淺談機械自動化技術在太陽能領域中的發展與應用

于 洋

大連大學機械工程學院，遼寧大連 116000

0 引言

近年來，新能源的開發利用和環境保護問題是世界上各個國家重點關注的熱點科研問題，隨著人類社會持續快速的發展，煤、石油以及天然氣等傳統形式的能源能夠被開發利用的已越來越少，國際輿論對人類社會面臨的“能源危機”問題也開始越來越高度關注。據世界相關能源權威調查機構統計分析，世界上剩余的可開采石油量可供人類開采的時間長度大約只剩下40年，天然氣可供開采的時長大約還剩61年，煤碳資源大約還能開采230年。而且在我國，傳統形式的能源儲備量大約只占世界上常規能源總儲量的10%；另一方面，長期大量使用傳統形式的化石能源，已經對地球環境造成了嚴重污染和破壞，地球生態環境也正在逐步嚴重惡化。

針對越來越嚴重的“能源危機”問題，目前世界上大多數國家都已制定并實施了與可再生能源利用相關的法律法規，正逐步促進著利用可再生能源技術的發展和推廣應用。在目前可利用的可再生能源中，太陽能取之不盡、用之不竭，且其受其他因素的影響相對風能、水能來講較小，其開發利用的技術發展的相對較快。因此，世界上越來越多的國家、科研機構和院校都在加大力度對太陽能的開發利用進行研究，使得太陽能利用在光伏產業方面發展迅速。根據世界光伏產業相關的發展報告統計顯示，最近10～20年太陽能電池及組件研究開發并生產成功的速度越來越快，最近幾年的平均增長率甚至超過了40%。

1 機械自動化在太陽能領域中的發展與應用現狀分析

但是，我國在太陽能能源開發利用的過程中還存在不少問題。如我國還沒有自己掌握太陽能開發利用的核心技術，機械設備的自動化水平與發達國家相比還存在很大差距，對太陽能開發利用過程中無法更好地處理尾氣的閉氣循環利用等問題[1]。而且現在開發利用太陽能的設備系統越發復雜、設備規模也越發龐大、各設備間以及設備各組成部件之間的聯系也越來越緊密，這些都對開發利用太陽能的機械設備自動化、智能化水平提出了新的要求。針對目前我國對太陽能開發利用技術的發展現狀，本文主要對機械設備自動化技術在太陽能光伏和太陽能光熱利用產業方面的應用進行相關的探討。

2 機械自動化在太陽能光伏產業領域的發展應用

光伏發電產業在未來將成為人類用電電網的支柱和方向，隨著我國“可再生能源法”的頒布實施，以及在世界上其它國家對太陽能光伏產業快速發展需求的帶動下，近年來我國光伏產業的發展規模也迅速擴大，發展速度也大幅增長，相應的太陽能光伏設備與產品的產能與銷量也節節攀升。但是，我國在太陽能光伏產業方面的發展與國際先進水平相比還存在較大的差距，主要表現在以下幾個方面：

1）目前，我國國內投建的大部分多晶硅提純項目中，晶硅提純技術采用的都是經改良的西門子法，國際上太陽能光伏產業技術發達廠商控制著晶硅提純的先進核心技術，我國多晶硅提純技術的發展相對還很不成熟，機械設備的自動化程度還遠沒有達到世界先進水平，對太陽能開發利用過程中尾氣的循環利用技術還較落后，開發成本過高。因此，研究并掌握多晶硅的提純核心技術，逐步提高機械設備的自動化以及智能化的程度，是我國太陽能光伏產業發展急需解決的一個難題。

2）用于沉積Si3N4層的PECVD設備，在產能和技術水平層面上都已經達到國際先進水平，機械設備的價格也大幅低于進口的設備價格，因此在國內也獲得了越來越多產商的青睞。 但是，該設備的自動化、智能化水平與國際先進水平相比還存在一定差距，主要反應在設備的自動裝卸片方面。

3）對于硅片切片設備的要求，應確保硅片切片后表面充分平整、沒有明顯的劃痕，切片的幾何尺寸誤差應不超過0.5mm，切片上任意兩個弧線弦線長度相差應不大于1mm。隨著切片技術的不斷發展，硅片厚度也逐漸減小，目前國際先進水平的硅切片最薄厚度已經突破了180mm，而我國的硅切片厚度最好時還只能到200mm。可見，我國硅切片設備的高度自動化和精細化的發展還有很長的路要走。

4）相比于在太陽能光伏產業技術的國際先進水平，我國還沒有完全掌握全自動絲網印刷技術，因此幾乎所有的國內太陽能開發利用產家，不得不從國外以昂貴的價格購買絲網印刷設備。

5）太陽能光伏發電系統，通常情況下包括由光伏電池組件、逆變器、控制器和蓄電池組等部件構成，該系統運行的關鍵是機械組件的自動化控制和信息智能化處理。例如，已有學者發明了一種能自動跟蹤太陽移動的太陽能利用設備，該設備主要由自動跟蹤系統、太陽能轉換器、盛有液體的平衡箱、支撐框架及結構、彈簧等構成，實現了太陽能開發利用過程中跟蹤的高自動化和智能化，且設備結構相對簡單、造價較低，適合多種不同形式和規模的太陽能開發利用的設備[2]。但目前我國在逆變器、控制器和蓄電池組等部件的技術水平還十分有限，尤其是相應的檢測儀器設備、設備監管儀器、運行監控設備的生產還沒有達到大規模、高自動化智能化的流水線式生產水平，生產成本相比較高。

客觀地說，我國太陽能光伏產業的發展目前還處于起步階段，與傳統能源開采利用的成本相比，首先急需解決的問題是如何在太陽能開采過程中實現高度自動化和智能化，如何降低進行大規模開發應用的成本問題。在全世界都在大力發展光伏產業的背景下，我過應加強對光伏產業先進設備的研發力度，全面提升機械設備的自動化水平，才能使我國的光伏產業發展不斷走向成熟。

3 機械自動化在太陽能光熱產業領域的發展應用

對太陽能光熱進行開發利用的產業主要包括有太陽能熱發電、太陽能熱水器以及近年來發展較快的太陽能建筑。其中，太陽能熱水器將太陽能熱利用的較充分，但其機械自動化程度不高；太陽能建筑集成近年來已逐漸成為國際上正在重點開發的新技術，其對機械自動化的要求也較高；三者相對來說，利用太陽能熱發電對機械自動化的要求最高，目前利用太陽能熱發電的系統主要包括3種類型：塔式系統、碟式系統和槽式線聚焦系統。例如，相關學者研發的一種完全自動控制式太陽能采暖裝置[3]，該設備的突出特點是將太陽能熱水器與散熱器、泵相連接形成一個整體，并同時將溫度控制儀、時間控制儀與泵相連接，使整個采暖裝置系統實現了高度智能化的自動控制，與傳統的采暖技術相比，該裝置具有充分節約能源、降低能耗；既可通過溫度進行控制，又可利用時間進行控制的高智能化自動控制功能。該裝置正常運行時自身可進行最佳狀態調整而不需要經常進行人工調整，使用方便，節能環保。

5 結論

在全球傳統能源利用日趨緊張和加強保護生態環境的背景下，提高機械設備在太陽能光伏發電和太陽能熱開發利用領域中應用的自動化水平，機械設備應該在數據自動采集功能、遠程控制功能、設備遠程跟蹤功能等方面提高科技含量，不斷提升生產流程的自動化水平，才能在未來競爭激烈的太陽能開發利用領域中取得發展的優勢。

[1]李曉剛.中國光伏產業發展戰略研究[D].長春：吉林大學博士學位論文，2007.

[2]解元.自動跟蹤太陽的太陽能設備.中國：CN1114738,1996.

[3]徐明娜，錢珊珠，張峰，等.基于PLC的太陽能采暖控制系統[J].農機化研究，2009，2.