戶外空氣除霾裝置的設計*

陸 葉，黃錦泉

（1.茂名職業技術學院機電信息系，廣東茂名 525000；2．深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

當前，我國霧霾天氣時有發生，各地區陷入嚴重空氣污染環境中，當霧霾天氣出現時，空氣中含有大量可吸入顆粒物、二氧化硫等有毒有害氣體，人吸入受污染的空氣，顆粒物會粘附在呼吸道，造成呼吸系統等多種疾病，給身體健康帶來嚴重危害。同時，空氣能見度降低，空氣質量差，阻礙交通出行，還影響了生態環境。因此，節能、環保、經濟，且能適應戶外基礎設施的霧霾凈化裝置的研究顯得尤為迫切。

國內對于霧霾問題的處理技術研究起步較晚，目前主要集中在室內空氣凈化方面，產品種類繁多，價格昂貴、需要用電、清洗費時費力，且容易產生臭氧，形成二次污染。對于戶外空氣中的霧霾處理主要采用水霧處理、各種化學藥劑吸附、多重裝置過濾等方法［1－3］，存在設備體積大、除霾效率低等問題，針對這些問題，劉波等［4］研制出新型教室除霾器，劉桂麗等［5］研究基于城市道路設施的霧、霾凈化技術。而國外有著相對成熟的除霾技術，如荷蘭設計師羅斯加德［6］設計了利用風能和電離技術來凈化空氣的霧霾凈化塔，歐美等國家利用水炮來去除空氣中的霧霾［7］等。但是這些方法成本高，難以在中小城市推廣應用。因此，本文利用靜電吸附霧霾的原理［8］，設計開發了戶外空氣除霾裝置。首先進行戶外空氣除霾裝置的結構設計和三維建模，其次，對戶外空氣除霾裝置的系統電路進行設計，最后開發系統的軟件程序。

1 除霾裝置的結構設計

1.1 總體設計

戶外空氣除霾裝置是利用靜電發生器產生高壓直流電場，通過巧妙設置進出風口，吸入霧霾空氣，當空氣進入戶外空氣除霾裝置時，空氣被電離，形成電場，當電壓達到高強時，可瞬間殺滅細菌。與此同時空氣流過高壓網，空氣中的微小顆粒會帶上正電荷，繼而流過吸附層時，會被帶負電荷的吸附層吸引，粘附在吸附層上。經過靜電電離后的空氣，會產生臭氧，為此設置了濾氣層，過濾有毒有害氣體，最終排出凈化后的新鮮空氣。

為方便懸掛于路燈燈柱或戶外建筑物上，除霾裝置外觀設計為方形箱體，箱體后側用雙卡扣固定，穩定可靠。箱體有門可以向右側打開，便于觀察與更換清洗濾網等。整機的吸氣方式利用負壓原理，當出風口的渦輪風扇運轉時，箱內氣體被排出箱外，造成內部氣壓比外部氣壓低，故大氣壓強把外部氣體壓進箱內。進出風口分別設計在箱體左右兩側，為了防水，進出風口設計均為內凹式的結構，且加裝一層不銹鋼的防蟲濾霧網。箱內中間處有隔板分開，箱內左邊是靜電吸附部分，右邊是空氣過濾部分，底部是抽拉式顆粒物收集盒，底部兩側可放置靜電發生器、控制器和電池等控制元件。

1.2 濾霧網

進風口后方設有濾霧網，進一步減少水分進入。濾霧網采用PP聚丙烯材料制成，優點是成本低、無毒、無味、耐腐蝕、吸水率極低，只有0.1%左右。濾霧網成90°垂直放置，吸附的霧水通過設置在進氣口下方的出水口排出。

1.3 高壓網與靜電吸附層

高壓網與吸附層為除霾裝置的關鍵所在，因空氣中可能含有腐蝕性氣體和物質，故考慮使用耐腐蝕的不銹鋼。與其他不銹鋼材料相比，SU316L的高溫強度、耐蝕性等參數較適合，因此選擇為SU316L不銹鋼網為高壓網材料，SU316L不銹鋼片做吸附層材料。

1.4 濾氣層

由于高壓吸附層只能吸收固體顆粒物，不能凈化空氣中的有毒有害氣體，所以在空氣流過高壓吸附層后添加2層密度不同的濾氣層，濾氣層采用納米礦晶材料，優點是吸附能力強，比活性炭性能更高，使用時間長，當吸附達到飽和時還可通過簡單處理使其脫附再生，循環利用。

1.5 自動刮塵器

由于除霾裝置放置于室外，當吸附層吸附到一定量的顆粒物時，空氣流量與吸附率會大受影響。考慮維護清洗困難，故在吸附層上面設置自動刮塵器，實現了長時間免維護。該裝置由光軸、滑塊、絲桿、螺母座、電機、減速箱、刮塵片、微動開關等組成。由于內部環境為多灰塵環境，光軸與絲桿在此環境下容易老化生銹，故在管外套裝塑料伸縮管進行防護，內部適當添加潤滑油，使塑料伸縮管不易磨損破損。光軸固定在吸附層下方，絲桿固定在吸附層的上方，光軸與滑塊配合、絲桿與螺母座配合，螺母座與滑塊均固定在支撐板上，確保同步，刮塵片與滑塊相連，并與吸附層直接接觸。電機減速后帶動絲桿轉動，從而帶動刮塵片左右移動達到刮除灰塵的目的。刮下來的塵土由一個特制的內錐形容器收集，確保掉下來的灰塵不會溢出到吸附層，同時也方便日后清理收集。

設計的戶外空氣除霾裝置內部結構示意圖和外觀圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 除霾裝置內部結構示意圖

圖2 除霾裝置外觀圖

2 控制系統硬件設計

2.1 靜電發生器

靜電發生器為整個除霾裝置的核心部件之一，其對輸出高電壓、輸出高電流的要求不大，故選擇12 V驅動由NE555震蕩逆變電路、MOS管控制開關電路、光耦過流反饋電路等構成的電路方案，其設計為高頻脈沖式，能輸出約20 kV左右的高壓，功率約為10 W，具有效率較高、成本低、保護完善的優點，同時又能滿足吸附霧霾中含有的灰塵顆粒要求。

設計的靜電發生器電路圖如圖3所示，C2、C3、C5、U1、R3、R4、R5、Q2、T1、R7、高壓網與吸附層組成了靜電發射器的主電路。U1為NE555時基芯片，NE555與R3、R4、C5組成無穩態多諧振蕩器，振蕩頻率F＝1.44／（R1＋2R2）C2，圖中所示參數的頻率約為20 kHz。經升壓變壓器T1升壓后輸出高壓，R7為高壓正極的限流電阻。R2、Q1構成一個開關電路，R2為下拉電阻，當單片機的I／O1輸入高電平時，Q1導通，反則關閉；C1、R1、U2、C4、R6構成一個過流反饋電路，C1、C4為緩沖電容，R1為采樣電阻，R6為下拉電阻，當工作電流過大時，采用電阻兩端電壓上升，光耦導通，FB輸出高電平，此時單片機接收到過流信號，切斷I／O1口輸出，防止靜電發生器燒毀，并發送錯誤數據到通訊模塊。

圖3 高壓靜電發生器電路圖

2.2 自動刮塵器的驅動電路

自動刮塵器選用減速電機驅動，由電機、微動開關（限位器）、H橋驅動電路、反饋電路、短路保護電路、過溫保護電路構成。電機驅動電路圖如圖4所示，當電機短路或工作時間過長，溫度過高時，及時反饋信息給控制系統，使電機保護停止工作。

圖4 電機驅動電路圖

2.3 太陽能和電力雙供電系統

考慮到該裝置安裝于戶外，可充分利用太陽能節省能源［9］，因此電源系統采用太陽能和電力供電雙系統，其中太陽能供電系統由控制器、磷酸鐵鋰電池（組）、逆變器組成。控制器可以對供電系統進行控制，以及對電池的過充、過放起到保護作用。太陽能為主能源，通過太陽能電池板收集光能，將其轉化為電能，再輸送到磷酸鐵鋰電池（組）中存儲起來，需要用的時候再釋放。太陽能不能提供電源時，可與路燈共用供電系統，電網交流電在逆變器作用下轉換為直流電為電池充電，為設備繼續正常工作提供電源。

3 控制系統軟件設計

該裝置控制系統采用STC89C52單片機，該類型單片機有8位CPU微控制器，可直接使用串口下載［10］。其價格低廉，具有低功耗高性能的特點，能很好地滿足控制設備的工作需求，相比大多數單片機，性能更加穩定，使用壽命更長。單片機控制系統需要實現的功能有：啟動渦輪風扇和靜電發生器，設置定時刮下高壓吸附層上面收集的顆粒物，檢測靜電發生器和電機狀態，控制太陽能和電力供電系統等。

程序設計流程圖如圖5所示，單片機啟動后，先開啟靜電發生器，接著啟動渦輪風扇，否則返回失敗信息到單片機處理。檢查風扇是否正常，否則返回信息到單片機。開始計時，當計時器設置的時間到達指定時間，則關閉風扇，電機帶動自動刮塵器開始工作，當彈簧鋼片觸碰到左側微動開關（限位器），則自動換向返回，向右側運動，依次循環。如果電機溫度過高時則發出報警，將電機關閉，如果溫度正常，則返回正常信號給控制系統。

除霾裝置經過測試，實驗結果表明：該裝置具有較強吸附力，且小型化、低成本、易于安裝，可安裝在公路、工業區、街道、公園、小區以及城市大型廣場的路燈或者建筑物上，具有很好的應用和推廣價值。

圖5 控制程序流程圖

4 結束語

本文分析了霧霾可以經靜電吸附原理，介紹了戶外空氣除霾裝置的結構設計和控制系統設計，并通過了實驗測試。在該裝置的基礎上，可通過進一步設置遠程遙控、自動開關和遠程探測器等功能，實現智能WiFi聯網控制，整合霧霾監測數據集中處理，開展霧霾大數據分析與應用，更好地為霧霾治理服務。