基于節(jié)能減排大賽作品的太陽能利用研究

蔣冰瑤 劉 清

（武漢商學(xué)院機電工程與汽車服務(wù)學(xué)院 湖北省武漢市 430056）

引言

能源分為一次能源與二次能源，一次能源又可劃分為可再生型能源與不可再生型能源。目前，風(fēng)能、水能、太陽能等能源作為新型可再生型能源，正受到越來越多的關(guān)注，但它們也各有各的缺點。風(fēng)能的利用對地形有一定局限性，在我國，風(fēng)力發(fā)電大面積設(shè)置地區(qū)為東北、華北、西北地區(qū)，這些地區(qū)地形平坦，風(fēng)力資源豐富，但風(fēng)力轉(zhuǎn)換效率低，設(shè)備可能造成對動物的驚擾，且噪音較大；水能需求大型蓄水場所，我國水力資源豐富，但利用這些能源需要建筑大壩等設(shè)備進行水利水能調(diào)節(jié)，對土地資源造成一定浪費，且易受汛期及河流泥沙等影響；太陽能利用較為簡便，太陽光普照大地，各處都可使用，對電能需求最大的時段，如夏日午時，正是太陽能最為充沛的時段，雖會受到陰雨天氣及晝夜變化的影響，仍可算幾種新型能源中較為穩(wěn)定的能源。

為證明太陽能利用的穩(wěn)定性與高效性，以節(jié)能減排大賽為平臺，共設(shè)計了兩個以太陽能為能源供給的新型設(shè)備與建筑，本文將通過介紹兩個作品以證明太陽能設(shè)計的可行性與可靠性。

1 家用太陽能光熱蒸汽發(fā)電裝置的分析

1.1 設(shè)計方案

1.1.1 材料要求

作品要求材料具有一定抗壓能力，且能夠滿足抗高溫要求，為更好的實現(xiàn)功能，底部材料的傳熱效率要較好，熱導(dǎo)率較高，整體裝置重量在一定范圍內(nèi)，不會對使用造成負擔(dān)。

1.1.2 作品部件材料明細

表1

1.1.3 理論設(shè)計計算

太陽灶加熱裝置的溫度控制聚焦中心溫度穩(wěn)定1100℃，能在短時間內(nèi)將水燒開產(chǎn)生蒸汽。壓力鍋爐的蒸汽速度每秒至少噴射出4～5m的蒸汽，能夠使對應(yīng)的發(fā)電機供電。

1.2 工作原理及性能分析

1.2.1 原理介紹

太陽灶是利用太陽能輻射，通過聚光獲取熱量，聚光式太陽灶的鏡面設(shè)計，利用了旋轉(zhuǎn)拋物面的聚光原理。若有一束平行光沿主軸射入拋物面，遇到拋物面的反光，光線都會集中反射到定點的位置，形成聚光。選好合適的位置和太陽灶的大小，可在中心產(chǎn)生超過1000℃的高溫，輕易的燒開一壺水。利用高壓鍋的原理在中心設(shè)置一個噴射口，使一定壓力噴射高溫蒸汽，利用噴射的高溫蒸汽推動葉片轉(zhuǎn)動，即可發(fā)電。回收利用過的蒸汽，產(chǎn)生蒸餾水，對比開始狀態(tài)起初步凈化的作用。[1]

（1）加熱裝置

壓力鍋爐加熱裝置，產(chǎn)生1100℃高溫。

圖1 原理圖

圖2 太陽灶

（2）入水口導(dǎo)向裝置

圖3 鍋爐水進口

圖4 冷凝管污水進口，內(nèi)循環(huán)水進口

（3）冷凝裝置

高溫蒸汽冷凝處，使蒸汽盡快液化。

（4）水的內(nèi)循環(huán)裝置

圖5 內(nèi)循環(huán)裝置

在戶主不在家，沒有污水供給時，該設(shè)備能維持裝置的正常運行。

1.2.2 性能分析

（1）溫蒸汽噴射口

圖6 壓力噴口

圖7 發(fā)電機

高溫蒸汽噴射口，產(chǎn)生足夠的壓力與速度才能噴射出，承受高溫和一定壓力，間歇噴射。

（2）葉輪發(fā)電機

通過高溫蒸汽的噴射來推動葉片轉(zhuǎn)動發(fā)電，承受高溫環(huán)境。

（3）殘渣處理

清除污水中的固態(tài)渣滓，保證裝置底部的正常傳熱以及正常運行。[2]

2 多功能涼亭的分析

2.1 設(shè)計方案

本作品為結(jié)合太陽能以及壓電磚的新型涼亭。在傳統(tǒng)涼亭的基礎(chǔ)上，增設(shè)太陽能板，并在周圍鋪設(shè)壓電磚，在涼亭中設(shè)置蓄電設(shè)備，將人們行走時的踩踏發(fā)電以及日照發(fā)電進行收集利用。[3]存儲的電能可為行人手機供電，同時也為內(nèi)置的路由器提供電能，有利于解決公共wifi信號差，覆蓋率低的情況。除此之外，本涼亭將在上方設(shè)電燈，解決夜晚照明問題。蓄電池充滿之后，多余的電量將匯入電網(wǎng)。

2.1.1 電器控制部分

電氣部分采用模塊化控制，充放電都有專用模塊進行管理控制，防止過度充放電。在充電過程中，太陽能板直接將電能輸出至充電模塊，由充電模塊進行穩(wěn)壓穩(wěn)流再輸入蓄電池。發(fā)電陶瓷通過踩踏發(fā)電，由電容充電模塊控制，每次踩踏輸出的電力將直接通入電容，再由電容輸出至充電模塊，由充電模塊進行調(diào)節(jié)后再輸入至蓄電池中。

放電過程由放電模塊控制，蓄電池經(jīng)放電模塊輸出電力至燈光系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及移動設(shè)備充電系統(tǒng)，放電模塊將蓄電池12V變壓至5V，再將其接入輸出系統(tǒng)。除此以外，蓄電池額外電量將通過逆變器轉(zhuǎn)換成220V交流電連接電網(wǎng)。

2.1.2 機構(gòu)部分

多功能涼亭結(jié)構(gòu)與普通涼亭結(jié)構(gòu)類似，底座由2m×2m的矩形構(gòu)成，在底座中間位置設(shè)置一根立柱，該立柱支撐上層太陽能板的遮擋結(jié)構(gòu)。

太陽能板傾斜角度根據(jù)地理位置設(shè)定，方向為由西向東。參考太陽能板的傾斜角度設(shè)原則。確定了光伏板位置和方位角，再選擇傾角。最理想的傾角是太陽電池全年發(fā)電量盡可能大，而冬季和夏季發(fā)電量差異盡可能小時的傾斜角。光伏組件傾角的設(shè)計主要取決于光伏發(fā)電系統(tǒng)所處緯度和對一年四季發(fā)電量分配的要求。不同類型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其最佳安裝傾斜角是有所不同的。對于同一地理位置（不含南北極）而言：發(fā)電量的傾斜角確定，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕嵌却笠恍蝗粢韵募矩撦d供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，則應(yīng)考慮夏季為負載提供最大發(fā)電量，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕嵌刃∫恍Ｈ绻麤]有條件對傾斜角進行計算機優(yōu)化設(shè)計，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定太陽電池的傾斜角。[4]

表2

例如，武漢的緯度大約是30°，則選擇傾斜角度為35°，保證傾斜角度不會太大影響涼亭的設(shè)計的前提下，同時在保證發(fā)電效率的情況下使得涼亭在下雨的情況時能夠很好地排水。

圖8 模型渲染圖

在實際制作過程中，由于技術(shù)限制，將模型簡化制作。

2.2 工作原理與性能分析

圖9 多功能涼亭模型

圖10 多功能涼亭渲染圖

2.2.1 工作原理

壓電陶瓷在外力作用下會下沉，切割磁感線并產(chǎn)生電場，稱為正壓電效應(yīng)。壓電發(fā)電裝置利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)將重力勢能轉(zhuǎn)換成電能，供各電器用電。由于選用的磚塊小，以人體的重量可以較為輕松的使其發(fā)生下降運動，進而完成后續(xù)發(fā)電工作。同時，由于磚塊面積小，一人行走可以同時踩踏多塊磚塊，帶動多塊磚塊發(fā)電，實現(xiàn)更好的能源利用。

太陽能板利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。涼亭多設(shè)于露天場所，日曬雨淋難以避免，故可以考慮合理利用這部分能量。為保證能量的充分利用，將頂部鋪設(shè)的太陽能板傾斜一定角度放置，這樣的結(jié)構(gòu)同時能夠產(chǎn)生更大的陰影，防止部分行人被照射。人們躲避日曬的同時還能夠享受日曬產(chǎn)生的能量，可謂一舉兩得。[5]

2.2.2 性能分析

（1）太陽能板電量計算

太陽能板規(guī)格選擇2m×1m、功率為300W、輸出電壓為12V的單晶硅太陽能電池板。根據(jù)武漢一年的平均光照時間1950h左右計算得平均每天日照時間5.3h，則估算得每天光伏板發(fā)電量為：

300W×5.3h=1590W·h

由于亭子上方布置了兩塊300W的太陽能板，所以產(chǎn)電量為該數(shù)據(jù)的2倍。

真實發(fā)電量計算太陽電池板輸出的直流功率是太陽電池板的標稱功率。在現(xiàn)場運行的太陽電池板往往達不到標準測試條件，輸出的允許偏差是5%，因此，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.9～5的影響系數(shù)。

隨著光伏組件溫度的升高，輸出的功率就會下降。對于晶體硅組件，當(dāng)光伏組件內(nèi)部的溫度達到5.0～7.5℃時，它的輸出功率降為額定時的8～9%，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.8～9的影響系數(shù)。

光伏組件表面灰塵的累積，會影響輻射到電池板表面的太陽輻射強度，同樣會影響到太陽能板的輸出功率，根據(jù)相關(guān)文獻，此因素會對光伏組件的輸出產(chǎn)生約7%的影響，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.9～3的影響系數(shù)。由于太陽輻射的不均勻性，光伏組件的輸出幾乎不可能同時達到最大功率輸出，因此光伏陣列的輸出功率要低于各個組件的標稱功率之和。另外，還有光伏組件的不匹配性和板問連線損失等，這些因素影響太陽電池板輸出功率的系數(shù)按0.95計算。

所以實際產(chǎn)電量為：

300W×5.3h×0.95×2=3021W·h

（2）耗電量計算

耗電設(shè)備：手機充電裝置，無線路由器，燈光照明。

考慮到?jīng)鐾ぴO(shè)計最多坐8人，則為8人同時提供手機充電，現(xiàn)階段手機等移動設(shè)備充電規(guī)格大都為5V1A，則8人同時充電輸出功率為：

5V×1A×8=40W

假設(shè)每天有10h使用時間需要充電，則消耗電量為：

40W×10=400W·h

由于室外路由器一般為企業(yè)級路由器，連接設(shè)備數(shù)量較多，信號傳輸范圍廣，所以功率較普通路由器高。一般為50W左右，而且為24h在線工作，所以消耗電量為：

50W×24h=1200W·h

室外燈光照明采用1ed頂燈，一般一個頂燈的功率為20W，考慮到本涼亭設(shè)計面積，兩個頂燈即可滿足照明需求。而頂燈開燈時間為12h，所以耗電量為：

20W×12h×2=480W·h

則理論上消耗的總電量為：

400W·h+1200W·h1+480W·h=2080W·h

所以太陽能板產(chǎn)生的電量完全可以滿足所有設(shè)備所消耗的能量。

3 結(jié)束語

根據(jù)兩個節(jié)能減排作品的設(shè)計計算，可在一定程度上證實太陽能發(fā)電的可靠性。作品家用太陽能光熱蒸汽發(fā)電裝置為家用太陽能設(shè)備，其體型較小，質(zhì)量也較小，但可滿足一戶用戶的日常使用需求。作品多功能涼亭為公共用太陽能設(shè)備，其體型較太陽能光熱蒸汽發(fā)電裝置而言較大，且附屬設(shè)施較多，功能也更加豐富，受眾更廣，可以滿足更多人的需要，僅多功能涼亭設(shè)計即可為建筑節(jié)省夜間燈光照明電量及數(shù)臺移動設(shè)備的充電電量，若使用其他方式進行供電，則又需提供巨大的能量。這充分說明了太陽能利用的可行性與太陽能設(shè)備能量轉(zhuǎn)化的高效性。

針對兩個設(shè)計而言，目前眾多的小型設(shè)備，太陽能的能量轉(zhuǎn)化都可滿足其供電需求，但解決大型設(shè)備的供電需求仍存在一定問題。且經(jīng)過設(shè)計過程可得知，太陽能的轉(zhuǎn)化利用方式較為單一，由于太陽的東升西落及晝夜變化的影響，太陽能的利用仍存在很大程度的浪費，該發(fā)電方式仍有很大的發(fā)展空間，值得深入研究。