风光混合新能源增氧系统在天津地区池塘养殖中的试验

文/李 灏 郝 俊 丁子元 任涵玮

2015年，天津全市养殖面积超过60万亩，总产量40.12万吨，为市民提供了大量的优质蛋白质，渔业是天津市农业的支柱产业。增氧系统是渔业生产中渔业机械的必要组成，目前国内大量使用的增氧机多为1500W~3000W的高耗能渔业机械，通过380V三相交流电、电动机或柴油机等动力源驱动，使用量巨大，消耗大量电力和能源。每个养殖企业每年用电成本占总成本的比例很大，且火力发电需向空气中排放大量废气，造成空气污染、能源枯竭与环境污染问题日益严重。另外，部分鱼塘处于相对偏远的地方，特别是水面较宽阔的大型养殖场，电网难以到达和覆盖，获得电力能源的投入很大，线损高，压降严重，且安全隐患较多。因此天津市水产技术推广站特申立“风光混合新能源增氧系统在养殖中的试验示范”，促进天津市渔业向低碳环保的方向发展。

太阳能和风能具有清洁、持续、环保、长久的特点，是人们应对能源短缺、节能减排与气候变化的重要选择之一。将光能和风能两种能源互补利用，作为池塘增氧设备的动力来源，提高了动力来源的可靠性。太阳能和风能在当地可取且清洁无污染，是其巨大的优势。

池塘水体缺氧是池塘单产的重要限制因子之一，养殖产量随着增氧机的应用和发展而快速增长，池塘产量进入高产阶段。目前主要使用的增氧机械主要为叶轮式增氧机、水车式增氧机、射流式增氧机和鼓风机等。其中射流式增氧机由于其增氧效率高，耗能少等特点，发展迅速，受到越来越多养殖户的青睐。

风光混合新能源增氧系统利用太阳能和风能组成的清洁能源转化成电能以驱动水泵，带动文丘里原理混合器，吸入空气进行气-水高速混合，形成细小的微气泡，同时推动下层水体流动，使气泡可以与水体充分接触。

一、风光混合新能源增氧系统的设计

风光混合新能源增氧系统分别由动力系统、控制系统和增氧系统三个部分构成。

（一）动力系统

风光混合新能源增氧系统的动力由风能和太阳能来提供。其主要设备有风力发电机、太阳能板和蓄电池。

1.风力发电设备

本系统采用1000W的水平轴风力发电机，风力带动风车叶片旋转，增速机将旋转的速度提升，促使发电机发电。风轮的旋转沿气流的方向，在风向改变的时候其尾翼对风，具有360度捕风能力。由于风力发电的不稳定性，风机的输出电压为0V ~400V交流电，必须先经过整流再对蓄电池充电。

2.太阳能发电设备

太阳能电池板将太阳能收集、贮存于蓄电池。本系统将8个300W多晶硅太阳能板串联组成太阳能板方阵，将太阳能高效的转化为电能。

（二）控制系统

1.控制器

具有多功能保护措施，如自动关断功能。详细的充电说明、电池状态、负载和欠压指示。380V三相交流电自动切换功能，当蓄电池欠压时，负载供电自动切换到380V三相交流电直到蓄电池电压到达恢复电压。控制器有5个模块分别显示实时的风力、风向、照度；蓄电池的电压、电流和380V三相交流电的电压、电流；输出电压、电流、电机使用功率；水质检测指标水体温度、水体含氧量；用电量指示。

2.蓄电池

本系统采用胶体铅酸蓄电池，此种蓄电池为无游离液体的凝胶状电解质，散热能力强，电池容量高，使用寿命长。

3. 逆变器

本系统逆变器的频率为50Hz~60Hz，将蓄电池输出的48V直流电压转变为高频的高压交流电。

（三）增氧系统

1.潜水泵

本系统采用750W交流潜水泵，在水下运转，为文丘里混合器提供喷射高速水流，设定水流喷射方向，池塘水体将沿这一喷射方向进行流动。

2.文丘里混合器

文丘里混合器兼具吸气和混合两种功能于一体，水泵的动力将水推入文丘里的压缩段，形成高速喷射的紊流态水流，经过混合腔时形成负压，吸入空气的同时将气体高速击碎并与水混合。强劲的水流与空气混合喷射，产生多而细腻的气泡，以增加气体和液体间的交换面积，并延长气泡在水中的停留时间，提高了单位功率增氧效果。

3.浮体结构

由浮船、方杆、支架、直轴承和调节杆等部件组成，对水上部件进行固定。

二、风光混合新能源增氧系统池塘增氧效果试验

目前主要使用的增氧机械主要为叶轮式增氧机、水车式增氧机、射流式增氧机和鼓风机等。叶轮式增氧机的增氧原理为通过较大的叶轮连续的搅动水体，扩大水体与空气的接触面积，达到向水体增氧的目的。射流式增氧机除浮体和进气管的部分在水面上外，其余均安置在水面下，其原理是通过直径较小的叶轮以较高的转速连续推动水体形成负压，将空气吸入水中，使水体增氧。射流式增氧机具有噪声低，结构简单，零件少、易实现大批量生产，价格较低，安装使用方便，使用寿命长等特点，在部分地区深受渔民的欢迎，并得到广泛使用。本试验旨在对使用风光混合新能源增氧系统和叶轮式增氧机的池塘进行溶解氧检测、分析和比较，检验风光混合新能源增氧系统的增氧效果。

（一）试验地点

试验地点为天津市西青区恒兴富民水产养殖专业合作社。试验池塘南北走向，每个面积5亩，水深2m。5月投放赣昌鲤鲫夏花4000尾/亩，投喂粗蛋白含量为35%的配合饲料，日投喂3次～4次，日投喂量为体重3%～5%。

（二）测定方法

选择3个相邻的池塘，其中池塘1和池塘2安装风光混合新能源增氧系统，池塘3安装叶轮式增氧机。开机时间为6:00至18:00。选择10月的某一晴天进行溶解氧24h昼夜测定，时间间隔为3h，每个池塘设立3个采样点，采样深度为1m。采用碘量法测定。

（三）数据处理

数据统计分析和图表处理分别采用SPSS18.0软件和EXCEL2007软件进行处理。

（四）结果与分析

池塘水体溶解氧24h的变化范围为5.00mg～10.00mg/L，溶解氧最大差异为5.00mg/L（见下图）。池塘24h溶解氧呈现单峰型变化趋势，峰值出现在16:00，峰谷出现在4:00。3个池塘的溶解氧差异不显著（P<0.05）。

从10:00至19:00光照较强，水温从日出逐渐上升，水体中的溶解氧70%由浮游植物光合作用产生，此时增氧机的作用主要是搅水。14:00左右光照和水温逐渐上升到最大值，16:00溶解氧达到峰值，池塘溶解氧达到过饱和状态，通过增氧机的搅水作用使池塘上下层溶解氧混合均匀。随着光照减弱，夜间浮游植物不再进行光合作用，池塘生物呼吸作用消耗氧气，溶解氧逐渐降低，至4:00达到谷值。6:00开启增氧机为池塘增氧，保证养殖生物的正常生长。7:00时，池塘1和2的溶解氧高于池塘3，是由于射流式增氧机其兼有推流和增氧的双重作用，射流口在水深约1m处，可以直接对最缺氧的池底水体进行增氧，所以池塘1和池塘2的增氧速度要高于池塘3。

图1 不同池塘不同时间的溶解氧

（五）讨论

溶解氧是限制水体单产的重要因子之一，随着增氧机械的出现，水体单产极大的提高。叶轮式增氧机是最常见的增氧机械，通过水压跃变与卷吸作用给表层水体增氧，但对池塘底部增氧效果差，噪音大。射流式增氧机则具有增氧能力高，上下水层增氧均匀，无齿轮转动，免于维修且无油脂润滑，不会污染水质。运行时形成一股较大的定向水流，对喜好水流的养殖鱼类更为合适，噪音低，无机械运动，适合鱼苗池增氧使用。本试验中3个池塘的溶解氧差异不显著，说明两种增氧机械都可以保证养殖生物的正常生长。

有研究表明，相同功率的射流式增氧机比叶轮式增氧机的增氧效果要高1.5倍。射流式增氧机在增氧时，无叶轮在水中运动，可以减少鱼类的应激，避免鱼体受到机械损伤。通过射流口的调节，可以对全池不同水层进行增氧。水深1m处，池塘1和池塘2的增氧速度要高于池塘3，也说明了射流式增氧机的单位功率增氧效果要好于叶轮式增氧机。

此外，风光混合新能源增氧系统可以解决水面较宽阔的大型养殖场，电网难以到达和覆盖，获得电力能源的投入较大的难题。相对于其他安置于水面的增氧机，风光混合新能源增氧系统还可以对冰封的水体增氧，满足鱼类越冬的需要。