School of Photovoltaic & Renewable Energy Engineering University of New South Wales ■ 樊華 Richard Corkish

School of Public Health & Community Medicine University of New South Wales ■ Mary-Louise McLaws

一 引言

偏遠(yuǎn)地區(qū)，特別是在一些發(fā)展中國家當(dāng)中，用以應(yīng)對(duì)災(zāi)難的醫(yī)療支持一直以來都是一個(gè)難題。為預(yù)防傳染病的傳播，大量的醫(yī)療供給及持續(xù)不斷的醫(yī)療救助是十分必須的。然而，這些救助藥資及傷員的運(yùn)輸給救助工作帶來了更多挑戰(zhàn)。所以，在當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)進(jìn)行手術(shù)是一個(gè)比較良好的解決方案。利用光伏發(fā)電用于電解鹽水制造次氯酸鹽，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于擴(kuò)大了光伏系統(tǒng)的應(yīng)用，利用其發(fā)電的優(yōu)越性及方便性，能夠及時(shí)在偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)施醫(yī)療、衛(wèi)生的救助，從而降低醫(yī)療物資的運(yùn)輸成本，減少在運(yùn)輸過程中不可避免的物資耗損以及化石燃料的使用。

1 賑災(zāi)運(yùn)作

托馬斯和科普扎克預(yù)測(cè)，在未來的50年內(nèi)，自然或人為災(zāi)害可能會(huì)增加5倍。運(yùn)輸成為人道主義援助和救災(zāi)過程中的最大問題。在運(yùn)輸過程中需消耗大量化石燃料，加劇了環(huán)境污染。世界衛(wèi)生組織的報(bào)告顯示，消毒劑在災(zāi)后醫(yī)療救助以及對(duì)爆發(fā)流行病的預(yù)防工作中占據(jù)了重要位置。

2 次氯酸鈉(NaClO)作為消毒劑

次氯酸鈉作為消毒劑，在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在一個(gè)世紀(jì)以前，人們就已開始使用氯氣消毒。次氯酸鈉是1789年法國的扎威爾通過利用氯氣和氫氧化鈉反應(yīng)第一次生產(chǎn)出來。如今，生產(chǎn)次氯酸鈉的手段要比當(dāng)時(shí)先進(jìn)得多，其中，“胡克法”是制造次氯酸鈉主要的大型工業(yè)制備方法。

消毒溶液的運(yùn)輸非常困難。為保證安全的運(yùn)輸，溶液的濃度必須保持在相對(duì)較低的百分比。此外，消毒劑(如次氯酸鈉)因其特殊性，對(duì)容器也有一定的限制。溶液的存放必須避免接觸活性金屬和陽光直射。由于溶液的存放成本昂貴，其應(yīng)用更傾向于在現(xiàn)場(chǎng)直接制作次氯酸鈉?，F(xiàn)場(chǎng)制作次氯酸鈉的技術(shù)已投入商用多年，最近電解電池技術(shù)的發(fā)展更降低了資本和運(yùn)營維護(hù)成本，由英國醫(yī)學(xué)雜志在1916年、麥克萊克和雷茨在1972年率先提出的現(xiàn)場(chǎng)合成技術(shù)在進(jìn)一步減少運(yùn)輸成本上獨(dú)具競(jìng)爭(zhēng)力。

3 次氯酸鈉的生成

在電解生產(chǎn)的過程中，直流電源接通電極提供電勢(shì)用以分裂化學(xué)鍵。鹽溶液電解生成氫氣和次氯酸鈉。但次氯酸鈉并非直接生成，而是通過兩個(gè)階段獲得。反應(yīng)的第一階段產(chǎn)生H+、Cl?和NaOH。第二階段，Cl?被陽極所吸引，產(chǎn)生氯氣，氯氣與氫氧化鈉在陰極反應(yīng)產(chǎn)生次氯酸鈉。反應(yīng)式為：

二 太陽能電離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

影響光伏－電解槽匹配工作的參數(shù)有許多。如：電極分離的距離、電極面積和電解液的濃度。電解槽這些參數(shù)直接影響其電池內(nèi)阻，其系統(tǒng)的負(fù)載線和光伏I-V曲線密切相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)以氧化釕為電極，通過增大電極距離，離子遷移至電極的距離增大，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，如圖1所示。此外，隨著電極與電解液的接觸面積(電極的表面積)的增大，阻力減小，如圖2所示。同時(shí)，通過增大鹽濃度，提高了電極的導(dǎo)電性，使電池內(nèi)阻減小。

1 太陽能與電解功率的匹配

由圖1和圖2可知，減小電極間距或增大電極的表面積，可減少電池內(nèi)阻，優(yōu)化太陽電池的I-V曲線，并與其功耗相匹配。

實(shí)驗(yàn)在15℃的環(huán)境中進(jìn)行，電解池未達(dá)到熱平衡。鹽濃度恒定為0.135mol/L。實(shí)驗(yàn)中使用人造太陽燈作光源，通過改變太陽電池和與光源的距離，可提供不同強(qiáng)度的光。通過監(jiān)測(cè)電壓和電流的變化，可了解電解體系的內(nèi)阻變化。

圖1 不同電極間距的太陽電池I-V 曲線

圖2 不同電極表面積的太陽電池I-V 曲線

2 太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如果產(chǎn)品投入商業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)備將會(huì)設(shè)計(jì)成一個(gè)類似于旅行箱的套件。太陽能光伏陣列集成排列在箱子外部，而線路會(huì)在箱體內(nèi)部進(jìn)行絕緣處理。此外，在“旅行箱”的外部還會(huì)安裝一個(gè)“日晷”，用以手動(dòng)引導(dǎo)模塊瞄準(zhǔn)太陽朝向垂直角。電解槽及內(nèi)部的電極由減壓防震的塑料泡沫保護(hù)，濃縮消毒液和氯試紙的容器存放于箱體內(nèi)部。設(shè)備的三維模型如圖3所示。

因?yàn)樵O(shè)備將來會(huì)投入運(yùn)營在抗災(zāi)前線，所以實(shí)驗(yàn)也設(shè)計(jì)了用以檢驗(yàn)設(shè)備能否正常發(fā)揮性能的不同情況。然而，太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不能涵蓋所有的情況。對(duì)此筆者進(jìn)行了相對(duì)最壞情況的分析。通過運(yùn)用ECOTECT(2010)模擬系統(tǒng)，分析了太陽高度角的傾斜角度不匹配(南緯33?，悉尼)的情況。為應(yīng)對(duì)未來意想不到的低光照強(qiáng)度和溫度變化的情況，選擇安全系數(shù)1.2來確保設(shè)備能在大多數(shù)情況下正常運(yùn)行。

3 其他設(shè)計(jì)方案

盡管可通過其他手段使太陽能和電解功率匹配，但報(bào)告中詳細(xì)闡述的直接耦合技術(shù)是性價(jià)比最高的選擇。最大功率點(diǎn)跟蹤設(shè)備(MPPT)或者電源優(yōu)化設(shè)備可被應(yīng)用在光伏組件輸出和電解槽之間，用來確保太陽能電力在電解負(fù)載線上的有效供電。這樣可減少電力需求，從而減小太陽電池板的大小。通過進(jìn)一步的效益分析比較，直接耦合技術(shù)在達(dá)到同樣良好的效果下，更加經(jīng)濟(jì)可行。

此外，可通過在太陽電池和電離裝置之間配置蓄電池，增加系統(tǒng)的自主性。并且為確保電解在一個(gè)適合、幾乎穩(wěn)定的電壓下工作，需提高功率匹配。但電池的壽命會(huì)比其他系統(tǒng)組件(光伏和電極)的使用壽命短得多，所以需定期地更換和維護(hù)。

三 總結(jié)

本研究調(diào)查了光伏發(fā)電技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療消毒器件上的應(yīng)用。此設(shè)備能夠提供相對(duì)自主獨(dú)立工作，攜帶方便，且可持續(xù)運(yùn)行。這項(xiàng)研究的目的是設(shè)計(jì)發(fā)明以上所介紹的經(jīng)濟(jì)可行的太陽能供電遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。

這種太陽能電解裝置需28.31W的光伏陣列。把光伏陣列置于一個(gè)手提箱狀的模型中，可最大限度地減少旅行及運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜問題。此項(xiàng)設(shè)計(jì)允許現(xiàn)場(chǎng)次氯酸鈉的生成，且可存儲(chǔ)使用。生成的次氯酸鈉在不同倍數(shù)的稀釋下，可作為傷口消毒劑，用于清潔手術(shù)器具表面和飲用水凈化。這一遠(yuǎn)程醫(yī)療器械可用于多個(gè)領(lǐng)域，包括救災(zāi)、旅游或者探險(xiǎn)。

[1] Autodesk Ecotect Analysis[EB/OL] . http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?siteID=123112&id=12602821.

[2] BMJ Publishing Group. Electrolytic hypochlorite for hospital ships [J] .The British Medical Journal, 1996, 1(2882): 455－456.

[3] John Hooper. On-site generation of sodium hypochlorite basic operating principles and design considerations[A] . 68th Annual Water Industry Engineers and Operators Conference[C] , 2005.

[4] Khouzam K. Characteristics of direct coupled solar powered PV electrochlorination system[A] . 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion[C] , 2003.

[5] Khouzam K. Electrolysis of salt water for chlorine production by photovoltaic power[A] . IEEE Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century[C] , 2008:20－24.

[6] Michalek S A, Leitz F B. On-site generation of hypochlorite[J] .Water Pollution Control Federation, 1972, 44(9): 1697－1712.

[7] Robertson P M, Gnehm W, Ponto L. High efficiency hypochlorite generation[J] . Journal of Applied Electrochemistry, 1983, 13(3): 307－315.

[8] Schueller R. Sodium Hypochlorite[EB/OL] . http://science.jrank.org/pages/6243/ Sodium-Hypochlorite.html.

[9] Thomas A, Kopczak L. From logistics to supply chain management:the path forward in the humanitarian sector[R] . USA, Fritz Institute,2005.

[10] World Health Organization. Communicable diseases following natural disasters risk assessment and priority interventions[R] .Switzerland,2006.

[11] Wenham S R, Green M A, Watt M E, et al. Applied photovoltaics[M] . Earthscan: London, 2007.