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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于單片機(jī)太陽能蒸餾水隨動(dòng)控制的設(shè)計(jì)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本設(shè)計(jì)方案的裝置通過太陽能真空管對(duì)海水進(jìn)行加熱，并通過反光罩對(duì)陽光進(jìn)行匯聚，利用匯聚陽光所獲取的巨大能量對(duì)已預(yù)熱的海水進(jìn)行最終加熱，以達(dá)到快速蒸發(fā)的效果。同時(shí)，方案運(yùn)用傳感器、時(shí)鐘模塊的太陽跟蹤系統(tǒng)雙線控制設(shè)計(jì)，有效提高了太陽能的利用率，并能最大限度的回避天氣因素所造成的影響。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，系統(tǒng)控制精度達(dá)到0.1ms的誤差精度，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。整個(gè)設(shè)計(jì)費(fèi)用較低，具有一定的運(yùn)用價(jià)值。
- 詳細(xì)介紹：
- 設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)方案基于太陽能真空管熱水器為原型，裝置由隨動(dòng)控制、輔助控制模塊、采光集熱部分、供水模塊和蒸餾模塊共五部分構(gòu)成。 工作原理為運(yùn)用太陽輻射對(duì)需加工的海水等水體進(jìn)行初步加熱，利用反光罩的反光匯聚太陽能，對(duì)集熱管的水體進(jìn)行進(jìn)一步加熱，使水體達(dá)到比較理想的蒸發(fā)狀態(tài)。蒸發(fā)回路采用中高溫蒸餾法以獲取淡水資源。另外，由于采用隨動(dòng)反光罩，裝置實(shí)際集熱面積將比原來集熱管面積大幅度增加，提高了裝置的工作效率[2]。 控制部分，采用STC12C5A60S2-35I-PDIP40單片機(jī)、PCF8563時(shí)鐘芯片和日本VEXTA東方馬達(dá)，使裝置實(shí)現(xiàn)太陽能勻速跟蹤雙線控制方法。跟蹤過程是將反光罩通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以地球自轉(zhuǎn)角速度15°/h的速度轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。在正常情況下由傳感器接收光強(qiáng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。遇到天氣因素干擾，則采用時(shí)鐘定時(shí)電路，裝置進(jìn)行小誤差運(yùn)行。最終由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)反光罩進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，基本可達(dá)到跟蹤太陽，保持集熱裝置與太陽光線垂直的目的。并在太陽落山之后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位并待機(jī)，節(jié)約電能并延長(zhǎng)控制裝置的壽命。同時(shí)，本設(shè)計(jì)方案基本可以解決裝置安裝難度大、初始角度難確定和調(diào)節(jié)、受天氣影響較大等問題。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1. 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的 淡水資源是人類生存的必需資源之一，但隨著人口的急劇增長(zhǎng)以及環(huán)境污染帶來的災(zāi)難，導(dǎo)致淡水危機(jī)日漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)。本設(shè)計(jì)方案旨在盡可能的利用太陽能，減少對(duì)有限能源的依賴以得到蒸餾水，可在沿海地區(qū)，特別是南方島礁等缺水地區(qū)使用。 2. 基本思路 本設(shè)計(jì)方案基于太陽能熱水器為原型，運(yùn)用太陽能對(duì)需加工的海水等水體進(jìn)行加熱，采用中高溫蒸餾法以獲取淡水資源。控制部分采用反光鏡聚光原理，將匯聚的大量能量轉(zhuǎn)移到真空管上，進(jìn)一步提升真空管獲得的熱量。同時(shí)，利用定日鏡原理，運(yùn)用單片機(jī)使真空管的反光鏡產(chǎn)生隨動(dòng)的效果，以達(dá)到最佳的采熱效果。 3. 創(chuàng)新點(diǎn)： （1）采用隨動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)采熱面基本與陽光保持最佳相對(duì)垂直，提高工作時(shí)長(zhǎng)以及工作效率； （2）運(yùn)用傳感器與時(shí)鐘雙線控制，克服安裝難度大的弱點(diǎn)。 4. 技術(shù)關(guān)鍵： （1）隨動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)以及角度轉(zhuǎn)動(dòng)的控制； （2）真空管給水量的控制，以確保蒸發(fā)效能達(dá)到最大。 5. 主要技術(shù)指標(biāo)： （1） 光敏傳感器的啟動(dòng)強(qiáng)度； （2）真空管傾斜角度根據(jù)緯度而設(shè)置，廣州的角度約為20°-30°； （3）步進(jìn)電機(jī)脈沖觸發(fā)的確定。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前，國(guó)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(xiàng)目零散出現(xiàn)，并逐漸進(jìn)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(duì)海水等水資源進(jìn)行淡化的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外都有相應(yīng)的措施，利用太陽能，電等能源進(jìn)行輔助，以獲取淡水資源，但其成本相對(duì)比較高，而且將耗費(fèi)其他有限能源，不符合可持續(xù)發(fā)展的大方向。因此運(yùn)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(diǎn)之一。 海水淡化是解決淡水危機(jī)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(shù)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(dòng)裝置，提高了太陽能的利用率和產(chǎn)水量，成本非常低，整個(gè)裝置造價(jià)250元左右，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣；而且能耗低，步進(jìn)電機(jī)功率控制在0.13W，能通過USB 5V電壓直接驅(qū)動(dòng)工作。另外系統(tǒng)運(yùn)作所需的能量基本上來自太陽能。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年，在學(xué)校舉辦的“丁穎杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲二等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利權(quán)轉(zhuǎn)讓 專利實(shí)施許可
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、模型、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本設(shè)計(jì)采用太陽能作為其主要的熱量來源，依托太陽能真空管對(duì)管內(nèi)海水等待處理水體進(jìn)行預(yù)加熱。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在良好的實(shí)驗(yàn)條件下，真空管的熱換率可達(dá)到54%，預(yù)期收集的熱量非?？捎^，對(duì)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(dá)到0.93-0.96。 同時(shí)采用太陽跟蹤系統(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。 海水淡化是國(guó)內(nèi)外日益關(guān)注的技術(shù)，正是因?yàn)榈Y源的重要性所在。目前市面上使用的蒸餾水技術(shù)種類較多，其中不乏較為成熟的、效率較高的，但對(duì)現(xiàn)行的方案普遍對(duì)其他有限能源依賴特別大，其產(chǎn)出的淡水資源成本相對(duì)較高，維護(hù)成本也比較高，不利于長(zhǎng)久的投資建設(shè)。 針對(duì)以上現(xiàn)狀，本裝置提出了綠色的解決方案，基本可以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的產(chǎn)出淡水，單位能耗較低，設(shè)備安裝及維護(hù)工作較簡(jiǎn)便，于此同時(shí)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。
同類課題研究水平概述
- 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(shí)必須面對(duì)的問題，世界已經(jīng)有五分之一的地區(qū)是嚴(yán)重缺水地區(qū)，我國(guó)更是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)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(jìn)行淡化已經(jīng)是許多干旱地區(qū)無二的選擇。 國(guó)外太陽能海水淡化技術(shù)已有較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展, 過去二三十年內(nèi), 建造了大量的太陽能海水淡化系統(tǒng), 其中部分至今仍在運(yùn)行，下表展示了一些已經(jīng)建成的并使用可再生能源的海水淡化項(xiàng)目,可以看出有相當(dāng)大部分的系統(tǒng)使用了太陽能。 我國(guó)沿海地區(qū)如天津、大連、青島、浙江等地都相繼建設(shè)了一批海水淡化項(xiàng)目。到2007年初, 我國(guó)已建成海水淡化裝置43套, 日產(chǎn)淡水量15.8萬t。目前我國(guó)在建和待建的海水淡化工程有30項(xiàng)之多, 其中有.13的工程淡化規(guī)模達(dá)到了10萬t/d以上。全部建成后, 我國(guó)海水淡化規(guī)模將會(huì)達(dá)到.19.58萬t/d。然而, 由于國(guó)內(nèi)相對(duì)落后的太陽能利用技術(shù), 以太陽能作為能源, 尤其使用聚光集熱方法的太陽能海水淡化系統(tǒng)尚無應(yīng)用,需加大研究力度。 傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)投資高, 能源消耗過大, 所耗能源主要來自石油和煤炭等化石燃料, 因而導(dǎo)致海水淡化技術(shù)無法推廣。有個(gè)別研究表明淡水日產(chǎn)量1000m3的海水凈化系統(tǒng)每年耗費(fèi)1000t石油。對(duì)于缺乏化石燃料資源的地區(qū), 特別某些人口密度低、沒有大規(guī)模連接電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū), 很難建立傳統(tǒng)的海水淡化裝置。如在最缺乏淡水的西北部地區(qū)和海島也恰恰是缺乏常規(guī)能源供應(yīng)的地區(qū)。 本方案所設(shè)計(jì)的基于隨動(dòng)控制的太陽能蒸餾器，在太陽能真空管對(duì)海水進(jìn)行預(yù)熱的基礎(chǔ)上，利用反光鏡鏡匯聚太陽光，通過焦點(diǎn)產(chǎn)生的巨大熱量對(duì)已預(yù)熱的海水進(jìn)行再次加熱，以達(dá)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。為使裝置對(duì)太陽能的利用率達(dá)到最大化，在太陽真空管的反射鏡的安裝上采用隨動(dòng)的設(shè)計(jì)理念，及通過定日鏡的設(shè)計(jì)方案，使采光設(shè)備保持與太陽光成約90°的相對(duì)位置，從而達(dá)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(dòng)裝置，提高了太陽能的利用率和產(chǎn)水量，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣；而且能耗低，運(yùn)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。
