应用型大学本科生科技创新与研发典型案例分析

高博文　刘凯琪　魏亚静　孟婧

摘要：文章基于应用型大学的学生科技创新与研发典型案例，结合本团队实践探索培养大学生科技创新能力的新途径。文章提出一种小型的采用柔性有机太阳能电池板发电的智能捕捉与自我保护装置，该太阳能电池板区别于传统的硅太阳能电池板的主要特性是具有成本低、可折叠、可剪裁以及良好的透光性;同时通过外界环境捕捉器设计和优化恶劣环境保护系统和太阳光照角捕捉系统，为进一步开发和应用大规模室外有机电池板提供了支持和借鉴，该产品的研发对于培养应用型大学的学生科技创新能力是一个有益的探索和途径。

关键词：有机太阳能电池板;AT89S51单片机;步进电机;太阳光照射角捕捉系统;恶劣环境保护系统

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0038-03

一、引言

科技创新是原创性科学研究和技术创新的总称，是指创造和应用新知识、新技术和新工艺，采用新的生产方式和经营管理模式，开发新产品、提高产品质量、提供新服务的过程。构建大学生科技创新能力培养体系，可以帮助学生逐渐形成创新的意识并加以发展，主要表现在以下几个方面：培养学生开展学术研究与探索的学习习惯，加强创新意识、创造创新思维和创新能力的培养，增强师生间的交流，培养大学生严谨的科学态度和团队合作精神，熟练掌握高新仪器设备的使用方法，提高学生的实践动手操作能力，增强学生运用知识、解决实际问题的能力。未来学大师、世界著名未来学家、当今最具影响力的社会思想家之一Alvin Toffler（阿尔温·托夫勒）说过：“未来的文盲，不再是目不识丁的人，而是没有学会如何学习的人”。因此，努力培养广大青年学生的创新意识、创造能力，造就适应未来挑战的新一代高素质人才，在国家发展进程中显得尤为重要，而大学生科技创新能力培养体系的构建与实施，对其起到巨大的推进作用。本课題组通过成立科技开发兴趣小组的形式，重点培养应用型本科大学生的科技创新能力，取得了丰硕的成果，其中最为典型的案例是提出一种小型的采用柔性有机太阳能电池板发电的智能捕捉与自我保护装置，该太阳能电池板区别于传统的硅型有机太阳能电池板的主要特性是具有成本低、可折叠、可剪裁以及良好的透光性;同时通过外界环境捕捉器设计和优化恶劣环境保护系统和太阳光照角捕捉系统，为进一步开发和应用大规模室外有机电池板提供了支持和借鉴，该产品的研发对于培养应用型大学的学生科技创新能力是一个有益的探索和途径。

二、系统设计

1.系统运行工作原理。本课题组设计的柔性有机太阳能电池板发电智能捕捉与自我保护装置具有成本低、功能易于调整、加工过程简单、可低温操作、可实现大面积制造等优点。而且可以利用有机太阳能电池板的可折叠性，在不使用时将其收入储存箱中，保护其使用寿命。环境信息采集装置由自行设计的太阳能角捕捉装装置和风力测算装置以及太阳光强度感受装置组成，太阳光入射角捕捉器内部设计为按4×6排列的光敏电阻，外壳黑色不透光，内部形成一个密闭的空间，外壳上部开一小孔，如图1所示。当太阳从不同角度照射时，太阳光会通过小孔照射到内部的不同电阻，每一块电阻对应着太阳能电池板转动的不同的角度，环境信息采集装置将收集到的信息传送给单片机进行信息处理。控制系统通过单片机编写控制程序组成，将环境采集系统所采集的信息进行测算整理后传送给执行装置。执行装置主要是有机太阳能电池板拉出及展开、收起与储存等功能，并且有机太阳能板可以东西方向和上下方向调节。拉出及展开装置是通过框架及电动机控制的滚轴转动的方式，同样地收起及储存装置也是通过电机控制滚轴转动的方式将有机太阳能电池板卷进箱体内。如图2所示，东西方向转动是通过电机控制箱体下方转盘转动的方式进行角度调节，上下角度调节是通过电机控制千斤顶升降的方式控制上下角度的调节。当系统检测到无雨湿度合适、无大风、光照良好时，系统开始运行，当这三种条件其中有一条不符合时系统停止运行，有机太阳能电池板收起。电量储存转化装置则是效仿硅太阳能电池板的电量储存转化装置进行优化处理，使其更适用于有机太阳能电池板系统。

2.系统运行工作特点。柔性有机太阳能电池板发电的智能捕捉与自我保护装置最大的特点是恶劣环境保护系统和太阳光照角捕捉系统。如图3所示，我们通过太阳照射角捕捉装置和风力测算装置，将采集到的外界环境信息传送到单片机所编写好的程序内进行数据处理，测算出外界环境是否是大风、下雨或者晚上等不适宜太阳能发电的环境。若是恶劣环境则有机太阳能电池板不会被从箱盒内拉出进行发电;若外界是良好的环境，则该装置开始工作，有机太阳能电池板被顶端滚轴从箱盒拉出展开进行发电。当有机太阳能板完全拉出展开后，太阳光照捕捉装置开始运行，通过对太阳光照角捕捉装置及控制装置收集处理后的信息进行分析，执行装置进行有机太阳能发电板的角度调节，到太阳光直射太阳能电池板时，调节完毕系统开始正常运行。

3.控制系统工作原理。该系统主要是通过将单片机AT89S51作为控制芯片，步进电机作为驱动器，自制的太阳光捕捉器和风力机作为采集装置，使太阳入射角能够与太阳能电池板始终保持垂直状态，达到按照时间变化定位太阳的位置，从而实现自动跟踪的目的。该系统具有设计简单、光电转换效率高、成本低、抗干扰性强等显著优点。太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和电子控制部分，机械部分主要由蓄电池极板支架、步进电机和支架组成，电子控制部分驱动步进电机旋转0到180度的方向。控制部分主要由软件算法组成，有成本低、智能化、可扩展性强等优势。自动跟踪电路的设计主要包括单片机控制单元和电机驱动电路，如图4和图5所示。

程序由检测外部环境条件、确定光线角度以及控制电机三大部分组成。单片机接收到外部环境条件的信号，确定有机太阳能电池板展开还是收回。通过光敏电阻模块确定太阳光线与地面的角度，每一个光敏电阻都对应着一个信号，单片机接收到信号后，经过主程序的处理，传给控制电机程序，通过程序处理后来控制3个步进电机使其能正反转和多次脉冲。本系统创造性地提出了状态的想法，若太阳能板为第一次启动或者每天的第一次启动，这就称为冷启动。冷启动时，电机只需要转原本设定的角度。反之，则太阳能板需要转动设定的角度减去现在已转过的角度，这时的状态称之为热启动。该调节机制的优点就是无论何时何地，只需要把太阳能板收起，恢复初始位置就可以使用。

三、结论

本课题组开发的小型柔性有机太阳能电池板发电的智能捕捉与自我保护装置具有太阳高度角实时捕捉系统和恶劣天气智能保护的功能，可应用于平整的屋顶、平地、倾斜度屋顶，以及硅太阳能电池板所不能应用的高楼和屋舍的墙面以及载重量轻的建筑顶棚。同时有机太阳能电池板价格便宜，更适合推广普及，并且太阳能照射角捕捉系统通过对太阳光照的捕捉可以提高太阳能的光电转换效率提高发电量，给用户及企业创造更高的经济效益。自身的恶劣天气保护系统，可以使有机太阳能电池板的使用年限大大延长，可做到一次性投资，长期收益。因此，进行小型柔性有机太阳能电池板的开发对于培养应用型大学的学生科技创新能力是一个有益的探索和途径。

参考文献：

[1]赵文玉，林安中.晶体硅太阳能电池及材料[J].太阳能学报，2013，2：85-94.

[2]李芬，陈正洪，何明琼，等.太阳能光伏发电的现状和前景[J].水电能源科学，2011，29（12）：188-192.

[3]吴玉荣.光伏系统中最大功率点跟踪算法研究[J].变频器世界，2010，2：1-6.

[4]赵淑华.单片机汇编语言编程100例[M].北京：中国电力出版社，2014，1.

[5]范战松，等.基于LM plc控制的太阳能跟踪系统[J].自动化应用，2011，8：22-50.

[6]魏永利.太阳能电池光谱响应测试系统研究[D].河北工业大学硕士学位论文，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：山东省本科高校教学改革研究项目（编号：Z2016M058）;泰山学院2018年度青年教师科研基金项目（QN-01-201802）;国家级大学生创新训练计划项目（编号：201710453070，201710453034）资助

作者简介：高博文（1977-），男，副教授，工学博士，泰山学院光伏材料与建筑一体化研究所所长，主要研究方向为有机光伏电池材料与器件的制备工艺以及钙钛矿太阳能电池的优化研究。