曾睿林

湖南的丘陵地區(qū)山塘水資源十分豐富。山塘養(yǎng)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(fā)酵，造成水體富營養(yǎng)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(qū)交通不便，電力線路架設(shè)成本很高。為了解決偏遠地區(qū)山塘充氧養(yǎng)魚的電力問題，防止水體黑臭和漁業(yè)災(zāi)害發(fā)生，我設(shè)計了這個風、光與微生物綜合智能供電裝置。

本設(shè)計是含風電、光伏及微生物燃料電池組件，且產(chǎn)、蓄、供一體化的綜合高效電力裝置，可適應(yīng)各種用電情況。其主要組成部分包括風、光發(fā)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(fā)電，電力通過電源控制器優(yōu)化管理后導(dǎo)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(shè)備，及夜間照射光合菌的LED節(jié)能燈；LED節(jié)能燈會和陽光一般照射水中藻類，產(chǎn)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(zhì)，又能做魚類的綠色飼料，降低養(yǎng)殖成本，抑制水體富營養(yǎng)化；魚池底層的殘余飼料和魚糞經(jīng)連通管進入微生物電池體，用于發(fā)電；電化學反應(yīng)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(zhuǎn)化為電能的裝置，由陽極區(qū)和陰極區(qū)組成，中間用質(zhì)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(qū)被微生物氧化，其間產(chǎn)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(chǎn)生電流，而質(zhì)子則會通過質(zhì)子交換膜到達陰極區(qū)，與電子受體 （氧氣）反應(yīng)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(dǎo)電子產(chǎn)生電流的系統(tǒng)。其功率輸出取決于系統(tǒng)傳遞電子的數(shù)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(tǒng)，避免了卡諾循環(huán)的熱力學限制，因此其化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿淖畲笮视锌赡芙咏?00%。上述微生物電池能夠產(chǎn)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(lián)成電池組，然后將多個電池組并聯(lián)成微生物電池機構(gòu)，其外殼設(shè)置有與蓄電系統(tǒng)匹配連接的外接陰、陽極，經(jīng)控制器接于蓄電系統(tǒng)輸入端正、負極。

（二）風、光發(fā)電及智能蓄供電模塊

1. 發(fā)電模塊

為了抵抗風、雪、冰雹等惡劣的天氣，我認為在風力發(fā)電機選型時最好是選低速型磁懸浮風力發(fā)電機，因為它發(fā)電效率高、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量穩(wěn)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(huán)壽命長等優(yōu)良性能。

2. 智能蓄供電模塊

（1）充電裝置的設(shè)計

蓄電池組均充管理控制系統(tǒng)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(huán)，實現(xiàn)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(fā)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(zhuǎn)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(wěn)利達40A數(shù)字化雙向充電模塊，可以對電壓、電流、溫度進行設(shè)置、修改、采樣、監(jiān)控。該模塊采用全數(shù)字化PWM模式，抗干擾能力強，能達到三種電源互補融合、穩(wěn)定高效的目的。

風能和光能產(chǎn)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(xù)不斷地轉(zhuǎn)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(fā)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(wù)于偏遠山區(qū)漁業(yè)，達到增產(chǎn)增效的目的。

（指導(dǎo)教師 段家鐵 編 輯 白 鳥）