一款光伏家庭型纯水直饮机的设计与实现
一款光伏家庭型纯水直饮机的设计与实现
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.
摘要：
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一款光伏家庭型纯水直饮机的设计与实现 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 acce...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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