應用型大學本科生科技創新與研發典型案例分析

高博文　劉凱琪　魏亞靜　孟婧

摘要：文章基于應用型大學的學生科技創新與研發典型案例，結合本團隊實踐探索培養大學生科技創新能力的新途徑。文章提出一種小型的采用柔性有機太陽能電池板發電的智能捕捉與自我保護裝置，該太陽能電池板區別于傳統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;同時通過外界環境捕捉器設計和優化惡劣環境保護系統和太陽光照角捕捉系統，為進一步開發和應用大規模室外有機電池板提供了支持和借鑒，該產品的研發對于培養應用型大學的學生科技創新能力是一個有益的探索和途徑。

關鍵詞：有機太陽能電池板;AT89S51單片機;步進電機;太陽光照射角捕捉系統;惡劣環境保護系統

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

一、引言

科技創新是原創性科學研究和技術創新的總稱，是指創造和應用新知識、新技術和新工藝，采用新的生產方式和經營管理模式，開發新產品、提高產品質量、提供新服務的過程。構建大學生科技創新能力培養體系，可以幫助學生逐漸形成創新的意識并加以發展，主要表現在以下幾個方面：培養學生開展學術研究與探索的學習習慣，加強創新意識、創造創新思維和創新能力的培養，增強師生間的交流，培養大學生嚴謹的科學態度和團隊合作精神，熟練掌握高新儀器設備的使用方法，提高學生的實踐動手操作能力，增強學生運用知識、解決實際問題的能力。未來學大師、世界著名未來學家、當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，而是沒有學會如何學習的人”。因此，努力培養廣大青年學生的創新意識、創造能力，造就適應未來挑戰的新一代高素質人才，在國家發展進程中顯得尤為重要，而大學生科技創新能力培養體系的構建與實施，對其起到巨大的推進作用。本課題組通過成立科技開發興趣小組的形式，重點培養應用型本科大學生的科技創新能力，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電的智能捕捉與自我保護裝置，該太陽能電池板區別于傳統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;同時通過外界環境捕捉器設計和優化惡劣環境保護系統和太陽光照角捕捉系統，為進一步開發和應用大規模室外有機電池板提供了支持和借鑒，該產品的研發對于培養應用型大學的學生科技創新能力是一個有益的探索和途徑。

二、系統設計

1.系統運行工作原理。本課題組設計的柔性有機太陽能電池板發電智能捕捉與自我保護裝置具有成本低、功能易于調整、加工過程簡單、可低溫操作、可實現大面積制造等優點。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，保護其使用壽命。環境信息采集裝置由自行設計的太陽能角捕捉裝裝置和風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部設計為按4×6排列的光敏電阻，外殼黑色不透光，內部形成一個密閉的空間，外殼上部開一小孔，如圖1所示。當太陽從不同角度照射時，太陽光會通過小孔照射到內部的不同電阻，每一塊電阻對應著太陽能電池板轉動的不同的角度，環境信息采集裝置將收集到的信息傳送給單片機進行信息處理。控制系統通過單片機編寫控制程序組成，將環境采集系統所采集的信息進行測算整理后傳送給執行裝置。執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節。拉出及展開裝置是通過框架及電動機控制的滾軸轉動的方式，同樣地收起及儲存裝置也是通過電機控制滾軸轉動的方式將有機太陽能電池板卷進箱體內。如圖2所示，東西方向轉動是通過電機控制箱體下方轉盤轉動的方式進行角度調節，上下角度調節是通過電機控制千斤頂升降的方式控制上下角度的調節。當系統檢測到無雨濕度合適、無大風、光照良好時，系統開始運行，當這三種條件其中有一條不符合時系統停止運行，有機太陽能電池板收起。電量儲存轉化裝置則是效仿硅太陽能電池板的電量儲存轉化裝置進行優化處理，使其更適用于有機太陽能電池板系統。

2.系統運行工作特點。柔性有機太陽能電池板發電的智能捕捉與自我保護裝置最大的特點是惡劣環境保護系統和太陽光照角捕捉系統。如圖3所示，我們通過太陽照射角捕捉裝置和風力測算裝置，將采集到的外界環境信息傳送到單片機所編寫好的程序內進行數據處理，測算出外界環境是否是大風、下雨或者晚上等不適宜太陽能發電的環境。若是惡劣環境則有機太陽能電池板不會被從箱盒內拉出進行發電;若外界是良好的環境，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行發電。當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行分析，執行裝置進行有機太陽能發電板的角度調節，到太陽光直射太陽能電池板時，調節完畢系統開始正常運行。

3.控制系統工作原理。該系統主要是通過將單片機AT89S51作為控制芯片，步進電機作為驅動器，自制的太陽光捕捉器和風力機作為采集裝置，使太陽入射角能夠與太陽能電池板始終保持垂直狀態，達到按照時間變化定位太陽的位置，從而實現自動跟蹤的目的。該系統具有設計簡單、光電轉換效率高、成本低、抗干擾性強等顯著優點。太陽自動跟蹤系統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、步進電機和支架組成，電子控制部分驅動步進電機旋轉0到180度的方向。控制部分主要由軟件算法組成，有成本低、智能化、可擴展性強等優勢。自動跟蹤電路的設計主要包括單片機控制單元和電機驅動電路，如圖4和圖5所示。

程序由檢測外部環境條件、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著一個信號，單片機接收到信號后，經過主程序的處理，傳給控制電機程序，通過程序處理后來控制3個步進電機使其能正反轉和多次脈沖。本系統創造性地提出了狀態的想法，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，電機只需要轉原本設定的角度。反之，則太陽能板需要轉動設定的角度減去現在已轉過的角度，這時的狀態稱之為熱啟動。該調節機制的優點就是無論何時何地，只需要把太陽能板收起，恢復初始位置就可以使用。

三、結論

本課題組開發的小型柔性有機太陽能電池板發電的智能捕捉與自我保護裝置具有太陽高度角實時捕捉系統和惡劣天氣智能保護的功能，可應用于平整的屋頂、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通過對太陽光照的捕捉可以提高太陽能的光電轉換效率提高發電量，給用戶及企業創造更高的經濟效益。自身的惡劣天氣保護系統，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，進行小型柔性有機太陽能電池板的開發對于培養應用型大學的學生科技創新能力是一個有益的探索和途徑。

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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改革研究項目（編號：Z2016M058）;泰山學院2018年度青年教師科研基金項目（QN-01-201802）;國家級大學生創新訓練計劃項目（編號：201710453070，201710453034）資助

作者簡介：高博文（1977-），男，副教授，工學博士，泰山學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化研究。