CN106044939A - 波浪能超声波水体净化装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪能超声波水体净化装置及设计方法，其中装置包括超声波发生器、浮子，其特征在于：还包括防水外壳，所述防水外壳与浮子由系绳连接，所述防水外壳下部为配重室，上部为发电室，所述配重室内设置有沉底配重，所述发电室内设置有直线发电机、蓄电池、交直流转换器，所述直线发电机一端连接有弹簧，另一端连接有系绳，所述弹簧固定在发电室底部，所述系绳穿过防水外壳与所述浮子连接，所述发电机输出端与蓄电池输入端连接，所述蓄电池输出端与交直流转换器连接，所述交直流转换器通过电线与超声波发生器连接。通过波浪能和超声波的联合作用，装置可达到利用开发新能源和近岸水体综合治理的双重效果。

Description

波浪能超声波水体净化装置及设计方法

技术领域

本发明涉及一种近岸海域除藻装置，具体地指一种波浪能超声波水体净化装置及设计方法。

技术背景

伴随着我国经济发展，环境问题也引起更多关注。当前我国水环境形势严峻，海洋环境污染问题突出。中国水污染问题的成因复杂、面广量大，污染物种多，并威胁到公众的身体健康和生活水平，造成难以估量的经济社会损失。其中之一就是水体富营养化，水体富营养化是指由于水体中氮磷等营养盐的增加引起藻类等水生生物的大量繁殖，从而使得水体溶解氧降低、透明度下降、水体功能受到破坏的现象。

现阶段除藻方法主要分为三大类：化学除藻、生物除藻、物理除藻。物理方法中的超声波除藻对生态环境无二次污染，且除藻效率比较高。因此成为近海域治理的最好方法之一。现阶段供给超声波主要由人工电缆电网和太阳能来提供，在近海区域，人工电缆电网难以实现。此外太阳能不如波浪能充足、稳定，无法达到24小时持续供电，因此波浪能无疑是最好的能源选择。波浪能是以动能形态出现的海洋能之一。据计算，在每平方千米的海面上，海洋波浪大约蕴藏着30万kw的能量。全球波浪能功率超过700亿kw,其中可开发利用的为20亿～30亿kw。利用海洋波浪能发电，既不消耗任何燃料又不产生污染，投资少、见效快。因此，合理开发利用波浪能具有重大的实用价值。现有较多波浪能发电装置大多数固定或设置在离岸边某一定范围内，防止风浪的同时还可以防止丢失，但此类设计很难满足对近海水域赤潮带处理的需求，同时投入的成本也比较大。且波浪能超声波除藻装置主要采用锚固，同时，因底部发电系统需要将电能传递到岸边，原有装置需放置在近海域。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种波浪能超声波水体净化装置及设计方法，利用海洋波浪能发电作为超声波水体净化装置的能源，既不消耗任何燃料又不产生污染，投资少、见效快。

为了实现上述目的，本发明所设计的波浪能超声波水体净化装置，包括超声波发生器、浮子，所述超声波发生器设置在浮子上，其特殊之处在于：

还包括防水外壳，所述防水外壳下部为配重室，上部为发电室，所述配重室内设置有沉底配重，所述发电室内设置有直线发电机、蓄电池、交直流转换器，所述直线发电机一端连接有弹簧，另一端连接有系绳，所述弹簧固定在发电室底部，所述系绳穿过防水外壳与所述浮子连接，所述发电机输出端与蓄电池输入端连接，所述蓄电池输出端与交直流转换器连接，所述交直流转换器通过电线与超声波发生器连接。

进一步地，所述系绳为中空的防水系绳，所述电线置于系绳内。防止电线因海水侵蚀产生漏电，保护供电系统的稳定。

更进一步地，所述浮子顶部设置有保护外壳。可有效防止风浪和漂浮物冲击对浮子的损坏，同时外壳也可减小海水中沙质对装置的磨损。

再进一步地，所述超声波发生器包括超声波换能器和超声波振动片，其中超声波换能器采用HNC-8SH-3820型号换能器。

再进一步地，所述浮子为圆盘状，所述超声波发生器设置有三个，均布在浮子底部同一圆周上，可有效进行全方位藻类清理。

再进一步地，所述沉底配重为混凝土。混凝土价格便宜、且在海水中不易腐蚀。

再进一步地，所述防水外壳采用铝合金材质。因海水具有腐蚀作用，采用铝合金材质不易腐蚀。

一种波浪能超声波水体净化装置的设计方法，包括以下步骤：

S1设计包括下部配重室和上部发电室的防水外壳；

S2按防水外壳尺寸计算配重，由公式F_浮＝ρ_海水gV_排、F_支持力＝m_沉底配重g，其中：ρ_海水＝1.025×10³kg/m³、V_排＝V_防水外壳，计算出沉底配重质量为m；

S2将直线发电机、蓄电池、交直流转换器和弹簧按权利要求1中所述的连接结构安装在发电室内；

S3设计系绳的长度，以本发明所放置区域的水深为直角边，赤潮带宽度的一半作为另一条直角边组成三角形，系绳的长度为此三角形的斜边；

S4设计浮子，并在浮子上安装超声波发生器；

S5用步骤S3中的系绳连接浮子与所述发电室内的直线发电机；

S6用电线连接超声波发生器与交直流转换器。

本发明的优点在于：

1、超声波发生器设置于浮子底部，节省空间，保护装置，并且使超声波发生器可持续漂浮在水面上，增大了超声波与藻类的接触面积。

2、装置采用系绳将沉底配重和浮子连接，使得超声波发生器可达到自由漂浮、扩大除藻范围及避免装置丢失的效果。

3、将发电机安装在防水外壳中并将防水导线设置在系绳中，实现装置自发电自供电系统，构思巧妙，节省空间，结构简单，发电更稳定。

4、波浪能是一种清洁环保、取之不尽的可再生能源，装置首次将超声波除藻和波浪能发电相结合，可达到二十四小时持续供电、实用性强、使用范围不受限制的效果，符合节能减排的理念，开拓了新的市场。通过波浪能和超声波的联合作用，装置可达到利用开发新能源和近岸水体综合治理的双重效果。

附图说明

图1为东海海域赤潮情况。

图2为一种波浪能超声波水体净化装置的结构示意图。

图中：超声波发生器 1，浮子 2，防水外壳 3，配重室 3.1，发电室 3.2，沉底配重4，直线发电机 5，蓄电池 6，交直流转换器 7，弹簧 8，系绳 9，电线 10，保护外壳 11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图2所示的波浪能超声波水体净化装置，包括超声波发生器1、浮子2，防水外壳3，超声波发生器1设置在浮子2上，防水外壳3下部为配重室3.1，上部为发电室3.2，配重室3.1内设置有沉底配重4，所述发电室3.2内设置有直线发电机5、蓄电池6、交直流转换器7，直线发电机5一端连接有弹簧8，另一端连接有系绳9，弹簧8固定在发电室3.2底部，系绳9穿过防水外壳3与所述浮子2连接，直线发电机5输出端与蓄电池6输入端连接，蓄电池6输出端与交直流转换器7连接，交直流转换器7通过电线10与超声波发生器1连接。其中，设计系绳9有利于使装置保持一定的水体清理范围，装置还可以避免丢失。系绳9的长度完全由赤潮带的宽度和水深来决定。

为了保护电线不被海水腐蚀，系绳9为中空防水系绳，电线10套在系绳9中。浮子为圆盘状空心结构。超声波发生器1包括超声波换能器和超声波振动片。根据超声波发生器1的作用原理和范围，优选地，超声波发生器1设置有三个，均布在浮子2底部同一圆周上。混凝土价格便宜、且在海水中不易腐蚀，所以沉底配重4为混凝土。为防止海水腐蚀，防水外壳采用铝合金材质，浮子2顶部设置有保护外壳11。

一种波浪能超声波水体净化装置的设计方法，包括以下步骤：

S1设计包括下部配重室3.1和上部发电室3.2的防水外壳3；

S2按防水外壳3的尺寸计算沉底配重4，由公式F_浮＝ρ_海水gV_排、F_支持力＝m_沉底配重g，其中：ρ_海水＝1.025×10³kg/m³、V_排＝V_防水外壳，计算出沉底配重质量为m；

S2将直线发电机5、蓄电池6、交直流转换器7和弹簧8按权利要求1中所述的连接结构安装在发电室3.2内；

S3设计系绳9的长度，以本发明所放置区域的水深为直角边，赤潮带宽度的一半作为另一条直角边组成三角形，系绳9的长度为此三角形的斜边；

S4设计浮子2，并在浮子2上安装超声波发生器1；

S5用步骤S3中的系绳9连接浮子2与所述发电室内3.2的直线发电机5；

S6用电线10连接超声波发生器1与交直流转换器7。

其中，计算沉底配重4时，因发电室3.2内的直线发电机5、蓄电池6、交直流转换器7和弹簧8的重量相对于沉底配重4来说可忽略不计，所以计算时不考虑发电室3.2内的重量。

本发明在具体赤潮带中的应用：

不同海域赤潮带的面积是不一样的，赤潮带所处的平均水深也是不一样的，因此赤潮带的选择分析尤为重要。因本发明水体净化范围与赤潮带关系很大，所以要确定赤潮带的面积和赤潮带所处的平均水深。就实测资料而言，东海海域是赤潮的高发区域，其赤潮面积占到总量的62.4％。其次是渤海，黄海和南海相对较少。这也与海域所对应的经济区域、工业区域的繁荣程度有关。本发明选择东海的赤潮带面积和水深进行具体分析。

东海年平均赤潮带发生次数为33次，年平均面积为6700平方公里，则可近似得知，东海一次赤潮带面积约为200平方公里；此外东海的平均水深约为370米。此外一般赤潮带长度在40—100公里之间，则取其平均值，认为赤潮带基本为80公里。通过上述数据，则将近海赤潮带近似看为方形，赤潮带宽度约为2.5公里，近似认为3公里左右。东海海域赤潮情况见附图1。

则本装置选取的赤潮带参数为：赤潮带平均面积200平方公里、长度80公里、宽度3公里，赤潮带平均水深约为370米。

将沉底配重设置在某一区域赤潮带轴线中心部分，以水深370米为直角边，半个赤潮带的宽度1.5公里为另一条直角边，此时，超声波处理范围相对此距离可忽略，系绳长度为斜边进行设计。可得系绳长度约为1545米，近似看为1500米。

因为装置对藻类的清理在水体呈锥形，所以一个装置在赤潮带长度方向上清理的长度约为3公里。对于一个爆发范围为80公里的赤潮带，大约需要25—30个这样的装置可将赤潮带清理。

超声波发生器中的超声波换能器选择海纳科技有限公司的HNC-8SH-3820型号换能器

具体参数如下表1：

表1 超声波换能器参数

实验所用超声波振动片具体参数：功率30w，频率200kz，电压24v其中，超声波频率与除藻距离的关系如下：

超声波频率为200千赫兹，水中声波的吸收系数为

α＝1.44×10^-12V²m^-1 (1)

故α＝5.76×10^-2m^-1。平面波强度I随传播距离x衰减的规律是

I＝I₀e^-2αx(I₀为x＝0处波的强度) (2)

资料记载和研究发现当波的强度衰减到原来的25％时，即I＝0.25I₀，除藻的效果已大幅度降低。由I＝I₀e^-2αx和I＝0.25I₀得

$x=\frac{1}{2\mathrm{\α}}ln\frac{I_0}{I}=\frac{1}{2\mathrm{\α}}ln4---\left(3\right)$

将α＝5.76×10^-2m^-1代入得x＝12m。

所以超声波频率为200千赫兹时，超声波发生器的有效除藻距离在10米左右。此数据可作为设置本发明装置个数的参考值，不绝对影响本发明装置的布置个数。

Claims (8)

1.一种波浪能超声波水体净化装置，包括超声波发生器（1）、浮子（2），所述超声波发生器（1）设置在浮子（2）上，其特征在于：

还包括防水外壳（3），所述防水外壳（3）下部为配重室（3.1），上部为发电室（3.2），所述配重室（3.1）内设置有沉底配重（4），所述发电室（3.2）内设置有直线发电机（5）、蓄电池（6）、交直流转换器（7），所述直线发电机（5）一端连接有弹簧（8），另一端连接有系绳（9），所述弹簧（8）固定在发电室（3.2）底部，所述系绳（9）穿过防水外壳（3）与所述浮子（2）连接，所述直线发电机（5）输出端与蓄电池（6）输入端连接，所述蓄电池（6）输出端与交直流转换器（7）连接，所述交直流转换器（7）通过电线（10）与超声波发生器（1）连接。

2.根据权利要求1所述的波浪能超声波水体净化装置，其特征在于：所述系绳（9）为中空的防水系绳，所述电线（10）置于系绳（9）内。

3.根据权利要求2所述的波浪能超声波水体净化装置，其特征在于：所述浮子（2）顶部设置有保护外壳（11）。

4.根据权利要求3所述的波浪能超声波水体净化装置，其特征在于：所述超声波发生器（1）包括超声波换能器和超声波振动片，其中超声波换能器采用HNC-8SH-3820型号换能器。

5.根据权利要求4所述的波浪能超声波水体净化装置，其特征在于：所述浮子（2）为空心圆盘状，所述超声波发生器（1）设置有三个，均布在浮子（2）底部同一圆周上。

6.根据权利要求5所述的波浪能超声波水体净化装置，其特征在于：所述沉底配重（4）为混凝土。

7.根据权利要求6所述的波浪能超声波水体净化装置，其特征在于：所述防水外壳（3）采用铝合金材质。

8.一种如权利要求1所述波浪能超声波水体净化装置的设计方法，包括以下步骤：

S1设计包括下部配重室和上部发电室的防水外壳；

S2按防水外壳尺寸计算配重，由公式F _浮 =ρ _海水 gV _排 、F _支持力 =m _沉底配重 g，其中：ρ _海水 =1.025× 10 ³ kg/m ³ 、V _排 =V _防水外壳 ，计算出沉底配重质量为m；

S2将直线发电机、蓄电池、交直流转换器和弹簧按权利要求1中所述的连接结构安装在发电室内；

S3设计系绳的长度，以本发明所放置区域的水深为直角边，赤潮带宽度的一半作为另一条直角边组成三角形，系绳的长度为此三角形的斜边；

S4设计浮子，并在浮子上安装超声波发生器；

S5用步骤S3中的系绳连接浮子与所述发电室内的直线发电机；

S6用电线连接超声波发生器与交直流转换器。