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)者從不同角度對其展開了一系列的研究。比如丹麥和比利時的學(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，為實現(xiàn)高效的糞污能源化，筆者嘗試對太陽能成套設(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。

1 畜禽糞污資源化利用的太陽能成套設(shè)備工作原理

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，對泵送系統(tǒng)的通過能力及穩(wěn)定性都提出了巨大的考驗，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化、智能化程度，有利于畜禽糞污處理設(shè)備在規(guī)模化養(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天時間，按照一級發(fā)酵、二級發(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，同時也可以用于日常照明，對畜禽糞污進(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

2 畜禽糞污資源化利用的太陽能關(guān)鍵設(shè)備創(chuàng)新分析

2.1 光伏系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

目前學(xué)術(shù)上關(guān)于太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計，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)計在關(guān)于光伏系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計方面，除了會對太陽能成套設(shè)備進(jìn)行充分的防護(hù)之外，還會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，計算水平面上總輻射量數(shù)據(jù)，旨在對太陽輻射的有效性和量值進(jìn)行評估[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點和2點處的電磁波可以被確定為平面波，設(shè)兩點之間的距離為d，得出輻射的相位差φ，具體的計算公式如下：

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x，由此構(gòu)建出x與φ的函數(shù)：

利用上述公式對目標(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)計公式，并由此對畜禽糞污資源化利用光伏系統(tǒng)進(jìn)行針對性優(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]。

2.2 自動跟蹤控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

在該太陽能板自動跟蹤控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計上，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，而后根據(jù)系統(tǒng)功能，對跟蹤控制系統(tǒng)的主要硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計。

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。 連接太陽能電池陣列的BUCK電路拓?fù)鋱D如圖3所示，該硬件可以將儲能電容并聯(lián)，以保證太陽能板輸出電流的連續(xù)性，實現(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

考慮到實際情況，計劃對現(xiàn)階段畜禽糞污資源化利用的太陽能板自動跟蹤控制系統(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器、隨機(jī)存取存儲器和美國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)。

待實物制作完成后，進(jìn)行了兩部分測試，一是測試視日運動的準(zhǔn)確性，即測試系統(tǒng)對于太陽高度角和方位角的計算是否準(zhǔn)確，實驗手段是通過計算程序進(jìn)行計算，并與權(quán)威值進(jìn)行比對；二是在光電檢測追蹤方式下，檢驗接收太陽輻射率是否升高，實驗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算軟件，其精度高、結(jié)果可靠。各種時間信息與權(quán)威值的最大誤差都不超過1 min，本設(shè)計選取日梭萬年歷的計算值作為標(biāo)準(zhǔn)值，供系統(tǒng)自身的計算結(jié)果比較。將測量輻射的輻射計安裝在固定朝南37°的太陽能電池板上和設(shè)計有追蹤系統(tǒng)的太陽能電池板上，每5 min記錄一次數(shù)據(jù)[6-7]。同時，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陽光的接收。安裝系統(tǒng)時要注意底座是否平坦，否則會造成測量誤差。整個系統(tǒng)安裝完畢后，整理出的結(jié)果如表2所示。

表2 太陽實際角度與實驗角度對比

測試結(jié)果表明：本系統(tǒng)對太陽高度角和方位角的計算誤差較小，符合太陽光追蹤的基本要求，進(jìn)而驗證了本研究各模塊功能的可行性。

2.3 抽排系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

由于養(yǎng)殖場集糞池雜物繁多，因此在本設(shè)計的切割粉碎系統(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的切割系統(tǒng)設(shè)計結(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)計的初期就對機(jī)器人運行的綜合性能進(jìn)行了分析，旨在避免空間改變時機(jī)器人的碰撞超過最大活動區(qū)域。

在具備切割粉碎功能的抽排系統(tǒng)設(shè)計上，本研究基于PLC對抽排系統(tǒng)進(jìn)行了雙重控制，即利用液位自動控制整套糞污處理設(shè)備的運行。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)備的良性運行。

3 畜禽糞污資源化利用的太陽能成套設(shè)備防護(hù)措施

3.1 成套設(shè)備防腐蝕性能

該創(chuàng)新設(shè)計成套設(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)等級達(dá)到IP68，絕緣等級達(dá)到F級。運用分割獨立油室設(shè)計，水機(jī)部分采用大流道設(shè)計，使整套設(shè)備具有防腐蝕、抗堵塞、防纏繞的特點[9-10]。

3.2 防雷接地系統(tǒng)的安裝

自然界雷電劈擊電力電子設(shè)備時，便會形成雷電電流，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。

4 總結(jié)

本文設(shè)計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)雙重控制三個方向展開，在保證成套設(shè)備具備防腐蝕性能的同時，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，其還能有效降低配套用電負(fù)荷和CO2排放，極大地推動了畜牧業(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)計可以在相關(guān)人員的測試分析后投入到實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，為發(fā)展以“豬—沼—樹”“牛—沼—草—?！薄半u—沼—橘”“豬—沼—菜”為主的循環(huán)農(nóng)業(yè)提供實際幫助，為丘陵山區(qū)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展、實現(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。