光伏發(fā)電技術(shù)在農(nóng)村家庭直飲水機(jī)中的應(yīng)用

　　摘 要：為了解決農(nóng)村飲水安全問題，以單片機(jī)為控制核心，光伏電池作為電源模塊設(shè)計(jì)了一款光伏家庭型純水直飲機(jī).該系統(tǒng)集太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)、純凈水超濾和反滲透膜技術(shù)、人機(jī)交互觸摸屏技術(shù)于一體，并利用 PVsyst 對(duì)光伏模塊進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與建模仿真 . 多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在 5 級(jí)處理工序中，第 3 級(jí)反滲透(RO)過濾系統(tǒng)的過濾性能最好，電導(dǎo)率降低比可達(dá)95%以上，且產(chǎn)出水質(zhì)的電導(dǎo)率均滿足國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的安全性與可行性.

　　關(guān)鍵詞：直飲水機(jī);太陽(yáng)能光伏發(fā)電;人機(jī)交互;PVsyst建模;農(nóng)村地區(qū)

　　海濤; 任婕靈; 黃光日; 李梓琿， 廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-12

　　引言

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在世界各地廣泛應(yīng)用.據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(EPIA)報(bào)道，截至 2019 年底，全球累計(jì)光伏裝機(jī)容量達(dá)626 GW，太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)正以20%~30%的速度增長(zhǎng).尤其在中國(guó)第四次科技革命中，光伏發(fā)電技術(shù)將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)走向 “光伏4.0”時(shí)代.

　　當(dāng)代水處理技術(shù)中，反滲透技術(shù)是一種新型、高效的膜分離技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用.在歐美家庭中，反滲透凈水機(jī)的普及率均達(dá) 80% 以上，而在中國(guó)，反滲透凈水機(jī)于 1995 年才進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，隨后應(yīng)用于電力、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè).我國(guó)農(nóng)村的水源主要來(lái)自地下水，近幾年，工業(yè)發(fā)展破壞了生態(tài)平衡，許多地方地下水受到嚴(yán)重污染.長(zhǎng)期飲用被污染的水源會(huì)對(duì)人體的骨骼、皮膚、腸胃等產(chǎn)生巨大傷害[1] .據(jù)調(diào)查，凈水器的使用在農(nóng)村地區(qū)尚處于宣傳階段，所以凈水器在農(nóng)村具有巨大的發(fā)展?jié)摿2] .

　　目前，直飲水機(jī)主要應(yīng)用的凈水技術(shù)有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)4 種，且大多數(shù)直飲水機(jī)適用于水污染較輕的城市地區(qū). 針對(duì)農(nóng)村受污染嚴(yán)重的地區(qū)，結(jié)合超濾和反滲透技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在反滲透(RO)系統(tǒng)前增加前置過濾系統(tǒng)(PP棉過濾)、超濾(UF)，對(duì)RO起到保護(hù)作用;在反滲透(RO)系統(tǒng)后增加超純過濾系統(tǒng)(EDI裝置、 UV水循環(huán))，加強(qiáng)凈化作用，改善口感.同時(shí)，為響應(yīng)國(guó)家“光伏扶貧”政策，利用農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用光伏發(fā)電技術(shù)給直飲水機(jī)設(shè)備供電.

　　本文以湖北省襄陽(yáng)市襄州區(qū)某村為例，對(duì)該地區(qū)的太陽(yáng)輻射量、水質(zhì)、人均用水量進(jìn)行勘測(cè)和統(tǒng)計(jì)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)純水一體機(jī)做了針對(duì)性的設(shè)計(jì).該系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，太陽(yáng)能光伏作為電源模塊，以串口觸摸屏為人機(jī)交互界面，通過固態(tài)繼電器控制，實(shí)現(xiàn)超濾、反滲透等，最終產(chǎn)出高質(zhì)量的純水.

　　1 制水系統(tǒng)過程實(shí)現(xiàn)要求

　　高純水制備系統(tǒng)如圖 1 所示，主要包括 PP 棉過濾、超濾(UF)系統(tǒng)、反滲透(RO)純化系統(tǒng)、 EDI 裝置、高純水循環(huán)系統(tǒng) 5 大部分[3] ，各部分的作用如下所示：第1部分，原水進(jìn)入水管，通過溫度傳感器和水質(zhì)傳感器來(lái)檢測(cè)原水的狀態(tài)，PP 棉過濾作預(yù)處理，當(dāng)自來(lái)水壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，低壓開關(guān)閉合，接通制水電路;當(dāng)無(wú)水源經(jīng)過或預(yù)處理濾芯堵塞時(shí)，低壓開關(guān)斷開，切斷制水電路，保證泵不空轉(zhuǎn)[4] .第2部分，流水經(jīng)過超濾(UF)進(jìn)行過濾后，需要再檢測(cè)一下水質(zhì)狀態(tài)，以驗(yàn)證超濾系統(tǒng)的效果. 第 3 部分，保安過濾器和高壓泵給流水加壓，提供反滲透(RO)膜所需的工作壓力，由反滲透(RO)過濾后，通過TDS檢測(cè)水質(zhì)狀態(tài);按照國(guó)際飲水標(biāo)準(zhǔn)，廢水比設(shè)定為1∶3[5] .

　　第4部分，經(jīng)EDI除鹽裝置過濾后，水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到純水標(biāo)準(zhǔn)，存入儲(chǔ)水桶，當(dāng)儲(chǔ)水桶壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)(約0.25 MPa，此時(shí)壓力桶水滿)，高壓開關(guān)斷開，切斷制水電路，整機(jī)停止制水;當(dāng)儲(chǔ)水桶壓力下降到設(shè)定值時(shí)(<0.2 MPa，此時(shí)壓力桶水淺)，高壓開關(guān)閉合，整機(jī)恢復(fù)制水.儲(chǔ)水桶內(nèi)安裝有液位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控桶內(nèi)儲(chǔ)水狀態(tài). 第5部分，超純水取水，儲(chǔ)水桶的純水經(jīng)波長(zhǎng)為254 nm和185 nm的紫外線燈殺菌后得到超純水.

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要分為 4 大部分：發(fā)電系統(tǒng)、制水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng).發(fā)電系統(tǒng)為分散式小型聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由太陽(yáng)能電池陣列、控制器、轉(zhuǎn)換器、逆變器、負(fù)載組成[6] ，供電給反滲透(RO)制水設(shè)備及控制部分;制水系統(tǒng)由制水設(shè)備、傳感器、電磁閥、泵、儲(chǔ)水桶等組成;控制系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、固態(tài)繼電器、AC/DC 信號(hào)處理器等組成;顯示系統(tǒng)有串口觸摸屏和物聯(lián)網(wǎng)云終端.系統(tǒng)整體原理框圖如圖2所示.

　　主控制模塊選用意法半導(dǎo)體低功耗的STM32F 103VET6 芯片作為主控單元，該芯片擁有高達(dá) 72 MHz 的工作頻率、512 kB 的閃存程序存儲(chǔ)器、嵌套的向量式中斷控制器、一流的外設(shè)以及3×16位的高精度AD轉(zhuǎn)換模塊.表1為單片機(jī)I/O分布列表.

　　2.2 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　光伏發(fā)電能力取決于天氣狀態(tài)，在無(wú)光照的陰天或晚上需要蓄電池或電網(wǎng)供電，調(diào)度需要控制系統(tǒng)完成.光伏發(fā)電控制系統(tǒng)電路圖如圖3所示.

　　假定光伏組件的輸出功率為QPV，負(fù)載消耗功率為QL，光伏電池存儲(chǔ)功率為QB.由于光伏組件的輸出功率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，因此，可分為以下3個(gè)情況來(lái)討論：

　　1)當(dāng) QPV>QL 時(shí)，光伏產(chǎn)生的電能不僅向負(fù)載供電，還可通過蓄電池將電能存儲(chǔ)，若仍有剩余電能，可通過逆變器將其輸送至電網(wǎng). 2)當(dāng) QPV=QL 時(shí)，光伏陣列直接給負(fù)載供電，蓄電不工作. 3)當(dāng)QPV向負(fù)載供電，若負(fù)載耗電過多，電網(wǎng)與蓄電池同時(shí)向負(fù)載供電.

　　2.3 影響光伏發(fā)電量的主要因素及仿真

　　光伏發(fā)電量的大小直接影響制水設(shè)備及其他家電正常運(yùn)行.為獲得光伏最大發(fā)電量，保證制水設(shè)備等其他家電正常運(yùn)行，需要對(duì)影響光伏發(fā)電量的主要因素進(jìn)行分析與研究，確定光伏組件的參數(shù)[7] .

　　2.3.1 太陽(yáng)光日照分析

　　在進(jìn)行日照分析時(shí)，可將太陽(yáng)視為一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)處的點(diǎn)光源.隨著時(shí)間推移，太陽(yáng)在一天中沿著軌道有規(guī)律地運(yùn)行，其軌跡具有連續(xù)性.太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡由太陽(yáng)高度角和方位角共同決定，太陽(yáng)高度角和方位角的理論計(jì)算模型如下[8] ： H = arcsin [sin θ sin β + cos θ cos β cot T ] (1) β = 23.5 sin [(n - 80.25) (1 - n 9 500 ) ] (2) α = arcsin (cos β sin T/ cos H ) (3)式中：θ為所在地區(qū)的維度值，β為赤維度，T為時(shí)間，n為總天數(shù)，α為太陽(yáng)方位角，H為太陽(yáng)高度角.

　　襄陽(yáng)市位于北緯31°14′~32°37′ ，東經(jīng)110°45′~ 113°43′ ，海拔121.6 m.以該市的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Ecotect軟件對(duì)8月某日的太陽(yáng)所處位置進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示.

　　2.3.2 太陽(yáng)輻射量的分析

　　傾斜面上的太陽(yáng)輻射總量HT由直接太陽(yáng)輻射量 Hb、天空散射輻射量 Hdt和地面反射輻射量 Hrt 3 部分組成.天空散射輻射可用Hay模型來(lái)計(jì)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[9] ： Hdt = Hd [ Hb Ho Rb + 1 2 (1 - Hb Ho ) (1 + cosU ) ] (4)式中：Rb 為傾斜面與水平面上直接輻射量之比， Ho為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量，U為傾斜面的傾角.因此，求傾斜面上太陽(yáng)輻射量的公式可改為： HT = HbRb + Hd [ Hb Ho Rb + 1 2 (1- Hb Ho ) (1+ cos U ) ] + 1 2 dH (1 - cos U ) (5)式中：H為水平面上總輻射量，d為地面物體表面反射率.通常最后一項(xiàng)地面反射輻射量很小，只占 HT的百分之幾，可忽略.

　　傾斜面上接收到的太陽(yáng)輻射量計(jì)算過程繁瑣，可利用Pvsys軟件模擬出傾斜面上接收到的太陽(yáng)輻射量，并對(duì)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)行模擬計(jì)算.以襄陽(yáng)市2019年氣候條件(Meteonom數(shù)據(jù))為基礎(chǔ)，在 Pvsys軟件對(duì)月輻射量、散射輻射量、環(huán)境溫度及風(fēng)速等進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示.

　　2.3.3 太陽(yáng)能光伏組件的方位角與傾斜角的選定

　　在我國(guó)，太陽(yáng)能電池的方位角一般都選擇正南方向，使太陽(yáng)能電池單位容量的發(fā)電量最大.在偏離正南(北半球)30°時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少10% ～15%[10] .不同方位角下，光伏板發(fā)電效率不同.不同方位角下的相對(duì)發(fā)電量如圖6所示.

　　圖7為不同入射角傾斜面接受到的輻射量示意圖.如圖7所示，不同的傾斜角度下，光伏組件接收到的太陽(yáng)輻射量不同，需確定一個(gè)最佳傾角以保證獲得最大的太陽(yáng)輻射量.以襄陽(yáng)市的氣候條件為基礎(chǔ)，在光伏組件布置朝向?yàn)檎戏较虻那闆r下，利用軟件Pvsyst對(duì)最佳傾角進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié) 果如圖8—圖9所示.

　　由仿真結(jié)果可知，輻射量并不是隨著傾斜角度的增加而增加，而是呈現(xiàn)出拋物線的趨勢(shì).本次仿真得出的最佳傾斜角度為 22°，在這個(gè)傾斜角度下，傾斜面可接收到的太陽(yáng)輻射量為1 230 kW·h/m2 . 此外，PV組件在進(jìn)行安裝布置時(shí)，盡量避開周圍建筑物或樹木等產(chǎn)生的陰影[11] .

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)程序流程

　　光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行受太陽(yáng)輻射量、蓄電池狀態(tài)、負(fù)載用電需求等影響.由于光伏發(fā)電量隨天氣變化具有較大的隨機(jī)性，因此，能源控制需考慮各種運(yùn)行狀態(tài)及其之間的切換.光伏發(fā)電控制流程圖如圖10所示.

　　3.2 直飲水機(jī)程序流程

　　圖 11 為凈水系統(tǒng)的總體工作流程：系統(tǒng)開機(jī)后，觸摸屏顯示主界面，檢測(cè)液位信息和報(bào)警信息，確認(rèn)正常后進(jìn)行觸摸鍵檢測(cè)，可選擇純水制備的功能，確認(rèn)后運(yùn)行;通過界面設(shè)置參數(shù)，當(dāng)制備純水達(dá)標(biāo)后或設(shè)置運(yùn)行時(shí)間達(dá)到后，設(shè)備斷電，運(yùn)行結(jié)束.

　　4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

　　4.1 整體測(cè)試

　　為 驗(yàn) 證 該 方 案 是 否 可 行 ， 對(duì) 水 質(zhì) 進(jìn) 行 檢測(cè) .21 ℃條件下，取當(dāng)?shù)厮疁侠锏乃醋鳛闃颖?其電導(dǎo)率為1 271.45 μS/cm)進(jìn)行TDS污水檢測(cè). TDS檢測(cè)方式是常用的家庭生活用水檢測(cè)工具，能直接反映水質(zhì)狀況以及凈水器各過濾系統(tǒng)的凈水能力.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

　　單純依賴 TDS 水質(zhì)測(cè)試來(lái)判斷水質(zhì)是否能直飲并不是最全面的方法.因此，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749—2006的各個(gè)項(xiàng)目對(duì) 表 2中過濾后得到的飲用水進(jìn)行檢測(cè)，探究制水設(shè)備得到的飲用水是否滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求.檢測(cè)結(jié)果如表3所示.

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：水源經(jīng)過第 1 級(jí) PP 棉過濾系統(tǒng)后，色度降低，無(wú)肉眼可見物，但仍有異味、水質(zhì)差，說(shuō)明第 1 級(jí) PP 棉過濾系統(tǒng)僅對(duì)大體積的物質(zhì)起到過濾作用和降低水濁度;水源經(jīng)過第2級(jí)超濾系統(tǒng)后，無(wú)異味，但電導(dǎo)率依舊很高，水質(zhì)差;第 3 級(jí)反滲透(RO)系統(tǒng)開始工作后，水質(zhì)明顯提升，廢水排放多;在第4級(jí)EDI除鹽裝置和第 5級(jí)UV殺菌作用下，水質(zhì)狀況得到提高.串口觸摸屏最終結(jié)果分析顯示界面如圖12所示.

　　整個(gè)過程共耗時(shí)114 min，共產(chǎn)12 L純水，流量為 7.8 L/h. 經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)基本可以達(dá)到要求，依次實(shí)現(xiàn)超濾(UF)、反滲透(RO)、EDI裝置、高純水循環(huán)等技術(shù)功能，產(chǎn)出純水或超純水 . 同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)出純水的水溫、液位及水質(zhì)檢測(cè)狀況.

　　4.2 多樣本測(cè)試

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的直飲水機(jī)的安全性與有效性，在進(jìn)水水溫為21 ℃的條件下，取10組不同的污染水源為樣本，分別對(duì)10種未處理水樣進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，并分別統(tǒng)計(jì)出每一級(jí)過濾系統(tǒng)產(chǎn)水的水質(zhì)狀況進(jìn)行比較分析 . 其中，第 1 級(jí)為 PP 棉，第2級(jí)為超濾，第3級(jí)為反滲透(RO)過濾系統(tǒng)，第 4 級(jí)為 EDI 除鹽裝置，第 5 級(jí)為 UV 殺菌 . 10 組污染水源樣本過濾后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示.

　　由表4可知，經(jīng)過4級(jí)過濾裝置后，10組水樣的電導(dǎo)率相較最初的電導(dǎo)率顯著降低.為了更直觀地觀察出各級(jí)過濾裝置的過濾效果，對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線化處理，處理后的結(jié)果如圖13所示.

　　由圖 13 可知，每組實(shí)驗(yàn)各級(jí)過濾后電導(dǎo)率降低比例均不同，第 3 級(jí)反滲透(RO)過濾系統(tǒng)的過濾性能最好，電導(dǎo)率降低比可達(dá)95%以上.作為過濾系統(tǒng)的前置裝備，第1級(jí)和第2級(jí)過濾裝置的過濾效果最低，但可對(duì)第 3 級(jí)反滲透(RO)過濾膜起到保護(hù)作用 . 第 4 級(jí) EDI 除鹽裝置對(duì)水樣進(jìn)行除鹽后，電導(dǎo)率也相應(yīng)下降，經(jīng)過第5級(jí)UV殺菌處理后即可滿足飲用標(biāo)準(zhǔn).

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)農(nóng)村飲水安全問題，本文設(shè)計(jì)了光伏家庭型純水直飲水機(jī)，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)、純凈水超濾和反滲透膜技術(shù)、人機(jī)交互觸摸屏技術(shù)集成于一體.利用相關(guān)的模擬軟件，對(duì)光伏組件的最佳安裝傾角、太陽(yáng)光日照、太陽(yáng)輻射量、太陽(yáng)能光伏組件的方位角與傾斜角的選定以及光伏陣列組件布局和間距的確定等進(jìn)行了分析與研究，優(yōu)化了光伏模塊的發(fā)電效率.

　　在 21 ℃條件下，取當(dāng)?shù)厮疁纤|(zhì)電導(dǎo)率為 1 271.45 μS/cm的水樣本進(jìn)行了系統(tǒng)的整體測(cè)試與實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過本系統(tǒng)過濾后的水質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749—2006 的指標(biāo)要求.此外，為驗(yàn)證本系統(tǒng)的安全性與有效性，以10組不同水質(zhì)的污水進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn).10組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：第 3 級(jí)反滲透(RO)過濾系統(tǒng)的過濾性能最好，電導(dǎo)率降低比可達(dá)95%以上.第1級(jí)和第 2 級(jí)過濾裝置的過濾效果最低，但經(jīng)過第 4 級(jí) EDI除鹽裝置和第5級(jí)UV殺菌處理后，10組實(shí)驗(yàn)的出水水質(zhì)的電導(dǎo)率均滿足相關(guān)的規(guī)范要求，充分驗(yàn)證了本系統(tǒng)的安全性與可行性.