太陽能隨動控制淡水凈化系統研究與設計

黃曉鵬* 韓宇弦 蘇嚴杰 李延龍

(南華大學電氣工程學院,湖南 衡陽 421001)

隨著現代工業的發展,全球能源危機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,有著深遠的能源戰略意義。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成為科技發展、社會可持續發展的一大基礎。而近年來由于人口的暴漲和環境的污染加劇,淡水資源匱乏成為人們現實必須面對的問題,世界已經有五分之一的地區是嚴重缺水地區,我國更是一個嚴重缺水的國度。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,利用海水進行淡化已經是許多干旱地區無二的選擇。

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,由此帶來的不穩定性也是主要面臨的問題。

1 現有技術手段

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度的問題,主要是通過太陽跟蹤器,實現陽光垂直入射,以提高輻射強度。具體則是通過傳感器來實現跟蹤的控制效果。現有的海水淡化技術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構涉及這一領域。目前,已經開發的海水淡化技術有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 基本設計思路

本方案所設計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行預熱的基礎上,利用反光鏡鏡匯聚太陽光,通過焦點產生的巨大熱量對已預熱的海水進行再次加熱,以達到快速蒸發的目的,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計理念,及通過定日鏡的設計方案,使采光設備保持與太陽光成約90°的相對位置,從而達到提到產水量和太陽能利用率的目的。本裝置相比于一般的傳統太陽能蒸餾裝置,不同之處在采用隨動裝置,提高了太陽能的利用率和產水量,成本低,結構簡單,易于推廣；而且能耗低,運作所需的能量基本上來自太陽能,不消耗不可再生資源,不產生二次污染。

3 節能設計方案

本節能設計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海水等待處理水體進行預加熱。相關數據表明,在良好的實驗條件下,真空管的熱換率可達到54%,預期收集的熱量非?？捎^,對水的蒸發起到巨大的加速作用。真空管涂有涂層,透射率一般達到0.93-0.96。

通過真空管,對水體進行預熱的效果比較理想。最后利用反光鏡聚光,焦點匯聚大量能量的原理,進一步提高真空管吸收的熱量,以達到最終快速蒸發的目的。在理想情況下,經聚光加熱之后,管內溫度能達到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,為使裝置能經常保持在最佳的采熱位置下,設計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動。

使用太陽跟蹤系統, 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, 可見應用太陽自動跟蹤系統可以有效提高太陽能的利用率。

圖1 太陽跟蹤控制系統流程圖

此外,本裝置采用靜態蒸餾法,利用U 型管模型,使真空管內液面高度保持恒定。給水箱使用浮子開關,其液面高度與真空管液面高度基本同步,在輸送海水進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,減少熱量損失。

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

針對以上現狀,本裝置提出了綠色的解決方案,基本可以實現高效穩定的產出淡水,單位能耗較低,設備安裝及維護工作較簡便,于此同時還能節省下大量的空間。適合在海島與沿海干旱缺水等特殊環境的地方使用。

4 步進電機驅動電路

X、Y 軸步進電機采用42 步進電機(保持轉矩：48N·cm min,制動扭矩：2.6N·cm,轉子力矩：68g·cm2),使用其配套驅動器A4988 進行驅動,A4988 是一款帶轉換器和過流保護的DMOS 微步驅動器,該產品可在全、半、1/4、1/8 及1/16 步進模式時操作雙極步進電動機,輸出驅動性能可達35±2V,A4988 包括一個固定關斷時間電流穩壓器,該穩壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉換器是A4988 易于實施的關鍵。只要在“步進”輸入中輸入一個脈沖,即可驅動電動機產生微步。無須進行相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面編程。另外A4988 驅動器為可插拔式模塊,結構穩定、抗干擾性好、易更換。

圖2 步進電機驅動電路

5 預期成果

圖3 裝置二維圖

圖4 部分電路圖

目前,國內外由于人口以及工業的發展,用水量劇增。促使大規模的海水淡化項目零散出現,并逐漸進入人們的視線。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行淡化的領域,國內外都有相應的措施,利用太陽能、電等能源進行輔助,以獲取淡水資源,但其成本相對比較高,而且將耗費其他有限能源,不符合可持續發展的大方向。因此運用更為有效節能的方法來獲取淡水資源也是部分缺水地區的研究熱點之一。

海水淡化是解決淡水危機的根本途徑,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綠色無污染、低能耗,具有廣闊的發展前景。本裝置相比于一般的固定安裝角度的傳統裝置,不同之處在采用隨動裝置,提高了太陽能的利用率和產水量,成本非常低,結構簡單,易于推廣；而且能耗低,步進電機功率控制在0.13W,能通過USB 5V 電壓直接驅動工作。另外系統運作所需的能量基本上來自太陽能。