基本信息
- 项目名称：
- “向日葵”式太阳能供电系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本设计目的是提高太阳能电池光电转换效率，完善太阳能供电系统的监测管理，对于光伏发电的推广应用至关重要。该系统以PIC单片机为控制核心，集太阳能电池板、自动跟踪模块、蓄电池、防过充过放模块、监控模块、逆变模块为一体，实现了自动跟踪、自动充放电、市电输出、实时监控等功能。本系统成本较低、工作稳定可靠，可推广应用。研究工作在节能减排、环境保护方面具有十分重要的意义。
- 详细介绍：
- 1、硬件部分： 设计出一套完整的太阳能供电系统，系统集太阳能电板、太阳能充放电控制器、蓄电池、逆变器以及太阳能自动跟踪系统为一体。跟踪系统采用PIC16F877A作为控制芯片，系统板制作时充分考虑布板的合理性和强抗干扰性，保证了系统工作的稳定性。同时，我们将控制台独立出来，可实现一个控制台同时控制多台供电系统，在多台供电系统同时工作的情况下大大降低了成本。 2、软件部分： 系统的软件设计实现太阳光的自动跟踪，夜晚系统回到初始位置，进入睡眠模式。为了提高控制精度，采用独立设计的太阳光传感器，多次采集取平均值和无穷逼近的方法，不断调整太阳能板直至两路采集的数据大小控制在一个极小的误差范围内。 3、系统框架： 本控制系统包括三大部分：（1）数据源，采用光敏电阻实现数据采集；（2）控制中心，采用微芯公司的PIC单片机作为控制芯片，主要完成数据采集、数据分析、发出调整命令等；（3）系统终端，由电机驱动电路、步进电机、减速器及太阳能电板组成。 4、工作原理： 太阳能自动跟踪系统采用光敏电阻进行数据采集，采用PIC单片机进行数据分析并发出控制指令，采用步进电机带动太阳能电板实现调整。为了尽量减少系统本身的耗电，又不会影响实时控制，我们采用定时对数据进行采集的方法；为减小了测量误差，提高了控制精度，在软件设计时采用多次采集取平均值的方法进行数字滤波。具体说：在单片机（PIC16F877A）中设置实时时钟RTC功能，当计时到预设值时，清零计数变量并开始对端口RA0和RA1进行5次数据采集，将采集的数据都存放在单片机的文件寄存器内，单片机再调用子程序对两组数据求均值，得到两路的采样值（ad0和ad1）。当采样值ad0和ad1相等时说明太阳光与太阳能电板相垂直，单片机不发出控制信号，步进电机不转，太阳能电池板不做调整。而如果太阳光是斜射在太阳能电板上，由于挡板紧挨着光敏电阻，这样挡板阴影落在光敏电阻上，那么挡板两侧光敏电阻所受光照强度不同，使光敏电阻两端的电压值不同，即ad0和ad1不相等，单片机比较二者的大小，根据二者值的不同调整电动机的转动，使太阳能电板向光照强度较大的一方微微偏转一定角度，实现第一次微调，然后再次连续对两端口多次采样，并再次调整电动机，直到两路的采样值相等为止，此时太阳能电板正对着太阳，实现太阳光充分采集。调整结束后单片机再次进入计时状态，等待下次的调整。 为了尽量减少系统本身的耗电，当程序查询两路的采样值同时低于一个设定值时停止自动跟踪，这就相当于跟踪系统在傍晚或多云阴天等光照强度较弱时是不工作的，系统处于“睡眠”状态。另外，当光照强度大于设定值时，缩短定时采样时间间隔，实现光照强度越强，系统跟踪越精确的目的。 整个系统实现了最大太阳光光能的转换效率，并在环保、节能方面有巨大的优势，有巨大的推广前景。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.作品设计、发明的目的 由于现代社会能源长期性短缺，寻找可替代能源势在必行。太阳能是人类未来能源的最佳选择，因此，我们致力于对“向日葵”式太阳能供电系统进行研究，以提高太阳能电池光电转换效率，并完善对太阳能供电系统的管理。 2.系统主要功能 (1)通过对光线采集比较，驱动步进电机使太阳能电池板实时跟踪太阳（与太阳光垂直），以提高太阳能电池板的光电转换效率。 (2)实时监控蓄电池的工作情况，能对蓄电池进行自动充放电并能防止过充过放。 (3)输出12V直流电、市电（220V 50Hz），为不同设备供电。 (4)具备硬件和软件双重保护及远程监控功能，能使系统运行稳定可靠。 (5)系统在白天自动跟踪阳光，在夜晚或阴雨天等光线较弱时处于“睡眠”状态。 3.系统主要指标 (1)太阳能电池板与太阳光的垂直误差小于1度，当太阳能电池板转到极限角度时自动停止转动。 (2)实时监测并显示蓄电池的工作电压，电压误差小于1%，同时当蓄电池达到过充电压时自动停止充电，当蓄电池达到过放电压时停止对外供电。 (3)市电输出电压误差不大于2V，频率误差不大于1Hz，可满足日常家电的需要。 (4)与普通的电池板固定供电系统相比较，该系统提高的发电量可达25%左右。 (5)系统适应各种各样的天气状况，能稳定可靠地工作。
科学性、先进性
- 随着太阳能光伏技术的发展，太阳能利用已是当今世界各国开发和利用新能源，进行节能、环保的重要研究课题之一。在设计中我们始终考虑在满足系统功能的同时，尽量降低系统的成本。为了解决强光下数据采集不准确的难题，设计了独特的光强传感器及控制算法，提高了样本的采集准确度，增强了转动板的控制精度，降低了系统的负荷。 为了尽量减少系统本身的耗电，系统设定了“睡眠”状态，即当程序查询两路的采样值同时低于一个设定值时停止跟踪，这就相当于跟踪系统判断此时是工作在傍晚或多云阴天等光照强度较弱的情况。当光照强度大于某一设定值时，缩短定时采样的时间间隔，达到光照强度越强，系统跟踪越精确的目的。 系统提供12伏直流和220伏交流电源供不同设备使用，为了延长蓄电池的使用寿命，设计了过充过放保护电路，并且能通过LCD实时观察监控。 整套系统适用于家庭太阳能发电、城市路灯照明，在海岛、山区以及我国的北方和西部偏远地区具有更广泛的推广价值。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年1月获第某届“挑战杯”某大学学生课外学术科技作品竞赛获一等奖； 2009年6月获第某届“挑战杯”某省大学生课外学术科技作品竞赛获一等奖；
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物现场展示、视频录像展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 太阳能产业是当今全球蓬勃兴起的朝阳产业，太阳能的推广应用日益呈现方兴未艾的世界潮流，开发利用清洁、安全、环保的太阳能资源正在成为人类社会应对日益严峻的能源短缺、环境污染挑战的共同选择和有生力量。“向日葵”太阳能供电系统克服了现有固定太阳能供电系统普遍存在的发电效率不高，系统管理不完善的不足。在设计过程中严格控制成本，整套系统成本较低；同时，通过反复实验，系统可稳定、可靠地运行。本系统有望成为满足市场要求的产品并具有一定的竞争力。本系统适于如下各种应用： (1)作为家庭小型发电机，满足一个家庭的生活、娱乐用电。 (2)用于道路照明、城市夜景，比如太阳能路灯、太阳能景观灯、太阳能户外广告牌等。 (3)太阳能警示灯、太阳能交通灯。 (4)通讯工业是太阳能供电的主要用户，我们的系统可为通信基站、农村电话、光纤和微波传输、双向无线电通讯等供电。 (5)可作为海上小型船只的供电系统。 (6)可作为海上航标灯的供电系统。
同类课题研究水平概述
- 我国光伏技术发展历史较短，根据调研，目前有程序跟踪式、定时时钟式等几类方案，虽然技术水平在不断的提高，价格也有所下降，但以上现有方案仍存在以下几点的不足： 1、太阳能系统发电成本，欲与现有的常规能源相竞争还有很大的差距，在技术上还有很大的提升空间，价格方面也还远没有达到能够让大众接受的程度，例如与计算机相结合的程序跟踪式系统一直依赖计算机,成本较高，对于独立小型系统来说不现实。 2、国内现有的太阳能供电系统基本采用固定式太阳能电板，无法根据光能分布情况实现最大化采集，导致发电效率普遍不高，这也是导致太阳能发电的性价比不高的一个重要原因，例如目前普遍使用的太阳能热水器的太阳能板，即是上述的固定式。 3、在太阳能发电系统的管理方面，由于没有系统的措施，难以实时了解系统的工作状况，出现故障时维修缺乏针对性，如大多数定时时钟式，虽然电路简单，但没有管理系统，降低了该系统调整的精确度和发电效率。 基于以上所述的国内发展和研究状况，我们主要致力于提高太阳能电池光电转换效率和完善太阳能供电系统的远程监控管理。
