移動式智能化太陽能增氧系統(tǒng)的研制

丁純純+陳安格+崔含+魏鈺靚

摘 要：為提高河湖治理、水產(chǎn)養(yǎng)殖中的增氧效率，研發(fā)移動式智能化太陽能增氧系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)太陽能系統(tǒng)在增氧設(shè)備（射流式曝氣機(jī)）上的放置方案，配備多參數(shù)在線水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備等，融合在線監(jiān)測、互聯(lián)網(wǎng)信息、自動化控制等新興實(shí)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽能增氧設(shè)備在水面上的主動移動（擴(kuò)大增氧區(qū)域）、對水文水質(zhì)的移動監(jiān)測、對水體增氧的“按氧供給”、對能量的“優(yōu)化分配”以及對整個設(shè)備運(yùn)行的無線遠(yuǎn)程控調(diào)。

關(guān)鍵詞：太陽能；移動式；智能化；水體增氧

1 概述

隨著工業(yè)高耗能企業(yè)的崛起，水體環(huán)境污染已成為制約我國經(jīng)濟(jì)、政治全面發(fā)展的關(guān)鍵因素。自2013年11月29日浙江省委十三屆四次全會提出“五水共治”大概念后，浙江省開展了多次污染河道水質(zhì)監(jiān)測和修復(fù)工程。本研究設(shè)計(jì)開發(fā)的河道內(nèi)移動式智能化太陽能增氧系統(tǒng)是響應(yīng)浙江省水體環(huán)境污染治理與修復(fù)的號召，并且以浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃資助項(xiàng)目展開的。

水體增氧在河道等水環(huán)境治理及水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。在高密度封閉的池塘養(yǎng)殖中，若無額外的氧氣補(bǔ)充，將會造成魚類的窒息死亡。傳統(tǒng)水體增氧主要采用以電能驅(qū)動的固定式增氧機(jī)，普遍存在能耗高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高、增氧效果差、噪聲大、易損壞等缺陷?，F(xiàn)行研發(fā)應(yīng)用的太陽能驅(qū)動的水體增氧設(shè)備在能源利用方面大力發(fā)展，但仍存在固定增氧居多、移動式增氧范圍有限、運(yùn)行調(diào)控簡單粗糙，不能有效按氧供給等問題，在性能方面仍存在較大挖掘空間。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種移動式智能化太陽能增氧系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)方案，旨在為河湖治理和水產(chǎn)養(yǎng)殖內(nèi)水體增氧提供高效節(jié)約的設(shè)備。

2 移動式智能化太陽能增氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的一種移動式智能化太陽能水體增氧系統(tǒng)，主要由太陽能控制系統(tǒng)、增氧設(shè)備、多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等軟硬件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、自主運(yùn)行、移動監(jiān)測、無線遠(yuǎn)程調(diào)控一體化，在環(huán)境效益上有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。

2.1 設(shè)計(jì)思路

（1）首先，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)柔性太陽能電池板的放置方式。將太陽能通過太陽能電池板收集，經(jīng)過光伏控制器儲存至鐵鋰電池內(nèi)，最后通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電用于增氧設(shè)備發(fā)電。所采用的為柔性薄膜太陽能板，可彎曲，質(zhì)量輕，可浮在水面。

關(guān)于太陽能系統(tǒng)供電，本文提供兩種直交流電的使用方式：若使用直流用電的增氧設(shè)備，可直接接在光伏控制器的直流負(fù)載端進(jìn)行發(fā)電，可提高光伏發(fā)電有效利用率，降低設(shè)計(jì)成本和擴(kuò)大空間范圍，若使用的是交流用電的增氧設(shè)備，經(jīng)過逆變器的直交流轉(zhuǎn)化，加以利用。

以太陽能為驅(qū)動力，促使增氧系統(tǒng)向深層水體通入溶解氧，利用太陽能電池板白天收集并儲存的電能用于夜晚或陰天使用。

（2）通過開始階段以太陽能為驅(qū)動力使增氧系統(tǒng)運(yùn)行，一旦運(yùn)行，增氧系統(tǒng)曝氣產(chǎn)生的推動力帶動了整個系統(tǒng)向前運(yùn)動，省去了人工借助船帶動增氧系統(tǒng)運(yùn)行的不便之處。

（3）在增氧系統(tǒng)上安裝多參數(shù)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時在線監(jiān)測，控制水體溶氧的“按需分配”。在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)加入繼電器和交流接觸器，通過設(shè)置水質(zhì)溶氧的高、低接觸點(diǎn)值，配合水質(zhì)監(jiān)測傳感器。當(dāng)監(jiān)測到水質(zhì)值低于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定范圍，則自動開啟增氧設(shè)備的曝氣開關(guān)，促使其在此處增氧。當(dāng)監(jiān)測到水質(zhì)值滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定范圍時，則斷開電路，關(guān)閉增氧設(shè)備的曝氣開關(guān)，實(shí)現(xiàn)溶氧的按需供給，合理分配。

（4）基于MSP430和GPRS技術(shù)，由數(shù)據(jù)存儲模塊、語音報警模塊、人機(jī)通信模塊、GPRS通信模塊等平臺組成。開發(fā)數(shù)據(jù)平臺，通過無線網(wǎng)將實(shí)時監(jiān)測的水體溶解氧量、PH值等數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫，隨時隨地監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況。

2.2 主要部件設(shè)計(jì)

2.2.1 增氧設(shè)備

本文選用的為低噪射流式曝氣機(jī)。

規(guī)格型號：0.75KW，220V 長×寬：1.6m×1.2m

每天工作以2h計(jì)，安裝面積滿足4m2。

2.2.2 太陽能系統(tǒng)

（1） 柔性太陽能板

a.材料選型

規(guī)格型號：1050×540×3mm，100W，18V，9片，每片1.8kg，總重16.2kg

b.太陽能板理論設(shè)計(jì)

太陽能系統(tǒng)發(fā)電轉(zhuǎn)換效率η1=0.75，發(fā)電系數(shù)η2=0.6。

射流式曝氣機(jī)規(guī)格為0.75KW，每天以2h計(jì)，則每日的耗電量為1.5KWh。

日發(fā)電量（輸出功率）：

即要獲得1.5KWh的電量至少需2KWh的日發(fā)電量。

日可用太陽光發(fā)電效率：

全國日照時間以2000h/a 計(jì)算

即每日全功率發(fā)電時間為3.29h。

所需太陽能板總功率：

所需太陽能板的數(shù)量：

取整，至少應(yīng)取7塊太陽能板

c.太陽能板角度設(shè)計(jì)

在太陽能板光伏發(fā)電的應(yīng)用中，通常是將太陽能板朝向赤道固定放置，并且與水平面呈現(xiàn)一定的傾斜角β，如圖1所示。其受太陽輻射強(qiáng)度、光伏電池特性、所帶負(fù)載、蓄電池等因素影響[1]。以中國氣象局氣象信息中心氣象資料室的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，太陽能板放置的最佳傾斜角大小主要受緯度影響，大多數(shù)城市年最佳傾斜角略小于所在緯度。此外，太陽直射和散射輻射的全面變化狀況也是重要的影響因素。由于杭州散射輻射占總輻射的比重較大，對最佳傾斜角的影響較大，并且隨著傾斜角的增大，散射輻射減小。因此，杭州的最佳傾斜角小于其所在緯度。

由于杭州所在緯度為北緯30°，直射輻射為51%，斜面上太陽輻射為1358kWh·（m2·a）-1。因此，本文太陽能板放置的最佳傾斜角為27°，方向?yàn)檎戏健?/p>

（2）鋰電池

本文所采用的供電電池為12V太陽能三元鐵鋰電池，具有體積小、容量大、電壓穩(wěn)定、重量輕，在水面上好固定等優(yōu)點(diǎn)，可以循環(huán)利用的優(yōu)勢減少環(huán)境污染，有利于可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)太陽能電池容量必須比負(fù)載（增氧設(shè)備）日耗電量高出5倍以上（南方地區(qū)）的原則，且太陽能電池容量按照系統(tǒng)容量（750W）的1倍選取。太陽能電池利用率為60%左右。

取整按照200AH配置，擬采用12V200AH一塊電池。

正好夠增氧設(shè)備供電2h

（3）太陽能控制器

所采用的大容量控制器可有效防止薄膜柔性太陽能板并聯(lián)時，隨著電流升高所帶來的系統(tǒng)風(fēng)險。同時帶有欠壓保護(hù)，實(shí)時觀測電池儲量。當(dāng)鐵鋰電池電壓小于25%時，帶有的LED屏顯將會紅燈閃屏，并帶有蜂窩報警提示。

擬采用的柔性太陽能板為18V，100w/片，7片

太陽能控制器容量=■=38.89AH

為保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行，且考慮為到后續(xù)設(shè)備的完善留有余地。選擇規(guī)格型號為：12V 60AH的控制器。

（4）逆變器

由于太陽能板所收集的電能是以直流電的形式儲存在鋰電池內(nèi)，而日常實(shí)際生活中所使用的均是交流電。逆變器是把直流電能（鋰電池儲存）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為輸出電壓220V、50Hz正弦波）。由于擬采用的增氧設(shè)備含感性負(fù)載，光伏穩(wěn)壓逆變器的容量必須為負(fù)載日耗電量高出3倍以上。選擇規(guī)格型號為：2000W（增氧機(jī)啟動功率大，配置偏大），220V的逆變器。

2.2.3 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測分析系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要是由多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測模塊及GPRS無線通信模塊和水質(zhì)監(jiān)測中心軟件平臺三大部分組成。實(shí)現(xiàn)了增氧系統(tǒng)對污染河道水質(zhì)實(shí)時、連續(xù)的水質(zhì)監(jiān)測（監(jiān)測項(xiàng)目包括PH、DO等常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)）、數(shù)據(jù)傳輸、接收、控制分析功能。配置10m溫補(bǔ)探頭，具有RS-485通訊接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；內(nèi)含繼電器負(fù)載，配置2000W交流接觸器擴(kuò)容。

2.3 系統(tǒng)總體裝配設(shè)計(jì)

安裝于四塊浮板上自主移動的低噪射流式曝氣機(jī)包括交流電機(jī)、曝氣葉輪等有效組件。浮板內(nèi)側(cè)設(shè)置帶電機(jī)的曝氣葉輪、承接電機(jī)的防護(hù)罩面與防護(hù)罩蓋，曝氣葉輪設(shè)置于浮板下方深入水底進(jìn)行曝氣增氧。

太陽能系統(tǒng)整體通過連接支架安裝在四塊長條式浮板上，漂浮于水面上，增氧設(shè)備與水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)均與太陽能系統(tǒng)中的逆變器相連，同時與中央控制器連接，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)接、傳功能。太陽能系統(tǒng)置于浮板中央，外加防水箱做密封處理。

太陽能系統(tǒng)包括柔性太陽能板、連接支架、鋰電池、控制器、逆變器等元器件。柔性太陽能板七塊并聯(lián)通過連接支架位于四塊長條式浮板兩側(cè)上方及浮板延伸處，共計(jì)700w，通過控制器用于鋰電池的充電。同時，逆變器通過控制器實(shí)現(xiàn)太陽能的直交流轉(zhuǎn)化，為所需模塊提供電源。

多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中參數(shù)控制器置于防水箱內(nèi)，外接線口處加密封圈做防水處理。防水箱外共有三個接觸點(diǎn)，輸入端口與低噪射流式曝氣機(jī)中的交流電機(jī)相連，通過繼電器和交流接觸器作用，自動控制交流電機(jī)的開關(guān)，達(dá)到移動范圍內(nèi)的“按需增氧”，由太陽能系統(tǒng)一并供電使用。輸出端口分別是監(jiān)測水質(zhì)的溫補(bǔ)探頭與具備通信功能的RS-485接口，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測和數(shù)據(jù)的存儲、傳輸功能。

3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）本文實(shí)驗(yàn)中采用太陽能利用技術(shù)作為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)直接動力，通過曝氣機(jī)尾部葉輪曝氣提升作用將底部缺氧區(qū)轉(zhuǎn)移到水體表面，與表層富氧水混合。并采用能量轉(zhuǎn)化技術(shù)，將多余的太陽能轉(zhuǎn)化為電能加以儲存，以供陰天能源不足時利用。

（2）采用曝氣過程中的推動力促使增氧系統(tǒng)自主移動。

（3）采用在線水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對溶氧的控制。

（4）搭建智慧平臺，實(shí)時進(jìn)行監(jiān)控和信息的傳輸。

4 結(jié)束語

水體缺氧是導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化、魚蝦等水生動物死亡的主要原因。對缺氧水體進(jìn)行人工增氧，不僅可以快速地促進(jìn)水體污染物的分解轉(zhuǎn)化和提高水體的自我調(diào)節(jié)與凈化能力，還可以有效地恢復(fù)水生動物的生存環(huán)境。因而本文研發(fā)的移動式智能化太陽能增氧系統(tǒng)在河道、湖泊等水環(huán)境治理以及水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)中將會應(yīng)用十分廣泛。本文技術(shù)優(yōu)勢在于河道增氧提升水質(zhì)，也可以用于魚塘養(yǎng)殖來預(yù)防和減輕浮頭，還可以改善水質(zhì)，加強(qiáng)池塘水體物質(zhì)循環(huán)，減弱或消除有害毒物，促進(jìn)浮游生物繁殖，向深層曝氣有助于控制底泥氮、磷元素的釋放，有助于水生植物除去富營養(yǎng)化水體中的氮、磷元素。

參考文獻(xiàn)

[1]朱丹丹，燕達(dá).太陽能板放置最佳傾角研究[J].建筑科學(xué)，2012（s2）：277-281.