基于光伏供電的超聲波除藻船設計

宋振+陳慶東+侯海玉+王志森+高鑫+王恒亮+化柄淇

摘 要：水體富營養化及其防治是當今世界普遍關注的熱點與難點問題，超聲除藻技術是最近幾年提出的一種新型除藻技術。文章設計的超聲除藻船，通過超聲波換能器產生超聲波，超聲波作用于水中藻類，從而抑制藻類生長，本裝置用太陽能電池供電，通過電機控制整個裝置在水面的運行。

關鍵詞：光伏供電；超聲波；除藻；單片機

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0024-02

1研制背景及意義

水體的富營養化常常導致藍綠藻大肆生長，近年來頻頻造成水華問題的爆發，已報道的較為嚴重的地區有太湖、滇池、巢湖等地[1]。尋求高效、可持續藻類治理方法已成為迫切需要解決的社會問題。現有的除藻方法有機械捕集、藥物除藻、深層曝氣等方法，這幾種方法各有優缺點，機械捕集消耗大量人力物力，藥物除藻，容易造成二次污染，深層曝氣容易對別的水生生物造成傷害。

超聲波作為一種新型環境處理技術，該技術不引入任何化學物質、效果顯著、操作簡單、條件溫和，被稱為“環境友好技術”，本作品采用的除藻裝置是由超聲波發生器，超聲波振子，超聲波振板共同作用；電力裝置是由太陽能電池板供電，環保節能；浮游裝置是由不銹鋼板制作而成，作品總體造價合理。經實驗發現本作品能在短期實現除藻，效果顯著，且不會引起二次污染，更清潔，更符合節能減排的主題，市場還未出現同類產品，所以本作品如果生產出來，應用市場的前景也會非常廣闊。

2 設計方案

2.1 整體設計方案

超聲波除藻船的電路控制流程圖如圖1所示，系統的能量來自太陽能電池板，太陽能電池板發電后，通過MPPT控制器控制給蓄電池充電，充滿后自動斷電。儲存在蓄電池的電能一部分供給電動機，通過電機調速開關，控制螺旋槳的正轉、反轉和螺旋槳的轉速。另一部分通過逆變器，逆變后供給超聲波信號發生器和功率放大器，然后通過超聲波換能器輸出特定頻率和功率的超聲波，通過單片機和時間控制器，控制超聲波的作用時間。

2.2 太陽能電池板控制部分

太陽能電池板[2]在太陽光的照射下，產生電能。通過太陽能控制器將太陽能電池板發的電輸入到蓄電池中。MPPT太陽能控制器可以檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽能陣列的輸出功率，并實現對最大功率點的追蹤。

2.3 調速器控制部分

通過調速器[3]的控制，使直流電機既可以正反轉，又可以控制電機轉動的頻率。電機的轉動帶動浮游裝置的運動。

2.4 超聲波發射電路

超聲波[4]實質是指頻率為20千赫～50兆赫左右的電磁波，它是一種機械波，需要能量載體-介質-來進行傳播。圖2 為超聲波發射部分的電路圖。

2.5 超聲波參數設置

國內對于超聲波除藻效果的研究很多，其中文獻[5]和文獻[6]研究了不同的超聲波參數設置對除藻效果的影響。為了更好地達到除藻效果，本文的超聲波除藻裝置采用了50W、40kHz的超聲波參數用來進行除藻工作。超聲除藻的原理即是通過超聲振動引起藻類的分子的共振，從而去除藻類。影響除藻效果的因素有超聲波的發射功率，超聲的頻率，和超聲作用的時間，作為一個光伏供電的除藻船，沒有外部接入能源供給，我們需要考慮超聲的功率不宜太大，我們選用50W，對于超聲波的頻率，也不是越高越好，我們根據查閱的文獻，選擇40kHz，超聲振動的作用時間也不是時間越長越好，5min的作用時間基本上就可以對藻類生長起到很好的抑制作用，作用時間太長，對藻類的去除幾乎沒有更好的影響，所以考慮5min，綜合除藻效果與經濟效益，本設計采用功率為50W，頻率為40kHz的超聲波輻照。

3 作品實物及除藻效果

設計好浮游裝置的整體結構，合理分布好每個模塊的位置，圖3為浮游裝置的實物圖，超聲波振子位于浮游裝置的前后和兩側，更好的除藻，太陽能電池板和太陽能控制器放在浮游裝置的一端，蓄電池放在另外一端，電動機，電動機調速器和螺旋槳放在浮游裝置的后面，通過單片機控制電動機的正轉和反轉，控制浮游裝置的運行。超聲波發生器、逆變器、信號發生器放在浮游裝置中央。其次，需要解決好浮游裝置內各個模塊之間同時工作的關鍵問題，需要考慮到用單片機控制超聲波發生器和超聲波振子的供電、逆變器和蓄電池內電流的轉換以及電動機調速器控制螺旋槳的轉動。

將本小組設計的除藻船，放到學校的池塘中，通過無線遙控控制船體的運行，本船可以自由任意方向在湖泊上行駛，超聲波振子的工作也通過遙控完成，可以設置超聲波的工作頻率和工作時間。本實驗小組8月1日-8月3日去池塘的同一次位置進行超聲除藻實驗三次，每天8：00，12：00，18：00進行實驗，實驗時間5分鐘。然后8月8日去觀察除藻效果，發現本片水域的水質明顯變清，藻類變少，大的藻類植物變黃，開始枯萎，超聲除藻效果明顯。

4 結束語

本文獨立設計了基于光伏供電的超聲處在裝置，并通過在學校池塘中進行裝置運行研究，取得良好除藻效果。本文摒棄傳統的除藻方式，采用超聲除藻方式，能耗低，有效期長，不會造成二次污染。本作品供電來源于太陽能，節能減排，綠色環保，不需要外部電源，可以獨立在水面上長時間工作，不用擔心會因為電量不足影響作業，利用單片機自動控制浮游裝置的運行以及超聲換能器的工作時間，實現了自動控制，可以在無人值守的情況下，長時間在水面工作。

參考文獻：

[1]范功瑞，陳薇，蘇昭越.浮游式超聲除藻裝置的的研制及應用[J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：46-49.

[2]崔容強，趙春江，吳達成.太陽能實用技術叢書[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]張毅剛.單片機原理及接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]萬升云.超聲波檢測技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2017.

[5]張光明，常愛敏，張盼月.超聲波水處理技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[6]秦松，嚴小軍，曾呈奎.第五屆國際藻類學大會反映的藻類生物技術的最新進展[J].生物工程進展，1995（04）：34-39.endprint