CN111056589B - 一种自供电水面全覆盖超声除藻装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自供电水面全覆盖超声除藻装置及方法，超声除藻装置包括发电模块、控制模块、承载装置、除藻模块和水质监测模块；承载装置包括工程塑料板、浮箱和N个竖杆；发电模块包括M个发电单元；发电单元包含斯特林发动机和电磁发电机；除藻模块包含N‑1个超声探头；N‑1个超声探头、水质监测模块一一对应设置在N个连接杆上；控制模块包括电控柜、蓄电池和控制器。工作时，利用水面上下的温度差来压缩和膨胀发电，控制器根据水质监测模块的数据控制各个工作。本发明装置基于太阳辐射热能和水体冷却产生的温度差发电，具有清洁高效、转化效率高、成本低、自动化作业等优点。
Description
技术领域
本发明涉及生态除藻技术领域，尤其涉及一种自供电水面全覆盖超声除藻装置及方法。
背景技术
随着工业的快速发展，蓝藻水华现象已成为了国内外湖泊、河流等所面临的共性水质问题，蓝藻水华的爆发使得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，进而造成一系列生态问题。急需一种高效、清洁的可持续性除藻方案。超声技术抑制藻类生长、净化水质已被国内外研究机构和相关单位通过实验所验证。该技术操作手段自动化、无需引入化学药物、反应过程温和、速度快、无二次污染等优点使得其在水质保护领域有着广阔的背景。以荷兰、美国为首的发达国家已经出现了商业化公司实现了超声除藻的产业化发展。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公司的MPC-Buoy除藻仪可覆盖直径500米范围的基于太阳能供电的超声除藻装置，包含三个超声探头实现水域中的声场辐射，每个换能器要承担120°的超声辐射任务，对于此类传统超声探头必然存在一定的死角无法全方位辐射声波进行除藻作业。再加之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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种自供电水面全覆盖超声除藻装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种自供电水面全覆盖超声除藻装置，包括发电模块、控制模块、承载装置、除藻模块和水质监测模块；
所述承载装置包括工程塑料板、浮箱和N个竖杆，N为大于等于2的自然数，其中，所述浮箱浮在水面上，其上端面和所述工程塑料板的下端面固连，用于提供浮力；所述竖杆均一端和所述工程塑料板的下表面固连、另一端没入水下；所述工程塑料板上设有M个用于安装孔，M为大于等于1的自然数；
所述发电模块包括M个发电单元；
所述发电单元包含斯特林发动机和电磁发电机，其中，所述斯特林发动机采用配气活塞式斯特林发动机，电磁发电机设置在工程塑料板上；电磁发电机的输入轴和所述斯特林发动机的输出轴同轴固连，用于在斯特林发动机的带动下进行发电并将电能存储至所述储能模块；
所述M个发电单元的斯特林发动机一一对应设置在所述M个安装孔中，斯特林发动机的热端气缸位于水面上方，其外表面设有若干用于吸收太阳能并将其转化为热能传递给热端气缸内惰性气体的太阳能集热平板；斯特林发动机的冷端气缸浸没在水体中，依靠水体温度对冷端气缸中的惰性气体进行降温；
所述除藻模块包含N-1个用于发出超声波进行除藻的超声探头；所述N-1个超声探头、水质监测模块一一对应设置在所述N个连接杆上、没入水下；
所述水质监测模块包含氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器和PH传感器，分别用于检测水体中的氨氮含量、溶解氧量、叶绿素-a、藻青蛋白含量、PH值并将其传递给所述控制器；
所述控制模块包括电控柜、蓄电池和控制器；
所述电控柜设置在工程塑料板上，用于放置蓄电池和控制器，防止雨水打湿蓄电池和控制器；
所述蓄电池分别和各个发电单元的电磁发电机电气相连，用于存储各个发电单元产生的电能后进行供能；
所述控制器分别和所述蓄电池、氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器、PH传感器、以及各个超声探头电气相连，用于根据氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器、PH传感器的感应数据控制各个超声探头工作。
作为本发明一种自供电水面全覆盖超声除藻装置进一步的优化方案，所述超声探头包含振动体、工程塑料外壳以及第一至第四压电陶瓷片；
所述振动体采用金属制成，包含第一至第三振动部，所述第一至第三振动部均为圆柱体、依次同轴固连，且第一振动部、第三振动部关于第二振动部对称，第二振动部的截面直径大于第一振动部的截面直径；
所述第一至第四压电陶瓷片周向均匀设置在第二振动部的侧壁上，其中，第一压电陶瓷片、第三压电陶瓷片关于第二振动部中心对称，第二压电陶瓷片、第四压电陶瓷片关于第二振动部中心对称；
所述第一至第四压电陶瓷片均为纵振陶瓷片并沿着厚度方向极化，其中，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片极化方向由内壁指向外壁，第三压电陶瓷片、第四压电陶瓷片极化方向由外壁指向内壁；第一至第四压电陶瓷片均和所述控制器电气相连；
所述工程塑料外壳将振动体、第一至第四压电陶瓷片密闭在内，且工程塑料外壳内填充超声耦合剂；
所述超声探头的工程塑料外壳和其对应的竖杆固连。
作为本发明一种自供电水面全覆盖超声除藻装置进一步的优化方案，所述第一至第四压电陶瓷片采用环氧树脂贴在第二振动部的侧壁上。
作为本发明一种自供电水面全覆盖超声除藻装置进一步的优化方案，所述电控柜上设有若干用于透气的通槽，且通槽上放设有用于防雨的护板。
本发明还公开了一种该自供电水面全覆盖超声除藻装置的工作方法，包含以下过程：
步骤1），各个发电单元进行发电：
步骤1.1），发电单元的太阳能集热平板聚集吸收太阳能转化为热能到斯特林发动机的热端气缸，和浸没在水体中的冷端气缸形成温度差，使得惰性气体在所述热端气缸和冷端气缸之间膨胀收缩进而带动斯特林发动机的输出轴转动；
步骤1.2），斯特林发动机的输出轴带动电磁发电机发电，并将电能存储到蓄电池进行供电；
步骤2），水质监测模块实时监测水中氨氮含量、溶解氧量、叶绿素-a、藻青蛋白含量、PH值并将其传递给所述控制器；
步骤3），控制器根据水质监测模块的感应数据控制各个超声探头发出超声辐射场抑制藻类的生长。
本发明还公开了一种该自供电水面全覆盖超声除藻装置的超声探头控制方法，包含以下步骤：
对第一压电陶瓷片、第三压电陶瓷片施加其频率为超声探头单元2n+1阶弯曲共振频率的第一交变电压，n=0,1,2,3……，使得超声探头单元产生左右弯曲振动，同时对第二压电陶瓷片、第四压电陶瓷片施加和所述第一交变电压同频、同幅且相位差为90°的第二交变电压，使得超声探头单元产生前后弯曲振动；这两个相互垂直的弯曲共振模态使得超声探头就呈现2n+1阶旋转弯曲共振模态，从而在水面上形成超声辐射场抑制藻类的生长。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提出的超声除藻装置，基于相控阵原理，通过控制超声探头产生的超声波的发射频率与辐射范围，能够有效地抑制蓝藻的生长和繁殖。此外，基于监测探头的实时反馈，以最小的功耗达到最优的超声除藻效果。同时，利用斯特林发动机的高效率能量转换配合电磁发电机发电，进一步解决了超声除藻装置的自供电问题。
本发明的超声除藻装置清洁高效、转化效率高、成本低、自动化作业、除藻速度快、效果佳等优点。
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为承载装置的结构示意图；
图3为发电单元的内部结构示意图；
图4为控制模块的结构示意图；
图5为超声探头中振动体和第一至第四压电陶瓷片配合的结构示意图；
图6为超声探头的剖视图；
图7为压电陶瓷片的极化方向和加电示意图；
图8为一阶旋转弯曲共振工作模态示意图。
图中，1-发电单元，1.1-斯特林发动机，1.2-太阳能集热板，1.3-电磁发电机， 2-控制模块，2.1-电控柜，2.2-电控柜上的通槽，2.3-电控柜通槽上的护板，3-承载装置，3.1-工程塑料板，3.2-浮箱，3.3-竖杆，4-超声探头，4.1-工程塑料外壳，4.2-振动体，4.3-第一压电陶瓷片，4.4-超声耦合剂，5-水质监测模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种自供电水面全覆盖超声除藻装置，包括发电模块、控制模块、承载装置、除藻模块和水质监测模块。
如图2所示，所述承载装置包括工程塑料板、浮箱和N个竖杆，N为大于等于2的自然数，其中，所述浮箱浮在水面上，其上端面和所述工程塑料板的下端面固连，用于提供浮力；所述竖杆均一端和所述工程塑料板的下表面固连、另一端没入水下；所述工程塑料板上设有M个用于安装孔，M为大于等于1的自然数。
所述发电模块包括M个发电单元；
如图3所示，所述发电单元包含斯特林发动机和电磁发电机，其中，所述斯特林发动机采用配气活塞式斯特林发动机，电磁发电机设置在工程塑料板上；电磁发电机的输入轴和所述斯特林发动机的输出轴同轴固连，用于在斯特林发动机的带动下进行发电并将电能存储至所述储能模块；
所述M个发电单元的斯特林发动机一一对应设置在所述M个安装孔中，斯特林发动机的热端气缸位于水面上方，其外表面设有若干用于吸收太阳能并将其转化为热能传递给热端气缸内惰性气体的太阳能集热平板；斯特林发动机的冷端气缸浸没在水体中，依靠水体温度对冷端气缸中的惰性气体进行降温。
所述除藻模块包含N-1个用于发出超声波进行除藻的超声探头；所述N-1个超声探头、水质监测模块一一对应设置在所述N个连接杆上、没入水下。
所述水质监测模块包含氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器和PH传感器，分别用于检测水体中的氨氮含量、溶解氧量、叶绿素-a、藻青蛋白含量、PH值并将其传递给所述控制器。
所述控制模块包括电控柜、蓄电池和控制器；
所述电控柜设置在工程塑料板上，用于放置蓄电池和控制器，防止雨水打湿蓄电池和控制器；
所述蓄电池分别和各个发电单元的电磁发电机电气相连，用于存储各个发电单元产生的电能后进行供能；
如图4所示，所述电控柜上设有若干用于透气的通槽，且通槽上放设有用于防雨的护板。
所述控制器分别和所述蓄电池、氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器、PH传感器、以及各个超声探头电气相连，用于根据氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器、PH传感器的感应数据控制各个超声探头工作。
如图5、图6所示，所述超声探头包含振动体、工程塑料外壳以及第一至第四压电陶瓷片；
所述振动体采用金属制成，包含第一至第三振动部，所述第一至第三振动部均为圆柱体、依次同轴固连，且第一振动部、第三振动部关于第二振动部对称，第二振动部的截面直径大于第一振动部的截面直径；
所述第一至第四压电陶瓷片周向均匀设置在第二振动部的侧壁上，其中，第一压电陶瓷片、第三压电陶瓷片关于第二振动部中心对称，第二压电陶瓷片、第四压电陶瓷片关于第二振动部中心对称；
所述第一至第四压电陶瓷片均为纵振陶瓷片并沿着厚度方向极化，其中，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片极化方向由内壁指向外壁，第三压电陶瓷片、第四压电陶瓷片极化方向由外壁指向内壁；第一至第四压电陶瓷片均和所述控制器电气相连；
所述工程塑料外壳将振动体、第一至第四压电陶瓷片密闭在内，且工程塑料外壳内填充超声耦合剂；
所述超声探头的工程塑料外壳和其对应的竖杆固连。
图7为第一至第四压电陶瓷片的极化方向及加电方式。
本发明还公开了一种该自供电水面全覆盖超声除藻装置的工作方法，包含以下过程：
步骤1），各个发电单元进行发电：
步骤1.1），发电单元的太阳能集热平板聚集吸收太阳能转化为热能到斯特林发动机的热端气缸，和浸没在水体中的冷端气缸形成温度差，使得惰性气体在所述热端气缸和冷端气缸之间膨胀收缩进而带动斯特林发动机的输出轴转动；
步骤1.2），斯特林发动机的输出轴带动电磁发电机发电，并将电能存储到蓄电池进行供电；
步骤2），水质监测模块实时监测水中氨氮含量、溶解氧量、叶绿素-a、藻青蛋白含量、PH值并将其传递给所述控制器；
步骤3），控制器根据水质监测模块的感应数据控制各个超声探头发出超声辐射场抑制藻类的生长。
本发明还公开了一种该自供电水面全覆盖超声除藻装置的超声探头控制方法，包含以下步骤：
对第一压电陶瓷片、第三压电陶瓷片施加其频率为超声探头单元2n+1阶弯曲共振频率的第一交变电压，n=0,1,2,3……，使得超声探头单元产生左右弯曲振动，同时对第二压电陶瓷片、第四压电陶瓷片施加和所述第一交变电压同频、同幅且相位差为90°的第二交变电压，使得超声探头单元产生前后弯曲振动；这两个相互垂直的弯曲共振模态使得超声探头就呈现2n+1阶旋转弯曲共振模态，从而在水面上形成超声辐射场抑制藻类的生长，如图8所示。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种自供电水面全覆盖超声除藻装置，其特征在于，包括发电模块、控制模块、承载装置、除藻模块和水质监测模块；
所述承载装置包括工程塑料板、浮箱和N个竖杆，N为大于等于2的自然数，其中，所述浮箱浮在水面上，其上端面和所述工程塑料板的下端面固连，用于提供浮力；所述竖杆均一端和所述工程塑料板的下表面固连、另一端没入水下；所述工程塑料板上设有M个安装孔，M为大于等于1的自然数；
所述发电模块包括M个发电单元；
所述发电单元包含斯特林发动机和电磁发电机，其中，所述斯特林发动机采用配气活塞式斯特林发动机，电磁发电机设置在工程塑料板上；电磁发电机的输入轴和所述斯特林发动机的输出轴同轴固连，用于在斯特林发动机的带动下进行发电并将电能存储至所述控制模块；
所述M个发电单元的斯特林发动机一一对应设置在所述M个安装孔中，斯特林发动机的热端气缸位于水面上方，其外表面设有若干用于吸收太阳能并将其转化为热能传递给热端气缸内惰性气体的太阳能集热平板；斯特林发动机的冷端气缸浸没在水体中，依靠水体温度对冷端气缸中的惰性气体进行降温；
所述除藻模块包含N-1个用于发出超声波进行除藻的超声探头；所述N-1个超声探头、水质监测模块一一对应设置在所述N个竖杆上并没入水下；
所述水质监测模块包含氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器和pH传感器，分别用于检测水体中的氨氮含量、溶解氧量、叶绿素-a、藻青蛋白含量、pH值并将其传递给所述控制模块；
所述控制模块包括电控柜、蓄电池和控制器；
所述电控柜设置在工程塑料板上，用于放置蓄电池和控制器，防止雨水打湿蓄电池和控制器；
所述蓄电池分别和各个发电单元的电磁发电机电气相连，用于存储各个发电单元产生的电能后进行供能；
所述控制器分别和所述蓄电池、氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器、pH传感器、以及各个超声探头电气相连，用于根据氨氮传感器、溶解氧传感器、叶绿素a传感器、藻青蛋白传感器、pH传感器的感应数据控制各个超声探头工作；
所述超声探头包含振动体、工程塑料外壳以及第一至第四压电陶瓷片；
所述振动体采用金属制成，包含第一至第三振动部，所述第一至第三振动部均为圆柱体、依次同轴固连，且第一振动部、第三振动部关于第二振动部对称，第二振动部的截面直径大于第一振动部的截面直径；
所述第一至第四压电陶瓷片周向均匀设置在第二振动部的侧壁上，其中，第一压电陶瓷片、第三压电陶瓷片关于第二振动部中心对称，第二压电陶瓷片、第四压电陶瓷片关于第二振动部中心对称；
所述第一至第四压电陶瓷片均为纵振陶瓷片并沿着厚度方向极化，其中，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片极化方向由内壁指向外壁，第三压电陶瓷片、第四压电陶瓷片极化方向由外壁指向内壁；第一至第四压电陶瓷片均和所述控制器电气相连；
所述工程塑料外壳将振动体、第一至第四压电陶瓷片密闭在内，且工程塑料外壳内填充超声耦合剂；
所述超声探头的工程塑料外壳和其对应的竖杆固连。
2.根据权利要求1所述的自供电水面全覆盖超声除藻装置，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片采用环氧树脂贴在第二振动部的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的自供电水面全覆盖超声除藻装置，其特征在于，所述电控柜上设有若干用于透气的通槽，且通槽上放设有用于防雨的护板。
4.根据权利要求1所述的自供电水面全覆盖超声除藻装置的工作方法，其特征在于，包含以下过程：
步骤1），各个发电单元进行发电：
步骤1.1），发电单元的太阳能集热平板聚集吸收太阳能转化为热能到斯特林发动机的热端气缸，和浸没在水体中的冷端气缸形成温度差，使得惰性气体在所述热端气缸和冷端气缸之间膨胀收缩进而带动斯特林发动机的输出轴转动；
步骤1.2），斯特林发动机的输出轴带动电磁发电机发电，并将电能存储到蓄电池进行供电；
步骤2），水质监测模块实时监测水中氨氮含量、溶解氧量、叶绿素-a、藻青蛋白含量、pH值并将其传递给所述控制器；
步骤3），控制器根据水质监测模块的感应数据控制各个超声探头发出超声辐射场抑制藻类的生长。
5.根据权利要求4所述的自供电水面全覆盖超声除藻装置的工作方法，其特征在于，超声探头控制方法包含以下步骤：
对第一压电陶瓷片、第三压电陶瓷片施加其频率为超声探头2n+1阶弯曲共振频率的第一交变电压，n=0,1,2,3……，使得超声探头产生左右弯曲振动，同时对第二压电陶瓷片、第四压电陶瓷片施加和所述第一交变电压同频、同幅且相位差为90°的第二交变电压，使得超声探头产生前后弯曲振动；这两个相互垂直的弯曲共振模态使得超声探头就呈现2n+1阶旋转弯曲共振模态，从而在水面上形成超声辐射场抑制藻类的生长。
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