環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌設(shè)計與分析

劉俞伶，曹茜，周航，張志剛，談光輝

（周南中學(xué)，長沙 410201）

環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌設(shè)計與分析

劉俞伶，曹茜，周航，張志剛*，談光輝

（周南中學(xué)，長沙 410201）

研究了一款環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌系統(tǒng)，利用階梯形光伏電板為LED廣告牌供電，綜合電源感應(yīng)切換系統(tǒng)、環(huán)境亮度感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)及相關(guān)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，使得該裝置能夠在太陽能蓄電池供電與城市供電合理切換，自動調(diào)節(jié)廣告牌亮度，并能防生物侵害、防潮防腐蝕等滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。理論研究結(jié)果表明，系統(tǒng)具有智能化、人性化、經(jīng)濟節(jié)能、工況穩(wěn)定等特點，值得推廣應(yīng)用。

環(huán)境適應(yīng)性；階梯形光伏電板；電源切換；亮度調(diào)節(jié)

引言

現(xiàn)如今石油、煤的過度使用，導(dǎo)致化石能源日益枯竭，能源使用成本不斷上漲，同時產(chǎn)生大量一氧化碳、二氧化硫等有害氣體，帶來一系列環(huán)境污染問題。而太陽能因其資源豐富、可利用性高、清潔環(huán)保，太陽能光伏照明設(shè)備因具有綠色節(jié)能、照明效果好等優(yōu)點被廣泛使用，特別是太陽能供電的新型廣告牌在當(dāng)代廣告宣傳中的應(yīng)用[1]。目前太陽能廣告牌存在太陽光能利用率低，光伏電板占地面積過大，使用環(huán)境要求較高，控制系統(tǒng)分散等問題[2，3]，在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在太陽能蓄電池供電與城市供電合理切換，自動調(diào)節(jié)廣告牌亮度，并能防生物侵害、防潮防腐蝕。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1是環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌控制系統(tǒng)。該環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌主要利用階梯形光伏電板將自然光轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中，當(dāng)出現(xiàn)陰雨天氣等光照不足情況時，蓄電池給廣告牌供電，若蓄電池電量枯竭，則220 V生活用電也可以作為備選通過穩(wěn)壓直流電源變換器進行供電，確保廣告牌正常工作，綜合相應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，使得該裝置能夠在太陽能蓄電池供電與城市供電合理切換、隨環(huán)境亮度自動調(diào)節(jié)廣告牌亮度，環(huán)境適應(yīng)性強。

圖1 環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌控制系統(tǒng)框圖

整個電路采用單片機控制，如圖2所示。電路開關(guān)分兩種，一是通過手動開關(guān)直接控制廣告牌工作狀態(tài)；二是采用定時開關(guān)，開關(guān)電壓信號作為輸入信號輸入到A/D 轉(zhuǎn)換器中將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，然后再送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)AD值大于50小于1 000時，廣告牌正常工作，當(dāng)AD值低于50時，廣告牌定時關(guān)斷。該單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性高，可工作到106～107h無故障，可控性強。

2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

環(huán)境適應(yīng)性即設(shè)備在其壽命期限內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境條件作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能而不被破壞的能力，是設(shè)備的重要質(zhì)量特性之一。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計就是提高設(shè)備抵抗外界環(huán)境阻力能力、增強設(shè)備內(nèi)部工作穩(wěn)定性的一系列相應(yīng)措施，設(shè)計思路從兩方面考慮，一是設(shè)計降低環(huán)境影響程度的系統(tǒng)、方法，二是采用耐環(huán)境能力強的材料、結(jié)構(gòu)及工藝[4]。

考慮到廣告牌全年工作，四季的溫度、濕度和氣候條件不一，雨雪冰雹甚至偶發(fā)的極端天氣對其在各種工況下的穩(wěn)定工作造成不小考驗，比較顯著的影響因素是光照強度、亮度、高低溫、霉菌、沙塵等。本裝置從明確設(shè)備環(huán)境平臺、選定設(shè)計方案到具體工程設(shè)計，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計貫穿全文，重點落在太陽能發(fā)電、電源穩(wěn)定供電、亮度適應(yīng)性調(diào)節(jié)和外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計四部分，下面結(jié)合實際操作具體討論相應(yīng)措施。

2.1 太陽能供電部分

本裝置供電部分由太陽能光伏電板、發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器、驅(qū)動電路控制器、鉛蓄電池組成，每組使用三塊多晶硅光伏電板，如圖3所示的 1、2、3號，排布采用階梯形排布。將1、2號的長邊和2、3號的長邊用可旋轉(zhuǎn)的潤滑轉(zhuǎn)軸相連，以保證1、3號光伏電板可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在2號光伏電板底部中央也有一根轉(zhuǎn)軸與2號光伏電板的長邊平行，并與底部一支撐桿相連，與此同時，該支撐桿與底座上一活動鉸鏈相連，三者共同作用，以確保三塊光伏電板構(gòu)成的整體可繞支撐桿旋轉(zhuǎn)到任意方向。

多晶硅光伏電板本身具有高轉(zhuǎn)化效率、制備工藝相對簡化、制作成本相對低廉的特點，采用階梯形排布，確保每一塊光伏電板都能調(diào)整到與當(dāng)?shù)靥栔鄙浣谴怪?，使得單塊電板單位面積吸收光能最大化且不會對相鄰光伏電板產(chǎn)生遮擋影響，保證太陽光能的充分吸收利用。光伏電板白天將吸收的自然光能轉(zhuǎn)化為電能，傳輸給太陽能控制器后儲存在蓄電池內(nèi)，因為鉛蓄電池成本低廉，溫度適用范圍廣，電壓穩(wěn)定，經(jīng)過產(chǎn)品升級換代，其維護工作日益便捷,蓄電池擬采用鉛蓄電池。同時，由于太陽能光伏電板輸入電能不穩(wěn)定，為延長鉛蓄電池使用壽命，避免蓄電池過度充電或深度放電，將補充充放電控制器，能夠防止過充電、反充電、過放電并具有短路保護、雷擊保護等功能[5]。

2.2 電源感應(yīng)切換系統(tǒng)

圖3 階梯型光伏電板排布裝置圖

圖4為電源感應(yīng)切換系統(tǒng)。由圖可知，電源感應(yīng)切換系統(tǒng)中引入了一個集成運算放大器，該運算放大器與光伏電板的蓄電池相連接，通過對蓄電池的輸出電壓的高低進行運算，進而斷開或接通開關(guān)Q1、Q2。當(dāng)遇上連續(xù)晴朗天氣，蓄電池蓄電充足，輸出電壓高時，Q1連通，Q2斷開由蓄電池為LED廣告牌供電；若陰雨天氣頻繁，太陽能蓄電池蓄電短缺，導(dǎo)致輸出電壓低，Q1斷開，Q2連通，改由220 V用戶生活用電供電，220 V用戶生活用交流電需經(jīng)過一個穩(wěn)壓直流電源變換器，該變換器由電源變壓器、整流電路、濾波器、穩(wěn)壓電路組成，將市電轉(zhuǎn)化為12 V直流電，供LED廣告牌使用。

總之，電源感應(yīng)切換系統(tǒng)可實時監(jiān)測蓄電池工作狀態(tài)，實時切換LED廣告牌的供電來源，確保廣告牌的工作不受陰雨天氣條件影響。

2.3 環(huán)境亮度感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖5是環(huán)境亮度感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作原理是利用外界環(huán)境光信號通過光敏傳感器轉(zhuǎn)換出相應(yīng)電信號，經(jīng)過信號放大器后的放大電信號再傳輸進單片機中進行計算，輸出PWM控制信號，再經(jīng)大容量電容器濾波成直流電壓，再通過驅(qū)動放大器放大，輸出放大后的電壓信號，來控制柵極電壓的高低，從而控制LED廣告牌流通電流，以調(diào)節(jié)廣告牌亮度。其中升壓電路是利用升壓變壓器將蓄電池電能逐漸流失而緩慢減小的電壓升高，以確保LED廣告牌的正常工作；驅(qū)動放大器放在末級功放前面，對輸入信號進行放大，使其達到末級功放要求的輸入功率的功率放大器。環(huán)境亮度感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)依據(jù)外部環(huán)境亮度來調(diào)節(jié)廣告牌亮度，使LED廣告燈牌既顯眼又節(jié)能。

2.4 外觀結(jié)構(gòu)部分

綜合考慮外部環(huán)境的各方面影響，如蛇鼠蚊蟲侵害、陰雨風(fēng)沙天氣等，通過建立合理有效的防護體系，減緩環(huán)境應(yīng)力對系統(tǒng)的消極作用。

1）防生物侵害設(shè)計：采用氣密性金屬外殼結(jié)構(gòu)，經(jīng)適當(dāng)表面處理，減少霉菌等營養(yǎng)物質(zhì)污染；保持內(nèi)部空氣清潔干燥，使相對濕度小于60 %，不利于有害微生物生長繁殖；廣告牌箱體孔洞部位封裝金屬網(wǎng)，阻擋細小昆蟲或蛇鼠等動物的破壞。

2）防潮、防腐蝕設(shè)計：外殼頂部平滑流線型設(shè)計，避免凹槽，條件允許的情況下，還可進行憎水處理、浸漬處理，防止積水淤積導(dǎo)致腐蝕；在制作塑料、橡膠部件中添加防老化劑、防霉劑等；外殼與開關(guān)、電纜插座頭等部件采取密封措施。

3）防塵、防雨、防太陽輻射設(shè)計：LED燈箱外殼結(jié)構(gòu)盡量簡單、光滑且合理，布置足夠多的排水孔，及時處理積水；使用材料保證足夠的剛度跟硬度，選擇耐腐蝕的金屬材料和耐老化的非金屬材料，以承受氣流沖擊、雨水、冰雹沙塵等侵蝕；涂刷有機絕緣漆覆層或金屬覆蓋層，主要通過電鍍、化學(xué)鍍、熱噴鍍等, 常用的金屬鍍層有鋅、鎳、鉻等鍍層[6]。

4）抗震動、抗沖擊設(shè)計：增強結(jié)構(gòu)的強度、剛度；采取局部加強，部件連接處、承接處安裝加緊固件，必要時加裝減震器。

5）設(shè)置監(jiān)控設(shè)備：一方面可配合管理機構(gòu)時時監(jiān)控安保、交通狀況，另一方面供用戶對廣告牌使用情況進行監(jiān)管，及時修繕[7]。

3 效益分析

圖4 電源感應(yīng)切換系統(tǒng)圖

圖5 環(huán)境亮度感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

表1 污染物減排計算（單位：kg）

3.1 經(jīng)濟效益分析

LED（Light Emitting Diode）是冷光源，跟傳統(tǒng)燈具相比，同等亮度的情況下，散熱量、耗電量小；作為固態(tài)半導(dǎo)體器件，更堅固牢靠，損壞率低，使用壽命長，人工維修費用低；同時LED燈不僅色彩豐富，宣傳效果好，而且綠色無污染，絕大多數(shù)可以回收二次利用，符合節(jié)能減排的發(fā)展要求。

現(xiàn)擬采用環(huán)境適應(yīng)性太陽能LED廣告牌實際功率為10 W，輸出電壓為12 V。據(jù)經(jīng)驗計算，1.8 W的LED燈亮度相當(dāng)于20 W日光燈水平，所以該裝置亮度相當(dāng)于110 W日光燈亮度，假定每塊LED廣告牌18 h常亮，則單日節(jié)約電量為1.8 kW·h。

目前，市面上145×145×2.5 mm的A級多晶硅光伏電板工作電壓12 V，輸出功率3 W，售價20元，3塊一組取10組，光伏電板成本為600元。若光伏電板每日工作時間10 h，單日蓄電量達0.9 kW·h，用戶一年可減少電費支出約為611.1元。

3.2 環(huán)境效益分析

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)火力發(fā)電技術(shù)要求，國家統(tǒng)計局每發(fā)一度電消耗0.404 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，該裝置一年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為398.1 kg。按照每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤排放二氧化碳約2.6 t，二氧化硫約24 kg，氮氧化物約7 kg的污染物減排計算，該環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌的節(jié)能減排效果如表1所示。

單個裝置一年節(jié)約電費支出611.1元，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤398.1 kg，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放量大大降低，對溫室效應(yīng)、酸雨、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境污染現(xiàn)狀的改善起到關(guān)鍵作用，成批量使用的收益更為可觀，無論是從經(jīng)濟效益還是環(huán)境效益來看，該環(huán)境適應(yīng)性太陽能廣告牌確實具有節(jié)能減排、高效環(huán)保的使用特點。

4 應(yīng)用與展望

采用階梯形光伏電板，太陽能電源部分可活動角度實現(xiàn)最大化，確保任一光伏電板都可調(diào)節(jié)到與當(dāng)時環(huán)境的太陽直射角垂直，極大地提高了單位面積內(nèi)對太陽光能的吸收量，達到對太陽光能的充分利用。電源感應(yīng)切換調(diào)節(jié)系統(tǒng)、環(huán)境亮度感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的雙系統(tǒng)智能控制下，實時監(jiān)測太陽能蓄電池的工作狀態(tài)，自動選擇合適電源以節(jié)約電能；隨外界環(huán)境亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)LED廣告牌亮度，合理利用能源的同時宣傳效果顯著。相應(yīng)的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，如防生物侵害設(shè)計、防潮防腐蝕設(shè)計、防塵防雨防太陽輻射設(shè)計等，增強了系統(tǒng)自身耐環(huán)境應(yīng)力的能力，從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面實現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性目標(biāo)。

綜合來看，該系統(tǒng)緊緊圍繞環(huán)境適應(yīng)性這一主題，具有高效節(jié)能環(huán)保，適用范圍廣，太陽能儲蓄、轉(zhuǎn)化、供電三位一體，可控性強，適用于各種商業(yè)場所、公共景點等特點，非常符合21世紀(jì)科技發(fā)展新潮流，為可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。

[1]王東,姚敏茹,王丹,等.并網(wǎng)式LED環(huán)保廣告牌供電系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界, 2013（17）：155-156.

[2]王丹,姚敏茹,王東,等.并網(wǎng)式LED廣告牌設(shè)計與分析[J].價值工程, 2013（27）：41-43.

[3]劉洋.獨立自動跟蹤太陽能供電系統(tǒng)在照明設(shè)備中的應(yīng)用[J].電子科技, 2013（10）：41.

[4]劉晶晶,花燚,廖長榮.基于單片機的太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 黑龍江科技信息, 2016,(31):73.

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[6] 張仁群,岳濤.大型電子系統(tǒng)顯示控制臺環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計[J].環(huán)境技術(shù), 2011,35(4): 22-24.

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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

張志剛（1982-），男（漢族），湖南長沙人，周南中學(xué)，本科，教師，研究方向：通用技術(shù)、能源與環(huán)境。