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1、功率可调节便携式太阳能发电系统的设计1、相关定义1.1、工业余热定义及概述 低温、低压及低热焓的热源,俗称废热或低温余热。低温余热大量存在于工业生产 中间过程、伴生产品及产成品中。通过方案优化、资源整合、高效设备等,在工厂换热 网络内将这些低品位能源直接利用,或转化升级后提供生产、生活热水及建筑物集中采 暖供热等,可以显著降低工业企业的污染排放和能源消耗,是构建能源节约型和环境友 好型社会的有效途径。 能源是经济发展和社会进步的原动力,人类的生存发展与生产生活离不开能源的支 持。进入 21 世纪,我国经济高速增长,能源消费量也与日俱增,现已成为全球仅次于 美国的第二大能源消费国,其中工业能源消
2、费量占总消费量的 70%以上2。在我国的 能源结构中,煤、石油、天然气等化石燃料占有很大比重,而像风能、水电、核能、太 1 华南理工大学工程硕士论文 阳能及地热等清洁的非化石能源占一次能源消费的比重仅约为 8%。化石燃料的大量使 用及烟气的无序排放,加剧了空气、土壤及水体污染。要走出资源和能源短缺的困局, 突破能源利用的”瓶颈”,解决好环境保护与经济发展之间的矛盾,必须走可持续发展的 道路,寻求新的可持续发展的能源利用途。 其在我国,各主要部门的余热资源率平均达 7.3%,低温余热被视为继煤炭、石 油、天然气和水力之后的第 5 大常规能源,而余热资源回收率仅 34.9%,回收潜力巨 大。目前,
3、我国各行业回收利用的余热主要来自生产过程中排放的蒸汽、钢铁企业煅烧 过程中半成品及成品携带的显然、炼化装置气柜回收的火炬气、各类型加热炉排放高温 烟气的显热,水泥窑炉排放的余热等。而中低温余热由于技术、投资、用户等各种因素 限制,基本上还没有回收或者回收利用率很低。相对于煤、石油、天然气等常规能源或 高品位能源而言,低温余热热焓低、分散性大、利用难度大。但从能源挖掘和利用的发 展趋势出发,低温余热将作为产能和用能的关键环节,对节能减排、绿色环保和可持续 发展战略起到重要作用。因此,充分利用余热资源是实现工业企业降低能耗、减少排 放,增加收益的重要手段之一。 1.2、精密点检的定义 精密点检是通
4、过精密仪器或者仪表对设备进行综合性的测试或者运用诊断技 术、特殊工具,仪器,运用特殊的方法或诊断技术在设备不解体的情况下测定设备 的温度、应力、振动、裂纹和变形等物理量,把测得的数据与标准的数据进行比较 和分析确定设备的状态和劣化倾向程度,从而使我们确定设备是否需要调整或维 修。与日常点检和定期点检不同,精密点检是由点检员配合专业技术人员来完成的。 1.3、发电企业环境成本的定义 环境成本作为一种经济现象早己经存在,但在传统会计实务中并没有单独的加 以确认和计量,而是将其并入到其他费用项目。在我国,与环境有关的支出一般被 计入”管理费用”中。环境成本的构成是环境成本理论的核心,也是深入认识环境
5、 成本特性和变化规律,正确核算环境成本和合理补偿的基础。 根据传统会计对成本的界定,成本是一个资产流出的概念,代表着经营主体为 了实现经营目标、获得经济收益而发生的各种物品和劳动的消耗。环境成本是指企 业因预防和治理环境污染而发生的各种费用支出,以及由此而承担的各种损失。国 内关于环境成本界定和构成内容的研究,其观点基本上是围绕着”传统环境成本” 展开分析的,但在具体构成内容和分类上不统一,存在着许多争论。 就发电企业而言,我们可以把环境成本描述为:发电企业为降低生产经营过程 的环境负荷,或为执行国家环保政策法规而采取一系列环保活动所发生的可货币化 计算的各种支出 11 。内容包括两方面:一是
6、为了避免或控制污染物对环境造成的影 响或为了减少污染物排放而投入的技术、设备及管理成本等,如电厂的脱硫、脱硝 和除尘成本等;二是电厂因为排放的污染物向有关部门缴纳的排污费、污染税等费 用。 21 1.4、太阳能定义及其内涵 太阳能(SolarEnergy),是太阳内部不断进行核聚变反应所产生的能量,广 义的太阳能包括地球上的风能、水能、潮汐能和生物质能,而狭义的太阳能则仅 21 限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。尽管辐射到地球大气层的能 量只为太阳能总量的 22 亿分之一,但也高达 173000TW(ltw=10 12 kw),也就是说 太阳每秒钟通过电磁波传送到地球上的能量相当于
7、 500 万吨煤燃烧所释放出的 热量。 太阳能资源既是一次能源,也是无碳能源,具有普遍、无害、巨大、长久等 无与伦比的自然优势,现已成为世界各国关注的重点,各国在大力发展太阳能产 业的同时,也加大了对太阳能资源的研究。目前,对太阳能的开发利用,普遍分 为二大类,一类是以太阳能热利用为主的太阳能光热产业;另一类是以硅材料为 主导的太阳能光伏产业。 1.5、未来的太阳能概念赛车 (1)太阳能概念赛车Formula Zero: 概念赛车Formula Zero的模型是由Mercedes北美的高级研究中心设计。结合 了多种高新科技成果,拥有极低的重心与极高的空气动力学效率,并且还导入了 太阳能概念。四
8、个车轮都配备有驱动电机,车背部用于航空领域极为流线型的太 阳能帆,能将光能转化成动能。而车身上高耸的空气动力刚性帆,也可让风力成 为车辆驱动的动力,展现节能环保的极致发挥。 Formula Zero是一款真正意义上的Hybrid(混合体),它结合了F1赛车的华 丽和帆船的效率。奔驰正试图通过这款零排放的车子变革延续多年的传统赛车。 预计Formula Zero将于2025年走上赛道,如图2.13-2.16。 图2.13 侧面效果图 图2.14 正面效果图 10 图2.15 顶视图 图2.16 设计草图 (2)太阳能概念赛车Helios: Kim Gu-Han设计的这款概念赛车Helios是一款
9、完全使用电能的赛车,而它的 电源来自于太阳能。这个车装有巨大的太阳能电板,犹如巨大的翅膀。当行驶的 时候,可以把太阳能电板收起来。停止的时候可以展开太阳能板吸收太阳能充电。 这个概念车的设计灵感来自于爬行类动物蜥蜴,这款概念车还获得了2008国际汽 车内饰设计大赛的最佳贡献奖,如图2.17-2.195。 11 图2.17 车体结构图 图2.18 行驶状态 图2.19 太阳能电池板的展开过程 这些太阳能概念赛车都是基于前沿科技,针对未来的某些需要而设计的,是 今后太阳能赛车的发展方向。 1.6、太阳能的概念 大自然中的太阳能资源是太阳能路灯的能量来源,正如汽油是汽车的动力来 源,粮食是人类的动力
10、来源一样。在进行太阳能路灯的研究过程中,笔者认为首 先应该对太阳能的概念以及我国太阳能资源的分布情况有所了解。这样才能因地 制宜,选择合适的组件,让太阳能路灯更好的服务我们的生活,提高我们的生活 质量。 人们常称的太阳能代表着非常广泛的含意,在地球上除了直接照射到地球上 的辐射能外,水能、风能、海洋能、潮汐能、以及绿色植物光合作用固定下来的 生物能都属于太阳能。但间接的太阳能通常被称为广义的太阳能。我们通常所说 的太阳能主要是指太阳辐射能,也是狭义的太阳能资源。 10 1.7、产品设计的定义 产品设计其实就是:”一个创造性的综合信息处理过程,通过数字、色彩、 线条、符号等把产品显现在人们面前。
11、产品设计是将人的某种目的或需要转换为 一个具体的物理形式或工具的过程,把一种计划、规划设想、问题解决的方法, 通过具体的载体,以美好的形式表达出来。”2产品设计内容涵盖有设计心理学、 人机工程、色彩学、造型设计等,并要筛选技术种类,还有去协调产品内部各技 术单元、产品与自然环境,产品技术与生产工艺间相关的关系(如图 2.1)。 图 2.1 产品设计 图片来源:2013 红点设计大奖 产品设计对社会、企业、消费人群都具有十分重要的意义和价值。社会的发 展离不开产品的不断更新换代,企业则需要产品设计带来生产效益,获得利润, 消费人群更需要产品设计来提高生活质量。产品设计已经深入到社会的方方面 面,
12、和人们的生产、生活密不可分。从大处说,宇宙航空到深海舰艇,从小处说, 7 山东艺术学院硕士学位论文 水杯碗筷到桌椅板凳,都是产品设计的结果。产品设计可以直接就衍化为一种人 类自身功能不足的一种延伸,成为重要的组成部分,进而引导了人们的生活,美 化了人们的生活,更使得人们的生活不断进步,构成一种崭新的生活方式和生产 方式。 1.8、系统功能的定义和描述 “便携式 FPGA 编程器”应具有 USB 通信、Flash 存储、键盘控制、LCD 液晶显 示、FPGA 编程等功能。 1. USB 通信功能 USB 通信是”便携式 FPGA 编程器”最基本也最重要的功能之一。通过 USB 通信 接口将 FP
13、GA 配置文件从 PC 转移存储到 Flash 中。 2. Flash 存储功能 Flash 用于存储 FPGA 配置文件和 LCD 字符库。一片 Flash 中可以存储多个配置 文件,为了便于多个文件的管理,Flash 数据结构采用 Fat16 文件系统。对 Flash 存 储空间进行有序划分,可以高效地利用其存储空间,存储更多信息。 3. 键盘控制功能 键盘用来完成系统多个任务之间的切换控制,选择不同的按键,实现不同的功 能。 4. LCD 液晶显示功能 LCD 提供一个人性化的操作界面,将文件名称显示出来,便于区分 Flash 中存 储的多个文件,方便操作。 5. FPGA 编程功能 对
14、 FPGA 目标系统进行编程,是本系统的最终目标。在键盘的控制下,选择相 应的配置文件,模拟配置时序,实现对 FPGA 目标系统的配置。 1.9、接口定义 接口在仪器的设计和应用过程中,占有很重要的地位。近红外光谱仪电路模块要与 电源和前放电路、光电开关、步进电机等设备之间交换信息,在采集过程中还要与PC机 交换信息,所有这些信息交换,都要借助于接口实现。电源接口如表4.1所示。 表4.1 电源接口定义 引脚号 信号名称 信号流向 引脚号 信号名称 信号流向 1 光源+12V 入 2 光源地 入 3 步进电机+12V 入 4 步进电机地 入 模拟电路板 数据采集板 单片机 光源 电源 步进电机
15、 金手指 数据采集板 ARM 37 第四章 数据采集和模块的接口设计 续表4.1 电源接口定义 引脚号 信号名称 信号流向 引脚号 信号名称 信号流向 5 模拟板+12V 入 6 模拟板地 入 7 模拟板-12V 入 8 ARM +5V 入 9 ARM 地 入 表4.2 “金手指”接口定义 引脚号 信号名称 信号流向 引脚号 信号名称 信号流向 1 步进电机A相 出 2 步进电机B相 出 3 步进电机C相 出 4 步进电机D相 出 5 零点光耦电源 出 6 零点光耦信号 出 7 零点光耦地 出 8 切光器光耦电源 出 9 切光器光耦信号 出 10 切光器光耦地 出 11 前放输出信号 入 12
16、 前放输出地 入 13 前放传感器电源 出 14 前放放大器电源+12V 出 15 前放放大器电源-12V 出 16 模拟板地 17 参考信号 入 18 参考信号地 入 19 AD输入信号 出 20 AD输入地 出 21 扩展 22 扩展 电源接口采用DB9接头,给仪器的各个部分供电,具体供电要求在第五章介绍。 “金手指”接口如表4.2所示: 1,2,3,4是步进电机的四根相线,通过单片机的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3发送控 制步进电机正反转和转速的脉冲。 5,6,7是零点光耦的控制线。5为光耦提供工作电源,电压为2V;6是光耦信号线, 通常情况下是低电平,当转动电机到仪器中设定的机械零点时,信号变为高电平,通过 6脚传送给单片机,控制电极反转截止,开始正转。 8,9,10是参考信号。8为调制盘光耦提供2V工作电压。9是通过调制盘切出的近似 方波信号,是整形的反相器的输入端。 11,12是前放电路经过传感器采集放大后的输出信号,是携带样品有用信息的近似
