黃 華
(四川省先進(jìn)智能農(nóng)機(jī)裝備有限公司,四川 德陽 618030)
畜禽糞污管理對(duì)于現(xiàn)階段的畜牧業(yè)而言,是體現(xiàn)畜禽業(yè)新型管理模式優(yōu)勢、彰顯先進(jìn)科學(xué)技術(shù)價(jià)值的重要板塊。糞污管理在一定程度上也決定了畜禽業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量,與畜禽的健康及安全衛(wèi)生息息相關(guān)。因此,為加強(qiáng)現(xiàn)代化牧場的糞污管理,不少學(xué)者從不同角度對(duì)其展開了一系列的研究。比如丹麥和比利時(shí)的學(xué)者開發(fā)出糞污沼氣轉(zhuǎn)化發(fā)電,供應(yīng)畜禽糞污輸送及處理設(shè)備用電,有效降低了企業(yè)糞污處理成本。而我國以農(nóng)戶和小規(guī)模飼養(yǎng)為主,通常通過糞污全量還田、糞便堆肥、糞水肥料化對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理。但無論是國外還是國內(nèi),在畜禽糞污光伏供電相關(guān)處理設(shè)備以及畜禽糞污輸送設(shè)備上,都因建設(shè)、運(yùn)行成本及智能化程度低等問題,導(dǎo)致農(nóng)戶的應(yīng)用積極性不高[1]。因此,為實(shí)現(xiàn)高效的糞污能源化,筆者嘗試對(duì)太陽能成套設(shè)備展開創(chuàng)新研究,以期將畜禽糞污資源最大化利用于太陽能成套設(shè)備中。
畜禽糞污輸送設(shè)備,是糞污固液分離、糞污厭氧(好氧)發(fā)酵處理過程中的關(guān)鍵設(shè)備。糞污的高含固率、腐蝕性及含纖維固體顆粒性,對(duì)泵送系統(tǒng)的通過能力及穩(wěn)定性都提出了巨大的考驗(yàn),直接影響糞污高值化利用的效果。而太陽能光伏供電模式下的糞污泵送系統(tǒng),不僅能減少規(guī)?;B(yǎng)殖企業(yè)成本,降低CO2排放,還可以提高糞污處理自動(dòng)化、智能化程度,有利于畜禽糞污處理設(shè)備在規(guī)?;B(yǎng)殖企業(yè)中的推廣與應(yīng)用[2]。
在具體工作原理上,主要是將脫水后的畜禽糞污排放到太陽能成套設(shè)備內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵,經(jīng)由如圖1所示的糞道、管道、集污池流程,將畜禽糞污導(dǎo)入固液分離器中,再經(jīng)過5~7天時(shí)間,按照一級(jí)發(fā)酵、二級(jí)發(fā)酵形成沼氣,最終在太陽能光伏系統(tǒng)與抽排系統(tǒng)的共同作用下,在污水處理池中形成新能源。使其在產(chǎn)能上不僅可以用于周邊居民的日常生活,同時(shí)也可以用于日常照明,對(duì)畜禽糞污進(jìn)行充分的資源化利用。
圖1 畜禽糞污資源化處理工作流程
目前學(xué)術(shù)上關(guān)于太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì),多是從保護(hù)模式展開分析的,并由此探討了阻尼器和減震器雙重保護(hù)、大風(fēng)保護(hù)、大雪保護(hù)、限位保護(hù)、過流保護(hù)、過欠壓保護(hù)等技術(shù),其目的是有效提升設(shè)備對(duì)極端天氣的抵抗能力。然而,筆者考慮到大多數(shù)養(yǎng)殖場處于丘陵山區(qū)或附近,存在明顯影響太陽輻射的地形地貌,故本設(shè)計(jì)在關(guān)于光伏系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面,除了會(huì)對(duì)太陽能成套設(shè)備進(jìn)行充分的防護(hù)之外,還會(huì)通過收集水平面直接輻射和水平面散射輻射數(shù)據(jù),加強(qiáng)太陽方位檢測工作,并由此建立數(shù)據(jù)模型,計(jì)算水平面上總輻射量數(shù)據(jù),旨在對(duì)太陽輻射的有效性和量值進(jìn)行評(píng)估[3]。筆者以單基線干涉儀為例,論述其在太陽能光伏板中的能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用創(chuàng)新思路,其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 單基線干涉儀整體結(jié)構(gòu)圖
如圖2所示,假設(shè)丘陵山區(qū)電磁波太陽輻射與天線1、2的視軸成一角度進(jìn)入,角度寫作θ,那么天線1點(diǎn)和2點(diǎn)處的電磁波可以被確定為平面波,設(shè)兩點(diǎn)之間的距離為d,得出輻射的相位差φ,具體的計(jì)算公式如下:
在得到太陽輻射射入方向θ后,導(dǎo)出:
在具體流程上,對(duì)太陽能光伏板進(jìn)行M次測量,假設(shè)在某丘陵山區(qū)中存在某一點(diǎn)x,由此構(gòu)建出x與φ的函數(shù):
利用上述公式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位,做好太陽方位檢測工作,確定光伏系統(tǒng)水平面上總輻射量的統(tǒng)計(jì)公式,并由此對(duì)畜禽糞污資源化利用光伏系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化,從而更為充分地利用太陽輻射有效性,將其量值進(jìn)行最大化利用[4-5]。
在該太陽能板自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)上,其可以根據(jù)不同天氣情況,利用天文算法+角度傳感控制光伏組件追日旋轉(zhuǎn),進(jìn)行太陽能電板的二維跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì),而后根據(jù)系統(tǒng)功能,對(duì)跟蹤控制系統(tǒng)的主要硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
其中,在硬件選型上,采用一種可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的硅太陽能電池半導(dǎo)體器件。該降壓電路具有易于控制、安裝方便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。 連接太陽能電池陣列的BUCK電路拓?fù)鋱D如圖3所示,該硬件可以將儲(chǔ)能電容并聯(lián),以保證太陽能板輸出電流的連續(xù)性,實(shí)現(xiàn)了太陽能電池陣列的MPPT功能。
圖3 連接太陽能電池陣列的BUCK電路拓?fù)鋱D
考慮到實(shí)際情況,計(jì)劃對(duì)現(xiàn)階段畜禽糞污資源化利用的太陽能板自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)采用多晶硅太陽能電池組件,其參數(shù)如表1所示。
表1 太陽能板參數(shù)
此外,在鋰電池組的硬件方面,本文選取的是三米公司生產(chǎn)的MM3511,保護(hù)電壓檢測點(diǎn)精度高于其他IC??紤]到78系列集成穩(wěn)壓器具有恒定的正輸出電壓,故本研究使用的電源穩(wěn)壓器是7805和7812芯片。其中,7805的輸出電壓為5 V,而7812的輸出電壓為12 V。在單片機(jī)的選用上,其主控制器采用低壓專用程序存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和美國ATMEL公司生產(chǎn)的高性能8位單片CMOS微機(jī)讀寫4 K字節(jié)數(shù)據(jù)。
待實(shí)物制作完成后,進(jìn)行了兩部分測試,一是測試視日運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性,即測試系統(tǒng)對(duì)于太陽高度角和方位角的計(jì)算是否準(zhǔn)確,實(shí)驗(yàn)手段是通過計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算,并與權(quán)威值進(jìn)行比對(duì);二是在光電檢測追蹤方式下,檢驗(yàn)接收太陽輻射率是否升高,實(shí)驗(yàn)手段是在自然光條件下進(jìn)行跟蹤測試,并與固定式太陽能電池板輸出功率進(jìn)行對(duì)比。
需要說明的是,日梭萬年歷是目前普遍認(rèn)同的太陽高度角和方位角計(jì)算軟件,其精度高、結(jié)果可靠。各種時(shí)間信息與權(quán)威值的最大誤差都不超過1 min,本設(shè)計(jì)選取日梭萬年歷的計(jì)算值作為標(biāo)準(zhǔn)值,供系統(tǒng)自身的計(jì)算結(jié)果比較。將測量輻射的輻射計(jì)安裝在固定朝南37°的太陽能電池板上和設(shè)計(jì)有追蹤系統(tǒng)的太陽能電池板上,每5 min記錄一次數(shù)據(jù)[6-7]。同時(shí),本測試的場地選在地勢較高、視野寬闊的地方,需注意前端傳感器圓柱體內(nèi)部的清潔,避免有灰塵影響光敏二極管對(duì)陽光的接收。安裝系統(tǒng)時(shí)要注意底座是否平坦,否則會(huì)造成測量誤差。整個(gè)系統(tǒng)安裝完畢后,整理出的結(jié)果如表2所示。
表2 太陽實(shí)際角度與實(shí)驗(yàn)角度對(duì)比
測試結(jié)果表明:本系統(tǒng)對(duì)太陽高度角和方位角的計(jì)算誤差較小,符合太陽光追蹤的基本要求,進(jìn)而驗(yàn)證了本研究各模塊功能的可行性。
由于養(yǎng)殖場集糞池雜物繁多,因此在本設(shè)計(jì)的切割粉碎系統(tǒng)中,充分利用了高強(qiáng)度切割式刀片或研磨刀頭組件,由此完成對(duì)棉麻纖維、塑料制品、秸稈枝條等雜物的切碎,杜絕抽排系統(tǒng)的纏繞、堵塞及電機(jī)燒毀現(xiàn)象[8]。然而由于目前不同型號(hào)的切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在差異,造成了末端執(zhí)行器之間的差異很大,因此在本次設(shè)計(jì)的初期就對(duì)機(jī)器人運(yùn)行的綜合性能進(jìn)行了分析,旨在避免空間改變時(shí)機(jī)器人的碰撞超過最大活動(dòng)區(qū)域。
在具備切割粉碎功能的抽排系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,本研究基于PLC對(duì)抽排系統(tǒng)進(jìn)行了雙重控制,即利用液位自動(dòng)控制整套糞污處理設(shè)備的運(yùn)行。因各養(yǎng)殖場清糞工藝存在區(qū)別,糞液的TS濃度差別較大,可能導(dǎo)致液位自動(dòng)控制失效,故增設(shè)抽排設(shè)備智能控制溫度,建立準(zhǔn)確且穩(wěn)定的檢測控制系統(tǒng),保障整套畜禽糞污處理設(shè)備的良性運(yùn)行。
該創(chuàng)新設(shè)計(jì)成套設(shè)備的糞污固液分離系統(tǒng)全部采用304不銹鋼材質(zhì);抽排系統(tǒng)主體選用304不銹鋼材質(zhì),鑄鐵件采用雙重噴漆工藝,電機(jī)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68,絕緣等級(jí)達(dá)到F級(jí)。運(yùn)用分割獨(dú)立油室設(shè)計(jì),水機(jī)部分采用大流道設(shè)計(jì),使整套設(shè)備具有防腐蝕、抗堵塞、防纏繞的特點(diǎn)[9-10]。
自然界雷電劈擊電力電子設(shè)備時(shí),便會(huì)形成雷電電流,破壞或毀壞系統(tǒng)設(shè)備,甚至可能引發(fā)人身安全問題,所以加裝防雷接地系統(tǒng)是必不可少的。防雷接地系統(tǒng)的原理就是通過避雷針及引下導(dǎo)線,將雷云中放出的電流引入大地。對(duì)于接地系統(tǒng)來說,電力系統(tǒng)要接地,建筑物也要設(shè)置接地系統(tǒng),從而達(dá)到雙重保護(hù)的目的。
本研究將光伏設(shè)備接地,應(yīng)于無管道、無陰溝、土層較厚、濕潤的空地,在地面挖長1 m、深2 m以上的土坑,在地下埋上適當(dāng)型號(hào)的扁鋼或者圓鋼,通常扁鋼為40 mm×4 mm,圓鋼為Φ10 mm或Φ12 mm,光伏組件接地電阻在4 Ω以上,然后向坑里加降阻劑,加水后埋好。逆變器接地和配電箱接地可以一次性完成,僅需逆變器身側(cè)接地孔與配電箱PE排相連即可,接地線最終應(yīng)可靠地聯(lián)結(jié)在等地位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)中。
本文設(shè)計(jì)的畜禽糞污資源化利用的太陽能成套設(shè)備,在創(chuàng)新技術(shù)上主要圍繞太陽能板自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)、具有切割粉碎功能的抽排系統(tǒng)以及抽排系統(tǒng)雙重控制三個(gè)方向展開,在保證成套設(shè)備具備防腐蝕性能的同時(shí),形成了太陽能光伏系統(tǒng)的多種保護(hù)模式。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性,本研究將該設(shè)備投入測試,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)創(chuàng)新對(duì)減少規(guī)模化養(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)成本,提高糞污處理自動(dòng)化、智能化程度具有重大意義。以“畜禽糞污資源化利用的太陽能成套設(shè)備”為中心形成的循環(huán)利用模式,在實(shí)際生產(chǎn)中具有農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)特征。同時(shí),其還能有效降低配套用電負(fù)荷和CO2排放,極大地推動(dòng)了畜牧業(yè)與種植業(yè)、農(nóng)牧業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的融合,從而達(dá)到降污減排的目的。
綜上所述,希望該創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以在相關(guān)人員的測試分析后投入到實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中,為發(fā)展以“豬—沼—樹”“?!印荨!薄半u—沼—橘”“豬—沼—菜”為主的循環(huán)農(nóng)業(yè)提供實(shí)際幫助,為丘陵山區(qū)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源高效利用和生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展帶來一定的助推作用。