朱 燁， 張擁軍， 田昌鳳， 陳 超， 鄒海生， 洪 揚， 邢精珠， 陳曉龍

(農業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

移動式太陽能增氧機的改進設計與試驗

朱 燁， 張擁軍， 田昌鳳， 陳 超， 鄒海生， 洪 揚， 邢精珠， 陳曉龍

(農業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

為進一步提高移動式太陽能增氧機的使用效率、降低開發(fā)成本，采用Solidworks軟件對原型機進行了改進設計及性能測試。通過對運動控制系統(tǒng)的簡化和采用非接觸式換向的水面行走機構，使得來回行走更加靈敏。性能測試結果顯示，改進后的移動式太陽能增氧機，當光照度為17 000 Lx，轉速可達到34 r/min。光照度越強，葉輪轉動越快，其增氧效率也越高。在輸入電壓24 V時，選用8.2 kΩ和2 kΩ電阻進行分壓，可以使控制電壓達到4.7 V。對光敏傳感器進行的優(yōu)化結果表明，選用4.2 kΩ光敏阻值，在低光照強度下能夠達到最低20 r/min的轉速要求，遙控距離可達到45 m，平均運行時間可達6 h/d左右。電氣控制系統(tǒng)采用單元模塊，以及更加便捷的水面行走機構，不僅實現(xiàn)了原型機的全部控制要求，還降低了材料成本費用。結果表明，改進后的增氧機性能穩(wěn)定可靠，適于在池塘養(yǎng)殖中推廣。

太陽能；增氧機；水面行走機構；光敏傳感器；池塘

水體含氧量是魚類賴以生存的最基本條件[1]，但自然增氧的效率較低，通常采用機械增氧[2-6]。吳宗凡等[7]研究了移動式太陽能增氧機的性能，但未涉及該裝置的設計理論；田昌鳳等[8]在前期研究基礎上，研發(fā)了一種池塘移動式太陽能增氧機，該機主要由太陽能動力組件、增氧裝置和水面行走機構組成。太陽能動力組件將太陽能轉化為電能，增氧裝置圍繞水面行走機構做圓周運動，實現(xiàn)上下水體交換，增加水體與陽光的接觸面積，提高增氧能力；水面行走機構可實現(xiàn)增氧裝置在池塘水面來回行走。

池塘移動式太陽能增氧機在推廣過程中取得了良好的效果，但也發(fā)現(xiàn)了一些諸如在長時間運行時存在水面行走機構換向不靈敏、維修不方便、鋼絲繩磨損嚴重等問題。為了進一步提高移動式太陽能增氧機的可靠性和經濟性，對行走機構和控制系統(tǒng)進行了改進，采用非接觸式換向和陶瓷套管的方法，減小鋼絲繩的摩擦損耗；對光敏傳感器進行優(yōu)化，以簡化控制系統(tǒng)。本文對原池塘移動式太陽能增氧機(以下簡稱原型機)的水面行走機構和控制系統(tǒng)進行了改進及試驗。

1 行走機構的改進

1.1 改進前后的結構

原型機的水面行走機構包括機構艙、導電滑環(huán)、直流小電機、牽引輪、牽引輪罩殼、導向機構、限位塊組件等，安裝在動力組件的支架上(圖1)。

圖1 原型機的行走機構Fig.1 The original walking mechanism

然后將牽引繩繞在牽引輪上，通過連桿，并在牽引繩上固定2個限位塊。最后將牽引繩固定在池塘兩側。當導向機構碰到限位塊時，內部彈簧受擠壓，連桿內部磁鐵碰到PVC板上的片式磁性接近開關，則直流小電機可實現(xiàn)換向功能[8]。但這種擠壓式換向結構，在長期運行過程中出現(xiàn)換向不靈敏的現(xiàn)象，而且鋼絲繩的損耗較大。

改進后的結構如圖2所示，主要的改進內容為：(1)取消原來的導向機構，實現(xiàn)了非接觸式換向，由牽引繩兩端各固定一個永磁鐵，在距離磁性接近開關4～5 cm時小電機就可以實現(xiàn)換向功能。此換向可減少摩擦損耗，而且靈活性、穩(wěn)定性較高；(2)牽引輪由水平改為豎直，少了導桿限位組件，導桿中間有2個是陶瓷套管，這樣就減少了牽引繩的磨損，在移動過程中更加靈活，而且還能使換向更加容易，損耗達到最小；(3)原型機的直流電機放在機構艙內部，改進后將電機放在了罩殼內部，使內部結構更加簡單、接線方便、節(jié)省空間。

圖2 改進后的行走機構Fig.2 Improved walking mechanism

1.2 控制系統(tǒng)

原型機的控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 原型機的控制系統(tǒng)Fig.3 The original control system

采用遙控方法，可以自動控制運行。系統(tǒng)由控制電路板、升壓模塊、降壓模塊、無線接收模塊、電壓調速模塊組成，當光照強度達到17 000 Lx時，控制器開始檢測電壓是否達到可運行的工作電壓，如果達到則增氧機電機啟動，延遲10 s后小電機運行，并且可以實現(xiàn)自動換向；如果沒有達到工作電壓則停止工作。雖然這些功能可遙控實現(xiàn)，操作方便，但系統(tǒng)設計復雜，需要36 V、24 V、5 V三組電源，并且程序編寫復雜，維修不方便。

改進后的控制系統(tǒng)采用光控和遙控[9]，主要由光控模塊、時間繼電器模塊、小型繼電器、遙控模塊組成。當光照強度達到17 000 Lx時，光控傳感器滿足條件，設備啟動和運行，然后通過遙控模塊WCM，可在45 m距離開啟或關閉設備，控制變得更加高效。改進后的控制系統(tǒng)更加簡化，可實現(xiàn)全部功能，并且程序編寫簡單、維修方便?？刂葡到y(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 改進后的控制系統(tǒng)Fig.4 Improved control system

控制過程：在池塘試驗時，液位開關SB1自動閉合，遙控模塊打開，光照強度達到要求時，光敏傳感器KM1導通，導通后通過時間延遲繼電器KT延遲，增氧機電機M1的運行通過分壓模塊來控制，選擇分壓電阻R2為8.2 kΩ和R3為2 kΩ，得到控制電壓為0～5 V，同時換向電機M2啟動，行走機構開始運行，當磁鐵碰到常開接近開關TCK2時，KM2繼電器閉合，其常開觸點打開，常閉觸點閉合，行走機構換向，實現(xiàn)來回行走的功能。當光照強度和電壓不能滿足要求時，液位開關打開，遙控關斷，設備停止運行。其控制流程如圖5所示。用Solidworks軟件設計的改進后的系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 改進的系統(tǒng)結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the improved system structure

2 試驗結果

2.1 行走機構

行走機構可實現(xiàn)來回往復行走，移動作業(yè)面大，覆蓋范圍廣。為了驗證行走機構的可靠性，在池塘試驗前先進行實驗室模擬運行試驗。給行走機構24 V直流電進行試驗，小電機轉動，5 min后用永磁鐵靠近導桿的一端，在4 cm左右處，小電機反轉，再將永磁鐵靠近導桿另一端，小電機正轉。由此證明，永磁鐵可以作為一個換向信號，并且換向動作靈敏。在池塘試驗過程中，選擇行走機構的行程距離分別為2 m和3 m，對比原先的行走機構數(shù)據[8]，每天運行5 h，分別記錄帶負載時的單程運行時間、累積次數(shù)、平均速度，結果見表1。

從表1可以看出，改進后的行走機構在負載情況下，單程運行時間要比原型的短，運行速度更快，累積次數(shù)更多，這主要是因為行走機構由原來的擠壓式換向改為非接觸式換向，擠壓式換向摩擦系數(shù)大，而且會出現(xiàn)不靈敏現(xiàn)象。

表1 行走機構負載情況下試驗數(shù)據

2.2 光敏傳感器優(yōu)化

光敏傳感器[10]是控制系統(tǒng)的關鍵設備。一般的光敏傳感器太過敏感，在有光照的情況下就能啟動，而且必須在光線很暗的情況下才會停止運行，不滿足試驗需要，因此有必要對光敏傳感器進行優(yōu)化處理。記錄試驗過程中不同時間點、不同光照度下的阻值及電路導通狀態(tài)(表2)。

表2 光敏傳感器檢測

從表2可以看出，光敏傳感器阻值在任何時間段和光照度下，控制電路都能保持在一個接通狀態(tài)，不能滿足要求。而優(yōu)化后的光敏傳感器在光照度達到17 000 Lx、10:00—16:00時間段內導通(10:00和16:00，光照度<17 000 Lx)，且阻值≤4.2 kΩ(中間阻值<4.2 kΩ)。當在8:00和18:00時，光照度不足，并且這時的光敏傳感器阻值大于4.2 kΩ，不足以達到導通的要求，控制電路關斷。

2.3 增氧機性能

在同一池塘、同一時間段、同一光照度下，檢測改進后和原型機的性能，分別記錄葉輪轉速、輸入電壓及電流、水波波長等參數(shù)(表3)。由表3可知，在輸入電壓為24 V時，原型機的轉速為35 r/min，波長1.82 m，改進后的轉速為34 r/min，波長1.80 m，兩者相差不大。但當光照強度不是很高、輸入電壓為12 V時，原型機的轉速比改進后的要快3圈，但改進后的可滿足20 r/min的最低轉速要求。由輸入電壓和電流可得到，當輸入電壓為24 V時，得到控制電壓為：

原輸入功率為480W，改進后的為444W，優(yōu)化有效果。

表3 改進前后性能分析

3 討論與分析

3.1 行走機構

原型機采用擠壓式，觸碰磁性開關實現(xiàn)換向，有時擠壓過度導致不能換向，行程2 m時的運行時間為68.9 s。而改進后使用了陶瓷套管和非接觸式換向，減小了鋼絲繩的摩擦阻力，磨損明顯降低，換向靈敏準確，行程2 m時的運行時間為65.5 s。改進后將小電機放在了保護罩內部，使得結構更加簡單，接線更方便。

3.2 控制系統(tǒng)

原型機的控制機構雖然設計合理，但模塊較多，維修不方便，改進后實現(xiàn)了最大化精簡，通過多次試驗和設計優(yōu)化，保留了原有的控制技術要求，設備安裝和維修也得到了簡化。同時，在高電壓和低電壓的情況下，雖然改進后的轉速比原型機的慢1～3圈，但轉速能滿足20 r/min的最低實際應用要求。改進后增氧機控制系統(tǒng)的材料成本(350元)和人工費(500元)只有原型機的一半，實現(xiàn)了設計預期。因此，控制系統(tǒng)設計合理。

4 結論

太陽能增氧機利用太陽能作為能源，運行范圍大、運行時間長，一天能夠運行6 h左右，符合低碳環(huán)保的設計理念。測試結果顯示，改進后的結構組成更加簡單、接線更方便；用陶瓷套管和非接觸換向降低了牽引繩的磨損；控制系統(tǒng)結構簡化、元器件簡單、維修方便、性價比高；在行走相同距離時，改進后的水面行走機構運行時間短，行走次數(shù)多；最低轉速達到21 r/min，可滿足實際需要。改進后的移動式太陽能增氧機提高了使用效率，降低開發(fā)成本。

[1] 王興國, 王悅蕾, 趙水標. 養(yǎng)殖水體增氧技術及方法探討[J]. 浙江海洋學院學報(自然科學版), 2004, 23(2):114-117.

[2] AHMAD T, BOYD C E. Design and performance of paddle wheel aerators[J]. Aquacultural Engineering,1988,7(1):39-62.

[3] BOYD C E. Bottom soils, sediment and pond aquaculture[M]. New York: Chapman & Hall,1995:348.

[4] PRASETYANINGSARI I, SETIAWAN A. Design optimization of solar powered aeration system for fish pond in Sleman Regency, Yogyakarta by HOMER software[J]. Energy Procedia,2013,32:90-98.

[5] APPLEBAUM J, MOZES D, STEINER A,etal. Aeration of fishponds by photovoltaic power[J]. Progress in Photovoltaics Research & Applications, 2001,9(4):295-301.

[6] 吳晨,王海燕,駱建波,等.太陽能移動式水體增氧裝置的設計與試驗[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2014,41(4):49-53.

[7] 吳宗凡,程果鋒,王賢瑞,等. 移動式太陽能增氧機的增氧性能評價[J].農業(yè)工程學,2014, 30(23):246-252.

[8] 田昌鳳,劉興國,張擁軍,等.移動式太陽能增氧機的研制[J].農業(yè)工程學報,2015,1(19):39-45.

[9] 王慧泉,趙喆,劉鳴.無線遙控電路的原理與應用[J].實驗室科學,2007(4):66-68.

[10]彭勇,鮑宏志,劉文立.光敏電阻特性測定及其在自動照明燈中的應用[J].大學物理實驗,2002(4):26-27.

Improvement design and test of mobile solar aerator

ZHU Ye，ZHANG Yongjun，TIAN Changfeng，CHEN Chao，ZOU Haisheng，HONG Yang，XING Jingzhu，CHEN Xiaolong

(Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture,FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

In order to improve the efficiency and reduce the developing cost of mobile solar-energy aerators, the Solidworks software was used for the prototype design improvement and performance testing. Through the simplification of the motion control system and use of non-contact type of the water walking mechanism, the back-and-forth walking of the machine became more flexible. Performance test showed that improved mobile solar aerator, when the light intensity was 17 000 Lx, the rotational speed could reach 34 r/min, and the higher the light intensity was, the faster the impeller rotated, also the better the aeration efficiency would be; when the input voltage was 24 V, use 8.2 kΩ and 2 kΩ resistors for dividing, and the control voltage could reach 4.7 V. The sensor optimization results showed that under low light intensity, the selected 4.2 kΩ resistance could meet the speed requirements of 20 r/min at the lowest, remote control distance could reach 45m, and the average running time could be up to about 6 h/d. The electric control system uses the simplest unit module and more convenient water surface running mechanism, not only realizing all the control requirements of the prototype, but also reducing the cost of materials. The results show that the improved aerator is more stable and reliable in performance, and is suitable to be applied in pond aquaculture.

solar energy; aerator device; water walking mechanism; photosensitive sensor; pond

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.005

2016-07-01

2016-11-19

現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金 (CARS-46)

朱燁(1990—)，男，碩士，研究方向：漁業(yè)裝備。E-mail：zhuye@fmiri.ac.cn

田昌鳳(1985—)，女，助理研究員，碩士，研究方向：養(yǎng)殖機械裝備。E-mail：tianchangfeng@fmiri.ac.cn

S951.5

A

1007-9580(2016)06-021-06