摘要：主要设计了一种基于单片机编程的定时控制太阳能水泵装置，利用其实现了太阳能装置定时自身清洗的功能，在阳光充足、干燥少雨的广大中西部地区可有效提高太阳能的综合利用率。
关键词：定时 光伏效应 太阳能水泵
中图分类号：TH318 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0227-02
1、背景
早在1839年，法国科学家贝克雷尔就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术[1]。20世纪以来，世界范围的污染问题日益严重，传统的能源随着开采越来越少，这个时候，由于新能源（可再生能源）具有清洁无污染和取之不尽、用之不竭的特点，许多国家都将目光投向这种新能源形式。要实现能源的可持续利用，发展新能源、提高能源利用效率、减少对传统能源的依赖是人类发展的必然选择[2]。丰富的太阳能是重要的能源，是无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍[3]。
由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。20世纪90年代光伏发电快速发展。到2008 年全球太阳能安装总量已累计达15 GW。美国为最早制定光伏发电发展规划的国家，1997年又提出 百万屋顶计划，[4]其他国家也都有相应的太阳能利用计划。我国中西部广大地区，阳光资源丰富，可建设多个太阳能发电站，但是充分利用当地太阳能资源的同时也面临着一个问题，由于当地频繁的风沙天气使长期暴露在外的太阳能电池板、集热管表面积聚了厚厚的灰尘，这不仅仅降低了太阳能的利用率，也对装置本身的寿命带来威胁。于是我们想能否设计一套清洗装置，用本身光伏发电提供的电力驱动其工作，通过电路控制部分使其自动的对光伏板，集热管进行清洗，并将污水实现再循环利用，以此来解决上述出现的问题。
2、主要研究思路
本课题组考虑到光伏电池有着广泛的应用，并且主要暴露于尘埃中，而尘埃会破坏地球上的太阳能设备，例如，阿联酋的一个大型10兆瓦太阳能发电厂就因为沙尘暴而使电力生产减少了40%，而清洗电池板会花费大量时间，需要昂贵的自动设备，并且消耗大量水。因此，课题组提出了设计一套装置利用光伏发电本身带动一微型水泵，进行光伏板及太阳能热水管等设备的定时清洗装置。
本设计主要目的是解决在系统运行过程中定时控制的问题以及水循环再利用的管路问题。思路如下：
（1）定时控制部分：
作为整套设备的关键，定时系统可以采用模拟线路或者单片机控制两种方法[5]，根据实际情况，本课题组设计了一套单片机控制系统，专门根据不同地域不同需求设计了三套定时工作模式。
工作模式1：一天清洗一次，每次五分钟；
工作模式2：三天清洗一次，每次十分钟；
工作模式3：一周清洗一次，每次十五分钟；
（2）水循环系统：由10mm橡胶水管，阀门两个，太阳能集热管两根，软垫，水箱，自制喷头两个，12V，25W的微型水泵一个组成。等待时间到后，单片机给P1.7端口置高电平，使继电器闭合，电流导通，从而使水泵正常工作。水泵从水箱抽水，通过两个阀门的开合可分别对集热管和电池板冲洗，污水再顺着引流装置回到水箱中继续循环利用。工作时间到，单片机P1.7口置低电平，继电器断开，水泵停止工作，进入下一个等待时间。
3、装置组成及原理
本装置主要由光伏发电系统，单片机电路控制系统，集水清洗系统和污水循环系统四部分组成。
（1）光伏发电系统由太阳能电池板、充放电控制器和蓄电池组成，电池板利用光伏效应将光能转化为电能，并通过充放电控制器和蓄电池将电能有效地提供给所接负载使用。
（2）单片机电路控制系统（如图1）。
（3）集水清洗系统：10mm橡胶水管，阀门两个，太阳能集热管两根，软垫，水箱，自制喷头两个，12V25W微型水泵一个组成
（4）污水循环系统：水槽，污水收集瓶，活性炭，滤纸，引流管组成。可将清洗后的污水经过滤引流到水箱中，实现循环利用，不产生污染。
4、设计主要功能及特点
由于太阳能集热管和电池板常年暴露在外，表面因此积有大量灰尘，降低了太阳能的综合利用率，本装置通过太阳能电池板提供的电力驱动水泵和单片机的工作，利用自制的单片机定时控制器实现水泵对集热管和电池板的自动定时清洗，清洗后的污水还可循环再利用。并可通过按键修改清洗和等待时间以更好的满足实际需要。（下附太阳能管清洗前后的节能数据对比）如表1。
显然，其相比大型电力水泵有着节能减排，环保无污染，无需人为操作，操作简单，经济适用，有效提高太阳能的利用率，减少资源的浪费等种种优点。并且项目研制的整套装置体积小，投入低，在全国范围内都有很大的实用价值。
5、设计所存在的不足
基于现阶段实验条件所限，我们没能很好的设计一套更为快速、集约的净水系统，目前使用的仅仅是简单的活性炭净水方式，是否可采用更好的净水模式？此外，太阳能光伏发电技术有很大的优越性，但其发电效率受到环境因素很大的影响如碰上阴雨天气，其输出功率会大受影响[6]，也可以考虑另接一其它能源供应系统，在阴雨天时替换使用。这些在日后都有很大的改良空间，也是课题组进一步研究的目标。
参考文献
[1]杨军.太阳能光伏发电前景展望.沿海企业与科技，2005年，第8期，总第66期.
[2]向磊.为什么要大力发展新能源产业.世界有色金属，2010年，第8期.
[3]晓宇.太阳能的利用与产业发展.建筑装饰材料世界，2008年，第7期.
[4]孟懿.太阳能光伏发电的发展.东北电力技术，2010年，第11期.
[5]李蔚.太阳能光伏技术与建筑应用.建筑电气，2007年，第九期.
[6]郑立群，吕实诚，隋艳霞.一种实用的太阳能充电器的研制.数字技术与应用，2010年，第12期.
