摘 要： 为了解决农村饮水安全问题,以单片机为控制核心,光伏电池作为电源模块设计了一款光伏家庭型纯水直饮机.该系统集太阳能光伏发电技术、纯净水超滤和反渗透膜技术、人机交互触摸屏技术于一体,并利用PVsyst对光伏模块进行了相应的优化设计与建模仿真.多组实验结果表明:在5级处理工序中,第3级反渗透(RO)过滤系统的过滤性能最好,电导率降低比可达95%以上,且产出水质的电导率均满足国家饮用水标准,验证了本系统的安全性与可行性.
关键词 : 直饮水机;太阳能光伏发电;人机交互; PVsyst建模;农村地区;
Abstract： To access clean drinking water in rural areas, a photovoltaic home type pure water direct drinking machine is designed with single-chip microcomputer as the control core and photovoltaic cell as the power module. The system integrates photovoltaic solar power generation technology, pure water ultrafiltration and reverse osmosis membrane technology, and human-computer interaction touch screen technology, and uses PVsyst to carry out the corresponding optimization design and modeling simulation of photovoltaic modules. The results show that the filtration performance of the third stage RO filtration system is best among the five stages of treatment, and the electrical conductivity reduction ratio can reach more than 95%, and the electrical conductivity of the produced water meets the requirements of the national drinking water standard, which fully verifies the safety and feasibility of the system.
Keyword： direct drinking fountain; solar photovoltaic; human-computer interaction; PVsyst modeling; rural areas;
0、 引言
太阳能光伏发电技术在世界各地广泛应用.据欧洲光伏产业协会（EPIA）报道，截至2019年底，全球累计光伏装机容量达626 GW，太阳能光伏市场正以20%～30%的速度增长.尤其在中国第四次科技革命中，光伏发电技术将结合物联网等技术走向“光伏4.0”时代.
当代水处理技术中，反渗透技术是一种新型、高效的膜分离技术，已得到广泛应用.在欧美家庭中，反渗透净水机的普及率均达80%以上，而在中国，反渗透净水机于1995年才进入国内市场，随后应用于电力、化工、医药、食品等行业.我国农村的水源主要来自地下水，近几年，工业发展破坏了生态平衡，许多地方地下水受到严重污染.长期饮用被污染的水源会对人体的骨骼、皮肤、肠胃等产生巨大伤害[1].据调查，净水器的使用在农村地区尚处于宣传阶段，所以净水器在农村具有巨大的发展潜力[2].
目前，直饮水机主要应用的净水技术有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO)4种，且大多数直饮水机适用于水污染较轻的城市地区.针对农村受污染严重的地区，结合超滤和反渗透技术进行设计，在反渗透（RO）系统前增加前置过滤系统（PP棉过滤）、超滤（UF），对RO起到保护作用；在反渗透（RO）系统后增加超纯过滤系统（EDI装置、UV水循环），加强净化作用，改善口感.同时，为响应国家“光伏扶贫”政策，利用农村房屋结构特点，采用光伏发电技术给直饮水机设备供电.
本文以湖北省襄阳市襄州区某村为例，对该地区的太阳辐射量、水质、人均用水量进行勘测和统计，综合考虑经济效益，对纯水一体机做了针对性的设计.该系统以单片机作为控制核心，太阳能光伏作为电源模块，以串口触摸屏为人机交互界面，通过固态继电器控制，实现超滤、反渗透等，最终产出高质量的纯水.
1、 制水系统过程实现要求
高纯水制备系统如图1所示，主要包括PP棉过滤、超滤（UF）系统、反渗透（RO）纯化系统、EDI装置、高纯水循环系统5大部分[3]，各部分的作用如下所示：
第1部分，原水进入水管，通过温度传感器和水质传感器来检测原水的状态，PP棉过滤作预处理，当自来水压力达到设定值时，低压开关闭合，接通制水电路；当无水源经过或预处理滤芯堵塞时，低压开关断开，切断制水电路，保证泵不空转[4].
图1（网络版彩图）高纯水制备工艺示意图
第2部分，流水经过超滤（UF）进行过滤后，需要再检测一下水质状态，以验证超滤系统的效果.
第3部分，保安过滤器和高压泵给流水加压，提供反渗透（RO）膜所需的工作压力，由反渗透（RO）过滤后，通过TDS检测水质状态；按照国际饮水标准，废水比设定为1∶3[5].
第4部分，经EDI除盐装置过滤后，水质已经达到纯水标准，存入储水桶，当储水桶压力达到设定值时（约0.25 MPa，此时压力桶水满），高压开关断开，切断制水电路，整机停止制水；当储水桶压力下降到设定值时（<0.2 MPa，此时压力桶水浅），高压开关闭合，整机恢复制水.储水桶内安装有液位传感器，实时监控桶内储水状态.
第5部分，超纯水取水，储水桶的纯水经波长为254 nm和185 nm的紫外线灯杀菌后得到超纯水.
2、 系统设计
2.1 、系统整体设计
系统主要分为4大部分：发电系统、制水系统、控制系统、显示系统.发电系统为分散式小型联网光伏发电系统，由太阳能电池阵列、控制器、转换器、逆变器、负载组成[6]，供电给反渗透（RO）制水设备及控制部分；制水系统由制水设备、传感器、电磁阀、泵、储水桶等组成；控制系统由单片机最小系统、固态继电器、AC/DC信号处理器等组成；显示系统有串口触摸屏和物联网云终端.系统整体原理框图如图2所示.
图2 基于STM32的反渗透（RO）制水控制框图
主控制模块选用意法半导体低功耗的STM32F103VET6芯片作为主控单元，该芯片拥有高达72MHz的工作频率、512 k B的闪存程序存储器、嵌套的向量式中断控制器、一流的外设以及3×16位的高精度AD转换模块.表1为单片机I/O分布列表.
表1 单片机I/O分布列表
2.2 、光伏发电控制系统电路设计
光伏发电能力取决于天气状态，在无光照的阴天或晚上需要蓄电池或电网供电，调度需要控制系统完成.光伏发电控制系统电路图如图3所示.
图3 光伏发电控制系统电路图
假定光伏组件的输出功率为QPV，负载消耗功率为QL，光伏电池存储功率为QB.由于光伏组件的输出功率是一个动态变化的过程，因此，可分为以下3个情况来讨论：
1）当QPV>QL时，光伏产生的电能不仅向负载供电，还可通过蓄电池将电能存储，若仍有剩余电能，可通过逆变器将其输送至电网.
2）当QPV=QL时，光伏阵列直接给负载供电，蓄电不工作.
3）当QPV<QL时，蓄电池的电能QB通过控制器向负载供电，若负载耗电过多，电网与蓄电池同时向负载供电.
2.3 影响光伏发电量的主要因素及仿真
光伏发电量的大小直接影响制水设备及其他家电正常运行.为获得光伏最大发电量，保证制水设备等其他家电正常运行，需要对影响光伏发电量的主要因素进行分析与研究，确定光伏组件的参数[7].
2.3.1 、太阳光日照分析
在进行日照分析时，可将太阳视为一个无限远处的点光源.随着时间推移，太阳在一天中沿着轨道有规律地运行，其轨迹具有连续性.太阳运动轨迹由太阳高度角和方位角共同决定，太阳高度角和方位角的理论计算模型如下[8]:
式中：θ为所在地区的维度值，β为赤维度，T为时间，n为总天数，α为太阳方位角，H为太阳高度角.
襄阳市位于北纬31°14′～32°37′，东经110°45′～113°43′，海拔121.6 m.以该市的气象数据为基础，利用Ecotect软件对8月某日的太阳所处位置进行分析，结果如图4所示.
图4（网络版彩图）襄阳市2019年8月某日不同时刻的太阳所处位置图
2.3.2 太阳辐射量的分析
倾斜面上的太阳辐射总量HT由直接太阳辐射量Hb、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt3部分组成.天空散射辐射可用Hay模型来计算，其数学表达式为[9]:
式中：Rb为倾斜面与水平面上直接辐射量之比，Ho为大气层外水平面上太阳辐射量，U为倾斜面的倾角.因此，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为：
式中：H为水平面上总辐射量，d为地面物体表面反射率.通常最后一项地面反射辐射量很小，只占HT的百分之几，可忽略.
倾斜面上接收到的太阳辐射量计算过程繁琐，可利用Pvsys软件模拟出倾斜面上接收到的太阳辐射量，并对光伏系统的发电量进行模拟计算.以襄阳市2019年气候条件（Meteonom数据）为基础，在Pvsys软件对月辐射量、散射辐射量、环境温度及风速等进行仿真分析，仿真结果如图5所示.
图5 襄阳市2019年1月—12月气候条件的PVsys仿真结果
2.3.3、 太阳能光伏组件的方位角与倾斜角的选定
在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，使太阳能电池单位容量的发电量最大.在偏离正南（北半球）30°时，方阵的发电量将减少10%～15%[10].不同方位角下，光伏板发电效率不同.不同方位角下的相对发电量如图6所示.
图6 不同方位角下的相对发电量
图7为不同入射角倾斜面接受到的辐射量示意图.如图7所示，不同的倾斜角度下，光伏组件接收到的太阳辐射量不同，需确定一个最佳倾角以保证获得最大的太阳辐射量.以襄阳市的气候条件为基础，在光伏组件布置朝向为正南方向的情况下，利用软件Pvsyst对最佳倾角进行仿真分析，仿真结果如图8—图9所示.
图7 不同入射角倾斜面接收到的辐射量
图8 太阳辐射量与倾斜角度的关系
图9 倾角转化系数曲线
由仿真结果可知，辐射量并不是随着倾斜角度的增加而增加，而是呈现出抛物线的趋势.本次仿真得出的最佳倾斜角度为22°，在这个倾斜角度下，倾斜面可接收到的太阳辐射量为1 230 k W·h/m2.此外，PV组件在进行安装布置时，尽量避开周围建筑物或树木等产生的阴影[11].
3 、系统软件设计
3.1、 光伏发电控制系统程序流程
光伏发电控制系统的运行受太阳辐射量、蓄电池状态、负载用电需求等影响.由于光伏发电量随天气变化具有较大的随机性，因此，能源控制需考虑各种运行状态及其之间的切换.光伏发电控制流程图如图10所示.
图1 0 光伏发电控制系统程序流程图
3.2、 直饮水机程序流程
图11为净水系统的总体工作流程：系统开机后，触摸屏显示主界面，检测液位信息和报警信息，确认正常后进行触摸键检测，可选择纯水制备的功能，确认后运行；通过界面设置参数，当制备纯水达标后或设置运行时间达到后，设备断电，运行结束.
图1 1 净水系统的总体主流程图
4、 系统测试结果分析
4.1、 整体测试
为验证该方案是否可行，对水质进行检测.21℃条件下，取当地水沟里的水源作为样本（其电导率为1 271.45μS/cm）进行TDS污水检测.TDS检测方式是常用的家庭生活用水检测工具，能直接反映水质状况以及净水器各过滤系统的净水能力.实验结果如表2所示.
单纯依赖TDS水质测试来判断水质是否能直饮并不是最全面的方法.因此，按照国家标准《生活饮用水卫生标准》GB 5749—2006的各个项目对表2中过滤后得到的饮用水进行检测，探究制水设备得到的饮用水是否满足相应的指标要求.检测结果如表3所示.
表2 系统测试水质结果分析
表3 系统测试水质结果分析
由实验结果可知：水源经过第1级PP棉过滤系统后，色度降低，无肉眼可见物，但仍有异味、水质差，说明第1级PP棉过滤系统仅对大体积的物质起到过滤作用和降低水浊度；水源经过第2级超滤系统后，无异味，但电导率依旧很高，水质差；第3级反渗透（RO）系统开始工作后，水质明显提升，废水排放多；在第4级EDI除盐装置和第5级UV杀菌作用下，水质状况得到提高.串口触摸屏最终结果分析显示界面如图12所示.
图1 2 结果分析显示界面
整个过程共耗时114 min，共产12 L纯水，流量为7.8 L/h.经测试，本系统基本可以达到要求，依次实现超滤（UF）、反渗透（RO）、EDI装置、高纯水循环等技术功能，产出纯水或超纯水.同时，实时显示产出纯水的水温、液位及水质检测状况.
4.2、 多样本测试
为进一步验证本文所设计的直饮水机的安全性与有效性，在进水水温为21℃的条件下，取10组不同的污染水源为样本，分别对10种未处理水样进行过滤实验，并分别统计出每一级过滤系统产水的水质状况进行比较分析.其中，第1级为PP棉，第2级为超滤，第3级为反渗透（RO）过滤系统，第4级为EDI除盐装置，第5级为UV杀菌.10组污染水源样本过滤后的实验数据如表4所示.
由表4可知，经过4级过滤装置后，10组水样的电导率相较最初的电导率显着降低.为了更直观地观察出各级过滤装置的过滤效果，对表4的数据进行曲线化处理，处理后的结果如图13所示.
单位：μS?cm-1
表4 污染水样经过滤系统后电导率对比
由图13可知，每组实验各级过滤后电导率降低比例均不同，第3级反渗透（RO）过滤系统的过滤性能最好，电导率降低比可达95%以上.作为过滤系统的前置装备，第1级和第2级过滤装置的过滤效果最低，但可对第3级反渗透（RO）过滤膜起到保护作用.第4级EDI除盐装置对水样进行除盐后，电导率也相应下降，经过第5级UV杀菌处理后即可满足饮用标准.
图1 3 在10组实验下的各级过滤后电导率降低比
5 、结语
针对农村饮水安全问题，本文设计了光伏家庭型纯水直饮水机，将太阳能光伏发电技术、纯净水超滤和反渗透膜技术、人机交互触摸屏技术集成于一体.利用相关的模拟软件，对光伏组件的最佳安装倾角、太阳光日照、太阳辐射量、太阳能光伏组件的方位角与倾斜角的选定以及光伏阵列组件布局和间距的确定等进行了分析与研究，优化了光伏模块的发电效率.
在21℃条件下，取当地水沟水质电导率为1 271.45μS/cm的水样本进行了系统的整体测试与实验.实验结果表明，经过本系统过滤后的水质符合国家标准《生活饮用水卫生标准》GB 5749—2006的指标要求.此外，为验证本系统的安全性与有效性，以10组不同水质的污水进行过滤实验.10组实验结果表明：第3级反渗透（RO）过滤系统的过滤性能最好，电导率降低比可达95%以上.第1级和第2级过滤装置的过滤效果最低，但经过第4级EDI除盐装置和第5级UV杀菌处理后，10组实验的出水水质的电导率均满足相关的规范要求，充分验证了本系统的安全性与可行性.
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