风、光与微生物综合智能供电装置

曾睿林

湖南的丘陵地区山塘水资源十分丰富。山塘养鱼成本低、收益高，是山民脱贫致富的有效途径之一。但每当进入高温的夏季，水体中的鱼粪、饲料残渣以及山上冲下的腐殖土，就会沉入塘底积累发酵，造成水体富营养化并严重缺氧，使得水中浮游生物和鱼类大面积死亡。此外，不少丘陵地区交通不便，电力线路架设成本很高。为了解决偏远地区山塘充氧养鱼的电力问题，防止水体黑臭和渔业灾害发生，我设计了这个风、光与微生物综合智能供电装置。

本设计是含风电、光伏及微生物燃料电池组件，且产、蓄、供一体化的综合高效电力装置，可适应各种用电情况。其主要组成部分包括风、光发电组件，微生物电池，电源控制器，蓄电池组，逆变器，光合菌LED补光灯，鱼池，鱼粪及饲料残渣排出管道和微生物电池废渣排出管，如图1所示。

该装置的工作原理如下：利用风力、阳光及微生物发电，电力通过电源控制器优化管理后导入蓄电池组；蓄电池组可接直流负载，也可以先接入逆变器，然后接交流负载；电力可直接用于鱼池的充氧设备，及夜间照射光合菌的LED节能灯；LED节能灯会和阳光一般照射水中藻类，产生能久溶于水体的氧气微泡，促进鱼类快速健康生长；光合菌吸收水中的氨、氮、磷和有机物，既可净化水质，又能做鱼类的绿色饲料，降低养殖成本，抑制水体富营养化；鱼池底层的残余饲料和鱼粪经连通管进入微生物电池体，用于发电；电化学反应后的废渣废液是洁净无毒的绿色肥料，被水稻等植物吸收过滤后，回流到鱼池。

（一）微生物（燃料）电池模块

微生物（燃料）电池是以微生物作为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能的装置，由阳极区和阴极区组成，中间用质子交换膜分开，如图2。

淀粉类残余饲料和鱼粪中的有机物作为燃料，在厌氧的阳极区被微生物氧化，其间产生的电子会被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子则会通过质子交换膜到达阴极区，与电子受体 （氧气）反应生成水。

胺类等有机物同葡萄糖一样，作为还原剂失去电子，从而被氧化为二氧化碳、氮气和水。

微生物电池是收获微生物代谢过程中生成的电子，并引导电子产生电流的系统。其功率输出取决于系统传递电子的数量和速率，以及阳极与阴极间的电位差。由于生物电池并非一个热机系统，避免了卡诺循环的热力学限制，因此其化学能转变为电能的最大效率有可能接近100%。上述微生物电池能够产生直流电且电压范围为0～0.7V，因此我将多个微生物电池串联成电池组，然后将多个电池组并联成微生物电池机构，其外壳设置有与蓄电系统匹配连接的外接阴、阳极，经控制器接于蓄电系统输入端正、负极。

（二）风、光发电及智能蓄供电模块

1. 发电模块

为了抵抗风、雪、冰雹等恶劣的天气，我認为在风力发电机选型时最好是选低速型磁悬浮风力发电机，因为它发电效率高、结构简单、质量稳定。选择太阳能电池时，我认为可选用高性价比的薄膜光伏电池组件，因为它效率高、寿命长、安装维护方便。而蓄电池组则可选用新型的高能阀控式密封石墨烯铅酸蓄电池，因为它具有蓄能多、放电功率大、充电更迅速、循环寿命长等优良性能。

2. 智能蓄供电模块

（1）充电装置的设计

蓄电池组均充管理控制系统主要由蓄电池组、蓄电池电压检测装置、恒流定充电装置、电池自动切换装置，以及可编程逻辑控制器组成。我对蓄电池组采用分只分时均充管理方法，其基本思路是：每次只对一只蓄电池的电压进行检测，如需要充电则对其进行充电，否则将当前蓄电池断开，切入下一只蓄电池，一直检测完整组蓄电池，完成一个循环，实现对蓄电池组中每只蓄电池的均匀管理。该均充方法能保证单个蓄电池及整组蓄电池均不会发生过充电和过放电，可降低单只电池的损坏率，提高蓄电池组的使用效率。

（2）直流转换模块

为了充分利用低速风能、弱光照和低压生物电池效率，增大装置的输出功率，本装置选用上海稳利达40A数字化双向充电模块，可以对电压、电流、温度进行设置、修改、采样、监控。该模块采用全数字化PWM模式，抗干扰能力强，能达到三种电源互补融合、稳定高效的目的。

风能和光能产生的电能储存后，可在夜晚或阴雨天使用。只要温度合适，鱼池底层的残饵粪便会连续不断地转化为电能输出，不受光照的限制。这三种电能通过本智能装置的发电、蓄电及充放电综合管理，可以高效利用风、光及生物能源，提高输出电能效率，服务于偏远山区渔业，达到增产增效的目的。

（指导教师 段家铁 编 辑 白 鸟）