基本信息
- 项目名称：
- 风光动力环流水体净化设备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 古语有云：“流水不腐，户枢不蠹”。我们所研究的风光动力环流水体净化设备，是利用风能和太阳能驱动水下叶轮转动，使水体形成水平及垂直方向的环流，以提高水体溶解氧含量，改变藻类的生存条件并为其他水生物创造有利的生存环境，促使整个水体形成一个完备的生态圈，恢复并提高水体的自净能力。此设备无需后期持续的运行、维护费用，主要应用于流动性较差的水域，真正实现了“节能减排，绿色能源”的设计理念。
- 详细介绍：
- 风光动力环流水体净化设备详细介绍 1.研究意义 1.1水中溶解氧（DO）对于水质的影响 古语有云：“流水不腐，户枢不蠹”。溶解氧（dissolved oxygen，DO）指溶解在水中的氧含量。其含量与空气中的氧分压、水温有关。一般而言，同一地区空气中的氧分压变化甚微，故水温是主要的影响因素，水温愈低，水中溶解氧含量愈高。清洁地表水的溶解氧含量接近饱和状态。水层越深，溶解氧含量通常愈低，尤其是湖、库等静止水体更为明显。当水中有大量藻类植物生长时，其光合作用释放出的氧，可使水中溶解氧呈过饱和状态。当有机物污染水体或藻类大量死亡时，水中溶解氧可被消耗，若消耗氧的速度大于空气中的氧通过水面溶入水体的复氧速度，则水中溶解氧持续降低，进而使水体处于厌氧状态，此时水中厌氧微生物繁殖，有机物发生腐败分解，生成NH3、H2S等，使水发臭发黑。因此，溶解氧含量可作为评价水体受有机物污染及其自净程度的间接指标，其对水质的变化有着重要的影响。 1.2提高DO的基本方法 1）降低水温：在气体的水溶解曲线中，明显能够看出温度越低溶解的氧气越多。主要应用于渔业运输，通常的方法是加冰。缺点是不可大范围应用。 2）增大气压：气压越大，DO值就会越高，趋近于饱和溶解氧。缺点是只能应用于封闭式容器。 3）水下通气：把空气通过气泵打入水下，可大幅提高DO值。主要应用于水产养殖业。缺点是需要大量电能，优点是增氧效果显著。 4）增加水与空气接触面积： 主要方法就是使水流动起来。常见于自然界中的流动水，它们的DO值含量都是正常的。缺点是不可大幅度提高DO值，优点是可大范围应用。 1.3环流的意义 1）定义：在流动系统中,设法让全部或部分流体沿一定方向、一定路径循环流动,称为环流。 2）应用：水中的溶氧量在水面表层1cm处最为丰富，越接近底部溶解氧就呈现下降的趋势，缸底部溶解氧和表层的溶解氧相差数十倍。我们在水面下，用叶片的转动引起水的波动，搅动水使溶解氧较多表层水和溶解氧较低的底层水不断进行交换，从而达到环流，进而使整个水体的溶解氧处于均衡状态。 2.模型设计方案 概况：风光动力环流水体净化设备以风能和太阳能为动力，以环流为形式，以增氧为目的，可以实现水体污染的防治。模型设计上的基本原则是轻质耐用，低成本高效率。为了实现这两项原则，我们进行了大量的方案探讨和改进。 具体介绍如下： 2.1风能动力部分 1）设计思路：首先，我们确定使用立轴风力叶片。因为立轴较横轴减少了一步机械能的转换，在小风力条件下更具优势。其次，随着科技的发展，人们认识到立轴风轮的尖速比(叶尖处的线速度和风速之比)不能大于1仅仅适用于阻力型风轮(Savonius式风轮) ,而升力型风轮(Darrieus式风轮) 的尖速比甚至可以达到6, 并且其风能利用率也不低于横轴风轮。因制作难度限制，模型中只使用一组立轴风力活动叶片，实物设计中使用6组立轴风力活动叶片联动，共同组成风能动力部分。 2）风力叶片设计：采用活动式叶片作为基本设计思路，当迎面来风时叶片立起，带动主轴转动，当背风时自动倒下，减少阻力。为了完成此活动叶片的制作，在风力叶片轴上还需加入限位卡，使叶片转动角度控制在30°～85°之间，同时需要精确配比叶片重量，尺寸。 3）制作材料：松木板（300*100*3），直径3mm的钢轴，内径3mm轴承，PVC版，铝锭，安特固胶水等。 2.2太阳能动力部分 采用12V太阳能电池板，以及匀速电机组成太阳能动力部分。太阳能电池板与水平面呈40°角放置于装置外，电机放置于水下环流套筒内。 2.3水下叶轮 采用下压式弧形三叶片式叶轮，叶片倾角30°，内嵌轴承。第一叶轮穿于直径3mm钢轴上，同时轴上做两个十字支撑，分别内嵌轴承，保证旋转时轴不偏移；第二叶轮固定于电机上方，同样制作一个十字支撑。叶轮材料采用PVC塑料，避免金属叶轮的腐蚀，同时减轻重量。 2.4增速传动轮 因为考虑到风速的变化，在微风条件下增氧效果可能达不到预期值，所以我们将风力活动叶片组和水下叶轮分轴放置，通过增速传动轮传动，同时实现水下叶轮的增速，提高增氧效果。增速传动轮两轮比例为1:4，采用PVC塑料板切割制作，传动带采用无伸缩高强度线，既可增大摩擦力防止打滑，又牢固耐用。 2.5支撑、固定 本着经济耐用，透明可观的原则，所有支撑及固定材料全部采用有机玻璃及PVC塑料，通过安特固胶水及AB胶固定。另外，为了方便演示，观察效果，特采用有机玻璃桶作为整个装置的主体部分，在其上粘结固定风力活动叶片组主轴和水下叶轮轴。 3.设计难点及重点 3.1风力活动叶片组尺寸的确定 风力活动叶片组尺寸，直接关系到在较小的风速下叶片组能否正常转动，以及能否适应风向的频繁变换。同时要求风力叶片组具有低重量，高强度（不易弯折）的特性，故选择了松木板。根据市场上出售的木板尺寸，初步确定为100mm*200mm*3mm的尺寸，经过初步制作发现叶片尺寸偏小，后改为100mm*300mm*3mm松木板，效果较好。 3.2风力活动叶片组配比重量的确定 活动风力叶片组需要绕轴做起伏运动，轴的安放位置在木板的三分之一处，为了在较小的风力下能使风力活动叶片翻动，需要保证在轴两侧的木板重力力矩近似相等。经过精密计算，确定在较窄一段贴上原木板三分之一宽的木板（33mm*300mm）两片，短木片一片（33mm*200mm），使风力在翻起叶片时只需要克服轴的摩擦阻力，以此降低风力活动叶片组的最低启动风速。 3.3风力活动叶片组限位卡的角度确定 风力活动叶片组限位卡起到限制风力活动叶片活动范围的作用，需要保证在立起时能够尽可能多地利用风能，在倒下时尽量减小阻力，同时在立起的时候需要较小的风速。根据实际制作水平，确定风力活动叶片组的活动角度为30°～85°，利用钢制小棍和PVC塑料板制作成限位卡，与风力叶片轴固定。 3.4水下叶轮制作 水下叶轮是本装置的核心零部件，通过水下叶轮将上层水压到底层。根据设计方案，在市场上没有找到合适的水下叶轮，故采用手工磨制。首先用CAD打印出图纸，粘贴在PVC塑料板上，用电动砂轮磨出大致尺寸，之后用砂轮磨出叶轮所需斜面，最后用小挫进行平整。 3.5水下叶轮扬程 由于本装置置于水中，根据水泵有效功率公式，使水运动只需要克服水的阻力，以及上下层水的微小密度差。在本装置的使用范围内，密度差可以忽略，只须考虑水的阻力造成的水头损失，即：H=H1+H2*2 ，H1为沿程损失，H2为管嘴出流损失。本装置只需要风力叶片组及太阳能电池板提供较少的能量即可带动水下叶轮进行上下层水交换，以期达到增氧目的。 3.6传动轮设计制作方法 传动轮采用手工制作，利用现有模具将6mm PVC塑料板固定在车床上，利用车床进行加工，之后打孔。每次加工一片，每个传动轮由两片粘结组成，可以形成传动轮中间的凹槽，防止皮带脱落，同时增加摩擦力。 4.作品主要创新点 4.1使用绿色能源 此装置采用分布广泛、并且连续的自然资源——风，以及广泛使用的太阳能，共同作为带动整个装置的动力。不像传统增氧机用电或气压等作为能源。起到了节能的目的。 4.2构造简单 此装置仅有太阳能动力部分、风力活动叶片组、增速传动轮及水下叶轮构成，构造简易，适宜大量生产使用。即使在使用过程中出现问题，也易于修理和替换。 4.3设计新颖 此装置采用自行设计的立轴风力活动叶片组，可提高风能利用效率，对于其他利用风能的机械有一定参考和借鉴价值。 4.4使用方便 此装置无需人员操作，只需在适当位置安置，便可自行运转。 4.5造价低廉 由于装置的构造简易，并且使用零件及材料性价比较高。整个装置的造价相对于同等技术的装置较低廉。 4.6功能较多，实用性强 采用本装置除可以起到水污染防治的目的外，还有以下作用：①抑制水体表面结冰；②增加水体含氧量利于水生物生长；③采用压水方式抑制漂浮藻类的繁殖。 4.7应用范围广 此装置可广泛应用于静水河道、水库净化水质，又可用于养殖池塘，环流的特点使氧气充分且均匀地分布在水中，可抑制水中藻类生长，以净化水质。 4.8装置效率较高 经过实验以及对现有数据的调研，此装置效率较高，皮带的传动减小了存在的阻力，上端叶片的独特构造，增大了风的利用率，使风能损失降到较低水平，尽可能将风能充分利用。同时使用太阳能，克服风力条件不足时启动困难的弊端。 5.预计应用前景 我们所设计的风光动力环流水体净化设备，充分诠释了“节能减排，绿色能源”的设计理念。它除了可以节约大量的电能外还能减轻河水水质日常管理与污染治理的费用，同时改善水环境。在具体应用上，可以进行整机的设计和制作，并大量生产，安装于河湖之内，初期成本和运行费用都远低于电力式增氧机，因此此装置经济效益十分明显。风力增氧机部分不必进行储能，可直接把风能转换成机械能，其能量转换效率很高，整体装置使用和维护异常简便，一般地区的水环境内均可使用，容易推广和普及。 此装置较其他早期风力增氧机及以太阳能为动力具有净水功能的类似装置具有明显优势。首先，它采用双动力工作，分别作用在一个叶轮上推动水体环流。其次，它可以深入水下进行增氧工作，而非像其他增氧机那样仅仅依靠表层水体飞溅实现表面水层增氧。再次，我们使用自行设计的活动式立轴风力叶片组，较其他类型风力叶片具有更好的风能利用效率。 综上所述，此设备通过对DO值的提高，可广泛应用于饮用水源的净化和保护，湖泊和水库等水域的水体富营养化防治，城市河道的治理和维护，生态景观水体的治理与维护等，具有极其广泛的应用前景。 参考文献： [1] 百度百科 DO值 [2] 百度百科 风能 [3] 百度百科 环流 [4] 白连祥 风力增氧机 专利号89202736 [5] 徐学渊 轻便型风能增氧机 专利号89214866 [6] 邹华,杨振华 新型风力增氧机 专利号200720066135 [7] 杨志成,周慧清 太阳能上流式水处理设备 专利号200820080321 [8] 蒋超奇,严强 水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究 上海电力2007年第2期 [9] 闻德荪 工程流体力学（水力学）高等教育出版社
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 古语有云：“流水不腐，户枢不蠹”。水中溶解氧（DO）的含量是衡量水体自净能力的重要指标。使水流动起来，就能增加水中DO的含量，从而提高水体的自净能力，防治水体污染。我们本着“节能减排，绿色能源”的设计理念，以风能和太阳能为动力，设计了立轴风力环流增氧机和太阳能环流增氧机，二者同时使用便组成了风光动力环流水体净化设备。此设备以双动力各驱动一个水下叶轮旋转，以向下压水的方式使水体在局部形成竖直及水平方向的环流，进而增大水体与空气的接触面积来提高水中DO值。 整体思路上，风能部分此装置利用风力推动立轴风力活动叶片组转动，再通过增速传动轮带动水下叶轮转动；太阳能部分通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，驱动电机转动，带动另一个水下叶轮转动。两个水下叶轮类似于轴流泵叶片，都具有微小的扬程，可以达到上层DO高的水与下层DO低的水进行交换形成环流的目的，提高水体整体DO值，水体DO值改变量即是衡量此机器的主要技术指标。 本装置通过立轴风力活动叶片组，将风力直接转化为轴上的扭矩，通过叶片的立起、倒下，达到增大正力矩减小负力矩的目的，克服了横轴风力机风能利用率低机械结构复杂的缺点，并加入增速传动轮，最大效率地利用了风能。同时利用太阳能作为动力，克服风力条件较低情况下设备不能正常启动的弊端，进一步提高装置效率。 此装置充分利用绿色能源，构造简单，设计新颖，使用方便，功能较多，效率较高，适用范围广泛。独创立轴风力活动叶片组以及深水环流净水思路，其中活动的风力叶片及水下叶轮的制作是技术关键。
科学性、先进性
- 我们所研究的风光动力环流水体净化设备，太阳能部分以太阳能电池板和电机为动力部件，风力部分以独创的立轴风力活动叶片组为基础，且并不需要太大的风力，只需让水下叶轮拥有很小的扬程用来克服水头损失及水中热压差，即可使上下层水形成环流，增大水体DO值防治水体污染。 本装置通过利用太阳能及风能使上下层水形成环流，达到提高水中DO值的目的。太阳能和风能的利用使本装置无需其他能源的输入，却又可以达到净水的作用，不需采用耗能较高的普通电能增氧装置。所以从节能角度讲此装置可谓是最大限度的利用了绿色能源。从治理效果上讲，此装置的应用从根本上防治水体污染，可以减少河湖污水的治理费用，同时优化水中生态环境，间接减少了人为优化生态环境的费用。从技术上讲，本装置独创立轴风力活动叶片组和深水环流净水思路，通过6组立轴风力活动叶片联动，以及太阳能电池板带动电机转动，驱动两个水下叶轮转动，以压水方式形成环流，增大水中DO值，防治水体污染。较其他同类型装置，具有效率高、功能多、运行时间长、维护费用低、应用范围广等特点。
获奖情况及鉴定结果
- 本装置的初期作品“立轴风力环流增氧机”在2011年4月举办的“北京建筑工程学院第三届节能减排社会实践与科技创新比赛”中荣获一等奖，并得到评委老师们的一致认可。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 非专利技术转让
作品可展示的形式
- 模型 图纸 现场演示 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 我们所设计的风光动力环流水体净化设备以风能和太阳能作为双动力，除了可以节约大量的电能外还能减轻河水水质日常管理与污染治理的费用，同时改善水环境。在具体应用上，可以进行整机的设计和制作，并大量生产，安装于流动性较差的水域，安装及维护费用很低，因此此装置经济效益十分明显。风力增氧机部分不必进行储能，可直接把风能转换成机械能，其能量转换效率很高。整体装置使用和维护异常简便，一般地区的水环境内均可使用，容易推广和普及。 此装置较其他早期风力增氧机及以太阳能为动力具有净水功能的类似装置具有明显优势。首先，它采用双动力工作，分别作用在一个叶轮上推动水体环流。其次，它可以深入水下进行增氧工作，而非像其他增氧机那样仅仅依靠表层水体飞溅实现表面水层增氧。再次，我们使用自行设计的活动式立轴风力叶片组，较其他类型风力叶片具有更好的风能利用效率。 所以，此装置可广泛应用于饮用水源的净化和保护，湖泊和水库等水域的水体富营养化防治，城市河道的治理和维护，生态景观水体的治理与维护等，具有极其广泛的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 截至目前，国内外并未找到同时利用风光动力的类似设备，但水体污染防治始终是改善环境的重要课题。现将利用绿色能源的水体治理设备描述如下： 一．1990年之前：风力增氧机并未得到广泛应用，直到80年代末期国内才有了相应的专利。例如：申请号： 89202736的风力增氧机。由风车、传动装置、混气轮、风舵组成的风力增氧机，风车与机械增氧机构直接连接形成整体，并仅有一个锚固点，风车无旋转调向机构，由整机旋转浮动调节方向；风舵和混气轮组成自动调速机构，风舵和混气轮在工作时产生的侧斜力偶，使风车转速保持在一定范围内。其结构简单、制造容易、造价低廉，适合于池塘或氧化塘等小面积增氧之用。 二．1990年～2000年：在此期间，陆续出现的多种类型不同原理的风力增氧机。例如申请号：89214866的轻便型风能增氧机。这是一种用于室外水产养殖业的风能增氧机，对鱼虾类有救生增氧作用。它使用天然风能代替电能，功效相当于电能1.5千瓦的叶轮增氧机。 三．2000年之后：以应用于水产养殖业为目的的风力增氧机已没有太大发展空间，例如申请号：200720066135的新型风力增氧机，原理和技术与之前的风力增氧机类似，用风力驱动风叶带动风叶主轴旋转，通过换向锥齿轮传递给传动竖轴，进而最后传递给拨水器转动轴，带动拨水器旋转，达到为水池增氧的目的。该装置结构简单，制造方便，能够根据水位的高低自动调节拨水器的吃水深度。因为风力增氧机的前景不被看好，所以太阳能式增氧机应运而生。例如已经应用于北京沙河水库的“太阳能上流式水处理设备”（专利号：CN200820080321.7），此设备应用效果良好，但也仅仅局限于增加上层水体DO值。 综上所述，风力增氧机的应用前景在水产养殖业并不被看好，反而是以电能为动力的增氧机常见于鱼塘之内。究其原因，我们分析有以下两点：①此类风力增氧机只能提高水体上层DO，而对水体中下层DO值没有太大影响；②此类风力增氧机效率不高，不能够满足鱼塘对高DO值的需求，从增氧效果上与电能增氧机相比完全处于劣势。“太阳能上流式水处理设备”虽然在环保方面应用效果良好，但无法提高水体下层DO值，具有一定的局限性。而我们的风光动力环流水体净化设备，不仅综合了其他设备的优点，还很好的克服了以上弊端。
