环境适应性太阳能广告牌设计与分析

刘俞伶，曹茜，周航，张志刚，谈光辉

（周南中学，长沙 410201）

环境适应性太阳能广告牌设计与分析

刘俞伶，曹茜，周航，张志刚*，谈光辉

（周南中学，长沙 410201）

研究了一款环境适应性太阳能广告牌系统，利用阶梯形光伏电板为LED广告牌供电，综合电源感应切换系统、环境亮度感应调节系统及相关环境适应性设计，使得该装置能够在太阳能蓄电池供电与城市供电合理切换，自动调节广告牌亮度，并能防生物侵害、防潮防腐蚀等满足环境适应性要求。理论研究结果表明，系统具有智能化、人性化、经济节能、工况稳定等特点，值得推广应用。

环境适应性；阶梯形光伏电板；电源切换；亮度调节

引言

现如今石油、煤的过度使用，导致化石能源日益枯竭，能源使用成本不断上涨，同时产生大量一氧化碳、二氧化硫等有害气体，带来一系列环境污染问题。而太阳能因其资源丰富、可利用性高、清洁环保，太阳能光伏照明设备因具有绿色节能、照明效果好等优点被广泛使用，特别是太阳能供电的新型广告牌在当代广告宣传中的应用[1]。目前太阳能广告牌存在太阳光能利用率低，光伏电板占地面积过大，使用环境要求较高，控制系统分散等问题[2，3]，在此基础上，本文设计了一套环境适应性太阳能广告牌系统，该系统能够在太阳能蓄电池供电与城市供电合理切换，自动调节广告牌亮度，并能防生物侵害、防潮防腐蚀。

1 系统总体设计

图1是环境适应性太阳能广告牌控制系统。该环境适应性太阳能广告牌主要利用阶梯形光伏电板将自然光转化为电能储存在蓄电池中，当出现阴雨天气等光照不足情况时，蓄电池给广告牌供电，若蓄电池电量枯竭，则220 V生活用电也可以作为备选通过稳压直流电源变换器进行供电，确保广告牌正常工作，综合相应环境适应性设计，使得该装置能够在太阳能蓄电池供电与城市供电合理切换、随环境亮度自动调节广告牌亮度，环境适应性强。

图1 环境适应性太阳能广告牌控制系统框图

整个电路采用单片机控制，如图2所示。电路开关分两种，一是通过手动开关直接控制广告牌工作状态；二是采用定时开关，开关电压信号作为输入信号输入到A/D 转换器中将输入的模拟信号转换成为数字信号，然后再送入单片机进行数据处理，当AD值大于50小于1 000时，广告牌正常工作，当AD值低于50时，广告牌定时关断。该单片机系统结构简单，使用方便，可靠性高，可工作到106～107h无故障，可控性强。

2 环境适应性设计

环境适应性即设备在其寿命期限内可能遇到的各种环境条件作用下能实现其所有预定功能和性能而不被破坏的能力，是设备的重要质量特性之一。环境适应性设计就是提高设备抵抗外界环境阻力能力、增强设备内部工作稳定性的一系列相应措施，设计思路从两方面考虑，一是设计降低环境影响程度的系统、方法，二是采用耐环境能力强的材料、结构及工艺[4]。

考虑到广告牌全年工作，四季的温度、湿度和气候条件不一，雨雪冰雹甚至偶发的极端天气对其在各种工况下的稳定工作造成不小考验，比较显著的影响因素是光照强度、亮度、高低温、霉菌、沙尘等。本装置从明确设备环境平台、选定设计方案到具体工程设计，环境适应性设计贯穿全文，重点落在太阳能发电、电源稳定供电、亮度适应性调节和外观结构设计四部分，下面结合实际操作具体讨论相应措施。

2.1 太阳能供电部分

本装置供电部分由太阳能光伏电板、发电用功率调节器、驱动电路控制器、铅蓄电池组成，每组使用三块多晶硅光伏电板，如图3所示的 1、2、3号，排布采用阶梯形排布。将1、2号的长边和2、3号的长边用可旋转的润滑转轴相连，以保证1、3号光伏电板可绕旋转轴旋转。在2号光伏电板底部中央也有一根转轴与2号光伏电板的长边平行，并与底部一支撑杆相连，与此同时，该支撑杆与底座上一活动铰链相连，三者共同作用，以确保三块光伏电板构成的整体可绕支撑杆旋转到任意方向。

多晶硅光伏电板本身具有高转化效率、制备工艺相对简化、制作成本相对低廉的特点，采用阶梯形排布，确保每一块光伏电板都能调整到与当地太阳直射角垂直，使得单块电板单位面积吸收光能最大化且不会对相邻光伏电板产生遮挡影响，保证太阳光能的充分吸收利用。光伏电板白天将吸收的自然光能转化为电能，传输给太阳能控制器后储存在蓄电池内，因为铅蓄电池成本低廉，温度适用范围广，电压稳定，经过产品升级换代，其维护工作日益便捷,蓄电池拟采用铅蓄电池。同时，由于太阳能光伏电板输入电能不稳定，为延长铅蓄电池使用寿命，避免蓄电池过度充电或深度放电，将补充充放电控制器，能够防止过充电、反充电、过放电并具有短路保护、雷击保护等功能[5]。

2.2 电源感应切换系统

图3 阶梯型光伏电板排布装置图

图4为电源感应切换系统。由图可知，电源感应切换系统中引入了一个集成运算放大器，该运算放大器与光伏电板的蓄电池相连接，通过对蓄电池的输出电压的高低进行运算，进而断开或接通开关Q1、Q2。当遇上连续晴朗天气，蓄电池蓄电充足，输出电压高时，Q1连通，Q2断开由蓄电池为LED广告牌供电；若阴雨天气频繁，太阳能蓄电池蓄电短缺，导致输出电压低，Q1断开，Q2连通，改由220 V用户生活用电供电，220 V用户生活用交流电需经过一个稳压直流电源变换器，该变换器由电源变压器、整流电路、滤波器、稳压电路组成，将市电转化为12 V直流电，供LED广告牌使用。

总之，电源感应切换系统可实时监测蓄电池工作状态，实时切换LED广告牌的供电来源，确保广告牌的工作不受阴雨天气条件影响。

2.3 环境亮度感应调节系统

图5是环境亮度感应调节系统。该系统工作原理是利用外界环境光信号通过光敏传感器转换出相应电信号，经过信号放大器后的放大电信号再传输进单片机中进行计算，输出PWM控制信号，再经大容量电容器滤波成直流电压，再通过驱动放大器放大，输出放大后的电压信号，来控制栅极电压的高低，从而控制LED广告牌流通电流，以调节广告牌亮度。其中升压电路是利用升压变压器将蓄电池电能逐渐流失而缓慢减小的电压升高，以确保LED广告牌的正常工作；驱动放大器放在末级功放前面，对输入信号进行放大，使其达到末级功放要求的输入功率的功率放大器。环境亮度感应调节系统依据外部环境亮度来调节广告牌亮度，使LED广告灯牌既显眼又节能。

2.4 外观结构部分

综合考虑外部环境的各方面影响，如蛇鼠蚊虫侵害、阴雨风沙天气等，通过建立合理有效的防护体系，减缓环境应力对系统的消极作用。

1）防生物侵害设计：采用气密性金属外壳结构，经适当表面处理，减少霉菌等营养物质污染；保持内部空气清洁干燥，使相对湿度小于60 %，不利于有害微生物生长繁殖；广告牌箱体孔洞部位封装金属网，阻挡细小昆虫或蛇鼠等动物的破坏。

2）防潮、防腐蚀设计：外壳顶部平滑流线型设计，避免凹槽，条件允许的情况下，还可进行憎水处理、浸渍处理，防止积水淤积导致腐蚀；在制作塑料、橡胶部件中添加防老化剂、防霉剂等；外壳与开关、电缆插座头等部件采取密封措施。

3）防尘、防雨、防太阳辐射设计：LED灯箱外壳结构尽量简单、光滑且合理，布置足够多的排水孔，及时处理积水；使用材料保证足够的刚度跟硬度，选择耐腐蚀的金属材料和耐老化的非金属材料，以承受气流冲击、雨水、冰雹沙尘等侵蚀；涂刷有机绝缘漆覆层或金属覆盖层，主要通过电镀、化学镀、热喷镀等, 常用的金属镀层有锌、镍、铬等镀层[6]。

4）抗震动、抗冲击设计：增强结构的强度、刚度；采取局部加强，部件连接处、承接处安装加紧固件，必要时加装减震器。

5）设置监控设备：一方面可配合管理机构时时监控安保、交通状况，另一方面供用户对广告牌使用情况进行监管，及时修缮[7]。

3 效益分析

图4 电源感应切换系统图

图5 环境亮度感应调节系统图

表1 污染物减排计算（单位：kg）

3.1 经济效益分析

LED（Light Emitting Diode）是冷光源，跟传统灯具相比，同等亮度的情况下，散热量、耗电量小；作为固态半导体器件，更坚固牢靠，损坏率低，使用寿命长，人工维修费用低；同时LED灯不仅色彩丰富，宣传效果好，而且绿色无污染，绝大多数可以回收二次利用，符合节能减排的发展要求。

现拟采用环境适应性太阳能LED广告牌实际功率为10 W，输出电压为12 V。据经验计算，1.8 W的LED灯亮度相当于20 W日光灯水平，所以该装置亮度相当于110 W日光灯亮度，假定每块LED广告牌18 h常亮，则单日节约电量为1.8 kW·h。

目前，市面上145×145×2.5 mm的A级多晶硅光伏电板工作电压12 V，输出功率3 W，售价20元，3块一组取10组，光伏电板成本为600元。若光伏电板每日工作时间10 h，单日蓄电量达0.9 kW·h，用户一年可减少电费支出约为611.1元。

3.2 环境效益分析

依据国家标准火力发电技术要求，国家统计局每发一度电消耗0.404 kg标准煤，该装置一年节约标准煤量为398.1 kg。按照每燃烧1 t标准煤排放二氧化碳约2.6 t，二氧化硫约24 kg，氮氧化物约7 kg的污染物减排计算，该环境适应性太阳能广告牌的节能减排效果如表1所示。

单个装置一年节约电费支出611.1元，节约标准煤398.1 kg，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放量大大降低，对温室效应、酸雨、水体富营养化等环境污染现状的改善起到关键作用，成批量使用的收益更为可观，无论是从经济效益还是环境效益来看，该环境适应性太阳能广告牌确实具有节能减排、高效环保的使用特点。

4 应用与展望

采用阶梯形光伏电板，太阳能电源部分可活动角度实现最大化，确保任一光伏电板都可调节到与当时环境的太阳直射角垂直，极大地提高了单位面积内对太阳光能的吸收量，达到对太阳光能的充分利用。电源感应切换调节系统、环境亮度感应调节系统的双系统智能控制下，实时监测太阳能蓄电池的工作状态，自动选择合适电源以节约电能；随外界环境亮度自适应调节LED广告牌亮度，合理利用能源的同时宣传效果显著。相应的外观结构设计，如防生物侵害设计、防潮防腐蚀设计、防尘防雨防太阳辐射设计等，增强了系统自身耐环境应力的能力，从结构、工艺、材料等方面实现环境适应性目标。

综合来看，该系统紧紧围绕环境适应性这一主题，具有高效节能环保，适用范围广，太阳能储蓄、转化、供电三位一体，可控性强，适用于各种商业场所、公共景点等特点，非常符合21世纪科技发展新潮流，为可持续发展做出了贡献。

[1]王东,姚敏茹,王丹,等.并网式LED环保广告牌供电系统设计[J].电子世界, 2013（17）：155-156.

[2]王丹,姚敏茹,王东,等.并网式LED广告牌设计与分析[J].价值工程, 2013（27）：41-43.

[3]刘洋.独立自动跟踪太阳能供电系统在照明设备中的应用[J].电子科技, 2013（10）：41.

[4]刘晶晶,花燚,廖长荣.基于单片机的太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J]. 黑龙江科技信息, 2016,(31):73.

[5]熊长武. 装备环境适应性设计思想变革与实践[J]. 装备环境工程, 2014,(02):20-25.

[6] 张仁群,岳涛.大型电子系统显示控制台环境适应性设计[J].环境技术, 2011,35(4): 22-24.

[7] 翟玮. 机载电子设备环境适应性设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(5): 7-10.

Design and Analysis on Environment Adaptive Solar Billboard

LIU Yu-ling, CAO Qian, ZHOU Hang, ZHANG Zhi-gang, TAN Guang-hui
(Zhounan High School, Changsha 410201)

A new environment adaptive solar billboard adopting ladder type photovoltaic panels for the LED billboard power supply and combing switch power supply induction system, environmental brightness induction control system and related environmental adaptability design are investigated and analyzed. The device can be used to switch the power supply of the solar battery and the power supply of the city, to automatically adjust the brightness of the billboard, and to prevent the damage from biology and moisture corrosion to satisfy the requirement of environmental. The theoretical research shows that system has the characteristics of intelligence, humanization, economic energy-saving, and stable working condition, which is worthy of promotion and application.

environment adaptive; ladder type photovoltaic panels; power switch; brightness control

TH122

A

1004-7204（2017）02-0037-04

张志刚（1982-），男（汉族），湖南长沙人，周南中学，本科，教师，研究方向：通用技术、能源与环境。