移动式智能化太阳能增氧系统的研制

丁纯纯+陈安格+崔含+魏钰靓

摘 要：为提高河湖治理、水产养殖中的增氧效率，研发移动式智能化太阳能增氧系统，自主设计太阳能系统在增氧设备（射流式曝气机）上的放置方案，配备多参数在线水质监测设备等，融合在线监测、互联网信息、自动化控制等新兴实用技术，实现太阳能增氧设备在水面上的主动移动（扩大增氧区域）、对水文水质的移动监测、对水体增氧的“按氧供给”、对能量的“优化分配”以及对整个设备运行的无线远程控调。

关键词：太阳能；移动式；智能化；水体增氧

1 概述

随着工业高耗能企业的崛起，水体环境污染已成为制约我国经济、政治全面发展的关键因素。自2013年11月29日浙江省委十三届四次全会提出“五水共治”大概念后，浙江省开展了多次污染河道水质监测和修复工程。本研究设计开发的河道内移动式智能化太阳能增氧系统是响应浙江省水体环境污染治理与修复的号召，并且以浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划资助项目展开的。

水体增氧在河道等水环境治理及水产养殖行业应用十分广泛。在高密度封闭的池塘养殖中，若无额外的氧气补充，将会造成鱼类的窒息死亡。传统水体增氧主要采用以电能驱动的固定式增氧机，普遍存在能耗高、运行维护费用高、增氧效果差、噪声大、易损坏等缺陷。现行研发应用的太阳能驱动的水体增氧设备在能源利用方面大力发展，但仍存在固定增氧居多、移动式增氧范围有限、运行调控简单粗糙，不能有效按氧供给等问题，在性能方面仍存在较大挖掘空间。

本文在前人研究的基础上，研发了一种移动式智能化太阳能增氧系统，详细介绍了系统相关的设计方案，旨在为河湖治理和水产养殖内水体增氧提供高效节约的设备。

2 移动式智能化太阳能增氧系统设计

本文研发的一种移动式智能化太阳能水体增氧系统，主要由太阳能控制系统、增氧设备、多参数水质监测系统、远程控制系统等软硬件构成，实现节能、自主运行、移动监测、无线远程调控一体化，在环境效益上有较强的应用价值。

2.1 设计思路

（1）首先，合理规划设计柔性太阳能电池板的放置方式。将太阳能通过太阳能电池板收集，经过光伏控制器储存至铁锂电池内，最后通过逆变器将直流电转换成交流电用于增氧设备发电。所采用的为柔性薄膜太阳能板，可弯曲，质量轻，可浮在水面。

关于太阳能系统供电，本文提供两种直交流电的使用方式：若使用直流用电的增氧设备，可直接接在光伏控制器的直流负载端进行发电，可提高光伏发电有效利用率，降低设计成本和扩大空间范围，若使用的是交流用电的增氧设备，经过逆变器的直交流转化，加以利用。

以太阳能为驱动力，促使增氧系统向深层水体通入溶解氧，利用太阳能电池板白天收集并储存的电能用于夜晚或阴天使用。

（2）通过开始阶段以太阳能为驱动力使增氧系统运行，一旦运行，增氧系统曝气产生的推动力带动了整个系统向前运动，省去了人工借助船带动增氧系统运行的不便之处。

（3）在增氧系统上安装多参数在线水质监测系统，实现水质的实时在线监测，控制水体溶氧的“按需分配”。在水质监测系统内加入继电器和交流接触器，通过设置水质溶氧的高、低接触点值，配合水质监测传感器。当监测到水质值低于标准设定范围，则自动开启增氧设备的曝气开关，促使其在此处增氧。当监测到水质值满足标准设定范围时，则断开电路，关闭增氧设备的曝气开关，实现溶氧的按需供给，合理分配。

（4）基于MSP430和GPRS技术，由数据存储模块、语音报警模块、人机通信模块、GPRS通信模块等平台组成。开发数据平台，通过无线网将实时监测的水体溶解氧量、PH值等数据传输至数据库，随时随地监控系统运行情况。

2.2 主要部件设计

2.2.1 增氧设备

本文选用的为低噪射流式曝气机。

规格型号：0.75KW，220V 长×宽：1.6m×1.2m

每天工作以2h计，安装面积满足4m2。

2.2.2 太阳能系统

（1） 柔性太阳能板

a.材料选型

规格型号：1050×540×3mm，100W，18V，9片，每片1.8kg，总重16.2kg

b.太阳能板理论设计

太阳能系统发电转换效率η1=0.75，发电系数η2=0.6。

射流式曝气机规格为0.75KW，每天以2h计，则每日的耗电量为1.5KWh。

日发电量（输出功率）：

即要获得1.5KWh的电量至少需2KWh的日发电量。

日可用太阳光发电效率：

全国日照时间以2000h/a 计算

即每日全功率发电时间为3.29h。

所需太阳能板总功率：

所需太阳能板的数量：

取整，至少应取7块太阳能板

c.太阳能板角度设计

在太阳能板光伏发电的应用中，通常是将太阳能板朝向赤道固定放置，并且与水平面呈现一定的倾斜角β，如图1所示。其受太阳辐射强度、光伏电池特性、所带负载、蓄电池等因素影响[1]。以中国气象局气象信息中心气象资料室的观测数据为基础，太阳能板放置的最佳倾斜角大小主要受纬度影响，大多数城市年最佳倾斜角略小于所在緯度。此外，太阳直射和散射辐射的全面变化状况也是重要的影响因素。由于杭州散射辐射占总辐射的比重较大，对最佳倾斜角的影响较大，并且随着倾斜角的增大，散射辐射减小。因此，杭州的最佳倾斜角小于其所在纬度。

由于杭州所在纬度为北纬30°，直射辐射为51%，斜面上太阳辐射为1358kWh·（m2·a）-1。因此，本文太阳能板放置的最佳倾斜角为27°，方向为正南方。

（2）锂电池

本文所采用的供电电池为12V太阳能三元铁锂电池，具有体积小、容量大、电压稳定、重量轻，在水面上好固定等优点，可以循环利用的优势减少环境污染，有利于可持续发展。

根据太阳能电池容量必须比负载（增氧设备）日耗电量高出5倍以上（南方地区）的原则，且太阳能电池容量按照系统容量（750W）的1倍选取。太阳能电池利用率为60%左右。

取整按照200AH配置，拟采用12V200AH一块电池。

正好够增氧设备供电2h

（3）太阳能控制器

所采用的大容量控制器可有效防止薄膜柔性太阳能板并联时，随着电流升高所带来的系统风险。同时带有欠压保护，实时观测电池储量。当铁锂电池电压小于25%时，带有的LED屏显将会红灯闪屏，并带有蜂窝报警提示。

拟采用的柔性太阳能板为18V，100w/片，7片

太阳能控制器容量=■=38.89AH

为保证系统能正常运行，且考虑为到后续设备的完善留有余地。选择规格型号为：12V 60AH的控制器。

（4）逆变器

由于太阳能板所收集的电能是以直流电的形式储存在锂电池内，而日常实际生活中所使用的均是交流电。逆变器是把直流电能（锂电池储存）转变成交流电（一般为输出电压220V、50Hz正弦波）。由于拟采用的增氧设备含感性负载，光伏稳压逆变器的容量必须为负载日耗电量高出3倍以上。选择规格型号为：2000W（增氧机启动功率大，配置偏大），220V的逆变器。

2.2.3 多参数水质监测分析系统

本系统主要是由多参数水质监测模块及GPRS无线通信模块和水质监测中心软件平台三大部分组成。实现了增氧系统对污染河道水质实时、连续的水质监测（监测项目包括PH、DO等常规水质指标）、数据传输、接收、控制分析功能。配置10m温补探头，具有RS-485通讯接口，可实现数据的传输；内含继电器负载，配置2000W交流接触器扩容。

2.3 系统总体装配设计

安装于四块浮板上自主移动的低噪射流式曝气机包括交流电机、曝气叶轮等有效组件。浮板内侧设置带电机的曝气叶轮、承接电机的防护罩面与防护罩盖，曝气叶轮设置于浮板下方深入水底进行曝气增氧。

太阳能系统整体通过连接支架安装在四块长条式浮板上，漂浮于水面上，增氧设备与水质监测系统均与太阳能系统中的逆变器相连，同时与中央控制器连接，进行无线数据接、传功能。太阳能系统置于浮板中央，外加防水箱做密封处理。

太阳能系统包括柔性太阳能板、连接支架、锂电池、控制器、逆变器等元器件。柔性太阳能板七块并联通过连接支架位于四块长条式浮板两侧上方及浮板延伸处，共计700w，通过控制器用于锂电池的充电。同时，逆变器通过控制器实现太阳能的直交流转化，为所需模块提供电源。

多参数水质监测系统中参数控制器置于防水箱内，外接线口处加密封圈做防水处理。防水箱外共有三个接触点，输入端口与低噪射流式曝气机中的交流电机相连，通过继电器和交流接触器作用，自动控制交流电机的开关，达到移动范围内的“按需增氧”，由太阳能系统一并供电使用。输出端口分别是监测水质的温补探头与具备通信功能的RS-485接口，实现水质监测和数据的存储、传输功能。

3 系统技术特点

（1）本文实验中采用太阳能利用技术作为设备运转直接动力，通过曝气机尾部叶轮曝气提升作用将底部缺氧区转移到水体表面，与表层富氧水混合。并采用能量转化技术，将多余的太阳能转化为电能加以储存，以供阴天能源不足时利用。

（2）采用曝气过程中的推动力促使增氧系统自主移动。

（3）采用在线水质监测设备，实现对溶氧的控制。

（4）搭建智慧平臺，实时进行监控和信息的传输。

4 结束语

水体缺氧是导致水体水质恶化、鱼虾等水生动物死亡的主要原因。对缺氧水体进行人工增氧，不仅可以快速地促进水体污染物的分解转化和提高水体的自我调节与净化能力，还可以有效地恢复水生动物的生存环境。因而本文研发的移动式智能化太阳能增氧系统在河道、湖泊等水环境治理以及水产养殖等行业中将会应用十分广泛。本文技术优势在于河道增氧提升水质，也可以用于鱼塘养殖来预防和减轻浮头，还可以改善水质，加强池塘水体物质循环，减弱或消除有害毒物，促进浮游生物繁殖，向深层曝气有助于控制底泥氮、磷元素的释放，有助于水生植物除去富营养化水体中的氮、磷元素。

参考文献

[1]朱丹丹，燕达.太阳能板放置最佳倾角研究[J].建筑科学，2012（s2）：277-281.