远程太阳能医疗消毒

School of Photovoltaic & Renewable Energy Engineering University of New South Wales ■ 樊华 Richard Corkish

School of Public Health & Community Medicine University of New South Wales ■ Mary-Louise McLaws

一 引言

偏远地区，特别是在一些发展中国家当中，用以应对灾难的医疗支持一直以来都是一个难题。为预防传染病的传播，大量的医疗供给及持续不断的医疗救助是十分必须的。然而，这些救助药资及伤员的运输给救助工作带来了更多挑战。所以，在当地实时进行手术是一个比较良好的解决方案。利用光伏发电用于电解盐水制造次氯酸盐，这项技术的优点在于扩大了光伏系统的应用，利用其发电的优越性及方便性，能够及时在偏远地区实施医疗、卫生的救助，从而降低医疗物资的运输成本，减少在运输过程中不可避免的物资耗损以及化石燃料的使用。

1 赈灾运作

托马斯和科普扎克预测，在未来的50年内，自然或人为灾害可能会增加5倍。运输成为人道主义援助和救灾过程中的最大问题。在运输过程中需消耗大量化石燃料，加剧了环境污染。世界卫生组织的报告显示，消毒剂在灾后医疗救助以及对爆发流行病的预防工作中占据了重要位置。

2 次氯酸钠(NaClO)作为消毒剂

次氯酸钠作为消毒剂，在各个领域都有着广泛的应用。在一个世纪以前，人们就已开始使用氯气消毒。次氯酸钠是1789年法国的扎威尔通过利用氯气和氢氧化钠反应第一次生产出来。如今，生产次氯酸钠的手段要比当时先进得多，其中，“胡克法”是制造次氯酸钠主要的大型工业制备方法。

消毒溶液的运输非常困难。为保证安全的运输，溶液的浓度必须保持在相对较低的百分比。此外，消毒剂(如次氯酸钠)因其特殊性，对容器也有一定的限制。溶液的存放必须避免接触活性金属和阳光直射。由于溶液的存放成本昂贵，其应用更倾向于在现场直接制作次氯酸钠。现场制作次氯酸钠的技术已投入商用多年，最近电解电池技术的发展更降低了资本和运营维护成本，由英国医学杂志在1916年、麦克莱克和雷茨在1972年率先提出的现场合成技术在进一步减少运输成本上独具竞争力。

3 次氯酸钠的生成

在电解生产的过程中，直流电源接通电极提供电势用以分裂化学键。盐溶液电解生成氢气和次氯酸钠。但次氯酸钠并非直接生成，而是通过两个阶段获得。反应的第一阶段产生H+、Cl−和NaOH。第二阶段，Cl−被阳极所吸引，产生氯气，氯气与氢氧化钠在阴极反应产生次氯酸钠。反应式为：

二 太阳能电离系统的设计

影响光伏－电解槽匹配工作的参数有许多。如：电极分离的距离、电极面积和电解液的浓度。电解槽这些参数直接影响其电池内阻，其系统的负载线和光伏I-V曲线密切相关。

实验以氧化钌为电极，通过增大电极距离，离子迁移至电极的距离增大，导致电池内阻增大，如图1所示。此外，随着电极与电解液的接触面积(电极的表面积)的增大，阻力减小，如图2所示。同时，通过增大盐浓度，提高了电极的导电性，使电池内阻减小。

1 太阳能与电解功率的匹配

由图1和图2可知，减小电极间距或增大电极的表面积，可减少电池内阻，优化太阳电池的I-V曲线，并与其功耗相匹配。

实验在15℃的环境中进行，电解池未达到热平衡。盐浓度恒定为0.135mol/L。实验中使用人造太阳灯作光源，通过改变太阳电池和与光源的距离，可提供不同强度的光。通过监测电压和电流的变化，可了解电解体系的内阻变化。

图1 不同电极间距的太阳电池I-V 曲线

图2 不同电极表面积的太阳电池I-V 曲线

2 太阳能系统设计

如果产品投入商业化生产，设备将会设计成一个类似于旅行箱的套件。太阳能光伏阵列集成排列在箱子外部，而线路会在箱体内部进行绝缘处理。此外，在“旅行箱”的外部还会安装一个“日晷”，用以手动引导模块瞄准太阳朝向垂直角。电解槽及内部的电极由减压防震的塑料泡沫保护，浓缩消毒液和氯试纸的容器存放于箱体内部。设备的三维模型如图3所示。

因为设备将来会投入运营在抗灾前线，所以实验也设计了用以检验设备能否正常发挥性能的不同情况。然而，太阳能系统设计并不能涵盖所有的情况。对此笔者进行了相对最坏情况的分析。通过运用ECOTECT(2010)模拟系统，分析了太阳高度角的倾斜角度不匹配(南纬33¡，悉尼)的情况。为应对未来意想不到的低光照强度和温度变化的情况，选择安全系数1.2来确保设备能在大多数情况下正常运行。

3 其他设计方案

尽管可通过其他手段使太阳能和电解功率匹配，但报告中详细阐述的直接耦合技术是性价比最高的选择。最大功率点跟踪设备(MPPT)或者电源优化设备可被应用在光伏组件输出和电解槽之间，用来确保太阳能电力在电解负载线上的有效供电。这样可减少电力需求，从而减小太阳电池板的大小。通过进一步的效益分析比较，直接耦合技术在达到同样良好的效果下，更加经济可行。

此外，可通过在太阳电池和电离装置之间配置蓄电池，增加系统的自主性。并且为确保电解在一个适合、几乎稳定的电压下工作，需提高功率匹配。但电池的寿命会比其他系统组件(光伏和电极)的使用寿命短得多，所以需定期地更换和维护。

三 总结

本研究调查了光伏发电技术在远程医疗消毒器件上的应用。此设备能够提供相对自主独立工作，携带方便，且可持续运行。这项研究的目的是设计发明以上所介绍的经济可行的太阳能供电远程医疗系统。

这种太阳能电解装置需28.31W的光伏阵列。把光伏阵列置于一个手提箱状的模型中，可最大限度地减少旅行及运输的复杂问题。此项设计允许现场次氯酸钠的生成，且可存储使用。生成的次氯酸钠在不同倍数的稀释下，可作为伤口消毒剂，用于清洁手术器具表面和饮用水净化。这一远程医疗器械可用于多个领域，包括救灾、旅游或者探险。

[1] Autodesk Ecotect Analysis[EB/OL] . http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?siteID=123112&id=12602821.

[2] BMJ Publishing Group. Electrolytic hypochlorite for hospital ships [J] .The British Medical Journal, 1996, 1(2882): 455－456.

[3] John Hooper. On-site generation of sodium hypochlorite basic operating principles and design considerations[A] . 68th Annual Water Industry Engineers and Operators Conference[C] , 2005.

[4] Khouzam K. Characteristics of direct coupled solar powered PV electrochlorination system[A] . 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion[C] , 2003.

[5] Khouzam K. Electrolysis of salt water for chlorine production by photovoltaic power[A] . IEEE Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century[C] , 2008:20－24.

[6] Michalek S A, Leitz F B. On-site generation of hypochlorite[J] .Water Pollution Control Federation, 1972, 44(9): 1697－1712.

[7] Robertson P M, Gnehm W, Ponto L. High efficiency hypochlorite generation[J] . Journal of Applied Electrochemistry, 1983, 13(3): 307－315.

[8] Schueller R. Sodium Hypochlorite[EB/OL] . http://science.jrank.org/pages/6243/ Sodium-Hypochlorite.html.

[9] Thomas A, Kopczak L. From logistics to supply chain management:the path forward in the humanitarian sector[R] . USA, Fritz Institute,2005.

[10] World Health Organization. Communicable diseases following natural disasters risk assessment and priority interventions[R] .Switzerland,2006.

[11] Wenham S R, Green M A, Watt M E, et al. Applied photovoltaics[M] . Earthscan: London, 2007.