Využití odpadního CO2 pro pěstování řas

Anotace

Práce je zaměřena na konstrukci zařízení na výrobu řas z odpadního CO₂ a především na automatizaci celého procesu. Zařízení již existuje a funguje, ale jeho řízení bylo plně závislé na lidském faktoru. Z důvodu přesného měření a srovnání vlivů teploty, různého osvitu a jiných proměnlivých faktorů bylo nutné celý proces automatizovat.

Zařízení bylo navrhnuto do interiéru tzn. s umělým osvitem zářivkami, které simulují sluneční svit. Při regulaci je nutné zohlednit několik základních faktů technologie, tj. např. při různých teplotách musí být zajištěn různý koloběh vody případně se musí celý proces zastavit, v případě deště musí být zamezeno míšení deště s vodou, která obsahuje řasy, atd.

Technické řešení

Existuje několik základních principů výroby řas. Jako nejvhodnější se ukázal princip, který byl vyvinut na Mikrobiologickém ústavu AV ČR v Třeboni.

Jedná se o ocelovou konstrukci s nakloněnou rovinou, po které samospádem stéká voda obohacená rostoucími řasami. Koloběh uzavírá oběhové čerpadlo, které točí vodu stále dokola. K vodě má neustálý přístup okolní vzduch, což znamená, že se může voda samovolně odpařovat a tím snižovat svoji teplotu - při růstu řas totiž teplota vzrůstá. Katalyzátorem růstu řas je ultrafialové záření obsažené ve slunečním svitu.

Model zařízení

Model byl vypracován ve školní verzi programu Autodesk Inventor 11. Každá součást byla vymodelována podle originálu.

Obrázky 1, 2, 3 zobrazují model zařízení a za nimi následuje popis jednotlivých součástí/dílů.

Elektronické zapojení regulace

Srdcem celé regulace je µp (mikropočítač-procesor řady 8051), který má naprogramovanou kompletní logiku celého řízení, viz obrázek 4.

V tomto konkrétním zapojení periferií je možné ovládat všechny výstupy v závislosti na všech vstupech, a to v jakékoli kombinaci. Všechny senzory jsou zapojené jako dvoupolohové, což znamená, že je možné hardwarově nastavit rozpoznávací práh, a poté softwarově reagovat pouze na dva stavy senzorů (např. prší/neprší, atd.).

Osvit zářivkami je možné nastavit na čtyři úrovně, a to pouhým zapínáním a vypínáním jednotlivých větví. Třícestný ventil stejně jako servopohon pro klapku jsou zapojeny třívodičovým způsobem tzn., že k ovládání polohy stačí jeden signálový vodič. A nakonec frekvenční měnič, který ovládá oběhové čerpadlo, je řízen analogovým signálem resp. pulsně-šířkovou modulací.

Do celého automatizovaného systému je možné kdykoliv zasáhnout z ovládacího panelu (např. zastavit čerpadlo, zvýšit nebo snížit průtok, vypustit vodu, atd.), stejně jako je možné nechat zobrazit aktuální stav senzorů, případně určité statistiky (např. jak dlouho svítilo slunce, jak dlouho pršelo atd.)

Veškeré stavy vstupů i výstupů jsou v pravidelných nastavitelných intervalech ukládány do externí paměti, která je umožňuje kdykoliv přenést pomocí integrovaného sériového rozhranní do PC. Následné vyhodnocení např. pomocí Excelu nebo Matlabu je samozřejmostí.

Výpočty

Sklon plochy, po které stéká voda, je nastaven na 1,7 m / 100 m - tzn. že na délce 8 m dojde k převýšení 136 mm. Při tomto sklonu voda samovolně stéká rychlostí přibližně 0,6 - 0,7 m/s, což při předpokládané „tloušťce“ vrstvy stékané vody cca 8 mm znamená přibližně 18,5 m³/h. Čerpadlo bude tedy frekvenčním měničem nastavené na cca 35 Hz. Samozřejmostí je možnost softwarové změny průtoku v závislosti na například teplotě.

Na celém skleněném povrchu je v jeden okamžik cca 70 litrů vody. V neosvětlených částech zařízení (tím jsou myšleny objemy trubek, čerpadla a určité minimální množství vody v nádrži) je za provozu přibližně 15 litrů vody. V systému tedy koluje maximálně 90 litrů vody a z toho 15 litrů, čili 16 %, neosvětlených. Tento výsledek je více než uspokojující, protože podle zadání byla maximální hranice 25 %.

Celé zařízení je v současné době umístěné v areálu Technické univerzity v Liberci, kde také probíhá ladění softwaru a zkušební provoz technologie.

Poděkování

Poděkování patří panu Ing. Jiřímu Douchovi, CSc. z MBÚ AV ČR Třeboň za poskytnutí jím vyvinuté technologie a panu Ing. Petru Novákovi za cenné rady, zprostředkování kontaktů, manažerské vedení a zajištění finanční podpory celého projektu. Dále patří dík panu prof. Dr. Ing. Jiřímu Maryškovi, CSc. za zajištění volných kapacit a prostor na Technické univerzitě v Liberci.

Literatura

• [ 1 ] Vacek Václav, Učebnice programování ATMEL s jádrem 8051, ISBN 80-7300-043-1
• [ 2 ] Vlach Jaroslav, Vlachová Viktorie, Počítačová rozhraní, ISBN 80-7300-010-5
• [ 3 ] Michael Gook, Hardwarová rozhraní - Průvodce programátora, ISBN 80-251-1019-2
• [ 4 ] www.siemens.com, datasheet frekvenčního měniče Sinamics G110
• [ 5 ] Valný Michal, Autodesk Inventor efektivně, ISBN 80-85825-53-8
• [ 6 ] Martinek Radislav, Senzory v průmyslové praxi, ISBN 80-7300-114-4

Článek vyšel ve sborníku ODPADOVÉ FÓRUM 2010 (21. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou).

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu