基本信息
- 項目名稱：
- 風光動力環(huán)流水體凈化設備
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 古語有云：“流水不腐，戶樞不蠹”。我們所研究的風光動力環(huán)流水體凈化設備，是利用風能和太陽能驅(qū)動水下葉輪轉(zhuǎn)動，使水體形成水平及垂直方向的環(huán)流，以提高水體溶解氧含量，改變藻類的生存條件并為其他水生物創(chuàng)造有利的生存環(huán)境，促使整個水體形成一個完備的生態(tài)圈，恢復并提高水體的自凈能力。此設備無需后期持續(xù)的運行、維護費用，主要應用于流動性較差的水域，真正實現(xiàn)了“節(jié)能減排，綠色能源”的設計理念。
- 詳細介紹：
- 風光動力環(huán)流水體凈化設備詳細介紹 1.研究意義 1.1水中溶解氧（DO）對于水質(zhì)的影響 古語有云：“流水不腐，戶樞不蠹”。溶解氧（dissolved oxygen，DO）指溶解在水中的氧含量。其含量與空氣中的氧分壓、水溫有關(guān)。一般而言，同一地區(qū)空氣中的氧分壓變化甚微，故水溫是主要的影響因素，水溫愈低，水中溶解氧含量愈高。清潔地表水的溶解氧含量接近飽和狀態(tài)。水層越深，溶解氧含量通常愈低，尤其是湖、庫等靜止水體更為明顯。當水中有大量藻類植物生長時，其光合作用釋放出的氧，可使水中溶解氧呈過飽和狀態(tài)。當有機物污染水體或藻類大量死亡時，水中溶解氧可被消耗，若消耗氧的速度大于空氣中的氧通過水面溶入水體的復氧速度，則水中溶解氧持續(xù)降低，進而使水體處于厭氧狀態(tài)，此時水中厭氧微生物繁殖，有機物發(fā)生腐敗分解，生成NH3、H2S等，使水發(fā)臭發(fā)黑。因此，溶解氧含量可作為評價水體受有機物污染及其自凈程度的間接指標，其對水質(zhì)的變化有著重要的影響。 1.2提高DO的基本方法 1）降低水溫：在氣體的水溶解曲線中，明顯能夠看出溫度越低溶解的氧氣越多。主要應用于漁業(yè)運輸，通常的方法是加冰。缺點是不可大范圍應用。 2）增大氣壓：氣壓越大，DO值就會越高，趨近于飽和溶解氧。缺點是只能應用于封閉式容器。 3）水下通氣：把空氣通過氣泵打入水下，可大幅提高DO值。主要應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。缺點是需要大量電能，優(yōu)點是增氧效果顯著。 4）增加水與空氣接觸面積： 主要方法就是使水流動起來。常見于自然界中的流動水，它們的DO值含量都是正常的。缺點是不可大幅度提高DO值，優(yōu)點是可大范圍應用。 1.3環(huán)流的意義 1）定義：在流動系統(tǒng)中,設法讓全部或部分流體沿一定方向、一定路徑循環(huán)流動,稱為環(huán)流。 2）應用：水中的溶氧量在水面表層1cm處最為豐富，越接近底部溶解氧就呈現(xiàn)下降的趨勢，缸底部溶解氧和表層的溶解氧相差數(shù)十倍。我們在水面下，用葉片的轉(zhuǎn)動引起水的波動，攪動水使溶解氧較多表層水和溶解氧較低的底層水不斷進行交換，從而達到環(huán)流，進而使整個水體的溶解氧處于均衡狀態(tài)。 2.模型設計方案 概況：風光動力環(huán)流水體凈化設備以風能和太陽能為動力，以環(huán)流為形式，以增氧為目的，可以實現(xiàn)水體污染的防治。模型設計上的基本原則是輕質(zhì)耐用，低成本高效率。為了實現(xiàn)這兩項原則，我們進行了大量的方案探討和改進。 具體介紹如下： 2.1風能動力部分 1）設計思路：首先，我們確定使用立軸風力葉片。因為立軸較橫軸減少了一步機械能的轉(zhuǎn)換，在小風力條件下更具優(yōu)勢。其次，隨著科技的發(fā)展，人們認識到立軸風輪的尖速比(葉尖處的線速度和風速之比)不能大于1僅僅適用于阻力型風輪(Savonius式風輪) ,而升力型風輪(Darrieus式風輪) 的尖速比甚至可以達到6, 并且其風能利用率也不低于橫軸風輪。因制作難度限制，模型中只使用一組立軸風力活動葉片，實物設計中使用6組立軸風力活動葉片聯(lián)動，共同組成風能動力部分。 2）風力葉片設計：采用活動式葉片作為基本設計思路，當迎面來風時葉片立起，帶動主軸轉(zhuǎn)動，當背風時自動倒下，減少阻力。為了完成此活動葉片的制作，在風力葉片軸上還需加入限位卡，使葉片轉(zhuǎn)動角度控制在30°～85°之間，同時需要精確配比葉片重量，尺寸。 3）制作材料：松木板（300*100*3），直徑3mm的鋼軸，內(nèi)徑3mm軸承，PVC版，鋁錠，安特固膠水等。 2.2太陽能動力部分 采用12V太陽能電池板，以及勻速電機組成太陽能動力部分。太陽能電池板與水平面呈40°角放置于裝置外，電機放置于水下環(huán)流套筒內(nèi)。 2.3水下葉輪 采用下壓式弧形三葉片式葉輪，葉片傾角30°，內(nèi)嵌軸承。第一葉輪穿于直徑3mm鋼軸上，同時軸上做兩個十字支撐，分別內(nèi)嵌軸承，保證旋轉(zhuǎn)時軸不偏移；第二葉輪固定于電機上方，同樣制作一個十字支撐。葉輪材料采用PVC塑料，避免金屬葉輪的腐蝕，同時減輕重量。 2.4增速傳動輪 因為考慮到風速的變化，在微風條件下增氧效果可能達不到預期值，所以我們將風力活動葉片組和水下葉輪分軸放置，通過增速傳動輪傳動，同時實現(xiàn)水下葉輪的增速，提高增氧效果。增速傳動輪兩輪比例為1:4，采用PVC塑料板切割制作，傳動帶采用無伸縮高強度線，既可增大摩擦力防止打滑，又牢固耐用。 2.5支撐、固定 本著經(jīng)濟耐用，透明可觀的原則，所有支撐及固定材料全部采用有機玻璃及PVC塑料，通過安特固膠水及AB膠固定。另外，為了方便演示，觀察效果，特采用有機玻璃桶作為整個裝置的主體部分，在其上粘結(jié)固定風力活動葉片組主軸和水下葉輪軸。 3.設計難點及重點 3.1風力活動葉片組尺寸的確定 風力活動葉片組尺寸，直接關(guān)系到在較小的風速下葉片組能否正常轉(zhuǎn)動，以及能否適應風向的頻繁變換。同時要求風力葉片組具有低重量，高強度（不易彎折）的特性，故選擇了松木板。根據(jù)市場上出售的木板尺寸，初步確定為100mm*200mm*3mm的尺寸，經(jīng)過初步制作發(fā)現(xiàn)葉片尺寸偏小，后改為100mm*300mm*3mm松木板，效果較好。 3.2風力活動葉片組配比重量的確定 活動風力葉片組需要繞軸做起伏運動，軸的安放位置在木板的三分之一處，為了在較小的風力下能使風力活動葉片翻動，需要保證在軸兩側(cè)的木板重力力矩近似相等。經(jīng)過精密計算，確定在較窄一段貼上原木板三分之一寬的木板（33mm*300mm）兩片，短木片一片（33mm*200mm），使風力在翻起葉片時只需要克服軸的摩擦阻力，以此降低風力活動葉片組的最低啟動風速。 3.3風力活動葉片組限位卡的角度確定 風力活動葉片組限位卡起到限制風力活動葉片活動范圍的作用，需要保證在立起時能夠盡可能多地利用風能，在倒下時盡量減小阻力，同時在立起的時候需要較小的風速。根據(jù)實際制作水平，確定風力活動葉片組的活動角度為30°～85°，利用鋼制小棍和PVC塑料板制作成限位卡，與風力葉片軸固定。 3.4水下葉輪制作 水下葉輪是本裝置的核心零部件，通過水下葉輪將上層水壓到底層。根據(jù)設計方案，在市場上沒有找到合適的水下葉輪，故采用手工磨制。首先用CAD打印出圖紙，粘貼在PVC塑料板上，用電動砂輪磨出大致尺寸，之后用砂輪磨出葉輪所需斜面，最后用小挫進行平整。 3.5水下葉輪揚程 由于本裝置置于水中，根據(jù)水泵有效功率公式，使水運動只需要克服水的阻力，以及上下層水的微小密度差。在本裝置的使用范圍內(nèi)，密度差可以忽略，只須考慮水的阻力造成的水頭損失，即：H=H1+H2*2 ，H1為沿程損失，H2為管嘴出流損失。本裝置只需要風力葉片組及太陽能電池板提供較少的能量即可帶動水下葉輪進行上下層水交換，以期達到增氧目的。 3.6傳動輪設計制作方法 傳動輪采用手工制作，利用現(xiàn)有模具將6mm PVC塑料板固定在車床上，利用車床進行加工，之后打孔。每次加工一片，每個傳動輪由兩片粘結(jié)組成，可以形成傳動輪中間的凹槽，防止皮帶脫落，同時增加摩擦力。 4.作品主要創(chuàng)新點 4.1使用綠色能源 此裝置采用分布廣泛、并且連續(xù)的自然資源——風，以及廣泛使用的太陽能，共同作為帶動整個裝置的動力。不像傳統(tǒng)增氧機用電或氣壓等作為能源。起到了節(jié)能的目的。 4.2構(gòu)造簡單 此裝置僅有太陽能動力部分、風力活動葉片組、增速傳動輪及水下葉輪構(gòu)成，構(gòu)造簡易，適宜大量生產(chǎn)使用。即使在使用過程中出現(xiàn)問題，也易于修理和替換。 4.3設計新穎 此裝置采用自行設計的立軸風力活動葉片組，可提高風能利用效率，對于其他利用風能的機械有一定參考和借鑒價值。 4.4使用方便 此裝置無需人員操作，只需在適當位置安置，便可自行運轉(zhuǎn)。 4.5造價低廉 由于裝置的構(gòu)造簡易，并且使用零件及材料性價比較高。整個裝置的造價相對于同等技術(shù)的裝置較低廉。 4.6功能較多，實用性強 采用本裝置除可以起到水污染防治的目的外，還有以下作用：①抑制水體表面結(jié)冰；②增加水體含氧量利于水生物生長；③采用壓水方式抑制漂浮藻類的繁殖。 4.7應用范圍廣 此裝置可廣泛應用于靜水河道、水庫凈化水質(zhì)，又可用于養(yǎng)殖池塘，環(huán)流的特點使氧氣充分且均勻地分布在水中，可抑制水中藻類生長，以凈化水質(zhì)。 4.8裝置效率較高 經(jīng)過實驗以及對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的調(diào)研，此裝置效率較高，皮帶的傳動減小了存在的阻力，上端葉片的獨特構(gòu)造，增大了風的利用率，使風能損失降到較低水平，盡可能將風能充分利用。同時使用太陽能，克服風力條件不足時啟動困難的弊端。 5.預計應用前景 我們所設計的風光動力環(huán)流水體凈化設備，充分詮釋了“節(jié)能減排，綠色能源”的設計理念。它除了可以節(jié)約大量的電能外還能減輕河水水質(zhì)日常管理與污染治理的費用，同時改善水環(huán)境。在具體應用上，可以進行整機的設計和制作，并大量生產(chǎn)，安裝于河湖之內(nèi)，初期成本和運行費用都遠低于電力式增氧機，因此此裝置經(jīng)濟效益十分明顯。風力增氧機部分不必進行儲能，可直接把風能轉(zhuǎn)換成機械能，其能量轉(zhuǎn)換效率很高，整體裝置使用和維護異常簡便，一般地區(qū)的水環(huán)境內(nèi)均可使用，容易推廣和普及。 此裝置較其他早期風力增氧機及以太陽能為動力具有凈水功能的類似裝置具有明顯優(yōu)勢。首先，它采用雙動力工作，分別作用在一個葉輪上推動水體環(huán)流。其次，它可以深入水下進行增氧工作，而非像其他增氧機那樣僅僅依靠表層水體飛濺實現(xiàn)表面水層增氧。再次，我們使用自行設計的活動式立軸風力葉片組，較其他類型風力葉片具有更好的風能利用效率。 綜上所述，此設備通過對DO值的提高，可廣泛應用于飲用水源的凈化和保護，湖泊和水庫等水域的水體富營養(yǎng)化防治，城市河道的治理和維護，生態(tài)景觀水體的治理與維護等，具有極其廣泛的應用前景。 參考文獻： [1] 百度百科 DO值 [2] 百度百科 風能 [3] 百度百科 環(huán)流 [4] 白連祥 風力增氧機 專利號89202736 [5] 徐學淵 輕便型風能增氧機 專利號89214866 [6] 鄒華,楊振華 新型風力增氧機 專利號200720066135 [7] 楊志成,周慧清 太陽能上流式水處理設備 專利號200820080321 [8] 蔣超奇,嚴強 水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較研究 上海電力2007年第2期 [9] 聞德蓀 工程流體力學（水力學）高等教育出版社
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作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 古語有云：“流水不腐，戶樞不蠹”。水中溶解氧（DO）的含量是衡量水體自凈能力的重要指標。使水流動起來，就能增加水中DO的含量，從而提高水體的自凈能力，防治水體污染。我們本著“節(jié)能減排，綠色能源”的設計理念，以風能和太陽能為動力，設計了立軸風力環(huán)流增氧機和太陽能環(huán)流增氧機，二者同時使用便組成了風光動力環(huán)流水體凈化設備。此設備以雙動力各驅(qū)動一個水下葉輪旋轉(zhuǎn)，以向下壓水的方式使水體在局部形成豎直及水平方向的環(huán)流，進而增大水體與空氣的接觸面積來提高水中DO值。 整體思路上，風能部分此裝置利用風力推動立軸風力活動葉片組轉(zhuǎn)動，再通過增速傳動輪帶動水下葉輪轉(zhuǎn)動；太陽能部分通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，帶動另一個水下葉輪轉(zhuǎn)動。兩個水下葉輪類似于軸流泵葉片，都具有微小的揚程，可以達到上層DO高的水與下層DO低的水進行交換形成環(huán)流的目的，提高水體整體DO值，水體DO值改變量即是衡量此機器的主要技術(shù)指標。 本裝置通過立軸風力活動葉片組，將風力直接轉(zhuǎn)化為軸上的扭矩，通過葉片的立起、倒下，達到增大正力矩減小負力矩的目的，克服了橫軸風力機風能利用率低機械結(jié)構(gòu)復雜的缺點，并加入增速傳動輪，最大效率地利用了風能。同時利用太陽能作為動力，克服風力條件較低情況下設備不能正常啟動的弊端，進一步提高裝置效率。 此裝置充分利用綠色能源，構(gòu)造簡單，設計新穎，使用方便，功能較多，效率較高，適用范圍廣泛。獨創(chuàng)立軸風力活動葉片組以及深水環(huán)流凈水思路，其中活動的風力葉片及水下葉輪的制作是技術(shù)關(guān)鍵。
科學性、先進性
- 我們所研究的風光動力環(huán)流水體凈化設備，太陽能部分以太陽能電池板和電機為動力部件，風力部分以獨創(chuàng)的立軸風力活動葉片組為基礎(chǔ)，且并不需要太大的風力，只需讓水下葉輪擁有很小的揚程用來克服水頭損失及水中熱壓差，即可使上下層水形成環(huán)流，增大水體DO值防治水體污染。 本裝置通過利用太陽能及風能使上下層水形成環(huán)流，達到提高水中DO值的目的。太陽能和風能的利用使本裝置無需其他能源的輸入，卻又可以達到凈水的作用，不需采用耗能較高的普通電能增氧裝置。所以從節(jié)能角度講此裝置可謂是最大限度的利用了綠色能源。從治理效果上講，此裝置的應用從根本上防治水體污染，可以減少河湖污水的治理費用，同時優(yōu)化水中生態(tài)環(huán)境，間接減少了人為優(yōu)化生態(tài)環(huán)境的費用。從技術(shù)上講，本裝置獨創(chuàng)立軸風力活動葉片組和深水環(huán)流凈水思路，通過6組立軸風力活動葉片聯(lián)動，以及太陽能電池板帶動電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動兩個水下葉輪轉(zhuǎn)動，以壓水方式形成環(huán)流，增大水中DO值，防治水體污染。較其他同類型裝置，具有效率高、功能多、運行時間長、維護費用低、應用范圍廣等特點。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本裝置的初期作品“立軸風力環(huán)流增氧機”在2011年4月舉辦的“北京建筑工程學院第三屆節(jié)能減排社會實踐與科技創(chuàng)新比賽”中榮獲一等獎，并得到評委老師們的一致認可。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 非專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型 圖紙 現(xiàn)場演示 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 我們所設計的風光動力環(huán)流水體凈化設備以風能和太陽能作為雙動力，除了可以節(jié)約大量的電能外還能減輕河水水質(zhì)日常管理與污染治理的費用，同時改善水環(huán)境。在具體應用上，可以進行整機的設計和制作，并大量生產(chǎn)，安裝于流動性較差的水域，安裝及維護費用很低，因此此裝置經(jīng)濟效益十分明顯。風力增氧機部分不必進行儲能，可直接把風能轉(zhuǎn)換成機械能，其能量轉(zhuǎn)換效率很高。整體裝置使用和維護異常簡便，一般地區(qū)的水環(huán)境內(nèi)均可使用，容易推廣和普及。 此裝置較其他早期風力增氧機及以太陽能為動力具有凈水功能的類似裝置具有明顯優(yōu)勢。首先，它采用雙動力工作，分別作用在一個葉輪上推動水體環(huán)流。其次，它可以深入水下進行增氧工作，而非像其他增氧機那樣僅僅依靠表層水體飛濺實現(xiàn)表面水層增氧。再次，我們使用自行設計的活動式立軸風力葉片組，較其他類型風力葉片具有更好的風能利用效率。 所以，此裝置可廣泛應用于飲用水源的凈化和保護，湖泊和水庫等水域的水體富營養(yǎng)化防治，城市河道的治理和維護，生態(tài)景觀水體的治理與維護等，具有極其廣泛的應用前景。
同類課題研究水平概述
- 截至目前，國內(nèi)外并未找到同時利用風光動力的類似設備，但水體污染防治始終是改善環(huán)境的重要課題?，F(xiàn)將利用綠色能源的水體治理設備描述如下： 一．1990年之前：風力增氧機并未得到廣泛應用，直到80年代末期國內(nèi)才有了相應的專利。例如：申請?zhí)枺?89202736的風力增氧機。由風車、傳動裝置、混氣輪、風舵組成的風力增氧機，風車與機械增氧機構(gòu)直接連接形成整體，并僅有一個錨固點，風車無旋轉(zhuǎn)調(diào)向機構(gòu)，由整機旋轉(zhuǎn)浮動調(diào)節(jié)方向；風舵和混氣輪組成自動調(diào)速機構(gòu)，風舵和混氣輪在工作時產(chǎn)生的側(cè)斜力偶，使風車轉(zhuǎn)速保持在一定范圍內(nèi)。其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、造價低廉，適合于池塘或氧化塘等小面積增氧之用。 二．1990年～2000年：在此期間，陸續(xù)出現(xiàn)的多種類型不同原理的風力增氧機。例如申請?zhí)枺?9214866的輕便型風能增氧機。這是一種用于室外水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的風能增氧機，對魚蝦類有救生增氧作用。它使用天然風能代替電能，功效相當于電能1.5千瓦的葉輪增氧機。 三．2000年之后：以應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)為目的的風力增氧機已沒有太大發(fā)展空間，例如申請?zhí)枺?00720066135的新型風力增氧機，原理和技術(shù)與之前的風力增氧機類似，用風力驅(qū)動風葉帶動風葉主軸旋轉(zhuǎn)，通過換向錐齒輪傳遞給傳動豎軸，進而最后傳遞給撥水器轉(zhuǎn)動軸，帶動撥水器旋轉(zhuǎn)，達到為水池增氧的目的。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，能夠根據(jù)水位的高低自動調(diào)節(jié)撥水器的吃水深度。因為風力增氧機的前景不被看好，所以太陽能式增氧機應運而生。例如已經(jīng)應用于北京沙河水庫的“太陽能上流式水處理設備”（專利號：CN200820080321.7），此設備應用效果良好，但也僅僅局限于增加上層水體DO值。 綜上所述，風力增氧機的應用前景在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)并不被看好，反而是以電能為動力的增氧機常見于魚塘之內(nèi)。究其原因，我們分析有以下兩點：①此類風力增氧機只能提高水體上層DO，而對水體中下層DO值沒有太大影響；②此類風力增氧機效率不高，不能夠滿足魚塘對高DO值的需求，從增氧效果上與電能增氧機相比完全處于劣勢?！疤柲苌狭魇剿幚碓O備”雖然在環(huán)保方面應用效果良好，但無法提高水體下層DO值，具有一定的局限性。而我們的風光動力環(huán)流水體凈化設備，不僅綜合了其他設備的優(yōu)點，還很好的克服了以上弊端。
