藻類(lèi)生物質(zhì)的生產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

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摘要：清潔環(huán)保的藻類(lèi)生物質(zhì)燃料是新能源的重要組成部分，怎樣大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用是當(dāng)前和以后很長(zhǎng)一段時(shí)間國(guó)內(nèi)外研究新能源的重大課題，也是解決當(dāng)前世界能源短缺問(wèn)題的方法之一。為此，對(duì)藻類(lèi)生物質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，以資借鑒。

關(guān)鍵詞：藻類(lèi);生物質(zhì);生產(chǎn)系統(tǒng);機(jī)械結(jié)構(gòu)

1概述

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，石油和煤炭等不可再生的化石能源日漸消耗，社會(huì)正面臨著能源短缺的危機(jī)。為解決能源短缺問(wèn)題，太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可再生能源日漸進(jìn)入我們的視野。藻類(lèi)，在用作生物質(zhì)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(duì)于能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題都有一定意義。

2系統(tǒng)基本原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1基本原理

藻類(lèi)生物質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)是一種藻類(lèi)生產(chǎn)的材料或設(shè)備，主要包括以下幾個(gè)系統(tǒng)。第一，能源系統(tǒng)。為整個(gè)系統(tǒng)提供電力，主要分為發(fā)電模塊、貯能模塊和控制模塊三個(gè)模塊。第二，動(dòng)力系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的兩個(gè)主運(yùn)動(dòng)都選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，方便協(xié)調(diào)兩種運(yùn)動(dòng)之間的相互配合。第三，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要用于監(jiān)測(cè)藻類(lèi)生長(zhǎng)的各種條件的實(shí)時(shí)情況以便調(diào)整，包括溫度測(cè)量、光照測(cè)量、CO2量測(cè)量和液層高度測(cè)量。第四，調(diào)控系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的實(shí)時(shí)狀況和實(shí)際需要對(duì)某些量進(jìn)行調(diào)節(jié)。第五，控制系統(tǒng)。以單片機(jī)為主，主要通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)和指令，與主控臺(tái)進(jìn)行通信，同時(shí)也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電源進(jìn)行管理（本文只對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論）。

2.2基本結(jié)構(gòu)

2.2.1養(yǎng)殖部分

開(kāi)放式養(yǎng)殖池是最簡(jiǎn)單和原始的藻類(lèi)養(yǎng)殖系統(tǒng)，考慮到輸送帶實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的可行性和可靠性，選擇圓形養(yǎng)殖池。本設(shè)計(jì)因?yàn)橛胁讳P鋼板作為養(yǎng)殖平臺(tái)，不存在藻細(xì)胞下沉的問(wèn)題，故不含中央旋轉(zhuǎn)攪拌器，取而代之的是旋轉(zhuǎn)鋼板，作為傳輸帶，在藻類(lèi)生長(zhǎng)到適合大小收割時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到收割自動(dòng)化。圓形池。圓形池的大小參考一般的養(yǎng)殖池，設(shè)計(jì)為圓環(huán)狀，中心的圓形空間用于安裝旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（包括電動(dòng)機(jī)），內(nèi)環(huán)直徑為2.5m，外環(huán)直徑為10m，深度為50mm。對(duì)應(yīng)收割系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)有缺口和回收通道，方便收割好的藻細(xì)胞能順利進(jìn)入下一輪工序。生長(zhǎng)的場(chǎng)所——傳送帶。根據(jù)美國(guó)的一項(xiàng)科研成果，藻類(lèi)細(xì)胞在表面含有細(xì)小波紋的抗腐蝕不銹鋼上比起在不含細(xì)紋的平面上生長(zhǎng)具有更大吸附性和更快的生長(zhǎng)速度。生長(zhǎng)在鋼板表面的藻類(lèi)在回收時(shí)可以用機(jī)械的方法收“割”，同時(shí)遺留在表面上的藻類(lèi)將作為下一輪藻類(lèi)的“根”而持續(xù)生長(zhǎng)。因此，將“傳送帶”設(shè)計(jì)成在水面循環(huán)的模式，就可以實(shí)現(xiàn)藻類(lèi)的連續(xù)生長(zhǎng)和收獲。關(guān)于傳送帶的設(shè)計(jì)需要注意以下幾方面問(wèn)題。第一，鋼板的紋理。在鋼板上陣列微孔，增加對(duì)藻細(xì)胞的吸附性。微孔的尺寸選擇根據(jù)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(shè)計(jì)鋼板的尺寸。主要依據(jù)是角度確定尺寸。因普通步進(jìn)電機(jī)的步距角常見(jiàn)為7.5°，故每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度應(yīng)為步距角的整數(shù)倍，剛好在轉(zhuǎn)過(guò)一片鋼板就收割一次，每次收割一片，整個(gè)傳送帶運(yùn)動(dòng)一周完成一次藻細(xì)胞回收。所以，鋼板片數(shù)n（n=1，2，3…），又因?yàn)榭紤]到池的外徑數(shù)值較大，當(dāng)n=1時(shí)，每片鋼板過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，最后確定n=2，計(jì)算得X=24片，角度為15°?？紤]到每片鋼片之間應(yīng)留有一定間隙，最后取角度為14.6°。第三，設(shè)計(jì)傳送帶的運(yùn)動(dòng)輔助構(gòu)件。要使鋼板浮在水面難以實(shí)現(xiàn)控制，故安裝支架穩(wěn)定鋼板高度，通過(guò)液體供給系統(tǒng)調(diào)節(jié)水量達(dá)到。由于鋼板有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的需求，所以在支架底部裝有滑輪，減低摩擦，對(duì)于后期收割時(shí)調(diào)整鋼板高度也較方便。第四，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分。鋼板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)安裝在養(yǎng)殖池的中央，通過(guò)圓盤(pán)狀薄板的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)鋼板，支架連接銜接桿而與旋轉(zhuǎn)盤(pán)跟支架之間形成鉸接。驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)固定在圓形養(yǎng)殖池的內(nèi)徑厚壁上，兩者之間設(shè)計(jì)有凹槽并安裝滾珠，既能支撐薄板又不影響其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.2.2收割部分

往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)于收割裝置，其運(yùn)動(dòng)是沿養(yǎng)殖池半徑方向的直線運(yùn)動(dòng)，養(yǎng)殖池里每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)鋼板的位置，收割裝置運(yùn)動(dòng)一個(gè)循環(huán)，即一次直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在保持刮刀不離開(kāi)鋼板表面，對(duì)速度無(wú)特殊要求?；谙到y(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較大，一般的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)，并且養(yǎng)殖環(huán)境較潮濕，所以，傳動(dòng)件優(yōu)選鏈傳動(dòng)。綜合考慮，設(shè)計(jì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為鏈條帶動(dòng)T型導(dǎo)桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，刀具安裝在T型導(dǎo)桿上。刮刀。由于使藻細(xì)胞與鋼板分離所需的力很小，本設(shè)計(jì)只是初步提供設(shè)計(jì)構(gòu)想，對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性沒(méi)有經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證?；舅悸肥侵苯佑玫毒咴阡摪迳瞎稳≈粱厥胀ǖ?。定位導(dǎo)塊。定位導(dǎo)塊與T型導(dǎo)桿接觸的截面形狀設(shè)計(jì)同導(dǎo)軌截面設(shè)計(jì)。由于燕尾形導(dǎo)軌是三角形導(dǎo)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(dǎo)軌。同時(shí)，在導(dǎo)軌上部安裝矩形導(dǎo)軌防止T型導(dǎo)桿傾覆，該矩形導(dǎo)軌不起導(dǎo)向作業(yè)，兩側(cè)平面與導(dǎo)桿不接觸。根據(jù)燕尾形截面設(shè)計(jì)的定位導(dǎo)塊要根據(jù)所需高度固定在底座上?；瑝K?；瑝K的設(shè)計(jì)著重在鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)造成干涉，與鏈條的連接采用鉸接，所以選擇滾子鏈。鉸接時(shí)，以螺栓代替鏈節(jié)的其中一條銷(xiāo)軸，同時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)與鏈條、鏈輪相碰撞而造成干涉，滑塊設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)獨(dú)立部分；因與T型導(dǎo)桿豎直部分的連接是滑動(dòng)摩擦，截面形狀設(shè)計(jì)成圓形，猶如套筒與軸的連接?；瑝K與螺栓連接用的孔用銑刀銑沉孔，裝上軸承減低轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，而軸承由墊圈實(shí)現(xiàn)軸向定位。

3結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，藻類(lèi)生物質(zhì)作為生產(chǎn)新能源的原料有著不可替代的作用，它的研究和開(kāi)發(fā)也越來(lái)越受到人們的重視。我國(guó)在新能源技術(shù)研究利用方面與國(guó)外相比還有較大差距，大力加強(qiáng)新能源技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對(duì)我國(guó)乃至世界能源領(lǐng)域都具有重大意義。

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作者:鐘夢(mèng)筆 單位:湖南科技職業(yè)學(xué)院