太阳能智能除霾窗的设计与研究

陈 瑛， 曹 进， 王 洋， 胡元斌， 李佳丽

（乐山师范学院 物理与电子工程学院，四川 乐山 614000）

0 引言

雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”[1]。当前，我国环境污染的形势已不乐观，雾霾天气时常出现在我国的大部分城市，特别是在冬季，雾霾天气更是频频出现。在雾霾严重时，很多城市居民甚至不敢出门也不敢开窗户，担心呼吸道受雾霾的影响。虽然很多人在室内放置了空气净化器，但是没有起到根本性的作用[2]。传统的空气净化器能够过滤空气中的一些固体颗粒物和部分有害气体，但是它是使室内的空气不断地循环，没有新鲜空气进入室内，长期如此会导致室内空气的含氧量越来越低，最后不适合人类呼吸所用。因此，如果长期处于一个封闭的室内环境，对身体健康也是不利的，人类的生存需要有新鲜的空气进入室内以保证新陈代谢的需要。如果能设计一款空气净化器在雾霾天气时不用关窗户，就能净化被污染的空气，将净化后的新鲜空气源源不断地引入室内，那么将解决这一问题。

本文所介绍的太阳能智能除霾窗能够实现在雾霾天气时使进入室内的是洁净的可供人们正常呼吸的空气。该太阳能智能除霾窗是一个利用清洁能源供电，改善进入室内的空气质量的空气净化器。与传统的空气净化器不同的是它净化的是室外的空气，并不断地向室内补充新鲜空气。

1 太阳能智能除霾窗的设计

本文所设计的太阳能智能除霾窗共分为供电模块、净化模块和检测模块等三大模块。供电模块是以作为雨棚的太阳能电池组件发电，以蓄电池作为储能装置，以小型逆变器作为直交流电的转换装置构建一个完整的供电系统为整个净化系统供电；净化模块以活性炭、二氧化钛和HEPA作为空气的过滤装置，以超声波雾化器雾化鱼缸里的水以吸附被污染空气中的颗粒物，达到多重净化空气的目的；检测模块设置PM2.5传感器、PM10传感器和水质浊度传感器，采集的数据通过液晶屏显示出来[3-4]。

1.1 供电模块

该除霾窗是以居民家中常见的飘窗作为载体来设计的，供电模块中的太阳能电池组件面积较大易占空间，其形状为长方形，且不惧风雨，将其设计为飘窗的雨棚。这样设计不仅将占地的电池组件安装妥当而且还可以节约居民安装雨棚的费用。以处于北半球的中国为例，应将作为雨棚的太阳能电池组件安装在朝南的窗户上，且安装时有一定的倾角，这样安装是为了接收到更多的太阳能资源，以最少的太阳能电池发最多的电[5]。

该模块中太阳能电池组件选用的是由项目组成员制作的，功率为100 WP、开路电压VOC为22.6 V、工作电压为20 V、开路电流ISC为5.65 A的组件；储电设备选用的是电压为12 V，容量为105 AH的铅酸蓄电池。该除霾窗不仅需要直流电还需要交流电，因此供电模块还需要离网的逆变器，将直流电转换为交流电供净化设备使用。为此，项目组为该模块选用了一台1千瓦的小型逆变控制一体机，该一体机不仅能够控制对铅酸蓄电池的充放电，而且能够将蓄电池的12 V直流电逆变为220 V的交流电。白天有阳光的时候，太阳能电池组件发电，通过逆变控制一体机给蓄电池充电，用电全部通过蓄电池放电，直流电则直接通过蓄电池放电即可，如需220 V交流电则需要通过逆变控制一体机将蓄电池的 12 V直流电逆变为 220 V的交流电供外部使用。至此供电模块全部设计完毕，既能够保证系统中的一些小型元器件使用直流电，也能够保证系统中的水泵等使用符合要求的交流电，为该除霾窗提供了清洁而又稳定的电力保障。该模块整体结构如图1所示。

图1 电源模块

1.2 净化模块

本文设计的太阳能智能除霾窗是以居民家的飘窗和鱼缸为载体，该装置中的空气净化模块主要依托于放置在飘窗上的观赏鱼缸[6]。观赏鱼缸中饲养几条金鱼和清道夫鱼，并放上一些易活的水草[7]。净化模块放置于观赏鱼缸的顶部，同时作为鱼缸的盖子。净化模块的第一层为一个中间有许多小孔的有机玻璃，且周围与鱼缸用橡胶垫紧密结合，使空气从中间的小孔冒出。在该有机玻璃盖的上层是净化层，作为该净化模块的第二层。净化层中主要由工业级HEPA过滤网、高效活性炭过滤网和二氧化钛过滤网组成，三层过滤网由下而上依次叠放[8-10]。在净化层顶部再盖上一个装有两个抽气风扇的有机玻璃盖，构成整个净化模块。净化模块中各层的边缘均采用橡胶进行密封，避免空气从各层之间的缝隙流动，保证空气从净化层的第一层经由净化层最后通过第三层顶盖单向通过。该除霾窗的净化模块结构示意图如图2所示。

图2 净化模块结构

该除霾窗空气净化过程的第一步是由观赏鱼缸里的水对空气进行净化。由窗外抽进来的空气，在经过鱼缸中的水冒出的过程中，空气中较易溶于水的颗粒物和部分易溶于水的有害气体将被水溶解，形成了对污染空气的首次净化。空气从水面冒出后首先经过工业级的HEPA过滤网，这个过程中空气中的大部分颗粒物将被阻挡在HEPA的下侧，实现了对空气的第二次净化。然后，空气会经过高效活性炭过滤网，此过程中空气中的部分苯、甲醛、氨气等有毒有害气体将会被活性炭吸附，该过程有效除去了污染空气中的气态污染物及有害恶臭物质，实现了对空气的第三次净化。接下来，空气会进入二氧化钛过滤网，该层为涂抹了二氧化钛的聚酯纤维网，在紫外光的照射下二氧化钛能够使甲醛、卤代烃等有害气体氧化，该过程实现了对空气的第四次净化（该过程所需的紫外光发光二极管设置在顶盖上）。最后，在净化层上盖上顶盖即完成了该模块，为了加速空气的流动，在顶盖上安装了两个向上抽气的风扇。另外，鱼缸内设置一台水泵，使鱼缸里的水不停地循环流动，循环过程中要经过水体净化器，以免鱼缸里的水变质过快[11-12]。

1.3 检测模块

检测模块主要包块空气质量检测和水体质量检测两个部分。空气检测装置采用89C51为系统主控芯片，LCD12864为液晶显示，SDS011高精度PM2.5传感器模块和PM10超灰尘粉尘传感器模块作为采集空气质量的采集器。检测模块结构框图如图3所示。

图3 检测模块结构框

空气检测装置一共设置两个，窗外安装一个用于检测室外的空气质量，当空气质量劣于设定值时除霾窗将启动工作直至室外空气质量优于设定值时停止；鱼缸盖上的空气出口处安装一个空气检测装置，用于检测净化后的空气质量，当用户发现净化效果明显下降时及时更换鱼缸盖中的过滤材料。另外在鱼缸内还设置了水质监测装置，主要以SEN0189水浊度传感器为核心部件来设计，用于检测鱼缸内的水质，当水质低于用户设定值时提醒用户更换鱼缸内的水。

传感器采集数据显示至液晶显示屏的软件设计流程框图如图4所示：

图4 液晶显示软件流程

2 太阳能智能除霾窗的实验测试与分析

2.1 实验内容

实验中以一个5升的玻璃罐模拟观赏鱼缸，以一个50升的亚克力箱子模拟房间，模拟房间设有出气孔，出气孔只能出气不能进气。实验过程中在模拟房间外放置一根点燃的蚊香以制造被污染的空气，放置在室外的空气传感器采集到室外空气劣于用户设定值，启动整个除霾装置。抽气机将室外被污染的空气不断地送入模拟鱼缸中，空气通过鱼缸中的水冒出，然后经鱼缸盖中的过滤材料冒出到模拟房间内，房间内设置的空气质量检测装置显示净化后的空气质量参数。这样被污染的空气经过水、HEPA、活性炭和二氧化钛的净化及过滤后观察净化后的空气质量是否达到净化要求。实验过程中注意记录室外空气检测装置的数据和室内空气检测装置的数据，两组数据进行对比足以说明此除霾窗是否具有净化室外空气的效果。

为了模拟长期净化水质受到污染的情况，向鱼缸内第一滴墨水，水质检测模块检测到水质情况较差立刻屏幕闪烁提醒用户换水。

2.2 实验分析

根据以上的实验内容制定详细的实验步骤，记录实验数据。在此以实验中较好的一次实验数据作图分析，实验效果如图5所示：

图5 空气检测装置PM2.5读数随点燃蚊香时间变化曲线

由图5可以看出当室外点燃蚊香后，致使室外的空气质量检测装置读数在短时间内达到上限值，显然室外空气被污染。室内空气质量检测装置的PM2.5读数随着蚊香被点燃，虽然也有缓慢上升，但较室外被污染的空气而言还能够被人类用于呼吸。由此说明该太阳能智能除霾窗能够达到设计预期的效果，使室外被污染的空气净化后进入室内，净化效果明显。

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