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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 多信息優(yōu)化控制的太陽(yáng)能照明燈
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品選用STC12C5612AD單片機(jī)作為主控芯片，制作了一款基于多信息優(yōu)化控制的太陽(yáng)能照明燈。它主要包括白天模式下基于光傳感器和離散時(shí)間控制的智能追光方案、夜間模式下運(yùn)用菲涅爾透鏡加熱釋電紅外傳感實(shí)現(xiàn)基于空間幾何的照明控制和針對(duì)系統(tǒng)累積偏差進(jìn)行的紅外校準(zhǔn)。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(yáng)能電池板的最佳傾角表和可調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。
- 詳細(xì)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(jìn)入白天，再根據(jù)DS12C887讀出的時(shí)間是否在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，若二者均滿足，則喚醒單片機(jī)時(shí)自動(dòng)完成夜晚模式到白天模式的切換。白天模式下，單片機(jī)一直處于掉電狀態(tài)，利用時(shí)鐘芯片DS12C887每隔30分鐘將其喚醒一次，隨后由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流減速步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)相關(guān)算法，帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板自動(dòng)轉(zhuǎn)至光強(qiáng)最大處停止。此后系統(tǒng)再次進(jìn)入掉電模式，等待下一次的中斷喚醒，實(shí)現(xiàn)再次追光。 夜晚模式：系統(tǒng)判斷進(jìn)入夜晚的方法與白天模式類似。進(jìn)入夜晚模式前，系統(tǒng)首先確認(rèn)在白天的下午時(shí)段是否曾有過(guò)追光動(dòng)作，如有，則驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板反向旋轉(zhuǎn)約90°，以便于第二天追光；若無(wú)，則電機(jī)不進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。隨后自動(dòng)關(guān)閉電機(jī)電源，打開熱釋電紅外傳感器，并運(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有無(wú)人進(jìn)入該區(qū)域。當(dāng)監(jiān)測(cè)到有人進(jìn)入時(shí)，切換燈至高亮模式以照明；當(dāng)監(jiān)測(cè)到人離開或靜止不動(dòng)時(shí)，延遲一段時(shí)間后燈轉(zhuǎn)為低亮模式以節(jié)能。 偏差校準(zhǔn)：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(yán)寒、不易損壞、使用壽命長(zhǎng)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(yán)重影響其準(zhǔn)確追光精度。為解決此類問(wèn)題，在系統(tǒng)中加入偏差校準(zhǔn)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(jī)交互控制的偏差校準(zhǔn)模塊對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的累積偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。 抗干擾設(shè)計(jì)：在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，加入了一個(gè)特殊標(biāo)志位，當(dāng)系統(tǒng)在下午時(shí)間段（12:00~17:00）有過(guò)追光動(dòng)作，則該標(biāo)志位設(shè)為1；若無(wú)，則將該標(biāo)志位清0。系統(tǒng)進(jìn)入夜晚模式前，首先判斷該標(biāo)志位，若為1，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)約90°，便于第二天的追光；若為0，則電機(jī)不反轉(zhuǎn)，直接進(jìn)入夜晚模式。這樣便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種天氣條件下的抗干擾設(shè)計(jì)，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(yáng)升起時(shí)，兩光線傳感器接收的光照強(qiáng)度不同，便會(huì)自動(dòng)感應(yīng)，驅(qū)動(dòng)減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)至東方太陽(yáng)升起處，隨后開始一天的追光，直至太陽(yáng)落山，此時(shí)太陽(yáng)能電池板應(yīng)朝向西方位置。在判斷進(jìn)入夜晚模式前，電機(jī)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(yáng)光出現(xiàn)，系統(tǒng)便能自動(dòng)感應(yīng)追光至光強(qiáng)最大處停止；若突然出現(xiàn)烏云遮擋住陽(yáng)光，電機(jī)便停在前一次追光處，等待下一次陽(yáng)光出現(xiàn)再次追光；若外界光線太暗，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開燈，以便照明，等到雨過(guò)天晴時(shí)，會(huì)自動(dòng)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(jìn)行追光。 （5）連續(xù)陰雨天：系統(tǒng)在進(jìn)入連續(xù)陰雨天之前，如果曾在下午時(shí)有過(guò)追光動(dòng)作，則進(jìn)入夜晚模式前，電機(jī)依然反轉(zhuǎn)約90°，以等待晴天的到來(lái)；如果下午的整個(gè)時(shí)段都未追過(guò)光，則電機(jī)任何時(shí)刻都不會(huì)進(jìn)行反轉(zhuǎn)90°的動(dòng)作，直接識(shí)別白天或夜晚、光線強(qiáng)或光線暗，實(shí)現(xiàn)追光或開燈的動(dòng)作。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路： 近年來(lái)，電力供應(yīng)持續(xù)緊張，同時(shí)煤、石油等常規(guī)能源價(jià)格不斷攀升，大氣污染日益嚴(yán)重，因此新型能源的開發(fā)和利用迫在眉睫。 太陽(yáng)能作為一種新型綠色能源，具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(yáng)能不斷受到重視，被公認(rèn)為未來(lái)的最佳能源。 因此，我們想到運(yùn)用多信息優(yōu)化控制的方法，設(shè)計(jì)制作一款太陽(yáng)能照明燈，其中的許多設(shè)計(jì)思想可以應(yīng)用到各種不同的場(chǎng)合，以期為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一點(diǎn)微薄之力。 2、創(chuàng)新點(diǎn)：詳見作品科學(xué)先進(jìn)性部分。 3、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 本作品的技術(shù)關(guān)鍵在于最大效率地利用太陽(yáng)能的同時(shí)，盡可能地降低整個(gè)系統(tǒng)的成本和功耗，同時(shí)對(duì)各種惡劣天氣具有自動(dòng)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(biāo)： （1）額定工作電壓：12-14V （2）離散時(shí)間域追光提升太陽(yáng)能利用率：30.24% （3）太陽(yáng)能電池板傾角在0°-90°間可調(diào) （4）掉電時(shí)的系統(tǒng)功耗：0.24W （5）追光時(shí)的系統(tǒng)功耗：1.44W （6）夜晚低亮?xí)r不接負(fù)載的功耗：0.6W （7）夜晚高亮?xí)r不接負(fù)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(jìn)性
- （1）本項(xiàng)目采用離散時(shí)間控制的追光方法，與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板固定朝向某一角度相比，將太陽(yáng)能利用率提升了約30%。 （2）研究和參考了傾斜面太陽(yáng)輻射量的各種計(jì)算方法，并結(jié)合NASA氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，給出了不同地區(qū)各月太陽(yáng)能電池板的最佳傾角表和在系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步提高了太陽(yáng)能利用率。 （3）在燈的三面加入了多個(gè)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(gè)半徑約4米，張角約240°的監(jiān)測(cè)區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有無(wú)人進(jìn)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(shí)的功耗。 （4）當(dāng)光敏電阻采集電壓出現(xiàn)累積偏差時(shí)，可通過(guò)人機(jī)交互控制，使用紅外遙控對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行追光角度校正，并進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)的更新，使其重新進(jìn)入最佳追光狀態(tài)。 （5）靈活的軟件算法，充分考慮到了實(shí)際應(yīng)用中可能存在的各種干擾，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
獲獎(jiǎng)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(jìng)賽中獲得省級(jí)“特等獎(jiǎng)”
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(chǎng)演示,圖片,錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì): （1）白天工作時(shí)，采用基于光傳感器和離散時(shí)間控制的智能追光方案，大大提升了太陽(yáng)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(shí)，研究和參考了傾斜面太陽(yáng)輻射量的計(jì)算和NASA氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，給出不同地區(qū)各月太陽(yáng)能電池板的最佳傾角表和可調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。 （3）夜間工作時(shí)，運(yùn)用菲涅爾透鏡加熱釋電紅外傳感的方法，實(shí)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(jī)交互控制模塊，通過(guò)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(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)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(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè):本作品采用多信息優(yōu)化控制，在最大化吸收太陽(yáng)能的同時(shí)，將整個(gè)系統(tǒng)的功耗降至最低。與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的同類產(chǎn)品相比，系統(tǒng)先進(jìn)性較高，工作穩(wěn)定，創(chuàng)新點(diǎn)突出，優(yōu)勢(shì)明顯，有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景，一旦投入市場(chǎng)，必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和較高的市場(chǎng)占有率。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚光電池跟蹤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了各種研究和實(shí)踐。目前國(guó)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(yùn)行規(guī)律計(jì)算跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡的主動(dòng)式跟蹤器；另一類是實(shí)時(shí)探測(cè)太陽(yáng)對(duì)地位置，控制對(duì)日角度的被動(dòng)式跟蹤器。主動(dòng)式跟蹤器有控放式跟蹤器、時(shí)鐘式跟蹤器以及采用計(jì)算機(jī)控制和天文時(shí)間器控制的跟蹤器三類；被動(dòng)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(yáng)光接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽(yáng)光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。利用控放裝置對(duì)此動(dòng)力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動(dòng)力，使太陽(yáng)光接收器向西偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （2）時(shí)鐘式跟蹤器：有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法，即根據(jù)太陽(yáng)在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽(yáng)光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽(yáng)光接收器根據(jù)太陽(yáng)的位置而相應(yīng)變動(dòng)。 （3）采用計(jì)算機(jī)和天文時(shí)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(kù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)來(lái)控制工作，成本很高。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)或者大型發(fā)電廠，面向的是多個(gè)采光設(shè)備組成的陣列，其跟蹤系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)控制精度高、平均成本低的效果。 （4）壓差式跟蹤器：當(dāng)入射太陽(yáng)光發(fā)生偏斜時(shí)，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會(huì)產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使跟蹤器重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。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(shí)性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個(gè)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(yáng)光垂直照射采光板，東西（南北）兩個(gè)光敏元件接收到的光照強(qiáng)度相同，此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光線與采光板的法線有夾角時(shí)，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號(hào)采集電路采集到光敏元件的信號(hào)差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏元件上的光照強(qiáng)度相同。 因此，隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，研制出更加高效和廉價(jià)的聚光太陽(yáng)能電池和性能可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的跟蹤系統(tǒng)將會(huì)有更大的市場(chǎng)潛力。
