CN107996464A - 一种光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，属于渔业增产设备技术领域。它包括采光单元、导光通道、发热单元和上升管道，导光通道由若干根光纤或封闭式中空采光管构成；采光单元包括至少一面透镜和至少一面凹面镜，将太阳光聚集并调整光束的发散度，使其发散角小于所述导光通道内壁的全反射角；上升管道包括若干根中空管，中空管的侧壁上设有连接孔，引入导光通道的光纤或封闭式中空采光管；发热单元包括吸光发热体，吸光发热体固定在上升通道中，所述导光通道一端连接采光单元，另一端连接在吸光发热体上。该系统改变现有技术中将太阳能转化为热能后再进行输送的方式，实现太阳能的最大转化，转化率可以达到40‑50％。
Description
技术领域
本发明属于渔业增产设备技术领域，特别涉及一种光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统。
背景技术
目前提取深层水体的营养盐以带动表层水体的生态产能成为了水体养殖技术的最新方向。目前出现的技术有以下几种：在近海渔场海底建立筑坡，利用水平方向的潮海流转化为上升流来获得营养盐；台湾大学主导的通过水下注气获得气液上升流的方式获得营养盐；杭州电子科技大学主导的水下发热棒获得高温上升流来获得营养盐。其中第一种方案海里盐柱的连续性并不好并且对流强度较弱容易被冲断，由于水体营养盐的深度约在500m深的水中，故而大型的深层供能水利项目施工成本及难度都非常高；第二种方案需要克服较大的水压泵入深层水体耗能大的缺点；第三种方案中我国大都采取的电热式水体发热上升流推测需要600m电缆以及高强度的固定柱和300万有效面积为500m2的上开流，此方案也是耗能耗资巨大。
再如专利文献1：中国专利(CN201947781U)公开了一种浅海管道式海底营养盐注气提升装置，该装置从上至下依次设置有海面注气装置、气体传输管道和营养盐提升装置。海面注气装置与气体传输管道的一端连通，气体传输管道的另一端与营养盐提升装置连通。海面注气装置包括气泵系统和浮台；气泵系统包括空气泵、流量控制阀和流量计，浮台内部中空，形成储气室，营养盐提升装置包括海底气室和多根营养盐提升管道，海底气室与多根营养盐提升管道连通。该装置采用注气的方式将海底的营养盐提升到海面，对于浅海地区，可以采用该装置，但是针对深海，则不适用，原因是由于深海海水压力大，因此注气的设备功率大，耗能大，在成本投入方面较为昂贵。
专利文献2：中国专利(CN203827876U)公开了一种差热式海底营养盐提升装置，该装置包括集热装置、波能转换装置、工质输送装置、深海给热装置及定位装置，波能转换装置固定在集热装置下部，工质输送装置连通并固定在波能转换装置上，深海给热装置与工质输送装置连通。随着波浪的起伏，通过波能转换装置中保温缸筒内活塞的上下往复运动连续将从深海给热装置出来的低温工质水输送回顶部的集热装置内；同时迫使集热装置内被太阳能所加热的高温工质水通过保温软管输送到深海给热装置里，从而实现连续循环工作。该装置将光能以及水能直接转换为热能，然后传输至海底，对海底的海水进行加热，从而使得营养盐被上升的海水带到海面，一方面由于光能以及水能转换为热能的效率低，利用率只有30％左右，大部分热量散失掉了，导致海底营养盐提升的效率比较低，达不到人们所期望的数值；另一方面由于海面风力较大，集热装置和波能转换装置的体积较大，因此风阻大，极容易被风吹翻，或被海浪打翻，整个装置的安全稳定性较差。
专利文献3：中国专利CN201210000180.4公开了一种利用太阳能和波浪能的海底营养盐提升装置，包括海面平台、水下保温导管和海底给温装置：海面平台由上顶面和下底面组成，可压缩塑料保温水囊将海面平台的四周包围，形成一个密闭的空间，该密闭空间被中间的支撑板分成两个腔室，两个腔室之间互通；每个腔室的下底面上连接有水下保温导管，海底给温装置将两根水下保温导管连通；海面平台的上顶面设有太阳能吸收层，水下保温导管的长度可根据实际需求确定。该提升装置存在与专利文献2同样的缺陷，无法满足人们想要达到的效果。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有海底营养盐提升装置的利用太阳能和水能的利用率低，导致海底营养盐提升效率低的问题，本发明的目的是提供一种光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，通过光缆或封闭式中空采光管将光传至海水中，然后将光能转化为热能，尽可能减少光能的损失，达到光能的充分利用，同时提高海底营养盐的提升效率。
2.技术方案
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，包括采光单元、导光通道、发热单元和上升管道，所述导光通道由若干根光纤或封闭式中空采光管构成；所述采光单元包括至少一面透镜和至少一面凹面镜，将太阳光聚集并调整光束的发散度，使其发散角小于所述导光通道内壁的全反射角；所述上升管道包括若干根中空管，中空管的侧壁上设有连接孔，引入导光通道的光纤或封闭式中空采光管；所述发热单元包括吸光发热体，吸光发热体固定在上升通道中，所述导光通道一端连接采光单元，另一端连接在吸光发热体上。
于本发明一种可能的实施方式中，所述采光单元还包括浮筒支架，凹面镜设置在浮筒支架内，透镜设置在凹面镜的上方，浮筒支架下端面设有引管，导光通道的光纤或封闭式中空采光管由引管进入浮筒支架，凹面镜调整光束角度并将光束反射至导管通道。
于本发明一种可能的实施方式中，所述采光单元还包括配重块，配重块悬挂在浮筒支架下方。
于本发明一种可能的实施方式中，所述上升管道采用直径为30-50cm的不锈钢管，在不锈钢管的上端设有浮块，上升管道悬浮在海水中。
于本发明一种可能的实施方式中，所述吸光发热体包括导热壳体及填充物，导热壳体的成分组成为74-77％Cu、22-24％Zn、0.9-2％Sn，填充物为吸光纤维或吸光半导体。
于本发明一种可能的实施方式中，所述透镜的上表面涂刷有一层纳米透明隔热膜，纳米透明隔热膜的厚度为0.3-0.5mm。
于本发明一种可能的实施方式中，所述凹面镜配合有一驱动机构，驱动机构可随太阳角度缓慢转动，使得光束的发散角始终小于所述导光通道内壁的全反射角。
于本发明一种可能的实施方式中，所述吸光发热体呈椭圆状，其椭圆的长轴为L，短轴为H，其中光纤或封闭式中空采光管的直径为D，则三者满足下列关系：(L+H)*λ＝D，λ为吸光纤维或吸光半导体的导热系数。
本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统工作过程如下：水面上方以大面积采光单元的构架将光能经透镜和凹面镜等光学原件聚集并调整光束的发散度使其发散角小于导光通道内壁的全反射角，其中导光通道是由光纤或封闭式中空采光管组成，可使可见光波沿光路通过深层水体尽可能的减少光能的损失，光波通过深入水体的束光通道溢开口后经导出并聚交于光能吸光发热体，吸光发热体与海底的冷海水接触，将热量传递给冷海水，加热后的周围水体会沿着上升管道由于浮力作用向上浮升，周围及其上层海水温度较低，密度大，必然下降，从而引起海水内部的自然对流，依靠海水内部的温度差，可将底层营养盐随海水的流动而向上提升。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，该系统采用采光单元来采集太阳光，然后通过光纤或或封闭式中空采光管传递太阳光，尽可能的降低太阳能的损失，并由吸光发热体吸光发热，将太阳能转化为热能，改变现有技术中将太阳能转化为热能后再进行输送的方式，实现太阳能的最大转化，转化率可以达到40-50％，远高于专利文献2和专利文献3中的转化率，由于吸光发热体吸收光后发热，并将热量传递给周围的冷海水，热传导就会在高温度的海水与低温度的海水间发生，底层海水获得热能后，温度升高，密度减小，由于浮力作用向上浮升，周围及其上层海水温度较低，密度大，必然下降，从而引起海水内部的自然对流，这种流动没有外部机械力的作用，仅仅依靠海水内部的温度差，可将底层营养盐随海水的流动而向上提升；
(2)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，该系统需要长时间放置在海面上，其采光单元通过浮筒支架，漂浮在海面上，保证了系统能够顺利的采光，并将光传递至海水中；
(3)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，由于海上经常会出现大风，浮筒支架设有配重块，配重块位于海水中，起到定位浮筒支架的功能，避免浮筒支架被海风吹走，减少因自然变化造成的损失；
(4)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，该系统的上升管道是海水上升的主要途径，一方面上升管道在海水中，考虑到海水的腐蚀作用，采用不锈钢材质的，另一方面，上升管道悬浮在海水中，冷海水由上升管道的下方不断进入，热海水沿着上升管道不断上升，促使加速冷热海水的对流；
(5)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，该系统的吸光发热体包括导热壳体及填充物，导热壳体的成分组成为74-77％Cu、22-24％Zn、0.9-2％Sn，该组分的导热壳体不仅具有很好地耐海水腐蚀性，同时具有很好地导热性能，提高了太阳能转化的效率；填充物为吸光纤维或吸光半导体，导热壳体保护填充物不受海水的侵蚀；
(6)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，透镜的上表面涂刷有一层纳米透明隔热膜，纳米透明隔热膜的厚度为0.3-0.5mm，太阳光通过透镜后，会被凹面镜反射，纳米透明隔热膜可以减少光能的损失，进一步提高了太阳能的利用效率，同时纳米透明隔热膜可以防止海水对透镜镜面的腐蚀，有效保护透镜；
(7)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，凹面镜配合有一驱动机构，驱动机构可随太阳角度缓慢转动，使得光束的发散角始终小于导光通道内壁的全反射角，使得该系统可以充分的利用太阳能；
(8)本发明的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，吸光发热体呈椭圆状，其椭圆的长轴为L，短轴为H，其中光纤或封闭式中空采光管的直径为D，则三者满足下列关系：(L+H)*λ＝D，λ为吸光纤维或吸光半导体的导热系数，在该关系式下，可以实现光能的最大转化，保障该系统对海底营养盐的有效提升。
(9)专利文献2与本发明相比的主要优势来自于传能的基本形式，该专利中描述由水体表面向下传能需要经过集热板导热体，该过程必然经过光热转换的能量损失以及导热体在无效高度上的共热阶段能量损失及热流需先经过加热导热束，本发明则采用低光损失的光纤直接将表面光能聚能后传入深层水体，在此路径上约有200～500米无需加热，从而几乎无损的传导能量且到光体成本较低，SO2耐腐蚀性远优于合金具有明显优势。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统的结构示意图；
图2为本发明光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统的局部示意图；
图3为本发明光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统的采光单元结构示意图；
图4为本发明光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统的吸光发热体结构示意图。
图中标记说明：
1、采光单元；110、浮筒支架；120、透镜；130、凹面镜；140、配重块；
2、导光通道；210、光纤；
3、发热单元；310、吸光发热体；311、导热壳体；312、填充物；
4、上升管道。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，包括采光单元1、导光通道2、发热单元3和上升管道4。
在本实施例中，导光通道2由若干根光纤210或封闭式中空采光管构成，可使可见光波沿光路通过深层水体尽可能的减少光能的损失，光波通过深入水体的束光通道溢开口后经导出并聚交于光能吸收发热体。
结合图1，采光单元1包括一面透镜120和一面凹面镜130，将太阳光聚集并调整光束的发散度，使其发散角小于导光通道2内壁的全反射角。此外，采光单元1还包括浮筒支架110，凹面镜130设置在浮筒支架110内，透镜120设置在凹面镜130的上方，浮筒支架110下端面设有引管，导光通道2的光纤210或封闭式中空采光管由引管进入浮筒支架110，凹面镜130调整光束角度并将光束反射至导管通道，凹面镜130配合有一驱动机构(图中未标注)，驱动机构可随太阳角度缓慢转动，使得光束的发散角始终小于所述导光通道2内壁的全反射角。
太阳光通过透镜120后，会被凹面镜130反射，纳米透明隔热膜可以减少光能的损失，为了提高了太阳能的利用效率，以及防止海水对透镜120镜面的腐蚀，有效保护透镜120，透镜120的上表面涂刷有一层纳米透明隔热膜，纳米透明隔热膜的厚度为0.3-0.5mm。
为了避免浮筒支架110被海风吹走，减少因自然变化造成的损失，采光单元1还包括配重块140，配重块140悬挂在浮筒支架110下方，这样即使海上经常会出现大风，浮筒支架110设有配重块140，配重块140位于海水中，起到定位浮筒支架110的功能。
本实施例的上升管道4包括若干根中空管，中空管的侧壁上设有连接孔，引入导光通道2的光纤210或封闭式中空采光管；上升管道4采用直径为30-50cm的不锈钢管，在不锈钢管的上端设有浮块，上升管道4悬浮在海水中。
考虑到上升管道4是海水上升的主要途径，一方面上升管道4在海水中，考虑到海水的腐蚀作用，采用不锈钢材质的，另一方面，上升管道4悬浮在海水中，冷海水由上升管道4的下方不断进入，热海水沿着上升管道4不断上升，促使加速冷热海水的对流。
本实施例的发热单元3包括吸光发热体310，吸光发热体310固定在上升通道中，导光通道2一端连接采光单元1，另一端连接在吸光发热体310上。
发明人经过大量的试验和分析，如图4所示，吸光发热体310包括导热壳体311及填充物312，导热壳体311的成分组成为74％Cu、24％Zn、2％Sn，填充物312为吸光纤维或吸光半导体。值得说明的是，该组分的导热壳体311不仅具有很好地耐海水腐蚀性，同时具有很好地导热性能，提高了太阳能转化的效率；填充物312为吸光纤维或吸光半导体，导热壳体311保护填充物312不受海水的侵蚀。
此外，发明人通过大量试验和分析还发现，吸光发热体310呈椭圆状，其椭圆的长轴为L，短轴为H，其中光纤210或封闭式中空采光管的直径为D，则三者满足下列关系：(L+H)*λ＝D，λ为吸光纤维或吸光半导体的导热系数，在该关系式下，可以实现光能的最大转化，保障该系统对海底营养盐的有效提升，转化率提高1-2％。
例如吸光发热体310的长轴L＝80mm，短轴H＝30mm，λ＝0.14，光纤210的直径D＝0.14*(80+30)＝15.4mm，在制作时，采用直径为15.4mm的光纤，其将太阳光传输至吸光发热体，传输过程中，光能损失小，实际使用中，转化率提高1.3％。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：吸光发热体310包括导热壳体311及填充物312，导热壳体311的成分组成为76％Cu、23％Zn、1％Sn，该组分的导热壳体具有很好的导热性能，同时在海水中具有很强的抗腐蚀性能。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：吸光发热体310包括导热壳体311及填充物312，导热壳体311的成分组成为75％Cu、24％Zn、1％Sn。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：吸光发热体310包括导热壳体311及填充物312，导热壳体311的成分组成为75.4％Cu、23.7％Zn、0.9％Sn。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：吸光发热体310包括导热壳体311及填充物312，导热壳体311的成分组成为73.8％Cu、24.6％Zn、1.6％Sn。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，包括采光单元(1)、导光通道(2)、发热单元(3)和上升管道(4)，所述导光通道(2)由若干根光纤(210)或封闭式中空采光管构成；所述采光单元(1)包括至少一面透镜(120)和至少一面凹面镜(130)，将太阳光聚集并调整光束的发散度，使其发散角小于所述导光通道(2)内壁的全反射角；所述上升管道(4)包括若干根中空管，中空管的侧壁上设有连接孔，引入导光通道(2)的光纤(210)或封闭式中空采光管；所述发热单元(3)包括吸光发热体(310)，吸光发热体(310)固定在上升通道中，所述导光通道(2)一端连接采光单元(1)，另一端连接在吸光发热体(310)上。
2.根据权利要求1所述的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，所述采光单元(1)还包括浮筒支架(110)，凹面镜(130)设置在浮筒支架(110)内，透镜(120)设置在凹面镜(130)的上方，浮筒支架(110)下端面设有引管，导光通道(2)的光纤(210)或封闭式中空采光管由引管进入浮筒支架(110)，凹面镜(130)调整光束角度并将光束反射至导管通道。
3.根据权利要求2所述的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，所述采光单元(1)还包括配重块(140)，配重块(140)悬挂在浮筒支架(110)下方。
4.根据权利要求1所述的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，所述上升管道(4)采用直径为30-50cm的不锈钢管，在不锈钢管的上端设有浮块，上升管道(4)悬浮在海水中。
5.根据权利要求4所述的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，所述吸光发热体(310)包括导热壳体(311)及填充物(312)，导热壳体(311)的成分组成为65-72％Cu、26-33％Zn、0.9-2％Sn，填充物(312)为吸光纤维或吸光半导体。
6.根据权利要求5所述的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，所述透镜(120)的上表面涂刷有一层反光膜，反光膜的厚度为0.3-0.5mm。
7.根据权利要求6所述的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，所述凹面镜(130)配合有一驱动机构，驱动机构可随太阳角度缓慢转动，使得光束的发散角始终小于所述导光通道(2)内壁的全反射角。
8.根据权利要求7所述的光缆式深层水体营养盐循环渔业增产系统，其特征在于，所述吸光发热体(310)呈椭圆状，其椭圆的长轴为L，短轴为H，其中光纤(210)或封闭式中空采光管的直径为D，则三者满足下列关系：(L+H)*λ＝D，λ为吸光纤维或吸光半导体的导热系数。
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