畜禽粪污资源化利用的太阳能成套设备创新研究

黄 华

（四川省先进智能农机装备有限公司，四川 德阳 618030）

畜禽粪污管理对于现阶段的畜牧业而言，是体现畜禽业新型管理模式优势、彰显先进科学技术价值的重要板块。粪污管理在一定程度上也决定了畜禽业的产品质量，与畜禽的健康及安全卫生息息相关。因此，为加强现代化牧场的粪污管理，不少学者从不同角度对其展开了一系列的研究。比如丹麦和比利时的学者开发出粪污沼气转化发电，供应畜禽粪污输送及处理设备用电，有效降低了企业粪污处理成本。而我国以农户和小规模饲养为主，通常通过粪污全量还田、粪便堆肥、粪水肥料化对其进行相关处理。但无论是国外还是国内，在畜禽粪污光伏供电相关处理设备以及畜禽粪污输送设备上，都因建设、运行成本及智能化程度低等问题，导致农户的应用积极性不高[1]。因此，为实现高效的粪污能源化，笔者尝试对太阳能成套设备展开创新研究，以期将畜禽粪污资源最大化利用于太阳能成套设备中。

1 畜禽粪污资源化利用的太阳能成套设备工作原理

畜禽粪污输送设备，是粪污固液分离、粪污厌氧（好氧）发酵处理过程中的关键设备。粪污的高含固率、腐蚀性及含纤维固体颗粒性，对泵送系统的通过能力及稳定性都提出了巨大的考验，直接影响粪污高值化利用的效果。而太阳能光伏供电模式下的粪污泵送系统，不仅能减少规模化养殖企业成本，降低CO2排放，还可以提高粪污处理自动化、智能化程度，有利于畜禽粪污处理设备在规模化养殖企业中的推广与应用[2]。

在具体工作原理上，主要是将脱水后的畜禽粪污排放到太阳能成套设备内进行发酵，经由如图1所示的粪道、管道、集污池流程，将畜禽粪污导入固液分离器中，再经过5～7天时间，按照一级发酵、二级发酵形成沼气，最终在太阳能光伏系统与抽排系统的共同作用下，在污水处理池中形成新能源。使其在产能上不仅可以用于周边居民的日常生活，同时也可以用于日常照明，对畜禽粪污进行充分的资源化利用。

图1 畜禽粪污资源化处理工作流程

2 畜禽粪污资源化利用的太阳能关键设备创新分析

2.1 光伏系统创新设计

目前学术上关于太阳能光伏系统的设计，多是从保护模式展开分析的，并由此探讨了阻尼器和减震器双重保护、大风保护、大雪保护、限位保护、过流保护、过欠压保护等技术，其目的是有效提升设备对极端天气的抵抗能力。然而，笔者考虑到大多数养殖场处于丘陵山区或附近，存在明显影响太阳辐射的地形地貌，故本设计在关于光伏系统的创新设计方面，除了会对太阳能成套设备进行充分的防护之外，还会通过收集水平面直接辐射和水平面散射辐射数据，加强太阳方位检测工作，并由此建立数据模型，计算水平面上总辐射量数据，旨在对太阳辐射的有效性和量值进行评估[3]。笔者以单基线干涉仪为例，论述其在太阳能光伏板中的能源转化应用创新思路，其整体结构示意图如图2所示。

图2 单基线干涉仪整体结构图

如图2所示，假设丘陵山区电磁波太阳辐射与天线1、2的视轴成一角度进入，角度写作θ，那么天线1点和2点处的电磁波可以被确定为平面波，设两点之间的距离为d，得出辐射的相位差φ，具体的计算公式如下：

在得到太阳辐射射入方向θ后，导出：

在具体流程上，对太阳能光伏板进行M次测量，假设在某丘陵山区中存在某一点x，由此构建出x与φ的函数：

利用上述公式对目标进行定位，做好太阳方位检测工作，确定光伏系统水平面上总辐射量的统计公式，并由此对畜禽粪污资源化利用光伏系统进行针对性优化，从而更为充分地利用太阳辐射有效性，将其量值进行最大化利用[4-5]。

2.2 自动跟踪控制系统创新设计

在该太阳能板自动跟踪控制系统的创新设计上，其可以根据不同天气情况，利用天文算法+角度传感控制光伏组件追日旋转，进行太阳能电板的二维跟踪系统设计，而后根据系统功能，对跟踪控制系统的主要硬件和软件进行设计。

其中，在硬件选型上，采用一种可以将太阳能转化为电能的硅太阳能电池半导体器件。该降压电路具有易于控制、安装方便、成本低廉的优点。 连接太阳能电池阵列的BUCK电路拓扑图如图3所示，该硬件可以将储能电容并联，以保证太阳能板输出电流的连续性，实现了太阳能电池阵列的MPPT功能。

图3 连接太阳能电池阵列的BUCK电路拓扑图

考虑到实际情况，计划对现阶段畜禽粪污资源化利用的太阳能板自动跟踪控制系统采用多晶硅太阳能电池组件，其参数如表1所示。

表1 太阳能板参数

此外，在锂电池组的硬件方面，本文选取的是三米公司生产的MM3511，保护电压检测点精度高于其他IC。考虑到78系列集成稳压器具有恒定的正输出电压，故本研究使用的电源稳压器是7805和7812芯片。其中，7805的输出电压为5 V，而7812的输出电压为12 V。在单片机的选用上，其主控制器采用低压专用程序存储器、随机存取存储器和美国ATMEL公司生产的高性能8位单片CMOS微机读写4 K字节数据。

待实物制作完成后，进行了两部分测试，一是测试视日运动的准确性，即测试系统对于太阳高度角和方位角的计算是否准确，实验手段是通过计算程序进行计算，并与权威值进行比对；二是在光电检测追踪方式下，检验接收太阳辐射率是否升高，实验手段是在自然光条件下进行跟踪测试，并与固定式太阳能电池板输出功率进行对比。

需要说明的是，日梭万年历是目前普遍认同的太阳高度角和方位角计算软件，其精度高、结果可靠。各种时间信息与权威值的最大误差都不超过1 min，本设计选取日梭万年历的计算值作为标准值，供系统自身的计算结果比较。将测量辐射的辐射计安装在固定朝南37°的太阳能电池板上和设计有追踪系统的太阳能电池板上，每5 min记录一次数据[6-7]。同时，本测试的场地选在地势较高、视野宽阔的地方，需注意前端传感器圆柱体内部的清洁，避免有灰尘影响光敏二极管对阳光的接收。安装系统时要注意底座是否平坦，否则会造成测量误差。整个系统安装完毕后，整理出的结果如表2所示。

表2 太阳实际角度与实验角度对比

测试结果表明：本系统对太阳高度角和方位角的计算误差较小，符合太阳光追踪的基本要求，进而验证了本研究各模块功能的可行性。

2.3 抽排系统创新设计

由于养殖场集粪池杂物繁多，因此在本设计的切割粉碎系统中，充分利用了高强度切割式刀片或研磨刀头组件，由此完成对棉麻纤维、塑料制品、秸秆枝条等杂物的切碎，杜绝抽排系统的缠绕、堵塞及电机烧毁现象[8]。然而由于目前不同型号的切割系统设计结构存在差异，造成了末端执行器之间的差异很大，因此在本次设计的初期就对机器人运行的综合性能进行了分析，旨在避免空间改变时机器人的碰撞超过最大活动区域。

在具备切割粉碎功能的抽排系统设计上，本研究基于PLC对抽排系统进行了双重控制，即利用液位自动控制整套粪污处理设备的运行。因各养殖场清粪工艺存在区别，粪液的TS浓度差别较大，可能导致液位自动控制失效，故增设抽排设备智能控制温度，建立准确且稳定的检测控制系统，保障整套畜禽粪污处理设备的良性运行。

3 畜禽粪污资源化利用的太阳能成套设备防护措施

3.1 成套设备防腐蚀性能

该创新设计成套设备的粪污固液分离系统全部采用304不锈钢材质；抽排系统主体选用304不锈钢材质，铸铁件采用双重喷漆工艺，电机防护等级达到IP68，绝缘等级达到F级。运用分割独立油室设计，水机部分采用大流道设计，使整套设备具有防腐蚀、抗堵塞、防缠绕的特点[9-10]。

3.2 防雷接地系统的安装

自然界雷电劈击电力电子设备时，便会形成雷电电流，破坏或毁坏系统设备，甚至可能引发人身安全问题，所以加装防雷接地系统是必不可少的。防雷接地系统的原理就是通过避雷针及引下导线，将雷云中放出的电流引入大地。对于接地系统来说，电力系统要接地，建筑物也要设置接地系统，从而达到双重保护的目的。

本研究将光伏设备接地，应于无管道、无阴沟、土层较厚、湿润的空地，在地面挖长1 m、深2 m以上的土坑，在地下埋上适当型号的扁钢或者圆钢，通常扁钢为40 mm×4 mm，圆钢为Φ10 mm或Φ12 mm，光伏组件接地电阻在4 Ω以上，然后向坑里加降阻剂，加水后埋好。逆变器接地和配电箱接地可以一次性完成，仅需逆变器身侧接地孔与配电箱PE排相连即可，接地线最终应可靠地联结在等地位联结系统中。

4 总结

本文设计的畜禽粪污资源化利用的太阳能成套设备，在创新技术上主要围绕太阳能板自动跟踪控制系统、具有切割粉碎功能的抽排系统以及抽排系统双重控制三个方向展开，在保证成套设备具备防腐蚀性能的同时，形成了太阳能光伏系统的多种保护模式。

为了进一步验证其可行性，本研究将该设备投入测试，发现该技术创新对减少规模化养殖企业生产成本，提高粪污处理自动化、智能化程度具有重大意义。以“畜禽粪污资源化利用的太阳能成套设备”为中心形成的循环利用模式，在实际生产中具有农业循环经济的本质特征。同时，其还能有效降低配套用电负荷和CO2排放，极大地推动了畜牧业与种植业、农牧业与养殖业的融合，从而达到降污减排的目的。

综上所述，希望该创新设计可以在相关人员的测试分析后投入到实际的生产应用中，为发展以“猪—沼—树”“牛—沼—草—牛”“鸡—沼—橘”“猪—沼—菜”为主的循环农业提供实际帮助，为丘陵山区城乡统筹发展、实现农业资源高效利用和生态环境良性发展带来一定的助推作用。