“碳中和者”一种新型太阳能驱动家用热水器废气净化装置.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 17 日 作者简介：陈思杰（2002），男，汉族，江苏盐城人，本科在读，研究方向为控制理论与控制系统；翟娟（1990），女，通讯作者，汉族，江苏扬州人，副教授，硕士，研究方向为控制理论与控制系统。-199-“碳中和者”一种新型太阳能驱动家用热水器废气净化装置 陈思杰 谢子润 彭伊辰 钱 迎 翟 娟（通讯作者）扬州大学广陵学院，江苏 扬州 225000 摘要：摘要：近年来，“双碳问题”日益严重，针对如何减轻双碳污染的问题，本文介绍了一种新型太阳能驱动家用热水器废气净化装置，该装置由单片机，冷凝器，温湿度传感器，步进电机，蜂鸣器等多个模块组成，利用温湿度传感器检测经过冷凝器冷凝后的废气温度，当温度低于 70 摄氏度时蜂鸣器开始报警，引风机驱动气体的收集，通过过滤系统实现二氧化碳的净化，通过电机驱动水蒸气收集配合太阳能雨水收集系统接入居民排水系统或车库，实现了水循环的合理利用。具有能耗低，污染低，利用率高等特点，应用前景广泛。关键词：关键词：双碳问题；废气净化；太阳能；节能减排 中图分类号：中图分类号：G632 0 引言 我国地势辽阔，太阳能储量丰富，陆地面积接收的太阳辐射总量丰富，相当于燃烧 2.4*10 亿 t 标准煤，中 国 各 地 的 太 阳 能 辐 射 年 总 量 大 致 为 3500 8200MJ/m21，本项目就是利用太阳能对装置进行供电，且太阳能作为清洁能源可被高效利用。随着当今社会经济以及城市化的不断发展，我国碳排放问题日益严重。在联合国大会上,中国提出将采取更加有力的政策和措施，降低二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。碳达峰指的是碳排放量达到峰值进入平稳下降阶段;碳中和是指在规定时期内二氧化碳的吸收与人为二氧化碳排放的相抵消，从而实现净零排放8。碳达峰与碳中和一起简称为“双碳”。“协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展”为了实现国际承诺和自身发展的双重目标，我国碳减排的压力和难度都很大。居民作为产品和服务消费的主体,居民家庭能源消费导致的碳排放约占全球碳排放总量的 72%。居民家庭温室气体排放已成为全球温室气体排放的重要来源之一。随着当今社会经济以及城市化的不断发展，我国碳排放问题日益严重。我国经济发展的良好势头以及工业化、城市化进程的稳步推进，城乡居民生活水平得到显著提高，居民家庭能源消费已成为仅次于产业部门能源消耗的第二大部门，因此，居民家庭能消费及其碳排放问题不容小觑。在我国颁布的家用燃气热水器标准中，提出燃气热水器一级能效在额定功率下的热效率不低于 96%，若要实现该热效率值，常规的热水器无法实现，只有采用冷凝式换热器技术。冷凝热水器与传统的燃气热水器相比，冷凝热水器增加二次换热结构，通过回收冷凝烟气过程中的余热，从而更好的实现热水器的低污染物排放7。基于此背景，为缓解双碳问题带来的环境压力，本文介绍了一种新型家用热水器废气净化装置。1 家用热水器废气净化装置的总体设计 本装置通过太阳能电池板充电系统（太阳电池板，充电控制器，逆变器和蓄电池）实现对家用热水器废气净化装置的自动蓄电；用冷凝器对废气进行降温处理，用 SHT11 温湿度传感器检测废气中的温湿度，再将检测结果传送回单片机，当温度低于 70 摄氏度时，蜂鸣器会报警并亮灯，进而驱动装置开始工作，同时引风机会启动，将废气送入过滤系统中，通过颗粒过滤网和 HEPA 滤网过滤废气中的杂质，收集过滤后的二氧化碳；开启减速电机和水泵，通过其驱动装置净化后水的收集。当收集的水以及雨水达到最大蓄水量时，通过排水系统连接到居民的车库以及排水系统进行利用。2 系统硬件设计 2.1 单片机模块 中国科技期刊数据库 工业 A-200-本 系 统 采 用 STC89C52RC 单 片 机 为 核 心，STC89C52RC 的工作电压在 3v-5v 之间，实际工作频率可达 48MHZ,是一种功耗低，应用范围广的单片机芯片，其工作温度范围是负 40 度到 85 度，具有低功耗，高性能和成本较低等优点。STC89C52RC 单片机的存储器容量为 32KB，存储容量大，同时具有 32 个 IO 口，具有多个通用输入输出口，工作温度范围宽，可以方便实现各种功能。本装置中单片机控制六个模块冷凝器、温湿度传感器、太阳能电池板、水泵、步进电机、蜂鸣器。其控制模块如下图 1 所示。图 1 控制模块图 2.2 温湿度传感器模块 本系统利用 SHT11 作为温湿度传感器，由温度模块，加热模块，感湿元件组成，将其与 STC89C52RC 单片机相连接，当温度低于 70 度时，蜂鸣器开始报警，引风机与电动机开始工作，该传感器体积小，测量精确度高，可靠性高。SHT11 一共有八个引脚，引脚 4 为电源外接 2.4到 5.5V，引脚 2 和 3 为二线串行数字接口，其中 DATA为数据线，引脚 1 接地，其余引脚为空引脚，其工作原理是由两个分别产生相对湿度和温度信号的传感器，经过放大后分别进行 A/D 转换、标准和纠错，最后通过二线制的串行接口，将相对湿度和温度的数据送至微控制器，再利用微控制器完成温度补偿2。除此以外，SHT11 传感器测量精确度高且可由编程调节。2.3 步进电机模块 本系统采用 3DM2283 步进电机驱动器，其采用 32位 DSP 技术，该驱动器可驱动 3-6 线三相步进电机，可以设置 256 以内的任意数据，同时其内部采用了内置细分技术，因此即便在低细分时也能达到高细分的效果3。其电流设定方便，可在 0.1-8.3A（峰值）之间任意选择，设有的保护功能使得在过压、欠压、短路等条件下也能安全工作。任何速率工作时都能体现较好的稳定性。微步细分设定如下表所示。其微步细分设定如表 1 所示。本装置步进电机有两个作用，一是带动引风机收集废气中分离的二氧化碳，将二氧化碳送入存放容器中，二是带动水泵进行工作。3DM2283 驱动器采用差分式接口电路可适用差分信号，单端共阴接口以及共阳等接口，内置高 速光电耦合器，可接收长线驱动器，集电极开路和 PNP 输出电路的信号6。表 1 微步细分设定 步数/转 SW5 SW6 SW7 SW8 200 on on on on 400 off on on on 500 on off on on 1000 on on on off 1200 off on on off 1600 on off on on 3200 off off on On 4000 off off on Off 5000 on on off Off 6000 off on off off 6400 on on off on 8000 on off off Off 10000 off off off Off 12800 off on off on 25600 on off on off 2.4 蜂鸣器模块 蜂鸣器是STC89C52RC单片机中的一种一体化结构的电子讯响器，压电式蜂鸣器是将在金属片上黏贴压电材料，在压电材料和金属片两端施加电压后，由于压电效应，蜂鸣片会产生机械变形而发出声响9。压电式蜂鸣器体积小、灵敏度较高、耗电低、有良好的频率，价格低廉。本装置中当废气净化温度低于70度时，蜂鸣器开始报警同时 LED 灯亮。其工作原理图 图 2 工作原理图 2.5 冷凝器模块 冷凝器在本装置中起到关键的作用，废气进入冷凝器达到冷凝温度后，装置才可继续进行。冷却气体在直接接触冷凝器中与冷凝液直接接触从而达到冷凝的作用。本装置中直接接触式换热就是指经家用热水器燃烧后的高温废气直接与水接触达到换热的目的。首先通过喷嘴对进入装置的水均匀分流，然后将分流中国科技期刊数据库 工业 A-201-后的水喷入填料塔中，高温烟气自下而上通过填料层，从而使烟气与水在填料层内发生逆流接触式换热4。由于废气中包含了二氧化碳，一氧化碳等气体，冷凝器会溶解废气中的酸性物质，具有酸性与腐蚀性，因此在设计的过程中，我们在换热器表面添加防腐蚀的涂层并使用不锈钢防腐材料作为冷凝器的内壁，以减轻酸性物质对装置的损坏。而直接接触冷凝器的优点在于传热面积较大，结构简单且维修方便。冷凝器原理图如下图 3 所示：图 3 冷凝器结构原理图 3 系统软件设计 3.1 太阳能充电系统 本项目所使用的太阳能充电系统主要由太阳电池板，充电控制器，逆变器和蓄电池这四个部分组成。此系统中应用了一块多晶功率为 12W 能产生电压 16V的太阳能电池板产生电能，其使用成本比单晶硅太阳能电池便宜且光电转换效率较高,通过安装防逆流模块（当蓄电池充满电时能够自动切断防逆流模块的线路）来防止线路的短路和电流的倒流,进而保护太阳能电池板的寿命5，配合家庭供电系统实现对蓄电池的不断电，进而保证家用热水器废气净化装置系统不间断运行。图 4 太阳能充电板 此外，还设计了雨水收集器系统，当下雨时雨水沿着太阳能电池板表面流入雨水收集器，同时将装置净化后的水与收集器相连，当雨水收集器达到一定水量时，通入居民的排水系统，供居民使用，加强了对资源的合理利用。艾洋能充电板如图 4 所示。3.2 过滤装置 本装置的过滤装置有两部分组成，颗粒过滤网和HEPA 滤网，当废气经过冷凝器净化前，颗粒过滤网可过滤大部分的杂志，通过颗粒过滤网过滤掉其大颗粒杂志降低冷凝器发生事故的风险，通过冷凝器后的气体在经过 HEPA 滤网的过滤，HEPA 滤网是一种高效的空气过滤器，它对 0.1 微米和 0.3 微米的颗粒过滤有效率达到 99.7%，HEPA 过滤网有四种过滤机制，第一种为拦截机制，第二种为重力机制，密度大的颗粒会沉降到 HEPA 滤网上，此过程类似于泥沙在水中自由沉降的过程。第三种气流机制，第四种过滤机制为超微颗粒受布朗运动的影响，撞击到 HEPA 滤网上受到力的影响，从而被过滤。HEPA 滤网的特点是空气可以通过，但细小的颗粒却无法通过，通过颗粒过滤网后的废气经过HEPA滤网的过滤可以过滤掉废气中的大多数的杂质物。过滤完成后，通过引风机的驱动收集过滤后的气体，在对二氧化碳进行分离。4 试验检测及分析 将装置配置好进行调试，检测太阳能电池板能否正常发电，是否可以带动三相电机，引风机进行工作，检测引风机能否将废气吹入容器中，通过若设备可以正常工作，则进行数据的测量。图 5 结果显示图 表 2 检测结果数据 时间 水量（毫升/ml）8:00 0 10:00 1633 12:00 3219 14:00 4729 16:00 6466 中国科技期刊数据库 工业 A-202-调试后，通过检测容器中二氧化碳的量以及排水系统中水的含量来检验家用热水器废气净化装置能否正常工作。下表为每隔两小时的水的含量。由数据可以看出通过净化后的废气可产生水，从而达到水资源的循环利用。本装置的缺点：天然气在燃烧过程中会生成有害物质，其中部分会溶解到冷凝水中，由于冷凝水中含有大量的酸性物质，可能会对受热面造成腐蚀且滤网需要定期清理，同时选取材料时要注意选防腐蚀的材质。本装置的结果检测图如表 2 所示，净化后的检测结果如图 5 所示。5 结论 近年来双碳问题日益严重，实现碳中和是各国一直在追求实现的目标，本文所阐述的一种新型家用热水器废气净化装置充分利用了太阳能可再生能源，所净化的气体可用于制作干冰等物质，所产生的水也进行了循环利用，既具备良好的应用价值又可以达到节能减排的目的。参考文献 1杨立权.预制式太阳能集热板采暖系统应用与研究D.长春:吉林农业大学,2017.2程步明.基于 GPRS 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