移動式智能化太陽能增氧系統的研制

丁純純+陳安格+崔含+魏鈺靚

摘 要：為提高河湖治理、水產養殖中的增氧效率，研發移動式智能化太陽能增氧系統，自主設計太陽能系統在增氧設備（射流式曝氣機）上的放置方案，配備多參數在線水質監測設備等，融合在線監測、互聯網信息、自動化控制等新興實用技術，實現太陽能增氧設備在水面上的主動移動（擴大增氧區域）、對水文水質的移動監測、對水體增氧的“按氧供給”、對能量的“優化分配”以及對整個設備運行的無線遠程控調。

關鍵詞：太陽能；移動式；智能化；水體增氧

1 概述

隨著工業高耗能企業的崛起，水體環境污染已成為制約我國經濟、政治全面發展的關鍵因素。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監測和修復工程。本研究設計開發的河道內移動式智能化太陽能增氧系統是響應浙江省水體環境污染治理與修復的號召，并且以浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃資助項目展開的。

水體增氧在河道等水環境治理及水產養殖行業應用十分廣泛。在高密度封閉的池塘養殖中，若無額外的氧氣補充，將會造成魚類的窒息死亡。傳統水體增氧主要采用以電能驅動的固定式增氧機，普遍存在能耗高、運行維護費用高、增氧效果差、噪聲大、易損壞等缺陷。現行研發應用的太陽能驅動的水體增氧設備在能源利用方面大力發展，但仍存在固定增氧居多、移動式增氧范圍有限、運行調控簡單粗糙，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上，研發了一種移動式智能化太陽能增氧系統，詳細介紹了系統相關的設計方案，旨在為河湖治理和水產養殖內水體增氧提供高效節約的設備。

2 移動式智能化太陽能增氧系統設計

本文研發的一種移動式智能化太陽能水體增氧系統，主要由太陽能控制系統、增氧設備、多參數水質監測系統、遠程控制系統等軟硬件構成，實現節能、自主運行、移動監測、無線遠程調控一體化，在環境效益上有較強的應用價值。

2.1 設計思路

（1）首先，合理規劃設計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，經過光伏控制器儲存至鐵鋰電池內，最后通過逆變器將直流電轉換成交流電用于增氧設備發電。所采用的為柔性薄膜太陽能板，可彎曲，質量輕，可浮在水面。

關于太陽能系統供電，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備，可直接接在光伏控制器的直流負載端進行發電，可提高光伏發電有效利用率，降低設計成本和擴大空間范圍，若使用的是交流用電的增氧設備，經過逆變器的直交流轉化，加以利用。

以太陽能為驅動力，促使增氧系統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動力使增氧系統運行，一旦運行，增氧系統曝氣產生的推動力帶動了整個系統向前運動，省去了人工借助船帶動增氧系統運行的不便之處。

（3）在增氧系統上安裝多參數在線水質監測系統，實現水質的實時在線監測，控制水體溶氧的“按需分配”。在水質監測系統內加入繼電器和交流接觸器，通過設置水質溶氧的高、低接觸點值，配合水質監測傳感器。當監測到水質值低于標準設定范圍，則自動開啟增氧設備的曝氣開關，促使其在此處增氧。當監測到水質值滿足標準設定范圍時，則斷開電路，關閉增氧設備的曝氣開關，實現溶氧的按需供給，合理分配。

（4）基于MSP430和GPRS技術，由數據存儲模塊、語音報警模塊、人機通信模塊、GPRS通信模塊等平臺組成。開發數據平臺，通過無線網將實時監測的水體溶解氧量、PH值等數據傳輸至數據庫，隨時隨地監控系統運行情況。

2.2 主要部件設計

2.2.1 增氧設備

本文選用的為低噪射流式曝氣機。

規格型號：0.75KW，220V 長×寬：1.6m×1.2m

每天工作以2h計，安裝面積滿足4m2。

2.2.2 太陽能系統

（1） 柔性太陽能板

a.材料選型

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

b.太陽能板理論設計

太陽能系統發電轉換效率η1=0.75，發電系數η2=0.6。

射流式曝氣機規格為0.75KW，每天以2h計，則每日的耗電量為1.5KWh。

日發電量（輸出功率）：

即要獲得1.5KWh的電量至少需2KWh的日發電量。

日可用太陽光發電效率：

全國日照時間以2000h/a 計算

即每日全功率發電時間為3.29h。

所需太陽能板總功率：

所需太陽能板的數量：

取整，至少應取7塊太陽能板

c.太陽能板角度設計

在太陽能板光伏發電的應用中，通常是將太陽能板朝向赤道固定放置，并且與水平面呈現一定的傾斜角β，如圖1所示。其受太陽輻射強度、光伏電池特性、所帶負載、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據為基礎，太陽能板放置的最佳傾斜角大小主要受緯度影響，大多數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°，方向為正南方。

（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、電壓穩定、重量輕，在水面上好固定等優點，可以循環利用的優勢減少環境污染，有利于可持續發展。

根據太陽能電池容量必須比負載（增氧設備）日耗電量高出5倍以上（南方地區）的原則，且太陽能電池容量按照系統容量（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時，隨著電流升高所帶來的系統風險。同時帶有欠壓保護，實時觀測電池儲量。當鐵鋰電池電壓小于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

為保證系統能正常運行，且考慮為到后續設備的完善留有余地。選擇規格型號為：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，而日常實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備含感性負載，光伏穩壓逆變器的容量必須為負載日耗電量高出3倍以上。選擇規格型號為：2000W（增氧機啟動功率大，配置偏大），220V的逆變器。

2.2.3 多參數水質監測分析系統

本系統主要是由多參數水質監測模塊及GPRS無線通信模塊和水質監測中心軟件平臺三大部分組成。實現了增氧系統對污染河道水質實時、連續的水質監測（監測項目包括PH、DO等常規水質指標）、數據傳輸、接收、控制分析功能。配置10m溫補探頭，具有RS-485通訊接口，可實現數據的傳輸；內含繼電器負載，配置2000W交流接觸器擴容。

2.3 系統總體裝配設計

安裝于四塊浮板上自主移動的低噪射流式曝氣機包括交流電機、曝氣葉輪等有效組件。浮板內側設置帶電機的曝氣葉輪、承接電機的防護罩面與防護罩蓋，曝氣葉輪設置于浮板下方深入水底進行曝氣增氧。

太陽能系統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，增氧設備與水質監測系統均與太陽能系統中的逆變器相連，同時與中央控制器連接，進行無線數據接、傳功能。太陽能系統置于浮板中央，外加防水箱做密封處理。

太陽能系統包括柔性太陽能板、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通過連接支架位于四塊長條式浮板兩側上方及浮板延伸處，共計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現太陽能的直交流轉化，為所需模塊提供電源。

多參數水質監測系統中參數控制器置于防水箱內，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，輸入端口與低噪射流式曝氣機中的交流電機相連，通過繼電器和交流接觸器作用，自動控制交流電機的開關，達到移動范圍內的“按需增氧”，由太陽能系統一并供電使用。輸出端口分別是監測水質的溫補探頭與具備通信功能的RS-485接口，實現水質監測和數據的存儲、傳輸功能。

3 系統技術特點

（1）本文實驗中采用太陽能利用技術作為設備運轉直接動力，通過曝氣機尾部葉輪曝氣提升作用將底部缺氧區轉移到水體表面，與表層富氧水混合。并采用能量轉化技術，將多余的太陽能轉化為電能加以儲存，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自主移動。

（3）采用在線水質監測設備，實現對溶氧的控制。

（4）搭建智慧平臺，實時進行監控和信息的傳輸。

4 結束語

水體缺氧是導致水體水質惡化、魚蝦等水生動物死亡的主要原因。對缺氧水體進行人工增氧，不僅可以快速地促進水體污染物的分解轉化和提高水體的自我調節與凈化能力，還可以有效地恢復水生動物的生存環境。因而本文研發的移動式智能化太陽能增氧系統在河道、湖泊等水環境治理以及水產養殖等行業中將會應用十分廣泛。本文技術優勢在于河道增氧提升水質，也可以用于魚塘養殖來預防和減輕浮頭，還可以改善水質，加強池塘水體物質循環，減弱或消除有害毒物，促進浮游生物繁殖，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化水體中的氮、磷元素。

參考文獻

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