CN108862650A - 一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机 - Google Patents

Abstract

一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机，它包括呈120度角等边三角形对称布置的9个太阳能电池板组成太阳能电池阵列单元结构，中心桁架的中间位置安装有曝气驱动装置、蓄电池组、控制箱、北斗/GPS双模卫星地理位置信息控制器、发电/储能/逆变一体化控制器、无桨无舵矢量运动控制装置、水或岸多功能控制器(水基部分)和水/岸远程无线通讯装置(水基部分)安装在控制箱。中心桁架安装有风力发电机和收发天线。五合一组合式传感器安装在中心桁架下部。岸基部分安装在控制室。本发明无需外部供电，具有人工智能自主自动进行巡航曝气作业功能。

Description

一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机

技术领域

本发明涉及一种曝气机，尤其涉及一种通过太阳能供电可进行网格化无人自动巡航的曝气机设备。

背景技术

现在环境问题日益突出，工业废水、生活废水、各种生产生活废弃物、空气颗粒物等污染物大量进入江河湖泊和海洋，严重影响水生态环境，尤其影响关乎民生的生活水质安全，威胁人类生命健康。

为了治理水污染，各种曝气装置应运而生，以达到净化水质的目的。传统的曝气装置是在固定在一个限定的空间范围内，通过连接市电网供电，用不同种类的曝气方式，将空气通送入水中，为水体补充溶解氧，净化水体。由于曝气机是固定式的，以现有的曝气方式处理的水域面积很有限。尤其是处理大面积水域时，就需要投资大量的曝气设备，大量的曝气设备运行会消耗大量的能源，增加治污成本。国家已经规划在2035年全部消除城市黑臭水体的治理水污染目标，这就要找到一种既节能又高效能对大的水域面积进行曝气作业的设备，传统曝气设备难以达到上述要求。本发明无疑是一项利用永不枯竭的太阳能供电，同时让曝气机在水面上能自主移动进行高效曝气作业的新的水污染治理技术手段。

本发明将太阳能(风光互补)供电、人工智能控制、卫星导航定位、水质自动传感分析、无桨无舵矢量运动控制和微纳米气泡曝气等技术有机的结合在一起，设计出一种全新的可自主巡航移动的太阳能曝气机。本发明提出了一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机，包括太阳能电池板阵列、风力发电机、发电/储能/逆变一体化控制器、卫星地理位置信息控制器、无桨无舵矢量运动控制装置、曝气驱动装置、多参数组合式传感器、水/岸远程无线通讯装置和水/岸多功能控制器以及浮体和支架装置等组成。曝气机通过卫星地理位置信息控制器获取实时地理位置信息(经度、维度、高度等)；多功能控制器对作业水域进行网格化规划，定义作业水域安全边界和巡航路线；控制无桨无舵矢量运动装置和曝气驱动装置共同工作，利用曝气作业同时产生的水气流在水中形成的反作用力推动曝气机运动，利用随机态寻的路径规划算法和侧风自动纠偏算法等先进运动控制算法调整驱动装置运动状态；多参数(5种以上)组合式传感器自动采集水体水质理化参数并进行数字化处理，经水/岸远程无线通讯装置和水/岸多功能控制器将水质理化参数传送到控制室。上述整个过程无人工干预全自动进行，实现了对整个规定的治理水域的网格化自动巡航曝气作业。

经过检索已有几种移动式太阳能曝气装置的授权，但其设计都存在一定局限。例如，中国专利CN201610064692.5公开了一种移动式太阳能曝气机,包括漂浮架,和漂浮于水面的浮体，漂浮架下方设有三个以上分别与漂浮架相连的曝气系统,所有用于控制曝气系统工作的控制器，太阳能光伏系统，通过不同方向的曝气系统进行曝气,能够实现整个装置的移动。但该专利不具备自动巡航曝气作业的功能。例如，中国专利CN201521115269.0公开了一种可移动式旋流太阳能曝气装置,其特征在于设有太阳能发电系统、控制系统、鼓风机、曝气管道、至少2个旋流曝气器和艇；太阳能发电板置于艇顶部,控制系统包括太阳能发电控制系统和鼓风机控制系统,曝气管道置于艇底部,与旋流曝气器相连接,旋流曝气器布置在水体中,气体通过曝气管道进入旋流曝气器,气液混合流体呈射流状态扩散进入水体中，太阳能发电系统、控制系统、鼓风机、曝气管道、旋流曝气器均设置在艇上。该专利亦不具备自动采集水质参数和自动巡航曝气作业的功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对太阳能曝气机提出的一套具有太阳能供电和人工智能技术支持的可实施网格化无人自动巡航曝气的水污染治理装置。

实现上述目的的技术措施是：

本发明提出了一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机，包括太阳能电池板阵列、风力发电机、发电/储能/逆变一体化控制器、蓄电池组、卫星地理位置信息控制器、无桨无舵矢量运动控制装置、曝气驱动装置、多参数组合式传感器、水/岸远程无线通讯装置和水/岸多功能控制器以及承载上述装置的浮体和桁架等组成。不少于一块的太阳能电池板和浮力相适配的浮体及支架组成一个太阳能电池单元结构，再将两个以上的太阳能电池单元结构用桁架结构组装成一个完整的太阳能电池板阵列。所有太阳能电池板阵列和风力发电机与蓄电池组和发电/储能/逆变一体化控制器相连组成一套太阳能风光互补微型电站，为曝气机和机载设备供电。为了提高装置的稳定性和抗浪能力，三个以上的太阳能电池单元阵列结构按120度角均分对称布置，曝气驱动装置的水下出气/出水口亦按120度角均分对称布置，这样曝气驱动装置的出力既是曝气增氧源又是巡航驱动力源。水/岸多功能控制器分别布置在岸基控制室和巡航机水基控制箱中，水基多功能控制器与卫星地理位置信息控制器、无桨无舵矢量运动控制装置、曝气驱动装置、多参数组合式传感器、水/岸远程无线通讯装置相连，负责将卫星地理位置信息控制器接收到的地理位置坐标信号与水域网格化规划、定义作业水域安全边界和巡航路线的算法进行解算，实时控制无人巡航曝气机的作业状态。水基多功能控制器还要将多参数组合式传感器实时采集的水质参数信号进行数字化处理，形成通讯报文包，通过水/岸远程无线通讯装置与岸基控制器进行实时通信。水/岸多功能控制器实时对无人巡航曝气机的自主作业过程进行评估，对实时监测到的污染度较高的水域进行自动寻的巡航曝气作业。在规划好的网格化水域中可以布置一台10千瓦级及以上的或多台千瓦级的本发明无人自动巡航的太阳能曝气机，就形成一个可自动巡航的连续作业的大型水处理站。

其特征在于，一块太阳能电池板和浮力相适配的浮体及桁架组成一个太阳能电池单元结构，可以根据功率需求级联成所需要的太阳能电池阵列。

其特征在于，三个以上的太阳能电池单元结构组成的太阳能电池阵列按120度角均分对称布置，曝气驱动装置的水下出气/出水口亦按120度角均分对称布置。

其特征在于，采用了至少一台风力发电机。

其特征在于，采用了发电/储能/逆变一体化控制器。

其特征在于，采用了无桨无舵矢量运动控制装置。

其特征在于，采用了不低于5种水质参数的组合式传感器。

其特征在于，采用了北斗/GPS双模卫星地理位置信息控制器。

其特征在于，采用了水/岸远程无线通讯装置。

其特征在于，采用了水/岸多功能控制器。

本发明一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机的优点是：

1、采用微型太阳能光伏电站为曝气机提供电能，使曝气机能够脱离市电网解除单一固定作业模式，为曝气机持续巡航提供动力。

2、采用一块太阳能电池板和浮力相适配的浮体及支架组成太阳能电池单元结构，为满足不同的功率需求，再将太阳能电池单元结构组成太阳能电池阵列。

3、采用不低于5种水质参数的组合式传感器对曝气作业水域水质进行实时数据采集，提高曝气机的作业效率，免除人工取样的工作困难。

4、采用北斗/GPS双模卫星地理位置信息控制曝气机的巡航路线规划，具有极高的可靠性，保障了曝气机的巡航安全。

5、采用水/岸远程无线通讯装置可以实现数据远程传输外，还可以为建立特定水处理设备的云控平台提供数据通道。

6、本发明一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机采用人工智能算法，实现了曝气机无人自主规划巡航路线，自动采集水质参数，自动进行水/岸信息交换，自主评价曝气增氧效果并自动管理曝气作业过程，是一款高度自动化的新型水处理设备，适合在大型水面运行，在我国2035年消除城市黑臭水体的净水工程中将发挥积极作用。

7、本发明一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机设计成简约紧凑的单元组合结构，便于拆解运输、现场装配和维护保养。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为实施例最小单元结构示意图。

图3为实施例多块太阳能电池阵列单元呈120度角等边三角形对称布置图。

图4为实施例控制系统原理图。

图中1─太阳能电池板单元结构，2─浮体单元结构，3支撑桁架单元结构，4─等边三角形中心桁架，5─中间浮体，6─曝气驱动装置，7─水下出气/出水口，8─蓄电池组，9─控制箱，10─水/岸多功能控制器(水基部分)，11─水/岸远程无线通讯装置(水基部分)，12─风力发电机，13─收发天线(水基部分)，14─北斗/GPS双模卫星地理位置信息控制器，15─发电/储能/逆变一体化控制器，16─无桨无舵矢量运动控制装置，17─五参数合一组合式传感器，18─太阳能电池单元结构阵列，19─加强筋钢板，20─水/岸多功能控制器(岸基部分)，21─水/岸远程无线通讯装置(岸基部分)，22─收发天线(岸基部分)，23─中间顶部顶板，24─中间位置底板，25─卫星，26-上位机和网络。

具体实施方式

下面结合附图做进一步描述：

本发明一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机用于直接从太阳能(风光互补)发电站获取电能驱动一种能网格进行化无人自动巡航的曝气机治理污染水体的实施例，它采用九个太阳能电池单元阵列按120度角均匀对称布置，并由桁架将太阳能电池单元阵列与浮体单元相联接。在浮体和桁架组成的曝气机整体结构上，集成了包括太阳能电池板阵列、风力发电机、发电/储能/逆变一体化控制器、蓄电池组、卫星地理位置信息控制器、无桨无舵矢量运动控制装置、曝气驱动装置、多参数组合式传感器、水/岸远程无线通讯装置和水/岸多功能控制器等零部件。曝气驱动装置的水下出气/出水口亦按120度角均分对称布置，以便在进行多向曝气作业的同时，获得足够的矢量推力。多参数组合传感器可测量包括几种主要的污染指标如，浊度，溶解氧，氧化还原电位，电导率，总氮，化学需氧量、水温等水质参数。单元太阳能电池峰值发电功率不低于48伏/330瓦特，本实施例由9个单元组成太阳能电池阵列，可以为巡航曝气机提供至少78安倍/2790瓦特的峰值功率。曝气驱动装置的功率适配能力在750～1000瓦特，每小时可为水体增氧46000克单位。

如图一所示的本发明可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机实施例，它包括9个图二所示的太阳能电池板1置于与浮体3相联接的支撑桁架2的顶部组成太阳能电池板单元结构。9个前述太阳能电池板单元结构阵列18呈120度角等边三角形对称布置，且与联接在中间浮体5上的等边三角形中心桁架4相联接，三台曝气驱动装置6的水下出气/出水口7亦按120度角均分对称布置在等边三角形中心桁架4的三个角上。中间浮体5上的等边三角形中心桁架4的中间位置底板24安装有蓄电池组8和控制箱9。北斗/GPS双模卫星地理位置信息控制器14、发电/储能/逆变一体化控制器15、无桨无舵矢量运动控制装置16、水/岸多功能控制器10(水基部分)和水/岸远程无线通讯装置11(水基部分)安装在控制箱9内。中间浮体5上的等边三角形中心桁架4的中间顶部顶板23位置安装有风力发电机12和水/岸远程无线通讯装置11的收发天线13(水基部分)。五合一组合式传感器17安装在中间浮体5上的等边三角形中心桁架4的中间位置下部。呈120度角等边三角形对称布置的太阳能电池阵列单元结构18的浮体3的底部外侧对称连接有加强筋钢板19。整个可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机设计成简约紧凑的单元组合结构，便于拆解运输、现场装配和维护保养。水/岸多功能控制器20(岸基部分)，水/岸远程无线通讯装置21(岸基部分)，收发天线22(岸基部分)安装在控制室，水/岸多功能控制器20(岸基部分)可以与上位机和网络26相连接，传输数据。

工作原理

无人自动巡航的太阳能曝气机(以下简称水基机器)在现场组装好下水前，水基机器和岸基控制器20分别合上开关送电，联通水/岸通讯信号后下水。岸基控制器向水基机器下达自动巡航水域的边界定义域坐标。水基机器自动进入巡航曝气作业工作状态，自动启动三台曝气驱动装置6同时等功率运行；水基多功能控制器10与北斗/GPS双模卫星地理位置信息控制器14建立通讯，获取地理位置信息，计算水基机器初始地理位置，按自动巡航水域的边界定义域范围建立自动巡航线路规划，按确定的无人自动巡航的初始方向开始无人自动巡航曝气作业。水基多功能控制器10自动采集水基机器所有机载传感器17信号，首先进行信号数字化处理，按岸基控制器20给出的采样周期或按默认采样周期向岸基控制器传输水质传感信号，岸基控制器20按照预定的格式将数字化水质传感信号进行专业数据管理。水基机器具有自主寻的优化曝气巡航路线的优先权，但岸基控制器20具有强制改变水基机器作业模式的最高控制权。

在本发明可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机实施例所描述的技术条件下，9块330瓦太阳能电池板阵列总峰值功率为78安倍/2790瓦特，三台曝气驱动装置的总功率为1000瓦特，每小时可为水体增氧46000克单位以上，单台水基机器曝气作业可管理水域面积可达一万平方米以上，配备适当容量的蓄电池后，水基机器可以24小时全天候作业。大风天气和维修时，由岸基控制器发出召回指令，水基机器可以自动返回指定位置。

本具体实施方式仅为典型例举，并非对本发明的实施限制。

Claims (3)

1.一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机，包括至少3个太阳能电池板置于与浮体相联接的支撑桁架的顶部，组成太阳能电池阵列单元结构。前述太阳能电池阵列单元结构呈120度角等边三角形对称布置，且与联接在中间浮体上的等边三角形中心桁架相联接，中间浮体上的等边三角形中心桁架的中间位置安装有蓄电池组、控制箱、收发天线，北斗/GPS双模卫星地理位置信息控制器、发电/储能/逆变一体化控制器、无桨无舵矢量运动控制装置、水/岸远程无线通讯装置、水/岸多功能控制器(水基部分)和水/岸远程无线通讯装置(水基部分)安装在控制箱内。至少五水质参数合一的组合式传感器安装在中间浮体上的等边三角形中心桁架的中间位置下部。呈120度角等边三角形对称布置的太阳能电池阵列单元结构的浮体的底部外侧对称连接有加强筋钢板。水/岸多功能控制器(岸基部分)，水/岸远程无线通讯装置(岸基部分)，收发天线(岸基部分)安装在岸基控制室。

2.如权利要求书1所述的一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机，其特征在于，中间浮体上的等边三角形中心桁架的中间位置顶部安装有风力发电机。

3.如权利要求书1所述的一种可实施网格化无人自动巡航的太阳能曝气机，其特征在于，三台曝气驱动装置和其水下出气/出水口按120度角均分对称布置在等边三角形中心桁架的三个角上。