CN111056590A - 一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置及方法，全方位超声除藻装置包括斯特林发动机、电磁发电机、储能模块、驱动控制模块、承载装置、超声探头模块和采集传感模块；承载装置由浮箱和N个连接杆，浮箱上设有限位通孔；斯特林发动机固定在浮箱的限位通孔中，其热端气缸位于水面上方、外表面设有若干太阳能集热平板，冷端气缸浸没在水体中；超声探头单元包含一个双头螺栓、两个预紧螺母、八片压电陶瓷片、两个配重块和两个法兰盘。工作时，基于相控阵原理进行全方位超声除藻功能。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，具有环保绿色、工作效率高、无污染、辐射面积广、效果好等优点。

Description

一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置及方法

技术领域

本发明涉及生态除藻技术领域，尤其涉及一种斯特林发动机供电的全方位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。

为了在自供电的基础上实现全水域超声辐射，本发明提出了利用水面上下温差驱动斯特林发动机发电储电的方案来对超声除藻系统进行供电，实现全方位的高效超声除藻，规避了除藻作业中由于存在辐射死角而引起的除藻不彻底以及夜间断电情况的发生而影响超声除藻效果。

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，提供一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置及方法，以解决现有技术中传统超声除藻装置辐射方向单一，辐射范围存在死角的问题，本发明基于多阶旋转弯曲共振模态并结合相控阵原理提出了一种变频的全方位斯特林发动机供电方案来对超声探头进行供电，实现全天候、全方位的高效超声除藻。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置，包括斯特林发动机、电磁发电机、储能模块、驱动控制模块、承载装置、超声探头模块和采集传感模块；

所述承载装置包括浮箱和N个连接杆，N为大于等于2的自然数；所述浮箱漂浮在水体表面，用于提供浮力，浮箱上设有限位通孔；所述连接杆均一端和所述浮箱的下表面固连、另一端没入水下；

所述斯特林发动机采用双缸双活塞式斯特林发动机，通过所述限位通孔固定在所述浮箱上；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；

所述电磁发电机、储能模块、驱动控制模块均固定在所述浮箱上表面；所述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；

所述储能模块用于供电；

所述超声探头模块包含N-1个超声探头单元；所述N-1个超声探头单元、采集传感模块一一对应设置在所述N个连接杆上；

所述采集传感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驱动控制模块；

所述超声探头单元包括双头螺栓、第一预紧螺母、第一预紧螺母、八片压电陶瓷片、第一配重块、第二配重块、第一法兰盘和第二法兰盘；

所述八片压电陶瓷片、第一配重块、第二配重块均呈中间设有供所述双头螺栓穿过的圆环状；所述第一法兰盘、第二法兰盘上设有供所述双头螺栓穿过的通孔；

所述第一预紧螺母、第一预紧螺母分别和所述双头螺栓的两端螺纹相连，将第一法兰盘、第一配重块、八片压电陶瓷片、第二配重块、第二法兰盘依次层叠后固定在所述双头螺栓上；

所述第一法兰盘、第二法兰盘均和超声探头单元对应的连接杆固连；

所述压电陶瓷片为两分区的弯振陶瓷片，沿着厚度方向极化且两个分区的极化方向相反；

所述八片压电陶瓷片自上而下两个一组形成四组压电陶瓷片，相邻两组压电陶瓷片分区分界线在空间上正交分布，同一组中的两片压电陶瓷片分区分界线在空间上平行分布且极化方向相反；

所述驱动控制模块分别和所述储能模块、采集传感模块、以及各个超声探头单元电气相连，用于根据采集传感模块的感应数据控制各个超声探头单元工作。

作为本发明一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置进一步的优化方案，所述斯特林发动机热端气缸的外表面设有4个太阳能集热平板。

作为本发明一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置进一步的优化方案，所述压电陶瓷片的表面设有防水胶进行绝缘处理。

本发明还公开了一种该斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置的除藻方法，包含以下步骤：

步骤1），各个太阳能集热平板聚集吸收太阳能转化为热能到所述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，并将电能存储到所述储能模块，对所述驱动控制模块、超声探头模块、采集传感模块进行全天候供电；

步骤3），采集传感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驱动控制模块；

所述驱动控制模块根据采集传感模块的感应数据控制各个超声探头单元发出超声辐射场抑制藻类的生长。

本发明还公开了一种该斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置的超声探头单元控制方法，包含以下步骤：

令超声探头单元中的四组压电陶瓷片从上到下分别为第一组至第四组压电陶瓷片，对第一组压电陶瓷片和第三组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，同时对第二组压电陶瓷片和第四组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，基于采集传感模块的实时反馈，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具有能量转换率高、系统复杂程度低、控制系统成熟、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为承载装置的结构示意图；

图3为斯特林发动机外部结构轮廓图；

图4为斯特林发动机内部结构剖视图；

图5为超声探头单元的结构示意图；

图6为压电陶瓷片的极化方向示意图；

图7为压电陶瓷片的排布方式以及加电示意图；

图8为超声探头的一阶弯振工作模式示意图；

图9为本发明装置工作时超声波辐射层示意图。

其中：1-斯特林发动机，1.1-太阳能集热平板，1.2-斯特林发动机的热端气缸，1.3-斯特林发动机的冷端气缸，1.4-斯特林发动机的传输管道，1.5-连接斯特林发动机热端气缸和转动飞轮的连杆，1.6-斯特林发动机的转动飞轮，1.7-斯特林发动机的输出轴，1.8-惰性气体，1.9-热端气缸，1.10-传输管道，1.11-冷端气缸，2-电磁发电机，3-储能模块，4-驱动控制模块，5-承载装置，5.1-浮箱，5.2-连接杆，5.3-限位通孔，6-超声探头单元，6.1-双头螺栓，6.2-第一预紧螺母，6.3-压电陶瓷片，6.4-第二配重块，6.5-第二法兰盘，7-采集传感模块。

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。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置，包括斯特林发动机、电磁发电机、储能模块、驱动控制模块、承载装置、超声探头模块和采集传感模块。

如图2所示，所述承载装置包括浮箱和N个连接杆，N为大于等于2的自然数；所述浮箱漂浮在水体表面，用于提供浮力，浮箱上设有限位通孔；所述连接杆均一端和所述浮箱的下表面固连、另一端没入水下。

如图3、图4所示，所述斯特林发动机采用双缸双活塞式斯特林发动机，通过所述限位通孔固定在所述浮箱上；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。

图4中，斯特林发动机的热端气缸、冷端气缸均采用导热材质制成，斯特林发动机的热端气缸上设置了4块太阳能集热平板。由于斯特林发动机的热端气缸和冷端气缸通过传输管道连通并充满了惰性气体，热端气缸的活塞、冷端气缸的活塞分别通过连杆和转动飞轮铰接，惰性气体膨胀收缩推动热端气缸的活塞、冷端气缸的活塞运动，进而通过连杆带动转动飞轮转动；而飞轮的回转中心通过轴承固定在斯特林发动机的壳体上，斯特林发动机的输出轴则在飞轮的回转中心处和飞轮固连，因此飞轮转动带动斯特林发动机的输出轴转动。

所述电磁发电机、储能模块、驱动控制模块均固定在所述浮箱上表面；所述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。

所述储能模块用于供电。

所述超声探头模块包含N-1个超声探头单元；所述N-1个超声探头单元、采集传感模块一一对应设置在所述N个连接杆上。

所述采集传感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驱动控制模块。

如图5所示，所述超声探头单元包括双头螺栓、第一预紧螺母、第一预紧螺母、八片压电陶瓷片、第一配重块、第二配重块、第一法兰盘和第二法兰盘；

所述八片压电陶瓷片、第一配重块、第二配重块均呈中间设有供所述双头螺栓穿过的圆环状；所述第一法兰盘、第二法兰盘上设有供所述双头螺栓穿过的通孔；

所述第一预紧螺母、第一预紧螺母分别和所述双头螺栓的两端螺纹相连，将第一法兰盘、第一配重块、八片压电陶瓷片、第二配重块、第二法兰盘依次层叠后固定在所述双头螺栓上；

所述第一法兰盘、第二法兰盘均和超声探头单元对应的连接杆固连。

如图6所示，所述压电陶瓷片为两分区的弯振陶瓷片，沿着厚度方向极化且两个分区的极化方向相反；

所述八片压电陶瓷片自上而下两个一组形成四组压电陶瓷片，相邻两组压电陶瓷片分区分界线在空间上正交分布，同一组中的两片压电陶瓷片分区分界线在空间上平行分布且极化方向相反。

所述驱动控制模块分别和所述储能模块、采集传感模块、以及各个超声探头单元电气相连，用于根据采集传感模块的感应数据控制各个超声探头单元工作。

所述压电陶瓷片的表面设有防水胶进行绝缘处理。

本发明还公开了一种该斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置的除藻方法，包含以下步骤：

步骤1），各个太阳能集热平板聚集吸收太阳能转化为热能到所述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，并将电能存储到所述储能模块，对所述驱动控制模块、超声探头模块、采集传感模块进行全天候供电；

步骤3），采集传感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驱动控制模块；

所述驱动控制模块根据采集传感模块的感应数据控制各个超声探头单元发出超声辐射场抑制藻类的生长。

本发明还公开了一种该斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置的超声探头单元控制方法，包含以下步骤：

令超声探头单元中的四组压电陶瓷片从上到下分别为第一组至第四组压电陶瓷片，如图7所示，对第一组压电陶瓷片和第三组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，同时对第二组压电陶瓷片和第四组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，如图8所示；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9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)

1.一种斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置，其特征在于，包括斯特林发动机、电磁发电机、储能模块、驱动控制模块、承载装置、超声探头模块和采集传感模块；

所述承载装置包括浮箱和N个连接杆，N为大于等于2的自然数；所述浮箱漂浮在水体表面，用于提供浮力，浮箱上设有限位通孔；所述连接杆均一端和所述浮箱的下表面固连、另一端没入水下；

所述斯特林发动机采用双缸双活塞式斯特林发动机，通过所述限位通孔固定在所述浮箱上；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；

所述电磁发电机、储能模块、驱动控制模块均固定在所述浮箱上表面；所述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；

所述储能模块用于供电；

所述超声探头模块包含N-1个超声探头单元；所述N-1个超声探头单元、采集传感模块一一对应设置在所述N个连接杆上；

所述采集传感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驱动控制模块；

所述超声探头单元包括双头螺栓、第一预紧螺母、第一预紧螺母、八片压电陶瓷片、第一配重块、第二配重块、第一法兰盘和第二法兰盘；

所述八片压电陶瓷片、第一配重块、第二配重块均呈中间设有供所述双头螺栓穿过的圆环状；所述第一法兰盘、第二法兰盘上设有供所述双头螺栓穿过的通孔；

所述第一预紧螺母、第一预紧螺母分别和所述双头螺栓的两端螺纹相连，将第一法兰盘、第一配重块、八片压电陶瓷片、第二配重块、第二法兰盘依次层叠后固定在所述双头螺栓上；

所述第一法兰盘、第二法兰盘均和超声探头单元对应的连接杆固连；

所述压电陶瓷片为两分区的弯振陶瓷片，沿着厚度方向极化且两个分区的极化方向相反；

所述八片压电陶瓷片自上而下两个一组形成四组压电陶瓷片，相邻两组压电陶瓷片分区分界线在空间上正交分布，同一组中的两片压电陶瓷片分区分界线在空间上平行分布且极化方向相反；

所述驱动控制模块分别和所述储能模块、采集传感模块、以及各个超声探头单元电气相连，用于根据采集传感模块的感应数据控制各个超声探头单元工作。

2.根据权利要求1所述的斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置，其特征在于，所述斯特林发动机热端气缸的外表面设有4个太阳能集热平板。

3.根据权利要求1所述的斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置，其特征在于，所述压电陶瓷片的表面设有防水胶进行绝缘处理。

4.基于权利要求1所述的斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置的除藻方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），各个太阳能集热平板聚集吸收太阳能转化为热能到所述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，并将电能存储到所述储能模块，对所述驱动控制模块、超声探头模块、采集传感模块进行全天候供电；

步骤3），采集传感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驱动控制模块；

所述驱动控制模块根据采集传感模块的感应数据控制各个超声探头单元发出超声辐射场抑制藻类的生长。

5.基于权利要求1所述的斯特林发动机供电的全方位超声除藻装置的超声探头单元控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

令超声探头单元中的四组压电陶瓷片从上到下分别为第一组至第四组压电陶瓷片，对第一组压电陶瓷片和第三组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，同时对第二组压电陶瓷片和第四组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。

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