太陽(yáng)能智能除霾窗的設(shè)計(jì)與研究

陳 瑛， 曹 進(jìn)， 王 洋， 胡元斌， 李佳麗

（樂(lè)山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000）

0 引言

霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)，霧霾是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，尤其是PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5微米的顆粒物）被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”[1]。當(dāng)前，我國(guó)環(huán)境污染的形勢(shì)已不樂(lè)觀，霧霾天氣時(shí)常出現(xiàn)在我國(guó)的大部分城市，特別是在冬季，霧霾天氣更是頻頻出現(xiàn)。在霧霾嚴(yán)重時(shí)，很多城市居民甚至不敢出門(mén)也不敢開(kāi)窗戶(hù)，擔(dān)心呼吸道受霧霾的影響。雖然很多人在室內(nèi)放置了空氣凈化器，但是沒(méi)有起到根本性的作用[2]。傳統(tǒng)的空氣凈化器能夠過(guò)濾空氣中的一些固體顆粒物和部分有害氣體，但是它是使室內(nèi)的空氣不斷地循環(huán)，沒(méi)有新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)，長(zhǎng)期如此會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣的含氧量越來(lái)越低，最后不適合人類(lèi)呼吸所用。因此，如果長(zhǎng)期處于一個(gè)封閉的室內(nèi)環(huán)境，對(duì)身體健康也是不利的，人類(lèi)的生存需要有新鮮的空氣進(jìn)入室內(nèi)以保證新陳代謝的需要。如果能設(shè)計(jì)一款空氣凈化器在霧霾天氣時(shí)不用關(guān)窗戶(hù)，就能凈化被污染的空氣，將凈化后的新鮮空氣源源不斷地引入室內(nèi)，那么將解決這一問(wèn)題。

本文所介紹的太陽(yáng)能智能除霾窗能夠?qū)崿F(xiàn)在霧霾天氣時(shí)使進(jìn)入室內(nèi)的是潔凈的可供人們正常呼吸的空氣。該太陽(yáng)能智能除霾窗是一個(gè)利用清潔能源供電，改善進(jìn)入室內(nèi)的空氣質(zhì)量的空氣凈化器。與傳統(tǒng)的空氣凈化器不同的是它凈化的是室外的空氣，并不斷地向室內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣。

1 太陽(yáng)能智能除霾窗的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能智能除霾窗共分為供電模塊、凈化模塊和檢測(cè)模塊等三大模塊。供電模塊是以作為雨棚的太陽(yáng)能電池組件發(fā)電，以蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，以小型逆變器作為直交流電的轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)建一個(gè)完整的供電系統(tǒng)為整個(gè)凈化系統(tǒng)供電；凈化模塊以活性炭、二氧化鈦和HEPA作為空氣的過(guò)濾裝置，以超聲波霧化器霧化魚(yú)缸里的水以吸附被污染空氣中的顆粒物，達(dá)到多重凈化空氣的目的；檢測(cè)模塊設(shè)置PM2.5傳感器、PM10傳感器和水質(zhì)濁度傳感器，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)[3-4]。

1.1 供電模塊

該除霾窗是以居民家中常見(jiàn)的飄窗作為載體來(lái)設(shè)計(jì)的，供電模塊中的太陽(yáng)能電池組件面積較大易占空間，其形狀為長(zhǎng)方形，且不懼風(fēng)雨，將其設(shè)計(jì)為飄窗的雨棚。這樣設(shè)計(jì)不僅將占地的電池組件安裝妥當(dāng)而且還可以節(jié)約居民安裝雨棚的費(fèi)用。以處于北半球的中國(guó)為例，應(yīng)將作為雨棚的太陽(yáng)能電池組件安裝在朝南的窗戶(hù)上，且安裝時(shí)有一定的傾角，這樣安裝是為了接收到更多的太陽(yáng)能資源，以最少的太陽(yáng)能電池發(fā)最多的電[5]。

該模塊中太陽(yáng)能電池組件選用的是由項(xiàng)目組成員制作的，功率為100 WP、開(kāi)路電壓VOC為22.6 V、工作電壓為20 V、開(kāi)路電流ISC為5.65 A的組件；儲(chǔ)電設(shè)備選用的是電壓為12 V，容量為105 AH的鉛酸蓄電池。該除霾窗不僅需要直流電還需要交流電，因此供電模塊還需要離網(wǎng)的逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供凈化設(shè)備使用。為此，項(xiàng)目組為該模塊選用了一臺(tái)1千瓦的小型逆變控制一體機(jī)，該一體機(jī)不僅能夠控制對(duì)鉛酸蓄電池的充放電，而且能夠?qū)⑿铍姵氐?2 V直流電逆變?yōu)?20 V的交流電。白天有陽(yáng)光的時(shí)候，太陽(yáng)能電池組件發(fā)電，通過(guò)逆變控制一體機(jī)給蓄電池充電，用電全部通過(guò)蓄電池放電，直流電則直接通過(guò)蓄電池放電即可，如需220 V交流電則需要通過(guò)逆變控制一體機(jī)將蓄電池的 12 V直流電逆變?yōu)?220 V的交流電供外部使用。至此供電模塊全部設(shè)計(jì)完畢，既能夠保證系統(tǒng)中的一些小型元器件使用直流電，也能夠保證系統(tǒng)中的水泵等使用符合要求的交流電，為該除霾窗提供了清潔而又穩(wěn)定的電力保障。該模塊整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源模塊

1.2 凈化模塊

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能智能除霾窗是以居民家的飄窗和魚(yú)缸為載體，該裝置中的空氣凈化模塊主要依托于放置在飄窗上的觀賞魚(yú)缸[6]。觀賞魚(yú)缸中飼養(yǎng)幾條金魚(yú)和清道夫魚(yú)，并放上一些易活的水草[7]。凈化模塊放置于觀賞魚(yú)缸的頂部，同時(shí)作為魚(yú)缸的蓋子。凈化模塊的第一層為一個(gè)中間有許多小孔的有機(jī)玻璃，且周?chē)c魚(yú)缸用橡膠墊緊密結(jié)合，使空氣從中間的小孔冒出。在該有機(jī)玻璃蓋的上層是凈化層，作為該凈化模塊的第二層。凈化層中主要由工業(yè)級(jí)HEPA過(guò)濾網(wǎng)、高效活性炭過(guò)濾網(wǎng)和二氧化鈦過(guò)濾網(wǎng)組成，三層過(guò)濾網(wǎng)由下而上依次疊放[8-10]。在凈化層頂部再蓋上一個(gè)裝有兩個(gè)抽氣風(fēng)扇的有機(jī)玻璃蓋，構(gòu)成整個(gè)凈化模塊。凈化模塊中各層的邊緣均采用橡膠進(jìn)行密封，避免空氣從各層之間的縫隙流動(dòng)，保證空氣從凈化層的第一層經(jīng)由凈化層最后通過(guò)第三層頂蓋單向通過(guò)。該除霾窗的凈化模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 凈化模塊結(jié)構(gòu)

該除霾窗空氣凈化過(guò)程的第一步是由觀賞魚(yú)缸里的水對(duì)空氣進(jìn)行凈化。由窗外抽進(jìn)來(lái)的空氣，在經(jīng)過(guò)魚(yú)缸中的水冒出的過(guò)程中，空氣中較易溶于水的顆粒物和部分易溶于水的有害氣體將被水溶解，形成了對(duì)污染空氣的首次凈化。空氣從水面冒出后首先經(jīng)過(guò)工業(yè)級(jí)的HEPA過(guò)濾網(wǎng)，這個(gè)過(guò)程中空氣中的大部分顆粒物將被阻擋在HEPA的下側(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣的第二次凈化。然后，空氣會(huì)經(jīng)過(guò)高效活性炭過(guò)濾網(wǎng)，此過(guò)程中空氣中的部分苯、甲醛、氨氣等有毒有害氣體將會(huì)被活性炭吸附，該過(guò)程有效除去了污染空氣中的氣態(tài)污染物及有害惡臭物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣的第三次凈化。接下來(lái)，空氣會(huì)進(jìn)入二氧化鈦過(guò)濾網(wǎng)，該層為涂抹了二氧化鈦的聚酯纖維網(wǎng)，在紫外光的照射下二氧化鈦能夠使甲醛、鹵代烴等有害氣體氧化，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣的第四次凈化（該過(guò)程所需的紫外光發(fā)光二極管設(shè)置在頂蓋上）。最后，在凈化層上蓋上頂蓋即完成了該模塊，為了加速空氣的流動(dòng)，在頂蓋上安裝了兩個(gè)向上抽氣的風(fēng)扇。另外，魚(yú)缸內(nèi)設(shè)置一臺(tái)水泵，使魚(yú)缸里的水不停地循環(huán)流動(dòng)，循環(huán)過(guò)程中要經(jīng)過(guò)水體凈化器，以免魚(yú)缸里的水變質(zhì)過(guò)快[11-12]。

1.3 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要包塊空氣質(zhì)量檢測(cè)和水體質(zhì)量檢測(cè)兩個(gè)部分。空氣檢測(cè)裝置采用89C51為系統(tǒng)主控芯片，LCD12864為液晶顯示，SDS011高精度PM2.5傳感器模塊和PM10超灰塵粉塵傳感器模塊作為采集空氣質(zhì)量的采集器。檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框

空氣檢測(cè)裝置一共設(shè)置兩個(gè)，窗外安裝一個(gè)用于檢測(cè)室外的空氣質(zhì)量，當(dāng)空氣質(zhì)量劣于設(shè)定值時(shí)除霾窗將啟動(dòng)工作直至室外空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于設(shè)定值時(shí)停止；魚(yú)缸蓋上的空氣出口處安裝一個(gè)空氣檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)凈化后的空氣質(zhì)量，當(dāng)用戶(hù)發(fā)現(xiàn)凈化效果明顯下降時(shí)及時(shí)更換魚(yú)缸蓋中的過(guò)濾材料。另外在魚(yú)缸內(nèi)還設(shè)置了水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置，主要以SEN0189水濁度傳感器為核心部件來(lái)設(shè)計(jì)，用于檢測(cè)魚(yú)缸內(nèi)的水質(zhì)，當(dāng)水質(zhì)低于用戶(hù)設(shè)定值時(shí)提醒用戶(hù)更換魚(yú)缸內(nèi)的水。

傳感器采集數(shù)據(jù)顯示至液晶顯示屏的軟件設(shè)計(jì)流程框圖如圖4所示：

圖4 液晶顯示軟件流程

2 太陽(yáng)能智能除霾窗的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)中以一個(gè)5升的玻璃罐模擬觀賞魚(yú)缸，以一個(gè)50升的亞克力箱子模擬房間，模擬房間設(shè)有出氣孔，出氣孔只能出氣不能進(jìn)氣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在模擬房間外放置一根點(diǎn)燃的蚊香以制造被污染的空氣，放置在室外的空氣傳感器采集到室外空氣劣于用戶(hù)設(shè)定值，啟動(dòng)整個(gè)除霾裝置。抽氣機(jī)將室外被污染的空氣不斷地送入模擬魚(yú)缸中，空氣通過(guò)魚(yú)缸中的水冒出，然后經(jīng)魚(yú)缸蓋中的過(guò)濾材料冒出到模擬房間內(nèi)，房間內(nèi)設(shè)置的空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置顯示凈化后的空氣質(zhì)量參數(shù)。這樣被污染的空氣經(jīng)過(guò)水、HEPA、活性炭和二氧化鈦的凈化及過(guò)濾后觀察凈化后的空氣質(zhì)量是否達(dá)到凈化要求。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意記錄室外空氣檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)和室內(nèi)空氣檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比足以說(shuō)明此除霾窗是否具有凈化室外空氣的效果。

為了模擬長(zhǎng)期凈化水質(zhì)受到污染的情況，向魚(yú)缸內(nèi)第一滴墨水，水質(zhì)檢測(cè)模塊檢測(cè)到水質(zhì)情況較差立刻屏幕閃爍提醒用戶(hù)換水。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在此以實(shí)驗(yàn)中較好的一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖分析，實(shí)驗(yàn)效果如圖5所示：

圖5 空氣檢測(cè)裝置PM2.5讀數(shù)隨點(diǎn)燃蚊香時(shí)間變化曲線

由圖5可以看出當(dāng)室外點(diǎn)燃蚊香后，致使室外的空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置讀數(shù)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到上限值，顯然室外空氣被污染。室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置的PM2.5讀數(shù)隨著蚊香被點(diǎn)燃，雖然也有緩慢上升，但較室外被污染的空氣而言還能夠被人類(lèi)用于呼吸。由此說(shuō)明該太陽(yáng)能智能除霾窗能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的效果，使室外被污染的空氣凈化后進(jìn)入室內(nèi)，凈化效果明顯。

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