便携式太阳能制氧机结构设计

朱孟府，陈 平，邓 橙，朱 路，宿红波，苑英海

便携式太阳能制氧机结构设计

朱孟府，陈 平，邓 橙，朱 路，宿红波，苑英海

目的：设计一种基于太阳能充电的便携式制氧机。方法：根据太阳能电池板的发电原理，通过柔性太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在储能电源中，采用变压吸附制氧工艺设计便携式制氧机。结果：便携式太阳能制氧机主要由制氧主机、太阳能电池板、储能电源及箱体组成，制氧流量为1～3 L/min，氧气体积分数为50%～90%，储能电源充电时间约为7 h，储能电源容量为40 Ah，太阳能电池板输出电压为DC12 V。结论：太阳能充电为便携式制氧机提供了可靠的电源保障，延长了制氧机的使用时间，保证能及时制备应急呼吸用氧气，实现了无外接电源供应时制氧机的正常使用。

太阳能；便携式制氧机；变压吸附；储能电池；高原

0 引言

便携式制氧机由于具有携带方便、使用简单、产氧迅速等特点已被广泛用于家庭、高原及灾害救援等缺氧时的应急制供氧。在高原环境下，大气中的氧气含量并不随海拔高度变化而改变，而是与平原一致，体积分数仍保持20.93%不变。由于氧分压与大气压和氧含量有关，而大气压随着海拔高度的增加而降低，因而氧分压会随海拔高度的增加而降低，即人们常说的高原缺氧。人体缺氧时应及时进行吸氧补充，以满足人体生理需要，保障身体健康[1-2]，否则会导致许多疾病的发生。但在灾害救援或高原环境等特殊条件下，正常电力供应不能保障，时常出现电力不足情况，不能保证现场氧气正常供应，严重影响制氧机的使用。太阳能是一种安全、环保的自然能源，“取之不尽，用之不竭”，已引起世界范围内的广泛重视和开发应用[3-5]。为了保证便携式制氧机的不间断电源供应，延长制氧机的使用时间，保证制氧机能随时随地制备应急呼吸用氧气，本文基于太阳能的充供电控制系统[6-7]，采用变压吸附空气分离制氧工艺，通过机电一体化进行了便携式太阳能制氧机的箱仪一体化的结构设计，以满足高原或特殊环境无外界电力支持条件下的应急氧气保障需求。

1 太阳能充供电控制设计

制氧机的太阳能充供电系统主要由太阳能充供电控制器、储能电池和太阳能电池板等单元组成。太阳能转换为电能的机理为光伏效应，太阳能电池板是光伏效应的核心器件。当太阳光照射到太阳能电池板时，太阳的辐射能量即转移到电池板表面，此时电池板的PN结产生大量电子-空穴对，在太阳能电池板内部电场力的作用下，电子-空穴对中带不同极性电荷的电子与空穴分离，并分别向不同方向迁移，最终聚集在太阳能电池板两端，产生电势差，形成电池元件。

图1为太阳能充供电控制器电路原理框图。从图中可以看出，太阳能电池板通过光伏效应将太阳光能转化为电能，经DC-DC转换电路和滤波电路储存在储能电源中。充供电回路的过充和过流保护是通过控制器对储能电池端的电压和负载电流进行实时采集和监控实现的，以保证太阳能充供电安全，并为制氧机提供安全稳定的电源供应。

太阳能充供电控制流程如图2所示。通过电压-电流采集单元对储能电池的端电压和负载电流进行实时监测，并通过单片机的A/D采样端口将采集的

信号送入主控芯片进行计算和处理，对充供电电路进行保护。当采集的电池电压低于10.8 V时，关闭供电回路，停止供电，并进行快速充电；当采集到的充电电压高于13.7 V时，进入PWM充电阶段；当采集到的电池电压高于14.8 V时，关闭充电回路，停止充电，起到防过充的作用。

图1 太阳能充供电控制器电路原理框图

图2 太阳能充供电控制流程

2 氧气制备工艺设计

便携式制氧机的氧气制备工艺是基于变压吸附空分技术设计[8-9]。通过设计进气、吸附、均压、解吸、产氧、排氮流程，根据不同海拔高度空气的质量比，优化控制吸附、解吸压力以及吸附、解吸时间等工艺参数，把空气中的体积分数约为21%的氧气根据需要浓缩到50%～90%，以适合不同环境条件下使用。图3为设计的氧气制备工艺流程示意图，为两塔变压吸附制氧工艺流程，吸附剂为吸附容量大、氧氮选择性高的沸石分子筛。空气经预过滤单元除去颗粒物后通过空压机压缩经分配阀进入吸附塔，加压时吸附塔内的分子筛优先吸附氮气，从而分离出氧气和氩气储存在储氧罐中，减压时解吸出分子筛吸附的氮气并排放，2个吸附塔的吸附与解吸过程交替进行，最终完成氧气的制备。

图3 氧气制备工艺流程

3 结构设计

3.1 一体化整机结构

便携式太阳能制氧机是通过机电一体化结构设计的。图4为便携式太阳能制氧机整机结构示意，为箱仪一体化结构，主要包括制氧主机、太阳能电池板、储能电源及箱体，箱体内集成了制氧主机、太阳能电池板、储能电源及配件。

图4 整机结构示意图

制氧主机为独立结构，产氧流量为1～3 L/min（可调），氧气的体积分数为 50%～90%（可调），质量为5.0 kg，外形尺寸为155 mm×225 mm×240 mm（长×宽×高），使用电源为AC220 V/50 Hz或DC12 V，功率为80 W，使用时由箱内取出，可由储能电源供电，也可外接市政、车载等适宜电源，可以单独使用。太阳能电池板为复合柔性材料制备，使用时从箱体上盖取出，打开并与储能电源连接即可进行充电，使用完毕折叠并固定在箱体上盖，折叠尺寸为 420 mm× 170 mm×110 mm（长×宽×高），展开尺寸为1 800 mm× 840 mm×5 mm（长×宽×高），质量为4.0 kg，输出参数为12 V/64 W。储能电源内嵌固定在箱体内，电源容量为40 Ah，太阳能电池板充电时间为6～8 h，具体结构见“3.2储能电源结构”。箱体由高强度工程塑料制造，设计有拉杆及脚轮，便于携带和搬运，外形尺寸为574 mm×438 mm×283 mm（长×宽×高）。便携式太阳能制氧机的总质量为23 kg，使用海拔高度为0～5 500 m。

3.2 储能电源结构

储能电源主要由储能电池、控制器、外壳及配件组成，是便携式太阳能制氧机电力保证的核心部件。储能电池由4节串联使用的混合超级电容电池组成，单体电池容量为3.2 V/40 Ah。该电容电池具有充电速度快、储能高、大电流放电能力强、能量转换效率高、过程损失小、体积小、质量轻等特点，循环使用次数超过2 000次。控制器具有过温、过充、过放、过载、短路自动保护功能以及自动温度补偿和全自动充放电管理功能，选择标称为12 V/20 A的光伏控制器。外壳设计有控制面板和散热孔（如图5所示），面板表面设计有多种指示显示，包括电压指示、充电指示、电池状态指示、负载接通指示等，另外还有输入、输出等接口。储能电源的配件包括开关、电缆及接头等。

储能电源既可由太阳能电池板充电，也可由AC220 V电源以及车载 DC12 V电源充电，除作为便携式制氧机的工作电源外，还可作为应急电源为其他电子设备供电。

图5 储能电源外观结构示意图

4 结论

采用变压吸附空气分离制氧工艺，通过箱仪一体化结构设计的便携式太阳能制氧机，主要由制氧主机、太阳能电池板、储能电源及箱体组成，具有结构合理、集成度高、携带方便、使用简单、自我保障能力强及环境适应性好等特点。在无外接电源供应的条件下，采用太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在储能电源中，为制氧机提供了稳定可靠的电源保障，使制氧机的电源模式更加丰富，实现了制氧机的不间断电源供应，保证了制氧机能随时随地制备呼吸用氧气，保证能及时制备应急呼吸用氧气，实现了无外接电源供应时制氧机的正常使用。

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（收稿：2013-09-09）

图5 连续性血液净化专用方舱整体配置效果图（左后侧视）

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（收稿：2013-03-04 修回：2013-10-24）

Structure Design of Portable Solar Oxygen Concentrator

ZHU Meng-fu,CHEN Ping,DENG Cheng,ZHU Lu,SU Hong-bo,YUAN Ying-hai (Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medicine Sciences,Tianjin 300161,China)

ObjectiveTo design a portable oxygen concentrator based on solar energy charging.MethodsThe portable oxygen concentrator was designed by adopting pressure swing adsorption process and the principle of solar panels generating electricity,and using flexible solar panels which converted solar energy into electricity and stored electricity in energy storage power.ResultsThe portable solar oxygen concentrator consisted of the main oxygen concentrator,the solar panel, the energy storage cell and the box.The oxygen flow rate was between 1 L/min and 3 L/min and the oxygen concentration was between 50%and 90%.The power capacity of energy storage cell was 40 Ah and its charge time was about 7 h.The output voltage of solar panels was DC12 V.ConclusionSolar energy charging can realize the normal use of the oxygen concentrator when there is no exterior power supply,provide a reliable power support for emergency use,extend the service life,and make the oxygen generator generate breathing oxygen anytime and anywhere.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：15-17]

solar;portable oxygen concentrator;PSA;energy storage cell;high altitude

R318.6；TH777

A

1003-8868（2014）01-0015-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.015

朱孟府（1965—），男，博士，硕士研究生导师，研究员，主要从事分离工程技术与装备方面的研究工作，E-mail：zmf323@163.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（朱孟府，陈平，邓 橙，朱 路，宿红波，苑英海）