CN111074850A - 一种低温环境用游艇码头防冰装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温环境用游艇码头防冰装置及方法，属于码头防冰技术领域，其特征在于，在游艇码头的外侧包裹有铝制外壳；在所述铝制外壳的外侧绕制有多匝发热电缆，电源通过电源控制器与发热电缆电连接；通过采用上述技术方案，本发明既能够有效防冰，又节能环保，将太阳能光伏面板贴在游艇码头的通道上，不仅节约空间、而且充分利用可再生绿色能源。太阳能充足时，太阳能光伏面板直接发电，供给发热电缆及铅酸蓄电池，太阳能不足时，铅酸蓄电池通过防水电缆供给发热电缆，发热电缆发热起到防止游艇码头的浮筒周围结冰的效果。当太阳能及铅酸蓄电池的能量均不足时，用市电通过防水电缆供给发热电缆。

Description

一种低温环境用游艇码头防冰装置及方法

技术领域

本发明属于码头防冰技术领域，特别涉及一种低温环境用游艇码头防冰装置及方法。

背景技术

环渤海的三个湾(渤海湾、辽东湾、莱州湾)近岸每年冬季都会发生不同程度的结冰现象，每年冰期通常从12月初一直到次年2月中到下旬。整个环渤海地区，辽东湾冰期最长，冰情也最严重，其次是渤海湾和莱州湾。冬季海面结冰后,冰对浮筒的作用力包括静冰力和动冰力两部分。静冰力包括1)冰层包围浮筒,在风和水流作用下,冰层对浮筒产生静压力；2)冬季昼夜温差剧烈时,由于浮筒内外温度差产生的温度膨胀力。动冰力指在风、流驱动下运动的孤立流冰对浮筒的撞击作用。并且浮筒在低温下极易发生冷脆，故冰层对浮筒及其上部的码头面板的结构及功能产生极大的破坏作用，严重时导致游艇码头不能使用，故如何彻底防止游艇码头浮筒周围结冰是一个游艇码头亟待解决的难题。

游艇码头现有的防冰措施有：1)2015年3月在中国水运期刊上刊登的文献《冰冻地区码头结构型式及防冰措施》总结冰冻地区码头主要防冰措施为在构件表面镶嵌花岗岩或外包钢板；2)申请号为201721923553.X的专利采用在构件外加覆面保护板的方式。目前的方法只能抵挡流冰，不能防止固定冰荷载对码头的损坏。而游艇码头一般都建在内河和河口，冬季低气温会导致整个近岸水面与码头面冻结，现有的防冰方法对其并不适用。而且现有加固防冰的方法并不环保，没有充分利用可再生能源。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种低温环境用游艇码头防冰装置及方法，既能够有效防冰，又节能环保，将太阳能光伏面板贴在游艇码头的通道上，不仅节约空间、而且充分利用可再生绿色能源。太阳能充足时，太阳能光伏面板直接发电，供给发热电缆及铅酸蓄电池，太阳能不足时，铅酸蓄电池通过防水电缆供给发热电缆，发热电缆发热起到防止游艇码头的浮筒周围结冰的效果。当太阳能及铅酸蓄电池的能量均不足时，用市电通过防水电缆供给发热电缆。

本发明的第一目的是提供一种低温环境用游艇码头防冰装置，在游艇码头的外侧包裹有铝制外壳；在所述铝制外壳的外侧绕制有多匝发热电缆，电源通过电源控制器与发热电缆电连接；

所述发热电缆的匝间距s为：

s＝8.3472v^-10.5042；

其中：s为发热电缆的匝间距；v为升温速率，

ΔT为温度差值；Δt为升温时间；

所述发热电缆的工作电流I为：

I＝10.3076×(v+0.3950×w^0.0116)^2.8653；

其中：I为发热电缆的工作电流；w为发热电缆附近的风速。

进一步，所述电源包括太阳能电源和市电两部分，其中，所述太阳能电源包括将太阳能转换为电能的太阳能光伏面板、蓄电池和太阳能控制器；所述太阳能控制器分别与太阳能光伏面板和蓄电池电连接；在该太阳能光伏面板的上表面设有钢化玻璃；在所述钢化玻璃上镀有增透膜。

更进一步，所述太阳能光伏面板的上表面为平面。

更进一步，所述太阳能光伏面板的上表面开设有矩形凹槽、弧形凹槽、梯形凹槽、V形凹槽中的一种或多种。

更进一步，所述蓄电池通过逆变器与电源控制器电连接。

更进一步，在所述铝制外壳的外壁设置有第一热电偶；在浮筒上设置有第二热电偶；所述电源控制器的I/O端口分别与第一热电偶、第二热电偶的输出端子电连接。

本发明的第二目的是提供一种低温环境用游艇码头防冰装置的方法，包括如下步骤：

S1、向电源控制器内写入温度阈值；

S2、电源控制器获取第一热电偶、第二热电偶的温度数据；并将每个温度数据与温度阈值进行比较，当满足加热条件时，则电源控制器启动发热电缆，否则发热电缆不工作。

进一步，所述第一热电偶的温度阈值为1℃；所述第二热电偶的温度阈值为20℃；当第一热电偶的温度数据低于1℃时，则电源控制器启动发热电缆，当第二热电偶的温度数据高于20℃时，则电源控制器关闭发热电缆。

进一步，所述电源控制器控制发热电缆的工作过程为：

当第一热电偶的温度数据低于1℃时，则电源控制器向发热电缆提供工作电流I；当第二热电偶的温度数据达到P时，则电源控制器向发热电缆提供保温电流I’；其中：1℃<P<20℃；I’<I。

更进一步，所述P＝5℃。

本发明具有的优点和积极效果是：

本专利适用于冬季结冰的河口和内河的游艇码头区域的防冰。通过利用光电转换原理储存足够多的电能用于24小时不间断加热与水面接触位置的码头浮筒，从而实现冬季寒冷时段不间断防冰的功能，从而避免了因海冰导致的游艇码头损坏以及由此带来的经济损失。

1、太阳能光伏面板贴在游艇码头的通道上，不仅节约空间，而且充分利用可再生绿色能源；

2、太阳能光伏面板上部放置钢化玻璃，不仅可防止外部活荷载对太阳能光伏面板的损坏，且不影响太阳能光伏面板对太阳能的采集；

3、采用密度低且导热系数高的铝制外壳是为了避免热电偶直接与海水接触；

4、能够有效吸收和储存太阳能，确保浮码头全天候不间断加热防冰；

5、分别在浮筒和铝制外壳处增加热电偶从而实现有效控温，当铝制外壳处的温度小于等于1℃时发热电缆开始加热，当浮筒处的温度大于等于20℃时发热电缆停止加热。通过电源控制器编程可实现该装置的自动加热功能，防止温度过高或者过低对游艇码头造成破坏。把温度控制在1℃到20℃的区间可以在实现不间断防冰的效果的同时有效地节约能源；

6、为了给浮筒外的加热电缆确定合理的间距值，确保浮筒受热均匀且温度保持在1℃到20℃的区间内，本专利基于实验提出了发热电缆间距与升温速率之间的预测公式。建议铺设在浮筒上的发热电缆的间距为6cm。为了给浮筒外的发热电缆确定合理的输入电流值，确保在浮筒周围风速较大时能够快速地对浮筒升温，本专利基于实验提出了发热电缆输入电流和风速与升温速率之间的预测公式。建议铺设在浮筒上的发热电缆的输入电流取值区间为1.3-2A，在风速较大时输入电流取较大值。

附图说明

图1是本发明优选实施例的电路框图；

图2是本发明优选实施例中加热部分的结构图；

图3是本发明优选实施例的平面布置图；

图4是本发明优选实施例中太阳能光伏面板的第一结构图；

图5是本发明优选实施例中太阳能光伏面板的第二结构图；

图6是本发明优选实施例中太阳能光伏面板的第三结构图；

图7是本发明优选实施例中太阳能光伏面板的第四结构图；

图8是本发明优选实施例中太阳能光伏面板的第五结构图；

图中：1、变电箱，2、钢化玻璃，3、太阳能光伏面板，4、太阳能控制器，5、铅酸蓄电池，6、逆变器，7、发热电缆，8、第二热电偶，9、第一热电偶，10、铝制外壳，11、电源控制器，12、防水电缆，13、市电，14、码头面板，15、浮筒；16、增透膜。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图3，一种低温环境用游艇码头防冰装置，包括：变电箱1、钢化玻璃2、太阳能光伏面板3、太阳能控制器4、蓄电池(优选铅酸蓄电池5)、逆变器6、发热电缆7、贴在浮筒15上的第二热电偶8、贴在铝制外壳上的第一热电偶9、铝制外壳10、电源控制器11以及防水电缆12。所述太阳能光伏面板贴在游艇码头面板14上用来吸收太阳能进行光电转换，不仅可充分利用已有空间，还可充分利用可再生清洁能源。太阳能光伏面板上部放置钢化玻璃，钢化玻璃2上镀有增透膜16，不仅可防止外部活荷载对太阳能光伏面板的损坏，且不影响太阳能光伏面板对太阳能的吸收。所述太阳能光伏面板将光能转换为电能并且传递给太阳能控制器，所述太阳能控制器接收来自太阳能光伏面板的电流并且向铅酸蓄电池充电，所述逆变器接收来自太阳能控制器与铅酸蓄电池的电能并且向电源控制器供电，所述电源控制器同时接收来自市电的电能，电源控制器接收热电偶反馈的电信号并且通过编程实现发热电缆的通断，所述发热电缆用来实现电能与热能的转换从而防止游艇码头与水面接触位置的浮筒结冰。所述发热电缆贴到铝制外壳外侧。所述铝制外壳套在浮筒外侧。采用密度低且导热系数高的铝制外壳是为了避免热电偶直接与海水接触。本发明通过利用光电转换原理储存足够多的电能、并结合市电用于给码头浮筒进行加热保护，从而实现冬季寒冷时段不间断防冰的功能，从而避免了因海冰导致的游艇码头损坏以及由此带来的经济损失。太阳能控制器、铅酸蓄电池及逆变器都放置在变电箱中。

作为优选：所述太阳能控制器4、铅酸蓄电池5及逆变器6都放置在变电箱1中。

所述太阳能光伏面板3用来进行光电转换。所述太阳能光伏面板3采用的硅晶材料为单晶硅。硅晶材料为单晶硅是因为与多晶硅相比，单晶硅使用寿命长，光电转换效率高。

所述太阳能控制器4用来实实太阳能光伏面板3对对酸蓄电池5充电以及铅酸蓄电池5给逆变器6负载供电的自动控制。太阳能控制器4采用MPPT太阳能控制器。选用MPPT太阳能控制器是因其具有良好的电路保护功能、科学的电池充电管理方式。

所述铅酸蓄电池5用来储存太阳能光伏面板3产生的电能。所述铅酸蓄电池5为一个24V的免维护铅酸蓄电池。所述铅酸蓄电池5选用24V免维护铅酸蓄电池是因其具有耐低温、体积小、使用寿命长的特点。

所述逆变器6用来将来自太阳能光伏面板3及铅酸蓄电池4的低压直流电逆变成交流电。逆变器6输出电压波形为正弦波。选用这种逆变器是因为其安全性能好、稳定性强。

所述贴在浮筒上的热电偶8及贴在铝制薄外壳上的热电偶，分别用来测量浮筒和铝制外壳10的温度，反馈给电源控制器11。所述贴在浮筒上的热电偶及贴在铝制薄外壳上的热电偶为铜-康铜热电偶。原因是其可测负温且允许误差小。

所述防水电缆为PUR特软柔性防海水电缆。防水电缆贴在浮码头面板侧面，用来连接光电转换装置。原因是其具有耐寒、防水、安装方便、使用寿命长的特点。

为了给浮筒外的加热电缆确定合理的间距值，确保浮筒受热均匀且温度保持在1℃到20℃的区间内，本专利基于实验提出了发热电缆间距与升温速率之间的预测公式。建议铺设在浮筒上的发热电缆的间距为6cm。为了给浮筒外的发热电缆确定合理的输入电流值，确保在浮筒周围风速较大时能够快速地对浮筒升温，本专利基于实验提出了发热电缆输入电流和风速与升温速率之间的预测公式。建议铺设在浮筒上的发热电缆的输入电流取值区间为1.3-2A，在风速较大时输入电流取较大值。

为了增加太阳能光伏面板的光照面积，进而增加发电量，请参阅图4至图8：

所述太阳能光伏面板的上表面为平面；

或者所述太阳能光伏面板的上表面开设有矩形凹槽、弧形凹槽、梯形凹槽、V形凹槽中的一种或多种。与平面相比较，凹槽结构的光伏表面一方面增加了光接触面积，另外一方面，当光照射到凹槽的侧壁时，部分反射光达到凹槽底部能够实现二次光伏效应；这样能够极大提高发电效率；梯形凹槽和V形凹槽的斜面的角度尽量保持与太阳光垂直，所以，可以根据当地十二点钟太阳光线照射角度的平均值(即一年中10月至来年2月份的平均值)设计斜面的角度。

上述低温环境用游艇码头防冰装置的方法，包括如下步骤：

S1、向电源控制器内写入温度阈值；

S2、电源控制器获取第一热电偶、第二热电偶的温度数据；并将每个温度数据与温度阈值进行比较，当满足加热条件时，则电源控制器启动发热电缆，否则发热电缆不工作。

作为优选，所述第一热电偶的温度阈值为1℃；所述第二热电偶的温度阈值为20℃；当第一热电偶的温度数据低于1℃时，则电源控制器启动发热电缆，当第二热电偶的温度数据高于20℃时，则电源控制器关闭发热电缆。

所述电源控制器控制发热电缆的工作过程为：

当第一热电偶的温度数据低于1℃时，则电源控制器向发热电缆提供工作电流I；当第二热电偶的温度数据达到P时，则电源控制器向发热电缆提供保温电流I’；其中：1℃<P<20℃；I’<I。其中，P优选为5℃。

当太阳能充足时，太阳能光伏面板通过光生伏特作用将光能转化为电能，太阳能光伏面板产生的能量一部分通过太阳能控制器及逆变器传给电源控制器，一部分通过太阳能控制器储存在铅酸蓄电池里。当太阳能不足时，储存在铅酸蓄电池里的电能通过逆变器传给电源控制器。当太阳能及铅酸蓄电池的能量均不足时，用市电13传给电源控制器。电源控制器与热电偶连接。热电偶包括贴在浮筒上的热电偶及贴在铝制外壳上的热电偶。贴在浮筒上的热电偶及贴在铝制外壳上的热电偶分别测浮筒及铝制外壳的温度，反馈给电源控制器，电源控制器通过编程设定当铝制外壳处的温度小于等于1℃时发热电缆开始加热，当浮筒处的温度大于等于20℃时发热电缆停止加热，把温度控制在1℃到20℃的区间可以在实现不间断防冰的效果的同时有效地节约能源。

因为在实际应用中无法定性的分析各类因素对发热电缆升温效果的影响，故在实验室内建立了表面铺设发热电缆的浮筒模型分析发热电缆的布置间距及风速与输入电流对发热电缆升温效果的影响。

实验分为两个部分:第一部分是在浮筒模型上铺设不同间距的发热电缆研究发热电缆间距对升温速率的影响,第二部分是研究风速及输入电流对升温速率的影响。实验室测量方法采用红外线温度计测量铺设在浮筒上的铝外壳表面的温度分布，用手持风速仪测量浮筒周围的风速，通过调节输入电压来改变通过发热电缆的电流，通过调节风扇的档位来产生不同的风速。

实验主要研究以下几个方面:

(1)研究发热电缆间距对升温速率的影响

输入电流和风速一定，改变发热电缆的间距，研究发热电缆间距对升温速率的影响。

(2)研究风速及输入电流对升温速率的影响

发热电缆间距及输入电流一定，改变风速，研究风速对升温速率的影响。发热电缆间距及风速一定，改变输入电流，研究输入电流对升温速率的影响。

基于在实验中获得的发热电缆间距和风速及输入电流对升温效果的影响分析,找出发热电缆的合理间距及合理输入电流的区间。

实验详细描述如下:

(1)试验装置

表面铺设发热电缆的浮筒模型由浮筒、套在浮筒上的铝制外壳、铺设在铝制外壳上的发热电缆和可调节电压的电源组成。

(2)升温速率、发热电缆间距、风速及输入电流的定义

升温速率是评估发热电缆升温效果的一个重要指标，定义升温速率

式中ΔT——温度差值，Δt——升温时间。

发热电缆间距是影响升温效果的一个重要指标，定义发热电缆间距s为相邻两根发热电缆的距离。

输入电流是影响升温效果的一个重要指标，定义输入电流I为输入到发热电缆的电流。

风速也是影响升温效果的一个重要指标，定义风速w为发热电缆附近的风速。

(3)基于实验数据拟合的升温速率的估算公式

实验分为两个部分,在第一部分实验中升温速率与发热电缆间距有关；在第二部分实验中升温速率与风速、输入电流有关。综合考虑以上因素对升温速率的影响，利用回归分析，可将升温速率的公式表示如下:

Ⅰ.根据第一部分实验拟合得到的升温速率与发热电缆间距关系的公式为:

s＝8.3472v^-10.5042；其确定系数R²＝0.93

式中：s——相邻两根发热电缆的距离；

v——升温速率，

式中：ΔT——温度差值；

Δt——升温时间。

根据预期的升温时间和温差，可以计算得出升温速率，根据升温速率即可计算得出电缆匝间距；

Ⅱ.根据第二部分实验拟合得到的升温速率与风速、输入电流关系的公式为:

I＝10.3076×(v+0.3950×w^0.0116)^2.8653其确定系数R²＝0.93

式中：I——输入到发热电缆的电流；

w——发热电缆附近的风速；

v——升温速率，

式中：ΔT——温度差值；

Δt——升温时间。

同理，根据升温速率，即可计算得出电流；

(4)结论

经过对发热电缆间距与升温速率的关系的分析，发现发热电缆间距越大，升温速率越慢。因此，应该尽可能的减小发热电缆间距，从而获得较快的升温速率。随着发热电缆布设间距的增大,升温速率降低,发热电缆的布设间距从4cm变化到8cm时,升温速率下降了3.8％；发热电缆的布设间距从8cm变化到10cm时,升温速率下降了3％；发热电缆的布设间距从10cm变化到14cm时,升温速率下降了8.2％。且间距大于10cm时温度分布不均匀，存在负温区域。因此，在考虑升温速率与温度分布的情况下，发热电缆间距的取值区间为4-10cm，推荐值为6cm。此时升温速率为0.102℃/min，从1℃上升到20℃需要186min。

经过对输入电流、风速与升温速率的关系的分析，发现风速一定的情况下，输入电流越大，升温速率越快。主要原因是输入电流越大，单位时间内发热电缆通电后产生的热量越多，从而导致升温速率增加。因此，应该在保证安全的前提下，尽量增大输入电流，从而获得较快的升温速率。考虑到用电安全和能效，电流一般选取1.3A-2A。输入电流一定的情况下，风速越大，升温速率越慢。主要原因是风速越大，热量散发速度越快，从而导致升温速率降低。故在风速较大时，应该使电源控制器输出较大电压，从而增大输入电流。

本发明的目的是利用发热电缆对浮筒外围的冰进行消融，这样能够很好地防止冰块对浮筒的破坏，保证浮筒的安全；为了实现上述目的，本发明从两方面考虑：

一、尽量将较多的太阳能转换为电能进行储存；即在平面光伏板的基础上增加凹槽；

二、尽量提高能源的利用率；即采用热电偶采集的数据对加热工作进行智能化控制，同时，本发明在大量实验数据的基础上，获得了发热电缆绕制匝间距和加热电流。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种低温环境用游艇码头防冰装置，其特征在于，在游艇码头的外侧包裹有铝制外壳；在所述铝制外壳的外侧绕制有多匝发热电缆，电源通过电源控制器与发热电缆电连接；

所述发热电缆的匝间距s为：

s＝8.3472v^-10.5042；

其中：s为发热电缆的匝间距；v为升温速率，

ΔT为温度差值；Δt为升温时间；

所述发热电缆的工作电流I为：

I＝10.3076×(v+0.3950×w^0.0116)^2.8653；

其中：I为发热电缆的工作电流；w为发热电缆附近的风速。

2.根据权利要求1所述的低温环境用游艇码头防冰装置，其特征在于，所述电源包括太阳能电源和市电两部分，其中，所述太阳能电源包括将太阳能转换为电能的太阳能光伏面板、蓄电池和太阳能控制器；所述太阳能控制器分别与太阳能光伏面板和蓄电池电连接；在该太阳能光伏面板的上表面设有钢化玻璃；在所述钢化玻璃上镀有增透膜。

3.根据权利要求2所述的低温环境用游艇码头防冰装置，其特征在于，所述太阳能光伏面板的上表面为平面。

4.根据权利要求3所述的低温环境用游艇码头防冰装置，其特征在于，所述太阳能光伏面板的上表面开设有矩形凹槽、弧形凹槽、梯形凹槽、V形凹槽中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的低温环境用游艇码头防冰装置，其特征在于，所述蓄电池通过逆变器与电源控制器电连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的低温环境用游艇码头防冰装置，其特征在于，在所述铝制外壳的外壁设置有第一热电偶；在浮筒上设置有第二热电偶；所述电源控制器的I/O端口分别与第一热电偶、第二热电偶的输出端子电连接。

7.一种基于权利要求6所述的低温环境用游艇码头防冰装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、向电源控制器内写入温度阈值；

S2、电源控制器获取第一热电偶、第二热电偶的温度数据；并将每个温度数据与温度阈值进行比较，当满足加热条件时，则电源控制器启动发热电缆，否则发热电缆不工作。

8.根据权利要求7所述的低温环境用游艇码头防冰装置的方法，其特征在于，所述第一热电偶的温度阈值为1℃；所述第二热电偶的温度阈值为20℃；当第一热电偶的温度数据低于1℃时，则电源控制器启动发热电缆，当第二热电偶的温度数据高于20℃时，则电源控制器关闭发热电缆。

9.根据权利要求7所述的低温环境用游艇码头防冰装置的方法，其特征在于，所述电源控制器控制发热电缆的工作过程为：

当第一热电偶的温度数据低于1℃时，则电源控制器向发热电缆提供工作电流I；当第二热电偶的温度数据达到P时，则电源控制器向发热电缆提供保温电流I’；其中：1℃<P<20℃；I’<I。

10.根据权利要求9所述的低温环境用游艇码头防冰装置的方法，其特征在于，所述P＝5℃。

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