遠程太陽能醫療消毒

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

偏遠地區，特別是在一些發展中國家當中，用以應對災難的醫療支持一直以來都是一個難題。為預防傳染病的傳播，大量的醫療供給及持續不斷的醫療救助是十分必須的。然而，這些救助藥資及傷員的運輸給救助工作帶來了更多挑戰。所以，在當地實時進行手術是一個比較良好的解決方案。利用光伏發電用于電解鹽水制造次氯酸鹽，這項技術的優點在于擴大了光伏系統的應用，利用其發電的優越性及方便性，能夠及時在偏遠地區實施醫療、衛生的救助，從而降低醫療物資的運輸成本，減少在運輸過程中不可避免的物資耗損以及化石燃料的使用。

1 賑災運作

托馬斯和科普扎克預測，在未來的50年內，自然或人為災害可能會增加5倍。運輸成為人道主義援助和救災過程中的最大問題。在運輸過程中需消耗大量化石燃料，加劇了環境污染。世界衛生組織的報告顯示，消毒劑在災后醫療救助以及對爆發流行病的預防工作中占據了重要位置。

2 次氯酸鈉(NaClO)作為消毒劑

次氯酸鈉作為消毒劑，在各個領域都有著廣泛的應用。在一個世紀以前，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第一次生產出來。如今，生產次氯酸鈉的手段要比當時先進得多，其中，“胡克法”是制造次氯酸鈉主要的大型工業制備方法。

消毒溶液的運輸非常困難。為保證安全的運輸，溶液的濃度必須保持在相對較低的百分比。此外，消毒劑(如次氯酸鈉)因其特殊性，對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，其應用更傾向于在現場直接制作次氯酸鈉。現場制作次氯酸鈉的技術已投入商用多年，最近電解電池技術的發展更降低了資本和運營維護成本，由英國醫學雜志在1916年、麥克萊克和雷茨在1972年率先提出的現場合成技術在進一步減少運輸成本上獨具競爭力。

3 次氯酸鈉的生成

在電解生產的過程中，直流電源接通電極提供電勢用以分裂化學鍵。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，而是通過兩個階段獲得。反應的第一階段產生H+、Cl?和NaOH。第二階段，Cl?被陽極所吸引，產生氯氣，氯氣與氫氧化鈉在陰極反應產生次氯酸鈉。反應式為：

二 太陽能電離系統的設計

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

實驗以氧化釕為電極，通過增大電極距離，離子遷移至電極的距離增大，導致電池內阻增大，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，通過增大鹽濃度，提高了電極的導電性，使電池內阻減小。

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，可減少電池內阻，優化太陽電池的I-V曲線，并與其功耗相匹配。

實驗在15℃的環境中進行，電解池未達到熱平衡。鹽濃度恒定為0.135mol/L。實驗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，可提供不同強度的光。通過監測電壓和電流的變化，可了解電解體系的內阻變化。

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 太陽能系統設計

如果產品投入商業化生產，設備將會設計成一個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，而線路會在箱體內部進行絕緣處理。此外，在“旅行箱”的外部還會安裝一個“日晷”，用以手動引導模塊瞄準太陽朝向垂直角。電解槽及內部的電極由減壓防震的塑料泡沫保護，濃縮消毒液和氯試紙的容器存放于箱體內部。設備的三維模型如圖3所示。

因為設備將來會投入運營在抗災前線，所以實驗也設計了用以檢驗設備能否正常發揮性能的不同情況。然而，太陽能系統設計并不能涵蓋所有的情況。對此筆者進行了相對最壞情況的分析。通過運用ECOTECT(2010)模擬系統，分析了太陽高度角的傾斜角度不匹配(南緯33?，悉尼)的情況。為應對未來意想不到的低光照強度和溫度變化的情況，選擇安全系數1.2來確保設備能在大多數情況下正常運行。

3 其他設計方案

盡管可通過其他手段使太陽能和電解功率匹配，但報告中詳細闡述的直接耦合技術是性價比最高的選擇。最大功率點跟蹤設備(MPPT)或者電源優化設備可被應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。通過進一步的效益分析比較，直接耦合技術在達到同樣良好的效果下，更加經濟可行。

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

三 總結

本研究調查了光伏發電技術在遠程醫療消毒器件上的應用。此設備能夠提供相對自主獨立工作，攜帶方便，且可持續運行。這項研究的目的是設計發明以上所介紹的經濟可行的太陽能供電遠程醫療系統。

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手提箱狀的模型中，可最大限度地減少旅行及運輸的復雜問題。此項設計允許現場次氯酸鈉的生成，且可存儲使用。生成的次氯酸鈉在不同倍數的稀釋下，可作為傷口消毒劑，用于清潔手術器具表面和飲用水凈化。這一遠程醫療器械可用于多個領域，包括救災、旅游或者探險。

[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.