統(tǒng)將以默認(rèn)亮度照明。若開啟了調(diào)光模式，系統(tǒng)會(huì)設(shè)定燈塔的照射亮度目標(biāo)值。當(dāng)傳感器檢測(cè)到光照強(qiáng)度發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)讀取當(dāng)前的亮度值，并將其與設(shè)定的亮度值進(jìn)行比較。系統(tǒng)開始調(diào)節(jié)LED 燈的照明亮度，以逐步接近目標(biāo)值。如果傳感器檢測(cè)到LED 燈的光照強(qiáng)度沒有變化，則無需進(jìn)行燈光亮度的調(diào)整。通過智能調(diào)光系統(tǒng)，燈塔可以有效節(jié)省能源并提供舒適的照明效果。

智能隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是在不同時(shí)間、同一地點(diǎn)使用數(shù)學(xué)公式計(jì)算太陽(yáng)在天空中的高度角和方位角，以精確控制跟蹤設(shè)備運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，利用光敏電阻在不同的光照條件下會(huì)阻值會(huì)發(fā)生變化的原理[7]，將四個(gè)完全相同的傳感器放在太陽(yáng)能板的四邊，如圖5 所示。

圖5 傳感器安裝

當(dāng)太陽(yáng)光線和太陽(yáng)能板垂直方向形成夾角時(shí)，接收到光強(qiáng)多的光敏電阻阻值減小，通過數(shù)據(jù)采模塊將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為0～20 mA 的電流值后匯總各路輸入的模擬量，通過Modbus 通信協(xié)議發(fā)送給PLC 進(jìn)行程序處理。最后PLC 控制電機(jī)，對(duì)高度角和方位角進(jìn)行修正，使得四個(gè)光敏電阻的阻值相等，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光線垂直照射太陽(yáng)能板，達(dá)到最大的發(fā)電效率，如圖6所示。

圖6 智能跟蹤流程

4 實(shí)驗(yàn)

我們完成了實(shí)物模型的試制，并進(jìn)行功能和追光效率的驗(yàn)證。使用西門子公司的S7-200SMART ST30作為主控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能板的全天候追蹤。裝置能在2 秒內(nèi)調(diào)整太陽(yáng)能板的傾角，隨動(dòng)裝置的平均電壓值為13.25 V，比固定裝置的8.39 V 高出了57.9%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了智能且隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制原理的有效性。圖7 為研制的實(shí)物模型。

圖7 智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔實(shí)物

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的智能隨動(dòng)太陽(yáng)能燈塔，實(shí)現(xiàn)了提高采光率、增加發(fā)電量和自適應(yīng)環(huán)境亮度調(diào)整，符合當(dāng)下的社會(huì)發(fā)展，系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1） 采用折疊式太陽(yáng)能板，在節(jié)約燈塔頂部空間的同時(shí)，增加了3 倍的采光面。

（2） 采用光電跟蹤與雙軸高度角- 方位角跟蹤相結(jié)合的方法，并選用間歇式跟蹤，在能耗低的同時(shí)，提高了對(duì)太陽(yáng)的利用效率。

（3） LED 燈結(jié)合智能調(diào)光系統(tǒng)，可以保證環(huán)境光提供的照度與燈塔光提供的照度的和為恒定值。