Design and construction of a solar powered aeration system for fish farms

Abstract

Türkiye iç sularında yapılan su ürünleri üretiminde balık ölümlerinin temel nedeni çözünmüş oksijen yetersizliğidir. Sudaki çözünmüş oksijen eksikliği sabaha karşı ve beslenme sırasında oluşmaktadır. Sudaki çözünmüş oksijen seviyesi azaldıkça, balıkların solunum ve beslenme etkinlikleri, büyüme hızıyla birlikte azalmakta ve balıklar hastalıklara karşı daha hassas olmaktadır. Su ürünleri yetiştiriciliğinde kullanılan havuzlar genellikle elektrik hattı olmayan uzak alanlarda bulunmaktadır. Balık çiftlikleri için alternatif enerji kaynağı olarak güneş enerjisi sistemleri kullanılabilir. Bu tezin amacı, balık çiftlikleri için güneş enerjisi ile çalışan prototip bir havalandırma sistemi tasarlamak ve imal etmektir. Sistem karmaşık mekanik sistem, kullanmadan hidrodinamik ilkelere dayalı olarak, yenilikçi venturi enjektör düzenlemesiyle tasarlanmıştır. Sistem model ve deneylerden alınan sonuçlara göre geliştirilmiştir. En uygun venturi büyüklüğü ve düzenlemesi, difüzör boyutu ve meme çapı hava-su akış testlerine göre belirlenmiştir. Balık havalandırma sistemi için iki prototip, Prototip I ve Prototip II geliştirilmiştir. Havalandırma sisteminde 1` x ¾` x 1` venturi enjektörler kullanılmıştır. Havalandırma sistemi; dalgıç pompa, boru ve armatürlerle bağlanan venturi enjektörler, galvaniz çelik şasi üzerine yerleştirilmiş PV güneş panelleri, jel aküler, şarj kontrol cihazı, pompa kontrol cihazı, oksijen sensörü, su sıcaklık sensörü ve otomatik kontrol biriminden oluşmaktadır. Prototip I'de 150 W'lık seri bağlanmış iki mono-kristal güneş paneli 24 derecelik eğim açısıyla güneye bakacak şekilde yerleştirilmiştir. Güneş paneli, kontrol panosu ve aküler sabittir. Prototip II'de sistemin tüm bileşenleri yüzer platform üzerine yerleştirilmiştir. 245 W'lık poli-kristal güneş paneli yüzer platformun üzerindeki şasiye yatay olarak bağlanmıştır. Her iki prototipte güneş panellerinden toplanan enerji 12 V @ 100 Ah kapasiteli iki jel aküde depolanmıştır. Geliştirilen havalandırma sisteminin performans parametreleri değişken durumlu ASCE prosedürüne göre belirlenmiştir. 300 W'lık nominal güçte havalandırma sisteminin oksijen transfer katsayısı 5.55 h-1 'dir. %70, %80 ve %90 oksijenle doyma seviyeleri için geçen zaman sırasıyla 20, 21 ve 28 dakikadır. ASCE tarafından kabul edilen standart oksijen transfer hızı (SOTR), standart havalandırma etkinliği (SAE) ve standart oksijen transfer etkinliği (SOTE) havalandırma sisteminin farklı güç tüketimleri için saptanmıştır. En iyi SOTR, SAE ve SOTE değerleri sırasıyla 0.197 kgO2/h, 0.96 kgO2/kWh ve % 10.7'dir. Bir saatte 2.1 kg oksijeni emme yeteneğine sahip olan havalandırma sistemi suya çözünmüş olarak bir saatte 0.2 kg oksijen transfer etmektedir. Havalandırma sistemi nominal güçte çalıştırılırken 1 kg oksijen transfer etmek için 6 MJ enerji tüketmiştir. Havalandırma sisteminin otomasyonu Arduino geliştirme kartı, DO ve su sıcaklık sensörleri ile sağlanmıştır. Prototip II havalandırma sistemi Ankara Üniversitesi Çifteler Su Ürünleri Araştırma ve Uygulama İşletmesi alabalık havuzlarında başarılı şekilde test edilmiştir.

The main cause of fish deaths in the inland water aquaculture in Turkey is usually the lack of dissolved oxygen. The dissolved oxygen deficiency of water occurs usually at dawn and during feedings. As dissolved oxygen level in water decreases, the respiration and feeding activities of fishes, as well as growing rate decrease, and they become more susceptible to diseases. Artificial aeration systems are required for sustainable fish production. Fishponds used in aquaculture are usually located in remote areas where grid electric supply lines do not exist. Solar energy systems can be used as an alternative energy for fish farms.The objective of this dissertation is to design and construct a prototype aeration system that will be driven by PV solar electricity for fish farms. The system was designed with an innovative arrangement of venturi injectors based on hydrodynamic principles without complex mechanical components. The system was developed based on theoretical fundamentals and findings obtained from modeling and experimental works. The best venturi size and arrangement, and diffusor size and nozzle diameter were determined from water-air flow tests. Two prototypes namely, Prototype I and Prototype II were developed for aquaculture aeration system. Venturi injectors of 1` x ¾` x 1` were used in the aeration system. The aeration system consists of a submersible pump, venturi injectors that are connected to pipes and fittings, PV panels that are mounted on galvanized steel frames, battery, charge controller, pump controller, oxygen sensor, water temperature sensor, data acquisition and automatic control units. In Prototype I, two mono-crystalline solar panels with 150 W connected in series were placed facing south with a tilt angle of 24 degree. The other components including solar panel, control box and batteries are stationary. In Prototype II, all components of the system were placed on a floating platform. A poly-crystalline solar panel of 245 W was horizontally attached to a frame on the floating platform. The energy collected by the panels was stored in two gel batteries of 12 V @ 100 Ah capacities for both Prototypes. Performance parameters of the aeration system were determined according to non-steady state ASCE procedures. Oxygen transfer coefficient of aeration system at nominal power of 300 W is 5.55 1/h. The times elapsed for saturations of 70%, 80% and 90% are 20, 21 and 28 minutes, respectively. Performance parameters including standard oxygen transfer rate (SOTR), standard aeration efficiency (SAE) and standard oxygen transfer effectiveness (SOTE), which are defines by ASCE, were determined for different power consumptions of the aerator. The highest SOTR, SAE and SOTE values of the venturi aeration system are 0.197 kgO2/h, 0.96 kgO2/kWh and 10.7%, respectively. The aeration system which is capable of sucking 2.1 kg oxygen per hour transfers 0.2 kg of oxygen per hour as dissolved from into water. The aeration system consumes an energy amount of 4.2 MJ to produce one kg of oxygen when operated at optimum power. The automation of the aeration system is provided by an Arduino development board, DO and water temperature sensors. Prototype II was successfully tested in trout fish farm at Çifteler Aquaculture Research and Development Unit of Ankara University.