基于節能減排大賽作品的太陽能利用研究

蔣冰瑤 劉 清

（武漢商學院機電工程與汽車服務學院 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注，但它們也各有各的缺點。風能的利用對地形有一定局限性，在我國，風力發電大面積設置地區為東北、華北、西北地區，這些地區地形平坦，風力資源豐富，但風力轉換效率低，設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備進行水利水能調節，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定的能源。

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

1 家用太陽能光熱蒸汽發電裝置的分析

1.1 設計方案

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，為更好的實現功能，底部材料的傳熱效率要較好，熱導率較高，整體裝置重量在一定范圍內，不會對使用造成負擔。

1.1.2 作品部件材料明細

表1

1.1.3 理論設計計算

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

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計，利用了旋轉拋物面的聚光原理。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動，即可發電?；厥绽眠^的蒸汽，產生蒸餾水，對比開始狀態起初步凈化的作用。[1]

（1）加熱裝置

壓力鍋爐加熱裝置，產生1100℃高溫。

圖1 原理圖

圖2 太陽灶

（2）入水口導向裝置

圖3 鍋爐水進口

圖4 冷凝管污水進口，內循環水進口

（3）冷凝裝置

高溫蒸汽冷凝處，使蒸汽盡快液化。

（4）水的內循環裝置

圖5 內循環裝置

在戶主不在家，沒有污水供給時，該設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 發電機

高溫蒸汽噴射口，產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）葉輪發電機

通過高溫蒸汽的噴射來推動葉片轉動發電，承受高溫環境。

（3）殘渣處理

清除污水中的固態渣滓，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 設計方案

本作品為結合太陽能以及壓電磚的新型涼亭。在傳統涼亭的基礎上，增設太陽能板，并在周圍鋪設壓電磚，在涼亭中設置蓄電設備，將人們行走時的踩踏發電以及日照發電進行收集利用。[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。

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，由充電模塊進行穩壓穩流再輸入蓄電池。發電陶瓷通過踩踏發電，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，由充電模塊進行調節后再輸入至蓄電池中。

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

2.1.2 機構部分

多功能涼亭結構與普通涼亭結構類似，底座由2m×2m的矩形構成，在底座中間位置設置一根立柱，該立柱支撐上層太陽能板的遮擋結構。

太陽能板傾斜角度根據地理位置設定，方向為由西向東。參考太陽能板的傾斜角度設原則。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電量盡可能大，而冬季和夏季發電量差異盡可能小時的傾斜角。光伏組件傾角的設計主要取決于光伏發電系統所處緯度和對一年四季發電量分配的要求。不同類型的太陽能光伏發電系統，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：發電量的傾斜角確定，其傾斜角應該比當地緯度的角度大一些；若以夏季負載供電的光伏發電系統，則應考慮夏季為負載提供最大發電量，其傾斜角應該比當地緯度的角度小一些。如果沒有條件對傾斜角進行計算機優化設計，也可以根據當地緯度粗略確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計的前提下，同時在保證發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，切割磁感線并產生電場，稱為正壓電效應。壓電發電裝置利用壓電陶瓷的正壓電效應將重力勢能轉換成電能，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生下降運動，進而完成后續發電工作。同時，由于磚塊面積小，一人行走可以同時踩踏多塊磚塊，帶動多塊磚塊發電，實現更好的能源利用。

太陽能板利用半導體材料的光電效應，將太陽能轉換成電能的裝置。涼亭多設于露天場所，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，將頂部鋪設的太陽能板傾斜一定角度放置，這樣的結構同時能夠產生更大的陰影，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，所以產電量為該數據的2倍。

真實發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。

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，當光伏組件內部的溫度達到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。

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，根據相關文獻，此因素會對光伏組件的輸出產生約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。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按0.95計算。

所以實際產電量為：

300W×5.3h×0.95×2=3021W·h

（2）耗電量計算

耗電設備：手機充電裝置，無線路由器，燈光照明。

考慮到涼亭設計最多坐8人，則為8人同時提供手機充電，現階段手機等移動設備充電規格大都為5V1A，則8人同時充電輸出功率為：

5V×1A×8=40W

假設每天有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級路由器，連接設備數量較多，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

所以太陽能板產生的電量完全可以滿足所有設備所消耗的能量。

3 結束語

根據兩個節能減排作品的設計計算，可在一定程度上證實太陽能發電的可靠性。作品家用太陽能光熱蒸汽發電裝置為家用太陽能設備，其體型較小，質量也較小，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備，其體型較太陽能光熱蒸汽發電裝置而言較大，且附屬設施較多，功能也更加豐富，受眾更廣，可以滿足更多人的需要，僅多功能涼亭設計即可為建筑節省夜間燈光照明電量及數臺移動設備的充電電量，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備能量轉化的高效性。

針對兩個設計而言，目前眾多的小型設備，太陽能的能量轉化都可滿足其供電需求，但解決大型設備的供電需求仍存在一定問題。且經過設計過程可得知，太陽能的轉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，該發電方式仍有很大的發展空間，值得深入研究。