基本信息
- 項目名稱：
- 多信息優(yōu)化控制的太陽能照明燈
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品選用STC12C5612AD單片機作為主控芯片，制作了一款基于多信息優(yōu)化控制的太陽能照明燈。它主要包括白天模式下基于光傳感器和離散時間控制的智能追光方案、夜間模式下運用菲涅爾透鏡加熱釋電紅外傳感實現(xiàn)基于空間幾何的照明控制和針對系統(tǒng)累積偏差進行的紅外校準。系統(tǒng)充分考慮了晴天和連續(xù)陰雨天等多種天氣狀況，并給出不同地區(qū)各月太陽能電池板的最佳傾角表和可調(diào)節(jié)的機構(gòu)。
- 詳細介紹：
- 白天模式：系統(tǒng)首先根據(jù)光敏電阻采集并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的電壓數(shù)值，判斷是否進入白天，再根據(jù)DS12C887讀出的時間是否在設(shè)定的時間段內(nèi)，若二者均滿足，則喚醒單片機時自動完成夜晚模式到白天模式的切換。白天模式下，單片機一直處于掉電狀態(tài)，利用時鐘芯片DS12C887每隔30分鐘將其喚醒一次，隨后由單片機驅(qū)動直流減速步進電機，根據(jù)相關(guān)算法，帶動太陽能電池板自動轉(zhuǎn)至光強最大處停止。此后系統(tǒng)再次進入掉電模式，等待下一次的中斷喚醒，實現(xiàn)再次追光。 夜晚模式：系統(tǒng)判斷進入夜晚的方法與白天模式類似。進入夜晚模式前，系統(tǒng)首先確認在白天的下午時段是否曾有過追光動作，如有，則驅(qū)動太陽能電池板反向旋轉(zhuǎn)約90°，以便于第二天追光；若無，則電機不進行反向旋轉(zhuǎn)。隨后自動關(guān)閉電機電源，打開熱釋電紅外傳感器，并運用菲涅爾透鏡的空間幾何定位作用，形成一定范圍的監(jiān)控區(qū)域，實時監(jiān)測有無人進入該區(qū)域。當監(jiān)測到有人進入時，切換燈至高亮模式以照明；當監(jiān)測到人離開或靜止不動時，延遲一段時間后燈轉(zhuǎn)為低亮模式以節(jié)能。 偏差校準：由于本系統(tǒng)追光部分選用的光線傳感器為光敏電阻，其具有耐炎熱、抗嚴寒、不易損壞、使用壽命長等特性。但若將該系統(tǒng)放置在沙塵較多的地區(qū)，日積月累，光敏電阻上沉積的較厚沙塵，將嚴重影響其準確追光精度。為解決此類問題，在系統(tǒng)中加入偏差校準模塊?？紤]到合肥地區(qū)沙塵較小，故本系統(tǒng)選用成本較低的紅外遙控人機交互控制的偏差校準模塊對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的累積偏差進行校準。 抗干擾設(shè)計：在系統(tǒng)程序設(shè)計中，加入了一個特殊標志位，當系統(tǒng)在下午時間段（12:00~17:00）有過追光動作，則該標志位設(shè)為1；若無，則將該標志位清0。系統(tǒng)進入夜晚模式前，首先判斷該標志位，若為1，則驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)約90°，便于第二天的追光；若為0，則電機不反轉(zhuǎn)，直接進入夜晚模式。這樣便可實現(xiàn)系統(tǒng)各種天氣條件下的抗干擾設(shè)計，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體分析如下： （1）晴天：每天清晨太陽升起時，兩光線傳感器接收的光照強度不同，便會自動感應(yīng)，驅(qū)動減速步進電機帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)至東方太陽升起處，隨后開始一天的追光，直至太陽落山，此時太陽能電池板應(yīng)朝向西方位置。在判斷進入夜晚模式前，電機先反轉(zhuǎn)約90°, 便于第二天的追光。 （2）多云天氣：和晴天一樣，系統(tǒng)依然正常追光。 （3）雷暴天氣：在此類惡劣天氣條件下，系統(tǒng)依然可以正常工作。只要有陽光出現(xiàn)，系統(tǒng)便能自動感應(yīng)追光至光強最大處停止；若突然出現(xiàn)烏云遮擋住陽光，電機便停在前一次追光處，等待下一次陽光出現(xiàn)再次追光；若外界光線太暗，系統(tǒng)會自動打開燈，以便照明，等到雨過天晴時，會自動關(guān)燈繼續(xù)追光。 （4）陰天：由于陰天光線較弱且較分散，所以系統(tǒng)不進行追光。 （5）連續(xù)陰雨天：系統(tǒng)在進入連續(xù)陰雨天之前，如果曾在下午時有過追光動作，則進入夜晚模式前，電機依然反轉(zhuǎn)約90°，以等待晴天的到來；如果下午的整個時段都未追過光，則電機任何時刻都不會進行反轉(zhuǎn)90°的動作，直接識別白天或夜晚、光線強或光線暗，實現(xiàn)追光或開燈的動作。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1、設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路： 近年來，電力供應(yīng)持續(xù)緊張，同時煤、石油等常規(guī)能源價格不斷攀升，大氣污染日益嚴重，因此新型能源的開發(fā)和利用迫在眉睫。 太陽能作為一種新型綠色能源，具有以下優(yōu)點：①取之不盡，用之不竭；②可就地開發(fā)利用；③使用便捷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽能不斷受到重視，被公認為未來的最佳能源。 因此，我們想到運用多信息優(yōu)化控制的方法，設(shè)計制作一款太陽能照明燈，其中的許多設(shè)計思想可以應(yīng)用到各種不同的場合，以期為太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻一點微薄之力。 2、創(chuàng)新點：詳見作品科學(xué)先進性部分。 3、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標： 本作品的技術(shù)關(guān)鍵在于最大效率地利用太陽能的同時，盡可能地降低整個系統(tǒng)的成本和功耗，同時對各種惡劣天氣具有自動適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力，防止可能出現(xiàn)的系統(tǒng)誤判。 系統(tǒng)有如下主要技術(shù)指標： （1）額定工作電壓：12-14V （2）離散時間域追光提升太陽能利用率：30.24% （3）太陽能電池板傾角在0°-90°間可調(diào) （4）掉電時的系統(tǒng)功耗：0.24W （5）追光時的系統(tǒng)功耗：1.44W （6）夜晚低亮?xí)r不接負載的功耗：0.6W （7）夜晚高亮?xí)r不接負載的功耗：1.32W （8）夜晚低亮?xí)r接LED燈后的功耗：0.84W （9）夜晚高亮?xí)r接LED燈后的功耗：2.88W
科學(xué)性、先進性
- （1）本項目采用離散時間控制的追光方法，與傳統(tǒng)的太陽能電池板固定朝向某一角度相比，將太陽能利用率提升了約30%。 （2）研究和參考了傾斜面太陽輻射量的各種計算方法，并結(jié)合NASA氣象數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，給出了不同地區(qū)各月太陽能電池板的最佳傾角表和在系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的機構(gòu)，進一步提高了太陽能利用率。 （3）在燈的三面加入了多個熱釋電紅外傳感模塊，并結(jié)合菲涅爾透鏡的光學(xué)特性，形成一個半徑約4米，張角約240°的監(jiān)測區(qū)域，實時監(jiān)測有無人進入該區(qū)域，從而改變LED燈的亮暗，智能降低系統(tǒng)夜晚工作時的功耗。 （4）當光敏電阻采集電壓出現(xiàn)累積偏差時，可通過人機交互控制，使用紅外遙控對太陽能電池板進行追光角度校正，并進行A/D數(shù)據(jù)的更新，使其重新進入最佳追光狀態(tài)。 （5）靈活的軟件算法，充分考慮到了實際應(yīng)用中可能存在的各種干擾，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 該作品在某省挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得省級“特等獎”
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型,現(xiàn)場演示,圖片,錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1、技術(shù)特點和優(yōu)勢: （1）白天工作時，采用基于光傳感器和離散時間控制的智能追光方案，大大提升了太陽能利用率。 （2）智能追光方案中考慮了晴天和連續(xù)陰雨天等多種天氣狀態(tài)。同時，研究和參考了傾斜面太陽輻射量的計算和NASA氣象數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，給出不同地區(qū)各月太陽能電池板的最佳傾角表和可調(diào)節(jié)的機構(gòu)。 （3）夜間工作時，運用菲涅爾透鏡加熱釋電紅外傳感的方法，實現(xiàn)了基于空間幾何的照明控制，降低了系統(tǒng)的功耗。 （4）加入了人機交互控制模塊，通過紅外遙控，校正因沙塵覆蓋等自然原因造成的系統(tǒng)累積偏差，增強了系統(tǒng)的可維護性。 2、適用范圍: 室內(nèi)外照明系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；月球車； 3、市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測:本作品采用多信息優(yōu)化控制，在最大化吸收太陽能的同時，將整個系統(tǒng)的功耗降至最低。與國內(nèi)外現(xiàn)有的同類產(chǎn)品相比，系統(tǒng)先進性較高，工作穩(wěn)定，創(chuàng)新點突出，優(yōu)勢明顯，有良好的應(yīng)用價值和推廣前景，一旦投入市場，必將帶來巨大的經(jīng)濟效益和較高的市場占有率。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外學(xué)者對聚光電池跟蹤發(fā)電系統(tǒng)進行了各種研究和實踐。目前國內(nèi)傳統(tǒng)的跟蹤器基本有兩大類：一類是根據(jù)地球繞日運行規(guī)律計算跟蹤運動軌跡的主動式跟蹤器；另一類是實時探測太陽對地位置，控制對日角度的被動式跟蹤器。主動式跟蹤器有控放式跟蹤器、時鐘式跟蹤器以及采用計算機控制和天文時間器控制的跟蹤器三類；被動式跟蹤器有壓差式和光敏感應(yīng)式兩類。 （1）控放式跟蹤器：在太陽光接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽光接收器向西的轉(zhuǎn)動力。利用控放裝置對此動力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動力，使太陽光接收器向西偏轉(zhuǎn)運動。 （2）時鐘式跟蹤器：有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時法，即根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，從而確定出電機的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變動。 （3）采用計算機和天文時間器控制的跟蹤器：需要大規(guī)模集成電路以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的計算機處理系統(tǒng)來控制工作，成本很高。所以，它們一般用于天文臺和氣象臺對太陽的觀測或者大型發(fā)電廠，面向的是多個采光設(shè)備組成的陣列，其跟蹤系統(tǒng)利用計算機控制可實現(xiàn)控制精度高、平均成本低的效果。 （4）壓差式跟蹤器：當入射太陽光發(fā)生偏斜時，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使跟蹤器重新對準太陽。根據(jù)密閉容器內(nèi)所裝介質(zhì)的不同，可分為重力差式、氣壓差式和液壓式。 （5）光敏元件比較式跟蹤器：利用光敏元件在光照時性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個完全相同的光敏元件分別放置于采光板的東南西北方向邊沿處。如果太陽光垂直照射采光板，東西（南北）兩個光敏元件接收到的光照強度相同，此時電機不轉(zhuǎn)動。當太陽光線與采光板的法線有夾角時，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號采集電路采集到光敏元件的信號差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏元件上的光照強度相同。 因此，隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進步，研制出更加高效和廉價的聚光太陽能電池和性能可靠、維護簡單、價格便宜的跟蹤系統(tǒng)將會有更大的市場潛力。
