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(xiàn)代工業(yè)的發(fā)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(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。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)實必須面對的問題,世界已經(jīng)有五分之一的地區(qū)是嚴重缺水地區(qū),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(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度的問題,主要是通過太陽跟蹤器,實現(xiàn)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(xiàn)跟蹤的控制效果。現(xiàn)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(jīng)開發(fā)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(chǎn)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(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(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(chǎn)生二次污染。

3 節(jié)能設計方案

本節(jié)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(nèi)海水等待處理水體進行預加熱。相關數(shù)據(jù)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(fā)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(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(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,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(tài),減少熱量損失。

海水淡化是國內(nèi)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(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,維護成本也比較高,不利于長久的投資建設。

針對以上現(xiàn)狀,本裝置提出了綠色的解決方案,基本可以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的產(chǎn)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(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 步進電機驅(qū)動電路

X、Y 軸步進電機采用42 步進電機(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 進行驅(qū)動,A4988 是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護的DMOS 微步驅(qū)動器,該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8 及1/16 步進模式時操作雙極步進電動機,輸出驅(qū)動性能可達35±2V,A4988 包括一個固定關斷時間電流穩(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 易于實施的關鍵。只要在“步進”輸入中輸入一個脈沖,即可驅(qū)動電動機產(chǎn)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(qū)動器為可插拔式模塊,結(jié)構穩(wěn)定、抗干擾性好、易更換。

圖2 步進電機驅(qū)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(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)模的海水淡化項目零散出現(xiàn),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(nèi)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(xù)發(fā)展的大方向。因此運用更為有效節(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(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(qū)動工作。另外系統(tǒng)運作所需的能量基本上來自太陽能。