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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计中山太阳能鱼塘供氧器设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院能源与动力工程陈松涛学 号：职 称：160407103306饶国燃 吕凤工程师 讲师中国珠海二二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺所呈交的毕业设计中山太阳能鱼塘供氧器系统设计是在导师严谨地指导下，认真研究和实践取得的成果。该文所引用其他作者的观点和参考资料，均于后文中作了注释，设计说明书所用之数据和图纸可靠真实。本人签名： 日期： 年 月 日中山太阳能鱼塘供氧器设计摘 要太阳能鱼塘供氧器是一种以太阳能作为供氧器原动力来为鱼塘水体提供必要的含氧量，以满足鱼塘正常的养殖工作。本系
2、统采用安全可靠、绿色节能的太阳能作为供氧器的动力来源，以直流弱电供氧器代替传统的强交流电供氧器，既减少系统中间采用逆变器转化的消耗，操作又安全可靠。通过分析鱼塘在不同时间、不同水层溶氧量的变化情况，合理在鱼塘下风向偏中间处和下风向偏中间处分别设置了直流微孔曝气盘管供氧器和直流无刷喷水式供氧器，为鱼塘带来足够的溶氧平衡，有效的降低上下水层的温差，促进养殖产品快速生长、增加鱼塘的产量，同时净化水质，改善生态环境。在系统中加入胶体蓄电池储能，随时可以给鱼塘提供必需的氧气，这对传统的太阳能发电不稳定不平衡做了良好的优化。本系统由多晶太阳能发电板方阵、太阳能发电板支架、控制器、胶体蓄电池、直流曝气鼓风机
3、、微孔曝气盘管、DC-DC稳压可调电源模块、直流无刷喷水式供氧器、Y型分线及导线等组成。在下风向处，由太阳能光伏发电通过控制器对胶体蓄电池进行充放电及浮充控制，给直流微孔曝气盘管供氧器提供电能，在晴天中午时，为鱼塘水体下层区域补充鱼群生长必需的溶氧量，在阴天清晨或连绵阴雨天半夜为鱼塘提供足够的溶氧量；在上风向处，由太阳能光伏发电通过DC-DC稳压可调电源模块给直流无刷喷水式供氧器提供电能，在晴天白天给鱼塘表面降温并为其提供必需的溶氧量。关键词：太阳能发电；鱼塘供氧器；系统设计；光伏控制器Design of oxygen supply device for Zhongshan solarener
4、gy fish pond AbstractThe solar oxygen supply device is a kind of oxygen supply device which uses solar energy as the power to provide necessary oxygen for the fish pond water body to meet the normal fish pond culture work. In this system, the safe, reliable, green and energy-saving solar energy is u
5、sed as the power source of the oxygen supply device, and the DC weak current oxygen supply device is used instead of the traditional strong AC current oxygen supply device, its safe and reliable. By analyzing the changes of dissolved oxygen (do) in fish ponds in different time and different water la
6、yers, a DC micro-hole aeration coil and a DC brushless spray type oxygen supply device are reasonably set in the middle of the downwind direction and the middle of the downwind direction respectively to bring sufficient dissolved oxygen balance to the fishpond, effectively reduce the temperature dif
7、ference between the upper and lower water layers, promote the rapid growth of aquaculture products, increase the output of fish ponds, while purifying water quality, improve the ecological environment. Adding a colloid battery to the system can provide the necessary oxygen to the fish pond at any ti
8、me, which optimizes the instability and imbalance of the traditional solar power generation.The system consists of a square array of polycrystalline solar panels, a stand of solar panels, a controller, a gelled battery, a direct current aeration blower, a microporous aeration coil, a DC-DC regulated
9、 adjustable power supply module, a direct current brushless spray oxygen supply, a y-type branch line and a conductor. In the downwind direction, the photovoltaics uses a controller to charge, discharge and float the battery, providing power to the DC microporous aerator coil, and on a clear day at
10、noon, to replenish the dissolved oxygen (do) necessary for the growth of fish in the lower part of the body of a fish pond, and to provide sufficient do for the fish pond in the early morning on cloudy days or in the middle of the night on rainy days; The DC brushless water jet powered by photovolta
11、icss DC-DC regulated adjustable power supply cools the surface of the pond during sunny days and provides the necessary dissolved oxygen.Keywords: Solar power; fishpond oxygen supply; system design; Photovoltaic controller目录1前言11.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求11.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题21.3本设计应解决的主要问题22太阳能鱼塘供氧器系统设计
12、32.1鱼塘溶氧量变化32.1.1水平方向溶氧量变化32.1.2垂直方向溶氧量变化32.1.3昼夜溶氧量变化42.2太阳能供氧器系统分布42.3系统组成及工作原理52.3.1太阳能光伏发电原理52.3.2太阳能电池单体、组件及方阵62.3.3直流无刷喷水式供氧器72.3.4光伏控制器72.3.5胶体蓄电池82.3.6直流曝气鼓风机82.3.7微孔曝气盘管82.3.8DC-DC稳压可调电源模块82.3.9太阳能发电板支架93系统功能性设计及用电负荷103.1中山市气象参数103.2太阳辐射强度113.2.1任意平面上各角的表示113.2.2水平面上月平均太阳辐射量123.2.3任意倾斜面上月平均
13、太阳辐射量133.3系统用电负荷计算133.3.1高温晴天中午供氧器用电量133.3.2夏秋季节清晨供氧器用电量143.3.3连绵阴雨天供氧器用电量143.4电池容量及选择153.4.1太阳能发电板电池容量及选择153.4.1.1平均有效日照辐射时数153.4.1.2太阳能电池组件日发电量153.4.1.3太阳能电池组件并联数153.4.1.4太阳能电池方阵功率和输出电流163.4.2蓄电池容量及选择173.5光伏控制器的选择173.6太阳能光伏发电板方位角与倾斜角的确定183.6.1方位角183.6.2倾斜角184实物装置制作194.1实物装置外形及工作参数194.2实物制作遇到的困难与解决
14、办法225对比实验测试235.1同时间段电压随倾斜角度的变化235.2同角度安装电压随时间的变化235.3稳压可调电源模块对系统的影响245.4时间对供氧器功率的影响255.5供氧器对水体溶氧量的影响256系统改进与总结26参考文献28致 谢29附录30Discussion on the change law of dissolved oxygen in water and the correct use of the aerator30浅谈水中溶解氧的变化规律及增氧机的正确使用方法35VI1前言当今世界科学技术和制造业空前发展和进步，在这发展与进步的背后是一系列能源物质的利用与消耗，中国处于
15、快速发展的阶段，对能源物质的需求也是与日俱增，近年来，煤炭石油等不可再生能源使用时对环境造成的危害性越来越突出，人类可持续发展面临着巨大的挑战和威胁，频频告急的石油、天然气、煤炭等不可再生能源的现状，要求我们在优化合理使用不可再生能源的同时，也应该创新开发利用更多的可再生资源1。为使人类社会更稳定快速地发展，我们必须加大力度对新能源的开发与利用。太阳能资源作为当今总量最多、分布跨越幅度最大的绿色环保的可再生能源，符合我国可持续发展的理念，对太阳能的开发与利用具有广阔的发展前景，能够有效地缓解当今紧张的能源形势，同时能够促进社会能源的可持续发展和生态环境的良好运行，对我国经济快速稳定的发展和生态
16、环境的保护有着重大的意义。我国是世界上最大的农业国家之一，渔业在国民经济中占有很大的比重，其中水产品的养殖和消费在渔业中占有举足轻重的地位，水产品的养殖需要在有限的土地资源中寻求最大的效益，这使得养殖人员加大了鱼塘鱼群的养殖密度，在较大密度养殖和天气变化时容易引起鱼群的浮头缺氧，造成鱼群的死亡。鱼塘供氧器就是为了给高密度养殖的鱼塘提供足够量的氧气，充分利用水体促进池塘内物质循环的速度，有效避免高密度养殖鱼群出现供氧不足导致死亡的情况，同时改善并稳定水质。渔业的快速发展离不开自然能源的贡献，能源作为农用器具的动力来源，保证农业日常良好的生产。传统的鱼塘供氧器采用市电作为动力来源，需要接入电网才能
17、正常工作，而水产品的养殖大多都在郊外的田间池塘或者人烟稀少的山涧湖畔，这为鱼塘供氧器的供电带来很多麻烦。此次为了解决传统的鱼塘供氧器不仅耗电较大、成本较高，而且接入电网麻烦、用电不安全的弊端，拟采用太阳能作为鱼塘供氧器的动力来源，设计制造环保、低耗、高效、安全的太阳能鱼塘供氧器，提高渔业的机械化水平，增加渔民的经济效益。太阳能鱼塘供氧器的设计，加大拓展太阳能在农业生产中的应用，促进太阳能相关产品在渔业中规模化使用，提高渔业的经济效益和市场竞争能力。 1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求此次研究是以广东省中山市作为目标地区，中山市位于东经11392至1134612，北纬221112至224
18、635，在珠江出海口，水资源比较丰富，市内三面环水，有多条河道和人工排灌渠道，丰富的太阳能资源和水资源为水产的养殖提供了有利的自然资源2。中山市以特色的脆肉鲩为主要的水产养殖之一，脆肉鲩以东北蚕豆和象草为食，它有着草鱼的生活特性，但作为四大家鱼之一的草鱼的变种，对水的温度和溶氧量的要求更为严格3。以中山市东升镇面积为1.5亩、水深为2米、养殖密度为2000尾的脆肉鲩养殖鱼塘作为研究目标，设计一款适应中山地理环境和气候的太阳能鱼塘供氧器，为中山市水产养殖户提供一款经济、环保、安全、便捷的太阳能鱼塘供氧器。通过查找资料、阅读相关文献，根据中山普通鱼塘的水位深浅、面积大小、养殖的种类和密度以及中山市
19、太阳辐射强度来设计太阳能发电系统、选择匹配的供氧器类型以及合理分布各个供氧器。1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题我国对太阳能光伏发电相关产品的研发相对晚于很多发达国家，对相关产品的研发和利用的力度不够，很多相关产品和系统还不是很稳定处于初级阶段，存在很多问题。国际上对太阳能发电系统的研发比较早，美国、德国、日本、芬兰和瑞士等国家在世界太阳能发电占有很大的比例，而且效率和技术比较稳定成熟。传统的太阳能鱼塘供氧器多用强交流电供氧器为鱼塘供氧，大功率的交流电供氧器需要在太阳能系统加入一个电流逆变器才能使供氧器正常地工作，增加一个中间转换装置给系统带来了很多不必要的能量消耗，从而增加了太阳能发
20、电板成本的投入。同时很多养殖户在使用供氧器时，不了解鱼塘水体溶氧量随时间季节、水体温度、太阳辐射强度、风力风向和鱼塘水层位置等的变化，造成鱼塘增氧不及时、不平衡的、不合理的情况，为正常的鱼塘养殖工作带来了很多不必要的经济损失。本次设计的难题在于太阳能发电效率比较低，商业养殖鱼塘密度和面积比较大，需要通过曝气给鱼塘提供足够的溶解氧量比较大，为达到理想的设计效果和使用效果，需要优化太阳能发电系统和寻找与其匹配的高效率供氧器，合理分布各供氧器在系统的位置，优化各组成部分，使系统更加便捷、持续、安全稳定地工作。1.3本设计应解决的主要问题通过理论分析和实验的方法设计一款符合中山市水产养殖业的太阳能供氧
21、器系统，要求在三个连续阴雨天能满足鱼塘正常的养殖工作，并制作出一套符合要求的太阳能鱼塘供氧器系统装置。具体要解决的问题如下：（1）在已知资料的基础上，进行鱼塘供氧器的系统设计和用电负荷计算。（2）进行中山市的太阳辐射强度计算。（3）进行太阳能发电系统设备选择与计算。（4）制作出一套符合要求的实物装置。2太阳能鱼塘供氧器系统设计2.1鱼塘溶氧量变化 天然鱼塘的水体氧气主要的来源是鱼塘中浮游植物等水生生物的光合作用，在比较肥沃的鱼塘中，浮游植物会很多，通过光合作用产生的氧气量也比较多。夏季晴天时，浮游植物通过光合作用产生的氧气会溶于水中，空气中的氧气也可以通过风力作用溶于水中，但这部分的氧气来源并
22、不多。在脆肉鲩养殖鱼塘中，鱼塘底部经常会沉积大量的有机物，细菌通过分解作用消耗大量的氧气，同时鱼塘中的水生植物呼吸作用也会消耗一部分的氧气。在高密度的鱼塘养殖中鱼类的呼吸作用需要消耗一定数量的氧气，鱼塘水体的溶解氧会随时间季节、风力大小、风向和水层位置等出现变化4。2.1.1水平方向溶氧量变化位于不同地理环境下的鱼塘，即使鱼塘的面积不大，但由于鱼塘上层浮游植物的分布和所受风力及风向的影响，鱼塘溶氧量在水平方向上会有出现不均匀分布的特征。在夏季吹东南风的时候，位于鱼塘上风向的浮游生物和有机物在风力作用下容易被吹到下风向处，使鱼塘下风向处聚集大量的有机物和浮游生物。所以在夏季白天的时候，下风向处浮
23、游生物产生的氧气量和从空气中溶入水中的氧气量会明显高于上风向处。风力越大，鱼塘上下风向处水中氧气的溶解量的差别就会越大。在夜里，聚集在下风向处的浮游生物的呼吸作用和微生物分解有机物会消耗大量的氧气，这时候上风向处的溶氧量要高于下风向处，风力和浮游生物数量的差别越大，上下风向处鱼塘的溶氧量也差别越大，所以夜里鱼塘溶氧量的水平分布与白天正好相反，所以在清晨的时候，下风向处的鱼更容易缺氧浮头5。2.1.2垂直方向溶氧量变化脆肉鲩养殖水体的深度一般在两至三米，由于太阳光照强度的影响，鱼塘的溶氧量在垂直方向上也会出现变化，一般在鱼塘的上层位置太阳光照强度比较大，这个区域浮游生物的光合作用比较剧烈，水中溶
24、氧量多呈现过饱和的情况。而在下层区域太阳辐照强度因水体深度减弱，由于热力原因，上下层水体不容易产生对流，溶氧量往往会偏低，尤其是在夏季白天的时候，上下层区域水温差较大，水体流动性弱，底层区域溶氧量接近于零。到了夜里，鱼塘表面水温下降，上下层水体出现垂直对流，上下层区域水体溶氧量趋于相等。2.1.3昼夜溶氧量变化脆肉鲩养殖水体范围比较小，水中浮游植物等水生生物数量聚集比较多，昼夜温差和太阳辐射强度的变化、浮游生物通过光合作用和呼吸作用、细菌分解有机物的变化以及水体的热分层与垂直对流的交替进行，使鱼塘中水体溶氧量呈现出明显的变化规律。白天浮游生物的光合作用比较剧烈，鱼塘水体含氧量比较高，但在上风向
25、处下层区域细菌分解有机物消耗氧气，水中溶氧量明显不足。夜里浮游生物停止光合作用，各种水生生物的呼吸作用和有机物分解使得水中溶氧量逐渐下降，下风向处下层区域在黎明前降到最低点，这时候鱼塘里的鱼最容易出现缺氧浮头的现象，严重时会导致大量鱼群死亡。2.2太阳能供氧器系统分布广东中山夏季阳光充足，晴天中午鱼塘水面温度比较高，水中浮游生物及微生物活动比较频繁，需要消耗大量的氧气，同时高温天气也使水中的含氧量急剧下降，为了使鱼群正常活动，必需在天气炎热的中午人工为鱼塘提供23小时的溶氧量，充分发挥供氧器的增氧降温功能，使鱼塘表面降温并增加水体的溶氧量，并加速鱼塘的物质循环，改善水质，减少鱼群缺氧浮头的发生
26、。在晚上下风向处聚集的浮游生物进行有氧呼吸，使得下层区域水体溶氧量逐渐下降，同时在阴雨天，浮游生物光合作用弱，水体溶氧量不足，容易引起鱼群缺氧浮头。所以在夜里应启动鱼塘供氧器，及时防止鱼群缺氧浮头。基于鱼塘溶氧量随时间季节、太阳光照强度、风力风向及鱼塘水层位置的影响变化，并在三个连续阴雨天能够保证鱼塘下风向处下层区域满足鱼群正常生长发育的含氧量。设计了此次的太阳能鱼塘供氧器系统。系统在鱼塘下风向偏中间处和下风向偏中间处分别设置了直流微孔曝气盘管供氧器和直流无刷喷水式供氧器。在下风向处，由太阳能光伏发电通过控制器对胶体蓄电池进行充放电及浮充控制，给直流微孔曝气盘管供氧器提供电能，在晴天中午时，为
27、鱼塘水体下层区域补充鱼群生长必需的溶氧量，在阴天清晨或连绵阴雨半夜为鱼塘提供足够的溶氧量；在上风向处，由太阳能光伏发电通过DC-DC稳压可调电源模块给直流无刷喷水式供氧器提供电能，在晴天白天给鱼塘表面降温并为其提供必需的溶氧量6。系统供氧器分布如图2.1所示。 图2.1 太阳能供氧器系统分布图本设计以绿色环保的太阳能光伏发电为动力，驱动较为安全的弱电直流供氧器为鱼塘水体提供氧气并为水体降温。太阳能光伏发电系统可以根据太阳辐射强度、供氧器负荷变化对胶体蓄电池组不断地充放电及浮充调节切换，在下风向处将调整好的电能释放给直流曝气鼓风机带动铺设在水体下层区域的微孔曝气盘管供氧，同时在上风向上层水体区域
28、通过DC-DC稳压可调电源模块为直流无刷喷水式供氧器提供电能，胶体蓄电池组也能储存光伏发电系统多余的电能，以供光照强度较弱发电量不足或阴天清晨和连绵阴雨天半夜时通过控制器为供氧器提供必要的动力，实现系统持续稳定的工作。2.3系统组成及工作原理 本系统由多晶太阳能发电板方阵、太阳能发电板支架、控制器、胶体蓄电池、直流曝气鼓风机、微孔曝气盘管、DC-DC稳压可调电源模块、直流无刷喷水式供氧器、Y型分线及导线等组成。2.3.1太阳能光伏发电原理太阳能电池里面的半导体材料为其发电提供了基础条件，太阳光通过半导体材料生产了光伏效应，从而产生了电能。太阳能电池板就像一块大面积的P-N块，光子为其提供源源不
29、断的能量，在静电场的作用下，正负电子在N区、P区和空间电荷区轮流放电补充形成电动势，负载接入太阳能发电板就有电流输出了，具体的过程如图2.2所示7。 图2.2 太阳能电池发电原理示意图2.3.2太阳能电池单体、组件及方阵太阳能单体是构成太阳能组件的基本单位，一个单体生产的电压很小，一般为0.5V到0.6V，想要获得更多的发电量，只能由多个单体组成12V或以它的倍数的组件。若需要更高电压和电流，单个组件不能满足用电需求，则需要串联或并联多个组件构成太阳能方阵，串联电压为多个串联组件电压之和，电流为单个组件的电流数；并联方阵电压为单个组件的电压值，电流为并联电流数之和。组件和方阵图如2.3和2.4
30、所示。 图2.3 太阳能组件外形图 图2.4 太阳能方阵外形图2.3.3直流无刷喷水式供氧器直流喷水式供氧器是依靠其自带的电动机水泵从水中泵入水体，通过增氧喷头将水洒向空中溶入氧气落回水面，以达到增加水体氧气含量的目的。传统的供氧器需要电网的强交流电来提供电能，这不仅耗电，投资较大，而且容易在天气不好和人员操作不当时引发安全事故。本次太阳能鱼塘供氧器选用安全可靠的直流弱电供氧器，该整体设计合理、高效节能、维护简单、实用性强。该直流无刷喷水式供氧器由电机总成、叶轮工作室、浮体和增氧喷头等组成，电动机外壳体用金属材料制作，供氧器外壳采用高强度的工程塑料铸造，经久耐用、无毒、无漆层脱落的特点，有内外
31、双层壳，工作时水从底部吸入，通过双层壳体内向上端出水口喷压，使电机得到最有效的冷却效果，电机内装有缺相过流保护器，起到自动保护电机的作用，浮体用工程塑料吹塑工艺成形，用螺丝与水泵法兰连接，使水泵浮于水面8。水泵靠浮体浮在水面，随水位升降，在泵不着地的情况下，没有泥沙吸入，保证了轴封使用寿命。水泵的出水口上装上增氧喷头能达到增氧降温的效果，在鱼塘清池整理时，可以在出水口接好软管用于排灌。该供氧器采用无刷电机，减少了有刷电机在运行时产生的电火花，噪音低更有利鱼群的生长发育，同时寿命长，系统运行稳定，更加高效节能。其结构如图2.5所示。图2.5 直流喷水式供氧器结构图2.3.4光伏控制器光伏控制器是
32、对胶体蓄电池的充放电及浮充进行控制的，它能够有效防止胶体蓄电池过度充电和过度放电，并且对供氧器提供短路和极性反接保护。 2.3.5胶体蓄电池 蓄电池的主要作用是在夏天光照充足时，太阳能发电除了给负载用电外，将过剩的电能通过胶体蓄电池储存起来，在夜晚或连绵阴雨天时为供氧器提供充足的电能，供氧器再为鱼群提供生长发育所必需的溶氧量。本系统选用可靠性高，使用寿命较长，蓄电量良好的胶体铅酸蓄电池。具体工作参数及外形结构如图2.6所示。 图2.6 胶体铅酸蓄电池2.3.6直流曝气鼓风机曝气鼓风机是将一定风量和压力的空气通过风机和输送管道强制泵入到水体。 鼓风机曝气的目的是使水体或液体中增加足够的溶解氧,以
33、满足好氧生物对氧气的需求。它在曝气过程是气体与液体之间分子质量的传递过程,要使气体在液体中充分扩散和接触并阻止液体中悬浮物下沉,本次采用高压曝气鼓风机,使氧气在液体中充分搅拌和溶解，达到良好的增氧效果。直流曝气鼓风机轻便快捷、耐用安全，维护简单方便，节能环保。2.3.7微孔曝气盘管直流曝气鼓风机连接铺设在下层区域的微孔曝气盘管在水里产生大量的气泡，微孔曝气盘管由于浸没铺设在下层水体，所以与水体的接触面很大， 在工作时气体上浮流速由于水体阻力原因明显降低，增加空气与水体的接触时间，因而能达到充分高效的供氧效果9，同时改善水质和鱼塘环境。2.3.8DC-DC稳压可调电源模块DC-DC稳压可调电源模
34、块是将可变的直流电压变换成固定的直流电压，也称为直流斩波。在太阳能供氧器系统中能有效地稳定太阳能电池板输出的不规律电流和电压，使供氧器稳定高效的工作。DC-DC稳压可调电源模块具体元器件及外形结构如图2.7所示。 图2.7 DC-DC稳压可调电源模块结构图2.3.9太阳能发电板支架 太阳能发电板用支架固定，支架采用双板角不锈钢材料制成，支架两侧用活动铰链连接，可以根据不同地理环境改变太阳能发电板的安装角度，支架用膨胀螺钉固定在鱼塘基面上。其结构外形如图2.8所示。图2.8 太阳能发电板支架外形结构图3系统功能性设计及用电负荷3.1中山市气象参数广东省中山市全境经纬度为：北纬22度11分至22度
35、47分，东经113度09分至113度46分之间，它位于北回归线以南，有着充沛的平均日照，年辐射总量在5098MJ/m2左右，属于太阳能资源丰富区域。该市的年平均日照时数可达1902.4小时之多，全年每天平均有5.2个小时的日照10。一年中除了有两三个月因多雨阴天而日照不够充足之外，其他的月份日照时数满足太阳能鱼塘供氧器的使用条件，在夏季六七月份的时候最多每天平均日照时数可达7.8小时。根据国家气象中心气象信息中心和气象资料室的资料显示，中山市全年的温度及太阳辐射量参数如表3.1所示。 表3.1 中山市气象参数中山市 纬度2229 东经11328 海拔高度49.3m月份1234567891011
36、12月平均室外气温（）13.614.517.922.127.528.632.629.428.126.220.615.3水平面月平均日太阳总辐射量（MJ/m2.日）8.8577.6117.3938.71211.16012.84114.93113.89513.79413.11311.79610.528倾斜面面月平均日太阳总辐射量（MJ/m2.日）10.4598.2037.4848.44410.55411.91413.76313.20713.97214.34614.21813.355月日照小时数（h）1261207593141168231198186195180159根据国家气象中心数据，将中山市近
37、10年各月份的平均日照小时数统计汇总成图3.1的柱形图，由此可以直观了解中山市各月份平均日照小时数，为太阳能鱼塘供氧器的正常使用情况有了直观的预估，夏秋季节为鱼群生长发育快速的阶段，也是鱼群消耗氧气量最多的季节，充足的平均日照小时数为太阳能鱼塘供氧器系统正常的运行工作提供了有利的保障。 图3.1 中山市各月份平均日照时数图3.2太阳辐射强度太阳发出的能量并不是全部都能到达地球表面的，辐射能量在经过大气层后，由于大气层的云层、微尘颗粒、天气变化等因素的影响，实际能到达的辐射量只是其中的一小部分。太阳的总辐射量包括到达地表各平面的直射总辐射和散射总辐射。3.2.1任意平面上各角的表示倾斜角为任意倾
38、斜平面和水平面之间的夹角；方向角n是倾斜平面的法线在水平面上的投影与正南方向线之间的夹角；阳光入射角i为阳光入射线与平面法线之间的夹角。各角示意图如图3.2所示。图3.2 任意平面各角示意图3.2.2水平面上月平均太阳辐射量以中山市七月份为例，计算地表在水平面上接收的月平均太阳能总辐射量12。由公式 （式3.1） =0.55+1.1113.875 =0.63 （式3.2） =14.931(0.16+0.63(7.86.5) =13.68 MJ/m2 En为中山市全年平均绝对湿度，取13.875h/Pa。3.2.3任意倾斜面上月平均太阳辐射量地表任意倾斜面上的月平均日照太阳总辐射量包括其直射辐射
39、总量、散射辐射总量和反射辐射总量。代入数据，得出中山市七月份倾斜面上月平均日照太阳辐射总量为13.763 MJ/m2。由以上公式及数据估算，可得中山市每日平均太阳能辐射量为1872KJ/m2。3.3系统用电负荷计算 系统在鱼塘下风向处上层区域放置一个功率为400W,电压为24V，工作电流为16.67A，扬程5M，流量30m3/h，增氧能力大于等于0.88kgO2/h的直流无刷喷水式供氧器。在上风口处下层区域铺设微孔曝气盘管，用功率为200W，电压24V,工作电流8.33A，压力13KPa，风量2.2m3/L的高压直流曝气鼓风机带动鱼塘增氧。3.3.1高温晴天中午供氧器用电量 中山市在夏秋季节阳
40、光比较充足，晴天中午在鱼塘表面通常会出现3至4小时的高温情况，这时候鱼塘的溶氧量下降，上下层水温分层导致下层水域溶氧量不足，如果不及时给鱼塘供氧，鱼群容易出现缺氧浮头现象，所以在高温晴天中午会给鱼塘供氧，太阳能发电系统必需给供氧器提供足够的电能。 一台24V、400W的喷水式供氧器在晴天中午至少需要消耗电量： W=PT （式3.8） =4003.5 =1.4Kw.h 一台24V、200W高压曝气鼓风机在晴天中午至少需要消耗电量： W=PT （式3.9） =2003.5 =0.7 Kw.h 晴天两台供氧器需要太阳能发电系统提供2.1 Kw.h的电能。3.3.2夏秋季节清晨供氧器用电量在夏秋季节是
41、鱼群快速生长发育的时候，在晴天或阴天由于水生生物呼吸作用和微生物分解淤泥中的有机物会消耗大量的氧气，导致鱼塘下层区域水体的溶氧量下降，所以铺设在下层区域的微孔曝气盘管需要在这时候给鱼塘提供4至5小时的氧气。而这时候太阳还没出来，只能由提前充好电的胶体蓄电池通过光伏控制器为供氧器提供动力。胶体蓄电池在清晨至少消耗电量为：W=PT （式3.10） =2004.5 =0.9 Kw.h3.3.3连绵阴雨天供氧器用电量连续的阴雨天气压和风力往往很小，没有阳光的照射，水中的水生生物停止光合作用，但此时的水蚤等微生物会活动剧烈，增加水体氧气的消耗量，所以在这个时候应该及时通过微孔曝气盘管给下层水体供氧，曝气
42、鼓风机连绵阴雨天半夜应该工作4至5小时，白天工作3至4个小时，考虑实际情况，一般夏秋季节的阴雨天会持续两至三天，为了保证在三个连续阴雨天鱼塘能正常养殖，需要胶体蓄电池为高压曝气鼓风机提供足够的电量：W=PT （式3.11） =200（4.5+3.5）3 =4.8 Kw.h综上所述，在晴天太阳能发电系统每天至少需要给供氧器3 KW/H的电能，在阴雨天或雷雨天，胶体蓄电池至少为系统提供4.8 Kw.h的电能。3.4电池容量及选择 太阳能鱼塘供氧器系统要合理地计算并选择好太阳能发电板电池容量和胶体蓄电池的容量大小，系统才能满足鱼塘日常的供氧需求，从而达到系统最稳定优化运行和实现经济效益最大化。3.4
43、.1太阳能发电板电池容量及选择本次设计选用型号为SFP-275W，太阳能电池片转换效率为20%的多晶太阳能光伏电池板，它的峰值电压（Vmp）为30V、开路电压（Voc）为36V、峰值电流（Imp）为9.17A、短路电流（Isc）为10.09A，太阳能发电板容量计算方式如下:3.4.1.1平均有效日照辐射时数 为计算太阳能发电系统最大发电量，需知道中山市平均有效日照时数，计算公式如下： =18722778/1 000 =5.2(h)式中:Ht为中山市太阳能平均日辐射量，由上估算取1872KJ/m23.4.1.2太阳能电池组件日发电量 为了满足太阳能鱼塘供氧器系统的供氧需求，必须计算单块太阳能发电
44、板组件的日发电量13。计算公式如下：3.4.1.3太阳能电池组件并联数 在确定单块太阳能发电板的日发电量之后，为了满足鱼塘供氧器在不同光照时数下能正常稳定运行，需要确定太阳能组件的并联数目。3.4.1.4太阳能电池方阵功率和输出电流 计算确定并选择好太阳能电池容量，可以在理论上计算太阳能电池方阵的输出功率和电流。3.4.2蓄电池容量及选择为了满足鱼塘供氧器在三个连续阴雨天能正常工作，系统需要用胶体蓄电池提前做好储能的准备，在阴雨天鱼塘水体溶量不足时，通过光伏控制器及时地为供氧器提供电能。在确定好太阳能方阵数量、功率、供氧器功率以及负载需要连续工作的天数之后，进一步对蓄电池组容量做计算和选择。计算公式如下：综上所述，选择2台12V、300Ah的胶体蓄电池串联，给太阳能鱼塘供氧器做储能装置。选用4块275 W的多晶硅太阳能电池组件并联，为供氧器提供正常工作所必需的电能，在温度为25C和日照辐射强度为1000 W/m2的理想状态情况下，其方阵峰值电压（Vmp）为30V、开路电压（Voc）为36V、峰值电流（Imp）为36.68A、短路电流（Isc）为40.36A。 3.5光伏控制器的选择光伏控制器是为了对胶体蓄电池提供充放电