風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)在天津地區(qū)池塘養(yǎng)殖中的試驗(yàn)

文/李 灝 郝 俊 丁子元 任涵瑋

2015年，天津全市養(yǎng)殖面積超過60萬畝，總產(chǎn)量40.12萬噸，為市民提供了大量的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，漁業(yè)是天津市農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。增氧系統(tǒng)是漁業(yè)生產(chǎn)中漁業(yè)機(jī)械的必要組成，目前國(guó)內(nèi)大量使用的增氧機(jī)多為1500W~3000W的高耗能漁業(yè)機(jī)械，通過380V三相交流電、電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)等動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，使用量巨大，消耗大量電力和能源。每個(gè)養(yǎng)殖企業(yè)每年用電成本占總成本的比例很大，且火力發(fā)電需向空氣中排放大量廢氣，造成空氣污染、能源枯竭與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。另外，部分魚塘處于相對(duì)偏遠(yuǎn)的地方，特別是水面較寬闊的大型養(yǎng)殖場(chǎng)，電網(wǎng)難以到達(dá)和覆蓋，獲得電力能源的投入很大，線損高，壓降嚴(yán)重，且安全隱患較多。因此天津市水產(chǎn)技術(shù)推廣站特申立“風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)在養(yǎng)殖中的試驗(yàn)示范”，促進(jìn)天津市漁業(yè)向低碳環(huán)保的方向發(fā)展。

太陽(yáng)能和風(fēng)能具有清潔、持續(xù)、環(huán)保、長(zhǎng)久的特點(diǎn)，是人們應(yīng)對(duì)能源短缺、節(jié)能減排與氣候變化的重要選擇之一。將光能和風(fēng)能兩種能源互補(bǔ)利用，作為池塘增氧設(shè)備的動(dòng)力來源，提高了動(dòng)力來源的可靠性。太陽(yáng)能和風(fēng)能在當(dāng)?shù)乜扇∏仪鍧崯o污染，是其巨大的優(yōu)勢(shì)。

池塘水體缺氧是池塘單產(chǎn)的重要限制因子之一，養(yǎng)殖產(chǎn)量隨著增氧機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展而快速增長(zhǎng)，池塘產(chǎn)量進(jìn)入高產(chǎn)階段。目前主要使用的增氧機(jī)械主要為葉輪式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)、射流式增氧機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等。其中射流式增氧機(jī)由于其增氧效率高，耗能少等特點(diǎn)，發(fā)展迅速，受到越來越多養(yǎng)殖戶的青睞。

風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)利用太陽(yáng)能和風(fēng)能組成的清潔能源轉(zhuǎn)化成電能以驅(qū)動(dòng)水泵，帶動(dòng)文丘里原理混合器，吸入空氣進(jìn)行氣-水高速混合，形成細(xì)小的微氣泡，同時(shí)推動(dòng)下層水體流動(dòng)，使氣泡可以與水體充分接觸。

一、風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)分別由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和增氧系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成。

（一）動(dòng)力系統(tǒng)

風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)的動(dòng)力由風(fēng)能和太陽(yáng)能來提供。其主要設(shè)備有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能板和蓄電池。

1.風(fēng)力發(fā)電設(shè)備

本系統(tǒng)采用1000W的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)沿氣流的方向，在風(fēng)向改變的時(shí)候其尾翼對(duì)風(fēng)，具有360度捕風(fēng)能力。由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，風(fēng)機(jī)的輸出電壓為0V ~400V交流電，必須先經(jīng)過整流再對(duì)蓄電池充電。

2.太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備

太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能收集、貯存于蓄電池。本系統(tǒng)將8個(gè)300W多晶硅太陽(yáng)能板串聯(lián)組成太陽(yáng)能板方陣，將太陽(yáng)能高效的轉(zhuǎn)化為電能。

（二）控制系統(tǒng)

1.控制器

具有多功能保護(hù)措施，如自動(dòng)關(guān)斷功能。詳細(xì)的充電說明、電池狀態(tài)、負(fù)載和欠壓指示。380V三相交流電自動(dòng)切換功能，當(dāng)蓄電池欠壓時(shí)，負(fù)載供電自動(dòng)切換到380V三相交流電直到蓄電池電壓到達(dá)恢復(fù)電壓?？刂破饔?個(gè)模塊分別顯示實(shí)時(shí)的風(fēng)力、風(fēng)向、照度；蓄電池的電壓、電流和380V三相交流電的電壓、電流；輸出電壓、電流、電機(jī)使用功率；水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)水體溫度、水體含氧量；用電量指示。

2.蓄電池

本系統(tǒng)采用膠體鉛酸蓄電池，此種蓄電池為無游離液體的凝膠狀電解質(zhì)，散熱能力強(qiáng)，電池容量高，使用壽命長(zhǎng)。

3. 逆變器

本系統(tǒng)逆變器的頻率為50Hz~60Hz，將蓄電池輸出的48V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的高壓交流電。

（三）增氧系統(tǒng)

1.潛水泵

本系統(tǒng)采用750W交流潛水泵，在水下運(yùn)轉(zhuǎn)，為文丘里混合器提供噴射高速水流，設(shè)定水流噴射方向，池塘水體將沿這一噴射方向進(jìn)行流動(dòng)。

2.文丘里混合器

文丘里混合器兼具吸氣和混合兩種功能于一體，水泵的動(dòng)力將水推入文丘里的壓縮段，形成高速噴射的紊流態(tài)水流，經(jīng)過混合腔時(shí)形成負(fù)壓，吸入空氣的同時(shí)將氣體高速擊碎并與水混合。強(qiáng)勁的水流與空氣混合噴射，產(chǎn)生多而細(xì)膩的氣泡，以增加氣體和液體間的交換面積，并延長(zhǎng)氣泡在水中的停留時(shí)間，提高了單位功率增氧效果。

3.浮體結(jié)構(gòu)

由浮船、方桿、支架、直軸承和調(diào)節(jié)桿等部件組成，對(duì)水上部件進(jìn)行固定。

二、風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)池塘增氧效果試驗(yàn)

目前主要使用的增氧機(jī)械主要為葉輪式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)、射流式增氧機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等。葉輪式增氧機(jī)的增氧原理為通過較大的葉輪連續(xù)的攪動(dòng)水體，擴(kuò)大水體與空氣的接觸面積，達(dá)到向水體增氧的目的。射流式增氧機(jī)除浮體和進(jìn)氣管的部分在水面上外，其余均安置在水面下，其原理是通過直徑較小的葉輪以較高的轉(zhuǎn)速連續(xù)推動(dòng)水體形成負(fù)壓，將空氣吸入水中，使水體增氧。射流式增氧機(jī)具有噪聲低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少、易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，價(jià)格較低，安裝使用方便，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在部分地區(qū)深受漁民的歡迎，并得到廣泛使用。本試驗(yàn)旨在對(duì)使用風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)和葉輪式增氧機(jī)的池塘進(jìn)行溶解氧檢測(cè)、分析和比較，檢驗(yàn)風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)的增氧效果。

（一）試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為天津市西青區(qū)恒興富民水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社。試驗(yàn)池塘南北走向，每個(gè)面積5畝，水深2m。5月投放贛昌鯉鯽夏花4000尾/畝，投喂粗蛋白含量為35%的配合飼料，日投喂3次～4次，日投喂量為體重3%～5%。

（二）測(cè)定方法

選擇3個(gè)相鄰的池塘，其中池塘1和池塘2安裝風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)，池塘3安裝葉輪式增氧機(jī)。開機(jī)時(shí)間為6:00至18:00。選擇10月的某一晴天進(jìn)行溶解氧24h晝夜測(cè)定，時(shí)間間隔為3h，每個(gè)池塘設(shè)立3個(gè)采樣點(diǎn)，采樣深度為1m。采用碘量法測(cè)定。

（三）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和圖表處理分別采用SPSS18.0軟件和EXCEL2007軟件進(jìn)行處理。

（四）結(jié)果與分析

池塘水體溶解氧24h的變化范圍為5.00mg～10.00mg/L，溶解氧最大差異為5.00mg/L（見下圖）。池塘24h溶解氧呈現(xiàn)單峰型變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在16:00，峰谷出現(xiàn)在4:00。3個(gè)池塘的溶解氧差異不顯著（P<0.05）。

從10:00至19:00光照較強(qiáng)，水溫從日出逐漸上升，水體中的溶解氧70%由浮游植物光合作用產(chǎn)生，此時(shí)增氧機(jī)的作用主要是攪水。14:00左右光照和水溫逐漸上升到最大值，16:00溶解氧達(dá)到峰值，池塘溶解氧達(dá)到過飽和狀態(tài)，通過增氧機(jī)的攪水作用使池塘上下層溶解氧混合均勻。隨著光照減弱，夜間浮游植物不再進(jìn)行光合作用，池塘生物呼吸作用消耗氧氣，溶解氧逐漸降低，至4:00達(dá)到谷值。6:00開啟增氧機(jī)為池塘增氧，保證養(yǎng)殖生物的正常生長(zhǎng)。7:00時(shí)，池塘1和2的溶解氧高于池塘3，是由于射流式增氧機(jī)其兼有推流和增氧的雙重作用，射流口在水深約1m處，可以直接對(duì)最缺氧的池底水體進(jìn)行增氧，所以池塘1和池塘2的增氧速度要高于池塘3。

圖1 不同池塘不同時(shí)間的溶解氧

（五）討論

溶解氧是限制水體單產(chǎn)的重要因子之一，隨著增氧機(jī)械的出現(xiàn)，水體單產(chǎn)極大的提高。葉輪式增氧機(jī)是最常見的增氧機(jī)械，通過水壓躍變與卷吸作用給表層水體增氧，但對(duì)池塘底部增氧效果差，噪音大。射流式增氧機(jī)則具有增氧能力高，上下水層增氧均勻，無齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，免于維修且無油脂潤(rùn)滑，不會(huì)污染水質(zhì)。運(yùn)行時(shí)形成一股較大的定向水流，對(duì)喜好水流的養(yǎng)殖魚類更為合適，噪音低，無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，適合魚苗池增氧使用。本試驗(yàn)中3個(gè)池塘的溶解氧差異不顯著，說明兩種增氧機(jī)械都可以保證養(yǎng)殖生物的正常生長(zhǎng)。

有研究表明，相同功率的射流式增氧機(jī)比葉輪式增氧機(jī)的增氧效果要高1.5倍。射流式增氧機(jī)在增氧時(shí)，無葉輪在水中運(yùn)動(dòng)，可以減少魚類的應(yīng)激，避免魚體受到機(jī)械損傷。通過射流口的調(diào)節(jié)，可以對(duì)全池不同水層進(jìn)行增氧。水深1m處，池塘1和池塘2的增氧速度要高于池塘3，也說明了射流式增氧機(jī)的單位功率增氧效果要好于葉輪式增氧機(jī)。

此外，風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)可以解決水面較寬闊的大型養(yǎng)殖場(chǎng)，電網(wǎng)難以到達(dá)和覆蓋，獲得電力能源的投入較大的難題。相對(duì)于其他安置于水面的增氧機(jī)，風(fēng)光混合新能源增氧系統(tǒng)還可以對(duì)冰封的水體增氧，滿足魚類越冬的需要。