基于节能减排大赛作品的太阳能利用研究

蒋冰瑶 刘 清

（武汉商学院机电工程与汽车服务学院 湖北省武汉市 430056）

引言

能源分为一次能源与二次能源，一次能源又可划分为可再生型能源与不可再生型能源。目前，风能、水能、太阳能等能源作为新型可再生型能源，正受到越来越多的关注，但它们也各有各的缺点。风能的利用对地形有一定局限性，在我国，风力发电大面积设置地区为东北、华北、西北地区，这些地区地形平坦，风力资源丰富，但风力转换效率低，设备可能造成对动物的惊扰，且噪音较大；水能需求大型蓄水场所，我国水力资源丰富，但利用这些能源需要建筑大坝等设备进行水利水能调节，对土地资源造成一定浪费，且易受汛期及河流泥沙等影响；太阳能利用较为简便，太阳光普照大地，各处都可使用，对电能需求最大的时段，如夏日午时，正是太阳能最为充沛的时段，虽会受到阴雨天气及昼夜变化的影响，仍可算几种新型能源中较为稳定的能源。

为证明太阳能利用的稳定性与高效性，以节能减排大赛为平台，共设计了两个以太阳能为能源供给的新型设备与建筑，本文将通过介绍两个作品以证明太阳能设计的可行性与可靠性。

1 家用太阳能光热蒸汽发电装置的分析

1.1 设计方案

1.1.1 材料要求

作品要求材料具有一定抗压能力，且能够满足抗高温要求，为更好的实现功能，底部材料的传热效率要较好，热导率较高，整体装置重量在一定范围内，不会对使用造成负担。

1.1.2 作品部件材料明细

表1

1.1.3 理论设计计算

太阳灶加热装置的温度控制聚焦中心温度稳定1100℃，能在短时间内将水烧开产生蒸汽。压力锅炉的蒸汽速度每秒至少喷射出4～5m的蒸汽，能够使对应的发电机供电。

1.2 工作原理及性能分析

1.2.1 原理介绍

太阳灶是利用太阳能辐射，通过聚光获取热量，聚光式太阳灶的镜面设计，利用了旋转抛物面的聚光原理。若有一束平行光沿主轴射入抛物面，遇到抛物面的反光，光线都会集中反射到定点的位置，形成聚光。选好合适的位置和太阳灶的大小，可在中心产生超过1000℃的高温，轻易的烧开一壶水。利用高压锅的原理在中心设置一个喷射口，使一定压力喷射高温蒸汽，利用喷射的高温蒸汽推动叶片转动，即可发电。回收利用过的蒸汽，产生蒸馏水，对比开始状态起初步净化的作用。[1]

（1）加热装置

压力锅炉加热装置，产生1100℃高温。

图1 原理图

图2 太阳灶

（2）入水口导向装置

图3 锅炉水进口

图4 冷凝管污水进口，内循环水进口

（3）冷凝装置

高温蒸汽冷凝处，使蒸汽尽快液化。

（4）水的内循环装置

图5 内循环装置

在户主不在家，没有污水供给时，该设备能维持装置的正常运行。

1.2.2 性能分析

（1）温蒸汽喷射口

图6 压力喷口

图7 发电机

高温蒸汽喷射口，产生足够的压力与速度才能喷射出，承受高温和一定压力，间歇喷射。

（2）叶轮发电机

通过高温蒸汽的喷射来推动叶片转动发电，承受高温环境。

（3）残渣处理

清除污水中的固态渣滓，保证装置底部的正常传热以及正常运行。[2]

2 多功能凉亭的分析

2.1 设计方案

本作品为结合太阳能以及压电砖的新型凉亭。在传统凉亭的基础上，增设太阳能板，并在周围铺设压电砖，在凉亭中设置蓄电设备，将人们行走时的踩踏发电以及日照发电进行收集利用。[3]存储的电能可为行人手机供电，同时也为内置的路由器提供电能，有利于解决公共wifi信号差，覆盖率低的情况。除此之外，本凉亭将在上方设电灯，解决夜晚照明问题。蓄电池充满之后，多余的电量将汇入电网。

2.1.1 电器控制部分

电气部分采用模块化控制，充放电都有专用模块进行管理控制，防止过度充放电。在充电过程中，太阳能板直接将电能输出至充电模块，由充电模块进行稳压稳流再输入蓄电池。发电陶瓷通过踩踏发电，由电容充电模块控制，每次踩踏输出的电力将直接通入电容，再由电容输出至充电模块，由充电模块进行调节后再输入至蓄电池中。

放电过程由放电模块控制，蓄电池经放电模块输出电力至灯光系统、无线网络系统以及移动设备充电系统，放电模块将蓄电池12V变压至5V，再将其接入输出系统。除此以外，蓄电池额外电量将通过逆变器转换成220V交流电连接电网。

2.1.2 机构部分

多功能凉亭结构与普通凉亭结构类似，底座由2m×2m的矩形构成，在底座中间位置设置一根立柱，该立柱支撑上层太阳能板的遮挡结构。

太阳能板倾斜角度根据地理位置设定，方向为由西向东。参考太阳能板的倾斜角度设原则。确定了光伏板位置和方位角，再选择倾角。最理想的倾角是太阳电池全年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角。光伏组件倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。不同类型的太阳能光伏发电系统，其最佳安装倾斜角是有所不同的。对于同一地理位置（不含南北极）而言：发电量的倾斜角确定，其倾斜角应该比当地纬度的角度大一些；若以夏季负载供电的光伏发电系统，则应考虑夏季为负载提供最大发电量，其倾斜角应该比当地纬度的角度小一些。如果没有条件对倾斜角进行计算机优化设计，也可以根据当地纬度粗略确定太阳电池的倾斜角。[4]

表2

例如，武汉的纬度大约是30°，则选择倾斜角度为35°，保证倾斜角度不会太大影响凉亭的设计的前提下，同时在保证发电效率的情况下使得凉亭在下雨的情况时能够很好地排水。

图8 模型渲染图

在实际制作过程中，由于技术限制，将模型简化制作。

2.2 工作原理与性能分析

图9 多功能凉亭模型

图10 多功能凉亭渲染图

2.2.1 工作原理

压电陶瓷在外力作用下会下沉，切割磁感线并产生电场，称为正压电效应。压电发电装置利用压电陶瓷的正压电效应将重力势能转换成电能，供各电器用电。由于选用的砖块小，以人体的重量可以较为轻松的使其发生下降运动，进而完成后续发电工作。同时，由于砖块面积小，一人行走可以同时踩踏多块砖块，带动多块砖块发电，实现更好的能源利用。

太阳能板利用半导体材料的光电效应，将太阳能转换成电能的装置。凉亭多设于露天场所，日晒雨淋难以避免，故可以考虑合理利用这部分能量。为保证能量的充分利用，将顶部铺设的太阳能板倾斜一定角度放置，这样的结构同时能够产生更大的阴影，防止部分行人被照射。人们躲避日晒的同时还能够享受日晒产生的能量，可谓一举两得。[5]

2.2.2 性能分析

（1）太阳能板电量计算

太阳能板规格选择2m×1m、功率为300W、输出电压为12V的单晶硅太阳能电池板。根据武汉一年的平均光照时间1950h左右计算得平均每天日照时间5.3h，则估算得每天光伏板发电量为：

300W×5.3h=1590W·h

由于亭子上方布置了两块300W的太阳能板，所以产电量为该数据的2倍。

真实发电量计算太阳电池板输出的直流功率是太阳电池板的标称功率。在现场运行的太阳电池板往往达不到标准测试条件，输出的允许偏差是5%，因此，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.9～5的影响系数。

随着光伏组件温度的升高，输出的功率就会下降。对于晶体硅组件，当光伏组件内部的温度达到5.0～7.5℃时，它的输出功率降为额定时的8～9%，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.8～9的影响系数。

光伏组件表面灰尘的累积，会影响辐射到电池板表面的太阳辐射强度，同样会影响到太阳能板的输出功率，根据相关文献，此因素会对光伏组件的输出产生约7%的影响，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.9～3的影响系数。由于太阳辐射的不均匀性，光伏组件的输出几乎不可能同时达到最大功率输出，因此光伏阵列的输出功率要低于各个组件的标称功率之和。另外，还有光伏组件的不匹配性和板问连线损失等，这些因素影响太阳电池板输出功率的系数按0.95计算。

所以实际产电量为：

300W×5.3h×0.95×2=3021W·h

（2）耗电量计算

耗电设备：手机充电装置，无线路由器，灯光照明。

考虑到凉亭设计最多坐8人，则为8人同时提供手机充电，现阶段手机等移动设备充电规格大都为5V1A，则8人同时充电输出功率为：

5V×1A×8=40W

假设每天有10h使用时间需要充电，则消耗电量为：

40W×10=400W·h

由于室外路由器一般为企业级路由器，连接设备数量较多，信号传输范围广，所以功率较普通路由器高。一般为50W左右，而且为24h在线工作，所以消耗电量为：

50W×24h=1200W·h

室外灯光照明采用1ed顶灯，一般一个顶灯的功率为20W，考虑到本凉亭设计面积，两个顶灯即可满足照明需求。而顶灯开灯时间为12h，所以耗电量为：

20W×12h×2=480W·h

则理论上消耗的总电量为：

400W·h+1200W·h1+480W·h=2080W·h

所以太阳能板产生的电量完全可以满足所有设备所消耗的能量。

3 结束语

根据两个节能减排作品的设计计算，可在一定程度上证实太阳能发电的可靠性。作品家用太阳能光热蒸汽发电装置为家用太阳能设备，其体型较小，质量也较小，但可满足一户用户的日常使用需求。作品多功能凉亭为公共用太阳能设备，其体型较太阳能光热蒸汽发电装置而言较大，且附属设施较多，功能也更加丰富，受众更广，可以满足更多人的需要，仅多功能凉亭设计即可为建筑节省夜间灯光照明电量及数台移动设备的充电电量，若使用其他方式进行供电，则又需提供巨大的能量。这充分说明了太阳能利用的可行性与太阳能设备能量转化的高效性。

针对两个设计而言，目前众多的小型设备，太阳能的能量转化都可满足其供电需求，但解决大型设备的供电需求仍存在一定问题。且经过设计过程可得知，太阳能的转化利用方式较为单一，由于太阳的东升西落及昼夜变化的影响，太阳能的利用仍存在很大程度的浪费，该发电方式仍有很大的发展空间，值得深入研究。