太陽能水體垂向循環(huán)裝置系統(tǒng)研究

陳偉昌 ，楊 躍 ，韋三剛 ，李錦鴻

（1. 珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；2. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030000）

0 引言

水庫、風(fēng)水塘、人工湖、小微水體等水體流動性差，逐漸形成水溫分層，造成水體溶解氧含量低且不均勻，底層水體溶解氧含量低、溫度低的現(xiàn)象尤其突出，不利于沉積的動物排泄物、有機(jī)淤泥和腐敗藻類等有害物質(zhì)的分解，是水體富營養(yǎng)化的主要原因[1-2]。上述環(huán)境為藻類大量繁殖提供了條件，水體容易出現(xiàn)發(fā)黑、發(fā)臭現(xiàn)象。

目前國內(nèi)外針對水體垂向循環(huán)設(shè)備的研究不多，設(shè)備自動化水平較低，且往往功耗較大（一般為 kW 級）[3-6]，僅依靠太陽能作為電源補(bǔ)給還難以滿足供電需求?；谏鲜霰尘?，研究一種太陽能水體垂向循環(huán)裝置系統(tǒng)（以下簡稱循環(huán)系統(tǒng)），將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，利用太陽能為水循環(huán)提供動力補(bǔ)充，通過形成持續(xù)性的水體立體循環(huán)交換，起到改善水質(zhì)、防控藻華的作用。

1 循環(huán)系統(tǒng)水體垂向循環(huán)原理

太陽能水體垂向循環(huán)裝置是循環(huán)系統(tǒng)的核心，工作原理如下：葉輪旋轉(zhuǎn)帶動表層水體向四周擴(kuò)散形成表面流，導(dǎo)流管內(nèi)局部形成負(fù)壓，此時(shí)底層水體受壓力作用補(bǔ)充進(jìn)入導(dǎo)流管并提升到表層繼續(xù)擴(kuò)散，同時(shí)，表面流受到重力作用逐漸下沉形成感應(yīng)流，最終形成大范圍水體立體循環(huán)交換。工作原理圖如圖 1 所示。

隨著表面流擴(kuò)散，覆蓋面積增加，可改善水體的表面張力，提高氣水界面的氧濃度，并通過水體交換提升底層溶解氧含量，促使水體均勻化，破壞藍(lán)藻的生存環(huán)境和競爭優(yōu)勢，提高水體自凈能力。水體循環(huán)過程使得好氧微生物得到激活，厭氧微生物受到抑制，促使水體中食物鏈健康發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)的良性循環(huán)。

2 循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與工作機(jī)制

2.1 結(jié)構(gòu)與功能

循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)裝置、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備及配套的控制邏輯組成[7-8]。具體結(jié)構(gòu)和功能分析如下：

1）循環(huán)裝置。循環(huán)裝置負(fù)責(zé)形成持續(xù)性、較大范圍的橫縱向水體循環(huán)交換。循環(huán)裝置以浮標(biāo)體為載體，水上部分包括位于浮標(biāo)平臺上的主控制器、電機(jī)驅(qū)動器，太陽能板等，水下部分包括電機(jī)葉輪、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、電池等。導(dǎo)流結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)流管、分水盤、壓水盤，導(dǎo)流管底端伸入到底層水體并設(shè)有進(jìn)水孔，分水盤和壓水盤之間形成水流的橫向?qū)Я骺臻g；葉輪帶動水體微提升后從橫向?qū)Я骺臻g快速向水面擴(kuò)散。循環(huán)裝置根據(jù)實(shí)測溶解氧含量與目標(biāo)溶解氧含量的偏差動態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)循環(huán)流量大小。電機(jī)采用無刷直流電機(jī)，利用驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

圖 1 水體垂向循環(huán)裝置原理圖

2）水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備。水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測目標(biāo)水體的水質(zhì)情況，將溶解氧含量值作為反饋信號傳輸給循環(huán)裝置。水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備浮標(biāo)作為分體式的系統(tǒng)組成之一，集多參數(shù)水質(zhì)傳感器及信號采集傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的溶解氧、濁度、溫度、電導(dǎo)率、pH 等水質(zhì)指標(biāo)的在線監(jiān)測。

2.2 通信方式

循環(huán)裝置與水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備均同時(shí)具備 LoRa 及GPRS 通信能力，在兩者之間采用 LoRa 無線自組網(wǎng)通信，系統(tǒng)通信拓?fù)淙鐖D 2 所示。對于兩者之間的通信，以水體垂向循環(huán)裝置為主機(jī)，水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備為從機(jī)，當(dāng)主機(jī)定時(shí)調(diào)節(jié)周期到時(shí)，通過 LoRa 向從機(jī)發(fā)送水質(zhì)數(shù)據(jù)請求，從機(jī)采集完水質(zhì)參數(shù)后通過 LoRa 將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，由于采用 LoRa 自組網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)傳輸具有效率高及距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢[9]。

圖 2 系統(tǒng)通信拓?fù)鋱D

水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備自身預(yù)設(shè)每小時(shí)采集 1 次水質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過 GPRS 將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心入庫。水體垂向循環(huán)裝置每小時(shí)采集1 次電機(jī)狀態(tài)及電池電量等信息，并通過 GPRS 將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心入庫。所有水質(zhì)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息均可在微信公眾號上查看。

2.3 工作機(jī)制

根據(jù)溶解氧含量的特點(diǎn)，溶解氧含量存在飽和值，且在空氣中隨著氣溫的升高而降低。水中的溶解氧含量除受水溫影響外，水下植物的光合和呼吸作用是主要的影響因素，白天由于水下植物光合作用釋放氧氣，因此水中溶解氧含量高于夜晚。

循環(huán)裝置綜合考慮了溶解氧含量和剩余電量，基于誤差控制原理進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)：考慮到溶解氧含量是控制的主要指標(biāo)，同時(shí)裝置的電量是主要的約束條件，因此為了平衡兩者，發(fā)揮最大的控制效果，給溶解氧含量u1和剩余電量u2各分配權(quán)值w1和w2，總控制量u為兩者加權(quán)后的和。

循環(huán)裝置開始工作前，溶解氧含量與目標(biāo)值相差較大，剩余電量充足，此時(shí)得到較大的輸入控制量u，驅(qū)動電機(jī)高速運(yùn)行，促進(jìn)溶解氧含量較快上升；隨著溶解氧含量的升高，輸入控制量u會變小，相應(yīng)地電機(jī)降低運(yùn)轉(zhuǎn)速度，溶解氧含量緩慢上升至飽和狀態(tài)；當(dāng)電量減少時(shí)，控制量u變小，電機(jī)執(zhí)行降擋操作，降低轉(zhuǎn)速，減少電機(jī)耗電量；當(dāng)電量下降至警戒值時(shí)，電機(jī)暫停工作，裝置進(jìn)入低功耗模式。

白天，溶解氧升高，優(yōu)先目標(biāo)是對循環(huán)裝置充電，維持剩余高電量；夜晚，溶解氧降含量低，優(yōu)先目標(biāo)是維持溶解氧含量在合理區(qū)間。為此，循環(huán)裝置對w1和w2設(shè)置了 2 套權(quán)重，白天（7:00—19:00），w1取 0.4，w2取 0.6；夜晚（19:00—次日7:00），w1取0.6，w2取 0.4。

3 循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)方法

樣機(jī)在廣州市天河區(qū)暨南大學(xué)華文學(xué)院龍湖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)實(shí)景圖如圖 3 所示。龍湖為人工湖，總面積約為 3 000 m2，水深為 1.5～2.0 m，水體流動性較差，周邊會有雨水匯入，水體容易缺氧，為此利用循環(huán)裝置，提升水體活力，維持良好水質(zhì)。

圖 3 實(shí)驗(yàn)實(shí)景圖

試驗(yàn)通過對比水體循環(huán)裝置啟用與關(guān)閉期間的水體水質(zhì)變化情況，分析裝置對水質(zhì)的改善效果。

循環(huán)裝置以打破水體分層，提升水體活力，改善水質(zhì)尤其是水中溶解氧含量為主要目標(biāo)。循環(huán)裝置以太陽能 + 蓄電池組合供電，且考慮到安裝便捷性，因而采用一體化緊湊型設(shè)計(jì)。循環(huán)裝置最大寬度為 2 m，單臺循環(huán)裝置一般適用于水面面積在3 000 m2以下、水深為 1～3 m、水質(zhì)為Ⅴ類水以上（不適用于劣Ⅴ類水）的水域。對于更大面積的水體應(yīng)用需求，可以部署多臺設(shè)備；對于水深超過3 m 的應(yīng)用場合，可以定制更長的導(dǎo)流管，但需要重新計(jì)算匹配浮體以保證循環(huán)裝置穩(wěn)定。

樣機(jī)規(guī)格參數(shù)如表 1 所示，循環(huán)裝置運(yùn)行最大功率為 100 W，配套 200 A·h 的蓄電池與 300 W 的太陽能板。晴天時(shí)，按華南地區(qū)每天日照有效時(shí)長8 h，太陽能板綜合充電效率 80% 計(jì)算，每天可充電量為 1.920 kW·h，在保持最大功率 100 W 不變的運(yùn)行條件下，最大可能連續(xù)工作時(shí)間為 5 d；連續(xù)陰雨天時(shí)，依靠蓄電池電量，在保持最大功率 100 W 不變的運(yùn)行條件下，最大可能連續(xù)工作時(shí)間為 1 d[10-11]。實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合功率自動調(diào)節(jié)控制策略，可保證設(shè)備連續(xù)正常在線運(yùn)行，當(dāng)剩余電量降至警戒閾值時(shí)，設(shè)備發(fā)出低電量報(bào)警信號，并進(jìn)入休眠待機(jī)充電狀態(tài)，電機(jī)暫停運(yùn)轉(zhuǎn)。

表 1 樣機(jī)規(guī)格參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 短期數(shù)據(jù)對比分析

由于溶解氧含量受水溫的影響，一般會在 15—17 點(diǎn)間出現(xiàn)峰值，之后一直處于下降階段，直至第2 天上午 5—7 點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間選取為傍晚（17 點(diǎn)以后），以 2019 年3 月 25 日實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為短期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，溶解氧含量變化情況如圖 4 所示，圖中電機(jī)狀態(tài)為 0表示停止，為 1 表示開啟。在電機(jī)開啟前，溶解氧含量逐漸變低；當(dāng)循環(huán)裝置投入運(yùn)作后，溶解氧含量逐漸得到提升，從 5.8 mg/L 提升到 7.0 mg/L 左右；裝置運(yùn)行 1 h 后停止運(yùn)作，溶解氧含量逐漸下降，最后逐漸回降到 5.0 mg/L 左右。結(jié)果表明循環(huán)裝置可提升水體溶解氧含量。

圖 4 溶解氧含量變化曲線

3.2.2 周期數(shù)據(jù)對比分析

2019 年 10 月 24—30 日期間，在不啟用循環(huán)裝置情況下，對龍湖水質(zhì)進(jìn)行 1 周的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖 5 所示。每天溶解氧含量的波動變化情況較明顯，峰峰值約為 2.7 mg/L，且隨著氣溫變涼溶解氧含量有整體下移趨勢，最低值約為 5.0 mg/L。2019 年11 月 3—9 日期間，定時(shí)啟用水體循環(huán)裝置后，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖 6 所示，雖然氣溫下降，但數(shù)據(jù)表明，溶解氧含量波動變化幅度收窄，峰峰值約為 1.1 mg/L，水溫變化差異也有所收窄。結(jié)果表明：水體循環(huán)裝置系統(tǒng)可減少溶解氧含量波動變化，有助于維持溶解氧含量在良好范圍。

圖 5 水體循環(huán)裝置投入運(yùn)行前的水質(zhì)監(jiān)測曲線

4 結(jié)語

圖 6 水體循環(huán)裝置投入運(yùn)行后的水質(zhì)監(jiān)測曲線

研究了一種基于太陽能的水體垂向循環(huán)裝置，可對流動性較差的水體進(jìn)行立體式的水體循環(huán)交換，實(shí)驗(yàn)表明循環(huán)裝置對提升水體底層溶解氧含量具有一定作用。循環(huán)系統(tǒng)配套信息化物聯(lián)功能，基于溶解氧含量和循環(huán)裝置剩余電量實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，保證了裝置系統(tǒng)的持續(xù)在線，無需依賴市電，可推廣應(yīng)用于水塘、人工湖等場合，節(jié)省水生態(tài)修復(fù)維護(hù)的成本。但在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些問題：對于水深較大（大于 10 m）的水體，由于導(dǎo)流管延伸較長，可能出現(xiàn)循環(huán)裝置垂直平衡問題；在水質(zhì)較差的河汊中，葉輪可能會被雜物纏繞造成堵轉(zhuǎn)報(bào)警。這些問題需要在后續(xù)研究加以改進(jìn)解決。