太陽能隨動控制淡水凈化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

黃曉鵬* 韓宇弦 蘇嚴(yán)杰 李延龍

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出,太陽能這個清潔的可再生能源,已受到許多國家的高度重視和利用。我國是一個太陽能資源較為豐富的國家,且分布范圍較廣,因此充分利用太陽能資源,有著深遠(yuǎn)的能源戰(zhàn)略意義。淡水資源,作為人類生存的必需品,保證足夠的生活用水可以說是已經(jīng)成為科技發(fā)展、社會可持續(xù)發(fā)展的一大基礎(chǔ)。而近年來由于人口的暴漲和環(huán)境的污染加劇,淡水資源匱乏成為人們現(xiàn)實(shí)必須面對的問題,世界已經(jīng)有五分之一的地區(qū)是嚴(yán)重缺水地區(qū),我國更是一個嚴(yán)重缺水的國度。而海水,覆蓋著地表近70%的面積,其總量非常巨大但卻無法為人類直接利用。因而,利用海水進(jìn)行淡化已經(jīng)是許多干旱地區(qū)無二的選擇。

利用太陽能作為海水淡化的主要能量來源,是目前比較普遍的技術(shù)之一。但主要面臨的問題是太陽能的利用效率只停留在一定的階段,還沒有成本比較低廉的解決方案。同時,利用太陽能受天氣因素影響較大,由此帶來的不穩(wěn)定性也是主要面臨的問題。

1 現(xiàn)有技術(shù)手段

為解決太陽能利用率的問題,目前國外主要從兩個方面入手來解決,一個是研制新型材料,使采光、熱轉(zhuǎn)換效率、集熱等性能不斷提升；另一方面則通過解決日照時間與日照強(qiáng)度的問題,主要是通過太陽跟蹤器,實(shí)現(xiàn)陽光垂直入射,以提高輻射強(qiáng)度。具體則是通過傳感器來實(shí)現(xiàn)跟蹤的控制效果?，F(xiàn)有的海水淡化技術(shù)原則上適用于苦咸水淡化、污水回用、硬水軟化,世界各國眾多科研機(jī)構(gòu)涉及這一領(lǐng)域。目前,已經(jīng)開發(fā)的海水淡化技術(shù)有20 多種,雖然方法眾多, 但主要可以分為如下幾類：蒸餾法、反滲透(RO)、電析法、冷凍法。

2 基本設(shè)計(jì)思路

本方案所設(shè)計(jì)的基于隨動控制的太陽能蒸餾器,在太陽能真空管對海水進(jìn)行預(yù)熱的基礎(chǔ)上,利用反光鏡鏡匯聚太陽光,通過焦點(diǎn)產(chǎn)生的巨大熱量對已預(yù)熱的海水進(jìn)行再次加熱,以達(dá)到快速蒸發(fā)的目的,最后利用整套收集冷凝裝置將水蒸氣最大的回收為人類所利用。此外,為使裝置對太陽能的利用率達(dá)到最大化,在太陽能真空管的反射鏡的安裝上采用隨動的設(shè)計(jì)理念,及通過定日鏡的設(shè)計(jì)方案,使采光設(shè)備保持與太陽光成約90°的相對位置,從而達(dá)到提到產(chǎn)水量和太陽能利用率的目的。本裝置相比于一般的傳統(tǒng)太陽能蒸餾裝置,不同之處在采用隨動裝置,提高了太陽能的利用率和產(chǎn)水量,成本低,結(jié)構(gòu)簡單,易于推廣；而且能耗低,運(yùn)作所需的能量基本上來自太陽能,不消耗不可再生資源,不產(chǎn)生二次污染。

3 節(jié)能設(shè)計(jì)方案

本節(jié)能設(shè)計(jì)采用太陽能作為其主要的熱量來源,依托太陽能真空管對管內(nèi)海水等待處理水體進(jìn)行預(yù)加熱。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,在良好的實(shí)驗(yàn)條件下,真空管的熱換率可達(dá)到54%,預(yù)期收集的熱量非常可觀,對水的蒸發(fā)起到巨大的加速作用。真空管涂有涂層,透射率一般達(dá)到0.93-0.96。

通過真空管,對水體進(jìn)行預(yù)熱的效果比較理想。最后利用反光鏡聚光,焦點(diǎn)匯聚大量能量的原理,進(jìn)一步提高真空管吸收的熱量,以達(dá)到最終快速蒸發(fā)的目的。在理想情況下,經(jīng)聚光加熱之后,管內(nèi)溫度能達(dá)到130°左右,符合本裝置提出的中高溫蒸餾法。

此外,由于太陽的移動,為使裝置能經(jīng)常保持在最佳的采熱位置下,設(shè)計(jì)時利用定日鏡的原理,利用隨動裝置,使真空管的反光罩隨著太陽光而轉(zhuǎn)動。

使用太陽跟蹤系統(tǒng), 使太陽光始終垂直照射在接收面, 則接收到的太陽輻射將大大增加。研究表明, 對于完全相同的平板, 與太陽輻射方向垂直的表面和朝南鉛直方向的固定表面,一天中兩者接收到的太陽輻射的比值大約是3：1, 可見應(yīng)用太陽自動跟蹤系統(tǒng)可以有效提高太陽能的利用率。

圖1 太陽跟蹤控制系統(tǒng)流程圖

此外,本裝置采用靜態(tài)蒸餾法,利用U 型管模型,使真空管內(nèi)液面高度保持恒定。給水箱使用浮子開關(guān),其液面高度與真空管液面高度基本同步,在輸送海水進(jìn)入真空管的水管上連接一個針孔閥,起到限流以及隔熱的作用,確保真空管處于較好的工作狀態(tài),減少熱量損失。

海水淡化是國內(nèi)外日益關(guān)注的技術(shù),正是因?yàn)榈Y源的重要性所在。目前市面上使用的蒸餾水技術(shù)種類較多,其中不乏較為成熟的、效率較高的,但對現(xiàn)行的方案普遍對其它有限能源依賴特別大,其產(chǎn)出的淡水資源成本相對較高,維護(hù)成本也比較高,不利于長久的投資建設(shè)。

針對以上現(xiàn)狀,本裝置提出了綠色的解決方案,基本可以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的產(chǎn)出淡水,單位能耗較低,設(shè)備安裝及維護(hù)工作較簡便,于此同時還能節(jié)省下大量的空間。適合在海島與沿海干旱缺水等特殊環(huán)境的地方使用。

4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

X、Y 軸步進(jìn)電機(jī)采用42 步進(jìn)電機(jī)(保持轉(zhuǎn)矩：48N·cm min,制動扭矩：2.6N·cm,轉(zhuǎn)子力矩：68g·cm2),使用其配套驅(qū)動器A4988 進(jìn)行驅(qū)動,A4988 是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS 微步驅(qū)動器,該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8 及1/16 步進(jìn)模式時操作雙極步進(jìn)電動機(jī),輸出驅(qū)動性能可達(dá)35±2V,A4988 包括一個固定關(guān)斷時間電流穩(wěn)壓器,該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉(zhuǎn)換器是A4988 易于實(shí)施的關(guān)鍵。只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個脈沖,即可驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生微步。無須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程。另外A4988 驅(qū)動器為可插拔式模塊,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗干擾性好、易更換。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

5 預(yù)期成果

圖3 裝置二維圖

圖4 部分電路圖

目前,國內(nèi)外由于人口以及工業(yè)的發(fā)展,用水量劇增。促使大規(guī)模的海水淡化項(xiàng)目零散出現(xiàn),并逐漸進(jìn)入人們的視線。目前淡化海水工程有幾種方案,在利用太陽能對海水等水資源進(jìn)行淡化的領(lǐng)域,國內(nèi)外都有相應(yīng)的措施,利用太陽能、電等能源進(jìn)行輔助,以獲取淡水資源,但其成本相對比較高,而且將耗費(fèi)其他有限能源,不符合可持續(xù)發(fā)展的大方向。因此運(yùn)用更為有效節(jié)能的方法來獲取淡水資源也是部分缺水地區(qū)的研究熱點(diǎn)之一。

海水淡化是解決淡水危機(jī)的根本途徑,利用太陽能等清潔能源是海水淡化的方向,太陽能海水淡化技術(shù)綠色無污染、低能耗,具有廣闊的發(fā)展前景。本裝置相比于一般的固定安裝角度的傳統(tǒng)裝置,不同之處在采用隨動裝置,提高了太陽能的利用率和產(chǎn)水量,成本非常低,結(jié)構(gòu)簡單,易于推廣；而且能耗低,步進(jìn)電機(jī)功率控制在0.13W,能通過USB 5V 電壓直接驅(qū)動工作。另外系統(tǒng)運(yùn)作所需的能量基本上來自太陽能。