解决养殖水体增氧设备的供电问题,满足养殖大户的生产需求

1、第一章、前言1.1、课题研究的目的与意义课题研究的目的 解决养殖水体增氧设备的供电问题，满足养殖大户的生产需求。课题研究的意义 由于在高密集养殖情况下，养殖水体会大量缺氧，所以需要增氧设备给水体增氧，确保鱼类健康的存活与生长，然而，很多养殖场地都是远离都市和城镇，目前我国主要使用物理增氧的方法，需要电缆供电，路途遥远，成本大，维护起来 也很不方便，设备运行所需供电很不方便，所以，本课题研究太阳能光伏系统发电可以有效的解决水体增氧设备的供电问题，太阳能随地随时可取，使用方便。人们可以利用太阳能光伏设备进 TOC o 1-5 h z 行日常的生产经营， 另外太阳能是世界上最绿色的能源，有利于世界环

2、保事业的发展和进行，因此，研究此课题项目意义重大，刻不容缓！1.2、国内外该技术现状与技术应用在水产养殖方面，增氧机是不可缺少的重要部分，高密度水产养殖必备设备之一，起着至关重要的组成部分，在2012年，我国水产养殖面积已经达到256.68万Hm2,国内各类增氧机的年需求量大约在80万台左右。 也随着水产养殖的增氧技术地发展，各式各样的增氧设备不断出现，如北京市环保局 与北京自动化研究所联手研制成功的太阳能水体增氧机”，大大改善了传统的增氧机，为北京的水污染治理提供了强有力的贡献，利用太阳能光伏技术， 大大减少了对传统电动力的依赖性，使用方便，成本低，效率高的优点，使我国的水体增氧用太阳能光伏

3、发电系统技术迈向成熟期。另外，我国的水车式增氧机利用太阳能供电技术也在进一步的研究和应用。在新一代的增氧机中， 也涌现出 微孔曝气增氧机”、涌浪式增氧机”和 细泡沫生成器增氧机”等先进增氧设备，其中，通 过电火花腐蚀制造出的细泡沫生成器比较先进，但仍然在进一步完善中，如今，太阳能光伏发电式增氧机也正在研究和发展！相对于国内，国外增氧机也发展迅速，美国 KEETON 公司研发SB系列的7种类型的太阳能光伏发电增氧机，根据池塘的面积大小制定特定的工作运行方案满 足养殖需求，这种设备应用于高密度水产养殖池塘、湖泊等，不在需要接任何的电缆线，可在任 何环境下工作。近几年，美国专利局公布了众多有关太阳能

4、水体增氧方面的专利，如：水体增氧站、太阳能水体调节仪等。1.3、该技术研究存在的问题目前，人类对太阳能的利用是将太阳能通过某种半导体元件的光伏效应直接转换成电能或者热能，在20世纪50年代，太阳能技术的利用取得了 2项历史性突破：美国研制出6%实用型单晶硅电池和以色列发表了选择性吸收表面概念和理论，而且成功的研究出选择性吸收太阳能的涂层。随着太阳能技术的迅速发展，如今出现了诸多太阳能光伏产品，如：太阳能热水器，太阳能建筑，太阳能热能发电等，给人类生活带 来了巨大的变革1 !然而，在太阳能技术利用方面虽然相比以前有重大突破，可是应用领域依然狭小，利用效率低，用于发电方面，生成成本高和设备维护费用

5、高依然是个世界性难题1!在养殖水体增氧技术方面，目前，增氧方式主要有物理增氧、化学增氧与生物增氧这几种方式，其中常见的也是物理增氧方式比较多，随着我国的渔业生产的逐年增多，市场上也出现了各种各样的增氧机，如：叶轮式增氧机、水车式增氧机、喷水式增氧机、射流式增氧机、微孔曝气式增氧 机等，这些设备的研发大大的促进了渔业养殖业的迅速发展。然而，问题来了，虽然增氧机的种 类很多，但是主要存在以下二大类问题：1.增氧机的动力供电问题，一般增氧机都是依赖于家用电或者电缆供电，但是，养殖鱼塘地理位置都处于偏远地区，单独架设电缆成本很高，并且不安全；2.增氧效率低下，大部分增氧机都是依赖于溶氧原理制作的，也就

6、是增加池塘里水与空气的 接触面，将空气中的氧气溶于水中，可是这种方式得增氧效果却十分低下，并且目前的增氧机能耗都很大2。动力电源不便捷、增氧效率低、能耗大是目前养殖水体增氧用增氧机增氧技术的 主要问题所在！另外在技术方面，我国的太阳能光伏发电技术的核心技术在别的国家，每年都需要向别的国家支付高额的技术费用，很多关键性技术元件都需要从国外进口，造成了制作成本高等问题，我国现有的该方面的技术知识产权较少，很多方面都要受控于他国4 !市场方面，我国国内光伏产业市场发展的很缓慢，大约98%的产品都是出口国外，国内市场比较薄弱，仍需大力开发国内市场4 !在环境方面，虽然太阳能是清洁能源，但是太阳能的原材

7、料的加工制 造都是一些重污染产品，制作过程中会排放出诸多的有毒有害物体，所以，我国在环境污染处理方面的技术也需要有突破性发展才可以促使太阳能光伏发电系统技术的大力发展4 !总体来说,根据现有的技术，将太阳能发电系统与增氧机供电系统有机的结合在一起存在着在诸多方面的问 题，发展道路任重而道远！1.4、太阳能光伏发电系统用于增氧机技术的发展趋势21世纪开始，新能源开发迅速发展，尤其是太阳能光伏发电技术的发展突飞猛进，但是，一般大的太阳能光伏系统项目的建立，投资成本巨大，技术复杂，实地考察困难，易收到各种天气等不可控因素的影响，如今的发展，我们要突破传统技术的局限，克服传统的技术性难题，未来的太阳能

8、光伏发电系统的发展必将是高效率化，低成本，高技术水平，智能化控制，网络化，信息化，流动办公化，可视化，环境友攵?化发展趋势3 ! 1.5、本课题研究内容 本课题是针对太阳能光伏发电系统在养殖业水体增氧方面的应用，主要研究该地区的光照强度与太阳能发电量的关系以及在不同天气 环境下的日发电量的问题，另外，设计一整套养殖水体增氧用太阳能提供能源的工作系统，并测试该系统的增氧效果，得出相关结论以及评论。1.6、需要解决的技术关键1、设计组装一套太阳能光伏发电系统；2、设计并组装制作一台水车式增氧机，改善往年的船体漏水，叶片松动等问题；3、严格按照要求进行各项实验的设计与操作。第二章需求分析和总体设计方

9、案2.1、水产养殖业中的机械增氧设备的作用以及需求水产养殖业是农村经济发展的重要组成部分，也是广大农民发财致富的重要途径，然而传统的水产养殖业却受到各种环境等客观因素的影响，得不到快速的发展，其中主要限制因素是与养殖水体含氧量有很大关系。水体中的氧气多少会直接影响着鱼类的进食、生长的速度以及存活率，要想提高养殖业产量，就必须首先要增加水体中的 溶氧量，一般的情况下，人们采用物理增氧、化学增氧、机械增氧的方式来提高水体的溶氧量， 其中，机械增氧是普遍使用的。如今，随着各方面的经济的快速发展，养殖业也进入了规模化发展阶段，因此，传统的机械增氧设备是不能满足生产的需求了，因此，我们需不断突破各项技术

10、难题，研究出新一代的机械增氧系统设备，促进水产养殖业高速发展，实现产量大增、养殖面积大增、年产值大增，让广大农民的生活迈向更高的水平5 o在养殖业中，水体增氧的主要机械设备也就是增氧机了， 传统的增氧机是利用光缆传输供电的，随着养殖业的发展， 很多养殖产业地理位置都处于相对比较偏远的地区，对于养殖面积比较大的养殖户来说，电缆供电及其不方便，并且成本巨大，维护成本高，电力传输损失大，这样在一定程度上限制了养殖业的发展6。我国也是一个水产养殖大户，养殖面积大，使用传统的电力供电，每年消耗的电能巨大， 而且发电所带来的CO2排放量增大，不利于人与环境的友好发展，如今我国的CO2排放量已然居于全球第二

11、了 16,因此，研发新能源一一太阳能以迫在眉睫了！2.2、增氧原理 水体增氧的方式很多，但增氧原理是相同的。 都是通过氧气扩散原理增氧的，空气中的氧气与水体表面接触形成一层表面膜，在水体中的溶氧量很低时，空气中的大量氧气会通过表面膜溶氧水体中，同样，如果水中的氧气过剩时，氧气会从水体中溢出回到空气中，如此一来水体与空气会达到一个平衡状态，然而这种状态会受到很多因素的影响，如：温度、接触面积、时间和水体的扰动等因素6。为了加速氧气在水体中的传播速度，增氧机的功能是增加水体与空气的接触面积促使更多的氧气溶于 水中，另外，增氧机搅动水体，促使水中氧气迅速分散到水体的各个角落，使水体迅速达到预期 的溶

12、氧量。2.3、传统水产养殖业几种增氧机的介绍2.3.1、叶轮式增氧机叶轮式增氧机是最近几年普遍使用的增氧设备，其主要作用是以下几个方面：1、搅动水体时水体底层的水与表层的水发生对流，促使氧气迅速均匀分布到水体的各个水层，进一步让氧气在水体中达到平衡；2、搅动底层水体，使池塘底层泥土有机物迅速分解，促使水质改善，对鱼类养殖是非常有帮助的。 叶轮式增氧机具有搅水、曝气、增氧等功能，年产量大概在 150000台左右，其主要组成部件是 电动机、机架、叶轮、浮体、减速装置5大部件，一般工作功率在7.5KW。减速装置是降低叶片的转速，从而增加了水跃的直径，提高的增氧效果；叶轮由不同长度的叶片与气管相连接组

13、成 的，是搅动水体的重要部件。电动机是通过减速器带动叶轮在水层表面旋转，把底层的水带到了表层，底层水与表层水形成了对流，另外，水体会被叶轮甩到空中， 形成 水跃”，由于压力作用，空气通过气管进入水体，并且被叶片和气管打碎，形成了沸腾状态，从而大大的增加了水与空气 的接触面积，加速氧气融入水体的速度，使整个水体的溶氧量和温度在水体的水平与垂直方向上达到了平衡。这种增氧机增氧效果好，动力效率比较高，但是该增氧机工作时噪声比较大，一般用于水深在一米以上的大面积养殖池塘9 o 2.3.2、水车式增氧机 水车式增氧机也是有发动机，浮体，叶轮，支架，减速装置五个重要部件组成的，叶轮上一般安装8个叶片，叶轮

14、安装在浮体的2侧，通过减速装置转动轴与电机相连，由电机提供动力，带动叶片旋转，搅动水体，使水流 流动，可是水体中的污染物迅速扩散，延缓水质的恶化，在叶轮的高速转动中，水体表面被抛向空中，大大增加水体与空气的接触面积，有利于空气的氧气迅速溶于水体中。这种增氧机具有很好的增氧效果，曝气效果也比较好，很好的溶解了水体中的有害气体，使有毒有害气体迅速扩散到空气中，一般应用于淤泥较深的养殖池塘里9 o 2.3.3、喷水式增氧机喷水式增氧机工作的时候以水泵作为动力， 将底层的水提上来抛洒在空中，再形成像下雨一样的小雨珠或者水柱落下，这样可以增加水体与空气的接触面积，促使空气中的氧气迅速溶于水体，并且具有很

15、好的观赏效果，一般用于小池塘和公园，可以在较短的时间内达到预期的增氧效果9 o 2.3.4、充气式增氧机 充气式增氧机主机一般是压缩机或者鼓风机，其工作原理是：将空气进行压缩处理，再通过 管路把空气输送到水体的底层，底层管路放出端会将空气处理成一个个小气泡，小气泡在升的过程中，一部分带动水体流动，一部分与水体接触溶氧于水中，达到增氧效果，有的装置还在管路中设置了净化装置，防止空气污染对水体的恶化，一般用于水箱，临时养鱼池，氧虾池中增氧9 o 2.3.5、射流式增氧机 射流式增氧机是由高速水泵和射流器组成的，依靠射流原理吸入空气，使 空气与水体在管内激烈混合，形成微小的气泡射入水中，达到增氧的目

16、的。 射流式增氧机是由水泵和射流管配套使用的，水从射流管口高速射出的时候，会形成负压，从而空气会进入管内，与管内水体在混合室发生混合，并且该增氧机没有机械设备传递动力，所以不会对鱼类产生伤害， 能够平稳的增氧，所以一般用于密度比较大的深水鱼池或者鱼苗池中增氧。通过以上五种增氧机的分析与比较，以及结合学校的实际情况，系统设计中所需要的增氧设备选用水车式增氧机”是比较合理的，水车式增氧机增氧效果好，制作工艺简单，方便加工制造等优点9 ! 2.4、总体方案设计图 通过以上几种增氧机的分析研究，由于水车式增氧机结构不复杂，容易加工、重量 轻、造价成本低等优点，因此，本课题确定采用以太阳能自发电驱动的水

17、车式增氧机设备为实验机。实验室用途的太阳能水车式增氧机总体设计装配图如下：2.5、水车式增氧机的总体设计方案2.5.1、气液体转化原理与影响因素。在液体的机械设备增氧过程中，将空气中的氧气传递到水中，这个过程实质是传质的过程，就目前使用的气液传质理论双膜理论，如果没有别的溶氧源汇合时，水中的溶氧变化率可以使用下面公式表示： 例：dc/dt=P/X*A/V（Ca - C）=KL*A/V（Ca C）公式中：dc/dt液相主体中溶氧浓度的变化率，kg/m3h; D 液膜中的氧分子扩散系数， m2/h; X 液膜厚度，m; KL（=D/X ）液膜中氧分子传质系数，m/h; Ca界面处的溶氧浓度， kg

18、/m3; C液相主体中的溶氧浓度，kg/m3; V液相主体的体 积，m3; A 气液接触面积，m2。 宏观上 KL常可表示为KL=0.0036X （8.43./W3.67W+0.43W2 ） X 1.024-20式中：T液相的温度，C； W 气一液相对的速度，m/s。据上述的氧气转移原理，氧气从气相转移到液相的这一过程进行得快和慢，主要是与Ca-C （溶氧的不饱和值），A和X有关的。影响这些参数的主要因素，也必然是影响氧气转移速率的主 要因素，它们是：1）溶氧的饱和度；2 ）液体的温度；3 ）水体的性质；4 ）液体紊流程度。2.5.2、分功能和技术途径用功能分析法就可以列出水车式增氧机的诸多分

19、功能，找出实现诸多分功能的途径，并且进行分析和评选（选中者加 *）。 1.提供动力 拖拉机（动力的输出轴）：美 国多用，适合于大型增氧机，但是动力不易充分的利用。内燃机：使用不方便，污染水质；*电动机：方便且可靠，但是需要电源。2.传动减速装置 蜗轮蜗杆减速箱：效率比较低；活齿减速箱：价格比较高，温度升高较大；变速轴承减速箱：体积较小，质量小，工作稳定可靠，噪声比较低，但是价格较高，出口机可以考虑选用；皮带减速器：寿命很低，容易打滑；*齿轮减速箱：容易于制造，成本比较低。3、转动击水部件 有空平板水车和平板：老旧部件，增氧能力都不高，但是在进入较浅的水时也都有很高的增氧能力和效率；机翼状叶片水

20、车：阻力很低，增氧动力效率特别高，但是单位幅宽的增氧能力较低，制造技术相对是很高的，适用在微功率增氧机；凸球面和凸柱面的叶片水车：阻力比较低，对水体的扰动不大，具有不低的增氧动力效率； 凹球面与凹柱面叶片水车：阻力很大，功耗上升特别快；*三角形叶片水车：阻力比较适中，对水体扰动很大，增氧性能比较好，制造容易。4.组合连接部件 *机架。5.支撑 悬架：只适用在拖拉机上；固定桩座：移动不方便，水面变动时候需要有调节机构；*浮体：采用各类材质的浮筒、浮球等，选用橡胶浮筒。2.5.3、水车式增氧机各参数的确定 2.5.3.1.自定义参数参数选择是否合理对增氧机的增氧性能，即增氧的能力与增氧动力效率的干

21、扰极大。 查阅相关文献得出了参数选择范围：三角形叶片的宽度为4 18cm,长度为5 18cm,叶片两个边的夹为90140,叶片外端直径大小为55 100 cm,叶片之间的轴向间隔应该小于或者等于叶片的宽度。三角形叶片沿着圆柱轴线均匀分布在叶片固定板上，水车转动速度为 60 135 r/min。2.5.3.2.参数选定 由相关试验结果表示，上述众多参数中，叶片的宽度与叶片轴向距离是非重要 性因素。1)叶片宽度定为 80mm,为了使叶片不断的进入水中，来降低电机负载的波动，除了 将叶片沿轴线均匀的排列外，取比较小的叶片宽度，在功率一定时就会缩减叶片连续入水的时间间隔。2)叶片轴向的间隔取为0。3)

22、叶片长短定为 70mm o叶片进入水工作的深为hw与增氧能力Q以及增氧动力效率 E1的函数关系，见图 1。图1. hw与增氧能力 Q以及增氧动力 效率E1的函数关系图 叶片比较长，可以增加增氧能力，但是功率的消耗同样增大，增氧动力 效率却下降；叶片比较短时，对增氧动力效率的提高有利，但是增氧的能力却下降。在一定功率下，为了使增氧能力得到保证，只能增大机器的总宽度(在小功率增氧机如此应用是可行的)，然而机器却显得比较笨重。所以现在将叶片长度定为70mm,目的为了不改变叶片的固定板，只改变叶片的长短就可以满足0. 75kw,1.10 kW 的变化要求，很好的兼顾了系列化与通用化。4)叶片两边夹角

23、0 = 12嗔。比较大夹角不但性能较好(见图2 )而且还省料。5)叶轮外径DI=200mm,根据按增氧性能(见图2 )定为此值以外，还需要从材料的利用回收率方面考虑，所以选定此值有利于合理利用材料。 6)有实验得出，水车叶轮转速选择为80r/min比较合理。7)叶片数选为8个。2.5.4、叶片水阻力和叶片数的计算2.5.4.1、水车叶轮的纯输入功率P1计算 水车式增氧机在工作时候，负荷率通常在百分之八十到百分之八十五之间，现在取值80%,为了方便今后的改动。二级齿轮减速器的传递动力效率定为0.95。因此：2.5.4.2、叶片在水中的阻力根据流体力学方面上的知识，叶片在水中转动时它的阻力主要由压

24、力差阻力和摩擦阻力组成。因此总阻力为：F=CDA DV2/2 公式中：CD叶片的阻力系数；AD叶片在流速垂直方向的投影面积，m2; p液体的密度，kg/m3; V 潜体与液体的相对行驶的速度，m/s。 CD的值与潜体外形有关，然而当流体的雷诺数Re大于104时按照常数估算，经过计算，水车式增氧机工作时候，Re约为3X106。然而经过实验测得CD约为1.4-1.5之间。2.5.4.3在工作的时候一个三角叶片克服阻力消耗的功率单个叶片工作时的受力分析图如图3。在图中：R表示水车的叶轮半径， m ;II表示叶片最大进入水的深度，m ； ”表示 为某一时刻叶片与垂直方向形成的夹角，x表示某一时刻的叶片

25、进入水的深度m;L为水的阻力力臂，m o则有以下计算：贝IJ : a 0=cos1(R-H)/RX=R-(R- H)/cos a AD=bx 贝U l=R+(R- H)/cos a /2V=2nl Tt /60= n nR+-H)/cos a /6狂公式中：n水车的车速，r/min； b叶片宽度，单位为：m。 叶片水阻力 F=CDbR+(R- H)/cos a p n2 (n/60)2? R+(RH)/cos 2/2 一个叶片的水阻力 矩为叶片运动工作时瞬时消耗的功率公式中的 3表示为水车角速度。一个叶片从进入水中到出水的整个过程中平均消耗功率为：2.5.4.4、电机的选择 1.选择电动机的类

26、型。 工作环境是：实验室1.8m直径的大水池；额定电压：24V;输出轴功率：P大于25W;用途：用于实验室的小型水车式增氧机动力源。根据以上工作环境以及设计要求，选用 FB-775减速直流电机，电动机的结构图如下：该电机的额定功率为50W,额定电压为 24V,额定转速为 8360r/min ,并且减速装置性能如下表：考虑到水车式增氧机在水中工作时转矩不太大，我们选择3级减速设置进行测试与实验。2.5.4.5、轴的设计与计算选择的电机为直流电机，输出轴功率为100W,输出轴转速为：80r/min。选用星型联轴器，其传动效率刀=0.9% 因此：另外，由于传动轴是通过联轴器与输出轴连接的，所以：由于

27、叶轮在水中转动，搅动水体运动，主要受扭转力作用，所以，主要按扭转强度计算轴的设计，由于轴所受的弯矩不大，一般可以用这种方法来估计轴的直径大小，查阅资料知晓，扭转强度条件满足以下公式：由上式转换可得轴的直径满足以下要求：公式中：，选用轴的材料由 45号刚制造的空心轴， 查阅相关文献和材料知：对于空心轴，满足下公式：公式中，B = , di为空心轴的内径，d为空心轴的外径，一般情况下，3 =0.5 所以得出：。所以取轴的最小直径 12mm,符合设计要求，因此轴的初步设计图如下：（传动轴的设计图）2.5.4.6、轴承的选择 选择轴承应满足以下几点要求：1、良好的减磨性和耐磨性以及抗咬粘性 减磨性是指

28、材料副具有较低的磨擦系数；耐磨性是指材料的抗磨性能；抗咬粘性 是指材料的耐热性和抗粘附性。2、良好的磨擦顺应性、嵌入性和磨合性摩擦顺应性是指材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不良的能力。嵌入性是指材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能。磨合性是指轴瓦与轴径表面经短期轻载运转后，易于形成相互匹配的表面形貌状态。3、足够的强度和抗腐蚀能力。4、良好的导热性、工艺性、经济性等考虑到以上几点要求以及集合实际情况，选用塑料轴承座以及塑料外球面轴承比较合适，它的耐腐蚀性好、强度高、良好的电绝缘性、质量轻、安装方便和便于维护等优点。 因此选用该类型轴承满足实验设计要求。2.5.4.7、联轴器选择由于本次实验设计的是实验室用的小型水车式增氧机，所承受的转矩相对很小，拟选用 WB2B加紧梅花型联轴器， 它的特点：扭矩大和灵敏度高，可以弹性体补偿较大的径向空间、角向以及轴向偏差，结构很简单、抗