基于单片机太阳能随动控制的设计申报书

PAGE21PAGE1作品全称基于单片机太阳能蒸馏水随动控制的设计作品分类（A）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）作品设计、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。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。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。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。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。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）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USB5V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。真空管反光罩简易支架真空管反光罩简易支架供水蒸发装置电源太阳平行光单片机时钟电路储水箱黑箱（传感器）步进电机作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果作品所处阶段（A）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段DA（自填）技术转让方式作品可展示的形式√实物、产品√模型√图纸□磁盘√现场演示√图片□录像√样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测本节能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。通过真空管，对水体进行预热的效果比较理想。最后利用反光镜聚光，焦点汇聚大量能量的原理，进一步提高真空管吸收的热量，以达到最终快速蒸发的目的。在理想情况下，经聚光加热之后，管内温度能达到130°左右，符合本装置提出的中高温蒸馏法。此外，由于太阳的移动，为使装置能经常保持在最佳的采热位置下，设计时利用定日镜的原理，利用随动装置，使真空管的反光罩随着太阳光而转动。使用太阳跟踪系统,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。研究表明,对于完全相同的平板,与太阳辐射方向垂直的表面和朝南铅直方向的固定表面,一天中两者接收到的太阳辐射的比值大约是3：1,可见应用太阳自动跟踪系统可以有效提高太阳能的利用率。电源电源液晶显示光敏传感器时钟控制电路主控制程序步进电机脉冲信号图2双线随动控制图此外，本装置采用静态蒸馏法，利用U型管模型，使真空管内液面高度保持恒定。给水箱使用浮子开关，其液面高度与真空管液面高度基本同步，在输送海水进入真空管的水管上连接一个针孔阀，起到限流以及隔热的作用，确保真空管处于较好的工作状态，减少热量损失。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。参考文献[1]解梦秋，郑宏飞，叶鸿烈.吸收式太阳能海水淡化技术[J].可再生能源，2006(2),55-56

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C.当前国内外同类课题研究水平概述随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能这个清洁的可再生能源，已受到许多国家的高度重视和利用。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，且分布范围较广，因此充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。淡水资源，作为人类生存的必需品，保证足够的生活用水可以说是已经成为科技发展、社会可持续发展的一大基础。而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。利用太阳能来作为海水淡化的主要能量来源，是比较目前比较普遍的技术之一。但主要面临的问题是太阳能的利用效率只停留在一定的阶段，还没有成本比较低廉的解决方案。同时，利用太阳能受天气因素影响较大，由此带来的不稳定性也是主要面临的问题。为解决太阳能利用率的问题，目前国外主要从两个方面入手来解决，一个是研制新型材料，使采光、热转换效率、集热等性能不断提升；另一方面则通过解决日照时间与日照强度的问题，主要是通过太阳跟踪器，实现阳光垂直入射，以提高辐射强度。具体则是通过传感器来实现跟踪的控制效果。现有的海水淡化技术原则上适用于苦咸水淡化、污水回用、硬水软化,世界各国众多科研机构涉及这一领域。目前,已经开发的海水淡化技术有20多种，虽然方法众多,但主要可以分为如下几类：1、蒸馏法，可分为多效蒸发(MED)(又分为竖管多效蒸发VTE、水平管多效蒸发THE、高温低温多效蒸发MEI等)、闪蒸(flash)(又分为低温单级闪蒸SSF、多级闪蒸MSF等)、压汽蒸馏(VC)(又分为机械压汽蒸馏MVC和热力压汽蒸馏TVC)；2、反渗透（RO）；3、电析法；4、冷冻法。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。各国太阳能海水淡化系统列表系统所在国系统所在地点适用水质淡化单元淡化产量太阳能利用情况完成时间淡水耗费阿联酋阿布扎比海水MED80m31862m219848$/m3意大利兰佩杜萨海水RO(3+2)m3/h100kWPV19906.5∈/m3西班牙阿尔梅里亚大学苦咸水R

2.5m323.5kWPV1990—以色列Ma’aganMichael苦咸水RO0.4m33.5kWPV,0.6kWW/T3kW1997—西班牙阿尔梅里亚海水MED3m36.5MW集热器19883.5∈/m3希腊可再生能源中心海水RO130It/h4kWPV,1kWW/T2002—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。此外，为使装置对太阳能的利用率达到最大化，在太阳能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。

请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价目前海水等水体的淡化课题，在国外部分严重缺水地区已引起普遍关注，其他经济发展大国也在积极想法设法应对淡水缺乏的危机。海水淡化将是解决水资源匮乏的主要方法之一。同时本设计采用绿色节能理念与合理的解决方案，符合当前节能减排的大趋势。其它说明基于单片机太阳能蒸馏水随动控制的设计作者：陈楚文、唐本源、黄涛强、任振强指导老师：吴伟斌（华南农业大学，工程学院，广州，510642）【摘要】由于世界人口的急剧膨胀，以及严重环境污染所导致的生态灾难，使得原本已经非常有限的淡水资源变得更为可贵。如何高效益获取淡水资源已经引起广泛关注。本设计方案为了能在海岛或者沿海干旱等特殊环境获取淡水资源，利用太阳能来淡化海水。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。关键词：太阳能随动控制单片机光敏传感器蒸馏水器引言淡水资源，是人类生存的必需品之一，是人类不可替代的宝贵自然资源。但随着现代化建设的高速发展，环境污染越来越严重，我们周围可供使用的水质正日趋下降。水资源短缺已成为21世纪人类面临的重大问题。我国水资源的形势更加不容乐观，人均占有水量只居世界的弟108位，相当于世界人均水平的1/4，缺水城市占全国城市的2/3，被列为世界上13个贫水国之一。这将严重影响到我国可持续发展战略的实施。此外，覆盖地球表面71%的海洋蕴含的海水占地球总水量的95%，却不能被人类直接使用，而可供人类直接享用的淡水总量不足地球总储水量的十万分之七[1]。为了迎合可持续发展的科学战略，解决潜在的能源危机，缓解世界各国的经济以及保护环境的要求，对太阳能进行高效、大规模运用已经渐渐成为热点，大力开展基于太阳能等绿色能源的海水淡化技术也渐渐成为主流。太阳能海水淡化技术绿色无污染、低能耗，是解决淡水危机的有效途径，对缓解当代水资源短缺等系列问题具有深远的战略意义。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。而运用太阳能进行海水淡化，前提条件是要有太阳光照。集热装置汇集的热量与照射到它上面的光照强度成正比。而比较可行的是接受太阳的直射光，此举可得到太阳最大的光照强度。由于太阳的位置每时每刻都在变化，如果想得到上述的效果，必须使集热装置随时跟随太阳运动，才能保证太阳光始终垂直照射到集热装置上。为了实现这一目的，需要设计一个随动的控制方案。本文从这点切入，旨在以较低的成本成功实现这一控制。1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1.1装置整体示意图真空管反光罩真空管反光罩简易支架供水蒸发装置电源太阳平行光单片机时钟电路储水箱黑箱（传感器）步进电机图1整体装置示意简图2系统组成与工作原理2.1随动控制系统由于地球的自转速度是固定的，可以认为，早上太阳从东方升起经正南方向向西运动并落山，太阳在方位角上以15°/h匀速运动，24h移动一周。高度角等于当地纬度作为一个极轴不变。因而采用匀速随动控制方法是可行的。其工作原理如图2所示。电源电源液晶显示光敏传感器时钟控制电路主控制程序步进电机脉冲信号图2双线随动控制图系统利用光敏传感器作为信号源。将光敏电阻安置于只留有一条狭缝的黑箱当中。黑箱制作成狭缝状，可以解决由于地球随太阳公转照成的太阳高度的改变。当接受太阳的直射光照时，阻值发生改变随即驱动控制程序，由主程序发出脉冲信号驱动步进电机进行运动。时钟电路采用PCF8563时钟芯片，由晶振控制，其电路图设计如图3所示。因为晶振的误差值为1us,对系统的时间影响非常小。为避免云雾等特殊天气情况造成系统无法正常按时启动工作，随动控制的触发程序还设置了一个时钟定时开关。通过现有的日出时间数据，我们可以得出一个当季度最迟日出时间，如表1所示[4]。将此时间作为系统最迟启动工作时间。如果遇上特殊天气而传感器暂时失效，则由时钟电路的定时装置，在最迟触发时间发出触发信号，使主程序工作，装置进入小误差工作状态，从而最大可能降低系统意外无法正常工作的情况。表1各月份当月最迟日出时间统计表月份最晚日出时间（上午）月份最晚日出时间（上午）17:1075:5727:0786:0936:4996:1846:20106:3155:54116:5065:45127:08图3时钟电路图主程序部分采用STC12C5A60S2-35I-PDIP40单片机，电路图如图4所示图4主控制程序电路图2.2附属控制系统2.2.1步进电机控制本设计采用日本VEXTA东方马达生产的2-PHASE步进电机，其控制策略当步精度达到1.8°，可实现本设计的高精度要求。其驱动电路如图5。为了实现对太阳的同步追踪，理论上应该使步进电机不断驱动反光罩随太阳移动，步进电机额定电流为0.8A，额定电压4.5V，广州夏季最长日照时间为12小时，此时步进电机消耗的能量为：4.5×0.8×12×3600＝155520J。为了达到减少步进电机转动的次数，从而节省能源的目的，同时在尽量确保反光罩紧密追踪太阳的条件下，将电机转动的时间间隔定为4min。在这种情况下，电机每小时只需转动15次，每次转动的时间约为5s，即电机工作时长大大减少为5×15×12＝0.25h，此时电机耗能为：4.5×0.8×0.25×3600＝3240J。在这种方案下，步进电机消耗的能量仅为前者的2.08%，而因在四分钟内落后于太阳未能实时追踪所造成的能量收集不充分的影响是很小的[5]。图5步进电机驱动电路2.2.2复位开关由于采用匀速控制方案，在太阳光辐射值均达到较低水平时，系统已经没有运行的必要性，故应将系统复位，并恢复到待机状态。系统通过单片机内置的RAM，记录从启动主控制程序之后，向步进电机发送的脉冲信号数量。通过在时钟电路设计一个定时时钟，运行至傍晚6点钟，发出复位信号，主程序停止正常工作模式，并启用复位模式，将反光罩和传感器一同反转RAM中所存储的脉冲数目，并待机，等待下一次启动信号。通过复位开关，系统的工作时长由原来的全天候，缩短至不足一半的运行时间，可节约较为客观的电量，并在一定程度上延长零部件的使用寿命。2.3采光集热部分2.3.1太阳能真空管本节能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。如图6所示相关数据表明，在良好的实验条件下，真空管的热转换率可达到54%，将收集到非常可观的热量，对普通水温的水体的加热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。为反光罩汇聚的大量热量的吸收提供条件[6]。内玻璃管内玻璃管反光罩外玻璃管真空夹层涂层热管导热介质图6太阳能真空管与反光罩结构2.3.2反光罩反光罩，采用镜面反射的工作原理，其材料为高反光的PVC制成，可放射将近90%的阳光进行反射。通过将反光膜紧贴于与真空管同心圆的刚圆弧板上，形成聚光性能良好的反光罩。反光罩的使用，可大幅度提升真空管直接接受太阳辐射的表面与强度，增加吸热量提升整个装置的效率。同时，反光罩通过随动控制，可实现长时间等面积接受太阳垂直光线，对太阳能的利用率可达到一个新的台阶。2.4供水部分该装置利用U型管模型，使真空管内液面高度保持恒定。给水箱使用浮子开关，其液面高度与真空管液面高度基本同步，在输送海水进入真空管的水管上连接一个针孔阀，起到限流以及隔热的作用，确保真空管处于较好的工作状态，减少热量损失。图7为供水结构示意图。供水管供水箱针孔阀浮子开关供水液面高度供水管供水箱针孔阀浮子开关供水液面高度图7供水箱示意图2.5蒸馏收集部分水蒸汽上升到蒸馏冷凝部分后，再将热量传递给管路内的导热介质（水），自身凝结成液体，由重力作用流至集水箱。另外，用太阳能发电板覆盖于冷凝管上部，如图8所示。可降低冷凝管曝晒于阳光样下所产生的温度，同时可进行发电，电量储存于蓄电池中，为随动装置提供电源，实现绿色能源的综合利用，降低生产成本。蒸馏装置蒸馏装置冷凝部分蓄水池蓄电池太能电池板水蒸气图8蒸馏收集装置3系统方案可行性分析3.1实验模拟系统运行后期实验采用人工模拟日出、模拟特殊天气使系统无法正常工作等两组实验，对系统的双线控制进行实验论证。实验运用太阳模拟器进行模拟日出，触发传感器动作发出信号。同时利用示波器对传感器和时钟触发电路进行检测。如果该回路产生启动电信号，则在示波器上显示。（1）先将时钟控制电路暂停，将装载光敏传感器的黑箱遮盖，避免触发系统启动。通过小角度转动，使太阳光渐渐投射到光敏电阻上，模拟日出时的景象。实验前后共进行了10次，一旦阳光透过黑箱的狭缝直射到光敏电阻上，传感器控制电路指示灯亮起，表示该控制电路正常工作。10次实验基本都能顺利实现，通过示波器与计时器的计时统计，系统启动控制信号发生的误差接近0.1ms，较为理想。但随着光敏电阻使用次数增多，出现阻值不稳定的现象，初步确定是光敏电阻不稳定造成的。（2）将光敏传感器黑箱狭缝遮住，将时钟电路调整到对应临近时段。到达模拟最迟日出时间，传感器回路没有接收到启动信号，对应指示灯不亮。而时钟电路回路指示灯亮起，并启动系统工作。此回路由于采用计时器，因而控制信号误差非常小，可以忽略。而由于启动时间与日出时间的不对称，设计方案提出了增加双轴控制跟踪器的概念。3.2方案对比论证现有的海水淡化技术原则上适用于苦咸水淡化、污水回用、硬水软化,世界各国众多科研机构涉及这一领域。目前,已经开发的海水淡化技术有20多种，虽然方法众多,但主要可以分为如下几类：1、蒸馏法，2、反渗透（RO），3、电析法，4、冷冻法[7]。表2生产1kg淡水的能耗对比淡化方式热量输入kJ/kg所需电能kWh/m2总能量消耗kJ/kg备注MSF2943.7338.4MED1232.2149.4VC-16192RO-12144ER-RO-7.994.8ED-12144太阳能直接蒸馏器23300.33.6单位面积产水量低，8kg/(m2·d)槽式太阳能+MED123--单位面积产水量高，60kg/(m2·d)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，表3所示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。表3太阳能海水淡化系统系统所在国系统所在地点适用水质淡化单元淡化产量太阳能利用情况完成时间淡水耗费￥/m3阿联酋阿布扎比海水MED80m31862m2198448意大利兰佩杜萨海水RO(3+2)m3/h100kWPV199061.9/m3西班牙阿尔梅里亚大学苦咸水RO2.5m323.5kWPV1990—以色列马阿甘迈克尔苦咸水RO0.4m33.5kWPV,0.6kWW/T3kW1997—西班牙阿尔梅里亚海水MED3m36.5MW集热器198833.3希腊可再生能源中心海水RO130It/h4kWPV,1kWW/T2002—本装置结构原理类似于槽式太阳能蒸馏器，其不同与新颖之处在于加入了随动控制的凸透镜，提高了对太阳能的利用率和产水量。由表2知槽式太阳能蒸馏器的单位面积产水量高达60kg/(m2·d)，从理论上来说，本装置单位面积产水量也应该能达