唐本源-基于單片機太陽能隨動控制的設計申報書（終）

附件2序號：編碼：2010年“丁穎杯”課外學術(shù)科技作品競賽作品申報書作品名稱：基于單片機太陽能蒸餾水隨動控制的設計學院名稱：工程學院申報者姓名（集體名稱）：陳楚文唐本源黃濤強任振強曾志雄指導老師：吳偉斌類別：□自然科學類學術(shù)論文 □哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術(shù)論文□科技發(fā)明制作A類√科技發(fā)明制作B類

說明1.申報者應在認真閱讀此說明各項內(nèi)容后按要求詳細填寫。2．申報者在填寫申報作品情況時只需根據(jù)個人項目或集體項目填寫A1或A2表，根據(jù)作品類別（自然科學類學術(shù)論文、哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術(shù)論文、科技發(fā)明制作）分別填寫B(tài)1、B2或B3表。所有申報者可根據(jù)情況填寫C表。3.表內(nèi)項目填寫時一律用鋼筆或打印，字跡要端正、清楚，此申報書可復制。4.序號、編碼由競賽組委會填寫。5．學術(shù)論文、社會調(diào)查報告及所附的有關材料必須是中文（若是外文，請附中文本），請以4號楷體打印在A4紙上，附于申報書后，字數(shù)在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）。

A2申報者情況（集體項目）說明：1．必須由申報者本人按要求填寫；2．申報者代表必須是作者中學歷最高者，其余作者按學歷高低排列；3．本表中的學籍管理部門簽章視為申報者情況的確認。申報者代表情況姓名唐本源性別男出生年月1989年10月學院工程學院系別、專業(yè)、年級交通運輸專業(yè)（汽車運用工程）2008級學歷本科學制四入學時間2008年9月作品名稱基于單片機太陽能蒸餾水隨動控制的設計畢業(yè)論文題目（注：2011屆畢業(yè)本科生和研究生需填寫）通訊地址廣州市天河區(qū)五山路483號華南農(nóng)業(yè)大學華山區(qū)3棟304室郵政編碼510642辦公電住地通訊地址廣州市天河區(qū)五山路483號華南農(nóng)業(yè)大學華山區(qū)3棟304室郵政編碼510642住宅電話其他作者情況姓名性別年齡學歷所在單位陳楚文男22本科工程學院黃濤強男21本科工程學院任振強男20本科工程學院曾志雄男21本科工程學院資格認定學院學籍管理部門意見以上作者是否為2011□是□否（部門簽章）年月日院系負責人或?qū)熞庖姳咀髌肥欠駷檎n外學術(shù)科技或社會實踐活動成果□是□否負責人簽名：年月日B3．申報作品情況（科技發(fā)明制作）說明：1．必須由申報者本人填寫；2．3．本表必須附有研究報告，并提供圖表、曲線、試驗數(shù)據(jù)、原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖（照片）,也可附鑒定證書和應用證書；4．作品分類請按照作品發(fā)明點或創(chuàng)新點所在類別填報。作品全稱基于單片機太陽能蒸餾水隨動控制的設計作品分類（A）A．機械與控制（包括機械、儀器儀表、自動化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技術(shù)（包括計算機、電信、通訊、電子等）C．數(shù)理（包括數(shù)學、物理、地球與空間科學等）D．生命科學（包括生物、農(nóng)學、藥學、醫(yī)學、健康、衛(wèi)生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化學、化工、生態(tài)、環(huán)保等）作品設計、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點，技術(shù)關鍵和主要技術(shù)指標作品設計、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以及環(huán)境污染帶來的災難，導致淡水危機日漸成為關注的熱點。本設計方案旨在盡可能的利用太陽能，減少對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?；舅悸繁驹O計方案基于太陽能熱水器為原型，運用太陽能對需加工的海水等水體進行加熱，采用中高溫蒸餾法以獲取淡水資源?？刂撇糠植捎梅垂忡R聚光原理，將匯聚的大量能量轉(zhuǎn)移到真空管上，進一步提升真空管獲得的熱量。同時，利用定日鏡原理，運用單片機使真空管的反光鏡產(chǎn)生隨動的效果，以達到最佳的采熱效果。創(chuàng)新點：（1）采用隨動裝置，實現(xiàn)采熱面基本與陽光保持最佳相對垂直，提高工作時長以及工作效率；（2）運用傳感器與時鐘雙線控制，克服安裝難度大的弱點。技術(shù)關鍵：（1）隨動裝置的設計以及角度轉(zhuǎn)動的控制；（2）真空管給水量的控制，以確保蒸發(fā)效能達到最大。主要技術(shù)指標：（1）光敏傳感器的啟動強度；（2）真空管傾斜角度根據(jù)緯度而設置，廣州的角度約為20°30°；（3）步進電機脈沖觸發(fā)的確定。作品的科學性先進性（必須說明與現(xiàn)有技術(shù)相比、該作品是否具有突出的實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進步。請?zhí)峁┘夹g(shù)性分析說明和參考文獻資料）目前，國內(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)模的海水淡化項目零散出現(xiàn)，并逐漸進入人們的視線。目前淡化海水工程有幾種方案，在利用太陽能對海水等水資源進行淡化的領域，國內(nèi)外都有相應的措施，利用太陽能，電等能源進行輔助，以獲取淡水資源，但其成本相對比較高，而且將耗費其他有限能源，不符合可持續(xù)發(fā)展的大方向。因此運用更為有效節(jié)能的方法來獲取淡水資源也是部分缺水地區(qū)的研究熱點之一。海水淡化是解決淡水危機的根本途徑，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裝置，提高了太陽能的利用率和產(chǎn)水量，成本非常低，整個裝置造價250元左右，結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣；而且能耗低，步進電機功率控制在0.13W，能通過USB5V電壓直接驅(qū)動工作。另外系統(tǒng)運作所需的能量基本上來自太陽能。真空管反光罩簡易支架真空管反光罩簡易支架供水蒸發(fā)裝置電源太陽平行光單片機時鐘電路儲水箱黑箱（傳感器）步進電機作品在何時、何地、何種機構(gòu)舉行的評審、鑒定、評比、展示等活動中獲獎及鑒定結(jié)果作品所處階段（A）A實驗室階段B中試階段C生產(chǎn)階段DA（自填）技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式作品可展示的形式√實物、產(chǎn)品√模型√圖紙□磁盤√現(xiàn)場演示√圖片□錄像√樣品使用說明及該作品的技術(shù)特點和優(yōu)勢，提供該作品的適應范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預測本節(jié)能設計采用太陽能作為其主要的熱量來源，依托太陽能真空管對管內(nèi)海水等待處理水體進行預加熱。相關數(shù)據(jù)表明，在良好的實驗條件下，真空管的熱換率可達到54%，預期收集的熱量非常可觀，對水的蒸發(fā)起到巨大的加速作用。真空管涂有涂層，透射率一般達到0.930.96。通過真空管，對水體進行預熱的效果比較理想。最后利用反光鏡聚光，焦點匯聚大量能量的原理，進一步提高真空管吸收的熱量，以達到最終快速蒸發(fā)的目的。在理想情況下，經(jīng)聚光加熱之后，管內(nèi)溫度能達到130°左右，符合本裝置提出的中高溫蒸餾法。此外，由于太陽的移動，為使裝置能經(jīng)常保持在最佳的采熱位置下，設計時利用定日鏡的原理，利用隨動裝置，使真空管的反光罩隨著太陽光而轉(zhuǎn)動。使用太陽跟蹤系統(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。研究表明,對于完全相同的平板,與太陽輻射方向垂直的表面和朝南鉛直方向的固定表面,一天中兩者接收到的太陽輻射的比值大約是3：1,可見應用太陽自動跟蹤系統(tǒng)可以有效提高太陽能的利用率。電源電源液晶顯示光敏傳感器時鐘控制電路主控制程序步進電機脈沖信號圖2雙線隨動控制圖此外，本裝置采用靜態(tài)蒸餾法，利用U型管模型，使真空管內(nèi)液面高度保持恒定。給水箱使用浮子開關，其液面高度與真空管液面高度基本同步，在輸送海水進入真空管的水管上連接一個針孔閥，起到限流以及隔熱的作用，確保真空管處于較好的工作狀態(tài)，減少熱量損失。海水淡化是國內(nèi)外日益關注的技術(shù)，正是因為淡水資源的重要性所在。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，但對現(xiàn)行的方案普遍對其他有限能源依賴特別大，其產(chǎn)出的淡水資源成本相對較高，維護成本也比較高，不利于長久的投資建設。針對以上現(xiàn)狀，本裝置提出了綠色的解決方案，基本可以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的產(chǎn)出淡水，單位能耗較低，設備安裝及維護工作較簡便，于此同時還能節(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。參考文獻[1]解夢秋，鄭宏飛，葉鴻烈.吸收式太陽能海水淡化技術(shù)[J].可再生能源，2006(2),5556

[2]徐吉富，朱躍釗，蔣金柱等.太陽能真空管熱管式集熱管溫度場及流場分析[J].流體機械，2009(2),6164[3]張永興.單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)設計[J].ElectroOpticTechnologyApplication，2010(4),5961

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C.當前國內(nèi)外同類課題研究水平概述說明：1.申報者可根據(jù)作品類別和情況填寫；2.填寫此欄有助于評審。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，太陽能這個清潔的可再生能源，已受到許多國家的高度重視和利用。我國是一個太陽能資源較為豐富的國家，且分布范圍較廣，因此充分利用太陽能資源，有著深遠的能源戰(zhàn)略意義。淡水資源，作為人類生存的必需品，保證足夠的生活用水可以說是已經(jīng)成為科技發(fā)展、社會可持續(xù)發(fā)展的一大基礎。而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)實必須面對的問題，世界已經(jīng)有五分之一的地區(qū)是嚴重缺水地區(qū)，我國更是一個嚴重缺水的國度。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，利用海水進行淡化已經(jīng)是許多干旱地區(qū)無二的選擇。利用太陽能來作為海水淡化的主要能量來源，是比較目前比較普遍的技術(shù)之一。但主要面臨的問題是太陽能的利用效率只停留在一定的階段，還沒有成本比較低廉的解決方案。同時，利用太陽能受天氣因素影響較大，由此帶來的不穩(wěn)定性也是主要面臨的問題。為解決太陽能利用率的問題，目前國外主要從兩個方面入手來解決，一個是研制新型材料，使采光、熱轉(zhuǎn)換效率、集熱等性能不斷提升；另一方面則通過解決日照時間與日照強度的問題，主要是通過太陽跟蹤器，實現(xiàn)陽光垂直入射，以提高輻射強度。具體則是通過傳感器來實現(xiàn)跟蹤的控制效果。現(xiàn)有的海水淡化技術(shù)原則上適用于苦咸水淡化、污水回用、硬水軟化,世界各國眾多科研機構(gòu)涉及這一領域。目前,已經(jīng)開發(fā)的海水淡化技術(shù)有20多種，雖然方法眾多,但主要可以分為如下幾類：1、蒸餾法，可分為多效蒸發(fā)(MED)(又分為豎管多效蒸發(fā)VTE、水平管多效蒸發(fā)THE、高溫低溫多效蒸發(fā)MEI等)、閃蒸(flash)(又分為低溫單級閃蒸SSF、多級閃蒸MSF等)、壓汽蒸餾(VC)(又分為機械壓汽蒸餾MVC和熱力壓汽蒸餾TVC)；2、反滲透（RO）；3、電析法；4、冷凍法。國外太陽能海水淡化技術(shù)已有較長時間的發(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目,可以看出有相當大部分的系統(tǒng)使用了太陽能。各國太陽能海水淡化系統(tǒng)列表系統(tǒng)所在國系統(tǒng)所在地點適用水質(zhì)淡化單元淡化產(chǎn)量太陽能利用情況完成時間淡水耗費阿聯(lián)酋阿布扎比海水MED80m31862m219848$/m3意大利蘭佩杜薩海水RO(3+2)m3/h100kWPV19906.5∈/m3西班牙阿爾梅里亞大學苦咸水R

2.5m323.5kWPV1990—以色列Ma’aganMichael苦咸水RO0.4m33.5kWPV,0.6kWW/T3kW1997—西班牙阿爾梅里亞海水MED3m36.5MW集熱器19883.5∈/m3希臘可再生能源中心海水RO130It/h4kWPV,1kWW/T2002—我國沿海地區(qū)如天津、大連、青島、浙江等地都相繼建設了一批海水淡化項目。到2007年初,我國已建成海水淡化裝置43套,日產(chǎn)淡水量15.8萬t。目前我國在建和待建的海水淡化工程有30項之多,其中有.13的工程淡化規(guī)模達到了10萬t/d以上。全部建成后,我國海水淡化規(guī)模將會達到.19.58萬t/d。然而,由于國內(nèi)相對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,因而導致海水淡化技術(shù)無法推廣。有個別研究表明淡水日產(chǎn)量1000m3的海水凈化系統(tǒng)每年耗費1000t石油。對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)的偏遠地區(qū)本方案所設計的基于隨動控制的太陽能蒸餾器，在太陽能真空管對海水進行預熱的基礎上，利用反光鏡鏡匯聚太陽光，通過焦點產(chǎn)生的巨大熱量對已預熱的海水進行再次加熱，以達到快速蒸發(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。此外，為使裝置對太陽能的利用率達到最大化，在太陽能真空管的反射鏡的安裝上采用隨動的設計理念，及通過定日鏡的設計方案，使采光設備保持與太陽光成約90°的相對位置，從而達到提到產(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)簡單，易于推廣；而且能耗低，運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。

D.推薦者情況及對作品的說明說明：1．由推薦者本人填寫；2．推薦者必須具有高級專業(yè)技術(shù)職稱，并是與申報作品相同或相關領域的專家學者或?qū)I(yè)技術(shù)人員（教研組集體推薦亦可）；3．推薦者填寫此部分，即視為同意推薦；4．推薦者所在單位簽章僅被視為對推薦者身份的確認。推薦者情況姓名性別年齡職稱工作單位華南農(nóng)業(yè)大學工程學院通訊地址廣州市天河區(qū)五山路483號華南農(nóng)業(yè)大學工程學院郵政編碼510642單位電話住宅電話推薦者所在單位簽章（簽章）年月日請對申報者申報情況的真實性作出闡述陳楚文等同學是我校工程學院學生，其團隊參賽作品“基于單片機太陽能隨動控制的設計”經(jīng)認真研討，確為原創(chuàng)設計，能實現(xiàn)設計方案中提及的功能。請對作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景作出您的評價目前海水等水體的淡化課題，在國外部分嚴重缺水地區(qū)已引起普遍關注，其他經(jīng)濟發(fā)展大國也在積極想法設法應對淡水缺乏的危機。海水淡化將是解決水資源匱乏的主要方法之一。同時本設計采用綠色節(jié)能理念與合理的解決方案，符合當前節(jié)能減排的大趨勢。其它說明基于單片機太陽能蒸餾水隨動控制的設計陳楚文、唐本源、黃濤強、任振強指導老師：吳偉斌（華南農(nóng)業(yè)大學，工程學院，廣州，510642）【摘要】由于世界人口的急劇膨脹，以及嚴重環(huán)境污染所導致的生態(tài)災難，使得原本已經(jīng)非常有限的淡水資源變得更為可貴。如何高效益獲取淡水資源已經(jīng)引起廣泛關注。本設計方案為了能在海島或者沿海干旱等特殊環(huán)境獲取淡水資源，利用太陽能來淡化海水。裝置通過太陽能真空管對海水進行加熱，并通過反光罩對陽光進行匯聚，利用匯聚陽光所獲取的巨大能量對已預熱的海水進行最終加熱，以達到快速蒸發(fā)的效果。同時，方案運用傳感器、時鐘模塊的太陽跟蹤系統(tǒng)雙線控制設計，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。實驗當中，系統(tǒng)控制精度達到0.1ms的誤差精度，基本達到設計的要求。整個設計費用較低，具有一定的運用價值。關鍵詞：太陽能隨動控制單片機光敏傳感器蒸餾水器引言淡水資源，是人類生存的必需品之一，是人類不可替代的寶貴自然資源。但隨著現(xiàn)代化建設的高速發(fā)展，環(huán)境污染越來越嚴重，我們周圍可供使用的水質(zhì)正日趨下降。水資源短缺已成為21世紀人類面臨的重大問題。我國水資源的形勢更加不容樂觀，人均占有水量只居世界的弟108位，相當于世界人均水平的1/4，缺水城市占全國城市的2/3，被列為世界上13個貧水國之一。這將嚴重影響到我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。此外，覆蓋地球表面71%的海洋蘊含的海水占地球總水量的95%，卻不能被人類直接使用，而可供人類直接享用的淡水總量不足地球總儲水量的十萬分之七[1]。為了迎合可持續(xù)發(fā)展的科學戰(zhàn)略，解決潛在的能源危機，緩解世界各國的經(jīng)濟以及保護環(huán)境的要求，對太陽能進行高效、大規(guī)模運用已經(jīng)漸漸成為熱點，大力開展基于太陽能等綠色能源的海水淡化技術(shù)也漸漸成為主流。太陽能海水淡化技術(shù)綠色無污染、低能耗，是解決淡水危機的有效途徑，對緩解當代水資源短缺等系列問題具有深遠的戰(zhàn)略意義。在利用太陽能對海水等水資源進行淡化的領域，國內(nèi)外都有相應的措施，利用太陽能，電等能源進行輔助，以獲取淡水資源，但其成本相對比較高，而且將耗費其他有限能源，不符合可持續(xù)發(fā)展的大方向。因此運用更為有效節(jié)能的方法來獲取淡水資源也是部分缺水地區(qū)的研究熱點之一。而運用太陽能進行海水淡化，前提條件是要有太陽光照。集熱裝置匯集的熱量與照射到它上面的光照強度成正比。而比較可行的是接受太陽的直射光，此舉可得到太陽最大的光照強度。由于太陽的位置每時每刻都在變化，如果想得到上述的效果，必須使集熱裝置隨時跟隨太陽運動，才能保證太陽光始終垂直照射到集熱裝置上。為了實現(xiàn)這一目的，需要設計一個隨動的控制方案。本文從這點切入，旨在以較低的成本成功實現(xiàn)這一控制。1設計方案本設計方案基于太陽能真空管熱水器為原型，裝置由隨動控制、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。工作原理為運用太陽輻射對需加工的海水等水體進行初步加熱，利用反光罩的反光匯聚太陽能，對集熱管的水體進行進一步加熱，使水體達到比較理想的蒸發(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，由于采用隨動反光罩，裝置實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STC12C5A60S235IPDIP40單片機、PCF8563時鐘芯片和日本VEXTA東方馬達，使裝置實現(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電機驅(qū)動，以地球自轉(zhuǎn)角速度15°/h的速度轉(zhuǎn)動[3]1.1裝置整體示意圖真空管反光罩真空管反光罩簡易支架供水蒸發(fā)裝置電源太陽平行光單片機時鐘電路儲水箱黑箱（傳感器）步進電機圖1整體裝置示意簡圖2系統(tǒng)組成與工作原理2.1隨動控制系統(tǒng)由于地球的自轉(zhuǎn)速度是固定的，可以認為，早上太陽從東方升起經(jīng)正南方向向西運動并落山，太陽在方位角上以15°/h勻速運動，24h移動一周。高度角等于當?shù)鼐暥茸鳛橐粋€極軸不變。因而采用勻速隨動控制方法是可行的。其工作原理如圖2所示。電源電源液晶顯示光敏傳感器時鐘控制電路主控制程序步進電機脈沖信號圖2雙線隨動控制圖系統(tǒng)利用光敏傳感器作為信號源。將光敏電阻安置于只留有一條狹縫的黑箱當中。黑箱制作成狹縫狀，可以解決由于地球隨太陽公轉(zhuǎn)照成的太陽高度的改變。當接受太陽的直射光照時，阻值發(fā)生改變隨即驅(qū)動控制程序，由主程序發(fā)出脈沖信號驅(qū)動步進電機進行運動。時鐘電路采用PCF8563時鐘芯片，由晶振控制，其電路圖設計如圖3所示。因為晶振的誤差值為1us,對系統(tǒng)的時間影響非常小。為避免云霧等特殊天氣情況造成系統(tǒng)無法正常按時啟動工作，隨動控制的觸發(fā)程序還設置了一個時鐘定時開關。通過現(xiàn)有的日出時間數(shù)據(jù)，我們可以得出一個當季度最遲日出時間，如表1所示[4]。將此時間作為系統(tǒng)最遲啟動工作時間。如果遇上特殊天氣而傳感器暫時失效，則由時鐘電路的定時裝置，在最遲觸發(fā)時間發(fā)出觸發(fā)信號，使主程序工作，裝置進入小誤差工作狀態(tài)，從而最大可能降低系統(tǒng)意外無法正常工作的情況。表1各月份當月最遲日出時間統(tǒng)計表月份最晚日出時間（上午）月份最晚日出時間（上午）17:1075:5727:0786:0936:4996:1846:20106:3155:54116:5065:45127:08圖3時鐘電路圖主程序部分采用STC12C5A60S235IPDIP40單片機，電路圖如圖4所示圖4主控制程序電路圖2.2附屬控制系統(tǒng)2.2.1步進電機控制本設計采用日本VEXTA東方馬達生產(chǎn)的2PHASE步進電機，其控制策略當步精度達到1.8°，可實現(xiàn)本設計的高精度要求。其驅(qū)動電路如圖5。為了實現(xiàn)對太陽的同步追蹤，理論上應該使步進電機不斷驅(qū)動反光罩隨太陽移動，步進電機額定電流為0.8A，額定電壓4.5V，廣州夏季最長日照時間為12小時，此時步進電機消耗的能量為：4.5×0.8×12×3600＝155520J。為了達到減少步進電機轉(zhuǎn)動的次數(shù)，從而節(jié)省能源的目的，同時在盡量確保反光罩緊密追蹤太陽的條件下，將電機轉(zhuǎn)動的時間間隔定為4min。在這種情況下，電機每小時只需轉(zhuǎn)動15次，每次轉(zhuǎn)動的時間約為5s，即電機工作時長大大減少為5×15×12＝0.25h，此時電機耗能為：4.5×0.8×0.25×3600＝3240J。在這種方案下，步進電機消耗的能量僅為前者的2.08%，而因在四分鐘內(nèi)落后于太陽未能實時追蹤所造成的能量收集不充分的影響是很小的[5]。圖5步進電機驅(qū)動電路2.2.2復位開關由于采用勻速控制方案，在太陽光輻射值均達到較低水平時，系統(tǒng)已經(jīng)沒有運行的必要性，故應將系統(tǒng)復位，并恢復到待機狀態(tài)。系統(tǒng)通過單片機內(nèi)置的RAM，記錄從啟動主控制程序之后，向步進電機發(fā)送的脈沖信號數(shù)量。通過在時鐘電路設計一個定時時鐘，運行至傍晚6點鐘，發(fā)出復位信號，主程序停止正常工作模式，并啟用復位模式，將反光罩和傳感器一同反轉(zhuǎn)RAM中所存儲的脈沖數(shù)目，并待機，等待下一次啟動信號。通過復位開關，系統(tǒng)的工作時長由原來的全天候，縮短至不足一半的運行時間，可節(jié)約較為客觀的電量，并在一定程度上延長零部件的使用壽命。2.3采光集熱部分2.3.1太陽能真空管本節(jié)能設計采用太陽能作為其主要的熱量來源，依托太陽能真空管對管內(nèi)海水等待處理水體進行預加熱。如圖6所示相關數(shù)據(jù)表明，在良好的實驗條件下，真空管的熱轉(zhuǎn)換率可達到54%，將收集到非?？捎^的熱量，對普通水溫的水體的加熱起到巨大的加速作用。真空管涂有涂層，透射率一般達到0.93~0.96。為反光罩匯聚的大量熱量的吸收提供條件[6]。內(nèi)玻璃管內(nèi)玻璃管反光罩外玻璃管真空夾層涂層熱管導熱介質(zhì)圖6太陽能真空管與反光罩結(jié)構(gòu)2.3.2反光罩反光罩，采用鏡面反射的工作原理，其材料為高反光的PVC制成，可放射將近90%的陽光進行反射。通過將反光膜緊貼于與真空管同心圓的剛圓弧板上，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陽輻射的表面與強度，增加吸熱量提升整個裝置的效率。同時，反光罩通過隨動控制，可實現(xiàn)長時間等面積接受太陽垂直光線，對太陽能的利用率可達到一個新的臺階。2.4供水部分該裝置利用U型管模型，使真空管內(nèi)液面高度保持恒定。給水箱使用浮子開關，其液面高度與真空管液面高度基本同步，在輸送海水進入真空管的水管上連接一個針孔閥，起到限流以及隔熱的作用，確保真空管處于較好的工作狀態(tài)，減少熱量損失。圖7為供水結(jié)構(gòu)示意圖。供水管供水箱針孔閥浮子開關供水液面高度供水管供水箱針孔閥浮子開關供水液面高度圖7供水箱示意圖2.5蒸餾收集部分水蒸汽上升到蒸餾冷凝部分后，再將熱量傳遞給管路內(nèi)的導熱介質(zhì)（水），自身凝結(jié)成液體，由重力作用流至集水箱。另外，用太陽能發(fā)電板覆蓋于冷凝管上部，如圖8所示。可降低冷凝管曝曬于陽光樣下所產(chǎn)生的溫度，同時可進行發(fā)電，電量儲存于蓄電池中，為隨動裝置提供電源，實現(xiàn)綠色能源的綜合利用，降低生產(chǎn)成本。蒸餾裝置蒸餾裝置冷凝部分蓄水池蓄電池太能電池板水蒸氣圖8蒸餾收集裝置3系統(tǒng)方案可行性分析3.1實驗模擬系統(tǒng)運行后期實驗采用人工模擬日出、模擬特殊天氣使系統(tǒng)無法正常工作等兩組實驗，對系統(tǒng)的雙線控制進行實驗論證。實驗運用太陽模擬器進行模擬日出，觸發(fā)傳感器動作發(fā)出信號。同時利用示波器對傳感器和時鐘觸發(fā)電路進行檢測。如果該回路產(chǎn)生啟動電信號，則在示波器上顯示。（1）先將時鐘控制電路暫停，將裝載光敏傳感器的黑箱遮蓋，避免觸發(fā)系統(tǒng)啟動。通過小角度轉(zhuǎn)動，使太陽光漸漸投射到光敏電阻上，模擬日出時的景象。實驗前后共進行了10次，一旦陽光透過黑箱的狹縫直射到光敏電阻上，傳感器控制電路指示燈亮起，表示該控制電路正常工作。10次實驗基本都能順利實現(xiàn)，通過示波器與計時器的計時統(tǒng)計，系統(tǒng)啟動控制信號發(fā)生的誤差接近0.1ms，較為理想。但隨著光敏電阻使用次數(shù)增多，出現(xiàn)阻值不穩(wěn)定的現(xiàn)象，初步確定是光敏電阻不穩(wěn)定造成的。（2）將光敏傳感器黑箱狹縫遮住，將時鐘電路調(diào)整到對應臨近時段。到達模擬最遲日出時間，傳感器回路沒有接收到啟動信號，對應指示燈不亮。而時鐘電路回路指示燈亮起，并啟動系統(tǒng)工作。此回路由于采用計時器，因而控制信號誤差非常小，可以忽略。而由于啟動時間與日出時間的不對稱，設計方案提出了增加雙軸控制跟蹤器的概念。3.2方案對比論證現(xiàn)有的海水淡化技術(shù)原則上適用于苦咸水淡化、污水回用、硬水軟化,世界各國眾多科研機構(gòu)涉及這一領域。目前,已經(jīng)開發(fā)的海水淡化技術(shù)有20多種，雖然方法眾多,但主要可以分為如下幾類：1、蒸餾法，2、反滲透（RO），3、電析法，4、冷凍法[7]。表2生產(chǎn)1kg淡水的能耗對比淡化方式熱量輸入kJ/kg所需電能kWh/m2總能量消耗kJ/kg備注MSF2943.7338.4MED1232.2149.4VC16192RO12144ERRO7.994.8ED12144太陽能直接蒸餾器23300.33.6單位面積產(chǎn)水量低，8kg/(m2·d)槽式太陽能+MED123單位面積產(chǎn)水量高，60kg/(m2·d)國外太陽能海水淡化技術(shù)已有較長時間的發(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行，表3所示展示了一些已經(jīng)建成的并使用可再生能源的海水淡化項目,可以看出有相當大部分的系統(tǒng)使用了太陽能。表3太陽能海水淡化系統(tǒng)系統(tǒng)所在國系統(tǒng)所在地點適用水質(zhì)淡化單元淡化產(chǎn)量太陽能利用情況完成時間淡水耗費￥/m3阿聯(lián)酋阿布扎比海水MED80m31862m2198448意大利蘭佩杜薩海水RO(3+2)m3/h100kWPV199061.9/m3西班牙阿爾梅里亞大學苦咸水RO2.5m323.5kWPV1990—以色列馬阿甘邁克爾苦咸水RO0.4m33.5kWPV,0.6kWW/T3kW1997—西班牙阿爾梅里亞海水MED3m36.