基本信息
- 项目名称：
- 多信息优化控制的太阳能照明灯
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品选用STC12C5612AD单片机作为主控芯片，制作了一款基于多信息优化控制的太阳能照明灯。它主要包括白天模式下基于光传感器和离散时间控制的智能追光方案、夜间模式下运用菲涅尔透镜加热释电红外传感实现基于空间几何的照明控制和针对系统累积偏差进行的红外校准。系统充分考虑了晴天和连续阴雨天等多种天气状况，并给出不同地区各月太阳能电池板的最佳倾角表和可调节的机构。
- 详细介绍：
- 白天模式：系统首先根据光敏电阻采集并经A/D转换的电压数值，判断是否进入白天，再根据DS12C887读出的时间是否在设定的时间段内，若二者均满足，则唤醒单片机时自动完成夜晚模式到白天模式的切换。白天模式下，单片机一直处于掉电状态，利用时钟芯片DS12C887每隔30分钟将其唤醒一次，随后由单片机驱动直流减速步进电机，根据相关算法，带动太阳能电池板自动转至光强最大处停止。此后系统再次进入掉电模式，等待下一次的中断唤醒，实现再次追光。 夜晚模式：系统判断进入夜晚的方法与白天模式类似。进入夜晚模式前，系统首先确认在白天的下午时段是否曾有过追光动作，如有，则驱动太阳能电池板反向旋转约90°，以便于第二天追光；若无，则电机不进行反向旋转。随后自动关闭电机电源，打开热释电红外传感器，并运用菲涅尔透镜的空间几何定位作用，形成一定范围的监控区域，实时监测有无人进入该区域。当监测到有人进入时，切换灯至高亮模式以照明；当监测到人离开或静止不动时，延迟一段时间后灯转为低亮模式以节能。 偏差校准：由于本系统追光部分选用的光线传感器为光敏电阻，其具有耐炎热、抗严寒、不易损坏、使用寿命长等特性。但若将该系统放置在沙尘较多的地区，日积月累，光敏电阻上沉积的较厚沙尘，将严重影响其准确追光精度。为解决此类问题，在系统中加入偏差校准模块。考虑到合肥地区沙尘较小，故本系统选用成本较低的红外遥控人机交互控制的偏差校准模块对系统可能出现的累积偏差进行校准。 抗干扰设计：在系统程序设计中，加入了一个特殊标志位，当系统在下午时间段（12:00~17:00）有过追光动作，则该标志位设为1；若无，则将该标志位清0。系统进入夜晚模式前，首先判断该标志位，若为1，则驱动电机反转约90°，便于第二天的追光；若为0，则电机不反转，直接进入夜晚模式。这样便可实现系统各种天气条件下的抗干扰设计，提高系统的稳定性。具体分析如下： （1）晴天：每天清晨太阳升起时，两光线传感器接收的光照强度不同，便会自动感应，驱动减速步进电机带动太阳能电池板转至东方太阳升起处，随后开始一天的追光，直至太阳落山，此时太阳能电池板应朝向西方位置。在判断进入夜晚模式前，电机先反转约90°, 便于第二天的追光。 （2）多云天气：和晴天一样，系统依然正常追光。 （3）雷暴天气：在此类恶劣天气条件下，系统依然可以正常工作。只要有阳光出现，系统便能自动感应追光至光强最大处停止；若突然出现乌云遮挡住阳光，电机便停在前一次追光处，等待下一次阳光出现再次追光；若外界光线太暗，系统会自动打开灯，以便照明，等到雨过天晴时，会自动关灯继续追光。 （4）阴天：由于阴天光线较弱且较分散，所以系统不进行追光。 （5）连续阴雨天：系统在进入连续阴雨天之前，如果曾在下午时有过追光动作，则进入夜晚模式前，电机依然反转约90°，以等待晴天的到来；如果下午的整个时段都未追过光，则电机任何时刻都不会进行反转90°的动作，直接识别白天或夜晚、光线强或光线暗，实现追光或开灯的动作。
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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、设计、发明的目的和基本思路： 近年来，电力供应持续紧张，同时煤、石油等常规能源价格不断攀升，大气污染日益严重，因此新型能源的开发和利用迫在眉睫。 太阳能作为一种新型绿色能源，具有以下优点：①取之不尽，用之不竭；②可就地开发利用；③使用便捷。随着科学技术的发展，太阳能不断受到重视，被公认为未来的最佳能源。 因此，我们想到运用多信息优化控制的方法，设计制作一款太阳能照明灯，其中的许多设计思想可以应用到各种不同的场合，以期为太阳能产业的发展贡献一点微薄之力。 2、创新点：详见作品科学先进性部分。 3、技术关键和主要技术指标： 本作品的技术关键在于最大效率地利用太阳能的同时，尽可能地降低整个系统的成本和功耗，同时对各种恶劣天气具有自动适应和调节能力，防止可能出现的系统误判。 系统有如下主要技术指标： （1）额定工作电压：12-14V （2）离散时间域追光提升太阳能利用率：30.24% （3）太阳能电池板倾角在0°-90°间可调 （4）掉电时的系统功耗：0.24W （5）追光时的系统功耗：1.44W （6）夜晚低亮时不接负载的功耗：0.6W （7）夜晚高亮时不接负载的功耗：1.32W （8）夜晚低亮时接LED灯后的功耗：0.84W （9）夜晚高亮时接LED灯后的功耗：2.88W
科学性、先进性
- （1）本项目采用离散时间控制的追光方法，与传统的太阳能电池板固定朝向某一角度相比，将太阳能利用率提升了约30%。 （2）研究和参考了倾斜面太阳辐射量的各种计算方法，并结合NASA气象数据库中的数据，给出了不同地区各月太阳能电池板的最佳倾角表和在系统可调节的机构，进一步提高了太阳能利用率。 （3）在灯的三面加入了多个热释电红外传感模块，并结合菲涅尔透镜的光学特性，形成一个半径约4米，张角约240°的监测区域，实时监测有无人进入该区域，从而改变LED灯的亮暗，智能降低系统夜晚工作时的功耗。 （4）当光敏电阻采集电压出现累积偏差时，可通过人机交互控制，使用红外遥控对太阳能电池板进行追光角度校正，并进行A/D数据的更新，使其重新进入最佳追光状态。 （5）灵活的软件算法，充分考虑到了实际应用中可能存在的各种干扰，保证系统长期稳定工作。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品在某省挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛中获得省级“特等奖”
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 模型,现场演示,图片,录像
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
- 1、技术特点和优势: （1）白天工作时，采用基于光传感器和离散时间控制的智能追光方案，大大提升了太阳能利用率。 （2）智能追光方案中考虑了晴天和连续阴雨天等多种天气状态。同时，研究和参考了倾斜面太阳辐射量的计算和NASA气象数据库中的数据，给出不同地区各月太阳能电池板的最佳倾角表和可调节的机构。 （3）夜间工作时，运用菲涅尔透镜加热释电红外传感的方法，实现了基于空间几何的照明控制，降低了系统的功耗。 （4）加入了人机交互控制模块，通过红外遥控，校正因沙尘覆盖等自然原因造成的系统累积偏差，增强了系统的可维护性。 2、适用范围: 室内外照明系统；光伏发电系统；月球车； 3、市场分析和经济效益预测:本作品采用多信息优化控制，在最大化吸收太阳能的同时，将整个系统的功耗降至最低。与国内外现有的同类产品相比，系统先进性较高，工作稳定，创新点突出，优势明显，有良好的应用价值和推广前景，一旦投入市场，必将带来巨大的经济效益和较高的市场占有率。
同类课题研究水平概述
- 国内外学者对聚光电池跟踪发电系统进行了各种研究和实践。目前国内传统的跟踪器基本有两大类：一类是根据地球绕日运行规律计算跟踪运动轨迹的主动式跟踪器；另一类是实时探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪器。主动式跟踪器有控放式跟踪器、时钟式跟踪器以及采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器三类；被动式跟踪器有压差式和光敏感应式两类。 （1）控放式跟踪器：在太阳光接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力。利用控放装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。 （2）时钟式跟踪器：有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法，即根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。 （3）采用计算机和天文时间器控制的跟踪器：需要大规模集成电路以及数据库构成的计算机处理系统来控制工作，成本很高。所以，它们一般用于天文台和气象台对太阳的观测或者大型发电厂，面向的是多个采光设备组成的阵列，其跟踪系统利用计算机控制可实现控制精度高、平均成本低的效果。 （4）压差式跟踪器：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式、气压差式和液压式。 （5）光敏元件比较式跟踪器：利用光敏元件在光照时性能参数发生变化的原理，将四个完全相同的光敏元件分别放置于采光板的东南西北方向边沿处。如果太阳光垂直照射采光板，东西（南北）两个光敏元件接收到的光照强度相同，此时电机不转动。当太阳光线与采光板的法线有夹角时，光敏元件反应出照度差，信号采集电路采集到光敏元件的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电机转动，直至两个光敏元件上的光照强度相同。 因此，随着科学的发展和技术的进步，研制出更加高效和廉价的聚光太阳能电池和性能可靠、维护简单、价格便宜的跟踪系统将会有更大的市场潜力。
