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1、第一章、 前言 1.1、课题研究的目的与意义 课题研究的目的 解决养殖水体增氧设备的供电问题，满足养殖大户的生产需求。 课题研究的意义 由于在高密集养殖情况下，养殖水体会大量缺氧，所以需要增氧设备给水体增氧，确保鱼类健康的存活与生长，然而，很多养殖场地都是远离都市和城镇，目前我国主要使用物理增氧的方法，需要电缆供电，路途遥远，成本大，维护起来也很不方便，设备运行所需供电很不方便，所以，本课题研究太阳能光伏系统发电可以有效的解决水体增氧设备的供电问题，太阳能随地随时可取，使用方便。人们可以利用太阳能光伏设备进行日常的生产经营，另外太阳能是世界上最绿色的能源，有利于世界环保事业的发展和进行，因此，
2、研究此课题项目意义重大，刻不容缓！ 1.2、国内外该技术现状与技术应用 在水产养殖方面，增氧机是不可缺少的重要部分，高密度水产养殖必备设备之一，起着至关重要的组成部分，在 2012 年，我国水产养殖面积已经达到 256.68 万 Hm2,国内各类增氧机的年需求量大约在 80 万台左右。 也随着水产养殖的增氧技术地发展，各式各样的增氧设备不断出现，如北京市环保局与北京自动化研究所联手研制成功的“太阳能水体增氧机” ，大大改善了传统的增氧机，为北京的水污染治理提供了强有力的贡献，利用太阳能光伏技术，大大减少了对传统电动力的依赖性，使用方便，成本低，效率高的优点，使我国的水体增氧用太阳能光伏发电系统
3、技术迈向成熟期。另外，我国的水车式增氧机利用太阳能供电技术也在进一步的研究和应用。在新一代的增氧机中，也涌现出“微孔曝气增氧机” 、 “涌浪式增氧机”和“细泡沫生成器增氧机”等先进增氧设备,其中，通过电火花腐蚀制造出的细泡沫生成器比较先进，但仍然在进一步完善中，如今，太阳能光伏发电式增氧机也正在研究和发展！ 相对于国内，国外增氧机也发展迅速，美国 KEETON 公司研发 SB 系列的 7 种类型的太阳能光伏发电增氧机，根据池塘的面积大小制定特定的工作运行方案满足养殖需求，这种设备应用于高密度水产养殖池塘、湖泊等，不在需要接任何的电缆线，可在任何环境下工作。近几年，美国专利局公布了众多有关太阳能
4、水体增氧方面的专利，如：水体增氧站、太阳能水体调节仪等。 1.3、该技术研究存在的问题 目前，人类对太阳能的利用是将太阳能通过某种半导体元件的光伏效应直接转换成电能或者热能，在 20 世纪 50 年代，太阳能技术的利用取得了 2 项历史性突破：美国研制出 6%实用型单晶硅电池和以色列发表了选择性吸收表面概念和理论，而且成功的研究出选择性吸收太阳能的涂层。随着太阳能技术的迅速发展，如今出现了诸多太阳能光伏产品，如：太阳能热水器，太阳能建筑，太阳能热能发电等，给人类生活带来了巨大的变革1！然而，在太阳能技术利用方面虽然相比以前有重大突破，可是应用领域依然狭小，利用效率低，用于发电方面，生成成本高和
5、设备维护费用高依然是个世界性难题1！ 在养殖水体增氧技术方面，目前，增氧方式主要有物理增氧、化学增氧与生物增氧这几种方式，其中常见的也是物理增氧方式比较多，随着我国的渔业生产的逐年增多，市场上也出现了各种各样的增氧机，如：叶轮式增氧机、水车式增氧机、喷水式增氧机、射流式增氧机、微孔曝气式增氧机等，这些设备的研发大大的促进了渔业养殖业的迅速发展。然而，问题来了，虽然增氧机的种类很多，但是主要存在以下二大类问题：1.增氧机的动力供电问题，一般增氧机都是依赖于家用电或者电缆供电，但是，养殖鱼塘地理位置都处于偏远地区，单独架设电缆成本很高，并且不安全；2.增氧效率低下，大部分增氧机都是依赖于溶氧原理制
6、作的，也就是增加池塘里水与空气的接触面，将空气中的氧气溶于水中，可是这种方式得增氧效果却十分低下，并且目前的增氧机能耗都很大2。动力电源不便捷、增氧效率低、能耗大是目前养殖水体增氧用增氧机增氧技术的主要问题所在！ 另外在技术方面，我国的太阳能光伏发电技术的核心技术在别的国家，每年都需要向别的国家支付高额的技术费用，很多关键性技术元件都需要从国外进口，造成了制作成本高等问题，我国现有的该方面的技术知识产权较少，很多方面都要受控于他国4！ 市场方面，我国国内光伏产业市场发展的很缓慢，大约 98%的产品都是出口国外，国内市场比较薄弱，仍需大力开发国内市场4！ 在环境方面，虽然太阳能是清洁能源，但是太
7、阳能的原材料的加工制造都是一些重污染产品，制作过程中会排放出诸多的有毒有害物体，所以，我国在环境污染处理方面的技术也需要有突破性发展才可以促使太阳能光伏发电系统技术的大力发展4！ 总体来说，根据现有的技术，将太阳能发电系统与增氧机供电系统有机的结合在一起存在着在诸多方面的问题，发展道路任重而道远！ 1.4、太阳能光伏发电系统用于增氧机技术的发展趋势 21 世纪开始，新能源开发迅速发展，尤其是太阳能光伏发电技术的发展突飞猛进，但是，一般大的太阳能光伏系统项目的建立，投资成本巨大，技术复杂，实地考察困难，易收到各种天气等不可控因素的影响，如今的发展，我们要突破传统技术的局限，克服传统的技术性难题，
8、未来的太阳能光伏发电系统的发展必将是高效率化，低成本，高技术水平，智能化控制，网络化，信息化，流动办公化，可视化，环境友好化发展趋势3！ 1.5、本课题研究内容 本课题是针对太阳能光伏发电系统在养殖业水体增氧方面的应用，主要研究该地区的光照强度与太阳能发电量的关系以及在不同天气环境下的日发电量的问题，另外，设计一整套养殖水体增氧用太阳能提供能源的工作系统，并测试该系统的增氧效果，得出相关结论以及评论。 1.6、需要解决的技术关键 1、设计组装一套太阳能光伏发电系统； 2、设计并组装制作一台水车式增氧机，改善往年的船体漏水，叶片松动等问题； 3、严格按照要求进行各项实验的设计与操作。 第二章 需
9、求分析和总体设计方案 2.1、水产养殖业中的机械增氧设备的作用以及需求 水产养殖业是农村经济发展的重要组成部分，也是广大农民发财致富的重要途径，然而传统的水产养殖业却受到各种环境等客观因素的影响，得不到快速的发展，其中主要限制因素是与养殖水体含氧量有很大关系。水体中的氧气多少会直接影响着鱼类的进食、生长的速度以及存活率，要想提高养殖业产量，就必须首先要增加水体中的溶氧量，一般的情况下，人们采用物理增氧、化学增氧、机械增氧的方式来提高水体的溶氧量，其中，机械增氧是普遍使用的。如今，随着各方面的经济的快速发展，养殖业也进入了规模化发展阶段，因此，传统的机械增氧设备是不能满足生产的需求了，因此，我们
10、需不断突破各项技术难题，研究出新一代的机械增氧系统设备，促进水产养殖业高速发展，实现产量大增、养殖面积大增、年产值大增，让广大农民的生活迈向更高的水平5。 在养殖业中，水体增氧的主要机械设备也就是增氧机了，传统的增氧机是利用光缆传输供电的，随着养殖业的发展，很多养殖产业地理位置都处于相对比较偏远的地区，对于养殖面积比较大的养殖户来说，电缆供电及其不方便，并且成本巨大，维护成本高，电力传输损失大，这样在一定程度上限制了养殖业的发展6。我国也是一个水产养殖大户，养殖面积大，使用传统的电力供电，每年消耗的电能巨大，而且发电所带来的 CO2 排放量增大，不利于人与环境的友好发展，如今我国的 CO2 排
11、放量已然居于全球第二了16，因此，研发新能源太阳能以迫在眉睫了！2.2、增氧原理 水体增氧的方式很多，但增氧原理是相同的。都是通过氧气扩散原理增氧的，空气中的氧气与水体表面接触形成一层表面膜，在水体中的溶氧量很低时，空气中的大量氧气会通过表面膜溶氧水体中，同样，如果水中的氧气过剩时，氧气会从水体中溢出回到空气中，如此一来水体与空气会达到一个平衡状态，然而这种状态会受到很多因素的影响，如：温度、接触面积、时间和水体的扰动等因素6。为了加速氧气在水体中的传播速度，增氧机的功能是增加水体与空气的接触面积促使更多的氧气溶于水中，另外，增氧机搅动水体，促使水中氧气迅速分散到水体的各个角落，使水体迅速达到
12、预期的溶氧量。 2.3、传统水产养殖业几种增氧机的介绍 2.3.1、叶轮式增氧机 叶轮式增氧机是最近几年普遍使用的增氧设备，其主要作用是以下几个方面： 1、搅动水体时水体底层的水与表层的水发生对流，促使氧气迅速均匀分布到水体的各个水层，进一步让氧气在水体中达到平衡； 2、搅动底层水体，使池塘底层泥土有机物迅速分解，促使水质改善，对鱼类养殖是非常有帮助的。 叶轮式增氧机具有搅水、曝气、增氧等功能，年产量大概在 150000 台左右，其主要组成部件是电动机、机架、叶轮、浮体、减速装置 5 大部件，一般工作功率在 7.5KW。减速装置是降低叶片的转速，从而增加了水跃的直径，提高的增氧效果；叶轮由不同
13、长度的叶片与气管相连接组成的，是搅动水体的重要部件。电动机是通过减速器带动叶轮在水层表面旋转，把底层的水带到了表层，底层水与表层水形成了对流，另外，水体会被叶轮甩到空中，形成“水跃” ，由于压力作用，空气通过气管进入水体，并且被叶片和气管打碎，形成了沸腾状态，从而大大的增加了水与空气的接触面积，加速氧气融入水体的速度，使整个水体的溶氧量和温度在水体的水平与垂直方向上达到了平衡。这种增氧机增氧效果好，动力效率比较高，但是该增氧机工作时噪声比较大，一般用于水深在一米以上的大面积养殖池塘9。 2.3.2、水车式增氧机 水车式增氧机也是有发动机，浮体，叶轮，支架，减速装置五个重要部件组成的，叶轮上一般
14、安装 8 个叶片，叶轮安装在浮体的 2 侧，通过减速装置转动轴与电机相连，由电机提供动力，带动叶片旋转，搅动水体，使水流流动，可是水体中的污染物迅速扩散，延缓水质的恶化，在叶轮的高速转动中，水体表面被抛向空中，大大增加水体与空气的接触面积，有利于空气的氧气迅速溶于水体中。这种增氧机具有很好的增氧效果，曝气效果也比较好，很好的溶解了水体中的有害气体，使有毒有害气体迅速扩散到空气中，一般应用于淤泥较深的养殖池塘里9。 2.3.3、喷水式增氧机 喷水式增氧机工作的时候以水泵作为动力，将底层的水提上来抛洒在空中，再形成像下雨一样的小雨珠或者水柱落下，这样可以增加水体与空气的接触面积，促使空气中的氧气迅
15、速溶于水体，并且具有很好的观赏效果，一般用于小池塘和公园，可以在较短的时间内达到预期的增氧效果9。 2.3.4、充气式增氧机 充气式增氧机主机一般是压缩机或者鼓风机，其工作原理是：将空气进行压缩处理，再通过管路把空气输送到水体的底层，底层管路放出端会将空气处理成一个个小气泡，小气泡在升的过程中，一部分带动水体流动，一部分与水体接触溶氧于水中，达到增氧效果，有的装置还在管路中设置了净化装置，防止空气污染对水体的恶化，一般用于水箱，临时养鱼池，氧虾池中增氧9。 2.3.5、射流式增氧机 射流式增氧机是由高速水泵和射流器组成的，依靠射流原理吸入空气，使空气与水体在管内激烈混合，形成微小的气泡射入水中
16、，达到增氧的目的。射流式增氧机是由水泵和射流管配套使用的，水从射流管口高速射出的时候，会形成负压，从而空气会进入管内，与管内水体在混合室发生混合，并且该增氧机没有机械设备传递动力，所以不会对鱼类产生伤害，能够平稳的增氧，所以一般用于密度比较大的深水鱼池或者鱼苗池中增氧。 通过以上五种增氧机的分析与比较，以及结合学校的实际情况，系统设计中所需要的增氧设备选用“水车式增氧机”是比较合理的，水车式增氧机增氧效果好，制作工艺简单，方便加工制造等优点9！ 2.4、总体方案设计图 通过以上几种增氧机的分析研究，由于水车式增氧机结构不复杂，容易加工、重量轻、造价成本低等优点，因此，本课题确定采用以太阳能自发电驱动的水车式增氧机设备为实验机。实验室用途的太阳能水车式增氧机总体设计装配图如下： 2.5、 水车式增氧机的总体设计方案 2.5.1、气液体转化原理与影响因素。 在液体的机械设备增氧过程中，将空气中的氧气传递到水中，这个过程实质是传质的过程，就目前使用的气液传质理论双膜理论，如果没有别的溶氧源汇合时，水中
