新型便携式太阳能净水器的设计(3)

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1 引言根据世界卫生组织(WHO)的数据，目前，人类已经在水中发现了2 000多种污染物，尽管这些毒素在水中的含量不高，但是由于人类每天都要大量饮水，这些有害物质经过日积月累的累积，会给人体的健康带来负面影响。尤其在我国西藏地区，村民仍然直接饮用当地的泉水、河流和地下水，这类生活用水中存在大量的垃圾、动物尸体、动物粪便、沉积物等，内含大量细菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌、霍乱、叶状病毒等病原菌，直接饮用，极易导致疾病。为了获取干净、安全的饮用水，需要设计出一款便捷、经济实惠、易于携带的净水装置。目前，市面上的净水装置多为大中型的固定设备，采用交流电供电方式，或者是一些非常简易的个人小型净水设备，而简便、可携带、清洁能源功能的净水设备则很难找到。故此，本研究提出了设计一种太阳能净水器。该净水器是一种小型节能净水设备，它通过自身的太阳能板将光能转化为电能，存储在蓄电池中。在净化饮水过程中，无需自来水压，通过蓄电池供电，驱动水泵，将雨水、井水、河水、湖水等吸入设备进行过滤和蒸馏，去除有害物质，同时可以有效过滤细菌病原体，从而达到有效提高人们饮水安全的目的。2 净水器部分设计原理2.1 净水装置工作原理本研究设计的太阳能净水器采用折叠式太阳能光伏板。该光伏板配备最大太阳能功率跟踪伺服系统，可以随着太阳的偏移转动太阳能光伏板，从而时刻处在最大的发电功率状态。太阳能光伏板将太阳能转为直流电存储在蓄电池中，为净水装置的增压泵提供能量。增压泵将水抽取到净水装置中，经过一系列的过滤消毒等处理流程，将干净的水送出。利用不同的过滤技术，可将不同的水中杂质进行滤除，具体的滤除技术所对应的滤除杂质参数如图1所示。由图1中的信息可以获取到：利用微滤膜就可将直径大于0.1～1 μm的杂质滤除，因此利用微滤膜就可将水中的大块悬浮固体以及大直径的菌落进行滤除。针对细菌或蛋白质等大分子有机物可采用图1中所示的超滤膜，该超滤膜的过滤参数可去除大于0.01 μm的物质。针对小分子的有机物、无机盐等纳米级0.001 μm的物质，利用纳米膜可将这些物质进行滤除。针对溶于水的金属盐、细菌、有机物等物质，利用反渗透膜可滤除大于0.0001 μm的物质。因此，为了保证饮水安全，可将水中的悬浮物、细菌、大块菌落进行有效过滤。本研究在水过滤部分采用预处理加反渗透技术。反渗透技术原理如图2所示，利用该技术可有效地滤除水中杂质、细菌。图1多种过滤技术所对应的过滤参数图2反渗透工作原理2.2 工艺流程设计太阳能净水器处理工艺流程如图3所示。本研究设计的太阳能净水器最主要的流程是反渗透膜，但也加了两个步骤的预处理，分别为加药和粗滤。加药步骤主要是给水中加入氯制剂。氯制剂通过与水进行反应生成次氯酸。次氯酸可穿透细菌等的细胞壁，具有较强的氧化性，因此，次氯酸可有效地杀死水中的各种细菌及病原菌。粗滤的目的在于隔离水中残存的氯、各类水中杂质、悬浮物等。而利用反渗透装置可以基本将各类细菌、有机物、病原菌等离子滤除。图3工艺流程2.3 净水器结构设计太阳能净水器包含太阳能光伏板、蓄电池、水箱、过滤器以及小型水泵等设备。以上设备的总体重量较大，因此，为了净水器装置牢固耐用，必须采用可以承受较大重量的材质作为装置的框架。本设计采用不锈钢正方形钢管，利用该钢管采用焊接工艺作为净水器的框架结构。太阳能净水器装置采用两个水箱，分别为上下水箱，这两个水箱分别有一个进水口、出水口。其中，下水箱用作存储增压泵抽取上来的水，上水箱则用来存储经过了净化装置的干净饮用水。这两个水箱的材质没有较为严格的要求，因此可以采用塑料、软布袋或者铁皮等材料。本研究所设计的水箱如图4所示。图4净水器水箱结构本净水器的粗过滤器采用筛网型过滤器，利用该过滤器可将水中的泥沙、悬浮物等大颗粒滤除。电力增压泵，利用储存在蓄电池中的电能直接进行供电，利用设计好的水箱，可将增压泵抽取的水存在水箱。本装置的前置过滤器主要是先初步地去除水中杂质，将水中的各种有毒有害物体进行吸取，同时还可吸附加入氯制剂过程中存在的消毒副产物。前置过滤器的材质主要使用布料，布料里面的物质主要是活性吸附炭、亚硫酸钙等。反渗透膜在实现反渗透功能上起着至关重要的作用。这种反渗透膜是一种人工半透膜，原理上模拟了生物半透膜。反渗透膜的工作原理主要是在高于溶液渗透压的情况下，水可以透过渗透膜，而其他物质不能透过半透膜，这样就可将水与其他物质分离，从而有效地去除水中各类微生物、细菌、杂质等。3 太阳能光伏板部分设计3.1 光伏板材料选择经过对太阳能光伏板进行市场调研考察，最终选择单晶硅太阳能电池板。该电池板可有效地进行发电，能够最大程度地将太阳能转化为电能。同时，该电池板还具有一定的抗雨水冰雹的冲击功能 太阳能光伏板支架设计支架是太阳能电池板的重要支撑组件，起到很重要的作用。太阳能支架应设计合理坚固，具有较强的支撑力以及承重能力，尤其在一些风力较大地区，支架设计还应考虑抗风性能。本设计支架选用的材质和框架结构材质一样。光伏板支架采用合页连接，总共有3面支架，将这3面支架折叠起来，即为一个长方体的箱子 光伏板支架方位与高度调节装置太阳能发电有一个最大功率点，因此若想获取到最佳的发电效果，太阳能光伏板必须要与太阳满足一定的方位与角度关系。根据太阳能净水器所处于的纬度，光伏板与太阳应形成一个角度，这个角度可通过设置一个支撑杆来调解光伏板的俯仰角。在方位角上，每天太阳最猛烈的时候是太阳处于中午时，此时太阳位于南向，因此必须保证太阳能光伏板实时地指向南方。但这种方式并没有对太阳光进行有效利用，只有设计一套太阳光最大功率跟踪，才能最大效率地利用太阳光能。目前，太阳光最大跟踪技术分为机械式和光电式跟踪两种。4 太阳能净水器电路设计太阳能净水器的电源供电方式有两种，分别为蓄电池直流供电和国家电网供电。之所以设计两种供电方式，是为防止遇到连续的阴雨天时，太阳能光伏板不能发电，导致蓄电池没有存储的电能。本装置有1个蓄电池的电压检测装置，当蓄电池电压过低时会直接切换到国家电网供电方式，这样既保护了蓄电池，同时也能让净水器正常工作。本装置还设计了液位检测器，可实时检测净水存储缸的液位高度，当净水存储到一定程度时，液位检测器会给净水器发送一个信号，此时净水器会停止工作。5 太阳能净水器使用及维护5.1 净化水步骤本系统的设计压力设置为0.7 MPa，此种设计的目的在于反渗透膜的承受压力一般为0.7 MPa。净水器的具体使用步骤如下：A.筛网型过滤器安装在水管进水口，打开电动增压泵，将原水送到水箱中；B.对水进行消毒操作，本步骤主要是加入净水片。净水片的一般用量为1L水加入1片。加入净水片后进行搅拌，然后静置若干分钟；C.利用增压泵进行缓慢增压操作。将装置中的压力维持在0.7 MPa左右，此时反渗透膜开始工作；D.持续缓慢增压，打开反渗透膜装置的净水阀，此时净水流出；E.当获取到适量的净水后，打开反渗透膜排污装置，对该装置反复清洗2次 净水器污水回收净水器通过净水装置将原水分为两部分，一部分水变为干净的直饮水，另一部分水则是污染更多的水。这些污染的水在缺水地区也很珍贵，因此对这部分污染水进行回收利用非常有必要。利用太阳蒸发方式将水变成水蒸气，然后经过冷凝,送入水箱,进行二次利用 净水器的日常维护操作净水器的太阳能光伏板在长期使用过程中,难免会积攒大量的灰尘及杂物，因此要定期对太阳能光伏板进行擦拭，如此,可以最大效率地利用太阳能。净水器中的净水滤芯需要定期进行替换，以便获取到健康的直饮水。高原地区冬季一般比较寒冷，因此冬季时要做好净水器各类设备的保暖工作，以免损坏设备。6 结语本研究利用太阳能光伏板将太阳能转化为电能，实现了绿色、清洁能源，特别适合西藏等太阳能资源丰富的地区。本净水器最大的特色是利用反渗透膜，这可以有效去除各类胶体、细菌、杂质、病毒等%的除菌率，保证了直饮水的安全、干净，以达到净化后的水满足国家饮用水标准。本装置体积小巧，易于携带，使用绿色能源，经济实用。参考文献：[1] 丁艳，张辉. 家用新型节能饮水系统设计[J].中国高新技术企业，2017，(05):110-111.[2] 杨敏.家用净水器设计研究[J].美与时代(上)， 2017，(03):90-91.[3] 李建平. 探析智能家用净水机设计新模式[J].美术教育研究，2016，(13):48-49.[4] 刘畅，于越，冯国林，等. 节水型智能双膜净水机设计与实现[J]. 节能，2016，35(09):76-80.[5] 樊秀林，刘会玲，余承烈. 一种高效净水器的设计及应用[J].工业用水与废水，2007，38(06):86-88.[6] 张小燕，王刚，王佳伟，等. 一体化净水器的改进设计与应用[J].中国给水排水，2015，(16):12-15.[7] 何志锋.净水器储水罐结构设计与控制[J].科技创新与应用，2017，(16):61.

文章来源：《太阳能学报》 网址: http://www.tynxbzz.cn/qikandaodu/2020/1121/517.html