水体太阳能供电增氧系统及其运行效果

第28卷第13期农业工程学报2012年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringV_01．28No．13Ju1．2012191水体太阳能供电增氧系统及其运行效果游国栋，杨世凤，李继生，侯勇，王秀清，南忠良，王昶(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222)摘要：为了快速改善水产养殖水体质量，该文分析了国内水体富营养化的现状和存在的问题，提出了以太阳能电池为动力，采用单片机设计了一套水体增氧系统，重点介绍了硬件组成、结构特点和软件实现方法，并应用在公园鱼池净化和鲤鱼养殖生产中。试验结果表明，该系统能够实时控制鱼池中的溶氧量、pH值，使多环境因子稳定在最佳值附近。为增强水体的自净能力，提高水产养殖水平提供了一种切实可行的技术措施。关键词：太阳能，水产养殖，溶氧量，增氧系统，节能doi．-10．3969~．issn．1002—6819．2012．13．031中图分类号：S969．321文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一13—0191—08游国栋，杨世凤，李继生，等．水体太阳能供电增氧系统及其运行效果[J]．农业工程学报，2012，28(13)：191—198．YouGuodong，YangShi~ng，LiJisheng，eta1．Solaroxygenationsystemforaquacultureandrunningefect[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2012，28(13)：191—198．(inChinesewithEnglishabstract)0引言1系统整体设计近年来，环境污染造成水体溶解氧减少、富营养化，河流、湖泊发生大面积水质变坏、蓝藻爆发多有发生，尤其封闭水域，如鱼池、风景点水池等水质恶化【】9J更甚。据统计，2009年中国池塘养殖面积有214．47万hm2，产量达到1459．45万t，占淡水养殖的70．4％【20-26]。高密度、高产量、集约化是目前池塘水产养殖的主要方式[20-26】。在这种高密度的池塘养殖环境中，水体处于相对封闭状态，养殖生物密度高，耗氧量大，极易造成水体的富营养化，导致产量下降[20-26】。因此，如何最大限度地快速提高水体中的溶解氧含量，对污染水体的净化至关重要。目前常用的增氧净化装置主要有深层曝气增氧净化装置和叶轮式水循环增氧净化装置【2之。深层曝气增氧净化装置局部充氧效果好，但结构复杂，效率低；叶轮式水循环增氧净化装置使用时必须通过电缆输送电力，成本高。本文构建了水体太阳能供电增氧系统，该系统采用太阳能为主、蓄电池为辅的供电方式，选用单片机自动检测和实时控制养殖水池的溶氧量、pH值等。通过太阳能光电转换，蓄电池储能，可以提供系统稳定的电力供应，连续驱动潜水泵，高效、低能耗地实现湖泊、鱼池和风景点水池等的增氧，实现水质净化。本系统电力消耗和二氧化碳排放均为零。对于实现封闭水体活性循环，防止富营养化，为池塘增氧机械和增氧节能方式、方法的研究提供参考，提高水产养殖水平有现实的意义。收稿日期：2011-12．16修订日期：2012．05．08基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．60771014和No．61071207)作者简介：游国栋，讲师，主要从事信息处理与通信技术、电机与控制技术的研究。天津天津科技大学电子信息与自动化学院，300222。Email：yougdong1973@sohu．com1．1系统设计要求系统分为主系统和遥控系统，结构如图1。主系统图1a包含太阳能电池阵列、DC／DC变换器、蓄电池充放电器、蓄电池组以及直流潜水泵负载5部分。图lb为遥控器，分为主控芯片、电源、液晶模块、键盘模块、串口模块、RF无线遥控模块等。厂佩Ipr一--]P坚=单l，一鳖堡墨卜+，l广L划臣，感器lI，瓜F蕊a．主系统框图b．遥控器框图酋麴G单端初级电感变换器拓扑图d开关管Q导通期间e．开关管Q关断期间注：v为太阳能电池组输出电流，A；Upv为太阳能电池组输出电压，u。图1系统整体框图和单端初级电感变换器的工作过程Fig．1SystemblockdiagramandworkingprocessofSEPIC系统以太阳能电池为主电源，同时对系统供电和蓄电池充电，使用AVRATMEGA128单片机作为主控芯片，通过算法对最大功率点跟踪，实现太阳能电池的最大功率输出。并检测太阳能电池电压，光照逐渐减弱时，太阳能电池的电压下降，当低于蓄电池电压时，切换为蓄电池对直流潜水泵供电；反之，电压回升，升高到一定电压值时，自动转换为太阳能电池组供电，实现直流潜水泵的供