CN106438177A - 利用波浪能的漂浮摆式海洋人工下降流装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用波浪能的漂浮摆式海洋人工下降流装置及控制方法，该装置基于杠杆原理，通过将漂浮浮子所受的波浪力转换为压力水头，可将表层富氧水注入底层水体，缓解缺氧状况，改善水质。装置具有波浪自适应控制系统，可根据波浪力大小改变自身机械结构从而产生最佳下降流流量，从而高效利用波浪能。此外，在波浪条件较为恶劣环境下，控制系统将使整个装置处于待机状态，起到过载保护的作用，使得装置具有良好的生存能力。由于装置动力系统以机械构件为主，装置的维护和安装也比较方便。综上所述，本发明所提出的装置有望在国内外波浪能资源丰富的缺氧海域进行大规模工程化的应用，缓解大面积的水体缺氧情况。

Description

利用波浪能的漂浮摆式海洋人工下降流装置及控制方法

技术领域

本发明涉及缓解近海底层水体缺氧状况领域，尤其涉及一种利用波浪能的漂浮摆式海洋人工下降流装置及控制方法。

背景技术

溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)是水环境健康的重要指标。研究表明：水体缺氧(Hypoxia,DO<2mg/L)最终会导致鱼虾等生物将出现不同程度的不适甚至死亡。此外，水体缺氧将改变水体化学循环过程，导致水体富营养化加剧、有害重金属离子释放等事件的发生，破坏该水域原有的生态平衡、恶化水质条件。

随着人类在陆地生产活动日益频繁，水体富营养化、洋流作用和气候变化等因素使得近岸水体缺氧现象日益严重。全球范围内由于缺氧每年损失的生物量约为34.3-73.4万公吨碳/年。世界资源研究机构(WRI)数据统计显示：全球近海共479个缺氧区(HypoxiaArea)，还有55个即将成为缺氧区。其中，波罗的海、黑海、墨西哥湾，中国东海等地每年季节性缺氧水域面积已达到上万平方公里。缓解近海水体缺氧状况主要通过减少陆基氮磷源排放和人工下增氧技术两种途径实现。前者被认为是解决这一问题的根本途径，但在较短时间周期内不显著；而后者因为具有周期短、效果好的特点近年来备受工程领域关注。

人工下降流技术，作为一种人工增氧技术，目前相关研究工作主要在日本和波罗的海周边国家开展。日本在Gokasho海湾投放了一台系统额定功率为5kw，流量为120000m³/day的“拓海”号人工下降流系统。该系统依托OTEC计划，利用海水温差能发电驱动叶轮转动将表层与底层海水分别抽入混合层。该系统布放三年后，Gokasho海湾赤潮现象有所缓解，缺氧区面积减少了60％。瑞典科学家Stigebrandt等人在By Fjord进行了区域性的人工下降流实验。该系统首先利用风能为水泵供电，再利用水泵将表层富氧水抽入底层缺氧水中改善缺氧区氧气条件，流量为2m³/s。瑞典隆德大学Stefan发明了一种底层海水增氧系统，其原理是利用海流带动叶轮将底层海水抽至海表面，缺氧水体进过海气相互作用吸收大气中的氧气，获得高浓度溶解氧并最终在其自身重力下形成下降流沉入海底。该装置在0.5m/s的海流下预计可形成下降流流量为12000m³/year的下降流。瑞典皇家工学院Christoffer提出利用波浪能实现人工下降流的概念。海浪跃入浮式蓄水池，提升水池内水位，形成水池内外水位差。在这一水头差作用下，可形成源源不断的人工下降流。通过计算，其证明了单根下降流管道可产生的下降流流量为0.15m³/s-0.4m³/s。

上述研究表明：人工下降流技术有望成为提升海底DO浓度，缓解缺氧状况的有效途径。然而，现有的人工下降流装置仍未得到广泛的工程应用。一些装置依靠陆基供能，其作用区域非常有限；一些装置采用复杂的机电系统进行能量转换，存在效率低、维护成本高的缺点。

发明内容

针对目前人工下降流装置能耗大、难维护、生存能力弱等缺点，本发明提出了一种利用波浪能的漂浮摆式海洋人工下降流装置及控制方法，该装置基于杠杆原理，通过将漂浮浮子所受的波浪力转换为压力水头，可将表层富氧水注入底层水体，缓解缺氧状况，改善水质。装置具有波浪自适应控制系统，可根据波浪力大小改变自身机械结构从而产生最佳下降流流量，从而高效利用波浪能。此外，在波浪条件较为恶劣环境下，控制系统将使整个装置处于待机状态，起到过载保护的作用，使得装置具有良好的生存能力。由于装置动力系统以机械构件为主，装置的维护和安装也比较方便。综上所述，本发明所提出的装置有望在国内外波浪能资源丰富的缺氧海域进行大规模工程化的应用，缓解大面积的水体缺氧情况。

本发明所解决技术问题采用的技术方案如下：一种利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，包括：漂浮浮子、机械伸缩臂、连杆、活塞、浮台、第一单向阀、第二单向阀；所述漂浮浮子固定连接在机械伸缩臂的一端，所述机械伸缩臂的中部与浮台的上部铰接，所述浮台的中心开有通槽，所述活塞设置在所述通槽内，与通槽间隙配合；所述连杆的一端与活塞的上表面固定连接，所述连杆的另一端与机械伸缩臂的另一端滑动连接；所述通槽的下端出口处连接有硬质管；所述浮台内设有进水通道和恒压通道，所述进水通道和恒压通道的一端均与通槽相连通，所述恒压通道的另一端与进水通道的中部相连通，所述进水通道的另一端与外部相连通；所述活塞设置在进水通道和恒压通道之间；所述硬质管上设置第一单向阀，所述第一单向阀的进水口与通槽下端相连通，所述第二单向阀设置在进水通道上，所述第二单向阀的出水口与通槽相连通，所述恒压通道的另一端与进水通道的中部相连处位于第二单向阀的进水口的一侧。

进一步的，所述硬质管的下部连接有软质管。

进一步的，还包括重块，所述重块与软质管的下端相连。

进一步的，还包括自适应控制单元；所述自适应控制单元包括压力传感器、伸缩臂控制电机、单片机、蓄电池组；所述伸缩臂控制电机与机械伸缩臂相连，所述压力传感器设置在活塞的下表面，所述蓄电池组为整个自适应控制单元提供工作电压；所述压力传感器、伸缩臂控制电机均与单片机相连。

进一步的，所述自适应控制单元还包括直流电机和开关阀；所述开关阀设置在进水通道的进水口处，位于所述恒压通道的另一端与进水通道的中部相连处的外侧；所述直流电机与开关阀相连，所述直流电机与单片机相连。

进一步的，所述浮台的周边均匀连接有若干锚链。

进一步的，所述机械伸缩臂沿伸缩方向上开有长条槽，所述杆件上部开有凹形槽，所述凹形槽上架设有销轴，所述机械伸缩臂开有长条槽的一端设置在杆件的凹形槽内，所述销轴穿设在长条槽上。

进一步的，所述漂浮浮子采用浮力材料。

进一步的，所述硬质管采用PVC管道材料，所述软质管由套在钢结构圆环外的帆布构成。

本发明还提供一种利用上述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)产生下降流所需的最小压力阈值P_MIN可由式(1)求得：

P_MIN＝P_DE (1)

式中：P_DE为密度水头压差，g为重力加速度，h为硬质管上端水深，H为软质管底端水深，ρ_h为硬质管上端水体密度，l为水深，ρ(l)为水体密度垂直剖面分布；

活塞上的压力P可由式(3)求得：

式中：F_W为漂浮浮子所受的竖直方向的合力，L_ROD为杆件的长度，L_ARM为机械伸缩臂的长度，D为硬质管的内径；

根据量纲原理，活塞运动速度的量纲为当 时，活塞速度主要受波浪起伏控制；当时，活塞速度主要受活塞压力控制，可得下降流平均流量Q如式(4)和(5)所示：

当时，

当时，

式中：H_W为波浪高度(波峰与波谷垂直高度)，T为波浪周期；

当机械伸缩臂的长度L_ARM逐渐伸长，使得时，由式(4)可得下降流平均流量Q将逐渐减小并趋于0；当机械伸缩臂的长度L_ARM逐渐缩短，使得时，由式(5)可得下降流平均流量Q将逐渐减小并在P＝P_DE时为0；所以，机械伸缩臂的长度L_ARM应该满足：

其中，α＜1，β＞1；

将式(1)(2)带入式(6)，可得式(7)：

α‘P_MIN＜P＜βP_MIN (7)

其中，

单片机控制伸缩臂控制电机，通过伸缩臂控制电机调节机械伸缩臂长度使得压力传感器检测到的压力P满足式(7)，从而产生下降流；

(2)通过计算与活塞相连接的连杆的安全许用应力，确定压力安全阈值P_MAX，当压力传感器检测到的数值超过P_MAX时，说明装置存在破坏风险，直流电机驱动开关阀，使其关闭，从而停止装置运行；当压力传感器检测到的数值低于P_MIN时，装置无法克服阻力水头产生下降流体，装置停止工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明通过漂浮浮子与连杆机构将波浪能转换为压力水头，形成源源不断的下降流，从而改善溶解氧含量过低的底层水体水质和生态环境。2)本发明通过控制系统调节机械伸缩臂的长度，可实时改变活塞上的压力，控制下降流流量处于较优范围。3)本发明设置有安全阀，可在活塞压力过载时停止系统运行，防止机械系统的损坏。4)本发明通过硬质管和软质管结合的方式运输下降流，在波浪力的作用下，软质管可以自身产生形变降低刚性应力作用，提高了装置的生存能力。5)此外，本发明装置组成主要为机械部件，建造成本低，布放维护方便。

附图说明

图1是本发明实施例的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的浮子连杆示意图；

图3是本发明实施例的控制单元局部示意图；

图4是本发明装置的控制流程图；

图中：1漂浮浮子；2机械伸缩臂；3自适应控制单元；4通槽；5连杆；6活塞；7压力传感器；8浮台；9第一单向阀；10开关阀；11进水通道；12硬质管；13软质管；14重块；15锚链；16第二单向阀；17恒压通道；3a伸缩臂控制电机；3b单片机；3c蓄电池组；3d直流电机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明提供一种利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，包括：漂浮浮子1、机械伸缩臂2、连杆5、活塞6、浮台8、第一单向阀9、第二单向阀16；所述漂浮浮子1通过角钢片固定连接在机械伸缩臂2的一端，所述机械伸缩臂2的中部与浮台8的上部铰接，在波浪作用下做小幅周向往复运动，当波峰经过浮子时，浮子受到向上的浮力大于自重从而向上运动；当波谷经过浮子时，浮子受到自重大于向上的浮力从而向下运动。；所述浮台8的中心开有通槽4，所述活塞6设置在所述通槽内，与通槽间隙配合；所述连杆5的一端与活塞6的上表面固定连接，所述连杆5的另一端与机械伸缩臂2的另一端滑动连接，漂浮浮子1的上下往复运动使得与机械伸缩臂2相连的杆件进行等角速度周向往复运动，进而转化为与活塞6相连的杆件5的垂向直线往复运动；所述通槽的下端出口处连接有硬质管12，所述硬质管12的下部连接有软质管13，所述软质管13的下端连接有重块14；所述浮台8内设有进水通道11和恒压通道17，所述进水通道11和恒压通道17的一端均与通槽4相连通，所述恒压通道17的另一端与进水通道11的中部相连通，所述进水通道11的另一端与外部相连通；所述活塞6设置在进水通道11和恒压通道17之间；所述硬质管12上设置第一单向阀9，所述第一单向阀9的进水口与通槽4下端相连通，所述第二单向阀16设置在进水通道11上，所述第二单向阀16的出水口与通槽4相连通，所述恒压通道17的另一端与进水通道11的中部相连处位于第二单向阀16的进水口的一侧。基于上述原理，当波浪波谷经过漂浮浮子1时，活塞6将在浮台8中间的通槽4内垂直向上运动，硬质管12上的第一单向阀9关闭，进水通道11上的第二单向阀16开启，表层海水被抽吸至浮台8中的通槽4内；恒压通道17将活塞6上部水体与表层海水连通，始终维持浮台8中的通槽4水位与外部表层海水水位相同，从而不至产生压差阻力。当波浪波峰经过漂浮浮子1时，活塞6将在浮台8中的通槽4内垂直向下运动，浮台进水通道11上的第二单向阀16关闭，硬质管12上的第一单向阀9开启，表层海水克服密度水头差阻力和沿程阻力后从软质管底部流入底层缺氧水体。需要特别说明的是，浮台8通过四根周向对称分布的锚链15固定在海面上，加上其质量大惯性大的特点，在波浪作用下其垂向运动的幅度较漂浮浮子的运动幅度而言可忽略不计。

图2为本发明浮子连杆基于杠杆原理的结构示意图，利用波浪力驱动表层富氧水体沿软质管克服密度水头差向下运动，产生下降流；图3为本发明的波浪自适应控制系统可根据波浪力的大小，合理改变机械伸缩臂2的长度；

为了使得本发明效果更好，如图3，本发明还包括自适应控制单元3，所述自适应控制单元3通过螺钉直接固定在机械伸缩臂2末端，所述自适应控制单元3包括压力传感器7、伸缩臂控制电机3a、单片机3b、蓄电池组3c；所述伸缩臂控制电机3a与机械伸缩臂2相连，所述压力传感器7设置在活塞6的下表面，所述蓄电池组3c为整个自适应控制单元3提供工作电压；所述压力传感器7、伸缩臂控制电机3a均与单片机3b相连，这些部分通过水密电缆进行相连并传递信号；所述单片机3b可以采用型号为MPS430的单片机，但不限于此。

所述自适应控制单元3还包括直流电机3d和开关阀10；所述开关阀10设置在进水通道11的进水口处，位于所述恒压通道17的另一端与进水通道11的中部相连处的外侧；所述直流电机3d与开关阀10相连，所述直流电机3d与单片机3b相连。

如图2所示，所述机械伸缩臂2沿伸缩方向上开有长条槽，所述杆件5上部开有凹形槽，所述凹形槽上架设有销轴，所述机械伸缩臂2开有长条槽的一端设置在杆件5的凹形槽内，所述销轴穿设在长条槽上。

所述漂浮浮子1采用浮力材料；所述硬质管12采用PVC管道材料，所述软质管13由套在钢结构圆环外的帆布构成。

如图4所示，本发明利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)产生下降流所需的最小压力阈值P_MIN可由式(1)求得：

P_MIN＝P_DE (1)

式中：P_DE为密度水头压差，g为重力加速度，h为硬质管12上端水深，H为软质管13底端水深，ρ_h为硬质管12上端水体密度，l为水深，ρ(l)为水体密度垂直剖面分布，通过实地观测获得；

活塞6上的压力P可由式(3)求得：

式中：F_W为漂浮浮子1所受的竖直方向的合力，L_ROD为杆件5的长度，L_ARM为机械伸缩臂2的长度，D为硬质管12的内径；

根据量纲原理，活塞运动速度的量纲为当 时，活塞速度主要受波浪起伏控制；当时，活塞速度主要受活塞压力控制，可得下降流平均流量Q如式(4)和(5)所示：

当时，

当时，

式中：H_w为波浪高度(波峰与波谷垂直高度)，T为波浪周期；

当机械伸缩臂2的长度L_ARM逐渐伸长，使得时，由式(4)可得下降流平均流量Q将逐渐减小并趋于0；当机械伸缩臂2的长度L_ARM逐渐缩短，使得时，由式(5)可得下降流平均流量Q将逐渐减小并在P＝P_DE时为0；为保证装置产生下降流流量不至过小，机械伸缩臂2的长度L_ARM应该满足：

其中，α＜1，β＞1，α、β具体值需要通过实验确定(在实验中，给定一组特定波高和周期的规则波，逐渐增加机械伸缩臂2的长度，获得装置下降流流量与的定量关系曲线；选择曲线中流量较优的值段，确定对应的α、β)；

将式(1)(2)带入式(6)，可得式(7)：

α‘P_MIN＜P＜βP_MIN (7)

其中，

单片机3b控制伸缩臂控制电机3a，通过伸缩臂控制电机3a调节机械伸缩臂2长度使得压力传感器7检测到的压力P满足式(7)，从而产生下降流；

(2)通过计算与活塞6相连接的连杆5的安全许用应力，确定压力安全阈值P_MAX，当压力传感器7检测到的数值超过P_MAX时，说明装置存在破坏风险，直流电机3d驱动开关阀10，使其关闭，从而停止装置运行；当压力传感器7检测到的数值低于P_MIN时，装置无法克服阻力水头产生下降流体，装置停止工作。

装置具体实施方式表明：这种利用波浪能的漂浮浮子式下降流装置通过将漂浮浮子所受的波浪力转换为压力水头，可连续产生下降流，提升底层缺氧水DO浓度。该装置根据波浪力大小改变自身机械结构从而产生最佳下降流流量，高效利用波浪能。此外，在波浪条件较为恶劣环境下，该装置将使整个装置处于待机状态，起到过载保护的作用，使得装置具有良好的生存能力。这充分论证了装置在可靠性、高效性方面的工程优势。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，包括：漂浮浮子(1)、机械伸缩臂(2)、连杆(5)、活塞(6)、浮台(8)、第一单向阀(9)、第二单向阀(16)等；所述漂浮浮子(1)固定连接在机械伸缩臂(2)的一端，所述机械伸缩臂(2)的中部与浮台(8)的上部铰接，所述浮台(8)的中心开有通槽(4)，所述活塞(6)设置在所述通槽内，与通槽间隙配合；所述连杆(5)的一端与活塞(6)的上表面固定连接，所述连杆(5)的另一端与机械伸缩臂(2)的另一端滑动连接；所述通槽的下端出口处连接有硬质管(12)；所述浮台(8)内设有进水通道(11)和恒压通道(17)，所述进水通道(11)和恒压通道(17)的一端均与通槽(4)相连通，所述恒压通道(17)的另一端与进水通道(11)的中部相连通，所述进水通道(11)的另一端与外部相连通；所述活塞(6)设置在进水通道(11)和恒压通道(17)之间；所述硬质管(12)上设置第一单向阀(9)，所述第一单向阀(9)的进水口与通槽(4)下端相连通，所述第二单向阀(16)设置在进水通道(11)上，所述第二单向阀(16)的出水口与通槽(4)相连通，所述恒压通道(17)的另一端与进水通道(11)的中部相连处位于第二单向阀(16)的进水口的一侧。

2.根据权利要求1所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，所述硬质管(12)的下部连接有软质管(13)。

3.根据权利要求2所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，还包括重块(14)，所述重块(14)与软质管(13)的下端相连。

4.根据权利要求3所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，还包括自适应控制单元(3)；所述自适应控制单元(3)包括压力传感器(7)、伸缩臂控制电机(3a)、单片机(3b)、蓄电池组(3c)；所述伸缩臂控制电机(3a)与机械伸缩臂(2)相连，所述压力传感器(7)设置在活塞(6)的下表面，所述蓄电池组(3c)为整个自适应控制单元(3)提供工作电压；所述压力传感器(7)、伸缩臂控制电机(3a)均与单片机(3b)相连。

5.根据权利要求4所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，所述自适应控制单元(3)还包括直流电机(3d)和开关阀(10)；所述开关阀(10)设置在进水通道(11)的进水口处，位于所述恒压通道(17)的另一端与进水通道(11)的中部相连处的外侧；所述直流电机(3d)与开关阀(10)相连，所述直流电机(3d)与单片机(3b)相连。

6.根据权利要求1所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，所述浮台(8)的周边均匀连接有若干锚链(15)。

7.根据权利要求1所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，所述机械伸缩臂(2)沿伸缩方向上开有长条槽，所述杆件(5)上部开有凹形槽，所述凹形槽上架设有销轴，所述机械伸缩臂(2)开有长条槽的一端设置在杆件(5)的凹形槽内，所述销轴穿设在长条槽上。

8.根据权利要求1所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，所述漂浮浮子(1)采用浮力材料。

9.根据权利要求2所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置，其特征在于，所述硬质管(12)采用PVC管道材料，所述软质管(13)由套在钢结构圆环外的帆布构成。

10.利用权利要求5所述的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)产生下降流所需的最小压力阈值P_MIN可由式(1)求得：

P_MIN＝P_DE (1)

$P_{DE}={\&Integral;}_h^H\&lsqb;\mathrm{\&rho;}\left(l\right)-{\mathrm{\&rho;}}_h\&rsqb;gdl---\left(2\right)$

式中：P_DE为密度水头压差，g为重力加速度，h为硬质管(12)上端水深，H为软质管(13)底端水深，ρ_h为硬质管(12)上端水体密度，l为水深，ρ(l)为水体密度垂直剖面分布；

活塞(6)上的压力P可由式(3)求得：

$P=\frac{F_W}{\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{D}^2}\frac{L_{ARM}}{L_{ROD}}---\left(3\right)$

式中：F_W为漂浮浮子(1)所受的竖直方向的合力，L_ROD为杆件(5)的长度，L_ARM为机械伸缩臂(2)的长度，D为硬质管(12)的内径；

根据量纲原理，活塞运动速度的量纲为当 时，活塞速度主要受波浪起伏控制；当时，活塞速度主要受活塞压力控制，可得下降流平均流量Q如式(4)和(5)所示：

当时,

当时,式中：H_W为波浪高度(波峰与波谷垂直高度)，T为波浪周期；

当机械伸缩臂(2)的长度L_ARM逐渐伸长，使得时，由式(4)可得下降流平均流量Q将逐渐减小并趋于0；当机械伸缩臂(2)的长度L_ARM逐渐缩短，使得时，由式(5)可得下降流平均流量Q将逐渐减小并在P＝P_DE时为0；所以，机械伸缩臂(2)的长度L_ARM应该满足：

$\mathrm{\&alpha;}\frac{2H_W}{T^2}<\frac{P-P_{DE}}{\mathrm{\&rho;}gH}\frac{L_{ARM}}{L_{ROD}}<\mathrm{\&beta;}\frac{2H_W}{T^2}---\left(6\right)$

其中，α<1,β>1；

将式(1)(2)带入式(6)，可得式(7)：

α‘P_MIN<P<βP‘_MIN (7)

其中，

单片机(3b)控制伸缩臂控制电机(3a)，通过伸缩臂控制电机(3a)调节机械伸缩臂(2)长度使得压力传感器(7)检测到的压力P满足式(7)，从而产生下降流；

(2)通过计算与活塞(6)相连接的连杆(5)的安全许用应力，确定压力安全阈值P_MAX，当压力传感器(7)检测到的数值超过P_MAX时，说明装置存在破坏风险，直流电机(3d)驱动开关阀(10)，使其关闭，从而停止装置运行；当压力传感器(7)检测到的数值低于P_MIN时，装置无法克服阻力水头产生下降流体，装置停止工作。