李慶才，翟龍濤，許龍賀，高勇善

(德州學院 機電工程學院，山東 德州 253023)

新型太陽能智能PM2.5空氣凈化器的設計與研究*

李慶才，翟龍濤，許龍賀，高勇善

(德州學院 機電工程學院，山東 德州 253023)

本文是基于新型太陽能智能PM2.5空氣凈化器的設計與研究。主要介紹了當前市場前景與未來的發(fā)展空間，并認真分析了負離子空氣凈化器的原理及組件構成。負離子產生機理及如何克服伴隨產物臭氧，同時根據(jù)材料特性和環(huán)境要求對負離子空氣凈化器應用做以實驗，凈化器凈化材料對凈化效果、風量、噪聲等做以具體分析研究。另外，簡述了太陽能智能PM2.5空氣凈化器具備的多種創(chuàng)新功能。

太陽能；負離子凈化；智能；PM2.5

1 太陽能智能空氣凈化器研制背景

現(xiàn)代生活生產中，我國的大氣污染物排放總量居高不下。全國大多數(shù)城市的大氣環(huán)境質量超過國家標準。近年來，“霧霾”更成為了我國當之無愧的年度熱詞之一，國內25個省100多個大中城市被霧霾所困擾，全國平均霧霾天數(shù)達到29.9天，較往年同期偏多9.43天，且持續(xù)性霾過程增加顯著[1]。相關研究表明，大氣PM2.5濃度增高可顯著增加人體致癌和非致癌風險。多項調查顯示，PM2.5大氣濃度每增加10 g/m3，居民日均總死亡率將增加0.9%，心血管疾病死亡率將增加1.22%，呼吸系統(tǒng)死亡率將增加0.97%。當前的PM2.5濃度水平每年僅在北京、上海、廣州、西安四個城市就能造成上萬人的過早死亡[1]。其實，即使大氣中污染物濃度不高，但人體成年累月呼吸這種污染的空氣，也會引起慢性支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫及肺癌等疾病。

2 太陽能智能空氣凈化器構成及其組件研究

2.1 太陽能智能空氣凈化器的構成

目前太陽能智能空氣凈化器主要有以下組件構成:太陽能充電系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、靜電除塵系統(tǒng)、智能報警系統(tǒng)和藍牙遙控系統(tǒng)等四個系統(tǒng)。

1) 太陽能充電系統(tǒng)：太陽能充電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池和防逆流模塊組成，實現(xiàn)對空氣凈化器自動蓄電。此系統(tǒng)應用了一塊多晶功率為10 W產生電壓為18 V的太陽能電池板產生電能，通過加裝防逆流模塊(蓄電池充滿電時防逆流模塊能夠自動切斷線路)防止電流的倒流和線路的短路，保護太陽能電池板的壽命，實現(xiàn)對12 V蓄電池的不間斷電。利用儲量豐富的太陽能作為能源符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，既有效的利用清潔能源保護了環(huán)境，又保護了人們身體的健康。

2) 自動控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)由粉塵傳感器和煙霧傳感器通過51單片機實現(xiàn)對電路的自動控制功能。此系統(tǒng)應用了GP2Y1010AU0F粉塵傳感器和MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊對PM2.5、煙霧、甲烷、液化氣可燃氣體等實現(xiàn)自動檢測，從而控制空氣凈化裝置開啟工作。

3) 靜電除塵系統(tǒng)：靜電除塵系統(tǒng)主要由負離子發(fā)生器本體和高性能除塵通道組成。負離子發(fā)生器是靜電除塵系統(tǒng)的最核心組件，高性能負離子發(fā)生器產生高壓，擊穿空氣，產生負氧離子，使得集塵裝置帶負電從而吸附有害物質[2]。高性能除塵通道內部創(chuàng)新性的設計了兩道類似于百葉窗的粉塵防線，出風口安裝有風扇吸引PM2.5粉塵和煙霧進入其中，有效的提高了空氣凈化的效率。

4) 智能報警系統(tǒng)：智能報警系統(tǒng)由蜂鳴器模塊和煙霧傳感器模塊通過單片機控制實現(xiàn)智能報警。當出風口煙霧或者天然氣濃度達到煙霧傳感器設定的閥值時，煙霧傳感器發(fā)出信號，單片機處理信號控制蜂鳴器發(fā)出報警信號。

5) 藍牙遙控系統(tǒng)：藍牙遙控系統(tǒng)主要由HC-06從機藍牙模塊、藍牙遙控終端和5110液晶顯示屏組成。藍牙遙控模塊通過手機或者藍牙終端實現(xiàn)對空氣凈化器進行開關控制和5110液晶顯示屏監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示控制。

2.2 高性能除塵通道

高性能除塵通道一般由除塵通道本體、百葉窗設計的粉塵防線、高性能風扇構成。

除塵通道本體：外形設計為“L”型，上端為進風口，下端為出風口。設計考慮到了空氣中的PM2.5、煙霧、甲烷、甲醛等有害物比空氣要輕，因此外形設計為“L”型有害物質上方進入，清潔空氣下方排除更加科學合理。

百葉窗設計的粉塵防線：高性能除塵通道內部有兩道類似于葉窗設計的粉塵防線，兩道防線交錯排列，增長了有害物質的路徑，相當于把有害物質過濾了兩遍，從而提高了空氣凈化的效率。

高性能風扇：由于本空氣凈化器安裝于室內空間，高性能風扇吸引有害空氣進入高性能除塵通道并且噪音小，有效地提高了空氣凈化效率。

2.3 灰塵清理系統(tǒng)

灰塵清理系統(tǒng)位于高性能除塵通道內部，由類似于百葉窗設計的集塵片、毛刷和集塵抽屜構成。當集塵片上灰塵長時間沒有清理時，通過用手抽拉集塵片，由內壁的毛刷將灰塵刮落，使其掉入下方的小抽屜中從而達到清理灰塵的目的。據(jù)了解調查分析當前市面上銷售的空氣凈化器通常過濾器選用金屬網(wǎng)過濾器、尼龍網(wǎng)過濾器、泡沫海綿過濾器等三種方式，高端的空氣凈化器主要采用化學吸附方法過濾灰塵。綜合上述方式都存在清理方式難度較大的問題。本產品采用的手拉式清理灰塵方式簡單易操作，并且效率高。

3 太陽能智能空氣凈化器的功能

3.1 高效除塵

除塵系統(tǒng)創(chuàng)新設計了兩道類似于百葉窗設計的粉塵防線，出風口安裝有風扇吸引PM2.5粉塵、甲醛、二手煙等有害物質進入其中，高性能除塵通道吸收了流體力學的精髓有效增大了除塵效率。能夠輔集小于0.01 μm的細粒粉塵。太陽能智能PM2.5空氣凈化器是可以通過改變參數(shù)，來滿足用戶不同的凈化效率要求。而傳統(tǒng)的空氣凈化器一般采用光催化(光觸媒)、物理吸附、電離子、層層過濾網(wǎng)等原始的除塵方法，這些落后的工作方法均存在著缺陷與不足[3]。比如物理吸附容易飽和、單一功能；層層過濾網(wǎng)只能過濾塵埃，基本上不具備殺菌功能且易造成過濾網(wǎng)堵塞，還可能伴有細菌盤踞進而形成病菌繁殖的窩點等，最終出現(xiàn)二次污染的情況。太陽能智能空氣凈化器能清除空氣中的多種有害物質，還達到太陽能供能的節(jié)能減排的良好效果。

3.2 智能防火報警

當室內發(fā)生火災或者煤氣泄漏，出風口煙霧或者天然氣濃度達到煙霧傳感器設定的閥值時蜂鳴器發(fā)出報警信號。對于大多數(shù)家庭來說，防火一直都是急需解決的難題，太陽能智能空氣凈化器創(chuàng)新性在凈化環(huán)境空氣的基礎上，加以防火功能，使人們不必再多去為防火問題發(fā)愁。所以太陽能智能空氣凈化器是完全可以檢測、調節(jié)環(huán)境空氣質量與火災信息的。

3.3 智能遙控

利用手機等遙控藍牙設備可實現(xiàn)對太陽能智能PM2.5空氣除塵器的遙控。藍牙是一種短距離低功耗的無線技術。在日常生活生產中，傳統(tǒng)的紅外遙控器已經無法滿足現(xiàn)代用戶的新需求?；诖颂岢鲆环N在遙控裝置中嵌入藍牙技術，將BF藍牙模塊與51單片機相結合，通過無線藍牙通信實現(xiàn)對太陽能智能空氣凈化器的遙控。運用51單片機智能控制，即編譯相應的控制程序。實現(xiàn)藍牙設備的智能遙控，使用戶對太陽能智能PM2.5空氣除塵器的使用更簡易、更方便。

3.4 智能檢測

太陽能智能空氣凈化器裝有51單片機控制系統(tǒng)、PM2.5濃度檢測模塊、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊等，可實現(xiàn)對環(huán)境中PM2.5、溫度、濕度實時檢測。對于檢測到的超標數(shù)值，控制系統(tǒng)會控制報警器，進行鳴笛報警，以提醒人們注意周圍環(huán)境的變化，便于采取處置措施?；跈z測到的數(shù)據(jù)，51單片機控制系統(tǒng)會進行智能化處理。

[1] 張琴，范海明，陳兆文.空氣凈化器對甲醛苯和氨氣的凈化效果研究[J].艦船科學技術,2008,52:239-242.

[2] 張妍，李振海.室內空氣凈化器性能指標的探討[J].環(huán)境與健康雜志,2007,24(6):453-55.

[3] 黃翔，顧群，吳生.聚合物駐極體空氣過濾(材料)器在暖通空調中的應用[J].潔凈與空調技術,2003,40(5):38-42.

Design and Research of a New Type of Solar Energy Intelligent PM2.5 Air Purifier

Li Qingcai, Zhai Longtao, Xu Longhe, Gao Yongshan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

This paper makes the design and research on a new solar intelligent air purifier based on PM2.5. It mainly introduces the current market prospects and future development of space, and makes a careful analysis on the principle and component of negative ion air purifier. Negative ion generating mechanism and how to overcome the product with ozone is also described, and according to the material characteristics and environmental requirements, it makes test for the application of negative ion air purifier. The concrete analysis research on purifying materials is made for the purification effect of air quantity, noise, etc. In addition, the paper briefly describes the innovative functions of solar energy intelligent PM2.5 air purifier.

solar energy; negative ion purification; intelligence; PM2.5

2016-11-15

2015年地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510448056)

李慶才(1993- )，男，山東濟南人，本科在讀，研究方向：能源與動力工程。

1674- 4578(2017)01- 0075- 03

TM925.16；TM615

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