太阳能增氧机的设计与试验研究

母刚 申阳 李秀辰 张国琛

摘  要：为解决水产养殖企业传统增氧机使用联网供电难，成本高等难题，文章针对水车式增氧机用电需求，设计了小型太阳能光伏板供电系统并改进了增氧机结构，研究了不同天气条件对太阳能光伏板输出功率的影响，结果表明光照强度与输出功率线性相关。经测试，峰值功率为200W的太阳能光伏板晴天时日发电量为0.79kW·h，可供50W增氧机工作8h，可满足3.5m3水体用氧量需求。根据大连地区全年天气情况统计表计算出该发电系统可为增氧机提供年用电量的45%，为养殖企业应用太阳能光伏增氧机提供参考。

关键词：水车式增氧机;太阳能光伏发电系统;光照强度;输出功率;溶氧量

中图分类号：S969.32 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）25-0031-05

Abstract： In order to solve the problem of high cost and the difficulty of using traditional networked power supply for aerator in aquaculture enterprises， a small solar photovoltaic panel power supply system was designed and the structure of aerator was improved to meet the demand of water-car aerator power supply. The influence of different weather conditions on the output power of solar photovoltaic panel was studied. The intensity of illumination is linearly correlated with the output power. The solar photovoltaic panels with a peak power of 200 W can generate 0.79 kW/h per day in sunny days， and can be used for 50W aerator for 8 hours， which can meet the oxygen demand of 3.5m3 water body. According to the annual weather statistics in Dalian， the power generation system can provide 45% of the annual power consumption for the aerator， and a reference for the application of solar photovoltaic aerator in aquaculture enterprises.

Keywords： water car aerator; solar photovoltaic power generation system; light intensity; output power; dissolved oxygen

前言

高密度水產养殖动物会出现缺氧情况，水体需要增氧降低死亡率。现阶段我国普遍使用物理方法增氧[1]，即采用专业机械设备或注换新水等快速增氧，机械设备增氧适合大水体作业环境，增氧同时还能抑制厌氧菌生长，防止水体变质，加速水体对流，减少病害发生，有利于鱼虾快速生长[2-3]。机械增氧设备主要有：射流式、叶轮式、螺旋桨式、水车式和鼓风曝气式等[4-6]，机械增氧设备需长时间运行，耗电量大。

很多学者针对养殖水体增氧用电难、用电量大、成本高等问题，对太阳能光伏发电为增氧机提供电力开展了大量研究。田昌凤等[7]设计了一种移动式太阳能增氧机，有太阳能驱动电机使牵引盘旋转，增氧机沿牵引绳在两限位块之间往复运动，扩大了增氧范围;毛海涛等[8]设计了一种可根据水体溶氧量自动迁移的太阳能增氧机，并对增氧效果和对水质改善情况进行验证试验;张亚楠[9]设计的太阳能增氧机，可根据水体溶氧量大小实现自动启停。但目前鲜有关于不同天气条件下光照强度对太阳能光伏板输出功率和发电量的研究。

因此，本文在改进传统水车式增氧机的基础上，着重设计了太阳能光伏发电系统，计算选型了光伏板、蓄电池等主要部件。研究了不同天气条件对太阳能光伏板实际输出功率和发电量的影响，测试了增氧机增氧效果，旨在为太阳能增氧机的实际应用提供参考。

1 太阳能增氧机设计

1.1 增氧机改进设计

本文以水车式增氧机为研究对象，对传统的水车式增氧机进行改进，总体结构由电机、浮体、叶轮、蓄电池、箱体等组成。叶轮安装在浮体两侧，通过转轴与电机相连，由蓄电池提供动力，带动叶片旋转，搅动水体，使空气进入水体，达到快速增氧目的。浮体是橡胶充气圆柱桶，直径150mm，长800mm，具有良好的密封性。为提高增氧机运行平稳性，8个叶片如图1所示沿轴线均匀排列[10]，叶片宽度80mm，厚2mm，长70mm，叶轮外径200mm，叶片上均布28个φ6圆孔。

本文针对目前增氧机线缆连接供电不便作业的问题，设计了一套如图3所示的无线太阳能增氧作业系统。增氧机体内放置可无线充电蓄电池，缺电时可自动回到岸边通过太阳能光伏发电系统进行充电。增氧电机选择FB-775型调速直流电机，额定功率50W，对蓄电池和电机用进行密封处理，如图2所示。

1.2 太阳能发电系统设计与选型

1.2.1 系统设计

该系统由太阳能光伏板、太阳能控制器、蓄电池组、无线充电装置组成。连接方式如图3所示，采用太阳能光伏板接收光照发电并与太阳能控制器连接，电量储存至已连接的蓄电池组内，蓄电池组无线方式为增氧机内蓄电池充电。

1.2.2 太阳能光伏板选型

太阳能光伏板的实际功率和额定功率存在差异，实际峰值功率计算公式：

式中：P-增氧电机功率，取50W;t-增氧机日运行时间，取12h;t均-太阳能光伏板工作时间，取8h;P实际峰值-太阳能光伏板实际峰值;P峰-光伏板额定峰值;？浊-光伏板转化效率，取60%;C-用电量。

经计算太阳能光伏板所需的实际峰值应大于125W。考虑到雾天和雨天的影响，系统选用2块峰值功率为100W的N型单晶太阳能光伏板，输出电压12V。

1.2.3 蓄电池选型

设定蓄电池的放电量为蓄电池总容量的80%，蓄电池总容量计算公式：

式中：C总-蓄电池总容量;C放-蓄电池的放电量;P额-电动机额定功率;U额-电动机额定电压;I额-电动机额定电流，？浊取80%。

经计算，蓄电池总容量应大于31.25A·h，考虑蓄电池需安装到增氧机内，体积不宜过大，所以选用5块12N7F-MF型蓄电池，尺寸11×7×13cm，电池容量7A·h，额定电压12V。

1.2.4 调速电路设计

为调节增氧机叶轮转速，本文选用HY-SX25A型脉宽调制（PWM）有刷直流电机调速器，可实现0%-100%无级调速，调速电路设计如图4所示。

2 试验研究

2.1 材料与方法

试验用水为自来水，仪器包括Testo 540型照度计，85-25FT便携带式溶氧仪。本试验于2018年5月2日到5月12日在大连海洋大学校内进行。具体试验内容如下：

（1）太阳能发电功率试验：选取4種（晴天、多云、雨天、雾天）不同的天气条件，研究光照强度对太阳能光伏板实际输出功率和发电量的影响，测试时间为9：00～17：00，间隔30min记录光照强度和太阳能光伏板实际输出功率，并计算日总发电量、日总光照量。

（2）增氧性能试验：试验水体3.5m3，增氧机开机前测量初始溶氧量，调整叶轮转速调至124rpm，间隔10min测试水体实时溶氧量。

2.2 结果与分析

不同天气条件对太阳能光伏板发电输出功率的影响如图5所示，雾天的光照强度较低，全天的输出功率最高仅为31.9W，波动幅度不大;多云天气光照强度变化大，输出功率波动也较大，最大输出功率出现在9：00，功率为101.1W;晴天的光照强度在正午时最高，达到73686lux，相对应的输出功率也到达最高值133.84W，午后光照强度和输出功率均缓慢下降;雨天太阳能光伏板输出功率显著下降，太阳能光伏板不能正常发电。总而言之，光照强度和输出功率呈线性关系，输出功率受天气的影响很大，下雨时尤为明显;当光照强度低于2000lux时，太阳能光伏板不能正常发电。

不同天气条件下日总光照量和日总发电量的关系如图6所示，日总光照量与日总发电总量线性相关，晴天的日总光照量和日总发电量最高，甚至大于其他三种天气的总和，雾天的日总光照量和日总发电量最低，多云和雨天的上述值基本相同。如图6所示，多云和雨天最高光照强度达到50000lux以上，输出功率也较高，达到103.1W，但是日发电量较低，说明有效光照时间短，影响了日总发电量。

如图7所示，随着增氧时间的增加，水体中的溶氧量逐渐增大，45min后达到最大，为8.86mg/L，较初始溶氧量增大了2.12倍，此后溶氧量基本保持不变，此时溶氧量可能达到饱和状态。本文仅针对无养殖状态条件下进行了增氧，实际作业时可根据水产动物养殖密度和耗氧量需求，调整增氧机运行时间。

3 经济性分析

增氧机供电时间计算公式为：

式中：C-太阳能光伏板日总发电量，1-电从太阳能光伏板储存到蓄电池的转化率，取70%，2-蓄电池放电效率，取70%，P-电动机工作效率，取50W。

经计算晴天日总发电量0.79kW·h，多云日总发电量0.21kW·h，雨天日总发电量0.19kW·h，雾天日总发电量0.16kW·h。各种天气条件下太阳能发电系统总发电量可为增氧机供电时间如表1所示。根据2018年全年天气情况，200W的太阳能光伏板的总发电量能供增氧机工作1954h，设定一天增氧12h，增氧机年需供电时间为4380h，太阳能光伏发电量可为增氧机提供年用电量的45%。

4 结论

本研究通过增加蓄电池等结构改进了水车式增氧机，采用200W太阳能光伏板给增氧机供电，在测试中发现太阳能发电系统稳定可靠，能持续给增氧机的蓄电池充电，但受天气原因影响较大，晴天时供电效果最好，可为50W增氧机供电8h，雨天和雾天供电效果较差，可分别供电1.8h，1.6h，日总发电量与日总光照量呈线性关系，当光照强度低于2000lux时不能发电。根据大连地区全年天气情况统计表计算出该发电系统可为增氧机提供年用电量的45%，养殖企业可根据自身条件和增氧需求，合理使用太阳能供电，实现绿色增氧。

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