【正文】 有 300多年的歷史。發(fā)展到現(xiàn)代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學(xué)利用等。 太陽能的發(fā)展史 近代太陽能利用歷史可以從 1615年 法國 工程師 所羅門 考克斯在世界上發(fā)明第一臺太陽能驅(qū)動的 發(fā)動機 算起。這些動力裝置幾乎全部采用聚光方式采集陽光，發(fā)動機功率不大，工質(zhì)主要 是水蒸汽，價格昂貴，實用價值不大。 1900~1920年，在這一階段，世界上太陽能研究的重點仍是太陽能動力裝置，但采用的聚光方式多樣化，且開始采用平板集熱器和低沸點工質(zhì)，裝置逐漸擴大，實用目的比較明確，造價仍然很高。 1945~1965年，在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的 20年中，一些有遠見的人士已經(jīng)注意到石油和天然氣資源正在迅速減少，呼吁人們重視這一問題，從而逐漸推動了太陽能研究工作的恢復(fù)和開展。 1965~1973年，這一階段，太陽能的研究工作停滯不前，主要原因是太陽能利用技術(shù)處于成長階段，尚不成熟，并且投資大，效果不理想，難以與常規(guī)能源競爭，因而得不到公眾、企業(yè)和政府的重視和支持。從而使許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達國家，重新加強了對太陽能及其它可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，在世界上再次興起了開發(fā)利用太陽能熱潮。 1980~1992年， 70年代興起的開發(fā)利用太陽能熱潮，進入 80年代后不 久開始落潮，逐漸進入低谷。 1992年 ~至今，由于大量燃燒礦物能源，造成了全球性的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。從總體來看， 20世紀取得的太陽能科技進步仍比以往任何一個世紀都大。 (2) 無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是 最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。 (4) 長久：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的 【 4】 。因此，盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，是能源建設(shè)應(yīng)該遵循的原則。 第二，我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭約占商品能源消費結(jié)構(gòu)的 76％，已成為我國大氣污染的主要來源。能源問題是世界性的，向新能源過渡的時期遲早要到來。 即便這樣，太陽能利用仍 然有它的不足之處，比如太陽能的不確定性，因為天氣環(huán)境的變化雖然可以預(yù)測但是并沒有能力改變，而太陽能發(fā)熱和發(fā)電與日照強度基本成正比。目前使用最多的太陽能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚焦集熱器等 3 種。 （ 2）太陽能發(fā)電 未來太陽能大規(guī)模利用一個方式。 ① 光 —熱 —電轉(zhuǎn)換。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。 ② 光 —電轉(zhuǎn)換。 （ 3）其他應(yīng)用 這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光 —化學(xué)轉(zhuǎn)換方式。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻 【 3】 。 國外太陽能在油田中的應(yīng)用 約旦將太陽能集熱器用于中東某電廠對燃料油的加熱上 ,并成功地保持燃料油系統(tǒng)恒溫 50 ℃ 以上的流動性和分散性 ,由此節(jié)約了 5 %～ 8 %的能耗 。委內(nèi)瑞拉一條 32 km 長稠油管道采用太陽能熱二極管技術(shù)后輸油溫度從 28 ℃ 提高到 60 ℃ ,輸送能力提高 17 %。專家們預(yù)計 ,該技術(shù)不久將進入工業(yè)化應(yīng)用 【 3】 。 新疆油田公司首座太陽能發(fā)電站在陸梁油田落成三個月以來，累計發(fā)電量超過 10,000 千瓦時，這是新疆第一次成功利用太陽能作為機械負荷運轉(zhuǎn)進行采油。普及應(yīng)用太陽能熱水器和太陽能路燈照明系統(tǒng)，對基層單位和部分單位機關(guān)所在地路燈照明系統(tǒng)進行推廣應(yīng)用光伏太陽能照明技術(shù)，對機關(guān)供配電系統(tǒng)、場地照明、室內(nèi)照明、熱水供應(yīng)等進行新能源技術(shù)改造，實現(xiàn)辦公用電用能供給的多樣化，充分利用新能源。 原油冷卻到由液體變?yōu)楣腆w時的溫度稱為凝固點。凝固點的高低與石油中的組分含量有關(guān)，輕質(zhì)組分含量高，凝固點低，重質(zhì)組分含量高，尤其是石蠟含量高，凝固點就高。 原油粘度是指原油在流動時所引起的內(nèi)部摩擦阻力，原油粘度大小取決于溫度、壓力、溶解氣量及其化學(xué)組成。一般來說，粘度大的原油密度也較大。一般環(huán)境的溫度一般也不會超過 50℃ ，所以必須對原油罐內(nèi)的原油進行加溫或保溫措施。其中水泵不需要太大的轉(zhuǎn)速和電壓，并由一個相匹配的電機驅(qū)動，電機由一個固態(tài)繼電器實現(xiàn)啟停 ,而繼電器由一個三極管導(dǎo)通不需要 DA 轉(zhuǎn)換（由于 要在一個單片機上實現(xiàn) 四 個模擬量的采集和處理若用到 DA 則輸出端口有沖突）。 以上為一個簡單的控制，但現(xiàn)實中要考慮的問題還很多，比如：當太陽能熱水器的水位偏低是要及時進行補水操作，這是需要在太陽能熱水器的低端加一個壓力傳感器，時刻檢測水位的變化。冬季室外溫度較低是要注意管道的凍結(jié)情況，通過另一個溫度傳感器的檢測判斷是否要啟動伴熱帶和及時停止泵的運轉(zhuǎn)。同時考慮到當蓄電池沒電或剛剛上電時應(yīng)該如何控制 ,即在蓄電池電量小于某一值時，電機和伴熱帶都要停止工作，這是因為蓄電池的本身的特性。 這些問題都要在單片機里進行編程控 制。 除此之外，應(yīng)用太陽能給原油罐加熱的裝置不是全年都能適用的，比如，在夏天，室外溫度很高的情況下，太陽能熱水器中的熱水能達到 100℃ 。所以，這套裝置一般適用于溫度較低的環(huán)境下。圖中所示為一簡單的設(shè)計框圖，現(xiàn)實中要考慮的問題很多，比如閥的設(shè)計、各個期間的連接電路等。 太陽能電池板、蓄電池的選擇 太陽能電池板 太陽能熱水器在整個設(shè)計中起到很大的作用，就是利用它將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能來實現(xiàn)熱水循環(huán)給原油加熱的。由太陽能電池板收集并轉(zhuǎn)換為電能再將電能儲存在蓄電池中，以備后續(xù)是使用。 其容量可由實際情況來選擇。其中 100W的太陽能電池板面積大約為 。太陽電池組件每天輸出的安時數(shù)為 B， 即 P=AB； T——衰減因子，考慮環(huán)境因數(shù)和組件自身衰減造成的太陽電池組件輸出的減少，將衰減因子乘以太陽電池的輸出，給出了實際情況下太陽電池組件輸出的保守估計值，取 T=0． 9。 蓄電池的選擇是根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況來計算其所需容量。 Q——日平均負載，如： Q=(P／ 24V)24h； Nl——最長連續(xù)陰雨天數(shù)，取 3d7d，這里按 3d計算； D——溫度修正系數(shù)。 C——蓄電池最大允許放電深度，深循環(huán)蓄電池最大允許放電深度為80％，淺循環(huán)蓄電池最大允許放電深度為 50％。 太陽能熱水器的選擇 目前市場上所賣的太陽能熱水器有真空管型熱水器（含熱管真空管型），平板型熱水器和悶曬型熱水器三大類，根據(jù)其特點本設(shè)計中可以選用 平板型太陽能集熱器 【 24】 。工業(yè)上使用一般容積要大，選 大于 300L 的 。 硬件連接設(shè)計 國內(nèi)油田大多采用的加熱、保溫工藝還是停留在傳統(tǒng)方法上，如蒸汽伴熱、電熱管技術(shù)、電熱帶技術(shù)、集膚效應(yīng)、燃氣水套爐等。 利用最新電納米分子加熱 (像電熱毯一樣 )給原油罐加溫不管什么天氣都能正常使用托在罐體下部但是造價很高。 蒸汽加熱，一般的加熱溫度在 150℃ 以下，比較經(jīng)濟。但應(yīng)用太陽能就能避免這些問題。而太陽能電池板可以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，無論在什么地方都可以免費使用這一天然能源。 下面就利用太陽能來設(shè)計給原油罐加溫的裝置。其次就是對用到的元器件進行可行性選型。 表 螺旋臥式油罐 具體參數(shù) 生產(chǎn) 廠家 凈重 容積 常壓 最高壓力 山東廣饒石油機械股份有限公司 813Kg 40 3m 圖 螺旋臥式油罐 結(jié)構(gòu)圖 基于以上元件的選擇，設(shè)計出一套 應(yīng)用太陽能設(shè)計原油罐加熱裝置如圖 為一整體設(shè)計框圖。根據(jù)需要來選擇罐內(nèi)管道纏繞方式： 內(nèi)部纏 繞式：在原油罐的內(nèi)壁上緊密的纏繞一層熱水循環(huán)管道實現(xiàn)對原油的全面加溫，或者是利用蒸汽排管加熱方式即將管道排列組合盡量加大傳熱面積。 這樣一來通過太陽能熱水器的光熱轉(zhuǎn)換給儲水箱的水進行了加熱，并通過泵使得熱水在管道里循環(huán)以起到保溫的效果，由 于原油的溫度在50℃ 60℃ ，要保持這個溫度或保證原油的溫度不低于它的凝固點，并且每種管道都有自己的傳熱效率，并伴隨著熱損失，所以外部管道的溫度要盡量的高。 圖 保溫式設(shè)計 管道閥的連接 熱水由太陽能熱水器供應(yīng)，經(jīng)泵在原油罐的外圍循環(huán)，之間需要一些閥門如圖 。 R R5——沖洗閥 ,由于長時間的使用，而 本設(shè)計不需要經(jīng)常的換水或補水，勢必在循環(huán)的管道中會留下些水垢，時間久了會影響到循環(huán)速度甚至導(dǎo)致泵的堵轉(zhuǎn)燒壞水泵必須進行除垢措施，考慮到只用 R5來進行兩側(cè)管道一起沖洗，會浪費大量的水，并且需要的水壓也比較大，因此再多加一個閥 R4實現(xiàn)兩側(cè)沖洗。 R6——排水閥，沖洗過的污水經(jīng) R6排出。報警燈的設(shè)計也類似，在設(shè)計中用到了 5個指示燈，每個指示燈都由一個三極管導(dǎo)通，三極管的集電極接5伏的電壓信號，從單片機出來的信號經(jīng)反相器接在指示燈一端。 再者由于蓄電池輸出電壓為 24v，在選型時最好找一 24v 電機和一個 24v的泵來匹配，這樣電機的供電端就可以直接接在蓄電池的輸出端，選型如下： 電機 深圳新鑫電機有限公司生產(chǎn)的 SG545124500 Series 24VDC 標準型 【 24】 具體參數(shù)見下表： 圖 電機實物圖、尺寸圖 表 電機的具體參數(shù) 額定電壓 空載電流 空載轉(zhuǎn)速 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)電流 24v 4500r/min 3350r/min 130gfm 520gfm 泵 為了使得電機能更好的帶動泵來進行熱水的循環(huán)，選擇 12V 水泵即可但是因為與電機的電壓不匹配可以中間加一個電阻來降壓 【 25】 。選型如下 : 產(chǎn)品為新鑫電機有限公司生產(chǎn)的 SG545124500 Series12VDC 標準系列 。cm cm 當線圈通電后，會 圖 繼電器原理圖 使中心的軟鐵核心產(chǎn)生磁性， 將橫向的擺臂吸下，而臂的右側(cè)則迫使電門接點相接，使兩接點形成通路 【 28】 。 三極管的發(fā)射極接繼電器，基極接單片機的輸出端，集電極接 5V高電平。 伴熱帶的選擇 原油罐中的原油溫度在 50℃ 60℃ ，而太陽能熱水器中的熱水溫度要大于這個值，即管道一般不宜凍結(jié) 冬季環(huán)境溫度低于 0℃ ，連續(xù)幾天陰天，暴露在外邊的管道容易凍結(jié)，管道一旦凍結(jié)管道中的水就會停止流動，泵就會空轉(zhuǎn)，嚴重時可能將泵燒壞，熱水不流動了就起不到給原油保溫的作用了，長時間有可能導(dǎo)致原油凝固。 由圖 可以知道，伴熱帶的功率隨著溫度的增加而減小，在外界溫度低 的情況下，它能快速的啟動減少了運行時間。而采集這些模擬量就用到了傳感器， 設(shè)計中共需采集三路模擬量就用到了三個傳感器： 兩個溫度傳感器 其中一個溫度傳感器加在油品出口處，以檢 測原油罐的原油溫度；另一個溫度傳感器加在外部誰循環(huán)管道處，以檢測環(huán)境溫度（管內(nèi)循環(huán)水的溫度）。 外加溫度變換模塊 JWBW將溫度信號轉(zhuǎn)換為 05v的電信號 一個壓力（液位）傳感器 測量太陽能熱水器的液位可以轉(zhuǎn)化為壓力的測量，將壓力傳感器安裝在太陽能熱水器的低端。輸出 :0～ 5V電壓信號。 第 4章 單片機控制 單片機及其引腳連接 利用單片機對整個設(shè)計進行控制，首先要了解單片機的一些基本知識，再根據(jù)自己的需要進行選型并了解其構(gòu)造。 開始時控制這一塊我想用 PLC 來實現(xiàn)，因為對 PLC 還算比較熟悉，但是考慮到這是一個聯(lián)系實際的設(shè)計題目，現(xiàn)場如果用 PLC 進行控制，從經(jīng)濟角度和安全維護角度看都不是很合適，但單片機就能很好的解決這一問 題，所以轉(zhuǎn)而用單片機做為設(shè)計的核心控制器。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十 K的尺寸！對于家用 PC 的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。 通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和 I/O 接口電路等。 圖 8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)