應(yīng)用型大學(xué)本科生科技創(chuàng)新與研發(fā)典型案例分析

高博文　劉凱琪　魏亞靜　孟婧

摘要：文章基于應(yīng)用型大學(xué)的學(xué)生科技創(chuàng)新與研發(fā)典型案例，結(jié)合本團(tuán)隊實踐探索培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的新途徑。文章提出一種小型的采用柔性有機太陽能電池板發(fā)電的智能捕捉與自我保護(hù)裝置，該太陽能電池板區(qū)別于傳統(tǒng)的硅太陽能電池板的主要特性是具有成本低、可折疊、可剪裁以及良好的透光性;同時通過外界環(huán)境捕捉器設(shè)計和優(yōu)化惡劣環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)和太陽光照角捕捉系統(tǒng)，為進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用大規(guī)模室外有機電池板提供了支持和借鑒，該產(chǎn)品的研發(fā)對于培養(yǎng)應(yīng)用型大學(xué)的學(xué)生科技創(chuàng)新能力是一個有益的探索和途徑。

關(guān)鍵詞：有機太陽能電池板;AT89S51單片機;步進(jìn)電機;太陽光照射角捕捉系統(tǒng);惡劣環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0038-03

一、引言

科技創(chuàng)新是原創(chuàng)性科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新的總稱，是指創(chuàng)造和應(yīng)用新知識、新技術(shù)和新工藝，采用新的生產(chǎn)方式和經(jīng)營管理模式，開發(fā)新產(chǎn)品、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提供新服務(wù)的過程。構(gòu)建大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，可以幫助學(xué)生逐漸形成創(chuàng)新的意識并加以發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：培養(yǎng)學(xué)生開展學(xué)術(shù)研究與探索的學(xué)習(xí)習(xí)慣，加強創(chuàng)新意識、創(chuàng)造創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，增強師生間的交流，培養(yǎng)大學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和團(tuán)隊合作精神，熟練掌握高新儀器設(shè)備的使用方法，提高學(xué)生的實踐動手操作能力，增強學(xué)生運用知識、解決實際問題的能力。未來學(xué)大師、世界著名未來學(xué)家、當(dāng)今最具影響力的社會思想家之一Alvin Toffler（阿爾溫·托夫勒）說過：“未來的文盲，不再是目不識丁的人，而是沒有學(xué)會如何學(xué)習(xí)的人”。因此，努力培養(yǎng)廣大青年學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)造能力，造就適應(yīng)未來挑戰(zhàn)的新一代高素質(zhì)人才，在國家發(fā)展進(jìn)程中顯得尤為重要，而大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實施，對其起到巨大的推進(jìn)作用。本課題組通過成立科技開發(fā)興趣小組的形式，重點培養(yǎng)應(yīng)用型本科大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，取得了豐碩的成果，其中最為典型的案例是提出一種小型的采用柔性有機太陽能電池板發(fā)電的智能捕捉與自我保護(hù)裝置，該太陽能電池板區(qū)別于傳統(tǒng)的硅型有機太陽能電池板的主要特性是具有成本低、可折疊、可剪裁以及良好的透光性;同時通過外界環(huán)境捕捉器設(shè)計和優(yōu)化惡劣環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)和太陽光照角捕捉系統(tǒng)，為進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用大規(guī)模室外有機電池板提供了支持和借鑒，該產(chǎn)品的研發(fā)對于培養(yǎng)應(yīng)用型大學(xué)的學(xué)生科技創(chuàng)新能力是一個有益的探索和途徑。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)運行工作原理。本課題組設(shè)計的柔性有機太陽能電池板發(fā)電智能捕捉與自我保護(hù)裝置具有成本低、功能易于調(diào)整、加工過程簡單、可低溫操作、可實現(xiàn)大面積制造等優(yōu)點。而且可以利用有機太陽能電池板的可折疊性，在不使用時將其收入儲存箱中，保護(hù)其使用壽命。環(huán)境信息采集裝置由自行設(shè)計的太陽能角捕捉裝裝置和風(fēng)力測算裝置以及太陽光強度感受裝置組成，太陽光入射角捕捉器內(nèi)部設(shè)計為按4×6排列的光敏電阻，外殼黑色不透光，內(nèi)部形成一個密閉的空間，外殼上部開一小孔，如圖1所示。當(dāng)太陽從不同角度照射時，太陽光會通過小孔照射到內(nèi)部的不同電阻，每一塊電阻對應(yīng)著太陽能電池板轉(zhuǎn)動的不同的角度，環(huán)境信息采集裝置將收集到的信息傳送給單片機進(jìn)行信息處理?？刂葡到y(tǒng)通過單片機編寫控制程序組成，將環(huán)境采集系統(tǒng)所采集的信息進(jìn)行測算整理后傳送給執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置主要是有機太陽能電池板拉出及展開、收起與儲存等功能，并且有機太陽能板可以東西方向和上下方向調(diào)節(jié)。拉出及展開裝置是通過框架及電動機控制的滾軸轉(zhuǎn)動的方式，同樣地收起及儲存裝置也是通過電機控制滾軸轉(zhuǎn)動的方式將有機太陽能電池板卷進(jìn)箱體內(nèi)。如圖2所示，東西方向轉(zhuǎn)動是通過電機控制箱體下方轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的方式進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，上下角度調(diào)節(jié)是通過電機控制千斤頂升降的方式控制上下角度的調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到無雨濕度合適、無大風(fēng)、光照良好時，系統(tǒng)開始運行，當(dāng)這三種條件其中有一條不符合時系統(tǒng)停止運行，有機太陽能電池板收起。電量儲存轉(zhuǎn)化裝置則是效仿硅太陽能電池板的電量儲存轉(zhuǎn)化裝置進(jìn)行優(yōu)化處理，使其更適用于有機太陽能電池板系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)運行工作特點。柔性有機太陽能電池板發(fā)電的智能捕捉與自我保護(hù)裝置最大的特點是惡劣環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)和太陽光照角捕捉系統(tǒng)。如圖3所示，我們通過太陽照射角捕捉裝置和風(fēng)力測算裝置，將采集到的外界環(huán)境信息傳送到單片機所編寫好的程序內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測算出外界環(huán)境是否是大風(fēng)、下雨或者晚上等不適宜太陽能發(fā)電的環(huán)境。若是惡劣環(huán)境則有機太陽能電池板不會被從箱盒內(nèi)拉出進(jìn)行發(fā)電;若外界是良好的環(huán)境，則該裝置開始工作，有機太陽能電池板被頂端滾軸從箱盒拉出展開進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)有機太陽能板完全拉出展開后，太陽光照捕捉裝置開始運行，通過對太陽光照角捕捉裝置及控制裝置收集處理后的信息進(jìn)行分析，執(zhí)行裝置進(jìn)行有機太陽能發(fā)電板的角度調(diào)節(jié)，到太陽光直射太陽能電池板時，調(diào)節(jié)完畢系統(tǒng)開始正常運行。

3.控制系統(tǒng)工作原理。該系統(tǒng)主要是通過將單片機AT89S51作為控制芯片，步進(jìn)電機作為驅(qū)動器，自制的太陽光捕捉器和風(fēng)力機作為采集裝置，使太陽入射角能夠與太陽能電池板始終保持垂直狀態(tài)，達(dá)到按照時間變化定位太陽的位置，從而實現(xiàn)自動跟蹤的目的。該系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、抗干擾性強等顯著優(yōu)點。太陽自動跟蹤系統(tǒng)主要分為機械部分和電子控制部分，機械部分主要由蓄電池極板支架、步進(jìn)電機和支架組成，電子控制部分驅(qū)動步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)0到180度的方向?？刂撇糠种饕绍浖惴ńM成，有成本低、智能化、可擴展性強等優(yōu)勢。自動跟蹤電路的設(shè)計主要包括單片機控制單元和電機驅(qū)動電路，如圖4和圖5所示。

程序由檢測外部環(huán)境條件、確定光線角度以及控制電機三大部分組成。單片機接收到外部環(huán)境條件的信號，確定有機太陽能電池板展開還是收回。通過光敏電阻模塊確定太陽光線與地面的角度，每一個光敏電阻都對應(yīng)著一個信號，單片機接收到信號后，經(jīng)過主程序的處理，傳給控制電機程序，通過程序處理后來控制3個步進(jìn)電機使其能正反轉(zhuǎn)和多次脈沖。本系統(tǒng)創(chuàng)造性地提出了狀態(tài)的想法，若太陽能板為第一次啟動或者每天的第一次啟動，這就稱為冷啟動。冷啟動時，電機只需要轉(zhuǎn)原本設(shè)定的角度。反之，則太陽能板需要轉(zhuǎn)動設(shè)定的角度減去現(xiàn)在已轉(zhuǎn)過的角度，這時的狀態(tài)稱之為熱啟動。該調(diào)節(jié)機制的優(yōu)點就是無論何時何地，只需要把太陽能板收起，恢復(fù)初始位置就可以使用。

三、結(jié)論

本課題組開發(fā)的小型柔性有機太陽能電池板發(fā)電的智能捕捉與自我保護(hù)裝置具有太陽高度角實時捕捉系統(tǒng)和惡劣天氣智能保護(hù)的功能，可應(yīng)用于平整的屋頂、平地、傾斜度屋頂，以及硅太陽能電池板所不能應(yīng)用的高樓和屋舍的墻面以及載重量輕的建筑頂棚。同時有機太陽能電池板價格便宜，更適合推廣普及，并且太陽能照射角捕捉系統(tǒng)通過對太陽光照的捕捉可以提高太陽能的光電轉(zhuǎn)換效率提高發(fā)電量，給用戶及企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。自身的惡劣天氣保護(hù)系統(tǒng)，可以使有機太陽能電池板的使用年限大大延長，可做到一次性投資，長期收益。因此，進(jìn)行小型柔性有機太陽能電池板的開發(fā)對于培養(yǎng)應(yīng)用型大學(xué)的學(xué)生科技創(chuàng)新能力是一個有益的探索和途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙文玉，林安中.晶體硅太陽能電池及材料[J].太陽能學(xué)報，2013，2：85-94.

[2]李芬，陳正洪，何明瓊，等.太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和前景[J].水電能源科學(xué)，2011，29（12）：188-192.

[3]吳玉榮.光伏系統(tǒng)中最大功率點跟蹤算法研究[J].變頻器世界，2010，2：1-6.

[4]趙淑華.單片機匯編語言編程100例[M].北京：中國電力出版社，2014，1.

[5]范戰(zhàn)松，等.基于LM plc控制的太陽能跟蹤系統(tǒng)[J].自動化應(yīng)用，2011，8：22-50.

[6]魏永利.太陽能電池光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)研究[D].河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

Typical Case Analysis of Scientific and Technological Innovation and R&D of Undergraduates in Applied Universities

—Take Taishan University as an Example

GAO Bo-wen1，2，LIU Kai-qi1，WEI Ya-jing1，MENG Jing1

（1.College of Mechanical and Architectural Engineering，Taishan University，Taian，Shandong 271021，China;

2.Institute of Photovoltaic Materials and Architectural Integration，Taian，Shandong 271021，China）

Abstract：Based on the typical cases of students' scientific and technological innovation and R&D in applied universities，this paper explores a new way to cultivate students' scientific and technological innovation ability in combination with the practice of our team.A small intelligent capture and self-protection device for power generation using flexible organic solar panels is proposed in this paper.One of the characteristics of the organic solar cells，which is different from the traditional silicon solar cells，is that they have low cost，foldable，tailorable and good light transmittance;at the same time，they are captured through the external environment.The design and optimization of harsh environmental protection system and solar angle capture system provide useful support and reference for the further development and application of large-scale outdoor organic batteries.The research and development of this product is a beneficial exploration and way to cultivate students' scientific and technological innovation in applied universities

Key words：organic solar cells panels;AT89S51 single chip computer;stepping motor;sunlight angle capture system;harsh environmental protection system

收稿日期：2019-06-18

基金項目：山東省本科高校教學(xué)改革研究項目（編號：Z2016M058）;泰山學(xué)院2018年度青年教師科研基金項目（QN-01-201802）;國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（編號：201710453070，201710453034）資助

作者簡介：高博文（1977-），男，副教授，工學(xué)博士，泰山學(xué)院光伏材料與建筑一體化研究所所長，主要研究方向為有機光伏電池材料與器件的制備工藝以及鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)化研究。