浅谈机械自动化技术在太阳能领域中的发展与应用

2010-08-15于洋

科技传播 2010年14期

于洋

大连大学机械工程学院，辽宁大连 116000

0 引言

近年来，新能源的开发利用和环境保护问题是世界上各个国家重点关注的热点科研问题，随着人类社会持续快速的发展，煤、石油以及天然气等传统形式的能源能够被开发利用的已越来越少，国际舆论对人类社会面临的“能源危机”问题也开始越来越高度关注。据世界相关能源权威调查机构统计分析，世界上剩余的可开采石油量可供人类开采的时间长度大约只剩下40年，天然气可供开采的时长大约还剩61年，煤碳资源大约还能开采230年。而且在我国，传统形式的能源储备量大约只占世界上常规能源总储量的10%；另一方面，长期大量使用传统形式的化石能源，已经对地球环境造成了严重污染和破坏，地球生态环境也正在逐步严重恶化。

针对越来越严重的“能源危机”问题，目前世界上大多数国家都已制定并实施了与可再生能源利用相关的法律法规，正逐步促进着利用可再生能源技术的发展和推广应用。在目前可利用的可再生能源中，太阳能取之不尽、用之不竭，且其受其他因素的影响相对风能、水能来讲较小，其开发利用的技术发展的相对较快。因此，世界上越来越多的国家、科研机构和院校都在加大力度对太阳能的开发利用进行研究，使得太阳能利用在光伏产业方面发展迅速。根据世界光伏产业相关的发展报告统计显示，最近10～20年太阳能电池及组件研究开发并生产成功的速度越来越快，最近几年的平均增长率甚至超过了40%。

1 机械自动化在太阳能领域中的发展与应用现状分析

但是，我国在太阳能能源开发利用的过程中还存在不少问题。如我国还没有自己掌握太阳能开发利用的核心技术，机械设备的自动化水平与发达国家相比还存在很大差距，对太阳能开发利用过程中无法更好地处理尾气的闭气循环利用等问题[1]。而且现在开发利用太阳能的设备系统越发复杂、设备规模也越发庞大、各设备间以及设备各组成部件之间的联系也越来越紧密，这些都对开发利用太阳能的机械设备自动化、智能化水平提出了新的要求。针对目前我国对太阳能开发利用技术的发展现状，本文主要对机械设备自动化技术在太阳能光伏和太阳能光热利用产业方面的应用进行相关的探讨。

2 机械自动化在太阳能光伏产业领域的发展应用

光伏发电产业在未来将成为人类用电电网的支柱和方向，随着我国“可再生能源法”的颁布实施，以及在世界上其它国家对太阳能光伏产业快速发展需求的带动下，近年来我国光伏产业的发展规模也迅速扩大，发展速度也大幅增长，相应的太阳能光伏设备与产品的产能与销量也节节攀升。但是，我国在太阳能光伏产业方面的发展与国际先进水平相比还存在较大的差距，主要表现在以下几个方面：

1）目前，我国国内投建的大部分多晶硅提纯项目中，晶硅提纯技术采用的都是经改良的西门子法，国际上太阳能光伏产业技术发达厂商控制着晶硅提纯的先进核心技术，我国多晶硅提纯技术的发展相对还很不成熟，机械设备的自动化程度还远没有达到世界先进水平，对太阳能开发利用过程中尾气的循环利用技术还较落后，开发成本过高。因此，研究并掌握多晶硅的提纯核心技术，逐步提高机械设备的自动化以及智能化的程度，是我国太阳能光伏产业发展急需解决的一个难题。

2）用于沉积Si3N4层的PECVD设备，在产能和技术水平层面上都已经达到国际先进水平，机械设备的价格也大幅低于进口的设备价格，因此在国内也获得了越来越多产商的青睐。但是，该设备的自动化、智能化水平与国际先进水平相比还存在一定差距，主要反应在设备的自动装卸片方面。

3）对于硅片切片设备的要求，应确保硅片切片后表面充分平整、没有明显的划痕，切片的几何尺寸误差应不超过0.5mm，切片上任意两个弧线弦线长度相差应不大于1mm。随着切片技术的不断发展，硅片厚度也逐渐减小，目前国际先进水平的硅切片最薄厚度已经突破了180mm，而我国的硅切片厚度最好时还只能到200mm。可见，我国硅切片设备的高度自动化和精细化的发展还有很长的路要走。

4）相比于在太阳能光伏产业技术的国际先进水平，我国还没有完全掌握全自动丝网印刷技术，因此几乎所有的国内太阳能开发利用产家，不得不从国外以昂贵的价格购买丝网印刷设备。

5）太阳能光伏发电系统，通常情况下包括由光伏电池组件、逆变器、控制器和蓄电池组等部件构成，该系统运行的关键是机械组件的自动化控制和信息智能化处理。例如，已有学者发明了一种能自动跟踪太阳移动的太阳能利用设备，该设备主要由自动跟踪系统、太阳能转换器、盛有液体的平衡箱、支撑框架及结构、弹簧等构成，实现了太阳能开发利用过程中跟踪的高自动化和智能化，且设备结构相对简单、造价较低，适合多种不同形式和规模的太阳能开发利用的设备[2]。但目前我国在逆变器、控制器和蓄电池组等部件的技术水平还十分有限，尤其是相应的检测仪器设备、设备监管仪器、运行监控设备的生产还没有达到大规模、高自动化智能化的流水线式生产水平，生产成本相比较高。

客观地说，我国太阳能光伏产业的发展目前还处于起步阶段，与传统能源开采利用的成本相比，首先急需解决的问题是如何在太阳能开采过程中实现高度自动化和智能化，如何降低进行大规模开发应用的成本问题。在全世界都在大力发展光伏产业的背景下，我过应加强对光伏产业先进设备的研发力度，全面提升机械设备的自动化水平，才能使我国的光伏产业发展不断走向成熟。

3 机械自动化在太阳能光热产业领域的发展应用

对太阳能光热进行开发利用的产业主要包括有太阳能热发电、太阳能热水器以及近年来发展较快的太阳能建筑。其中，太阳能热水器将太阳能热利用的较充分，但其机械自动化程度不高；太阳能建筑集成近年来已逐渐成为国际上正在重点开发的新技术，其对机械自动化的要求也较高；三者相对来说，利用太阳能热发电对机械自动化的要求最高，目前利用太阳能热发电的系统主要包括3种类型：塔式系统、碟式系统和槽式线聚焦系统。例如，相关学者研发的一种完全自动控制式太阳能采暖装置[3]，该设备的突出特点是将太阳能热水器与散热器、泵相连接形成一个整体，并同时将温度控制仪、时间控制仪与泵相连接，使整个采暖装置系统实现了高度智能化的自动控制，与传统的采暖技术相比，该装置具有充分节约能源、降低能耗；既可通过温度进行控制，又可利用时间进行控制的高智能化自动控制功能。该装置正常运行时自身可进行最佳状态调整而不需要经常进行人工调整，使用方便，节能环保。