CN107244642B - 综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置及方法，其特点是：主体部分的基本原理是利用海洋波面的升降带动浮子上下振荡，推动一级水缸中的第一活塞上下运动，产生了人造上升流；在波浪带动浮子上下震荡的同时，海洋中的潮流动力会推动叶轮做圆周运动，进而带动二级水缸内的第二活塞上下运动，产生第二层人造上升流。通过二次提水将富含营养盐的深层水体提升到海洋上层。只运用波浪能和潮流能，即可将深层水体运到上层，且换水效率高。其结构简单，经济效益高，无二次污染。

Description

综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置及方法

技术领域

本发明属于海洋装备技术与海洋渔业领域，涉及海洋深层水提升技术的改进，具体说一种综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置及方法。

背景技术

目前我国海洋渔业日益扩大的需求量与有限的海洋资源之间的矛盾日益尖锐，制约了我国海洋渔业的发展，近岸海域的生态环境恶化趋势加强。人工诱导上升流作为一种地球工程方法，立足于解决现有的渔业资源紧缺问题，以辽阔海洋表面为舞台，以二氧化碳和水为原料，以太阳光为能源，以深层海水营养盐为骨架，以人工诱导上升流海洋牧场为技术途径，以海洋波浪能和潮流能为动力来源，将海洋深层富含营养盐的海水经过人工诱导涌升至海洋表层参与光合作用，利用浮游植物光合作用吸收固定转化利用太阳光能，通过海洋生态系统的转换，得到更多的海洋渔业资源。应用人工诱导上升流技术不仅能够改善生态环境，而且能够提高渔业产量，它已经成为解决渔业资源紧缺问题的一个重要手段。

国内外学者对于海洋水体交换的研究有很多，并取得了重要的研究成果，但是仍存在诸多不足，如大多数的海洋深层水提升装置建造海底结构成本较高，同时需要消耗太多的能源，经济性较差；有部分海洋深层水提升装置投放不便利，维护成本高；还可能对渔场及周边生态环境造成破坏。因此，设计一套无需电力能源消耗、经济高效的海洋深层水自动提升装置具有重要的现实意义。

如何设计一种海洋深层水自动提升装置，无需外界提供电力能源，基本不需要人工干预，能综合运用波浪能和潮流能，将深层水体运到上层，大幅度提高换水效率。且结构简单，经济效益高，无二次污染。这是本领域目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置及方法

，只运用波浪能和潮流能，即可将深层水体运到上层，且换水效率高，其结构简单，经济效益高，无二次污染。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置，其特征在于，包括滑杆、沿滑杆竖向滑动的浮子、固定底座、一级水缸、一级水缸中的第一活塞杆及第一活塞、二级水缸、二级水缸中的第二活塞杆及第二活塞，所述浮子通过连接架与其下方所述二级水缸连接，所述连接架上设置叶轮，所述叶轮的转轴上设置曲柄或转盘，所述第二活塞杆上端与所述曲柄或转盘铰接，所述第二活塞杆下端与所述第二活塞通过万向节铰接，所述第二活塞周边抵在所述二级水缸内侧壁上，所述第二活塞上设置向上出水的第二单向出水阀，所述二级水缸底部开设的孔中安装第二单向进水阀，所述二级水缸底部与其下方所述一级水缸内的第一活塞杆上端连接，所述第一活塞杆下端与所述第一活塞连接，所述第一活塞周边抵在所述一级水缸内侧壁上，所述第一活塞上设置向上出水的第一单向出水阀，所述一级水缸底部开设的孔中安装第一单向进水阀，所述一级水缸底部固定在所述固定底座上，所述固定底座顶面上设置通孔，所述通孔与所述第一单向进水阀的进水端连通，所述第一单向进水阀的出水端与所述一级水缸内连通。

对上述技术方案的改进：所述滑杆为两根，且对称竖直设置在所述固定底座两侧，所述滑杆下端固定在一环绕所述固定底座的方形框架上，所述滑杆上设置竖向滑槽，每一所述滑杆上设置一个所述浮子，所述浮子一侧设置有与所述竖向滑槽配合的浮子销，所述浮子销嵌入所述竖向滑槽内，使所述浮子与所述滑杆形成滑动连接，有一水平设置的固定板的两端分别固定在两根所述滑杆上，所述固定板中间设置一级水缸安装孔，所述一级水缸插入所述一级水缸安装孔内并与所述固定板固定为一体。

对上述技术方案的进一步改进：所述连接架为倒三角形框架，两个所述浮子对称设置在所述倒三角形框架的顶部两端，所述倒三角形框架的下端与所述二级水缸的侧壁连接。

对上述技术方案的进一步改进：所述倒三角形框架的中部设置一叶轮安装板，所述叶轮安装板上设置安装孔，所述安装孔内设置轴套，所述叶轮的转轴穿入所述轴套与所述叶轮安装板形成转动连接。

对上述技术方案的进一步改进：所述浮子为长方体或圆柱体。

对上述技术方案的进一步改进：所述一级水缸及二级水缸均为玻璃、玻璃钢或不锈钢制成的圆形或方形缸体。

对上述技术方案的进一步改进：所述固定底座为方形空心结构，所述固定底座的侧壁上设置与所述固定底座顶面上的通孔连通的进水口。

本发明一种上述综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置的提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 一级水缸的提水过程：当波面上升时，第一活塞上的第一单向出水阀关闭，所述浮子及第一活塞在浮力作用下沿滑杆上升，第一活塞上面的水被带出一级水缸，完成出水过程，同时一级水缸底部的第一单向进水阀打开，在浮子上升过程中深层富营养盐水体由一级水缸底部吸入一级水缸，完成进水过程；当波面下降时，所述浮子及第一活塞在重力作用下沿滑杆下降，第一单向进水阀关闭，第一单向出水阀打开，原本留在一级水缸内的富营养盐水体被带到第一活塞以上，完成一级出水过程；

(2)二级水缸的提水过程：在波浪带动浮子上下震荡的同时，利用潮流推动叶轮转动，叶轮带动叶轮轴上的曲柄做圆周运动，当曲柄向上作半圆周运动时，将带动第二活塞杆及第二活塞向上运动，第二活塞上的第二单向出水阀关闭，第二活塞上面的水被带出二级水缸，完成出水过程；同时二级水缸底部的第二单向进水阀打开，将一级水缸内的海水吸入二级水缸，完成进水过程；当曲柄向下作半圆周运动时，将带动第二活塞杆及第二活塞向下运动，第二单向进水阀关闭，第二单向出水阀打开，原本留在二级水缸内的富营养盐水体被带到第二活塞以上，完成二级出水过程。

对上述技术方案的改进：所述叶轮正面迎向潮流运动方向。

本发明与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：

（1）本发明利用海洋波面的升降带动浮子上下振荡，推动一级水缸中的第一活塞上下运动，产生了人造上升流；在波浪带动浮子上下震荡的同时，海洋中的潮流动力会推动叶轮做圆周运动，进而带动二级水缸内的第二活塞上下运动，产生第二层人造上升流。通过二次提水将富含营养盐的深层水体提升到海洋上层，同时上层水体被排斥到海水底部，完成上下层水体交换。本发明综合利用波浪能和潮流能，无需外界提供其它能源，可大幅度提高换水效率,很好地解决了因水泵等设施所产生的能源消耗等问题；

（2）结构简单，经济性好，一经投入使用，基本不需要人工干预，大大节省了人力和物力；

（3）保护海洋生态环境，无二次污染，能够在一定程度上解决渔业资源的紧缺问题。

附图说明

图1综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置的结构示意图；

图2 是本发明综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置中的叶轮及二级水缸的连接结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1、图2，本发明一种综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置的实施例，包括滑杆17、沿滑杆17竖向滑动的浮子9、固定底座1、一级水缸15、一级水缸15中的第一活塞杆4及第一活塞14、二级水缸13、二级水缸13中的第二活塞杆11及第二活塞12。所述浮子9通过连接架8与其下方所述二级水缸13连接，连接架8上设置叶轮7，叶轮7的转轴上设置曲柄19或转盘，第二活塞杆11上端与曲柄19或转盘铰接，第二活塞杆11下端与所述第二活塞12通过万向节11.1铰接。第二活塞12周边抵在二级水缸13内侧壁上，第二活塞12上设置向上出水的第二单向出水阀6（根据第二活塞12的实际面积大小，第二单向出水阀6的数量可以是1个、2个或多个），在二级水缸13底部设置第二单向进水阀5（第二单向进水阀5的数量可以采用1个、2个或多个），二级水缸13底部与其下方的一级水缸15内的第一活塞杆4的上端连接，第一活塞杆4的下端与第一活塞14连接。第一活塞14周边抵在一级水缸15内侧壁上，在第一活塞14上设置向上出水的第一单向出水阀3（根据第一活塞14的实际面积大小，第一单向出水阀3的数量可以是1个、2个或多个）。在一级水缸15底部开设的孔中安装第一单向进水阀2（第一单向进水阀2的数量可以采用1个、2个或多个），一级水缸15底部固定在固定底座1上，在固定底座1顶面上设置通孔，所述通孔与第一单向进水阀2的进水端连通，第一单向进水阀2的出水端与一级水缸15内连通。

具体而言：上述滑杆17为两根，且对称竖直设置在上述固定底座1两侧，将滑杆17下端固定在一环绕固定底座1的方形框架18上，在滑杆17上设置竖向滑槽，每一滑杆17上设置一个浮子9，在浮子9一侧设置有与竖向滑槽配合的浮子销10，将浮子销10嵌入竖向滑槽内，使浮子9与滑杆17形成滑动连接。有一水平设置的固定板16的两端分别固定在两根滑杆17上，在固定板16中间设置一级水缸安装孔，将一级水缸15插入一级水缸安装孔内并与固定板16固定为一体。

上述连接架8为倒三角形框架，两个浮子9对称设置在所述倒三角形框架8的顶部两端，倒三角形框架的下端与二级水缸13的侧壁连接。

上述倒三角形框架8的中部设置一叶轮安装板8.1，在叶轮安装板8.1上设置安装孔，在安装孔内设置轴套，叶轮7的转轴穿入轴套与叶轮安装板8.1形成转动连接。

具体制作时，上述的浮子9为长方体或圆柱体，浮子9一般由材料密度较小的实心或者材料密度较大的空心结构组成，叶轮7一般选择密度较小的材料。

上述一级水缸15及二级水缸13均为玻璃、玻璃钢或不锈钢制成的圆形或方形缸体；上述固定底座1为方形空心结构，在固定底座1的侧壁上设置与固定底座1顶面上的通孔连通的进水口1.1。

本发明一种上述综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置的提升方法的实施例，包括如下步骤：

(1) 一级水缸15的提水过程：波面上升时，第一活塞14上的第一单向出水阀3关闭，浮子9及第一活塞14在浮力作用下沿滑杆17上升，第一活塞14上面的水被带出一级水缸15，完成出水过程；同时一级水缸15底部的第一单向进水阀2打开，在浮子9上升过程中深层富营养盐水体由一级水缸14底部吸入一级水缸15，完成进水过程。当波面下降时，浮子9及第一活塞14在重力作用下沿滑杆17下降，第一单向进水阀2关闭，第一单向出水阀3打开，原本留在一级水缸15内的富营养盐水体被带到第一活塞14以上，完成一级出水过程。

(2)二级水缸13的提水过程：在波浪带动浮子9上下震荡的同时，利用潮流推动叶轮7转动，叶轮7带动叶轮轴上的曲柄19做圆周运动，当曲柄19向上作半圆周运动时，将带动第二活塞杆11及第二活塞12向上运动，第二活塞12上的第二单向出水阀6关闭，第二活塞12上面的水被带出二级水缸13，完成出水过程。同时二级水缸13底部的第二单向进水阀5打开，将一级水缸15内的海水吸入二级水缸13，完成进水过程。当曲柄19向下作半圆周运动时，将带动第二活塞杆11及第二活塞12向下运动，第二单向进水阀5关闭，第二单向出水阀6打开，原本留在二级水缸13内的富营养盐水体被带到第二活塞12以上，完成二级出水过程。

使用时，将本发明的综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置设置在预定海区内，并将固定底座1、滑竿11及方形框架18等固定牢固。为了更好地利用潮流，将叶轮7的正面设置为迎向潮流运动方向。

在整个提升过程中，由一级水缸15提升到中层的水体被进一步运送到上层，海洋底部深层水体被输运到海洋上层，同时上层水体被排斥到海水底部，从而产生了人造上升流，完成上下层水体交换，既利用了波浪能，又充分利用了潮流能，从而大幅度提高换水效率。

在中国海洋大学水动力试验室的水槽（长25.0 m，宽1.0 m，高1.2 m）进行了综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置的试验，工作水深最大0.8 m，造波范围0.02～0.3 m，设计周期范围为0.6 s～4.0 s。在水槽前部布设造波机，后部布设消浪装置，观测了综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置在不同入射波周期、不同入射波高条件下浮子的垂荡运动位移和提水流量。分析初步结果发现，该提升装置可以将深层水体运到上层，产生了源源不断的人造上升流。

随着近海渔业资源的锐减以及需求量的不断增加，近年来的近海渔业情况不容乐观，急需有效的方法来提升近海的海洋资源从而满足市场需求。可将本发明综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置应用在近岸海域养殖区内，通过综合利用波浪能和潮流能产生人造上升流，将富含营养盐的深层海水源源不断地提升到海洋表面，对于提高渔场产量以及产生新的渔场有着十分积极的作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置的提升方法，其特征在于，所述综合利用波浪能和潮流能的海洋深层水提升装置包括滑杆、沿滑杆竖向滑动的浮子、固定底座、一级水缸、一级水缸中的第一活塞杆及第一活塞、二级水缸、二级水缸中的第二活塞杆及第二活塞，所述浮子通过连接架与其下方所述二级水缸连接，所述连接架上设置叶轮，所述叶轮的转轴上设置曲柄或转盘，所述第二活塞杆上端与所述曲柄或转盘铰接，所述第二活塞杆下端与所述第二活塞通过万向节铰接，所述第二活塞周边抵在所述二级水缸内侧壁上，所述第二活塞上设置向上出水的第二单向出水阀，所述二级水缸底部开设的孔中安装第二单向进水阀，所述二级水缸底部与其下方所述一级水缸内的第一活塞杆上端连接，所述第一活塞杆下端与所述第一活塞连接，所述第一活塞周边抵在所述一级水缸内侧壁上，所述第一活塞上设置向上出水的第一单向出水阀，所述一级水缸底部开设的孔中安装第一单向进水阀，所述一级水缸底部固定在所述固定底座上，所述固定底座顶面上设置通孔，所述通孔与所述第一单向进水阀的进水端连通，所述第一单向进水阀的出水端与所述所述一级水缸内连通；所述滑杆为两根，且对称竖直设置在所述固定底座两侧，所述滑杆下端固定在一环绕所述固定底座的方形框架上，所述滑杆上设置竖向滑槽，每一所述滑杆上设置一个所述浮子，所述浮子一侧设置有与所述竖向滑槽配合的浮子销，所述浮子销嵌入所述竖向滑槽内，使所述浮子与所述滑杆形成滑动连接，有一水平设置的固定板的两端分别固定在两根所述滑杆上，所述固定板中间设置一级水缸安装孔，所述一级水缸插入所述一级水缸安装孔内并与所述固定板固定为一体；所述连接架为倒三角形框架，两个所述浮子对称设置在所述倒三角形框架的顶部两端，所述倒三角形框架的下端与所述二级水缸的侧壁连接；所述倒三角形框架的中部设置一叶轮安装板，所述叶轮安装板上设置安装孔，所述安装孔内设置轴套，所述叶轮的转轴穿入所述轴套与所述叶轮安装板形成转动连接；所述浮子为长方体或圆柱体；所述一级水缸及二级水缸均为玻璃、玻璃钢或不锈钢制成的圆形或方形缸体；所述固定底座为方形空心结构，所述固定底座的侧壁上设置与所述固定底座顶面上的通孔连通的进水口；所述提升方法包括如下步骤：

(1) 一级水缸的提水过程：当波面上升时，第一活塞上的第一单向出水阀关闭，所述浮子及第一活塞在浮力作用下沿滑杆上升，第一活塞上面的水被带出一级水缸，完成出水过程，同时一级水缸底部的第一单向进水阀打开，在浮子上升过程中深层富营养盐水体由一级水缸底部吸入一级水缸，完成进水过程；当波面下降时，所述浮子及第一活塞在重力作用下沿滑杆下降，第一单向进水阀关闭，第一单向出水阀打开，原本留在一级水缸内的富营养盐水体被带到第一活塞以上，完成一级出水过程；

(2)二级水缸的提水过程：在波浪带动浮子上下震荡的同时，利用潮流推动叶轮转动，叶轮带动叶轮轴上的曲柄做圆周运动，当曲柄向上作半圆周运动时，将带动第二活塞杆及第二活塞向上运动，第二活塞上的第二单向出水阀关闭，第二活塞上面的水被带出二级水缸，完成出水过程；同时二级水缸底部的第二单向进水阀打开，将一级水缸内的海水吸入二级水缸，完成进水过程；当曲柄向下作半圆周运动时，将带动第二活塞杆及第二活塞向下运动，第二单向进水阀关闭，第二单向出水阀打开，原本留在二级水缸内的富营养盐水体被带到第二活塞以上，完成二级出水过程；

所述叶轮正面迎向潮流运动方向。