CN107758775A - 一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法。涉及环保技术领域。上吸热罩和下吸热罩中间布置若干从大到小的圆环状金属结构的吸热圈，上吸热罩和下吸热罩之间设有中央导热管，各部之间分别设有导热支管和导热干管连接，下吸热罩下部的底盘上设有中央导热柱与下吸热罩连接，下导热柱和中央导热柱均包裹有隔热套，下导热柱和中央导热柱下部向四周延伸金属针。吸热圈、上吸热罩和下吸热罩以及同纬度角度a的设计，能够充分吸收来自不同角度的直射阳光，利用将阳光的热能传递到水底引起的温度差形成水的上下对流，加强了水中的溶解氧的溶解度，做到全天无动力促进水体复氧，具有无动力消耗，能增强水体自净功能的效的特点。

Description

一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法

技术领域：

本发明涉及环保技术领域，具体地说是一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法。

背景技术：

当代中国环境问题日益严重，随着经济快速发展，城市河流、湖泊等水体污染问题越发严重，其中，水环境质量的污染与水体富营养化成为了水体污染的主要问题；

水体富营养化指的是水体中氮(N)、磷(P)等营养盐含量过多而引起的水质污染现象，其实质是由于营养盐的输入输出失去平衡性，从而导致水生态系统物种分布失衡，单一物种疯长，破坏了系统的物质与能量的流动，使整个水生态系统失去平衡，并逐渐走向灭亡，在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这种自然过程非常缓慢，而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现，导致水体内浮游藻类大量繁殖，藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，导致水体中溶解氧降低，水质变差，引起一系列水环境污染问题；

目前国内外通用的水体复氧方法主要有动力型和工程型两种，动力型即曝气技术，曝气是将空气中的氧强制向液体中转移的过程，其目的是获得足够的溶解氧，此外，曝气还有防止池内悬浮体下沉，加强池内有机物与微生物及溶解氧接触的目的，从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下，对污水中有机物的氧化分解作用，即通过曝气泵的吸入口利用负压作用吸入气体，高速旋转的泵叶轮将液体与气体混合搅拌，由于泵内的加压混合，气体与液体充分溶解，此方法虽然效率高，效果明显，但运行成本较高，损坏后较难修复，耗能高，噪声大；

工程型即采用不同形式的水工建筑物、水土建筑物溢流坝面加糙、接触氧化透水堤坝、跌水曝气充氧等水力学方法，此方法大多要求人工筑造或改造堤坝，不仅工程量巨大，短时间内难以实现，且容错率低，修复困难。改造堤坝需要巨大的资金投入，而改造后的堤坝对生态环境也有难以预估的影响；

自然界的水体溶解氧的一个来源是水中溶解氧未饱和时，大气中的氧气经水体表面，由气液交换过程逐渐向水体内部溶解并扩散和渗入；另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧，自然界水体存在较为规律的内循环过程，即在阳光照射下，随着水温增加，局部水表面蒸发过程加剧(如昼间在太阳辐照下，岸边土壤比水体具有更低的比热容，同样辐照条件下能够更快的升温；又如被挺水植物遮蔽的水面比周边裸水面表层水温更低等)，被加热水体不断向空气中蒸散发，由于水蒸气向上蒸散发，并且温度稍高水团密度更小，多因素共同驱动表层水体不断向上运动，中层及底层更低温度(获得太阳照射更少)的未加热水体会不断向上补充，形成局部上升流，同时，局部水体表面的稍冷的水体下沉，形成下降流，从而在水体内部形成了规则的微循环流动，这种地表水体内部的微循环过程增加了水体与空气的接触概率，并将表层溶解氧向底层水体携带传质，从而促进水体溶解氧恢复过程；

由于被污染水体中，浮游微生物生长旺盛，消耗了水体的溶解氧，降低了水体透明度，阻碍了太阳光的照射效果，限制了溶解氧传递，水下微循环较正常水体更弱；

如果能将太阳辐射能更好地利用起来，使得这部分能量能够更为充分利用到促进水体内循环过程中，就能更为有效利用太阳能这种清洁能源，更为有效促进水体溶解氧传质和恢复过程，这种方法可以有效克服传统复氧方法高耗能的缺点，而光能本身是一种清洁能源，没有二次污染，不会对周边生态造成不利的影响，是一种可持续的环境友好的高效能源，对于管理者来说，也是一种无动力的，低费高效方案。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明提供一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法。

本发明的技术方案是：一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，包括上吸热罩、吸热圈和下吸热罩，上吸热罩和下吸热罩均呈碗状薄壁金属结构，其曲面呈弧形，上吸热罩碗形底部朝上，下吸热罩碗形底部朝下，下吸热罩比上吸热罩大，下吸热罩与上吸热罩碗形边沿对应的空间水平布置若干从大到小的圆环状金属结构的吸热圈，上吸热罩和下吸热罩的中心线之间设有中央导热管，上吸热罩、下吸热罩、中央导热管和各个吸热圈之间分别设有导热支管和导热干管连接，下吸热罩下部设有底盘，底盘为以圆盘状金属板，底盘上设有位于底盘中心垂直竖立的金属中央导热柱与下吸热罩连接，以及均匀分布在底盘上的若干金属下导热柱与下吸热罩连接，下导热柱和中央导热柱位于预设水面位置以上部分开始至底盘均包裹有隔热套，在预设最低水面以下0.5～0.6m以下的下导热柱和中央导热柱上，分若干层向四周延伸穿过隔热套的金属针，金属针的布置原则是：越接近底盘位置，金属针布置的越密集、金属针越长，底盘下面布置若干均布的固定桩。

所述的下吸热罩下部设有底盘，下吸热罩以上整体结构的中心线与底盘中心线呈角度a，角度a的值等于当地地球纬度数值。

所述的下导热柱和中央导热柱位于预设水面位置以上部分开始至底盘均包裹有隔热套，其中预设最高水位和最低水位之间的隔热套为若干上下衔接的中间隔热套，每个中间隔热套外设有台阶环面，该台阶环面上放置有浮岛。

所述的上吸热罩、下吸热罩、吸热圈、导热支管、导热干管、中央导热管、中央导热柱、下导热柱和金属针均由不锈钢材料制作，隔热套和中间隔热套由硅藻土材料制作。

所述的上吸热罩、下吸热罩、吸热圈，其外表面加工成亚光面，表面漆成深绿色。

所述的下吸热罩，下吸热罩最低位置开有底孔。

测量预设放置的水深，以及根据当地水文资料，计算该河流或湖泊的枯水期和丰水期的水深数值，在最低水位以下及最高水位以上部分布置中间隔热套和浮岛；

根据当地纬度数值，安装下吸热罩以上的整体结构，使得角度a等于或接近当地纬度数值；

将该装置放置在水里，将上吸热罩顶部朝向正南方向，将底部的固定桩压进水底的泥沙中使该装置固定；

跟踪测定该装置附近的水域和远离该装置的水域的溶解氧数值，对比了解在白天、晚上、不同季节等环境条件下该装置的溶解氧复氧效果。

本发明具有如下有益效果：水面部分圆环型吸热圈，正反布置的上吸热罩和下吸热罩以及同纬度角度a的设计，能够充分吸收来自不同角度的直射阳光，最大化提高了装置的吸热效率；下吸热罩能够吸收来自水体反射的阳光，减少了光能的浪费；水面部分深绿色仿生设计，能够减少水面的视觉冲突，并一定程度上提高本装置占地处绿化率；过渡区以水位差距设计的隔热套，能够有效减少由于水位变化带来的热量散失；过渡区隔热套浮岛外形的设置，给予了水中微生物生活的空间，能够有效利用水体中的生物资源；隔热套选材为硅藻土，是一种亲水性清洁材料，没有二次污染水下散热管上小下大的金属针设计，能够保证充分的热量传递至水底，减少了热量传递过程中的散失，利用将阳光的热能传递到水底引起的温度差形成水的上下对流，加强了水中的溶解氧的溶解度，做到全天无动力促进水体复氧，具有无动力消耗，能增强水体自净功能的效的特点，有利推广使用。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是本发明中中间隔热套和浮岛的装配图；

图4是本发明白天工作状态示意图；

图5是本发明夜晚工作状态示意图。

图中1-上吸热罩，2-吸热圈，3-下吸热罩，4-导热支管，5-导热干管，6-下导热柱，7-浮岛，8-中间隔热套，9-隔热套，10-金属针，11-固定桩，12-底盘，13-底孔，14-中央导热柱，15-中央导热管，16-角度a。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1结合图2～5所示，一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，包括上吸热罩1、吸热圈2和下吸热罩3，上吸热罩1和下吸热罩3均呈碗状薄壁金属结构，其曲面呈弧形，上吸热罩1碗形底部朝上，下吸热罩3碗形底部朝下，下吸热罩3比上吸热罩1大，下吸热罩3与上吸热罩1碗形边沿对应的空间水平布置若干从大到小的圆环状金属结构的吸热圈2，能够充分吸收来自不同角度的直射阳光，最大化提高了装置的吸热效率，上吸热罩1和下吸热罩3的中心线之间设有中央导热管15，上吸热罩1、下吸热罩3、中央导热管15和各个吸热圈2之间分别设有导热支管4和导热干管5连接，下吸热罩3下部设有底盘12，底盘12为以圆盘状金属板，底盘12上设有位于底盘12中心垂直竖立的金属中央导热柱14与下吸热罩3连接，以及均匀分布在底盘12上的若干金属下导热柱6与下吸热罩3连接，下导热柱6和中央导热柱14位于预设水面位置以上部分开始至底盘12均包裹有隔热套9，在预设最低水面以下0.5～0.6m以下的下导热柱6和中央导热柱14上，分若干层向四周延伸穿过隔热套9的金属针10，金属针10的布置原则是：越接近底盘12位置，金属针10布置的越密集、金属针10越长，使得的热量能够充分传递到底部，形成从下到上的对流，底盘12下面布置若干均布的固定桩11。

所述的下吸热罩3下部设有底盘12，下吸热罩3以上整体结构的中心线与底盘12中心线呈角度a16，角度a16的值等于当地地球纬度数值，在春分和秋分时，阳光直射该装置，使得阳光利用最大化。

所述的下导热柱6和中央导热柱14位于预设水面位置以上部分开始至底盘12均包裹有隔热套9，其中预设最高水位和最低水位之间的隔热套9为若干上下衔接的中间隔热套8，能够保证充分的热量传递至水底，减少了热量传递过程中的散失，每个中间隔热套8外设有台阶环面，该台阶环面上放置有浮岛7，由于水体中浮游微生物本身具有一部分净化水体的功能，浮岛7作为生化反应的载体，微生物会寄居在所述浮7之上以加强水体净化功能。

所述的上吸热罩1、下吸热罩3、吸热圈2、导热支管4、导热干管5、中央导热管15、中央导热柱14、下导热柱6和金属针10均由不锈钢材料制作以防止生锈污染水体，隔热套9和中间隔热套8由硅藻土材料制作，是一种亲水性清洁材料，没有二次污染。

所述的上吸热罩1、下吸热罩3、吸热圈2，其外表面加工成亚光面，避免阳光二次反射导致能量散失，表面漆成深绿色可以增加阳光利用率，水面部分深绿色仿生设计，能够减少水面的视觉冲突，并一定程度上提高本装置占地处绿化率。

所述的下吸热罩3，下吸热罩3最低位置开有底孔13防止下吸热罩3积水。

测量预设放置的水深，以及根据当地水文资料，计算该河流或湖泊的枯水期和丰水期的水深数值，在最低水位以下及最高水位以上部分布置中间隔热套8和浮岛7；

根据当地纬度数值，安装下吸热罩3以上的整体结构，使得角度a16等于或接近当地纬度数值；

将该装置放置在水里，将上吸热罩1顶部朝向正南方向，将底部的固定桩11压进水底的泥沙中使该装置固定；

跟踪测定该装置附近的水域和远离该装置的水域的溶解氧数值，对比了解在白天、晚上、不同季节等环境条件下该装置的溶解氧复氧效果。

以下对本发明进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

白天，所述吸热部分是一种上小下大的分层结构，可根据当地日照强度、地理位置调整方向，当阳光在不同时间段以不同角度直射时，吸热部分的每一个面都可以吸收来自四面八方的阳光；当太阳光直射入水，其中一部分辐射光被反射时，所属吸热部分则可以吸收来自各个角度的反射光，直射的阳光与反射的阳光都被吸收后，分别通过中央导热柱14和下导热柱6导入水下，中间隔热套8与浮岛7可根据不同水体设计不同长度、宽度，所述浮岛7是可拆卸可替换元件，每两个之间有固定距离差，以水体枯水期和丰水期的水位差为最大距离，计算并设计元件个数，以保证热量与水中生物资源的充分利用，由于水体中浮游微生物本身具有一部分净化水体的功能，在涨水、退水时被带动的部分微生物会寄居在所述浮岛7之上，我们将央导热柱14和下导热柱6导水下部分套上隔热套9以避免热量在传输的过程中与水体接触而散失，热量传递到底部的金属针10后与水体交换热量将金属针10附近的水体加热，由于该深度以上水体未被加热，加热部分水体会不断蒸发向上运动，未加热水体被带动一部分随着加热水体上升，一部分自然下沉，由此促进了水体内部微循环，达到促进溶解氧的目的。

夜晚，由于水体比热容比陆地大，所以水体散发白天所吸收热量的速度比陆地要慢，于是便形成了白天陆地温度比水体高而夜晚水体温度比陆地高的现象，则白天的水体是吸热蒸发而夜晚水体是散热过程。由于受污染的水体内有机质含量偏高，一部分程度上降低了散热效率，所述无动力太阳能水体复氧装置在夜晚会起到吸收水体热量加速向空气中散热的作用，通过上吸热罩1、吸热圈2和下吸热罩3等充分与空气接触的圆环表面散入空气中，水下被所述水下金属针10吸收热量的水体冷却不断下沉，而周围未被吸收热量的水体由于温度差自然蒸发，形成了与白天方向相反的夜晚微循环，做到二十四小时无动力促进水体复氧。

本发明具有许多显著优点：

第一，水面部分圆环型吸热圈，正反布置的上吸热罩和下吸热罩以及同纬度角度a的设计，能够充分吸收来自不同角度的直射阳光，最大化提高了装置的吸热效率；

第二，下吸热罩反向的圆弧状突起，能够吸收来自水体反射的阳光，减少了光能的浪费；

第三，水面部分深绿色仿生设计，能够减少水面的视觉冲突，并一定程度上提高本装置占地处绿化率；

第四，过渡区以水位差距设计的隔热套，能够有效减少由于水位变化带来的热量散失；

第五，过渡区隔热套浮岛外形的设置，给予了水中微生物生活的空间，能够有效利用水体中的生物资源；

第六，隔热套选材为硅藻土，是一种亲水性清洁材料，没有二次污染；

第七，水下散热管上小下大的金属针设计，能够保证充分的热量传递至水底，减少了热量传递过程中的散失。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例。对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，包括上吸热罩(1)、吸热圈(2)和下吸热罩(3)，其特征在于：上吸热罩(1)和下吸热罩(3)均呈碗状薄壁金属结构，其曲面呈弧形，上吸热罩(1)碗形底部朝上，下吸热罩(3)碗形底部朝下，下吸热罩(3)比上吸热罩(1)大，下吸热罩(3)与上吸热罩(1)碗形边沿对应的空间水平布置若干从大到小的圆环状金属结构的吸热圈(2)，上吸热罩(1)和下吸热罩(3)的中心线之间设有中央导热管(15)，上吸热罩(1)、下吸热罩(3)、中央导热管(15)和各个吸热圈(2)之间分别设有导热支管(4)和导热干管(5)连接，下吸热罩(3)下部设有底盘(12)，底盘(12)为以圆盘状金属板，底盘(12)上设有位于底盘(12)中心垂直竖立的金属中央导热柱(14)与下吸热罩(3)连接，以及均匀分布在底盘(12)上的若干金属下导热柱(6)与下吸热罩(3)连接，下导热柱(6)和中央导热柱(14)位于预设水面位置以上部分开始至底盘(12)均包裹有隔热套(9)，在预设最低水面以下0.5～0.6m以下的下导热柱(6)和中央导热柱(14)上，分若干层向四周延伸穿过隔热套(9)的金属针(10)，金属针(10)的布置原则是：越接近底盘(12)位置，金属针(10)布置的越密集、金属针(10)越长，底盘(12)下面布置若干均布的固定桩(11)。

2.根据权利要求1所述的一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，其特征在于：所述的下吸热罩(3)下部设有底盘(12)，下吸热罩(3)以上整体结构的中心线与底盘(12)中心线呈角度a(16)，角度a(16)的值等于当地地球纬度数值。

3.根据权利要求1所述的一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，其特征在于；所述的下导热柱(6)和中央导热柱(14)位于预设水面位置以上部分开始至底盘(12)均包裹有隔热套(9)，其中预设最高水位和最低水位之间的隔热套(9)为若干上下衔接的中间隔热套(8)，每个中间隔热套(8)外设有台阶环面，该台阶环面上放置有浮岛(7)。

4.根据权利要求1、3所述的一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，其特征在于：所述的上吸热罩(1)、下吸热罩(3)、吸热圈(2)、导热支管(4)、导热干管(5)、中央导热管(15)、中央导热柱(14)、下导热柱(6)和金属针(10)均由不锈钢材料制作，隔热套(9)和中间隔热套(8)由硅藻土材料制作。

5.根据权利要求1所述的一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，其特征在于：所述的上吸热罩(1)、下吸热罩(3)、吸热圈(2)，其外表面加工成亚光面，表面漆成深绿色。

6.根据权利要求1所述的一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，其特征在于：所述的下吸热罩(3)，下吸热罩(3)最低位置开有底孔(13)。

7.根据权利要求1、3所述的一种无动力太阳能促进水体溶解氧复氧的装置及方法，其特征在于：测量预设放置的水深，以及根据当地水文资料，计算该河流或湖泊的枯水期和丰水期的水深数值，在最低水位以下及最高水位以上部分布置中间隔热套(8)和浮岛(7)；

根据当地纬度数值，安装下吸热罩(3)以上的整体结构，使得角度a(16)等于或接近当地纬度数值；

将该装置放置在水里，将上吸热罩(1)顶部朝向正南方向，将底部的固定桩(11)压进水底的泥沙中使该装置固定；

跟踪测定该装置附近的水域和远离该装置的水域的溶解氧数值，对比了解在白天、晚上、不同季节等环境条件下该装置的溶解氧复氧效果。