0810基于熱電材料的儲能式煙囪出口煙氣pm2.5綜合監(jiān)測系統(tǒng)-說明書

1、基于熱電材料的儲能式煙囪出口煙氣 PM2.5 綜合監(jiān)測系統(tǒng)設計者:方家鼎指導老師：(浙江大學，浙江，杭州，310027)摘要本產品的主要功能是針對大氣污染物主要排放源之一的工業(yè)煙囪出口尾氣中所含氣體顆粒物濃度（PM2.5）進行原位測量并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至上位機并進行數(shù)據(jù)分析。本產品主要分部分，電源模塊，檢測發(fā)射模塊以及接收分析模塊。電源模塊通過熱電材料利用煙囪出口熱煙氣與煙囪外部常溫空氣來供電。監(jiān)測發(fā)射模塊借助 Arduino 單片機進行工作，搭載利用光電 PM2.5 測量模塊和信號發(fā)射模塊，并使用超級電容器進行儲能。接收分析模塊由信號接收模塊和上位機系統(tǒng)組成。整機系統(tǒng)結構緊湊小巧，安裝簡單，成

2、本低，信息化程度高，符合煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）的要求，滿針，適合大規(guī)模推廣。家大氣污染治理方：煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)、顆粒物濃度、熱電材料、原位測量、上位機（聯(lián)系人：方家鼎： HYPERLINK mailto: :）1 研究背景隨著來襲，國內對空氣監(jiān)測的重視程度逐年走高，特別是 2013 年 9 月“大氣十條”發(fā)布，帶動了空氣監(jiān)測市場需求和資本投入持續(xù)增長，空氣質量新標準“三步走”實施方案又帶動市場持續(xù)走熱。未來排污權交易、碳交易需要精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，的第三方采購、依效果均需要監(jiān)測數(shù)據(jù)為支撐來評判環(huán)境治理的結果，市場急需高效可靠的煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS, Continuous Em

3、isMonitoring System）。煙氣排放連續(xù)監(jiān)測裝置最早來源于西方國家，上世紀 80 年代中期進入我國市場并進行了長足的發(fā)展。目前越來越多國外 CEMS 產品進入了中國，國內也有越來越多的儀器廠家開始引進或者研發(fā) CEMS 產品。各種各樣的分析技術和產品也紛紛出現(xiàn)。按取樣方法來分，有代表性的3 種為：稀釋法 CEMS(熱電子為代表)，直接CEMS（歐洲西門子為代表，在韓國、此方法也占主導地位）及原位直接測量法 CEMS(In-Situ)。當前傳統(tǒng)的煙氣成分檢測系統(tǒng)多為抽取式系統(tǒng)（包括直接抽取式系統(tǒng)和稀釋抽取式系統(tǒng)），需要伴熱取樣，除水除塵，不易標定，且系統(tǒng)復雜，合大多電廠的經濟利益。

4、費用高，無法實現(xiàn)對水分的分析，不具有代表性，不符設備設計說明整體設計設備整體分為電源模塊，檢測發(fā)射模塊以及接收分析模塊三部分。其中安裝于煙囪上的硬件部分如圖 1 所示。系統(tǒng)整體工作示意圖如圖 2 所示。圖 1 硬件部分示意圖圖 2 系統(tǒng)整體工作示意圖2.2 電源模塊電源模塊主要由熱電片、導熱鋁塊、散熱片和隔熱層組成。熱電片由 Bi-Te 基制做的制成，能夠在一定的溫差下產生直流電。熱電片形狀如圖 3 所示。設備要求外部隔熱性能良好，導熱性能良好，因此電源模塊外部采用絕熱膠和絕熱棉進行封裝，采用 1070 鋁塊進行連接，端用散熱片加強換熱效率，并使用 3M 導熱膠對各部分進行粘連，外部再使用隔熱

5、布和隔熱膠4 所示。，減少熱量散失，保證外部隔熱性能良好。實物圖如圖圖 3 熱電片圖 4 電源模塊2.3 檢測發(fā)射模塊該模塊的是以 Arduino Uno 單片機為，加上 PM2.5 傳感器和無線串口模塊搭建的。Arduino 按傳感器使用要求控制 PM2.5 傳感器（夏普 DN7C3JA001）的 LED 的亮滅，每隔1s 利用片內 ADPM2.5 傳感器輸出的模擬電壓值，并將其通過 UART 串口發(fā)送給433MHz 無線串口模塊，以發(fā)送到上位 PC 機。Arduino，PM2.5 傳感器和無限串口模塊都使用 5V 電壓，由熱電材料供電。電路圖如圖 5 所示。圖 5 檢測發(fā)射模塊電路圖2.3

6、.1 儲能模塊電源的輸出通過升壓模塊給超級電容充電，之后超級電容再通過 5V 降壓模塊，為后面的系統(tǒng)提供較準確的 5V 電壓。每個超級電容的容量為 0.5F，耐壓 5.5V，串聯(lián)后就變成容量 0.5F，耐壓 11V。由于兩個 5.1V 穩(wěn)壓管串聯(lián)的作用，電容最大可以充到 10.2V，為使 5V 穩(wěn)壓模塊正常變化，電容最低電壓不應低于 6V。因而，通過單片機和電機驅動板控制傳感器的電機旋轉，每 10s 里旋轉 2s。理論上，電機不旋轉時超級電容的充電應該快于放電，電機旋轉時則相反，這樣電容就能提供更大的瞬時功率，彌補了材料瞬時功率的在上述電壓范圍內充放電。，并能2.4 接收分析模塊該模塊的硬件部

7、分是由同型號的無線模塊通過 CP2102 USB-TTL 串口轉接板接到電腦的USB 口上。方面，利用 Visual Studio MFC 編寫了程序，實現(xiàn)了串口接收，電壓值和PM2.5 濃度的轉換計算，濃度值的顯示，濃度變化波形的繪制，以及這些功能。顯示界面如圖 6 所示到 Acs 數(shù)據(jù)庫圖 6 上位機界面3 實驗測試實驗臺由模擬煙囪和水蒸氣發(fā)生裝置組成。模擬煙囪是一塊高 50cm,外徑 30cm,內徑 13cm 的桶，并在煙囪側壁下部橫向挖一邊長 60cm 的方形通孔以安裝設備。水蒸氣發(fā)生裝置使用電磁爐加熱來產生高溫蒸汽。實際測試顯示，在內壁溫度 80 度，外壁溫度 30 度，即內外溫差

8、50 度的情況下，電源可穩(wěn)定地產生 5V 左右的電壓，并使其他模塊正常工作。實驗臺整體如圖 5 所示。圖 7 實驗臺整體4 創(chuàng)新點及應用前景利用溫差出口煙氣與外界空氣的溫差使用熱電材料發(fā)電提供電源，擺脫了傳統(tǒng)設備對于鋪設線纜的依賴，提高設備機動性，有效降低建設和維修成本。通過光電原位測量技術代替常規(guī)的抽取式方法對排放煙氣顆粒物濃度（PM2.5）進行測量，提高了監(jiān)測準確性。3.裝備無線發(fā)射和接受模塊，并開發(fā)了煙氣數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，能夠有效進行數(shù)據(jù)傳輸和分析，具有較高的信息化水平。4.采用超級電容器作為儲能設備，通過長時間充電儲能，短時間放電檢測的辦法成功解決了電源模塊功率。本產品主要應用于煙囪尾氣顆粒物濃度監(jiān)測，符合我國當前大力治理空氣污染的和人民群眾對于良好大氣環(huán)境的迫切需求。裝置結構緊湊小巧，安裝方便簡單，目標成本低，能克服當前監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)復雜，費用高的缺點，同時原位測量技術又能有效提高監(jiān)測結果的準確性，同時又滿足了國家對于監(jiān)測設備信息化的需求，極具應用前景，適合進行大規(guī)模推廣。參考文獻1234重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃火電廠大氣污染物排放標準GB13223-2011.煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)技術及應用J 中國儀器儀表，2009,