淺談機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在太陽(yáng)能領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用

于 洋

大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116000

0 引言

近年來(lái)，新能源的開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題是世界上各個(gè)國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)科研問(wèn)題，隨著人類社會(huì)持續(xù)快速的發(fā)展，煤、石油以及天然氣等傳統(tǒng)形式的能源能夠被開發(fā)利用的已越來(lái)越少，國(guó)際輿論對(duì)人類社會(huì)面臨的“能源危機(jī)”問(wèn)題也開始越來(lái)越高度關(guān)注。據(jù)世界相關(guān)能源權(quán)威調(diào)查機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析，世界上剩余的可開采石油量可供人類開采的時(shí)間長(zhǎng)度大約只剩下40年，天然氣可供開采的時(shí)長(zhǎng)大約還剩61年，煤碳資源大約還能開采230年。而且在我國(guó)，傳統(tǒng)形式的能源儲(chǔ)備量大約只占世界上常規(guī)能源總儲(chǔ)量的10%；另一方面，長(zhǎng)期大量使用傳統(tǒng)形式的化石能源，已經(jīng)對(duì)地球環(huán)境造成了嚴(yán)重污染和破壞，地球生態(tài)環(huán)境也正在逐步嚴(yán)重惡化。

針對(duì)越來(lái)越嚴(yán)重的“能源危機(jī)”問(wèn)題，目前世界上大多數(shù)國(guó)家都已制定并實(shí)施了與可再生能源利用相關(guān)的法律法規(guī)，正逐步促進(jìn)著利用可再生能源技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。在目前可利用的可再生能源中，太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，且其受其他因素的影響相對(duì)風(fēng)能、水能來(lái)講較小，其開發(fā)利用的技術(shù)發(fā)展的相對(duì)較快。因此，世界上越來(lái)越多的國(guó)家、科研機(jī)構(gòu)和院校都在加大力度對(duì)太陽(yáng)能的開發(fā)利用進(jìn)行研究，使得太陽(yáng)能利用在光伏產(chǎn)業(yè)方面發(fā)展迅速。根據(jù)世界光伏產(chǎn)業(yè)相關(guān)的發(fā)展報(bào)告統(tǒng)計(jì)顯示，最近10～20年太陽(yáng)能電池及組件研究開發(fā)并生產(chǎn)成功的速度越來(lái)越快，最近幾年的平均增長(zhǎng)率甚至超過(guò)了40%。

1 機(jī)械自動(dòng)化在太陽(yáng)能領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

但是，我國(guó)在太陽(yáng)能能源開發(fā)利用的過(guò)程中還存在不少問(wèn)題。如我國(guó)還沒(méi)有自己掌握太陽(yáng)能開發(fā)利用的核心技術(shù)，機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大差距，對(duì)太陽(yáng)能開發(fā)利用過(guò)程中無(wú)法更好地處理尾氣的閉氣循環(huán)利用等問(wèn)題[1]。而且現(xiàn)在開發(fā)利用太陽(yáng)能的設(shè)備系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜、設(shè)備規(guī)模也越發(fā)龐大、各設(shè)備間以及設(shè)備各組成部件之間的聯(lián)系也越來(lái)越緊密，這些都對(duì)開發(fā)利用太陽(yáng)能的機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平提出了新的要求。針對(duì)目前我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文主要對(duì)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)在太陽(yáng)能光伏和太陽(yáng)能光熱利用產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的探討。

2 機(jī)械自動(dòng)化在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用

光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在未來(lái)將成為人類用電電網(wǎng)的支柱和方向，隨著我國(guó)“可再生能源法”的頒布實(shí)施，以及在世界上其它國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展需求的帶動(dòng)下，近年來(lái)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模也迅速擴(kuò)大，發(fā)展速度也大幅增長(zhǎng)，相應(yīng)的太陽(yáng)能光伏設(shè)備與產(chǎn)品的產(chǎn)能與銷量也節(jié)節(jié)攀升。但是，我國(guó)在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在較大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)投建的大部分多晶硅提純項(xiàng)目中，晶硅提純技術(shù)采用的都是經(jīng)改良的西門子法，國(guó)際上太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)廠商控制著晶硅提純的先進(jìn)核心技術(shù)，我國(guó)多晶硅提純技術(shù)的發(fā)展相對(duì)還很不成熟，機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化程度還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到世界先進(jìn)水平，對(duì)太陽(yáng)能開發(fā)利用過(guò)程中尾氣的循環(huán)利用技術(shù)還較落后，開發(fā)成本過(guò)高。因此，研究并掌握多晶硅的提純核心技術(shù)，逐步提高機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化以及智能化的程度，是我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需解決的一個(gè)難題。

2）用于沉積Si3N4層的PECVD設(shè)備，在產(chǎn)能和技術(shù)水平層面上都已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，機(jī)械設(shè)備的價(jià)格也大幅低于進(jìn)口的設(shè)備價(jià)格，因此在國(guó)內(nèi)也獲得了越來(lái)越多產(chǎn)商的青睞。 但是，該設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在一定差距，主要反應(yīng)在設(shè)備的自動(dòng)裝卸片方面。

3）對(duì)于硅片切片設(shè)備的要求，應(yīng)確保硅片切片后表面充分平整、沒(méi)有明顯的劃痕，切片的幾何尺寸誤差應(yīng)不超過(guò)0.5mm，切片上任意兩個(gè)弧線弦線長(zhǎng)度相差應(yīng)不大于1mm。隨著切片技術(shù)的不斷發(fā)展，硅片厚度也逐漸減小，目前國(guó)際先進(jìn)水平的硅切片最薄厚度已經(jīng)突破了180mm，而我國(guó)的硅切片厚度最好時(shí)還只能到200mm。可見，我國(guó)硅切片設(shè)備的高度自動(dòng)化和精細(xì)化的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走。

4）相比于在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)的國(guó)際先進(jìn)水平，我國(guó)還沒(méi)有完全掌握全自動(dòng)絲網(wǎng)印刷技術(shù)，因此幾乎所有的國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能開發(fā)利用產(chǎn)家，不得不從國(guó)外以昂貴的價(jià)格購(gòu)買絲網(wǎng)印刷設(shè)備。

5）太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常情況下包括由光伏電池組件、逆變器、控制器和蓄電池組等部件構(gòu)成，該系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵是機(jī)械組件的自動(dòng)化控制和信息智能化處理。例如，已有學(xué)者發(fā)明了一種能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)移動(dòng)的太陽(yáng)能利用設(shè)備，該設(shè)備主要由自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器、盛有液體的平衡箱、支撐框架及結(jié)構(gòu)、彈簧等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能開發(fā)利用過(guò)程中跟蹤的高自動(dòng)化和智能化，且設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，適合多種不同形式和規(guī)模的太陽(yáng)能開發(fā)利用的設(shè)備[2]。但目前我國(guó)在逆變器、控制器和蓄電池組等部件的技術(shù)水平還十分有限，尤其是相應(yīng)的檢測(cè)儀器設(shè)備、設(shè)備監(jiān)管儀器、運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)還沒(méi)有達(dá)到大規(guī)模、高自動(dòng)化智能化的流水線式生產(chǎn)水平，生產(chǎn)成本相比較高。

客觀地說(shuō)，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目前還處于起步階段，與傳統(tǒng)能源開采利用的成本相比，首先急需解決的問(wèn)題是如何在太陽(yáng)能開采過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化和智能化，如何降低進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用的成本問(wèn)題。在全世界都在大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的背景下，我過(guò)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)先進(jìn)設(shè)備的研發(fā)力度，全面提升機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化水平，才能使我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷走向成熟。

3 機(jī)械自動(dòng)化在太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用

對(duì)太陽(yáng)能光熱進(jìn)行開發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)主要包括有太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)能熱水器以及近年來(lái)發(fā)展較快的太陽(yáng)能建筑。其中，太陽(yáng)能熱水器將太陽(yáng)能熱利用的較充分，但其機(jī)械自動(dòng)化程度不高；太陽(yáng)能建筑集成近年來(lái)已逐漸成為國(guó)際上正在重點(diǎn)開發(fā)的新技術(shù)，其對(duì)機(jī)械自動(dòng)化的要求也較高；三者相對(duì)來(lái)說(shuō)，利用太陽(yáng)能熱發(fā)電對(duì)機(jī)械自動(dòng)化的要求最高，目前利用太陽(yáng)能熱發(fā)電的系統(tǒng)主要包括3種類型：塔式系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)和槽式線聚焦系統(tǒng)。例如，相關(guān)學(xué)者研發(fā)的一種完全自動(dòng)控制式太陽(yáng)能采暖裝置[3]，該設(shè)備的突出特點(diǎn)是將太陽(yáng)能熱水器與散熱器、泵相連接形成一個(gè)整體，并同時(shí)將溫度控制儀、時(shí)間控制儀與泵相連接，使整個(gè)采暖裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度智能化的自動(dòng)控制，與傳統(tǒng)的采暖技術(shù)相比，該裝置具有充分節(jié)約能源、降低能耗；既可通過(guò)溫度進(jìn)行控制，又可利用時(shí)間進(jìn)行控制的高智能化自動(dòng)控制功能。該裝置正常運(yùn)行時(shí)自身可進(jìn)行最佳狀態(tài)調(diào)整而不需要經(jīng)常進(jìn)行人工調(diào)整，使用方便，節(jié)能環(huán)保。

5 結(jié)論

在全球傳統(tǒng)能源利用日趨緊張和加強(qiáng)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的背景下，提高機(jī)械設(shè)備在太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱開發(fā)利用領(lǐng)域中應(yīng)用的自動(dòng)化水平，機(jī)械設(shè)備應(yīng)該在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能、遠(yuǎn)程控制功能、設(shè)備遠(yuǎn)程跟蹤功能等方面提高科技含量，不斷提升生產(chǎn)流程的自動(dòng)化水平，才能在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)激烈的太陽(yáng)能開發(fā)利用領(lǐng)域中取得發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。

[1]李曉剛.中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

[2]解元.自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的太陽(yáng)能設(shè)備.中國(guó)：CN1114738,1996.

[3]徐明娜，錢珊珠，張峰，等.基于PLC的太陽(yáng)能采暖控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，2.