CN114199829A - 一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置包括：太阳电池水下单元、连接支架、水深探测器、漂浮仓、控制仓、水上平台和太阳电池水上单元，其中控制仓内有定位***、信号发射器、判定单元、中央处理器和储能/供电单元，太阳电池水上单元和太阳电池水下单元发电供给储能/供电单元，所发电量经过判定单元判定，并将结果发送至中央处理器，中央处理器综合判定水质监测结果，如达到预警标准，则通过信号发射器发送水质预警信号，预警信号中包含探测水深、所处位置、预警级别和时间信息。本发明采用宽带隙太阳电池，保证了水下发电的转换效率，从而使装置能够长时间稳定运行，结构简单，能够实时反馈报警信息，可以有效监测不同水域的水质情况。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池应用领域，具体的说是一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置。
背景技术
水是生命之源，与人们的生活息息相关，它占据了地球上70.8％的面积。对于水质的监测技术近些年也在不断的发展。现有的水质监测技术包括理化监测、生物监测和遥感监测等，但这些技术都有一定的局限性，有的耗时耗力，有的周期性监测不能实时反馈。例如赤潮这种生态现象，如果不能及时的发现，会产生很严重危害影响。而随着技术的不断进步，大数据理念的深入人心，人们对环保理念的不断加强，水质监测技术也愈发需要与时俱进。太阳电池作为一种洁净能源，其在陆地上的应用已经渐渐走进日常生活，而在水上的应用场景还有待开发。
有关研究表明，在海平面上，太阳电池的最佳带隙在1.1～1.4V之间，对应的最大发电效率约为33％，该结果与经典的SQ极限理论结果相符。而在水下环境中，能量带隙与水的深度有着密切关系。随着水深的增加，最优的材料能量带隙在变宽，最大发电效率也跟着改变。在2m水深处，材料最佳带隙为1.8V，对应发电效率为55％，而到了10m水深，材料最佳带隙为2.1V，对应发电效率为62.5％。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置。本发明主要利用一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，包括：太阳电池水下单元、连接支架、水深探测器、漂浮仓、控制仓、水上平台和太阳电池水上单元。
其中所述控制仓内设置有定位***、信号发射器、判定单元、中央处理器和储能/供电单元；所述太阳电池水上单元和太阳电池水下单元发电供给储能/供电单元，所发电量经过所述判定单元进行判定，并将所述判定单元的判定结果发送至所述中央处理器，通过所述中央处理器综合判定水质监测结果；若达到预警标准，则通过信号发射器发送水质预警信号；所述预警信号包括：探测水深、所处位置、预警级别和时间信息。
进一步地，所述太阳电池水下单元和水上单元为同类型的宽带隙太阳电池；所述宽带隙太阳电池包括：晶硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池、碲化镉太阳电池、CIGS太阳电池和钙钛矿太阳电池。所述的储能/供电单元若判定电量不足情况发生，则发送设备停机信号，并停止供电进入休眠状态，直至电量储备至正常状态后再开机运行。
更近一步地，所述储能/供电单元，通过最大功率点跟踪控制器对太阳电池水上和水下单元所发电量进行接收存储，至少包括两个蓄电池。
进一步地，所述中央处理器综合判定水质监测结果，包括以下步骤：
步骤S1：建立参照系，在预投放水域相近纬度地区选取标准水质和不同污染程度的水域放置所述水质监测报警装置；
步骤S2：分别在晴天和阴天运行所述水质监测报警装置，记录所述太阳电池水上单元和对应的所述太阳电池水下单元的发电量数据，构建参照系；
步骤S3：在监测水域投放本专利装置，并正常运行；
步骤S4：所述判定单元通过所述步骤S1建立的参照系对所述太阳电池水上单元和对应的所述太阳电池水下单元的发电量数据进行比对，进而判断出水质情况，并将所述水质情况发送至所述中央处理器；
步骤S5：所述中央处理器收集所述判定单元的判定的水质情况，若所述判定单元发送的数据总量的1/2则达到警戒线，进行水质预警。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，在阳光充足的环境下，可以实时监测目标水域10米以内深度的水透光情况，从而反映出水质情况。采用宽带隙太阳电池，保证了水下发电的转换效率，从而使装置能够长时间稳定运行，结构简单，能够实时反馈报警信息，可以有效监测不同水域的水质情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图1；
图2为本发明的结构示意图2；
图3为本发明内部控制逻辑结构图；
图中：101为太阳电池水下单元1；102为太阳电池水下单元2；103为太阳电池水下单元3；104为太阳电池水下单元4；111为太阳电池水上单元1；112为太阳电池水上单元2；113为太阳电池水上单元3；114为太阳电池水上单元4；201为太阳电池水下单元支架；202为可伸缩垂直支架；203为漂浮仓；204为控制仓；205为水上平台；206为水深探测器；207为水平线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，包括：太阳电池水下单元、连接支架、水深探测器、漂浮仓、控制仓、水上平台和太阳电池水上单元。
其中所述控制仓内设置有定位***、信号发射器、判定单元、中央处理器和储能/供电单元；所述太阳电池水上单元和太阳电池水下单元发电供给储能/供电单元，所发电量经过所述判定单元进行判定，并将所述判定单元的判定结果发送至所述中央处理器，通过所述中央处理器综合判定水质监测结果；若达到预警标准，则通过信号发射器发送水质预警信号。作为一种优选的实施方式，在本申请中判定单元首先判断晴天还是阴天，根据建立的参照系，如果水上、下发电单元的输出功率百分比值小于等于在污染水域采集的数值，则判定为污染，反之为正常，并将结果发送给中央处理器，其综合所有发电单元组的结果判定是否确认为污染，如果是则发送警报，其他情况不发送警报。
作为优选的实施方式，在本申请中，所述预警信号包括：探测水深、所处位置、预警级别和时间信息。
进一步地，在本申请的实施方式中，所述太阳电池水下单元和水上单元为同类型的宽带隙太阳电池；所述宽带隙太阳电池包括：晶硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池、碲化镉太阳电池、CIGS太阳电池和钙钛矿太阳电池。
优选地，所述的储能/供电单元，可以满足水深探测器、定位***、信号发射器、判定单元、中央处理器和其自身的用电需求，若判定电量不足情况发生，则发送设备停机信号，并停止供电进入休眠状态，直至电量储备至正常状态后再开机运行。在本申请中，默认所有用电器的总用电量为固定值。储能/供电单元剩余电量不足6小时使用，过去3小时的平均每小时发电量小于总用电量(每小时)，当上述两个条件同时发生时，判定为电量不足，其他情况不是。
作为一种优选的实施例，所述储能/供电单元，通过最大功率点跟踪控制器对太阳电池水上和水下单元所发电量进行接收存储，至少包括两个蓄电池。
在本申请中，所述定位***，采用北斗卫星导航***BDS或全球定位***GPS，可获得本专利装置实时的相关位置信息。且所述水深探测器，可以得到太阳电池水下单元实时的水深深度信息。
进一步地，在本申请中，所述中央处理器综合判定水质监测结果，包括以下步骤：
S1：建立参照系，在预投放水域相近纬度地区选取标准水质和不同污染程度的水域放置所述水质监测报警装置；
S2：分别在晴天和阴天运行所述水质监测报警装置，记录所述太阳电池水上单元和对应的所述太阳电池水下单元的发电量数据，构建参照系；
S3：在监测水域投放本专利装置，并正常运行；再本申请中，监测水域可以是建立参照系水域或其附近水域，是需要投放装置进行水质监测的水域。
S4：所述判定单元通过所述步骤S1建立的参照系对所述太阳电池水上单元和对应的所述太阳电池水下单元的发电量数据进行比对，进而判断出水质信息，并将所述水质情况发送至所述中央处理器。作为优选的实施方式，在本申请中，所述太阳电池水上单元和对应的所述太阳电池水下单元的发电量数据进行比对通过水上、下发电输出功率的比对，按百分比算。
S5：所述中央处理器收集所述判定单元的判定的水质信息，若所述判定单元发送的数据总量的1/2则达到警戒线，进行水质预警。
实施例1
采用硅基薄膜太阳电池作为水上和水下单元，在渤海海域选择标准水质区域投放本发明装置，设置水下深度为5米，保持装置开机运行。
在晴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为5.02W，水上单元2为4.91W，水上单元3为4.93W，水上单元4为4.55W；水下单元1为0.53W，水下单元2为0.46W，水下单元3为0.44W，水下单元4为0.37W。
在阴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为3.44W，水上单元2为2.72W，水上单元3为2.68W，水上单元4为2.18W；水下单元1为0.32W，水下单元2为0.22W，水下单元3为0.21W，水下单元4为0.10W。
在渤海海域选择污染警戒线水质区域投放本发明装置，设置水下深度为5米，保持装置开机运行。
在晴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为5.09W，水上单元2为4.98W，水上单元3为4.97W，水上单元4为4.51W；水下单元1为0.21W，水下单元2为0.17W，水下单元3为0.17W，水下单元4为0.02W。
在阴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为3.54W，水上单元2为2.72W，水上单元3为2.60W，水上单元4为2.13W；水下单元1为0.11W，水下单元2为0.08W，水下单元3为0.08W，水下单元4为0.00W。
参照系建立完毕，将本专利装置投放于渤海海域监测区域。
在夜晚，蓄电池电量充足，没有进入休眠状态，***通过判断水上单元发电数据，判断为夜晚，没有触发水质预警。
实际测试值在标准水质和警戒线水质之间，没有触发水质预警。
实施例2
采用钙钛矿太阳电池作为水上和水下单元，在黄海海域选择标准水质区域投放本发明装置，设置水下深度为3米，保持装置开机运行。
在晴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为5.10W，水上单元2为5.01W，水上单元3为5.03W，水上单元4为4.85W；水下单元1为1.33W，水下单元2为1.28W，水下单元3为1.26W，水下单元4为1.01W。
在阴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为4.38W，水上单元2为3.13W，水上单元3为3.10W，水上单元4为2.98W；水下单元1为0.52W，水下单元2为0.42W，水下单元3为0.44W，水下单元4为0.31W。
在黄海海域选择污染警戒线水质区域投放本发明装置，设置水下深度为5米，保持装置开机运行。
在晴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为5.07W，水上单元2为5.00W，水上单元3为5.01W，水上单元4为4.91W；水下单元1为0.67W，水下单元2为0.59W，水下单元3为0.55W，水下单元4为0.43W。
在阴天，收集记录太阳电池水上和水下单元发电数据，其输出功率：水上单元1为3.70W，水上单元2为2.82W，水上单元3为2.73W，水上单元4为2.44W；水下单元1为0.20W，水下单元2为0.18W，水下单元3为0.15W，水下单元4为0.03W。
参照系建立完毕，将本专利装置投放于黄海海域监测区域。
在夜晚，蓄电池电量不足，进入休眠状态，***通过判断水上单元发电数据，判断为夜晚，没有触发水质预警。
白天，蓄电池电量恢复正常，结束休眠状态，正常运行。
实际测试值在警戒线水质之上，触发水质预警，并发送了警报。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，其特征在于，包括：
太阳电池水下单元、连接支架、水深探测器、漂浮仓、控制仓、水上平台和太阳电池水上单元；
其中所述控制仓内设置有定位***、信号发射器、判定单元、中央处理器和储能/供电单元；所述太阳电池水上单元和太阳电池水下单元发电供给储能/供电单元，所发电量经过所述判定单元进行判定，并将所述判定单元的判定结果发送至所述中央处理器，通过所述中央处理器综合判定水质监测结果；若达到预警标准，则通过信号发射器发送水质预警信号；
所述预警信号包括：探测水深、所处位置、预警级别和时间信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，其特征在于：
所述太阳电池水下单元和水上单元为同类型的宽带隙太阳电池；
所述宽带隙太阳电池包括：晶硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池、碲化镉太阳电池、CIGS太阳电池和钙钛矿太阳电池。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，其特征在于：
所述的储能/供电单元若判定电量不足情况发生，则发送设备停机信号，并停止供电进入休眠状态，直至电量储备至正常状态后再开机运行。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，其特征在于：
所述储能/供电单元，通过最大功率点跟踪控制器对太阳电池水上和水下单元所发电量进行接收存储，至少包括两个蓄电池。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置，其特征在于：所述中央处理器综合判定水质监测结果，包括以下步骤：
S1：建立参照系，在预投放水域相近纬度地区选取标准水质和不同污染程度的水域放置所述水质监测报警装置；
S2：分别在晴天和阴天运行所述水质监测报警装置，记录所述太阳电池水上单元和对应的所述太阳电池水下单元的发电量数据，构建参照系；
S3：在监测水域投放本专利装置，并正常运行；
S4：所述判定单元通过所述步骤S1建立的参照系对所述太阳电池水上单元和对应的所述太阳电池水下单元的发电量数据进行比对，进而判断出水质情况，并将所述水质情况发送至所述中央处理器；
S5：所述中央处理器收集所述判定单元的判定的水质情况，若所述判定单元发送的数据总量的1/2则达到警戒线，进行水质预警。
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Application publication date: 20220318 Assignee: CHINA NATIONAL NUCLEAR POWER Co.,Ltd. Assignor: DALIAN INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023210000071 Denomination of invention: A Simple Water Quality Monitoring and Alarm Device Based on Solar Cells License type: Exclusive License Record date: 20230808 |
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