光纤导光照明装置太阳跟踪系统设计

宁存岱 潘冬喜

广西建设职业技术学院（广西 南宁 530007）

0 引言

近年来，随着工业和民用建筑技术的快速发展，地下室照明能耗迅速增长，从而加大了化石燃料消耗，如何节约能源消耗、减少化石燃料使用带来的环境问题已成为目前关注的热点。太阳能是一种取之不竭、用之不尽的绿色能源，其在采光照明、光伏发电照明等方面的应用，较好地解决了照明能耗居高不下的问题。在光纤导管照明装置中，如何保持受光装置与太阳光垂直，直接关系装置的采光效率[1]。文章从实用性和经济性角度出发，设计了一款光纤导光照明装置太阳跟踪系统，提高了太阳能的利用效率。

1 光纤导光照明装置太阳跟踪系统硬件设计

光纤导光照明装置用于办公、住宅、商业建筑的地下室照明，一般安装在建筑物的屋顶或部分接受太阳光较多的平台处，面积不大、地点分散，在设计时应首要考虑其经济性，通常采用运算速度高、集成2路1MSPS的ADC的C8051F063作为控制核心，采用较少的外围电路即可达到控制的目的。光纤导光照明装置太阳跟踪系统硬件设计框图如图1所示。

图1 光纤导光照明装置太阳跟踪系统硬件设计框图

图1中，四象限传感器将接收的太阳光强度信号进行信号调理，使电压信号维持在V1～V4；经模拟开关控制选通送入单片机C8051F063的16位高速ADC0和ACD1中进行AD转换；C8051F063根据光强差及光强差与平均光强的比值计算出方位角电机和俯仰角电机的运行方向、角度，驱动电机带动受光装置转动，直至四象限传感器的光强差与平均光强比值达到预设参数要求。

2 光纤导光照明装置太阳跟踪系统软件设计

太阳跟踪控制经常采用视日运动轨迹跟踪、光电跟踪或两者结合的方式。该设计采用时间控制和光电跟踪相结合的方式[2-3]。相较于视日运动轨迹跟踪，该系统结构可以节约阴天电机持续转动造成的能耗，同时避免光电跟踪系统易跟踪紊乱的问题。光纤导光照明装置太阳跟踪系统软件设计框图如图2所示。

图2 光纤导光照明装置太阳跟踪系统软件设计框图

如图2所示，系统上电初始化后，设置系统初始时间，自动判断系统是否在工作时间内，若不在工作时间内，系统进入待机状态，5 min后再次判断；若在工作时间内，控制电机将受光装置旋转至与该时间对应的方位角位置。启动四象限传感器采集太阳光强度信号，判断是否是晴天，若不是晴天，根据时间对应方位角；若是晴天，则根据太阳光强度信号计算需要调整的角度及电机旋转方向，然后驱动电机转动[4]。

四象限探测器是一种把感光面平均分割成四个对称部分的光电探测器，四个部分分别对应直角坐标系的象限，四象限传感器示意图如图3所示。太阳光束经方形孔在探测器上形成光斑，当太阳光束与四象限探测器不垂直时，会在探测器四象限产生不同大小的光电流，经电路调理后转换成电压信号送入C8051F063的ADC0和ADC1，计算出方位角电机和俯仰角电机相应的步数和方向。为避免受光装置抖动和提高受光效率，当太阳光束与探测器垂直后，每隔1 min采集1次数据。以水平方向为例，1 min太阳偏移角度为0.25 °，经系统跟踪后，太阳光束与受光器法线方向最大夹角为0.125 °，太阳光接受效率为99.9%，因此需要四象限传感器强度差不大于0.1%。

图3 四象限传感器示意图

四象限传感器太阳光强度差计算公式如下：

式中：k为待定常数。

3 光纤导光照明装置太阳跟踪系统电机驱动电路设计

该设计采用ST公司的L298N芯片作为方位角电机和俯仰角电机的驱动芯片。该芯片工作电压最高可达46 V，持续输出电流达2 A，瞬时电流达3 A，可同时驱动2个直流电机。电机驱动电路图如图4所示。

图4 电机驱动电路图

该设计的主控制器C8051F063电源电压采用3.3V DC，电机驱动器L298N电源电压采用12V DC。为避电机旋转时对主控制器造成干扰，在主控制器C8051F063和电机驱动器L298N之间加入了2个光电耦合器TLP521-4，以有效隔离主控制器C8051F063和电机驱动器L298N。

主控制器C8051F063的P0.0、P0.1、P0.4、P0.5引脚经光电隔离后接至L298N的IN1～IN4引脚，4个引脚的高低电平组合可控制方位角电机和俯仰角电机的正转和反转。主控制器C8051F063的P0.2和P0.6输出的PWM信号连接至L298N的ENA和ENB，通过调节PWM信号的占空比改变两个电机的转速，以便电机快速及时地旋转至计算位置。方位角电机和俯仰角电机均为感性负载，在其停止或正反转切换时会产生较高的反向感生电动势，为保护L298N驱动芯片不被感生电动势击穿，在L298N驱动芯片输出端口和2个电机之间加入了8个1N4818续流二极管[5-6]。

4 结束语

文章根据光纤导光照明装置需求特点，通过时间控制和光电跟踪相结合的方式设计了光纤导光照明装置太阳跟踪系统，根据晴阴天检测结果，采用不同的跟踪方式，进一步降低了太阳跟踪系统电能消耗。在晴天时，太阳跟踪误差小于0.125 °，太阳光利用效率高，系统稳定性好。该系统以C8051F063为主控芯片，简化了外围电路，降低了系统硬件开发成本，具有一定的应用价值。