風、光與微生物綜合智能供電裝置

曾睿林

湖南的丘陵地區山塘水資源十分豐富。山塘養魚成本低、收益高，是山民脫貧致富的有效途徑之一。但每當進入高溫的夏季，水體中的魚糞、飼料殘渣以及山上沖下的腐殖土，就會沉入塘底積累發酵，造成水體富營養化并嚴重缺氧，使得水中浮游生物和魚類大面積死亡。此外，不少丘陵地區交通不便，電力線路架設成本很高。為了解決偏遠地區山塘充氧養魚的電力問題，防止水體黑臭和漁業災害發生，我設計了這個風、光與微生物綜合智能供電裝置。

本設計是含風電、光伏及微生物燃料電池組件，且產、蓄、供一體化的綜合高效電力裝置，可適應各種用電情況。其主要組成部分包括風、光發電組件，微生物電池，電源控制器，蓄電池組，逆變器，光合菌LED補光燈，魚池，魚糞及飼料殘渣排出管道和微生物電池廢渣排出管，如圖1所示。

該裝置的工作原理如下：利用風力、陽光及微生物發電，電力通過電源控制器優化管理后導入蓄電池組；蓄電池組可接直流負載，也可以先接入逆變器，然后接交流負載；電力可直接用于魚池的充氧設備，及夜間照射光合菌的LED節能燈；LED節能燈會和陽光一般照射水中藻類，產生能久溶于水體的氧氣微泡，促進魚類快速健康生長；光合菌吸收水中的氨、氮、磷和有機物，既可凈化水質，又能做魚類的綠色飼料，降低養殖成本，抑制水體富營養化；魚池底層的殘余飼料和魚糞經連通管進入微生物電池體，用于發電；電化學反應后的廢渣廢液是潔凈無毒的綠色肥料，被水稻等植物吸收過濾后，回流到魚池。

（一）微生物（燃料）電池模塊

微生物（燃料）電池是以微生物作為催化劑，將有機物中的化學能轉化為電能的裝置，由陽極區和陰極區組成，中間用質子交換膜分開，如圖2。

淀粉類殘余飼料和魚糞中的有機物作為燃料，在厭氧的陽極區被微生物氧化，其間產生的電子會被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達陰極，從而形成回路產生電流，而質子則會通過質子交換膜到達陰極區，與電子受體 （氧氣）反應生成水。

胺類等有機物同葡萄糖一樣，作為還原劑失去電子，從而被氧化為二氧化碳、氮氣和水。

微生物電池是收獲微生物代謝過程中生成的電子，并引導電子產生電流的系統。其功率輸出取決于系統傳遞電子的數量和速率，以及陽極與陰極間的電位差。由于生物電池并非一個熱機系統，避免了卡諾循環的熱力學限制，因此其化學能轉變為電能的最大效率有可能接近100%。上述微生物電池能夠產生直流電且電壓范圍為0～0.7V，因此我將多個微生物電池串聯成電池組，然后將多個電池組并聯成微生物電池機構，其外殼設置有與蓄電系統匹配連接的外接陰、陽極，經控制器接于蓄電系統輸入端正、負極。

（二）風、光發電及智能蓄供電模塊

1. 發電模塊

為了抵抗風、雪、冰雹等惡劣的天氣，我認為在風力發電機選型時最好是選低速型磁懸浮風力發電機，因為它發電效率高、結構簡單、質量穩定。選擇太陽能電池時，我認為可選用高性價比的薄膜光伏電池組件，因為它效率高、壽命長、安裝維護方便。而蓄電池組則可選用新型的高能閥控式密封石墨烯鉛酸蓄電池，因為它具有蓄能多、放電功率大、充電更迅速、循環壽命長等優良性能。

2. 智能蓄供電模塊

（1）充電裝置的設計

蓄電池組均充管理控制系統主要由蓄電池組、蓄電池電壓檢測裝置、恒流定充電裝置、電池自動切換裝置，以及可編程邏輯控制器組成。我對蓄電池組采用分只分時均充管理方法，其基本思路是：每次只對一只蓄電池的電壓進行檢測，如需要充電則對其進行充電，否則將當前蓄電池斷開，切入下一只蓄電池，一直檢測完整組蓄電池，完成一個循環，實現對蓄電池組中每只蓄電池的均勻管理。該均充方法能保證單個蓄電池及整組蓄電池均不會發生過充電和過放電，可降低單只電池的損壞率，提高蓄電池組的使用效率。

（2）直流轉換模塊

為了充分利用低速風能、弱光照和低壓生物電池效率，增大裝置的輸出功率，本裝置選用上海穩利達40A數字化雙向充電模塊，可以對電壓、電流、溫度進行設置、修改、采樣、監控。該模塊采用全數字化PWM模式，抗干擾能力強，能達到三種電源互補融合、穩定高效的目的。

風能和光能產生的電能儲存后，可在夜晚或陰雨天使用。只要溫度合適，魚池底層的殘餌糞便會連續不斷地轉化為電能輸出，不受光照的限制。這三種電能通過本智能裝置的發電、蓄電及充放電綜合管理，可以高效利用風、光及生物能源，提高輸出電能效率，服務于偏遠山區漁業，達到增產增效的目的。

（指導教師 段家鐵 編 輯 白 鳥）