基本信息
- 项目名称：
- 基于单片机太阳能蒸馏水随动控制的设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本设计方案的装置通过太阳能真空管对海水进行加热，并通过反光罩对阳光进行汇聚，利用汇聚阳光所获取的巨大能量对已预热的海水进行最终加热，以达到快速蒸发的效果。同时，方案运用传感器、时钟模块的太阳跟踪系统双线控制设计，有效提高了太阳能的利用率，并能最大限度的回避天气因素所造成的影响。实验当中，系统控制精度达到0.1ms的误差精度，基本达到设计的要求。整个设计费用较低，具有一定的运用价值。
- 详细介绍：
- 设计方案 本设计方案基于太阳能真空管热水器为原型，装置由随动控制、辅助控制模块、采光集热部分、供水模块和蒸馏模块共五部分构成。 工作原理为运用太阳辐射对需加工的海水等水体进行初步加热，利用反光罩的反光汇聚太阳能，对集热管的水体进行进一步加热，使水体达到比较理想的蒸发状态。蒸发回路采用中高温蒸馏法以获取淡水资源。另外，由于采用随动反光罩，装置实际集热面积将比原来集热管面积大幅度增加，提高了装置的工作效率[2]。 控制部分，采用STC12C5A60S2-35I-PDIP40单片机、PCF8563时钟芯片和日本VEXTA东方马达，使装置实现太阳能匀速跟踪双线控制方法。跟踪过程是将反光罩通过步进电机驱动，以地球自转角速度15°/h的速度转动[3]。在正常情况下由传感器接收光强信号，控制步进电机进行运动。遇到天气因素干扰，则采用时钟定时电路，装置进行小误差运行。最终由步进电机带动反光罩进行运动，基本可达到跟踪太阳，保持集热装置与太阳光线垂直的目的。并在太阳落山之后实现系统复位并待机，节约电能并延长控制装置的寿命。同时，本设计方案基本可以解决装置安装难度大、初始角度难确定和调节、受天气影响较大等问题。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 作品设计、发明的目的 淡水资源是人类生存的必需资源之一，但随着人口的急剧增长以及环境污染带来的灾难，导致淡水危机日渐成为关注的热点。本设计方案旨在尽可能的利用太阳能，减少对有限能源的依赖以得到蒸馏水，可在沿海地区，特别是南方岛礁等缺水地区使用。 2. 基本思路 本设计方案基于太阳能热水器为原型，运用太阳能对需加工的海水等水体进行加热，采用中高温蒸馏法以获取淡水资源。控制部分采用反光镜聚光原理，将汇聚的大量能量转移到真空管上，进一步提升真空管获得的热量。同时，利用定日镜原理，运用单片机使真空管的反光镜产生随动的效果，以达到最佳的采热效果。 3. 创新点： （1）采用随动装置，实现采热面基本与阳光保持最佳相对垂直，提高工作时长以及工作效率； （2）运用传感器与时钟双线控制，克服安装难度大的弱点。 4. 技术关键： （1）随动装置的设计以及角度转动的控制； （2）真空管给水量的控制，以确保蒸发效能达到最大。 5. 主要技术指标： （1） 光敏传感器的启动强度； （2）真空管倾斜角度根据纬度而设置，广州的角度约为20°-30°； （3）步进电机脉冲触发的确定。
科学性、先进性
- 目前，国内外由于人口以及工业的发展，用水量剧增。促使大规模的海水淡化项目零散出现，并逐渐进入人们的视线。目前淡化海水工程有几种方案，在利用太阳能对海水等水资源进行淡化的领域，国内外都有相应的措施，利用太阳能，电等能源进行辅助，以获取淡水资源，但其成本相对比较高，而且将耗费其他有限能源，不符合可持续发展的大方向。因此运用更为有效节能的方法来获取淡水资源也是部分缺水地区的研究热点之一。 海水淡化是解决淡水危机的根本途径，利用太阳能等清洁能源是海水淡化的方向，太阳能海水淡化技术绿色无污染、低能耗，具有广阔的发展前景。本装置相比于一般的固定安装角度的传统装置，不同之处在采用随动装置，提高了太阳能的利用率和产水量，成本非常低，整个装置造价250元左右，结构简单，易于推广；而且能耗低，步进电机功率控制在0.13W，能通过USB 5V电压直接驱动工作。另外系统运作所需的能量基本上来自太阳能。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年，在学校举办的“丁颖杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获二等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利权转让 专利实施许可
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、图纸、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本设计采用太阳能作为其主要的热量来源，依托太阳能真空管对管内海水等待处理水体进行预加热。相关数据表明，在良好的实验条件下，真空管的热换率可达到54%，预期收集的热量非常可观，对水的蒸发起到巨大的加速作用。真空管涂有涂层，透射率一般达到0.93-0.96。 同时采用太阳跟踪系统, 使太阳光始终垂直照射在接收面, 则接收到的太阳辐射将大大增加。 海水淡化是国内外日益关注的技术，正是因为淡水资源的重要性所在。目前市面上使用的蒸馏水技术种类较多，其中不乏较为成熟的、效率较高的，但对现行的方案普遍对其他有限能源依赖特别大，其产出的淡水资源成本相对较高，维护成本也比较高，不利于长久的投资建设。 针对以上现状，本装置提出了绿色的解决方案，基本可以实现高效稳定的产出淡水，单位能耗较低，设备安装及维护工作较简便，于此同时还能节省下大量的空间。适合在海岛与沿海干旱缺水等特殊环境的地方使用。
同类课题研究水平概述
- 近年来由于人口的暴涨和环境的污染加剧，淡水资源匮乏成为人们现实必须面对的问题，世界已经有五分之一的地区是严重缺水地区，我国更是一个严重缺水的国度。而海水，覆盖着地表近70%的面积，其总量非常巨大但却无法为人类直接利用。因而，利用海水进行淡化已经是许多干旱地区无二的选择。 国外太阳能海水淡化技术已有较长时间的发展, 过去二三十年内, 建造了大量的太阳能海水淡化系统, 其中部分至今仍在运行，下表展示了一些已经建成的并使用可再生能源的海水淡化项目,可以看出有相当大部分的系统使用了太阳能。 我国沿海地区如天津、大连、青岛、浙江等地都相继建设了一批海水淡化项目。到2007年初, 我国已建成海水淡化装置43套, 日产淡水量15.8万t。目前我国在建和待建的海水淡化工程有30项之多, 其中有.13的工程淡化规模达到了10万t/d以上。全部建成后, 我国海水淡化规模将会达到.19.58万t/d。然而, 由于国内相对落后的太阳能利用技术, 以太阳能作为能源, 尤其使用聚光集热方法的太阳能海水淡化系统尚无应用,需加大研究力度。 传统的海水淡化技术投资高, 能源消耗过大, 所耗能源主要来自石油和煤炭等化石燃料, 因而导致海水淡化技术无法推广。有个别研究表明淡水日产量1000m3的海水净化系统每年耗费1000t石油。对于缺乏化石燃料资源的地区, 特别某些人口密度低、没有大规模连接电网的偏远地区, 很难建立传统的海水淡化装置。如在最缺乏淡水的西北部地区和海岛也恰恰是缺乏常规能源供应的地区。 本方案所设计的基于随动控制的太阳能蒸馏器，在太阳能真空管对海水进行预热的基础上，利用反光镜镜汇聚太阳光，通过焦点产生的巨大热量对已预热的海水进行再次加热，以达到快速蒸发的目的，最后利用整套收集冷凝装置将水蒸气最大的回收为人类所利用。为使装置对太阳能的利用率达到最大化，在太阳真空管的反射镜的安装上采用随动的设计理念，及通过定日镜的设计方案，使采光设备保持与太阳光成约90°的相对位置，从而达到提到产水量和太阳能利用率的目的。本装置相比于一般的传统太阳能蒸馏装置，不同之处在采用随动装置，提高了太阳能的利用率和产水量，成本低，结构简单，易于推广；而且能耗低，运作所需的能量基本上来自太阳能，不消耗不可再生资源，不产生二次污染。
