EEPW论坛

作者：内蒙古科技大学 彭聪瑶 杨光宇 韩强
指导老师：刘丕亮 陈波

作品简介：

　　作品设计：

　　能源供应、能源安全、经济效益和环境影响之间的良好平衡，有助于保证城市和大都会地区能源供应系统的可持续发展。

　　本设计采用光敏二极管实现太阳能双轴追踪系统，以达到太阳能最优采集。将采集到的电能通过电源控制器及电压转换模块，分别给监控系统及家用电器供电。如下图

　　监控系统采用IAP15F2K61S2为主控芯片，采用声音传感器、震动传感器模块、人体红外感应模块、火焰传感器(火焰火光检测)、HC-SR04超声波测距模块、煤气瓦斯传感器、温度传感器、红外遥控开关、紫外线强度检测装置及红外检测装置，当检测到隐患及危险时系统自动报警，发送之上位机提醒人员解决隐患及危险。

　　实物图如下：

　　发明目的：

　　本作品实现太阳能的最优采集，及太阳能的利用、对建筑物周边坏境实时监控。

　　总体监控如下图：

　　基本思路：

　　监控系统结构图：

　　太阳能电池板输出电压经过控制电路得到20V，再经过电压转换得到主控制系统IAP15F2K61S2及各传感器所需的5V电压。该监控系统主要检测人的声响、物体振动、火焰、煤气泄漏等，当有传感器检测到有异常情况时，系统通过无线收发送数据告知人员，当所有隐患、危险解除时，系统解除报警。

　　创新点：

　　太阳能作为一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

　　为了更充分，更有效的利用太阳能，本设计中设计了太阳能双轴追踪系统，该系统通过实时采集太阳的位置，通过二自由度舵机云台的旋转，使太阳能电池板保持和太阳光照方向的垂直，实现太阳能的最优采集。

平台选型说明：

　　IAP15F2K61S2

设计说明：

　　设计方案：

　　能源供应、能源安全、经济效益和环境影响之间的良好平衡，有助于保证城市和大都会地区能源供应系统的可持续发展。

　　太阳能是一种清洁的绿色能源，是最丰富的可再生能源形式，是所有化石能源及多种可再生能源的源头。太阳能作为地球上真正取之不尽的清洁能源，将是未来最理想的绿色新能源，目前其利用的有效途径便是利用光伏发电技术将太阳能转化为电能。

　　为了更充分，更有效的利用太阳能，本设计中设计了太阳能双轴追踪系统。

　　本设计采用光电二极管实现太阳能双轴追踪系统，以达到太阳能最优采集，最高效益利用。将采集到的太阳能通过电源控制器及电压转换模块，分别给家用电器及监控系统供电。如下图

　　监控系统采用IAP15F2K61S2为主控芯片，采用声音传感器(声音检测模块、咪头模块)、震动传感器模块、人体红外感应模块、火焰传感器(火焰火光检测)、HC-SR04超声波测距模块、煤气瓦斯传感器、温度传感器、红外遥控开关、紫外线强度检测装置及红外检测装置，当检测到隐患及危险时系统自动报警，发送之上位机提醒人员解决隐患及危险。

　　设计原理：

　　本作品实现太阳能的最优采集，及太阳能的利用、建筑物周边坏境实时监控。

　　太阳能作为一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的, 没有充分利用太阳能资源, 发电效率低下。据实验, 在太阳能光发电中, 相同条件下, 采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 % , 因此在太阳能利用中, 进行跟踪是十分必要的 。

　　本作品提出一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案, 该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 结构简单、成本低, 而且在跟踪过程中能自动更正不同时间的坐标位置, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。

　　光电检测电路：太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同, 因此, 欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。

　　图1 是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视简图, 共由9 个光电三极管组成。正中央1 个,旁边8 个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住, 圆柱体的直径略大于图中的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞, 以让光线通过(如图2 所示) 。

　　将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上, 光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方(确保会受到光线的照射) 也安装一个光电二极管(其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同) , 用于检测环境亮度, 并与圆柱体内的每个光电二级管及运放构成一个比较电路。适当调整

　　图中电阻的阻值, 这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时, 运放将输出低电平。此电平可对接到的输入端进行检测, 圆柱体内的每个光电二级管各用一个单片机的输入端, 总共用了9 个。这样就可以检测太阳光线的朝向, 来决定哪个舵机转动、向哪个方向转动。

　　使用说明：

　　太阳能的采集无需人为干预。

　　(1)建筑物四周的超声波在安全范围内检测到物体靠近时，监控系统中相应的指示灯亮，以提醒人，有不明物体靠近。

　　(2)当不明物体不断接近，进入禁区，触发红外检测器，系统报警，警告有不明物体入侵。

　　(3)振动传感器检测到窗户、门口处有振动时，监控系统中相应的指示灯亮以报警。

　　(4)口哨传感器在安全范围内检测人的声音时，防御系统就使相应的指示灯亮以报警。

　　(5)室内安装的热释电红外传感器检测到有人时，监控系统就使相应的指示灯亮以报警。

　　(6)厨房内安装火焰传感器、煤气传感器检测到明火、煤气泄漏时，监控系统就使相应的指示灯亮以报警。

　　(7)温度传感器能检测室内的温度，当发生火灾，可辅助火焰传感器进行检测。温度达到上限时系统自动报警。

　　(8)紫外线检测装置能以检测紫外线强度

　　(9)通过上位机实时监控建筑物周边的情况。

　　(10)双舵机实现太阳能电池板的转动(双轴系统)，实

　　现实时追踪太阳位置

　　(11)当所有的隐患、危险都被解除后，报警解除。

　　技术特点和优势：

　　此监控系统主要以清洁能源——太阳能为动力，且采集到的能量还可用于家电等，本设计主要针对于家用，结构简单，成本低，易安装。

　　本作品提出一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案, 该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 而且在跟踪过程中能自动更正不同时间的坐标位置, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值。

　　适应范围及推广前景的技术性说明：

　　就太阳能自动追踪系统而言，市面上主要以直流电机实现此功能，其机械结构要求高，精度不够，成本高，但其动力强劲，主要用于大型太阳能供电装置。本监控系统中太阳能双轴追踪采用了舵机以实现实时定位，机械结构简单，精度高，成本低。

　　本监控系统以廉价且易安装的传感器模块为主要检测装置，体积小，无污染，可以隐蔽安装，检测的形式无形不易被发现。该系统中，形成三层监控措施，在不同的空间位置安装不同的传感器，检测不同的物质，实用性强。可在居民日常住宅进行安装。

　　监控系统主板原理图如下：

此文档的相关视频来自：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13484