09 地下车库智能照明系统设计_王胤钧_于军琪_陈旭_马康

照明技术 王胤钧( 1991) ， 男， 硕士研究生， 研究方 向为大型公共建筑能 耗管理。 于军琪( 1969) ， 男， 教授， 研究方向为建筑智能与节能控制技术。 陈旭( 1966) ， 男， 教授级高级工程师， 研究方向为建筑智能化。 * 项目基金:陕西省科技计划国际合作项目( 2014KW17) 地下车库智能照明系统设计 * 王胤钧1， 于军琪1， 陈旭2， 马康1 ( 1 西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，陕西 西安710055; 2 陕西省建筑设计研究院有限责任公司，陕西 西安710018) 摘要:介绍了用于地下车库的智能照明系统设计， 设计了智能照明系统的机械 结构、 硬件和软件， 并进行了系统测试和经济性分析。提出光伏蓄电照明与光导照 明共同实现地下车库照明功能， 可根据测试的照明效果， 确定地下车库智能照明装 置的数量及规格， 达到减少投资成本和节能的目的。 关键词:地下车库;智能照明系统;自动跟踪;软件设计 中图分类号:TU 113 6文献标志码:B文章编号: 1674- 8417( 2017) 07- 0038- 04 DOI: 10 16618/j cnki 1674- 8417 201707 011 0引言 目前， 大多数地下车库光环境较差， 以人工 照明为主， 能耗较大。将天然光导入车库进行照 明， 同时考虑到太阳光照明仅局限于白天， 所以 增加太阳能光伏板， 在白天将太阳能转化为电能 储存起来， 在夜间利用存储的电能进行车库 照明。 研究表明， 对太阳光线运动的跟踪与非跟 踪， 太阳能设备能量的接受率相差 37 7%， 因此 釆用太阳跟踪控制系统来提高太阳光照明系统 的效率成为研究的热点1- 2 。 1系统设计 1 1设计理念 光导照明与光伏蓄电照明相结合的照明方 式是在车库内安装被动红外探测器， 根据探测的 结果对照明灯具进行智能控制， 满足照明要求， 同时使节能效果最大化3 。高效节能分为两方 面， 一方面是太阳能自动跟踪装置使太阳光接收 装置( 太阳光收集装置和光伏板) 的接收效率保 持最大化， 即最大效率地使用光导照明系统; 另 一方面是使用太阳光光导照明和光伏蓄电照明 完全取代市电供应电力照明， 减少能源消耗4 。 1 2系统设计方案 智能照明系统设计包含太阳光的自动跟踪 设计、 太阳光的收集和传导到室内的设计以及车 库光伏蓄电与太阳光导照明相结合的设计5 。 通过太阳光自动跟踪系统， 使太阳光收集装置最 大效率地接收太阳光， 通过太阳光传导装置将太 阳光传导到室内， 同时光伏板将太阳能存储起 来。并且在车库内设计相应的光伏蓄电照明控 制方式， 照明灯具状态分为 “额定功率” 状态 、 “休 眠功率” 状态和其他状态。光伏蓄电照明与光导 照明共同实现室内照明。 自动跟踪系统结构设计如图 1 所示。 83 照明技术 图 1自动跟踪系统结构设计 自动跟踪系统设计包括东西、 南北的双极轴 跟踪结构设计， 光接收装置( 光导收集装置和光 电转化光伏板) 设计， 光导路径与接收装置的连 接设计等。 双极轴跟踪结构设计分别使用 2 个步进电 机控制东西、 南北方向的转动。在底座上安装直 立步进电机控制横向的转动， 在地板步进电机的 轴上安装竖直的驱动杆， 在竖直驱动杆上横向固 定另一步进电机， 并安装驱动杆， 在驱动杆的末 端安装太阳光接收装置。 根据自动跟踪系统的结构设计， 只需驱动 2 个步进电机转动， 调整转动方位角度， 完成太阳 光东西和南北自动跟踪的控制， 就可使太阳光接 收装置的平面与太阳光方向垂直。该系统将 4 个光敏电阻分别安装在太阳光接收装置正对的 4 个侧面( 正对的为一对) ， 2 对光敏电阻分别控制 两个方向电机的转动。当一对电阻的电桥输出 电压 0 时正向转动， 当电压 0 时反向转动。 当太阳光接收装置的平面与太阳光垂直时， 对应 的一对电阻的电桥输出电压为 0， 相应方向电机 停止转动。通过两对电阻控制电机转动， 使太阳 光接收装置的平面与太阳光方向垂直。 根据全反射原理， 导光材料选择直径为 10 mm的导光光纤。收集的太阳光在光纤中进行 全反射传输， 使导光效果最好。 光伏系统采用太阳能光伏板， 其平面和太阳 光接收平面平行， 即与太阳光线垂直， 可最大效 率地利用光电效应存储电能。光伏转换控制器 将转换的电能存储到蓄电池中， 可进行地下车库 照明。 在实际应用中， 光导照明只承担地下车库室 内的部分照明， 因阴雨天以及太阳光较弱时光导 照明系统不能满足车库内照度要求。所以， 设计 了光导照明与光伏蓄电照明结合的车库内照明 系统。 在白天， 根据室内要求， 在车库内相应位置 安装光照度传感器， 采集车库内光照度， 优先考 虑使用光导照明， 当室内光照度不满足要求时开 启蓄电照明。车库内的照明灯具可以选择 LED 灯具， 根据光照度传感器采集的光照度来控制 LED 灯具的亮度， 可很好地达到节能的效果。在 夜间， 采用蓄电照明， 可以很好地达到节能效果。 1 3系统硬件设计 控制系统采用单片机 AT89S52 作为主控制 器， 2 台 42HS48- 08 型步进电机作为转动装置， 4 个光敏电阻设计的电路作为控制采光装置面与 太阳光垂直信号的输入。单片机 P0 口作为步进 电机驱动输出口， 使用 ZD- 6209- V2 驱动器来驱 动步进电机转动。P3 口作为光敏电阻电桥信号 的输入端口。 1 4系统软件设计 系统软件主要针对自动跟踪系统的软件设 计， 完成系统的主程序模块、 步进电机脉冲控制 模块以及其他相关功能模块的软件设计。自动 跟踪系统主要功能是通过步进电机的转动保持 太阳光与太阳光收集面垂直， 使太阳收集装置收 集太阳光的效率最大化。要达到该功能， 需要对 光敏电阻采集的信号进行处理， 转动相应的驱动 电机， 达到自动跟踪。自动跟踪系统中主要控制 电机的正反转， 在软件编程中主要针对光敏电阻 的输入信号控制电机进行正反转。 自动跟踪系统主程序设计流程如图 2 所示。 程序开始时初始化脉冲信号和停止标志位， 然后开始执行循环程序， 执行光敏电阻程序， 判 断光照收集面与太阳光方位角的偏差; 若没有偏 差， 则电机不转动， 当存在偏差时， 根据偏差的正 负确定 2 台步进电机的转动方向， 调整偏差为 0， 电机停止转动。此时， 光照收集面与太阳光方向 垂直， 光照面收集太阳光的效率达到最大。 93 照明技术 图 2自动跟踪系统主程序设计流程 光敏电阻输入信号的处理程序如图 3 所示。 横向和纵向的光敏电阻分别作为电机转动的输入 信号。在两对电阻中， 当两个电阻电路输入信号 相同时， 表示在该方向上已达到调整的角度要求; 当其中一个电阻信号为 0， 另一个电阻信号不为 0 时， 表示这对光敏电阻方向上的方位角有偏差， 可 通过驱动电机正反转来调整方位角。通过方位角 对采光平面进行调整， 使太阳光采集面与太阳光 方向垂直， 太阳收集装置收集效率最大。 2系统测试与分析 2 1系统测试 ( 1)光源测试。假定系统位置固定， 在跟踪 太阳光时在南北方向不会有大幅度转动， 只有东 西方向是根据太阳光的方向转动。所以在测试 中以手电筒光作为光源， 模拟太阳在东西方向 转动。 ( 2)电机转速测试。步进电机的速度控制 通过单片机发出的步进脉冲频率来实现。在调 试的过程中设计延时程序， 通过改变延时的时 图 3敏电阻输入信号的处理程序 间， 改变输出脉冲的频率， 进而改变电机转速。 ( 3)导光照明效果测试。测试是在准确跟 踪太阳光线的情况下， 由光收集装置导入室内的 照明效果的。使用 TES- 133 流明通量计测试， 得 到设备末端( 灯具) 的光通量约为 650 lm， 相当于 8 W的 LED 灯。 ( 4)蓄电照明系统在极端天气续航时间。 在阴雨天气以及夜间， 车库使用蓄电系统进行照 明， 需要测试蓄电照明系统的续航时间。若阴雨 天气为 3 d， 每个蓄电池连接 24 V、12 W 的 LED 灯具， 故选择蓄电池的容量为 24 Ah。 2 2经济性分析 根据测试的导光照明效果， 设计车库内所需 使用该装置的数量以及规格， 从而确定投资成 本。对该系统的投资回收期进行静态分析: N = T1 T2 Y2 Y1 式中:N 投资回收年限; T1、 T2 使用照明系统和普通照明系统 的初投资; Y1、 T2 使用照明系统和普通照明系统 的年运行费用。 04 照明技术 一般， 投资回收年限在 5 a 内是可以接受的。 某剧院地下车库原采用 116 盏 12 W 的 LED 灯。如果采用智能照明装置， 根据系统测试的结 果( 车库的照度为50 lx) ， 需加装 135 盏设备， 并 在 116 盏 LED 灯上安装热释红外传感器及智能 控制器， 即可满足该车库的照明要求。该套设备 的造价为 460 元左右， 采取静态经济分析， 投资 回收年限为 N =3 5 a 5 a。因此， 该智能照明系 统可以达到很好的节能效果， 值得推广使用。 3结语 介绍了地下车库的智能照明系统设计。在 智能照明系统中， 每个设备( 一盏灯) 都有独立的 跟踪装置和光伏蓄电装置， 可以进一步将跟踪装 置和光伏装置设置为整体， 利用跟踪装置和光伏 设备进一步减少投资成本， 对其推广使用具有重 要意义。 1 孟强， 冯德军 自动跟踪太阳的光纤导光照明系统 的设计J 计算机工程与应用， 2013( 15) : 249- 252 2 高伟霞， 孙长伟， 常晶晶， 等 光纤太阳光照明系统 中聚光装置的设计J 应用光学， 2008， 29( 5) : 808- 811 3 孟强 太阳追踪光纤导光室内照明系统 D 济南: 山东大学， 2012 4 高崧， 程诚， 杜旭， 等 光纤采光智能照明系统J 照明工程学报， 2016， 27( 3) : 7- 10 5 金星 太阳光光纤照明系统在温室中的应用研究 J 北方园艺， 2015( 13) : 59- 62 收稿日期: 2016- 10- 28 Design of Intelligent Lighting System Used in Underground Garage WANG Yinjun1， YU Junqi1， CHEN Xu2， MA Kang2 ( 1 School of Information and Control Engineering，Xi an University of Architecture and Technology，Xi an 710055，China; 2 Shaanxi Architectural Design and esearch Institute Co ，Ltd ，Xi an 710018，China) Abstract:This paper introduced the design of intelligent lighting system used in the underground garage， and analyzed the hardware design and software design of the intelligent lighting system The system testing and economical analysis were carried out It is pointed out that the photovoltaic storage battery lighting and natural lighting together realize the lighting funciton of underground garage Accordign to the testing lighting effect， the quantity and specification of intelligent lighting device used in the underground garage are determined， which can reduce the investment costs and realize the energy saving Key words:underground garage;intelligent lighting system;automatic tracking; 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 software design ( 上接第 37 页) Lighting Design and Institute of Elevated Metro Station WANG Ye ( East China Architectural Design and esearch Institute Co ，Ltd ，Shanghai 200002，China) Abstract:Combining by a eleva