Плавучие аэрационные установки с питанием от солнечных фотоэлектрических батарей для очистки водоемов
В последнее время экологические проблемы заставляют все чаще задумываться над тем, как бороться с постоянным загрязнением среды обитания человека. Особенно тяжелая ситуация возникает в крупных городах, где наряду с загрязнением воздуха промышленными выбросами и выхлопами автомобилей существует серьезная проблема загрязнения водоемов сточными водами, мусором и т. д.
Замена традиционных источников энергии на новые, более экологичные, виды (например, тепловых электростанций - на солнечные и ветровые), конечно, приведет к улучшению ситуации в целом. Но этот процесс не может произойти быстро хотя бы потому, что он требует больших материальных затрат. Однако технический потенциал нетрадиционных источников энергии уже достиг того уровня, когда они могут составить реальную конкуренцию существующим традиционным источникам, особенно, когда учитывается их экологическая чистота [2]. К тому же, создание мобильных очистных установок позволяет использовать их там, где невозможно применение систем на основе традиционных источников энергии, например для очистки прудов рекреационного назначения.
Химическое и тепловое загрязнение водоемов, превращение рек в каскады водохранилищ, межрегиональная переброска стока, возрастающие масштабы перерождения биосистем преобразуют весь комплекс гидрологических, гидрохимических и гидробиологических процессов в природных экосистемах, обусловив нарушение экологического равновесия и процессов саморегулирования в гидробиоценозах. Результатом этого является значительное ухудшение качества природных вод вследствие снижения их способности к самоочищению, повсеместное возникновение зачастую необратимых изменений в гидросфере - части биосферы, наиболее чувствительно воспринимающей все стороны хозяйственной деятельности человека. Следовательно, для уменьшения антропогенного влияния на природные воды необходим постоянный мониторинг за состоянием природных вод и комплекс мероприятий для очистки и улучшения качества воды.
Основным из показателей качества воды является растворенный в ней кислород. Он находится в природной воде в виде молекул O2. На его содержание в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее. К первой группе процессов, обогащающих воду кислородом, следует отнести: процесс абсорбции кислорода из атмосферы; выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза; поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом.
К группе процессов, уменьшающих содержание кислорода в воде, относятся реакции потребления его на окисление органических веществ: биологическое, биохимическое и химическое.
В поверхностных водах содержание растворенного кислорода варьирует в широких пределах - от 0 до 14 мг/л - и подвержено сезонным и суточным колебаниям. Суточные колебания зависят от интенсивности процессов его продуцирования и потребления и могут достигать 2,5 мг/л растворенного кислорода. В зимний и летний периоды распределение кислорода носит характер стратификации. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водных объектах с высокими концентрациями загрязняющих органических веществ и в вырождающихся (перерождающихся) водоемах, содержащих большое количество биогенных и гумусовых веществ.
Концентрация кислорода определяет величину окислительно-восстановительного потенциала и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Устойчивость микроорганизмов к изменениям различных компонентов окружающей среды, особенно к ее неблагоприятным факторам, так же в значительной степени обусловлена концентрациями растворенного в воде кислорода (чем меньше разница парциального давления кислорода в воде и крови, тем ниже уровень окислительных процессов в организмах). Уровень же окислительных процессов влияет на функциональную деятельность всего организма, стойкость его к неблагоприятным воздействиям, величину потребления и ассимиляции пищи.
Основным способом насыщения воды кислородом, очистки и улучшения ее качества в настоящее время является аэрация (т. е. насыщение воды кислородом), так как кислородный режим водоемов относится к числу важнейших факторов, определяющих интенсивность процессов самоочищения и формирования биологической продуктивности водных экосистем. Дефицит кислорода, возникающий в результате снижения интенсивности атмосферной и фотосинтетической аэрации, с одновременным повышением его потребления на биологическое и химическое окисление органического вещества оказывает отрицательное влияние на функционирование основных звеньев экосистемы, качество воды и выход полезной биологической продукции. А поскольку континентальные водоемы вследствие их интенсивного использования во многих случаях уже исчерпывают или исчерпали свою самоочистительную способность, возникала необходимость в активной помощи таким водоемам в целях поддержания их способности к самоочищению. Необходимость целенаправленного формирования кислородного баланса водоемов как эффективного метода активизации процессов самоочищения и решается с помощью искусственной аэрации.
В настоящее время разработано довольно большое число различных аэрационных установок, однако большинство из них не получили широкого распространения из-за трудностей с организацией бесперебойного обеспечения энергией [6]. Чаще всего подобные установки предполагают наличие автономного источника питания. Выбор типа источника определяется его назначением, потребляемой мощностью, наличием или отсутствием сети электроснабжения, географическим положением потребителя и допустимыми затратами. По сей день универсальным автономным источником считается дизель-генератор. Он находит широкое применение благодаря высокой надежности. Но дизель-генератор, как и большинство других источников энергии, так или иначе загрязняет или изменяет окружающую среду. Использование же нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для питания аэрационных установок будет способствовать уменьшению загрязнения окружающей среды.
В связи со всем вышесказанным авторами была предложена и разработана оригинальная плавучая компрессорная установка с питанием от солнечных фотоэлектрических батарей [4]. Установка предназначена для аэрации водоемов комплексного назначения, водохранилищ ГЭС и ирригационных систем, а также непроточных озер и прудов с целью улучшения состояния воды и поддержания нормируемых показателей на необходимом уровне. Использование в данной установке нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для ее питания, в частности фотоэлектрических батарей, будет способствовать уменьшению загрязнения окружающей среды, так как эти источники являются экологически чистыми и в отличие от дизель-генераторов, у которых существует утечки топлива, смазочных материалов и выбросы выхлопных газов, не наносят урон окружающей среде.
Плавучая аэрационная установка (на снимках) состоит из понтона (плота), на котором размещены: солнечная батарея, компрессор, аккумуляторная батарея и система управления. Тип и параметры основного оборудования установки выбирались по результатам расчетов прихода солнечной радиации [2,5], моделирования кислородного режима водоема [3,6], экономического расчета. В августе 2004 г. установка прошла испытания на озере Коверши (Московская обл., Ногинский р-н).
В состав основного оборудования входят: солнечная батарея из двух фотоэлектрических модулей суммарной мощностью 100 Вт (2x50 Вт); аккумуляторная батарея, состоящая их двух щелочных (NiCd) аккумуляторов с номинальным напряжением 12 В; компрессор; контроллер заряда-разряда аккумуляторной батареи; блок управления; аэратор.
Технические характеристики установки: номинальное напряжение - 12 В; установленная мощность солнечных батарей - 100 Вт; максимальная потребляемая мощность - 108 Вт; максимальное давление - не менее 2,5 кГс/кв. см; общий вес с установленным оборудованием - 120 кг; габариты при сложенных солнечных батареях - 2 440 х 1 220 х 560 мм.
Оборудование установки смонтировано на плоту (плавающей платформе). Модули солнечной батареи крепятся под различными углами на внешней части платформы и опираются на специальные подставки. Неподвижное расположение, ориентация на юг и устойчивость платформы обеспечиваются ее габаритами и растяжками от 3-х или 4-х якорей, крепящихся канатами к специальным "ушкам" платформы. Компрессор, аккумуляторные батареи, контроллер и блок управления располагаются на платформе в специальном ящике. Аэратор с воздушным шлангом опускаются на дно в требуемом месте.
Принцип работы установки. Очистка и улучшение качества воды в водоеме происходит за счет процесса аэрации (насыщения воды кислородом), когда производимые аэратором мелкие пузырьки воздуха растворяются в воде. Питание электроэнергией компрессора осуществляется аккумуляторной батареей, заряд которой
обеспечивают солнечные модули. Контроллер управляет зарядом-разрядом аккумуляторной батареи, обеспечивает защиту от глубокого разряда и перезаряда аккумуляторной батареи, коротких замыканий в компрессоре, аккумуляторной и солнечной батареях. Блок управления обеспечивает требуемый режим аэрации, осуществляя включение/отключение компрессора по заданному графику.
Возможны следующие режимы работы установки:
- при достаточной интенсивности солнечного излучения солнечная фотоэлектрическая установка обеспечивает питание компрессора и подзаряд батареи;
- при недостаточной интенсивности солнечного излучения компрессор питается от параллельно работающей солнечной фото-
электрической установки и аккумулятора;
- при низкой интенсивности солнечной энергии или ее отсутствии питание компрессора обеспечивается аккумуляторной батареей;
- при колебаниях интенсивности солнечного излучения и изменениях потребляемой компрессором мощности выше перечисленные процессы повторяются в произвольной последовательности.
Плавучесть данной установки позволяет ей работать в любой точке водоема. Ее питание от солнечных фотоэлектрических батарей обеспечивает полную автономность и отсутствие вероятности любого загрязнения водоема (теплового, шумового, в результате утечки горюче-смазочных материалов), в отличие от случаев применения дизельной установки. Работа этих батарей в комплексе с аккумуляторной батареей обеспечивает бесперебойное энергоснабжение установки в течение суток. Телескопические стойки крепления солнечных модулей позволяют изменять угол наклона модулей (от 0 до 500), тем самым обеспечивая максимальное поступление солнечной радиации. Снабжение установки блоком управления и контроля обеспечивает автоматическое управление и контроль за ее работой в оптимальном режиме.
Литература
1. Акимов В. А., Гуенко В. С., Савченко Ю. Н. Технические средства аэрации прудов (серия "Новая техника и технология производства"). - М.: Агропромиздат, 1990, 80 с.: ил. 36.
2. Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А., Виссарионов В. И., Евдокимов В. М., Малинин Н. К., Огородов Н. В., Пузаков В. Н., Сидоренко Г. И., Шпак А. А. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. - СПб.: Наука, 2002, 314 с.
3. Назаров Б. Г., Монахов А. Ф. Санитарная охрана водных объектов. /Под ред. В. Т. Медведева. - М.: Изд-во МЭИ, 1998, 16 с.
4. Свидетельство на полезную модель №18597 "Устройство питания от фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии". Виссарионов В. И., Буранов Р. М. // Роспатент, 2001 г.
5. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990, 392 с.
6. Уитон Ф. Техническое обеспечение аквакультуры. - М.: Агропромиздат,1985, 528 с.
| Автор: В. И. Виссарионов, С. А. Лазарев-Марченко Дата: 24.03.2005 Журнал Стройпрофиль 2-1-05 Рубрика: экология Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |