藻类生物质的生产系统机械结构

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摘要：清洁环保的藻类生物质燃料是新能源的重要组成部分，怎样大规模的生产应用是当前和以后很长一段时间国内外研究新能源的重大课题，也是解决当前世界能源短缺问题的方法之一。为此，对藻类生物质生产系统机械结构进行探索，以资借鉴。

关键词：藻类;生物质;生产系统;机械结构

1概述

随着全球经济的快速增长，石油和煤炭等不可再生的化石能源日渐消耗，社会正面临着能源短缺的危机。为解决能源短缺问题，太阳能、风能和生物质能等可再生能源日渐进入我们的视野。藻类，在用作生物质燃料方面具有不可替代的地位，其制备的生物柴油不论是作燃料还是其他用途，对于能源短缺、环境污染和温室效应等问题都有一定意义。

2系统基本原理和结构设计

2.1基本原理

藻类生物质生产系统是一种藻类生产的材料或设备，主要包括以下几个系统。第一，能源系统。为整个系统提供电力，主要分为发电模块、贮能模块和控制模块三个模块。第二，动力系统。本设计的两个主运动都选择步进电机驱动，方便协调两种运动之间的相互配合。第三，数据采集系统。主要用于监测藻类生长的各种条件的实时情况以便调整，包括温度测量、光照测量、CO2量测量和液层高度测量。第四，调控系统。可以根据数据采集系统收集的实时状况和实际需要对某些量进行调节。第五，控制系统。以单片机为主，主要通过串口传输数据和指令，与主控台进行通信，同时也对整个系统电源进行管理（本文只对动力系统的机械结构进行讨论）。

2.2基本结构

2.2.1养殖部分

开放式养殖池是最简单和原始的藻类养殖系统，考虑到输送带实现循环运动的可行性和可靠性，选择圆形养殖池。本设计因为有不锈钢板作为养殖平台，不存在藻细胞下沉的问题，故不含中央旋转搅拌器，取而代之的是旋转钢板，作为传输带，在藻类生长到适合大小收割时进行旋转运动，达到收割自动化。圆形池。圆形池的大小参考一般的养殖池，设计为圆环状，中心的圆形空间用于安装旋转驱动机构（包括电动机），内环直径为2.5m，外环直径为10m，深度为50mm。对应收割系统的部分设计有缺口和回收通道，方便收割好的藻细胞能顺利进入下一轮工序。生长的场所——传送带。根据美国的一项科研成果，藻类细胞在表面含有细小波纹的抗腐蚀不锈钢上比起在不含细纹的平面上生长具有更大吸附性和更快的生长速度。生长在钢板表面的藻类在回收时可以用机械的方法收“割”，同时遗留在表面上的藻类将作为下一轮藻类的“根”而持续生长。因此，将“传送带”设计成在水面循环的模式，就可以实现藻类的连续生长和收获。关于传送带的设计需要注意以下几方面问题。第一，钢板的纹理。在钢板上阵列微孔，增加对藻细胞的吸附性。微孔的尺寸选择根据前人研究成果而定，选择直径为0.25mm，深为0.1mm，孔与孔之间的间距是4mm。第二，设计钢板的尺寸。主要依据是角度确定尺寸。因普通步进电机的步距角常见为7.5°，故每次转过的角度应为步距角的整数倍，刚好在转过一片钢板就收割一次，每次收割一片，整个传送带运动一周完成一次藻细胞回收。所以，钢板片数n（n=1，2，3…），又因为考虑到池的外径数值较大，当n=1时，每片钢板过于细长，最后确定n=2，计算得X=24片，角度为15°。考虑到每片钢片之间应留有一定间隙，最后取角度为14.6°。第三，设计传送带的运动辅助构件。要使钢板浮在水面难以实现控制，故安装支架稳定钢板高度，通过液体供给系统调节水量达到。由于钢板有旋转运动的需求，所以在支架底部装有滑轮，减低摩擦，对于后期收割时调整钢板高度也较方便。第四，设计旋转驱动部分。钢板的旋转运动由步进电机驱动，步进电机安装在养殖池的中央，通过圆盘状薄板的驱动旋转盘带动钢板，支架连接衔接杆而与旋转盘跟支架之间形成铰接。驱动旋转盘固定在圆形养殖池的内径厚壁上，两者之间设计有凹槽并安装滚珠，既能支撑薄板又不影响其旋转运动。

2.2.2收割部分

往复运动机构。对于收割装置，其运动是沿养殖池半径方向的直线运动，养殖池里每转过一个钢板的位置，收割装置运动一个循环，即一次直线往复运动。设计重点在保持刮刀不离开钢板表面，对速度无特殊要求。基于系统结构尺寸较大，一般的往复运动机构难以实现，并且养殖环境较潮湿，所以，传动件优选链传动。综合考虑，设计往复运动机构为链条带动T型导杆做往复直线运动，刀具安装在T型导杆上。刮刀。由于使藻细胞与钢板分离所需的力很小，本设计只是初步提供设计构想，对刀具的结构设计合理性没有经过计算验证。基本思路是直接用刀具在钢板上刮取至回收通道。定位导块。定位导块与T型导杆接触的截面形状设计同导轨截面设计。由于燕尾形导轨是三角形导轨的变形，高度较小，可承受颠覆力矩，所以在承载处选择燕尾形导轨。同时，在导轨上部安装矩形导轨防止T型导杆倾覆，该矩形导轨不起导向作业，两侧平面与导杆不接触。根据燕尾形截面设计的定位导块要根据所需高度固定在底座上。滑块。滑块的设计着重在链条转动时不会造成干涉，与链条的连接采用铰接，所以选择滚子链。铰接时，以螺栓代替链节的其中一条销轴，同时螺栓与滑块相连，滑块又与T型倒杆竖直部分相连。为排除滑块运动时与链条、链轮相碰撞而造成干涉，滑块设计成对称的两个独立部分；因与T型导杆竖直部分的连接是滑动摩擦，截面形状设计成圆形，犹如套筒与轴的连接。滑块与螺栓连接用的孔用铣刀铣沉孔，装上轴承减低转动摩擦，而轴承由垫圈实现轴向定位。

3结语

随着科学技术的发展和进步，藻类生物质作为生产新能源的原料有着不可替代的作用，它的研究和开发也越来越受到人们的重视。我国在新能源技术研究利用方面与国外相比还有较大差距，大力加强新能源技术的研究、推广和应用，对我国乃至世界能源领域都具有重大意义。

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作者:钟梦笔 单位:湖南科技职业学院