光伏發電技術在農村家庭直飲水機中的應用

　　摘 要：為了解決農村飲水安全問題，以單片機為控制核心，光伏電池作為電源模塊設計了一款光伏家庭型純水直飲機.該系統集太陽能光伏發電技術、純凈水超濾和反滲透膜技術、人機交互觸摸屏技術于一體，并利用 PVsyst 對光伏模塊進行了相應的優化設計與建模仿真 . 多組實驗結果表明：在 5 級處理工序中，第 3 級反滲透(RO)過濾系統的過濾性能最好，電導率降低比可達95%以上，且產出水質的電導率均滿足國家飲用水標準，驗證了本系統的安全性與可行性.

　　關鍵詞：直飲水機;太陽能光伏發電;人機交互;PVsyst建模;農村地區

　　海濤; 任婕靈; 黃光日; 李梓琿， 廣西科技大學學報 發表時間：2021-11-12

　　引言

　　太陽能光伏發電技術在世界各地廣泛應用.據歐洲光伏產業協會(EPIA)報道，截至 2019 年底，全球累計光伏裝機容量達626 GW，太陽能光伏市場正以20%~30%的速度增長.尤其在中國第四次科技革命中，光伏發電技術將結合物聯網等技術走向 “光伏4.0”時代.

　　當代水處理技術中，反滲透技術是一種新型、高效的膜分離技術，已得到廣泛應用.在歐美家庭中，反滲透凈水機的普及率均達 80% 以上，而在中國，反滲透凈水機于 1995 年才進入國內市場，隨后應用于電力、化工、醫藥、食品等行業.我國農村的水源主要來自地下水，近幾年，工業發展破壞了生態平衡，許多地方地下水受到嚴重污染.長期飲用被污染的水源會對人體的骨骼、皮膚、腸胃等產生巨大傷害[1] .據調查，凈水器的使用在農村地區尚處于宣傳階段，所以凈水器在農村具有巨大的發展潛力[2] .

　　目前，直飲水機主要應用的凈水技術有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)4 種，且大多數直飲水機適用于水污染較輕的城市地區. 針對農村受污染嚴重的地區，結合超濾和反滲透技術進行設計，在反滲透(RO)系統前增加前置過濾系統(PP棉過濾)、超濾(UF)，對RO起到保護作用;在反滲透(RO)系統后增加超純過濾系統(EDI裝置、 UV水循環)，加強凈化作用，改善口感.同時，為響應國家“光伏扶貧”政策，利用農村房屋結構特點，采用光伏發電技術給直飲水機設備供電.

　　本文以湖北省襄陽市襄州區某村為例，對該地區的太陽輻射量、水質、人均用水量進行勘測和統計，綜合考慮經濟效益，對純水一體機做了針對性的設計.該系統以單片機作為控制核心，太陽能光伏作為電源模塊，以串口觸摸屏為人機交互界面，通過固態繼電器控制，實現超濾、反滲透等，最終產出高質量的純水.

　　1 制水系統過程實現要求

　　高純水制備系統如圖 1 所示，主要包括 PP 棉過濾、超濾(UF)系統、反滲透(RO)純化系統、 EDI 裝置、高純水循環系統 5 大部分[3] ，各部分的作用如下所示：第1部分，原水進入水管，通過溫度傳感器和水質傳感器來檢測原水的狀態，PP 棉過濾作預處理，當自來水壓力達到設定值時，低壓開關閉合，接通制水電路;當無水源經過或預處理濾芯堵塞時，低壓開關斷開，切斷制水電路，保證泵不空轉[4] .第2部分，流水經過超濾(UF)進行過濾后，需要再檢測一下水質狀態，以驗證超濾系統的效果. 第 3 部分，保安過濾器和高壓泵給流水加壓，提供反滲透(RO)膜所需的工作壓力，由反滲透(RO)過濾后，通過TDS檢測水質狀態;按照國際飲水標準，廢水比設定為1∶3[5] .

　　第4部分，經EDI除鹽裝置過濾后，水質已經達到純水標準，存入儲水桶，當儲水桶壓力達到設定值時(約0.25 MPa，此時壓力桶水滿)，高壓開關斷開，切斷制水電路，整機停止制水;當儲水桶壓力下降到設定值時(<0.2 MPa，此時壓力桶水淺)，高壓開關閉合，整機恢復制水.儲水桶內安裝有液位傳感器，實時監控桶內儲水狀態. 第5部分，超純水取水，儲水桶的純水經波長為254 nm和185 nm的紫外線燈殺菌后得到超純水.

　　2 系統設計

　　2.1 系統整體設計

　　系統主要分為 4 大部分：發電系統、制水系統、控制系統、顯示系統.發電系統為分散式小型聯網光伏發電系統，由太陽能電池陣列、控制器、轉換器、逆變器、負載組成[6] ，供電給反滲透(RO)制水設備及控制部分;制水系統由制水設備、傳感器、電磁閥、泵、儲水桶等組成;控制系統由單片機最小系統、固態繼電器、AC/DC 信號處理器等組成;顯示系統有串口觸摸屏和物聯網云終端.系統整體原理框圖如圖2所示.

　　主控制模塊選用意法半導體低功耗的STM32F 103VET6 芯片作為主控單元，該芯片擁有高達 72 MHz 的工作頻率、512 kB 的閃存程序存儲器、嵌套的向量式中斷控制器、一流的外設以及3×16位的高精度AD轉換模塊.表1為單片機I/O分布列表.

　　2.2 光伏發電控制系統電路設計

　　光伏發電能力取決于天氣狀態，在無光照的陰天或晚上需要蓄電池或電網供電，調度需要控制系統完成.光伏發電控制系統電路圖如圖3所示.

　　假定光伏組件的輸出功率為QPV，負載消耗功率為QL，光伏電池存儲功率為QB.由于光伏組件的輸出功率是一個動態變化的過程，因此，可分為以下3個情況來討論：

　　1)當 QPV>QL 時，光伏產生的電能不僅向負載供電，還可通過蓄電池將電能存儲，若仍有剩余電能，可通過逆變器將其輸送至電網. 2)當 QPV=QL 時，光伏陣列直接給負載供電，蓄電不工作. 3)當QPV向負載供電，若負載耗電過多，電網與蓄電池同時向負載供電.

　　2.3 影響光伏發電量的主要因素及仿真

　　光伏發電量的大小直接影響制水設備及其他家電正常運行.為獲得光伏最大發電量，保證制水設備等其他家電正常運行，需要對影響光伏發電量的主要因素進行分析與研究，確定光伏組件的參數[7] .

　　2.3.1 太陽光日照分析

　　在進行日照分析時，可將太陽視為一個無限遠處的點光源.隨著時間推移，太陽在一天中沿著軌道有規律地運行，其軌跡具有連續性.太陽運動軌跡由太陽高度角和方位角共同決定，太陽高度角和方位角的理論計算模型如下[8] ： H = arcsin [sin θ sin β + cos θ cos β cot T ] (1) β = 23.5 sin [(n - 80.25) (1 - n 9 500 ) ] (2) α = arcsin (cos β sin T/ cos H ) (3)式中：θ為所在地區的維度值，β為赤維度，T為時間，n為總天數，α為太陽方位角，H為太陽高度角.

　　襄陽市位于北緯31°14′~32°37′ ，東經110°45′~ 113°43′ ，海拔121.6 m.以該市的氣象數據為基礎，利用Ecotect軟件對8月某日的太陽所處位置進行分析，結果如圖4所示.

　　2.3.2 太陽輻射量的分析

　　傾斜面上的太陽輻射總量HT由直接太陽輻射量 Hb、天空散射輻射量 Hdt和地面反射輻射量 Hrt 3 部分組成.天空散射輻射可用Hay模型來計算，其數學表達式為[9] ： Hdt = Hd [ Hb Ho Rb + 1 2 (1 - Hb Ho ) (1 + cosU ) ] (4)式中：Rb 為傾斜面與水平面上直接輻射量之比， Ho為大氣層外水平面上太陽輻射量，U為傾斜面的傾角.因此，求傾斜面上太陽輻射量的公式可改為： HT = HbRb + Hd [ Hb Ho Rb + 1 2 (1- Hb Ho ) (1+ cos U ) ] + 1 2 dH (1 - cos U ) (5)式中：H為水平面上總輻射量，d為地面物體表面反射率.通常最后一項地面反射輻射量很小，只占 HT的百分之幾，可忽略.

　　傾斜面上接收到的太陽輻射量計算過程繁瑣，可利用Pvsys軟件模擬出傾斜面上接收到的太陽輻射量，并對光伏系統的發電量進行模擬計算.以襄陽市2019年氣候條件(Meteonom數據)為基礎，在 Pvsys軟件對月輻射量、散射輻射量、環境溫度及風速等進行仿真分析，仿真結果如圖5所示.

　　2.3.3 太陽能光伏組件的方位角與傾斜角的選定

　　在我國，太陽能電池的方位角一般都選擇正南方向，使太陽能電池單位容量的發電量最大.在偏離正南(北半球)30°時，方陣的發電量將減少10% ～15%[10] .不同方位角下，光伏板發電效率不同.不同方位角下的相對發電量如圖6所示.

　　圖7為不同入射角傾斜面接受到的輻射量示意圖.如圖7所示，不同的傾斜角度下，光伏組件接收到的太陽輻射量不同，需確定一個最佳傾角以保證獲得最大的太陽輻射量.以襄陽市的氣候條件為基礎，在光伏組件布置朝向為正南方向的情況下，利用軟件Pvsyst對最佳傾角進行仿真分析，仿真結 果如圖8—圖9所示.

　　由仿真結果可知，輻射量并不是隨著傾斜角度的增加而增加，而是呈現出拋物線的趨勢.本次仿真得出的最佳傾斜角度為 22°，在這個傾斜角度下，傾斜面可接收到的太陽輻射量為1 230 kW·h/m2 . 此外，PV組件在進行安裝布置時，盡量避開周圍建筑物或樹木等產生的陰影[11] .

　　3 系統軟件設計

　　3.1 光伏發電控制系統程序流程

　　光伏發電控制系統的運行受太陽輻射量、蓄電池狀態、負載用電需求等影響.由于光伏發電量隨天氣變化具有較大的隨機性，因此，能源控制需考慮各種運行狀態及其之間的切換.光伏發電控制流程圖如圖10所示.

　　3.2 直飲水機程序流程

　　圖 11 為凈水系統的總體工作流程：系統開機后，觸摸屏顯示主界面，檢測液位信息和報警信息，確認正常后進行觸摸鍵檢測，可選擇純水制備的功能，確認后運行;通過界面設置參數，當制備純水達標后或設置運行時間達到后，設備斷電，運行結束.

　　4 系統測試結果分析

　　4.1 整體測試

　　為 驗 證 該 方 案 是 否 可 行 ， 對 水 質 進 行 檢測 .21 ℃條件下，取當地水溝里的水源作為樣本(其電導率為1 271.45 μS/cm)進行TDS污水檢測. TDS檢測方式是常用的家庭生活用水檢測工具，能直接反映水質狀況以及凈水器各過濾系統的凈水能力.實驗結果如表2所示.

　　單純依賴 TDS 水質測試來判斷水質是否能直飲并不是最全面的方法.因此，按照國家標準《生活飲用水衛生標準》GB 5749—2006的各個項目對 表 2中過濾后得到的飲用水進行檢測，探究制水設備得到的飲用水是否滿足相應的指標要求.檢測結果如表3所示.

　　由實驗結果可知：水源經過第 1 級 PP 棉過濾系統后，色度降低，無肉眼可見物，但仍有異味、水質差，說明第 1 級 PP 棉過濾系統僅對大體積的物質起到過濾作用和降低水濁度;水源經過第2級超濾系統后，無異味，但電導率依舊很高，水質差;第 3 級反滲透(RO)系統開始工作后，水質明顯提升，廢水排放多;在第4級EDI除鹽裝置和第 5級UV殺菌作用下，水質狀況得到提高.串口觸摸屏最終結果分析顯示界面如圖12所示.

　　整個過程共耗時114 min，共產12 L純水，流量為 7.8 L/h. 經測試，本系統基本可以達到要求，依次實現超濾(UF)、反滲透(RO)、EDI裝置、高純水循環等技術功能，產出純水或超純水 . 同時，實時顯示產出純水的水溫、液位及水質檢測狀況.

　　4.2 多樣本測試

　　為進一步驗證本文所設計的直飲水機的安全性與有效性，在進水水溫為21 ℃的條件下，取10組不同的污染水源為樣本，分別對10種未處理水樣進行過濾實驗，并分別統計出每一級過濾系統產水的水質狀況進行比較分析 . 其中，第 1 級為 PP 棉，第2級為超濾，第3級為反滲透(RO)過濾系統，第 4 級為 EDI 除鹽裝置，第 5 級為 UV 殺菌 . 10 組污染水源樣本過濾后的實驗數據如表4所示.

　　由表4可知，經過4級過濾裝置后，10組水樣的電導率相較最初的電導率顯著降低.為了更直觀地觀察出各級過濾裝置的過濾效果，對表4的數據進行曲線化處理，處理后的結果如圖13所示.

　　由圖 13 可知，每組實驗各級過濾后電導率降低比例均不同，第 3 級反滲透(RO)過濾系統的過濾性能最好，電導率降低比可達95%以上.作為過濾系統的前置裝備，第1級和第2級過濾裝置的過濾效果最低，但可對第 3 級反滲透(RO)過濾膜起到保護作用 . 第 4 級 EDI 除鹽裝置對水樣進行除鹽后，電導率也相應下降，經過第5級UV殺菌處理后即可滿足飲用標準.

　　5 結語

　　針對農村飲水安全問題，本文設計了光伏家庭型純水直飲水機，將太陽能光伏發電技術、純凈水超濾和反滲透膜技術、人機交互觸摸屏技術集成于一體.利用相關的模擬軟件，對光伏組件的最佳安裝傾角、太陽光日照、太陽輻射量、太陽能光伏組件的方位角與傾斜角的選定以及光伏陣列組件布局和間距的確定等進行了分析與研究，優化了光伏模塊的發電效率.

　　在 21 ℃條件下，取當地水溝水質電導率為 1 271.45 μS/cm的水樣本進行了系統的整體測試與實驗.實驗結果表明，經過本系統過濾后的水質符合國家標準《生活飲用水衛生標準》GB 5749—2006 的指標要求.此外，為驗證本系統的安全性與有效性，以10組不同水質的污水進行過濾實驗.10組實驗結果表明：第 3 級反滲透(RO)過濾系統的過濾性能最好，電導率降低比可達95%以上.第1級和第 2 級過濾裝置的過濾效果最低，但經過第 4 級 EDI除鹽裝置和第5級UV殺菌處理后，10組實驗的出水水質的電導率均滿足相關的規范要求，充分驗證了本系統的安全性與可行性.