CN108834982B - 一种具有减震功能的多模式养鱼装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有减震功能的多模式养鱼装置，主要包括铰接钢结构框架系统、液压阻力减震及产电储能系统、系泊偏航系统、养鱼系统和控制系统，其中铰接钢结构框架系统是由多节钢结构框架组成漂浮于海面上，各节之间通过单双耳铰接钢结构连接，跟随海浪各节框架之间做相对铰向运动，通过各节钢结构框架单双耳铰接连接处上方装有液压阻力减震及产电储能系统，在相邻钢结构框架做相对铰向运动的同时为其提供反向阻力，同时液压油流过液压系统带动电机转动可以产生电能并用高效储能电池存储，本发明减少大风大浪海况下相邻漂浮钢结构框架相撞的可能，提高整体安全性能。

Description

一种具有减震功能的多模式养鱼装置
技术领域
本发明涉及水产养殖与可再生能源储能联合应用技术领域，特别涉及一种具有减震功能的多模式养鱼装置。
背景技术
水产养殖是人为控制下繁殖、培育和收获水生动植物的生产活动，一般包括在人工饲养管理下从苗种养成水产品的全过程。我国的海淡水水域幅员辽阔，有3.2万km的海岸线，水深15m以下的浅海、滩涂面积达1333.3万多hm2；内陆水域面积约1760万hm2。其中河流666.7万hm2，湖泊666.7多万hm2，水库200多万hm2，池塘200多万hm2。这些水域大部分处于亚热带和温带，气候温和，雨量充沛，适合鱼类增殖和养殖。目前，我国鱼类增养殖业取得了长足发展，在改善民生，维护自然和生物资源的和谐及保持环境的可持续性方面起到了重要的作用。
利用网箱养鱼是目前最为普遍、高密度鱼类精养方式，将网片制成的箱笼放置于一定水域进行养鱼。网箱养鱼目前按网箱设置主要有三种方式：有固定式、浮式和下沉式。固定式采用竹桩、木桩或水泥桩钉牢于水底，桩顶高出水面，将臂固定于桩上，箱体上部高出水面1米左右，箱底离水底1～2米的一种网箱设置方式。此种类型的网箱由于有桩固比较牢固，可以设置在风浪较大的水域。但固定式网箱不能随水位变动而浮动，箱体的有效容积(浸没水中的深度)会因水位升降而发生变化，因此水位涨落太大的水域不宜设置。同时，由于网箱不能移动，不便检修操作。此外，鱼的粪便、残饵分解对网箱的水体污染较大，往往造成溶氧较低的生态环境一般情况下很少采用。浮式网箱是把网箱悬挂在浮力装置或框架上，随水位变化而浮动，其有效容积不会因水位的变化而变化。这种架设方式主要适用于水体较深，风浪较小的水库、湖泊。由于网箱离地较高，也可转移养殖场所，相对减轻了鱼类粪便和残饵造成的水体污染，故能始终保持良好的水质条件。浮动式网箱抗拒风浪的能力较差，因此应加设盖网为宜。下沉式这种方式的网箱可以自由升降，水位变化不影响网身的容积和沉没深度，只要网箱不着底，网身的容积是固定不变的。在风浪较大的水域中，当浮动式网箱或固定式网箱难以设置时，这种设置方式较为合适。在用网箱饲养滤食性鱼类或越冬时，都可采用下沉式网箱。我国北方地区冬季水面结冰，可使用下沉式网箱将鱼类沉入水下，以利安全度过严冬。问题是下沉式设备成本费用高，操作维修难度大。
此外养鱼漂浮钢结构框架每节之间相邻较近，极易容易发生碰撞，对养鱼装置的安全及鱼的养殖效果会产生负面影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有减震功能的多模式养鱼装置，整套装置可以应对不同海洋气候情况，适用海域范围更广，有效利用时间更长，吸取传统网箱养鱼不同模式优点，增加经济效益。同时阻力减震系统为其养鱼装置提供阻力，减少大风大浪海况下相邻漂浮钢结构框架相撞的可能，提高整体安全性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有减震功能的多模式养鱼装置，包括：
铰接钢结构框架系统1，用于实现减震功能的多模式养鱼装置漂浮于海面上；
液压阻力减震及产电储能系统2，用于当铰接钢结构框架系统1随海浪做铰向运动为其提供反向阻力；
系泊偏航系统3，用于固定铰接钢结构框架系统1；
养鱼网箱系统4，用于养鱼；
控制系统5，用于改变养鱼网箱系统4模式。
所述铰接钢结构框架系统1包含多节相似结构，每节包括钢结构框架1-1、连接处单双耳铰接钢结构1-2以及装置前端三角形钢结构1-3，其中每节钢结构框架1-1四边为圆柱形空心钢结构漂浮于海面上，轴向平行两条边钢结构末端安装单双耳铰接结构1-2使前后两节钢结构框架连接起来，连接处单双耳铰接钢结构1-2中间插有用于连接固定每节钢结构浮体的销轴1-4，每节钢结构框架1-1随着海浪的起伏绕着铰接轴做相对铰向运动，所述的铰接钢结构框架系统1的前端是三角形钢结构1-3，储能设备2-5、启动网箱升降电机2-6、控制系统控制器及传感器安装于三角形钢结构1-3，三角形钢结构1-3还与系泊系统3连接。
所述的液压阻力减震及产电储能系统2主要包括液压缸2-1、液压系统2-2、液压马达及发电机2-3及储能设备2-5，液压缸2-1安装在单双耳铰接钢结构1-2上，两端分别固定在前后两节空心钢结构浮体内，液压缸2-1内注满了液压油并通过油管与液压系统2-2相连，液压缸2-1内部腔室装有一活塞杆2-4，当钢结构框架1-1做铰向运动时，液压缸内活塞杆2-4一起联动做活塞推拉阻力运动，达到减小相邻钢结构框架1-1相对运动的幅度。液压系统2-2是由各种液压元器件做成的，液压系统2-2前端与液压缸2-1相连，末端装有液压马达及发电机2-3，内部注满了液压油，当液压缸2-1的活塞杆2-4推动液压油进入液压系统2-2后建立高压液压能，最终推动末端液压马达带动发电机2-3转动从而产生电能。液压系统2-2产生的电能随时接入储能设备2-5中，储能设备2-5的一输出端接入网箱升降电机2-6(后文简称为电动机一)，另一输出端接入偏航电机3-3。
所述的系泊偏航系统3分为偏航与系泊系统两子系统，系泊系统包括钢丝3-1和锚链3-2，锚链3-2共有四个，对称分别固定于海床下起固定作用，锚链3-2通过钢丝绳3-1与前端三角形钢结构1-3相连，从而起到固定整台装置位置作用。偏航系统主要包括安装于前端三角形钢结构1-3上的偏航电机3-3，该偏航电机与储能设备2-5的一个输出端相连，当控制指令给出命令后，偏航电机3-3即可带动整台装置绕前端三角形钢结构1-3偏航转动。
所述的养鱼网箱系统4包括网衣4-1、网盖4-2及可上下移动支架4-3，网衣4-1包含左右、前后及下五面组成，均由合成纤维或金属丝等制成。上层为网盖4-2，材质与网衣4-1相同，网盖4-2与网衣4-1共同组成养鱼封闭空间，上下移动支架4-3四边隐藏嵌于钢结构框架1-1内，通过前端三角形钢结构1-3上的电动机一2-6带动与之相连的钢丝，可使隐藏嵌于钢结构框架1-1内的移动支架4-3上下移动，移动支架4-3分别与网衣4-1、网盖4-2连接，组成一个网箱整体，从而使网箱整体上下移动。
所述的控制网衣4-1上下移动控制系统5包括岸上监控系统5-1、以太网交换机5-2、多功能控制卡5-3以及相应参数传感器；
所述多功能控制卡5-3安装于前端三角形钢结构1-3内，传感器包括用于监测风速的风速传感器5-4、用于监测风向的方向传感器5-5，以上传感器安装于前端三角形钢结构1-3上端，当多功能控制卡5-3接收含有风速、风向参数信息时，根据控制策略算法给出相应指令，使执行机构动作；
以太网交换机5-2连接岸上监控系统5-1与海上多功能控制卡5-3，同样安装在前端三角形钢结构1-3内部密封空间，通过光纤进行岸上人机界面与海上多功能控制卡的通信，岸上监控系统5-1提供远程控制指令。
整个装置钢结构框架1-1随着海浪的起伏做铰向运动，联动单双耳钢结构铰链上的液压缸内活塞杆2-4在液压缸内壁中做活塞运动，由于液压缸2-1及液压系统2-2内注满液压油，使液压油在液压系统2流动产生高压，从而为钢结构框架1-1提供反向阻力，防止相邻钢结构框架1-1相对铰向运动角度过大。另一方面于此同时液压油在液压系统中流过产生高压带动液压系统末端马达及发电机2-3转动产生电能进而存储于储能设备2-5中。当多功能控制卡5-3接收含有风速、风向参数信息时，通过分析风速、风向的信息，当风速小于2m/s，浪高小于2m，即多功能控制卡5-3判定此时为小海况时，养鱼网箱系统4应处于浮式模式为最佳，若不在最佳位置，控制系统发出指令使储能设备2-5对外放电带动电机一2-6转动，从而带动绳索向上拉起网箱，直至网箱移动支架4-3升至与钢结构框架1-1平行时，触发警线脉冲信号，控制系统再给指令使电机3-3停止工作，使其处在浮式养鱼模式。反之，通过风速、风向的信息，当风速大于2m/s，浪高大于2m，即多功能控制卡5-3判定此时为大海况时，由于风浪较大，若养鱼网箱处于浮式状态，不利于网箱里的于养殖，此时养鱼网箱系统4应处于下沉模式最佳。若养鱼网箱系统4不处在最佳模式，控制系统发出指令使储能设备2-5对外放电带动电机一2-6转动，松解绳索带动网箱下沉于水面下某一固定理想值后给电机发出停止工作信号，使其处在下沉式养鱼模式，这样可以避开大浪对网箱的冲击。
本发明的有益效果：
本发明采用了一种具有减震功能的多模式养鱼装置设计结构，具有养殖模式选择多、有效利用时间长、提高经济效益、自带阻力减震环节增加养鱼装置安全性等特点，主要优点如下：
(1)通过结构设计，增加阻力减震环节，可以有效减少相邻养鱼漂浮钢结构框架撞击的可能，提高系统的安全性能，同时给予养鱼箱内鱼更好的养殖生存环境。
(2)该装置具有多种模式任意切换功能，可在不同海况下发挥各种模式的优势，满足不同海洋环境要求，充分利用资源，增加养鱼有效时长与养鱼产量，提高经济效益。
(3)通过系泊偏航系统，可随时移动整套装置，减少对单一位置的环境污染与破坏。
该装置可以在提供反向阻力的同时，时刻产生电能利用储能电池进行存储，排除电网临时不能供电无法工作的情况。
附图说明
图1是本发明结构俯视示意图。
图2是本发明结构侧面示意图。
图3为本发明发电装置的控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照附图1、2，本发明设计一套具有减震功能的多模式养鱼装置。主要包括铰接钢结构框架系统1、液压阻力减震及产电储能系统2、固定铰接钢结构框架系统的系泊偏航系统3、养鱼网箱系统4、控制系统5五大部分。
具体来说，铰接钢结构框架系统1包含多节相似结构，从单节看主要包括钢结构框架1-1、连接处单双耳铰接钢结构1-2以及装置前端三角形钢结构1-3。其中每节钢结构框架1-1四边为圆柱形空心钢结构漂浮于海面上，轴向平行两条边钢结构末端安装单双耳铰接结构1-2，使前后两节钢结构框架连接起来。连接处单双耳铰接钢结构1-2中间插有销轴1-4，用于连接固定每节钢结构浮体，每节钢结构框架随着海浪的起伏绕着铰接轴做相对铰向运动。整个装置的前端是三角形钢结构1-3，储能设备2-5、启动网箱升降电机2-6、控制系统控制器及传感器安装于此区域，此外还与整套装置的系泊系统3连接。
液压阻力减震及产电储能系统2主要包括液压缸2-1、液压系统2-2、液压马达及发电机2-3及储能设备2-5。液压缸2-1安装在单双耳铰接钢结构1-2上，两端分别固定在前后两节空心钢结构浮体内，液压缸2-1内注满了液压油并通过油管与液压系统2-2相连，液压缸2-1内部腔室装有一活塞杆2-4，当钢结构框架1-1做铰向运动时，液压缸内活塞杆2-4一起联动做活塞推拉阻力运动，达到减小相邻框架1-1相对运动的幅度目的。液压系统2-2是由各种液压元器件做成的，液压系统2-2前端与液压缸2-1相连，末端装有液压马达及发电机2-3，内部注满了液压油。当液压缸2-1的活塞杆2-4推动液压油进入液压系统2-2后建立高压液压能，最终推动末端液压马达带动发电机2-3转动从而产生电能。产生的电能随时接入储能设备2-5中，储能设备2-5的一输出端接入网箱升降电机2-6(后文简称为电动机一)，另一输出端接入偏航电机3-3。
进一步地，系泊偏航系统3分为偏航与系泊系统两子系统。系泊系统是由钢丝3-1和锚链3-2组成，锚链3-2共有四个，对称分别固定于海床下起固定作用。锚链通过钢丝绳3-1与前端三角形钢结构1-3相连，从而起到固定整台装置位置作用。偏航系统主要包括安装于前端三角形钢结构1-3上的偏航电机3-3，该偏航电机与储能设备2-5的一个输出端相连，当控制指令给出命令后，偏航电机3-3即可带动整台装置绕前端三角形钢结构1-3偏航转动。
养鱼网箱系统4包括网衣4-1、网盖4-2及可上下移动支架4-3。网衣4-1包含左右、前后及下五面组成，均由合成纤维或金属丝等制成。上层为网盖4-2，材质与网衣4-1相同，并与网衣共同组成养鱼封闭空间。上下移动支架4-3四边隐藏嵌于钢结构框架1-1内，通过前端三角形钢结构1-3上的电动机一2-6带动与之相连的钢丝，可使隐藏嵌于钢结构框架1-1内的移动支架4-3上下移动。移动支架4-3分别与网衣4-1、网盖4-2连接，组成一个网箱整体，从而使网箱整体上下移动。
参照附图3，本发明设计的具有减震功能的多模式养鱼装置的控制系统5包括岸上岸上监控系统5-1、以太网交换机5-2、多功能控制卡5-3以及相应参数传感器；
所述多功能控制卡5-3安装于前端三角形钢结构1-3内，传感器包括用于监测风速的风速传感器5-4、用于监测风向的方向传感器5-5，以上传感器安装于前端三角形钢结构1-3上端。当多功能控制卡5-3接收含有风速、风向参数信息时，根据控制策略算法给出相应指令，使执行机构动作；
以太网交换机5-2连接岸上监控系统5-1与海上多功能控制卡5-3，同样安装在前端三角形钢结构1-3内部密封空间。通过光纤进行岸上人机界面与海上多功能控制卡的通信，岸上监控系统5-1提供远程控制指令；
本发明的工作原理为：
一方面，当装置钢结构框架1-1随着海浪的起伏做铰向运动时，液压阻力减震及产电储能系统2中的液压缸内部活塞缸2-4联动做活塞推拉运动，由于液压缸2-1及液压系统2-2内部充满液压油，可以产生高液压能，从而时刻为其外部养鱼装置提供反向阻力。同时液压油在液压系统2-2流动，最终带动液压系统末端马达及发电机2-3转动产生电能进而存储于储能设备2-5中，可随时为养鱼网箱系统4实时切换不同养鱼模式提供电能。
海上多功能控制卡5-3实时接收到风速、风向参数信息，控制板卡均选为FPGA实时控制板卡，控制周期短，在4-10ms内完成信号输入、计算和输出的控制过程。多功能控制卡会根据已编程的控制逻辑算法进行判别并给出相应动作。
具体来说，整个装置钢结构框架1-1随着海浪的起伏做铰向运动，联动单双耳钢结构铰链上的液压缸内活塞杆2-4在液压缸内壁中做活塞运动，由于液压缸2-1及液压系统2-2内注满液压油，使液压油在液压系统2流动产生高压，从而为钢结构框架1-1提供反向阻力，防止相邻钢结构框架1-1相对铰向运动角度过大。另一方面于此同时液压油在液压系统2-2中流过产生高压带动液压系统末端马达及发电机2-3转动产生电能进而存储于储能设备2-5中。当多功能控制卡5-3接收含有风速、风向参数信息时，通过分析风速、风向的信息，当风速小于2m/s，浪高小于2m，即多功能控制卡5-3判定此时为小海况时，养鱼网箱系统4应处于浮式模式为最佳，若不在最佳位置，控制系统发出指令使储能设备2-5对外放电带动电机一2-6转动，从而带动绳索向上拉起网箱，直至网箱移动支架4-3升至与钢结构框架1-1平行时，触发警线脉冲信号，控制系统再给指令使电机3-3停止工作，使其处在浮式养鱼模式。反之，通过风速、风向的信息，当风速大于2m/s，浪高大于2m，即多功能控制卡5-3判定此时为大海况时，由于风浪较大，若养鱼网箱处于浮式状态，不利于网箱里的于养殖，此时养鱼网箱系统4应处于下沉模式最佳。若养鱼网箱系统4不处在最佳模式，控制系统发出指令使储能设备2-5对外放电带动电机一2-6转动，松解绳索带动网箱下沉于水面下某一固定理想值后给电机发出停止工作信号，使其处在下沉式养鱼模式，这样可以避开大浪对网箱的冲击。
在漂浮于海面上各节钢结构框架单双耳铰接连接处上方装有液压阻力减震及产电储能系统，在相邻钢结构框架做相对铰向运动的同时为其养鱼装置提供阻力。同时液压油流过液压系统带动发电机转动可以产生电能并用储能电池存储。产生的电能可以根据控制要求与需要，利用各节钢结构铰接处钢丝绳索可以使网箱在海面上下移动，使养鱼装置工作方式在不同模式下进行切换，使其始终处在最佳模式中。整套装置设计可以应对不同海洋气候情况，适用海域范围更广，有效利用时间更长，吸取传统网箱养鱼不同模式优点，增加经济效益。同时阻力减震系统为其养鱼装置提供阻力，减少大风大浪海况下相邻漂浮钢结构框架相撞的可能，提高整体安全性能。

Claims (3)

1.一种具有减震功能的多模式养鱼装置，其特征在于，包括：
铰接钢结构框架系统（1），用于实现减震功能的多模式养鱼装置漂浮于海面上；
液压阻力减震及产电储能系统（2），用于当铰接钢结构框架系统（1）随海浪做铰向运动为其提供反向阻力；
系泊偏航系统（3），用于固定铰接钢结构框架系统（1）；
养鱼网箱系统（4），用于养鱼；
控制系统（5），用于改变养鱼网箱系统（4）模式；
所述铰接钢结构框架系统（1）包含多节相似结构，每节包括钢结构框架（1-1）、连接处单双耳铰接钢结构（1-2）以及装置前端三角形钢结构（1-3），其中每节钢结构框架（1-1）四边为圆柱形空心钢结构漂浮于海面上，轴向平行两条边钢结构末端安装单双耳铰接结构（1-2）使前后两节钢结构框架连接起来，连接处单双耳铰接钢结构（1-2）中间插有用于连接固定每节钢结构浮体的销轴（1-4），每节钢结构框架（1-1）随着海浪的起伏绕着铰接轴做相对铰向运动，所述的铰接钢结构框架系统（1）的前端是三角形钢结构（1-3），储能设备（2-5）、启动网箱升降电机（2-6）、控制系统控制器及传感器安装于三角形钢结构（1-3），三角形钢结构（1-3）还与系泊系统（3）连接；
所述的液压阻力减震及产电储能系统（2）主要包括液压缸（2-1）、液压系统（2-2）、液压马达及发电机（2-3）及储能设备（2-5），液压缸（2-1）安装在单双耳铰接钢结构（1-2）上，两端分别固定在前后两节空心钢结构浮体内，液压缸（2-1）内注满了液压油并通过油管与液压系统（2-2）相连，液压缸（2-1）内部腔室装有一活塞杆（2-4），液压系统（2-2）是由各种液压元器件做成的，液压系统（2-2）前端与液压缸（2-1）相连，末端装有液压马达及发电机（2-3），内部注满了液压油，液压系统（2-2）产生的电能随时接入储能设备（2-5）中，储能设备（2-5）的一输出端接入网箱升降电机（2-6），另一输出端接入偏航电机（3-3）；
所述的系泊偏航系统（3）分为偏航与系泊系统两子系统，系泊系统包括钢丝（3-1）和锚链（3-2），锚链（3-2）共有四个，对称分别固定于海床下，锚链（3-2）通过钢丝绳（3-1）与前端三角形钢结构（1-3）相连，偏航系统主要包括安装于前端三角形钢结构（1-3）上的偏航电机（3-3），该偏航电机与储能设备（2-5）的一个输出端相连；
所述的养鱼网箱系统（4）包括网衣（4-1）、网盖（4-2）及可上下移动支架（4-3），网衣（4-1）包含左右、前后及下五面组成，网盖（4-2）与网衣（4-1）共同组成养鱼封闭空间，上下移动支架（4-3）四边隐藏嵌于钢结构框架（1-1）内，通过前端三角形钢结构（1-3）上的网箱升降电机（2-6）带动与之相连的钢丝，可使隐藏嵌于钢结构框架（1-1）内的移动支架（4-3）上下移动，移动支架（4-3）分别与网衣（4-1）、网盖（4-2）连接，组成一个网箱整体，从而使网箱整体上下移动。
2.根据权利要求1所述的一种具有减震功能的多模式养鱼装置，其特征在于，所述的养鱼网箱系统（4）包括网衣（4-1）、网盖（4-2）及可上下移动支架（4-3），网衣（4-1）均由合成纤维或金属丝制成，上层为网盖4-2，材质与网衣4-1相同。
3.根据权利要求1所述的一种具有减震功能的多模式养鱼装置，其特征在于，所述的控制网衣（4-1）上下移动控制系统（5）包括岸上监控系统（5-1）、以太网交换机（5-2）、多功能控制卡（5-3）以及相应参数传感器；
所述多功能控制卡（5-3）安装于前端三角形钢结构（1-3）内，传感器包括用于监测风速的风速传感器（5-4）、用于监测风向的方向传感器（5-5），以上传感器安装于前端三角形钢结构（1-3）上端；
以太网交换机（5-2）连接岸上监控系统（5-1）与海上多功能控制卡（5-3），同样安装在前端三角形钢结构（1-3）内部密封空间，通过光纤进行岸上人机界面与海上多功能控制卡的通信，岸上监控系统（5-1）提供远程控制指令。
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