太陽能智能除霾窗的設計與研究

陳 瑛， 曹 進， 王 洋， 胡元斌， 李佳麗

（樂山師范學院 物理與電子工程學院，四川 樂山 614000）

0 引言

霧霾天氣是一種大氣污染狀態，霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標的籠統表述，尤其是PM2.5（空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物）被認為是造成霧霾天氣的“元兇”[1]。當前，我國環境污染的形勢已不樂觀，霧霾天氣時常出現在我國的大部分城市，特別是在冬季，霧霾天氣更是頻頻出現。在霧霾嚴重時，很多城市居民甚至不敢出門也不敢開窗戶，擔心呼吸道受霧霾的影響。雖然很多人在室內放置了空氣凈化器，但是沒有起到根本性的作用[2]。傳統的空氣凈化器能夠過濾空氣中的一些固體顆粒物和部分有害氣體，但是它是使室內的空氣不斷地循環，沒有新鮮空氣進入室內，長期如此會導致室內空氣的含氧量越來越低，最后不適合人類呼吸所用。因此，如果長期處于一個封閉的室內環境，對身體健康也是不利的，人類的生存需要有新鮮的空氣進入室內以保證新陳代謝的需要。如果能設計一款空氣凈化器在霧霾天氣時不用關窗戶，就能凈化被污染的空氣，將凈化后的新鮮空氣源源不斷地引入室內，那么將解決這一問題。

本文所介紹的太陽能智能除霾窗能夠實現在霧霾天氣時使進入室內的是潔凈的可供人們正常呼吸的空氣。該太陽能智能除霾窗是一個利用清潔能源供電，改善進入室內的空氣質量的空氣凈化器。與傳統的空氣凈化器不同的是它凈化的是室外的空氣，并不斷地向室內補充新鮮空氣。

1 太陽能智能除霾窗的設計

本文所設計的太陽能智能除霾窗共分為供電模塊、凈化模塊和檢測模塊等三大模塊。供電模塊是以作為雨棚的太陽能電池組件發電，以蓄電池作為儲能裝置，以小型逆變器作為直交流電的轉換裝置構建一個完整的供電系統為整個凈化系統供電；凈化模塊以活性炭、二氧化鈦和HEPA作為空氣的過濾裝置，以超聲波霧化器霧化魚缸里的水以吸附被污染空氣中的顆粒物，達到多重凈化空氣的目的；檢測模塊設置PM2.5傳感器、PM10傳感器和水質濁度傳感器，采集的數據通過液晶屏顯示出來[3-4]。

1.1 供電模塊

該除霾窗是以居民家中常見的飄窗作為載體來設計的，供電模塊中的太陽能電池組件面積較大易占空間，其形狀為長方形，且不懼風雨，將其設計為飄窗的雨棚。這樣設計不僅將占地的電池組件安裝妥當而且還可以節約居民安裝雨棚的費用。以處于北半球的中國為例，應將作為雨棚的太陽能電池組件安裝在朝南的窗戶上，且安裝時有一定的傾角，這樣安裝是為了接收到更多的太陽能資源，以最少的太陽能電池發最多的電[5]。

該模塊中太陽能電池組件選用的是由項目組成員制作的，功率為100 WP、開路電壓VOC為22.6 V、工作電壓為20 V、開路電流ISC為5.65 A的組件；儲電設備選用的是電壓為12 V，容量為105 AH的鉛酸蓄電池。該除霾窗不僅需要直流電還需要交流電，因此供電模塊還需要離網的逆變器，將直流電轉換為交流電供凈化設備使用。為此，項目組為該模塊選用了一臺1千瓦的小型逆變控制一體機，該一體機不僅能夠控制對鉛酸蓄電池的充放電，而且能夠將蓄電池的12 V直流電逆變為220 V的交流電。白天有陽光的時候，太陽能電池組件發電，通過逆變控制一體機給蓄電池充電，用電全部通過蓄電池放電，直流電則直接通過蓄電池放電即可，如需220 V交流電則需要通過逆變控制一體機將蓄電池的 12 V直流電逆變為 220 V的交流電供外部使用。至此供電模塊全部設計完畢，既能夠保證系統中的一些小型元器件使用直流電，也能夠保證系統中的水泵等使用符合要求的交流電，為該除霾窗提供了清潔而又穩定的電力保障。該模塊整體結構如圖1所示。

圖1 電源模塊

1.2 凈化模塊

本文設計的太陽能智能除霾窗是以居民家的飄窗和魚缸為載體，該裝置中的空氣凈化模塊主要依托于放置在飄窗上的觀賞魚缸[6]。觀賞魚缸中飼養幾條金魚和清道夫魚，并放上一些易活的水草[7]。凈化模塊放置于觀賞魚缸的頂部，同時作為魚缸的蓋子。凈化模塊的第一層為一個中間有許多小孔的有機玻璃，且周圍與魚缸用橡膠墊緊密結合，使空氣從中間的小孔冒出。在該有機玻璃蓋的上層是凈化層，作為該凈化模塊的第二層。凈化層中主要由工業級HEPA過濾網、高效活性炭過濾網和二氧化鈦過濾網組成，三層過濾網由下而上依次疊放[8-10]。在凈化層頂部再蓋上一個裝有兩個抽氣風扇的有機玻璃蓋，構成整個凈化模塊。凈化模塊中各層的邊緣均采用橡膠進行密封，避免空氣從各層之間的縫隙流動，保證空氣從凈化層的第一層經由凈化層最后通過第三層頂蓋單向通過。該除霾窗的凈化模塊結構示意圖如圖2所示。

圖2 凈化模塊結構

該除霾窗空氣凈化過程的第一步是由觀賞魚缸里的水對空氣進行凈化。由窗外抽進來的空氣，在經過魚缸中的水冒出的過程中，空氣中較易溶于水的顆粒物和部分易溶于水的有害氣體將被水溶解，形成了對污染空氣的首次凈化。空氣從水面冒出后首先經過工業級的HEPA過濾網，這個過程中空氣中的大部分顆粒物將被阻擋在HEPA的下側，實現了對空氣的第二次凈化。然后，空氣會經過高效活性炭過濾網，此過程中空氣中的部分苯、甲醛、氨氣等有毒有害氣體將會被活性炭吸附，該過程有效除去了污染空氣中的氣態污染物及有害惡臭物質，實現了對空氣的第三次凈化。接下來，空氣會進入二氧化鈦過濾網，該層為涂抹了二氧化鈦的聚酯纖維網，在紫外光的照射下二氧化鈦能夠使甲醛、鹵代烴等有害氣體氧化，該過程實現了對空氣的第四次凈化（該過程所需的紫外光發光二極管設置在頂蓋上）。最后，在凈化層上蓋上頂蓋即完成了該模塊，為了加速空氣的流動，在頂蓋上安裝了兩個向上抽氣的風扇。另外，魚缸內設置一臺水泵，使魚缸里的水不停地循環流動，循環過程中要經過水體凈化器，以免魚缸里的水變質過快[11-12]。

1.3 檢測模塊

檢測模塊主要包塊空氣質量檢測和水體質量檢測兩個部分。空氣檢測裝置采用89C51為系統主控芯片，LCD12864為液晶顯示，SDS011高精度PM2.5傳感器模塊和PM10超灰塵粉塵傳感器模塊作為采集空氣質量的采集器。檢測模塊結構框圖如圖3所示。

圖3 檢測模塊結構框

空氣檢測裝置一共設置兩個，窗外安裝一個用于檢測室外的空氣質量，當空氣質量劣于設定值時除霾窗將啟動工作直至室外空氣質量優于設定值時停止；魚缸蓋上的空氣出口處安裝一個空氣檢測裝置，用于檢測凈化后的空氣質量，當用戶發現凈化效果明顯下降時及時更換魚缸蓋中的過濾材料。另外在魚缸內還設置了水質監測裝置，主要以SEN0189水濁度傳感器為核心部件來設計，用于檢測魚缸內的水質，當水質低于用戶設定值時提醒用戶更換魚缸內的水。

傳感器采集數據顯示至液晶顯示屏的軟件設計流程框圖如圖4所示：

圖4 液晶顯示軟件流程

2 太陽能智能除霾窗的實驗測試與分析

2.1 實驗內容

實驗中以一個5升的玻璃罐模擬觀賞魚缸，以一個50升的亞克力箱子模擬房間，模擬房間設有出氣孔，出氣孔只能出氣不能進氣。實驗過程中在模擬房間外放置一根點燃的蚊香以制造被污染的空氣，放置在室外的空氣傳感器采集到室外空氣劣于用戶設定值，啟動整個除霾裝置。抽氣機將室外被污染的空氣不斷地送入模擬魚缸中，空氣通過魚缸中的水冒出，然后經魚缸蓋中的過濾材料冒出到模擬房間內，房間內設置的空氣質量檢測裝置顯示凈化后的空氣質量參數。這樣被污染的空氣經過水、HEPA、活性炭和二氧化鈦的凈化及過濾后觀察凈化后的空氣質量是否達到凈化要求。實驗過程中注意記錄室外空氣檢測裝置的數據和室內空氣檢測裝置的數據，兩組數據進行對比足以說明此除霾窗是否具有凈化室外空氣的效果。

為了模擬長期凈化水質受到污染的情況，向魚缸內第一滴墨水，水質檢測模塊檢測到水質情況較差立刻屏幕閃爍提醒用戶換水。

2.2 實驗分析

根據以上的實驗內容制定詳細的實驗步驟，記錄實驗數據。在此以實驗中較好的一次實驗數據作圖分析，實驗效果如圖5所示：

圖5 空氣檢測裝置PM2.5讀數隨點燃蚊香時間變化曲線

由圖5可以看出當室外點燃蚊香后，致使室外的空氣質量檢測裝置讀數在短時間內達到上限值，顯然室外空氣被污染。室內空氣質量檢測裝置的PM2.5讀數隨著蚊香被點燃，雖然也有緩慢上升，但較室外被污染的空氣而言還能夠被人類用于呼吸。由此說明該太陽能智能除霾窗能夠達到設計預期的效果，使室外被污染的空氣凈化后進入室內，凈化效果明顯。

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