太陽能增氧機的設計與試驗研究

母剛 申陽 李秀辰 張國琛

摘 ?要：為解決水產養殖企業傳統增氧機使用聯網供電難，成本高等難題，文章針對水車式增氧機用電需求，設計了小型太陽能光伏板供電系統并改進了增氧機結構，研究了不同天氣條件對太陽能光伏板輸出功率的影響，結果表明光照強度與輸出功率線性相關。經測試，峰值功率為200W的太陽能光伏板晴天時日發電量為0.79kW·h，可供50W增氧機工作8h，可滿足3.5m3水體用氧量需求。根據大連地區全年天氣情況統計表計算出該發電系統可為增氧機提供年用電量的45%，為養殖企業應用太陽能光伏增氧機提供參考。

關鍵詞：水車式增氧機;太陽能光伏發電系統;光照強度;輸出功率;溶氧量

中圖分類號：S969.32 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）25-0031-05

Abstract： In order to solve the problem of high cost and the difficulty of using traditional networked power supply for aerator in aquaculture enterprises， a small solar photovoltaic panel power supply system was designed and the structure of aerator was improved to meet the demand of water-car aerator power supply. The influence of different weather conditions on the output power of solar photovoltaic panel was studied. The intensity of illumination is linearly correlated with the output power. The solar photovoltaic panels with a peak power of 200 W can generate 0.79 kW/h per day in sunny days， and can be used for 50W aerator for 8 hours， which can meet the oxygen demand of 3.5m3 water body. According to the annual weather statistics in Dalian， the power generation system can provide 45% of the annual power consumption for the aerator， and a reference for the application of solar photovoltaic aerator in aquaculture enterprises.

Keywords： water car aerator; solar photovoltaic power generation system; light intensity; output power; dissolved oxygen

前言

高密度水產養殖動物會出現缺氧情況，水體需要增氧降低死亡率。現階段我國普遍使用物理方法增氧[1]，即采用專業機械設備或注換新水等快速增氧，機械設備增氧適合大水體作業環境，增氧同時還能抑制厭氧菌生長，防止水體變質，加速水體對流，減少病害發生，有利于魚蝦快速生長[2-3]。機械增氧設備主要有：射流式、葉輪式、螺旋槳式、水車式和鼓風曝氣式等[4-6]，機械增氧設備需長時間運行，耗電量大。

很多學者針對養殖水體增氧用電難、用電量大、成本高等問題，對太陽能光伏發電為增氧機提供電力開展了大量研究。田昌鳳等[7]設計了一種移動式太陽能增氧機，有太陽能驅動電機使牽引盤旋轉，增氧機沿牽引繩在兩限位塊之間往復運動，擴大了增氧范圍;毛海濤等[8]設計了一種可根據水體溶氧量自動遷移的太陽能增氧機，并對增氧效果和對水質改善情況進行驗證試驗;張亞楠[9]設計的太陽能增氧機，可根據水體溶氧量大小實現自動啟停。但目前鮮有關于不同天氣條件下光照強度對太陽能光伏板輸出功率和發電量的研究。

因此，本文在改進傳統水車式增氧機的基礎上，著重設計了太陽能光伏發電系統，計算選型了光伏板、蓄電池等主要部件。研究了不同天氣條件對太陽能光伏板實際輸出功率和發電量的影響，測試了增氧機增氧效果，旨在為太陽能增氧機的實際應用提供參考。

1 太陽能增氧機設計

1.1 增氧機改進設計

本文以水車式增氧機為研究對象，對傳統的水車式增氧機進行改進，總體結構由電機、浮體、葉輪、蓄電池、箱體等組成。葉輪安裝在浮體兩側，通過轉軸與電機相連，由蓄電池提供動力，帶動葉片旋轉，攪動水體，使空氣進入水體，達到快速增氧目的。浮體是橡膠充氣圓柱桶，直徑150mm，長800mm，具有良好的密封性。為提高增氧機運行平穩性，8個葉片如圖1所示沿軸線均勻排列[10]，葉片寬度80mm，厚2mm，長70mm，葉輪外徑200mm，葉片上均布28個φ6圓孔。

本文針對目前增氧機線纜連接供電不便作業的問題，設計了一套如圖3所示的無線太陽能增氧作業系統。增氧機體內放置可無線充電蓄電池，缺電時可自動回到岸邊通過太陽能光伏發電系統進行充電。增氧電機選擇FB-775型調速直流電機，額定功率50W，對蓄電池和電機用進行密封處理，如圖2所示。

1.2 太陽能發電系統設計與選型

1.2.1 系統設計

該系統由太陽能光伏板、太陽能控制器、蓄電池組、無線充電裝置組成。連接方式如圖3所示，采用太陽能光伏板接收光照發電并與太陽能控制器連接，電量儲存至已連接的蓄電池組內，蓄電池組無線方式為增氧機內蓄電池充電。

1.2.2 太陽能光伏板選型

太陽能光伏板的實際功率和額定功率存在差異，實際峰值功率計算公式：

式中：P-增氧電機功率，取50W;t-增氧機日運行時間，取12h;t均-太陽能光伏板工作時間，取8h;P實際峰值-太陽能光伏板實際峰值;P峰-光伏板額定峰值;？濁-光伏板轉化效率，取60%;C-用電量。

經計算太陽能光伏板所需的實際峰值應大于125W。考慮到霧天和雨天的影響，系統選用2塊峰值功率為100W的N型單晶太陽能光伏板，輸出電壓12V。

1.2.3 蓄電池選型

設定蓄電池的放電量為蓄電池總容量的80%，蓄電池總容量計算公式：

式中：C總-蓄電池總容量;C放-蓄電池的放電量;P額-電動機額定功率;U額-電動機額定電壓;I額-電動機額定電流，？濁取80%。

經計算，蓄電池總容量應大于31.25A·h，考慮蓄電池需安裝到增氧機內，體積不宜過大，所以選用5塊12N7F-MF型蓄電池，尺寸11×7×13cm，電池容量7A·h，額定電壓12V。

1.2.4 調速電路設計

為調節增氧機葉輪轉速，本文選用HY-SX25A型脈寬調制（PWM）有刷直流電機調速器，可實現0%-100%無級調速，調速電路設計如圖4所示。

2 試驗研究

2.1 材料與方法

試驗用水為自來水，儀器包括Testo 540型照度計，85-25FT便攜帶式溶氧儀。本試驗于2018年5月2日到5月12日在大連海洋大學校內進行。具體試驗內容如下：

（1）太陽能發電功率試驗：選取4種（晴天、多云、雨天、霧天）不同的天氣條件，研究光照強度對太陽能光伏板實際輸出功率和發電量的影響，測試時間為9：00～17：00，間隔30min記錄光照強度和太陽能光伏板實際輸出功率，并計算日總發電量、日總光照量。

（2）增氧性能試驗：試驗水體3.5m3，增氧機開機前測量初始溶氧量，調整葉輪轉速調至124rpm，間隔10min測試水體實時溶氧量。

2.2 結果與分析

不同天氣條件對太陽能光伏板發電輸出功率的影響如圖5所示，霧天的光照強度較低，全天的輸出功率最高僅為31.9W，波動幅度不大;多云天氣光照強度變化大，輸出功率波動也較大，最大輸出功率出現在9：00，功率為101.1W;晴天的光照強度在正午時最高，達到73686lux，相對應的輸出功率也到達最高值133.84W，午后光照強度和輸出功率均緩慢下降;雨天太陽能光伏板輸出功率顯著下降，太陽能光伏板不能正常發電。總而言之，光照強度和輸出功率呈線性關系，輸出功率受天氣的影響很大，下雨時尤為明顯;當光照強度低于2000lux時，太陽能光伏板不能正常發電。

不同天氣條件下日總光照量和日總發電量的關系如圖6所示，日總光照量與日總發電總量線性相關，晴天的日總光照量和日總發電量最高，甚至大于其他三種天氣的總和，霧天的日總光照量和日總發電量最低，多云和雨天的上述值基本相同。如圖6所示，多云和雨天最高光照強度達到50000lux以上，輸出功率也較高，達到103.1W，但是日發電量較低，說明有效光照時間短，影響了日總發電量。

如圖7所示，隨著增氧時間的增加，水體中的溶氧量逐漸增大，45min后達到最大，為8.86mg/L，較初始溶氧量增大了2.12倍，此后溶氧量基本保持不變，此時溶氧量可能達到飽和狀態。本文僅針對無養殖狀態條件下進行了增氧，實際作業時可根據水產動物養殖密度和耗氧量需求，調整增氧機運行時間。

3 經濟性分析

增氧機供電時間計算公式為：

式中：C-太陽能光伏板日總發電量，1-電從太陽能光伏板儲存到蓄電池的轉化率，取70%，2-蓄電池放電效率，取70%，P-電動機工作效率，取50W。

經計算晴天日總發電量0.79kW·h，多云日總發電量0.21kW·h，雨天日總發電量0.19kW·h，霧天日總發電量0.16kW·h。各種天氣條件下太陽能發電系統總發電量可為增氧機供電時間如表1所示。根據2018年全年天氣情況，200W的太陽能光伏板的總發電量能供增氧機工作1954h，設定一天增氧12h，增氧機年需供電時間為4380h，太陽能光伏發電量可為增氧機提供年用電量的45%。

4 結論

本研究通過增加蓄電池等結構改進了水車式增氧機，采用200W太陽能光伏板給增氧機供電，在測試中發現太陽能發電系統穩定可靠，能持續給增氧機的蓄電池充電，但受天氣原因影響較大，晴天時供電效果最好，可為50W增氧機供電8h，雨天和霧天供電效果較差，可分別供電1.8h，1.6h，日總發電量與日總光照量呈線性關系，當光照強度低于2000lux時不能發電。根據大連地區全年天氣情況統計表計算出該發電系統可為增氧機提供年用電量的45%，養殖企業可根據自身條件和增氧需求，合理使用太陽能供電，實現綠色增氧。

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