宋振+陳慶東+侯海玉+王志森+高鑫+王恒亮+化柄淇

摘 要：水體富營(yíng)養(yǎng)化及其防治是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題，超聲除藻技術(shù)是最近幾年提出的一種新型除藻技術(shù)。文章設(shè)計(jì)的超聲除藻船，通過(guò)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波作用于水中藻類，從而抑制藻類生長(zhǎng)，本裝置用太陽(yáng)能電池供電，通過(guò)電機(jī)控制整個(gè)裝置在水面的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：光伏供電；超聲波；除藻；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0024-02

1研制背景及意義

水體的富營(yíng)養(yǎng)化常常導(dǎo)致藍(lán)綠藻大肆生長(zhǎng)，近年來(lái)頻頻造成水華問(wèn)題的爆發(fā)，已報(bào)道的較為嚴(yán)重的地區(qū)有太湖、滇池、巢湖等地[1]。尋求高效、可持續(xù)藻類治理方法已成為迫切需要解決的社會(huì)問(wèn)題?，F(xiàn)有的除藻方法有機(jī)械捕集、藥物除藻、深層曝氣等方法，這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，機(jī)械捕集消耗大量人力物力，藥物除藻，容易造成二次污染，深層曝氣容易對(duì)別的水生生物造成傷害。

超聲波作為一種新型環(huán)境處理技術(shù)，該技術(shù)不引入任何化學(xué)物質(zhì)、效果顯著、操作簡(jiǎn)單、條件溫和，被稱為“環(huán)境友好技術(shù)”，本作品采用的除藻裝置是由超聲波發(fā)生器，超聲波振子，超聲波振板共同作用；電力裝置是由太陽(yáng)能電池板供電，環(huán)保節(jié)能；浮游裝置是由不銹鋼板制作而成，作品總體造價(jià)合理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)本作品能在短期實(shí)現(xiàn)除藻，效果顯著，且不會(huì)引起二次污染，更清潔，更符合節(jié)能減排的主題，市場(chǎng)還未出現(xiàn)同類產(chǎn)品，所以本作品如果生產(chǎn)出來(lái)，應(yīng)用市場(chǎng)的前景也會(huì)非常廣闊。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

超聲波除藻船的電路控制流程圖如圖1所示，系統(tǒng)的能量來(lái)自太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板發(fā)電后，通過(guò)MPPT控制器控制給蓄電池充電，充滿后自動(dòng)斷電。儲(chǔ)存在蓄電池的電能一部分供給電動(dòng)機(jī)，通過(guò)電機(jī)調(diào)速開(kāi)關(guān)，控制螺旋槳的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和螺旋槳的轉(zhuǎn)速。另一部分通過(guò)逆變器，逆變后供給超聲波信號(hào)發(fā)生器和功率放大器，然后通過(guò)超聲波換能器輸出特定頻率和功率的超聲波，通過(guò)單片機(jī)和時(shí)間控制器，控制超聲波的作用時(shí)間。

2.2 太陽(yáng)能電池板控制部分

太陽(yáng)能電池板[2]在太陽(yáng)光的照射下，產(chǎn)生電能。通過(guò)太陽(yáng)能控制器將太陽(yáng)能電池板發(fā)的電輸入到蓄電池中。MPPT太陽(yáng)能控制器可以檢測(cè)主回路直流電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽(yáng)能陣列的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤。

2.3 調(diào)速器控制部分

通過(guò)調(diào)速器[3]的控制，使直流電機(jī)既可以正反轉(zhuǎn)，又可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)浮游裝置的運(yùn)動(dòng)。

2.4 超聲波發(fā)射電路

超聲波[4]實(shí)質(zhì)是指頻率為20千赫～50兆赫左右的電磁波，它是一種機(jī)械波，需要能量載體-介質(zhì)-來(lái)進(jìn)行傳播。圖2 為超聲波發(fā)射部分的電路圖。

2.5 超聲波參數(shù)設(shè)置

國(guó)內(nèi)對(duì)于超聲波除藻效果的研究很多，其中文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]研究了不同的超聲波參數(shù)設(shè)置對(duì)除藻效果的影響。為了更好地達(dá)到除藻效果，本文的超聲波除藻裝置采用了50W、40kHz的超聲波參數(shù)用來(lái)進(jìn)行除藻工作。超聲除藻的原理即是通過(guò)超聲振動(dòng)引起藻類的分子的共振，從而去除藻類。影響除藻效果的因素有超聲波的發(fā)射功率，超聲的頻率，和超聲作用的時(shí)間，作為一個(gè)光伏供電的除藻船，沒(méi)有外部接入能源供給，我們需要考慮超聲的功率不宜太大，我們選用50W，對(duì)于超聲波的頻率，也不是越高越好，我們根據(jù)查閱的文獻(xiàn)，選擇40kHz，超聲振動(dòng)的作用時(shí)間也不是時(shí)間越長(zhǎng)越好，5min的作用時(shí)間基本上就可以對(duì)藻類生長(zhǎng)起到很好的抑制作用，作用時(shí)間太長(zhǎng)，對(duì)藻類的去除幾乎沒(méi)有更好的影響，所以考慮5min，綜合除藻效果與經(jīng)濟(jì)效益，本設(shè)計(jì)采用功率為50W，頻率為40kHz的超聲波輻照。

3 作品實(shí)物及除藻效果

設(shè)計(jì)好浮游裝置的整體結(jié)構(gòu)，合理分布好每個(gè)模塊的位置，圖3為浮游裝置的實(shí)物圖，超聲波振子位于浮游裝置的前后和兩側(cè)，更好的除藻，太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)能控制器放在浮游裝置的一端，蓄電池放在另外一端，電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速器和螺旋槳放在浮游裝置的后面，通過(guò)單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，控制浮游裝置的運(yùn)行。超聲波發(fā)生器、逆變器、信號(hào)發(fā)生器放在浮游裝置中央。其次，需要解決好浮游裝置內(nèi)各個(gè)模塊之間同時(shí)工作的關(guān)鍵問(wèn)題，需要考慮到用單片機(jī)控制超聲波發(fā)生器和超聲波振子的供電、逆變器和蓄電池內(nèi)電流的轉(zhuǎn)換以及電動(dòng)機(jī)調(diào)速器控制螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)。

將本小組設(shè)計(jì)的除藻船，放到學(xué)校的池塘中，通過(guò)無(wú)線遙控控制船體的運(yùn)行，本船可以自由任意方向在湖泊上行駛，超聲波振子的工作也通過(guò)遙控完成，可以設(shè)置超聲波的工作頻率和工作時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)小組8月1日-8月3日去池塘的同一次位置進(jìn)行超聲除藻實(shí)驗(yàn)三次，每天8：00，12：00，18：00進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間5分鐘。然后8月8日去觀察除藻效果，發(fā)現(xiàn)本片水域的水質(zhì)明顯變清，藻類變少，大的藻類植物變黃，開(kāi)始枯萎，超聲除藻效果明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文獨(dú)立設(shè)計(jì)了基于光伏供電的超聲處在裝置，并通過(guò)在學(xué)校池塘中進(jìn)行裝置運(yùn)行研究，取得良好除藻效果。本文摒棄傳統(tǒng)的除藻方式，采用超聲除藻方式，能耗低，有效期長(zhǎng)，不會(huì)造成二次污染。本作品供電來(lái)源于太陽(yáng)能，節(jié)能減排，綠色環(huán)保，不需要外部電源，可以獨(dú)立在水面上長(zhǎng)時(shí)間工作，不用擔(dān)心會(huì)因?yàn)殡娏坎蛔阌绊懽鳂I(yè)，利用單片機(jī)自動(dòng)控制浮游裝置的運(yùn)行以及超聲換能器的工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，可以在無(wú)人值守的情況下，長(zhǎng)時(shí)間在水面工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]范功瑞，陳薇，蘇昭越.浮游式超聲除藻裝置的的研制及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（10）：46-49.

[2]崔容強(qiáng)，趙春江，吳達(dá)成.太陽(yáng)能實(shí)用技術(shù)叢書[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]萬(wàn)升云.超聲波檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[5]張光明，常愛(ài)敏，張盼月.超聲波水處理技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[6]秦松，嚴(yán)小軍，曾呈奎.第五屆國(guó)際藻類學(xué)大會(huì)反映的藻類生物技術(shù)的最新進(jìn)展[J].生物工程進(jìn)展，1995（04）：34-39.endprint