CN112591907A

CN112591907A - 一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置

Info

Publication number: CN112591907A
Application number: CN202011260804.7A
Authority: CN
Inventors: 燕文明; 何翔宇; 余钟波; 陈孝兵; 沈华东
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-04-02

Abstract

本发明公开了一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，包括水翼降阻曝气单元、巡航曝气单元、挺水植物吸附单元和动力能源单元。水翼降阻曝气单元应用水翼减小装置与水体的接触面积，降低装置移动过程中所受的阻力，水翼降阻曝气单元还可以控制航行方向，为上层水体进行曝气；巡航曝气单元的曝气头通过升降杆控制，可伸入水下进行深层曝气；挺水植物吸附单元通过植物同化吸收和吸附材料的吸附作用削减水中的污染物；动力能源单元将太阳能和风能转化为电能储蓄在蓄电池中为本装置供能。装置在航行防线遇到障碍物时，可自动改变航向，具有曝气范围更广、功耗更低、环境友好等特点。

Description

一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置

技术领域

本发明属于水环境技术领域，具体涉及一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置。

背景技术

目前已经公开了有多种形式的水环境曝气装置，发明专利201810807675.5公开了“一种基于生态修复用河道增氧机器人”，其可以根据水深调节曝气深度，提升了修复效率，发明专利201920009494.8公开了“一种自动巡航湖泊水体充氧船”，其可以对路径进行设定和更改，保障船体的安全运行，其动力效率和氧化效率得到极大的提高，发明专利201520415668.2公开了“一种河流湖泊高溶氧曝气生态修复装置”，极大的节省能耗，曝气效率更高。

上述的曝气装置虽大多满足曝气增氧要求，但是大多具有曝气范围局限，由于动力源和装置自身阻力的限制，装置一般是在水体中较小的区域内移动，曝气区域偏小或者需要交流电提供曝气动力，曝气功能周期短，增加人力成本，时间成本。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，通过应用水翼降低航行阻力，可以同时对上层水体和中下层水体进行复合曝气，解决了类似曝气装置的高能耗、曝气范围局限等问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，包括PLC控制器、装置平台、水翼降阻曝气单元、巡航曝气单元、挺水植物吸附单元、动力能源单元；

所述水翼降阻曝气单元包括发动机、旋转头、皮带、转轮、螺旋桨；所述螺旋桨位于装置平台下侧方水翼处，所述螺旋桨上安装有用于旋转头，用于通过旋转头改变螺旋桨的角度，从而控制航行方向；螺旋桨与发动机之间通过皮带和转轮传动连接，发动机由动力能源单元提供能源，从而降低装置移动过程中所受的阻力，为上层水体进行曝气；

所述巡航曝气单元包括曝气头、活结、曝气管、升降杆、鼓风机；所述升降杆安装在装置平台底部的中间两侧，升降杆为中空管结构，曝气管穿设在升降杆内，曝气管上端与位于装置平台上的鼓风机相连接，曝气管下端通过活结安装有曝气头，曝气头能够绕活结旋转从而调节曝气方向；曝气头的高度通过升降杆控制，能够伸入水下进行深层曝气；

所述挺水植物吸附单元通过植物同化吸收和吸附材料的吸附作用削减水中的污染物；

所述旋转头与PLC控制器信号连接，用于接收PLC控制器发出的指令，控制装置的航行方向；

所述鼓风机与PLC控制器信号连接，用于接收PLC控制器发出的指令，控制曝气情况。

在一些实施例中，所述动力能源单元包括蓄电池；所述蓄电池与发动机、鼓风机相连。

进一步的，所述动力能源单元还包括风力发电机、太阳能板，所述风力发电机用于将风能转化为电能存储在蓄电池中，所述太阳能板用于将太阳能转化为电能存储在蓄电池中。

在一些实施例中，所述挺水植物吸附单元包括挺水植物、生态吸附材料、浮板、淡水动物、过滤膜；所述挺水植物吸附单元在装置平台的水生植物区从下往上依次铺设过滤膜、生态吸附材料、浮板，挺水植物种植在生态吸附材料上，并由浮板支撑。

进一步的，所述挺水植物吸附单元还包括尼龙网，所述生态吸附材料通过尼龙网包裹。

进一步的，所述挺水植物吸附单元还包括淡水动物，所述淡水动物养殖在浮板下方的水体中。

在一些实施例中，所述生态吸附材料为沸石、陶粒中的一种或两种混合。

在一些实施例中，所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，还包括红外感应器，所述红外感应器安装于装置平台前部，且与PLC控制器信号连接；用于监测装置前方障碍物情况，并上传给PLC控制器，响应于行驶方向一定范围内存在障碍物，PLC控制器发出指令给旋转头控制改变航行方向。

有益效果：本发明提供的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，具有以下优点：

一是能耗降低。基于水翼特点，同样的动力可以让装置在更大面积的水域上自由移动，拓展曝气范围。

二是曝气深度提升。在装置运行的过程中，表层和深层水同时进行曝气，极大改善了曝气范围和效果。

三是生态修复方式多样。水生植物和水生动物的同化吸收作用、微生物的降解作用、吸附材料的吸附作用等多重功能耦合实现水体的生态修复。

四是曝气方式更加智能化。操作简便，易于控制，可根据需要设定航行速度、曝气速率等参数，装置便会自动进入工作，水翼降阻极大增强了装置的续航能力。

附图说明

图1为本发明实施例的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置的整体图；

图2为图1中的A-A剖视图；

图3为图1中的B-B剖视图；

图中：水翼降阻曝气单元1、巡航曝气单元2、挺水植物吸附单元3、动力能源单元4、红外感应器5、发动机6、旋转头7、皮带8、转轮9、螺旋桨10、曝气头11、活结12、曝气管13、升降杆14、PLC控制器15、鼓风机16、挺水植物17、生态吸附材料18、浮板19、淡水动物20、过滤膜21、尼龙绳22、风力发电机23、太阳能板24、蓄电池25。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图3所示，一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，包括PLC控制器15、装置平台、红外感应器5、水翼降阻曝气单元1、巡航曝气单元2、挺水植物吸附单元3、动力能源单元4；

其中水翼降阻曝气单元1包括发动机6、旋转头7、皮带8、转轮9、螺旋桨10；巡航曝气单元2包括曝气头11、活结12、曝气管13、升降杆14、鼓风机16；挺水植物吸附单元3包括挺水植物17、生态吸附材料18、浮板19、淡水动物20、过滤膜21、尼龙网22；动力能源单元4包括风力发电机23、太阳能板24、蓄电池25。

水翼降阻曝气单元应用水翼减小装置与水体的接触面积，降低装置移动过程中所受的阻力，水翼降阻曝气单元还可以控制航行方向，为上层水体进行曝气；巡航曝气单元的曝气头通过升降杆控制，可伸入水下进行深层曝气；挺水植物吸附单元通过植物同化吸收和吸附材料的吸附作用削减水中的污染物；动力能源单元将太阳能和风能转化为电能储蓄在蓄电池中为本装置供能。装置在航行防线遇到障碍物时，可自动改变航向，具有曝气范围更广、功耗更低、环境友好等特点。

所述的水翼降阻曝气单元1中，螺旋桨10位于装置平台下侧方水翼处，水翼选用硬质PVC塑料材料，在螺旋桨正上方装置平台上安装发动机6，水翼结构中间安装有转轮9，螺旋桨10与发动机6通过皮带8和转轮9相连接，发动机6通过输电线与蓄电池25相连接，并接受来自PLC控制器15的指令，按照设定的功率进行工作，带动皮带8后经过转轮9传输，转动螺旋桨10向前行驶。

还包括红外感应器5，所述红外感应器5与PLC控制器14信号连接；用于监测装置前方障碍物情况，并上传给PLC控制器15，响应于行驶方向一定范围内存在障碍物，PLC控制器发出指令给旋转头7控制改变航行方向。

在本实施例中，红外感应器5安装于装置平台前部，在外罩正面开一个小孔，感应器探头从孔里伸出，感应到行驶方向2m范围内有障碍物时，向PLC控制器15上传信息，PLC控制器15接受信息后，通过导线向旋转头7发送指令，顺时针旋转90°，改变航向。

所述的巡航曝气单元2中升降杆14分别安装在装置平台的中间两侧，升降杆14采用中空管形式，曝气管13穿过升降杆内部与装置平台上的鼓风机16相连接，在曝气管13与曝气头11中间安装有活结12，曝气头11可以绕着活结12自由旋转，PLC控制器15放置于蓄电池25前方。

所述的挺水植物吸附单元3中，装置平台尾部为网格状，其上铺有一层过滤膜21，膜上铺设一层生态吸附材料18，诸如沸石、陶粒等，用尼龙网22包裹，放置于浮板19格间，其间栽种挺水植物17，养殖淡水动物20，形成简易生态系统。

所述的动力能源单元4中，风力发电机23布置在装置平台上，通过电线与蓄电池25连接，蓄电池25与太阳能板24布置于装置平台中间，蓄电池安放在太阳能板24下方。风力发电机23和太阳能板24板共同为电源充能，保障其功能使用持久性。

所述旋转头7与PLC控制器14信号连接，用于接收PLC控制器发出的指令，控制装置的航行方向；

所述鼓风机16与PLC控制器14信号连接，用于接收PLC控制器发出的指令，控制曝气情况。

以下结合图1、图2、图3，进一步说明本发明的具体步骤：

步骤一：基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置在除水生植物区外，均有外罩防护，采用PVC硬质塑料，质量小且强度高，装置内部分为两层，上层底板用于安装组件，下层用于铺放各种连接线路。

步骤二：PLC控制器14是装置各种算法的控制中心，可向各自动化部件传输命令并执行，红外传感器5、旋转头7、鼓风机16、蓄电池25等均通过数据线与PLC控制器14直接相连，协同工作。

步骤三：水翼降阻曝气单元1中红外感应器5在外罩的正面和背面均有安装，安装处打开一个小孔，尺寸大小为探头尺寸，红外感应器底部靠墙，通过数据线连接PLC控制器15和蓄电池25，电动机6放置于上层底板上，转轮9安装于水翼的空心区域，电动机6通过皮带8和转轮9，实现与螺旋桨10的联动，旋转头7安装于螺旋桨10头部，通过数据线接受来自PLC控制器15的命令，所有螺旋桨10的连接线都通过水翼中间的空心区域进行连接。

步骤三：巡航曝气单元中2升降杆14安装于装置底部，升降杆14中间用于曝气管13和数据线的存放，曝气管13从升降杆尾部出来后与鼓风机16相连，升降杆头部连接活结12后安装曝气头11。

步骤四：挺水植物吸附单元3中在水生植物区铺设一层过滤膜21，膜上铺有生态吸附材料18，诸如陶粒、沸石等，其上继续安装有浮板19，其间种植挺水植物17并养殖淡水动物20，用尼龙网22包裹浮板19内的吸附材料18，浮板19的支杆具有一定高度，避免挺水植物17倒伏。

步骤五：动力能源单元4中太阳能板24安装在中部，风力发电机23安装于前部和尾部，装置的上端均伸出外罩之外接收能量，风力发电机23和太阳能板24通过电线直接与蓄电池25连接，对其进行充电，通过数据线与PLC控制器15相连接，接受来自充电和断电的命令。

本发明的具体实现过程为：工作人员对PLC控制器进行曝气时间、曝气速率等参数设定后，将装置放入河流湖泊中，装置上安装的太阳能和风力发电机在自然条件下为蓄电池充电，蓄电池则为曝气装置和螺旋桨供能，时间进行到PLC控制器中设置的时间点时，PLC控制器便会向升降杆发送指令，展开曝气头伸向深层的水体，进行深层水体曝气工作，同时水翼螺旋桨按照设定的速率缓慢旋转，推动装置前行，同时搅动表层水体进行曝气，装置前面的红外传感器可以感应范围2m以内的障碍物，从而及时改变行驶方向。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，包括PLC控制器、装置平台、水翼降阻曝气单元、巡航曝气单元、挺水植物吸附单元、动力能源单元；

2.根据权利要求1所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，所述动力能源单元包括蓄电池；所述蓄电池与发动机、鼓风机相连。

3.根据权利要求2所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，所述动力能源单元还包括风力发电机、太阳能板，所述风力发电机用于将风能转化为电能存储在蓄电池中，所述太阳能板用于将太阳能转化为电能存储在蓄电池中。

4.根据权利要求1所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，所述挺水植物吸附单元包括挺水植物、生态吸附材料、浮板、淡水动物、过滤膜；所述挺水植物吸附单元在装置平台的水生植物区从下往上依次铺设过滤膜、生态吸附材料、浮板，挺水植物种植在生态吸附材料上，并由浮板支撑。

5.根据权利要求4所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，所述挺水植物吸附单元还包括尼龙网，所述生态吸附材料通过尼龙网包裹。

6.根据权利要求4所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，所述挺水植物吸附单元还包括淡水动物，所述淡水动物养殖在浮板下方的水体中。

7.根据权利要求4所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，所述生态吸附材料为沸石、陶粒中的一种或两种混合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于水翼降阻的多区域巡航曝气生态修复装置，其特征在于，还包括红外感应器，所述红外感应器安装于装置平台前部，且与PLC控制器信号连接；用于监测装置前方障碍物情况，并上传给PLC控制器，响应于行驶方向一定范围内存在障碍物，PLC控制器发出指令给旋转头控制改变航行方向。