李慶才，翟龍濤，許龍賀，高勇善

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

新型太陽(yáng)能智能PM2.5空氣凈化器的設(shè)計(jì)與研究*

李慶才，翟龍濤，許龍賀，高勇善

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

本文是基于新型太陽(yáng)能智能PM2.5空氣凈化器的設(shè)計(jì)與研究。主要介紹了當(dāng)前市場(chǎng)前景與未來(lái)的發(fā)展空間，并認(rèn)真分析了負(fù)離子空氣凈化器的原理及組件構(gòu)成。負(fù)離子產(chǎn)生機(jī)理及如何克服伴隨產(chǎn)物臭氧，同時(shí)根據(jù)材料特性和環(huán)境要求對(duì)負(fù)離子空氣凈化器應(yīng)用做以實(shí)驗(yàn)，凈化器凈化材料對(duì)凈化效果、風(fēng)量、噪聲等做以具體分析研究。另外，簡(jiǎn)述了太陽(yáng)能智能PM2.5空氣凈化器具備的多種創(chuàng)新功能。

太陽(yáng)能；負(fù)離子凈化；智能；PM2.5

1 太陽(yáng)能智能空氣凈化器研制背景

現(xiàn)代生活生產(chǎn)中，我國(guó)的大氣污染物排放總量居高不下。全國(guó)大多數(shù)城市的大氣環(huán)境質(zhì)量超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，“霧霾”更成為了我國(guó)當(dāng)之無(wú)愧的年度熱詞之一，國(guó)內(nèi)25個(gè)省100多個(gè)大中城市被霧霾所困擾，全國(guó)平均霧霾天數(shù)達(dá)到29.9天，較往年同期偏多9.43天，且持續(xù)性霾過(guò)程增加顯著[1]。相關(guān)研究表明，大氣PM2.5濃度增高可顯著增加人體致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn)。多項(xiàng)調(diào)查顯示，PM2.5大氣濃度每增加10 g/m3，居民日均總死亡率將增加0.9%，心血管疾病死亡率將增加1.22%，呼吸系統(tǒng)死亡率將增加0.97%。當(dāng)前的PM2.5濃度水平每年僅在北京、上海、廣州、西安四個(gè)城市就能造成上萬(wàn)人的過(guò)早死亡[1]。其實(shí)，即使大氣中污染物濃度不高，但人體成年累月呼吸這種污染的空氣，也會(huì)引起慢性支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫及肺癌等疾病。

2 太陽(yáng)能智能空氣凈化器構(gòu)成及其組件研究

2.1 太陽(yáng)能智能空氣凈化器的構(gòu)成

目前太陽(yáng)能智能空氣凈化器主要有以下組件構(gòu)成:太陽(yáng)能充電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、靜電除塵系統(tǒng)、智能報(bào)警系統(tǒng)和藍(lán)牙遙控系統(tǒng)等四個(gè)系統(tǒng)。

1) 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)：太陽(yáng)能充電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池和防逆流模塊組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化器自動(dòng)蓄電。此系統(tǒng)應(yīng)用了一塊多晶功率為10 W產(chǎn)生電壓為18 V的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生電能，通過(guò)加裝防逆流模塊(蓄電池充滿電時(shí)防逆流模塊能夠自動(dòng)切斷線路)防止電流的倒流和線路的短路，保護(hù)太陽(yáng)能電池板的壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)12 V蓄電池的不間斷電。利用儲(chǔ)量豐富的太陽(yáng)能作為能源符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，既有效的利用清潔能源保護(hù)了環(huán)境，又保護(hù)了人們身體的健康。

2) 自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)由粉塵傳感器和煙霧傳感器通過(guò)51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的自動(dòng)控制功能。此系統(tǒng)應(yīng)用了GP2Y1010AU0F粉塵傳感器和MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊對(duì)PM2.5、煙霧、甲烷、液化氣可燃?xì)怏w等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，從而控制空氣凈化裝置開啟工作。

3) 靜電除塵系統(tǒng)：靜電除塵系統(tǒng)主要由負(fù)離子發(fā)生器本體和高性能除塵通道組成。負(fù)離子發(fā)生器是靜電除塵系統(tǒng)的最核心組件，高性能負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生高壓，擊穿空氣，產(chǎn)生負(fù)氧離子，使得集塵裝置帶負(fù)電從而吸附有害物質(zhì)[2]。高性能除塵通道內(nèi)部創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了兩道類似于百葉窗的粉塵防線，出風(fēng)口安裝有風(fēng)扇吸引PM2.5粉塵和煙霧進(jìn)入其中，有效的提高了空氣凈化的效率。

4) 智能報(bào)警系統(tǒng)：智能報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器模塊和煙霧傳感器模塊通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警。當(dāng)出風(fēng)口煙霧或者天然氣濃度達(dá)到煙霧傳感器設(shè)定的閥值時(shí)，煙霧傳感器發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)處理信號(hào)控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

5) 藍(lán)牙遙控系統(tǒng)：藍(lán)牙遙控系統(tǒng)主要由HC-06從機(jī)藍(lán)牙模塊、藍(lán)牙遙控終端和5110液晶顯示屏組成。藍(lán)牙遙控模塊通過(guò)手機(jī)或者藍(lán)牙終端實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化器進(jìn)行開關(guān)控制和5110液晶顯示屏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示控制。

2.2 高性能除塵通道

高性能除塵通道一般由除塵通道本體、百葉窗設(shè)計(jì)的粉塵防線、高性能風(fēng)扇構(gòu)成。

除塵通道本體：外形設(shè)計(jì)為“L”型，上端為進(jìn)風(fēng)口，下端為出風(fēng)口。設(shè)計(jì)考慮到了空氣中的PM2.5、煙霧、甲烷、甲醛等有害物比空氣要輕，因此外形設(shè)計(jì)為“L”型有害物質(zhì)上方進(jìn)入，清潔空氣下方排除更加科學(xué)合理。

百葉窗設(shè)計(jì)的粉塵防線：高性能除塵通道內(nèi)部有兩道類似于葉窗設(shè)計(jì)的粉塵防線，兩道防線交錯(cuò)排列，增長(zhǎng)了有害物質(zhì)的路徑，相當(dāng)于把有害物質(zhì)過(guò)濾了兩遍，從而提高了空氣凈化的效率。

高性能風(fēng)扇：由于本空氣凈化器安裝于室內(nèi)空間，高性能風(fēng)扇吸引有害空氣進(jìn)入高性能除塵通道并且噪音小，有效地提高了空氣凈化效率。

2.3 灰塵清理系統(tǒng)

灰塵清理系統(tǒng)位于高性能除塵通道內(nèi)部，由類似于百葉窗設(shè)計(jì)的集塵片、毛刷和集塵抽屜構(gòu)成。當(dāng)集塵片上灰塵長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有清理時(shí)，通過(guò)用手抽拉集塵片，由內(nèi)壁的毛刷將灰塵刮落，使其掉入下方的小抽屜中從而達(dá)到清理灰塵的目的。據(jù)了解調(diào)查分析當(dāng)前市面上銷售的空氣凈化器通常過(guò)濾器選用金屬網(wǎng)過(guò)濾器、尼龍網(wǎng)過(guò)濾器、泡沫海綿過(guò)濾器等三種方式，高端的空氣凈化器主要采用化學(xué)吸附方法過(guò)濾灰塵。綜合上述方式都存在清理方式難度較大的問(wèn)題。本產(chǎn)品采用的手拉式清理灰塵方式簡(jiǎn)單易操作，并且效率高。

3 太陽(yáng)能智能空氣凈化器的功能

3.1 高效除塵

除塵系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了兩道類似于百葉窗設(shè)計(jì)的粉塵防線，出風(fēng)口安裝有風(fēng)扇吸引PM2.5粉塵、甲醛、二手煙等有害物質(zhì)進(jìn)入其中，高性能除塵通道吸收了流體力學(xué)的精髓有效增大了除塵效率。能夠輔集小于0.01 μm的細(xì)粒粉塵。太陽(yáng)能智能PM2.5空氣凈化器是可以通過(guò)改變參數(shù)，來(lái)滿足用戶不同的凈化效率要求。而傳統(tǒng)的空氣凈化器一般采用光催化(光觸媒)、物理吸附、電離子、層層過(guò)濾網(wǎng)等原始的除塵方法，這些落后的工作方法均存在著缺陷與不足[3]。比如物理吸附容易飽和、單一功能；層層過(guò)濾網(wǎng)只能過(guò)濾塵埃，基本上不具備殺菌功能且易造成過(guò)濾網(wǎng)堵塞，還可能伴有細(xì)菌盤踞進(jìn)而形成病菌繁殖的窩點(diǎn)等，最終出現(xiàn)二次污染的情況。太陽(yáng)能智能空氣凈化器能清除空氣中的多種有害物質(zhì)，還達(dá)到太陽(yáng)能供能的節(jié)能減排的良好效果。

3.2 智能防火報(bào)警

當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或者煤氣泄漏，出風(fēng)口煙霧或者天然氣濃度達(dá)到煙霧傳感器設(shè)定的閥值時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。對(duì)于大多數(shù)家庭來(lái)說(shuō)，防火一直都是急需解決的難題，太陽(yáng)能智能空氣凈化器創(chuàng)新性在凈化環(huán)境空氣的基礎(chǔ)上，加以防火功能，使人們不必再多去為防火問(wèn)題發(fā)愁。所以太陽(yáng)能智能空氣凈化器是完全可以檢測(cè)、調(diào)節(jié)環(huán)境空氣質(zhì)量與火災(zāi)信息的。

3.3 智能遙控

利用手機(jī)等遙控藍(lán)牙設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能智能PM2.5空氣除塵器的遙控。藍(lán)牙是一種短距離低功耗的無(wú)線技術(shù)。在日常生活生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的紅外遙控器已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代用戶的新需求?；诖颂岢鲆环N在遙控裝置中嵌入藍(lán)牙技術(shù)，將BF藍(lán)牙模塊與51單片機(jī)相結(jié)合，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能智能空氣凈化器的遙控。運(yùn)用51單片機(jī)智能控制，即編譯相應(yīng)的控制程序。實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的智能遙控，使用戶對(duì)太陽(yáng)能智能PM2.5空氣除塵器的使用更簡(jiǎn)易、更方便。

3.4 智能檢測(cè)

太陽(yáng)能智能空氣凈化器裝有51單片機(jī)控制系統(tǒng)、PM2.5濃度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中PM2.5、溫度、濕度實(shí)時(shí)檢測(cè)。對(duì)于檢測(cè)到的超標(biāo)數(shù)值，控制系統(tǒng)會(huì)控制報(bào)警器，進(jìn)行鳴笛報(bào)警，以提醒人們注意周圍環(huán)境的變化，便于采取處置措施?；跈z測(cè)到的數(shù)據(jù)，51單片機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行智能化處理。

[1] 張琴，范海明，陳兆文.空氣凈化器對(duì)甲醛苯和氨氣的凈化效果研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008,52:239-242.

[2] 張妍，李振海.室內(nèi)空氣凈化器性能指標(biāo)的探討[J].環(huán)境與健康雜志,2007,24(6):453-55.

[3] 黃翔，顧群，吳生.聚合物駐極體空氣過(guò)濾(材料)器在暖通空調(diào)中的應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2003,40(5):38-42.

Design and Research of a New Type of Solar Energy Intelligent PM2.5 Air Purifier

Li Qingcai, Zhai Longtao, Xu Longhe, Gao Yongshan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

This paper makes the design and research on a new solar intelligent air purifier based on PM2.5. It mainly introduces the current market prospects and future development of space, and makes a careful analysis on the principle and component of negative ion air purifier. Negative ion generating mechanism and how to overcome the product with ozone is also described, and according to the material characteristics and environmental requirements, it makes test for the application of negative ion air purifier. The concrete analysis research on purifying materials is made for the purification effect of air quantity, noise, etc. In addition, the paper briefly describes the innovative functions of solar energy intelligent PM2.5 air purifier.

solar energy; negative ion purification; intelligence; PM2.5

2016-11-15

2015年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510448056)

李慶才(1993- )，男，山東濟(jì)南人，本科在讀，研究方向：能源與動(dòng)力工程。

1674- 4578(2017)01- 0075- 03

TM925.16；TM615

A