藻類生物質的生產系統機械結構

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摘要：清潔環保的藻類生物質燃料是新能源的重要組成部分，怎樣大規模的生產應用是當前和以后很長一段時間國內外研究新能源的重大課題，也是解決當前世界能源短缺問題的方法之一。為此，對藻類生物質生產系統機械結構進行探索，以資借鑒。

關鍵詞：藻類;生物質;生產系統;機械結構

1概述

隨著全球經濟的快速增長，石油和煤炭等不可再生的化石能源日漸消耗，社會正面臨著能源短缺的危機。為解決能源短缺問題，太陽能、風能和生物質能等可再生能源日漸進入我們的視野。藻類，在用作生物質燃料方面具有不可替代的地位，其制備的生物柴油不論是作燃料還是其他用途，對于能源短缺、環境污染和溫室效應等問題都有一定意義。

2系統基本原理和結構設計

2.1基本原理

藻類生物質生產系統是一種藻類生產的材料或設備，主要包括以下幾個系統。第一，能源系統。為整個系統提供電力，主要分為發電模塊、貯能模塊和控制模塊三個模塊。第二，動力系統。本設計的兩個主運動都選擇步進電機驅動，方便協調兩種運動之間的相互配合。第三，數據采集系統。主要用于監測藻類生長的各種條件的實時情況以便調整，包括溫度測量、光照測量、CO2量測量和液層高度測量。第四，調控系統。可以根據數據采集系統收集的實時狀況和實際需要對某些量進行調節。第五，控制系統。以單片機為主，主要通過串口傳輸數據和指令，與主控臺進行通信，同時也對整個系統電源進行管理（本文只對動力系統的機械結構進行討論）。

2.2基本結構

2.2.1養殖部分

開放式養殖池是最簡單和原始的藻類養殖系統，考慮到輸送帶實現循環運動的可行性和可靠性，選擇圓形養殖池。本設計因為有不銹鋼板作為養殖平臺，不存在藻細胞下沉的問題，故不含中央旋轉攪拌器，取而代之的是旋轉鋼板，作為傳輸帶，在藻類生長到適合大小收割時進行旋轉運動，達到收割自動化。圓形池。圓形池的大小參考一般的養殖池，設計為圓環狀，中心的圓形空間用于安裝旋轉驅動機構（包括電動機），內環直徑為2.5m，外環直徑為10m，深度為50mm。對應收割系統的部分設計有缺口和回收通道，方便收割好的藻細胞能順利進入下一輪工序。生長的場所——傳送帶。根據美國的一項科研成果，藻類細胞在表面含有細小波紋的抗腐蝕不銹鋼上比起在不含細紋的平面上生長具有更大吸附性和更快的生長速度。生長在鋼板表面的藻類在回收時可以用機械的方法收“割”，同時遺留在表面上的藻類將作為下一輪藻類的“根”而持續生長。因此，將“傳送帶”設計成在水面循環的模式，就可以實現藻類的連續生長和收獲。關于傳送帶的設計需要注意以下幾方面問題。第一，鋼板的紋理。在鋼板上陣列微孔，增加對藻細胞的吸附性。微孔的尺寸選擇根據前人研究成果而定，選擇直徑為0.25mm，深為0.1mm，孔與孔之間的間距是4mm。第二，設計鋼板的尺寸。主要依據是角度確定尺寸。因普通步進電機的步距角常見為7.5°，故每次轉過的角度應為步距角的整數倍，剛好在轉過一片鋼板就收割一次，每次收割一片，整個傳送帶運動一周完成一次藻細胞回收。所以，鋼板片數n（n=1，2，3…），又因為考慮到池的外徑數值較大，當n=1時，每片鋼板過于細長，最后確定n=2，計算得X=24片，角度為15°。考慮到每片鋼片之間應留有一定間隙，最后取角度為14.6°。第三，設計傳送帶的運動輔助構件。要使鋼板浮在水面難以實現控制，故安裝支架穩定鋼板高度，通過液體供給系統調節水量達到。由于鋼板有旋轉運動的需求，所以在支架底部裝有滑輪，減低摩擦，對于后期收割時調整鋼板高度也較方便。第四，設計旋轉驅動部分。鋼板的旋轉運動由步進電機驅動，步進電機安裝在養殖池的中央，通過圓盤狀薄板的驅動旋轉盤帶動鋼板，支架連接銜接桿而與旋轉盤跟支架之間形成鉸接。驅動旋轉盤固定在圓形養殖池的內徑厚壁上，兩者之間設計有凹槽并安裝滾珠，既能支撐薄板又不影響其旋轉運動。

2.2.2收割部分

往復運動機構。對于收割裝置，其運動是沿養殖池半徑方向的直線運動，養殖池里每轉過一個鋼板的位置，收割裝置運動一個循環，即一次直線往復運動。設計重點在保持刮刀不離開鋼板表面，對速度無特殊要求。基于系統結構尺寸較大，一般的往復運動機構難以實現，并且養殖環境較潮濕，所以，傳動件優選鏈傳動。綜合考慮，設計往復運動機構為鏈條帶動T型導桿做往復直線運動，刀具安裝在T型導桿上。刮刀。由于使藻細胞與鋼板分離所需的力很小，本設計只是初步提供設計構想，對刀具的結構設計合理性沒有經過計算驗證。基本思路是直接用刀具在鋼板上刮取至回收通道。定位導塊。定位導塊與T型導桿接觸的截面形狀設計同導軌截面設計。由于燕尾形導軌是三角形導軌的變形，高度較小，可承受顛覆力矩，所以在承載處選擇燕尾形導軌。同時，在導軌上部安裝矩形導軌防止T型導桿傾覆，該矩形導軌不起導向作業，兩側平面與導桿不接觸。根據燕尾形截面設計的定位導塊要根據所需高度固定在底座上。滑塊。滑塊的設計著重在鏈條轉動時不會造成干涉，與鏈條的連接采用鉸接，所以選擇滾子鏈。鉸接時，以螺栓代替鏈節的其中一條銷軸，同時螺栓與滑塊相連，滑塊又與T型倒桿豎直部分相連。為排除滑塊運動時與鏈條、鏈輪相碰撞而造成干涉，滑塊設計成對稱的兩個獨立部分；因與T型導桿豎直部分的連接是滑動摩擦，截面形狀設計成圓形，猶如套筒與軸的連接。滑塊與螺栓連接用的孔用銑刀銑沉孔，裝上軸承減低轉動摩擦，而軸承由墊圈實現軸向定位。

3結語

隨著科學技術的發展和進步，藻類生物質作為生產新能源的原料有著不可替代的作用，它的研究和開發也越來越受到人們的重視。我國在新能源技術研究利用方面與國外相比還有較大差距，大力加強新能源技術的研究、推廣和應用，對我國乃至世界能源領域都具有重大意義。

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作者:鐘夢筆 單位:湖南科技職業學院