CN110078158B - 一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置及方法，该装置包括若干太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元以及承载装置；所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元由太阳能发电系统、波浪能压电发电系统和超声换能器组成，所述太阳能发电系统由光伏发电系统和具有内腔的多边形锥形外壳组成；所述波浪能压电发电系统由阵列压电振子、固定压电振子和连接梁组成；所述超声换能器包含预紧螺栓、配重块、平面梁、带中心圆孔的矩形压电陶瓷片和发射端。通过太阳能和波浪能进行全天候发电，实现本发明装置基于相控阵原理的超声除藻功能。本发明装置基于绿色能源，具有绿色除藻、无污染、除藻面积大、效果佳等优点。
Description
技术领域
本发明属于生态除藻技术领域，具体涉及一种阵列式的太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置及方法。
背景技术
水体富营养化现象的出现，使得水库、湖泊、海湾等缓流水体中的水生植物和浮游植物利用水中的营养物质迅速繁殖，导致水中的溶解氧含量降低，造成水质恶化，从而引起鱼类以及其它水生生物死亡，进而影响水体的利用状况。采用绿色的方法来抑制水体富营养化现象对于治理水体污染具有重要意义。目前，多个国际或者国内的研究单位已经通过相关实验证明利用超声技术可以抑制水体中的蓝藻的生长和繁殖，从而改变水华现象，实现对水体的清洁和去污。荷兰和美国的相关企业已经开发了控制蓝藻生长和繁殖的超声设备，并投入实际应用。对于大面积的湖泊或者水库，要抑制全水面的蓝藻生长，需要设置多个超声发生装置。因此，若能实现自供电的超声发生装置对于长期抑制水体中的蓝藻具有重要的意义。荷兰LG Sonic公司研制了可覆盖直径500米范围的基于太阳能供电的超声除藻装置，包含三个超声换能器实现360度水域的声场辐射。由于超声波在水中传播的非线性以及衰减特性，理论上的水域中的超声波辐射角度随着水体范围的扩大衰减严重。要实现覆盖特定面积内的全水域辐射，则需要大功率超声换能器。因此，超声除藻装置对电能将会产生较大的依赖。然而，太阳能发电只能对超声除藻装置进行白天供电。
为了降低成本以及减小超声除藻装置的复杂程度，利用由于风和气压在湖面产生的波浪能，本发明提出了阵列式的太阳能与波浪能协同发电方案来对阵列式的超声换能器进行供电，实现全天候、大面积的高效超声除藻，避免了在无太阳能的情况出现断电或者无电供应情况的发生而影响超声除藻效果。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置及方法，以解决现有技术中传统大功率超声除藻装置单一能源供应问题，本发明基于相控阵原理提出了阵列式的太阳能与波浪能协同发电方案来对阵列式的超声换能器进行供电，实现全天候、大面积的高效超声除藻方案。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置，包括：若干个太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元以及承载装置；
所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元包括太阳能发电系统、波浪能压电发电系统和超声换能器；
所述太阳能发电系统包含光伏发电系统和具有内腔的多边形锥形外壳，所述光伏发电系统设置在多边形锥形外壳的表面，用于吸收不同角度的太阳能；
所述波浪能压电发电系统包含阵列压电振子、固定压电振子和连接梁，所述阵列压电振子由若干个所述固定压电振子构成；且所述固定压电振子的数量与多边形锥形外壳的边数一致；
所述固定压电振子由两片压电陶瓷片、弹性梁、柔性铰链和安装梁组成；两片所述压电陶瓷片分别设置在弹性梁的上、下表面，且所述弹性梁的一端设置柔性铰链，另一端设置安装梁；
所述超声换能器包含预紧螺栓、配重块、平面梁、带中心圆孔的矩形压电陶瓷片和发射端；通过预紧螺栓将配重块、平面梁、带中心圆孔的矩形压电陶瓷片和发射端依次安装在一起；
所述承载装置包含环形框、支撑梁、固定圆柱和浮箱；所述支撑梁的两端分别与所述环形框的内侧和所述固定圆柱的柱面相连；所述浮箱固定在固定圆柱的上表面；
所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元通过所述固定压电振子上设置的所述安装梁固定在所述环形框的外侧。
进一步地，所述阵列压电振子设计为若干个所述固定压电振子设置有所述柔性铰链的一端与所述连接梁实现一体化相连，设置有所述安装梁的一端与所述多边形锥形外壳的内壁相连；
所述阵列压电振子设置在所述多边形锥形外壳的内腔中。
进一步地，所述超声换能器通过所述预紧螺栓将所述配重块、所述平面梁、四片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片和所述发射端依次安装在一起，其中所述平面梁位于第二片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片与第三片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片之间；
所述发射端设计为喇叭形变截面放大结构且存在内腔；
所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片沿着厚度方向极化；
所述相邻的两片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片的极化方向相反；
所述平面梁位于所述超声换能器的振动节点位置。
进一步地，所述固定压电振子上设置了所述柔性铰链的一端固定在所述连接梁的一侧，另一端通过所述安装梁固定在所述环形框的外侧；
所述连接梁的一端与所述阵列压电振子上所有固定压电振子的柔性铰链端部一体化连接，另一端与所述超声换能器上设置的所述平面梁连接。
进一步地，所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元的个数与整个装置需要覆盖的除藻范围以及所述超声换能器发射的功率相关。
本发明的一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置的工作方法，基于上述装置，包括步骤如下：
太阳能发电系统中的光伏发电系统根据白天的太阳能进行发电；
波浪能压电发电系统利用湖面产生的波浪使得固定压电振子和阵列压电振子在连接梁和超声换能器的作用下产生弯曲变形，使得压电振子在弯曲状态下产生电荷，实现压电发电；
通过太阳能发电系统和波浪能压电发电系统的协同发电，实现对超声换能器进行全天候实时供电。
进一步地，所述方法还包括：
对一个方向上产生超声波辐射，且辐射范围可调节超声换能器的发射功率进行除藻；
控制以单一所述超声换能器所发射的超声波辐射距离为半径的环形水域的蓝藻生长和繁殖；
利用相控阵的原理控制超声换能器发射的超声波的辐射水域，实现除藻；
超声换能器在水面下上、下沉浮，对一定深度的水域实现超声覆盖，进行除藻。
本发明的有益效果：
本发明提出的超声除藻装置，基于相控阵原理，通过控制超声换能器产生的超声波的发射与辐射范围，能够有效地抑制蓝藻的生长和繁殖，同时降低能耗。此外，基于压电材料的正压电效应，充分利用波浪能实现全天候的压电发电对超声换能器进行供电，弥补太阳能发电受太阳照晒时间的限制而产生电能间断的缺陷。同时，波浪能压电发电和太阳能发电相结合，进一步解决了超声除藻装置的电能供应不足的问题。
本发明的超声除藻装置具有结构简单、系统复杂程度低、控制系统简单、除藻效果好、可控性好等优点。
附图说明
图1为本发明的超声除藻装置的结构示意图；
图2为太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元的结构示意图；
图3为太阳能发电系统的结构示意图；
图4为波浪能压电发电系统的结构示意图；
图5为固定压电振子的结构示意图；
图6为阵列压电振子的结构示意图；
图7为超声换能器的结构示意图；
图8为承载装置的结构示意图；
图9 为固定压电振子的阵列式安装方式示意图；
图10为连接梁与阵列压电振子和超声换能器之间的连接示意图；
其中：1-太阳能发电系统，1.1-光伏发电系统，1.2-多边形锥形外壳，2-波浪压电发电系统，2.1-固定压电振子，2.2-阵列压电振子，2.3-连接梁，2.4-矩形压电陶瓷片，2.5-弹性梁，2.6-安装梁，2.7-柔性铰链，3-超声换能器，3.1-预紧螺栓，3.2-配重块，3.3-带中心圆孔的矩形压电陶瓷片，3.4-平面梁，3.5-发射端，4-承载装置，4.1-环形框架，4.2-支撑梁，4.3-固定圆柱，4.4-浮箱。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图10所示，本发明的一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置，包括：若干个太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元以及承载装置4，如图1所示；
所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元包括太阳能发电系统1、波浪能压电发电系统2和超声换能器3，如图2所示；
所述太阳能发电系统包含光伏发电系统1.1和具有内腔的多边形锥形外壳1.2，如图3所示，所述光伏发电系统1.1设置在多边形锥形外壳1.2的表面，用于吸收不同角度的太阳能；
参照图4所示，所述波浪能压电发电系统包含阵列压电振子2.2、固定压电振子2.1和连接梁2.3，所述阵列压电振子2.2由若干所述固定压电振子2.1构成；且所述固定压电振子2.1的数量与多边形锥形外壳1.2的边数一致；
所述固定压电振子由两片压电陶瓷片2.4、弹性梁2.5、柔性铰链2.7和安装梁2.6组成，如图5所示；两片所述压电陶瓷片2.4设置在弹性梁2.5的上、下表面，且所述弹性梁2.5的一端设置了所述柔性铰链2.7，另一端设置了所述安装梁2.6；所述阵列压电振子2.2设计为若干所述固定压电振子2.1设置有所述柔性铰链2.7的一端与所述连接梁2.3相连，设置有所述安装梁2.6的一端与所述多边形锥形外壳1.2的内壁通过螺栓固定连接，如图6所示；所述阵列压电振子2.2设置在所述多边形锥形外壳1.2的内腔中。
参照图7所示，所述超声换能器3包含预紧螺栓3.1、配重块3.2、平面梁3.4、带中心圆孔的矩形压电陶瓷片3.3和发射端3.5；通过预紧螺栓3.1将配重块3.2、平面梁3.4、带中心圆孔的矩形压电陶瓷片3.3和发射端3.5依次安装在一起；
所述承载装置4包含环形框4.1、支撑梁4.2、固定圆柱4.3和浮箱4.4，如图8所示；所述支撑梁4.2的一端与所述环形框4.1的内侧采用一体化方式相连，另一端与所述固定圆柱4.3的柱面同样采用一体化方式相连；所述浮箱4.4固定设置在所述固定圆柱4.3的上表面；
所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元通过所述固定压电振子2.1上设置的所述安装梁2.6固定在所述环形框4.1的外侧。
其中，所述超声换能器3是通过所述预紧螺栓3.1将所述配重块3.2、所述平面梁3.4、四片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片3.3和所述发射端3.5依次安装在一起，其中所述平面梁3.4位于第二片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片3.3与第三片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片3.3之间；
所述发射端3.5设计为喇叭形变截面放大结构且存在内腔，用于调节所述超声换能器3的发射频率；
所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片3.3沿着厚度方向极化；
所述相邻的两片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片3.3的极化方向相反；
所述平面梁3.3位于所述超声换能器3的振动节点位置。
其中，所述固定压电振子2.1上设置了所述柔性铰链2.7的一端固定在所述连接梁2.3的一侧，另一端通过所述安装梁2.6固定在所述环形框4.1的外侧，如图9所示；
所述连接梁2.3的一端与所述阵列压电振子2.2上设置的所述柔性铰链2.7端部连接，另一端与所述超声换能器3上设置的所述平面梁3.4采用一体化方式固定连接，如图10所示。
其中，所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元的个数与整个装置需要覆盖的除藻范围以及所述超声换能器3发射的功率相关。
本发明的一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置的工作方法，基于上述装置，包括步骤如下：
太阳能发电系统上设置的光伏发电系统根据白天不同角度的太阳能进行发电；
波浪能压电发电系统利用湖面产生的波浪使得固定压电振子和阵列压电振子在所述连接梁和所述超声换能器的作用下产生弯曲变形，由于压电材料的正压电效应，使得压电振子在弯曲状态下产生电荷，从而实现压电发电；
由于波浪能是全天候的可再生能源，因此波浪能压电发电系统能够实现全天候发电以及对超声换能器进行供电；
通过太阳能发电系统和波浪能压电发电系统的协同发电，可实现对超声换能器进行全天候实时供电。
其中，所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置能够实现对一个方向上产生超声波辐射，且辐射范围可调节所述超声换能器的发射功率进行除藻功能；
所述阵列的太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置能够控制以单一所述超声换能器所发射的超声波辐射距离为半径的环形水域的蓝藻生长和繁殖；
利用相控阵的原理控制所述阵列的太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置的所述超声换能器发射的超声波的辐射水域，实现高效、清洁的除藻功能；
由于波浪能的作用，所述超声换能器将在水面下上、下沉浮，可对一定深度的水域实现超声覆盖，具有较佳的除藻效果。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置，其特征在于，包括：若干个太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元以及承载装置（4）；
所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元包括太阳能发电系统（1）、波浪能压电发电系统（2）和超声换能器（3）；
所述太阳能发电系统包含光伏发电系统（1.1）和具有内腔的多边形锥形外壳（1.2），所述光伏发电系统（1.1）设置在多边形锥形外壳（1.2）的表面，用于吸收不同角度的太阳能；
所述波浪能压电发电系统（2）包含阵列压电振子（2.2）、第一固定压电振子（2.1）和连接梁（2.3），所述阵列压电振子（2.2）由若干个第二固定压电振子构成；且所述第二固定压电振子的数量与多边形锥形外壳（1.2）的边数一致；
所述固定压电振子由两片压电陶瓷片（2.4）、弹性梁（2.5）、柔性铰链（2.7）和安装梁（2.6）组成；两片所述压电陶瓷片（2.4）分别设置在弹性梁（2.5）的上、下表面，且所述弹性梁（2.5）的一端设置柔性铰链（2.7），另一端设置安装梁（2.6）；
所述超声换能器（3）包含预紧螺栓（3.1）、配重块（3.2）、平面梁（3.4）、带中心圆孔的矩形压电陶瓷片（3.3）和发射端（3.5）；通过预紧螺栓（3.1）将配重块（3.2）、平面梁（3.4）、带中心圆孔的矩形压电陶瓷片（3.3）和发射端（3.5）依次安装在一起；
所述承载装置（4）包含环形框（4.1）、支撑梁（4.2）、固定圆柱（4.3）和浮箱（4.4）；所述支撑梁（4.2）的两端分别与所述环形框（4.1）的内侧和所述固定圆柱（4.3）的柱面相连；所述浮箱（4.4）固定在固定圆柱（4.3）的上表面；
所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元通过所述第一固定压电振子（2.1）上设置的所述安装梁（2.6）固定在所述环形框（4.1）的外侧；
所述阵列压电振子（2.2）设计为若干个所述第二固定压电振子设置有所述柔性铰链（2.7）的一端与所述连接梁（2.3）实现一体化相连，设置有所述安装梁（2.6）的一端与所述多边形锥形外壳（1.2）的内壁相连；
所述阵列压电振子（2.2）设置在所述多边形锥形外壳（1.2）的内腔中；
所述超声换能器（3）通过所述预紧螺栓（3.1）将所述配重块（3.2）、所述平面梁（3.4）、四片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片（3.3）和所述发射端（3.5）依次安装在一起，其中所述平面梁（3.4）位于第二片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片（3.3）与第三片所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片（3.3）之间；
所述发射端（3.5）设计为喇叭形变截面放大结构且存在内腔；
所述带中心圆孔的矩形压电陶瓷片（3.3）沿着厚度方向极化；
相邻的两片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片（3.3）的极化方向相反；
所述平面梁（3.4）位于所述超声换能器（3）的振动节点位置。
2.根据权利要求1所述的太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置，其特征在于，所述第一固定压电振子（2.1）上设置了所述柔性铰链（2.7）的一端固定在所述连接梁（2.3）的一侧，另一端通过所述安装梁（2.6）固定在所述环形框（4.1）的外侧；
所述连接梁（2.3）的一端与所述阵列压电振子（2.2）上所有第二固定压电振子的柔性铰链端部一体化连接，另一端与所述超声换能器（3）上设置的所述平面梁（3.4）连接。
3.根据权利要求1所述的太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置，其特征在于，所述太阳能与波浪能协同发电的超声除藻单元的个数与整个装置需要覆盖的除藻范围以及所述超声换能器（3）发射的功率相关。
4.一种太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置的工作方法，基于上述权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于，包括步骤如下：
太阳能发电系统中的光伏发电系统根据白天的太阳能进行发电；
波浪能压电发电系统利用湖面产生的波浪使得第一固定压电振子和阵列压电振子在连接梁和超声换能器的作用下产生弯曲变形，使得压电振子在弯曲状态下产生电荷，实现压电发电；
通过太阳能发电系统和波浪能压电发电系统的协同发电，实现对超声换能器进行全天候实时供电。
5.根据权利要求4所述的太阳能与波浪能协同发电的超声除藻装置的工作方法，其特征在于，方法还包括：
对一个方向上产生超声波辐射，且辐射范围可通过超声换能器的发射功率进行调节，实现除藻；
控制以单一所述超声换能器所发射的超声波辐射距离为半径的环形水域的蓝藻生长和繁殖；
利用相控阵的原理控制超声换能器发射的超声波的辐射水域，实现除藻；
超声换能器在水面下上、下沉浮，对一定深度的水域实现超声覆盖，进行除藻。
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