新型太阳能智能PM2.5空气净化器的设计与研究*

李庆才，翟龙涛，许龙贺，高勇善

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

新型太阳能智能PM2.5空气净化器的设计与研究*

李庆才，翟龙涛，许龙贺，高勇善

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

本文是基于新型太阳能智能PM2.5空气净化器的设计与研究。主要介绍了当前市场前景与未来的发展空间，并认真分析了负离子空气净化器的原理及组件构成。负离子产生机理及如何克服伴随产物臭氧，同时根据材料特性和环境要求对负离子空气净化器应用做以实验，净化器净化材料对净化效果、风量、噪声等做以具体分析研究。另外，简述了太阳能智能PM2.5空气净化器具备的多种创新功能。

太阳能；负离子净化；智能；PM2.5

1 太阳能智能空气净化器研制背景

现代生活生产中，我国的大气污染物排放总量居高不下。全国大多数城市的大气环境质量超过国家标准。近年来，“雾霾”更成为了我国当之无愧的年度热词之一，国内25个省100多个大中城市被雾霾所困扰，全国平均雾霾天数达到29.9天，较往年同期偏多9.43天，且持续性霾过程增加显著[1]。相关研究表明，大气PM2.5浓度增高可显著增加人体致癌和非致癌风险。多项调查显示，PM2.5大气浓度每增加10 g/m3，居民日均总死亡率将增加0.9%，心血管疾病死亡率将增加1.22%，呼吸系统死亡率将增加0.97%。当前的PM2.5浓度水平每年仅在北京、上海、广州、西安四个城市就能造成上万人的过早死亡[1]。其实，即使大气中污染物浓度不高，但人体成年累月呼吸这种污染的空气，也会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等疾病。

2 太阳能智能空气净化器构成及其组件研究

2.1 太阳能智能空气净化器的构成

目前太阳能智能空气净化器主要有以下组件构成:太阳能充电系统、自动控制系统、静电除尘系统、智能报警系统和蓝牙遥控系统等四个系统。

1) 太阳能充电系统：太阳能充电系统主要由太阳能电池板、蓄电池和防逆流模块组成，实现对空气净化器自动蓄电。此系统应用了一块多晶功率为10 W产生电压为18 V的太阳能电池板产生电能，通过加装防逆流模块(蓄电池充满电时防逆流模块能够自动切断线路)防止电流的倒流和线路的短路，保护太阳能电池板的寿命，实现对12 V蓄电池的不间断电。利用储量丰富的太阳能作为能源符合我国可持续发展的战略要求，既有效的利用清洁能源保护了环境，又保护了人们身体的健康。

2) 自动控制系统：自动控制系统由粉尘传感器和烟雾传感器通过51单片机实现对电路的自动控制功能。此系统应用了GP2Y1010AU0F粉尘传感器和MQ-2烟雾气敏传感器模块对PM2.5、烟雾、甲烷、液化气可燃气体等实现自动检测，从而控制空气净化装置开启工作。

3) 静电除尘系统：静电除尘系统主要由负离子发生器本体和高性能除尘通道组成。负离子发生器是静电除尘系统的最核心组件，高性能负离子发生器产生高压，击穿空气，产生负氧离子，使得集尘装置带负电从而吸附有害物质[2]。高性能除尘通道内部创新性的设计了两道类似于百叶窗的粉尘防线，出风口安装有风扇吸引PM2.5粉尘和烟雾进入其中，有效的提高了空气净化的效率。

4) 智能报警系统：智能报警系统由蜂鸣器模块和烟雾传感器模块通过单片机控制实现智能报警。当出风口烟雾或者天然气浓度达到烟雾传感器设定的阀值时，烟雾传感器发出信号，单片机处理信号控制蜂鸣器发出报警信号。

5) 蓝牙遥控系统：蓝牙遥控系统主要由HC-06从机蓝牙模块、蓝牙遥控终端和5110液晶显示屏组成。蓝牙遥控模块通过手机或者蓝牙终端实现对空气净化器进行开关控制和5110液晶显示屏监测数据显示控制。

2.2 高性能除尘通道

高性能除尘通道一般由除尘通道本体、百叶窗设计的粉尘防线、高性能风扇构成。

除尘通道本体：外形设计为“L”型，上端为进风口，下端为出风口。设计考虑到了空气中的PM2.5、烟雾、甲烷、甲醛等有害物比空气要轻，因此外形设计为“L”型有害物质上方进入，清洁空气下方排除更加科学合理。

百叶窗设计的粉尘防线：高性能除尘通道内部有两道类似于叶窗设计的粉尘防线，两道防线交错排列，增长了有害物质的路径，相当于把有害物质过滤了两遍，从而提高了空气净化的效率。

高性能风扇：由于本空气净化器安装于室内空间，高性能风扇吸引有害空气进入高性能除尘通道并且噪音小，有效地提高了空气净化效率。

2.3 灰尘清理系统

灰尘清理系统位于高性能除尘通道内部，由类似于百叶窗设计的集尘片、毛刷和集尘抽屉构成。当集尘片上灰尘长时间没有清理时，通过用手抽拉集尘片，由内壁的毛刷将灰尘刮落，使其掉入下方的小抽屉中从而达到清理灰尘的目的。据了解调查分析当前市面上销售的空气净化器通常过滤器选用金属网过滤器、尼龙网过滤器、泡沫海绵过滤器等三种方式，高端的空气净化器主要采用化学吸附方法过滤灰尘。综合上述方式都存在清理方式难度较大的问题。本产品采用的手拉式清理灰尘方式简单易操作，并且效率高。

3 太阳能智能空气净化器的功能

3.1 高效除尘

除尘系统创新设计了两道类似于百叶窗设计的粉尘防线，出风口安装有风扇吸引PM2.5粉尘、甲醛、二手烟等有害物质进入其中，高性能除尘通道吸收了流体力学的精髓有效增大了除尘效率。能够辅集小于0.01 μm的细粒粉尘。太阳能智能PM2.5空气净化器是可以通过改变参数，来满足用户不同的净化效率要求。而传统的空气净化器一般采用光催化(光触媒)、物理吸附、电离子、层层过滤网等原始的除尘方法，这些落后的工作方法均存在着缺陷与不足[3]。比如物理吸附容易饱和、单一功能；层层过滤网只能过滤尘埃，基本上不具备杀菌功能且易造成过滤网堵塞，还可能伴有细菌盘踞进而形成病菌繁殖的窝点等，最终出现二次污染的情况。太阳能智能空气净化器能清除空气中的多种有害物质，还达到太阳能供能的节能减排的良好效果。

3.2 智能防火报警

当室内发生火灾或者煤气泄漏，出风口烟雾或者天然气浓度达到烟雾传感器设定的阀值时蜂鸣器发出报警信号。对于大多数家庭来说，防火一直都是急需解决的难题，太阳能智能空气净化器创新性在净化环境空气的基础上，加以防火功能，使人们不必再多去为防火问题发愁。所以太阳能智能空气净化器是完全可以检测、调节环境空气质量与火灾信息的。

3.3 智能遥控

利用手机等遥控蓝牙设备可实现对太阳能智能PM2.5空气除尘器的遥控。蓝牙是一种短距离低功耗的无线技术。在日常生活生产中，传统的红外遥控器已经无法满足现代用户的新需求。基于此提出一种在遥控装置中嵌入蓝牙技术，将BF蓝牙模块与51单片机相结合，通过无线蓝牙通信实现对太阳能智能空气净化器的遥控。运用51单片机智能控制，即编译相应的控制程序。实现蓝牙设备的智能遥控，使用户对太阳能智能PM2.5空气除尘器的使用更简易、更方便。

3.4 智能检测

太阳能智能空气净化器装有51单片机控制系统、PM2.5浓度检测模块、温度检测模块、湿度检测模块等，可实现对环境中PM2.5、温度、湿度实时检测。对于检测到的超标数值，控制系统会控制报警器，进行鸣笛报警，以提醒人们注意周围环境的变化，便于采取处置措施。基于检测到的数据，51单片机控制系统会进行智能化处理。

[1] 张琴，范海明，陈兆文.空气净化器对甲醛苯和氨气的净化效果研究[J].舰船科学技术,2008,52:239-242.

[2] 张妍，李振海.室内空气净化器性能指标的探讨[J].环境与健康杂志,2007,24(6):453-55.

[3] 黄翔，顾群，吴生.聚合物驻极体空气过滤(材料)器在暖通空调中的应用[J].洁净与空调技术,2003,40(5):38-42.

Design and Research of a New Type of Solar Energy Intelligent PM2.5 Air Purifier

Li Qingcai, Zhai Longtao, Xu Longhe, Gao Yongshan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

This paper makes the design and research on a new solar intelligent air purifier based on PM2.5. It mainly introduces the current market prospects and future development of space, and makes a careful analysis on the principle and component of negative ion air purifier. Negative ion generating mechanism and how to overcome the product with ozone is also described, and according to the material characteristics and environmental requirements, it makes test for the application of negative ion air purifier. The concrete analysis research on purifying materials is made for the purification effect of air quantity, noise, etc. In addition, the paper briefly describes the innovative functions of solar energy intelligent PM2.5 air purifier.

solar energy; negative ion purification; intelligence; PM2.5

2016-11-15

2015年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201510448056)

李庆才(1993- )，男，山东济南人，本科在读，研究方向：能源与动力工程。

1674- 4578(2017)01- 0075- 03

TM925.16；TM615

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