本實用新型涉及緩解近海底層水體缺氧狀況領域，尤其涉及一種利用波浪能的漂浮擺式海洋人工下降流裝置。

背景技術：

溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)是水環(huán)境健康的重要指標。研究表明：水體缺氧(Hypoxia,DO<2mg/L)最終會導致魚蝦等生物將出現(xiàn)不同程度的不適甚至死亡。此外，水體缺氧將改變水體化學循環(huán)過程，導致水體富營養(yǎng)化加劇、有害重金屬離子釋放等事件的發(fā)生，破壞該水域原有的生態(tài)平衡、惡化水質(zhì)條件。

隨著人類在陸地生產(chǎn)活動日益頻繁，水體富營養(yǎng)化、洋流作用和氣候變化等因素使得近岸水體缺氧現(xiàn)象日益嚴重。全球范圍內(nèi)由于缺氧每年損失的生物量約為34.3-73.4萬公噸碳/年。世界資源研究機構(WRI)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：全球近海共479個缺氧區(qū)(Hypoxia Area)，還有55個即將成為缺氧區(qū)。其中，波羅的海、黑海、墨西哥灣，中國東海等地每年季節(jié)性缺氧水域面積已達到上萬平方公里。緩解近海水體缺氧狀況主要通過減少陸基氮磷源排放和人工下增氧技術兩種途徑實現(xiàn)。前者被認為是解決這一問題的根本途徑，但在較短時間周期內(nèi)不顯著；而后者因為具有周期短、效果好的特點近年來備受工程領域關注。

人工下降流技術，作為一種人工增氧技術，目前相關研究工作主要在日本和波羅的海周邊國家開展。日本在Gokasho海灣投放了一臺系統(tǒng)額定功率為5kw，流量為120000m³/day的“拓?！碧柸斯は陆盗飨到y(tǒng)。該系統(tǒng)依托OTEC計劃，利用海水溫差能發(fā)電驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動將表層與底層海水分別抽入混合層。該系統(tǒng)布放三年后，Gokasho海灣赤潮現(xiàn)象有所緩解，缺氧區(qū)面積減少了60％。瑞典科學家Stigebrandt等人在By Fjord進行了區(qū)域性的人工下降流實驗。該系統(tǒng)首先利用風能為水泵供電，再利用水泵將表層富氧水抽入底層缺氧水中改善缺氧區(qū)氧氣條件，流量為2m³/s。瑞典隆德大學Stefan發(fā)明了一種底層海水增氧系統(tǒng)，其原理是利用海流帶動葉輪將底層海水抽至海表面，缺氧水體進過海氣相互作用吸收大氣中的氧氣，獲得高濃度溶解氧并最終在其自身重力下形成下降流沉入海底。該裝置在0.5m/s的海流下預計可形成下降流流量為12000m³/year的下降流。瑞典皇家工學院Christoffer提出利用波浪能實現(xiàn)人工下降流的概念。海浪躍入浮式蓄水池，提升水池內(nèi)水位，形成水池內(nèi)外水位差。在這一水頭差作用下，可形成源源不斷的人工下降流。通過計算，其證明了單根下降流管道可產(chǎn)生的下降流流量為0.15m³/s-0.4m³/s。

上述研究表明：人工下降流技術有望成為提升海底DO濃度，緩解缺氧狀況的有效途徑。然而，現(xiàn)有的人工下降流裝置仍未得到廣泛的工程應用。一些裝置依靠陸基供能，其作用區(qū)域非常有限；一些裝置采用復雜的機電系統(tǒng)進行能量轉(zhuǎn)換，存在效率低、維護成本高的缺點。

技術實現(xiàn)要素：

針對目前人工下降流裝置能耗大、難維護、生存能力弱等缺點，本實用新型提出了一種利用波浪能的漂浮擺式海洋人工下降流裝置，該裝置基于杠桿原理，通過將漂浮浮子所受的波浪力轉(zhuǎn)換為壓力水頭，可將表層富氧水注入底層水體，緩解缺氧狀況，改善水質(zhì)。裝置具有波浪自適應控制系統(tǒng)，可根據(jù)波浪力大小改變自身機械結構從而產(chǎn)生最佳下降流流量，從而高效利用波浪能。此外，在波浪條件較為惡劣環(huán)境下，控制系統(tǒng)將使整個裝置處于待機狀態(tài)，起到過載保護的作用，使得裝置具有良好的生存能力。由于裝置動力系統(tǒng)以機械構件為主，裝置的維護和安裝也比較方便。綜上所述，本實用新型所提出的裝置有望在國內(nèi)外波浪能資源豐富的缺氧海域進行大規(guī)模工程化的應用，緩解大面積的水體缺氧情況。

本實用新型所解決技術問題采用的技術方案如下：一種利用波浪能的浮子式海洋人工下降流裝置，包括：漂浮浮子、機械伸縮臂、連桿、活塞、浮臺、第一單向閥、第二單向閥；所述漂浮浮子固定連接在機械伸縮臂的一端，所述機械伸縮臂的中部與浮臺的上部鉸接，所述浮臺的中心開有通槽，所述活塞設置在所述通槽內(nèi)，與通槽間隙配合；所述連桿的一端與活塞的上表面固定連接，所述連桿的另一端與機械伸縮臂的另一端滑動連接；所述通槽的下端出口處連接有硬質(zhì)管；所述浮臺內(nèi)設有進水通道和恒壓通道，所述進水通道和恒壓通道的一端均與通槽相連通，所述恒壓通道的另一端與進水通道的中部相連通，所述進水通道的另一端與外部相連通；所述活塞設置在進水通道和恒壓通道之間；所述硬質(zhì)管上設置第一單向閥，所述第一單向閥的進水口與通槽下端相連通，所述第二單向閥設置在進水通道上，所述第二單向閥的出水口與通槽相連通，所述恒壓通道的另一端與進水通道的中部相連處位于第二單向閥的進水口的一側。

進一步的，所述硬質(zhì)管的下部連接有軟質(zhì)管。

進一步的，還包括重塊，所述重塊與軟質(zhì)管的下端相連。

進一步的，還包括控制單元；所述控制單元包括壓力傳感器、伸縮臂控制電機、單片機、蓄電池組；所述伸縮臂控制電機與機械伸縮臂相連，所述壓力傳感器設置在活塞的下表面，所述蓄電池組為整個控制單元提供工作電壓；所述壓力傳感器、伸縮臂控制電機均與單片機相連。

進一步的，所述控制單元還包括直流電機和開關閥；所述開關閥設置在進水通道的進水口處，位于所述恒壓通道的另一端與進水通道的中部相連處的外側；所述直流電機與開關閥相連，所述直流電機與單片機相連。

進一步的，所述浮臺的周邊均勻連接有若干錨鏈。

進一步的，所述機械伸縮臂沿伸縮方向上開有長條槽，所述桿件上部開有凹形槽，所述凹形槽上架設有銷軸，所述機械伸縮臂開有長條槽的一端設置在桿件的凹形槽內(nèi)，所述銷軸穿設在長條槽上。

進一步的，所述漂浮浮子采用浮力材料。

進一步的，所述硬質(zhì)管采用PVC管道材料，所述軟質(zhì)管由套在鋼結構圓環(huán)外的帆布構成。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是：1)本實用新型通過漂浮浮子與連桿機構將波浪能轉(zhuǎn)換為壓力水頭，形成源源不斷的下降流，從而改善溶解氧含量過低的底層水體水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。2)本實用新型通過控制單元調(diào)節(jié)機械伸縮臂的長度，可實時改變活塞上的壓力，控制下降流流量處于較優(yōu)范圍。3)本實用新型設置有安全閥，可在活塞壓力過載時停止系統(tǒng)運行，防止機械系統(tǒng)的損壞。4)本實用新型通過硬質(zhì)管和軟質(zhì)管結合的方式運輸下降流，在波浪力的作用下，軟質(zhì)管可以自身產(chǎn)生形變降低剛性應力作用，提高了裝置的生存能力。5)此外，本實用新型裝置組成主要為機械部件，建造成本低，布放維護方便。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的利用波浪能的浮子式海洋人工下降流裝置的結構示意圖；

圖2是本實用新型實施例的浮子連桿示意圖；

圖3是圖1的局部示意圖；

圖中：1漂浮浮子；2機械伸縮臂；3控制單元；4通槽；5連桿；6活塞；7壓力傳感器；8浮臺；9第一單向閥；10開關閥；11進水通道；12硬質(zhì)管；13軟質(zhì)管；14重塊；15錨鏈；16第二單向閥；17恒壓通道；3a伸縮臂控制電機；3b單片機；3c蓄電池組；3d直流電機。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本實用新型作進一步詳細描述：

如圖1所示，本實用新型提供一種利用波浪能的浮子式海洋人工下降流裝置，包括：漂浮浮子1、機械伸縮臂2、連桿5、活塞6、浮臺8、第一單向閥9、第二單向閥16；所述漂浮浮子1通過角鋼片固定連接在機械伸縮臂2的一端，所述機械伸縮臂2的中部與浮臺8的上部鉸接，在波浪作用下做小幅周向往復運動，當波峰經(jīng)過浮子時，浮子受到向上的浮力大于自重從而向上運動；當波谷經(jīng)過浮子時，浮子受到自重大于向上的浮力從而向下運動；所述浮臺8的中心開有通槽4，所述活塞6設置在所述通槽內(nèi)，與通槽間隙配合；所述連桿5的一端與活塞6的上表面固定連接，所述連桿5的另一端與機械伸縮臂2的另一端滑動連接，漂浮浮子1的上下往復運動使得與機械伸縮臂2相連的桿件進行等角速度周向往復運動，進而轉(zhuǎn)化為與活塞6相連的桿件5的垂向直線往復運動；所述通槽的下端出口處連接有硬質(zhì)管12，所述硬質(zhì)管12的下部連接有軟質(zhì)管13，所述軟質(zhì)管13的下端連接有重塊14；所述浮臺8內(nèi)設有進水通道11和恒壓通道17，所述進水通道11和恒壓通道17的一端均與通槽4相連通，所述恒壓通道17的另一端與進水通道11的中部相連通，所述進水通道11的另一端與外部相連通；所述活塞6設置在進水通道11和恒壓通道17之間；所述硬質(zhì)管12上設置第一單向閥9，所述第一單向閥9的進水口與通槽4下端相連通，所述第二單向閥16設置在進水通道11上，所述第二單向閥16的出水口與通槽4相連通，所述恒壓通道17的另一端與進水通道11的中部相連處位于第二單向閥16的進水口的一側。基于上述原理，當波浪波谷經(jīng)過漂浮浮子1時，活塞6將在浮臺8中間的通槽4內(nèi)垂直向上運動，硬質(zhì)管12上的第一單向閥9關閉，進水通道11上的第二單向閥16開啟，表層海水被抽吸至浮臺8中的通槽4內(nèi)；恒壓通道17將活塞6上部水體與表層海水連通，始終維持浮臺8中的通槽4水位與外部表層海水水位相同，從而不至產(chǎn)生壓差阻力。當波浪波峰經(jīng)過漂浮浮子1時，活塞6將在浮臺8中的通槽4內(nèi)垂直向下運動，浮臺進水通道11上的第二單向閥16關閉，硬質(zhì)管12上的第一單向閥9開啟，表層海水克服密度水頭差阻力和沿程阻力后從軟質(zhì)管底部流入底層缺氧水體。需要特別說明的是，浮臺8通過四根周向?qū)ΨQ分布的錨鏈15固定在海面上，加上其質(zhì)量大慣性大的特點，在波浪作用下其垂向運動的幅度較漂浮浮子的運動幅度而言可忽略不計。

圖2和圖3為本實用新型浮子連桿基于杠桿原理的結構示意圖，利用波浪力驅(qū)動表層富氧水體沿軟質(zhì)管克服密度水頭差向下運動，產(chǎn)生下降流。

為了使得本實用新型效果更好，如圖3，本實用新型還包括控制單元3，所述控制單元3通過螺釘直接固定在機械伸縮臂2末端，所述控制單元3包括壓力傳感器7、伸縮臂控制電機3a、單片機3b、蓄電池組3c；所述伸縮臂控制電機3a與機械伸縮臂2相連，所述壓力傳感器7設置在活塞6的下表面，所述蓄電池組3c為整個控制單元3提供工作電壓；所述壓力傳感器7、伸縮臂控制電機3a均與單片機3b相連，這些部分通過水密電纜進行相連并傳遞信號；所述單片機3b可以采用型號為MPS430的單片機，但不限于此。

所述控制單元3還包括直流電機3d和開關閥10；所述開關閥10設置在進水通道11的進水口處，位于所述恒壓通道17的另一端與進水通道11的中部相連處的外側；所述直流電機3d與開關閥10相連，所述直流電機3d與單片機3b相連。

如圖2所示，所述機械伸縮臂2沿伸縮方向上開有長條槽，所述桿件5上部開有凹形槽，所述凹形槽上架設有銷軸，所述機械伸縮臂2開有長條槽的一端設置在桿件5的凹形槽內(nèi)，所述銷軸穿設在長條槽上。

所述漂浮浮子1采用浮力材料；所述硬質(zhì)管12采用PVC管道材料，所述軟質(zhì)管13由套在鋼結構圓環(huán)外的帆布構成。

本實用新型的工作過程如下：將本下降流裝置放置于大海上，在單片機3b上設定允許壓力閾值范圍，當波浪波谷經(jīng)過漂浮浮子1時，活塞6將在浮臺8中間的通槽4內(nèi)垂直向上運動，硬質(zhì)管12上的第一單向閥9關閉，進水通道11上的第二單向閥16開啟，表層海水被抽吸至浮臺8中的通槽4內(nèi)；恒壓通道17將活塞6上部水體與表層海水連通，始終維持浮臺8中的通槽4水位與外部表層海水水位相同，從而不至產(chǎn)生壓差阻力。當波浪波峰經(jīng)過漂浮浮子1時，活塞6將在浮臺8中的通槽4內(nèi)垂直向下運動，浮臺進水通道11上的第二單向閥16關閉，硬質(zhì)管12上的第一單向閥9開啟，表層海水克服密度水頭差阻力和沿程阻力后從軟質(zhì)管底部流入底層缺氧水體。同時，壓力傳感器7實時采集活塞6下表面的壓力數(shù)據(jù)，將該壓力數(shù)值傳遞給單片機3b，單片機3b將該壓力數(shù)值與允許壓力閾值范圍進行比較，通過控制伸縮臂控制電機3a使得該壓力數(shù)值落在允許壓力閾值范圍內(nèi)。在受到大風大浪的情況下，機械伸縮臂2縮短到最短時，壓力傳感器7采集活塞6下表面的壓力數(shù)據(jù)仍超過允許壓力閾值范圍最大值時，單片機3b控制直流電機3d使開關閥10關閉，下降流裝置停止工作。

裝置具體實施方式表明：這種利用波浪能的漂浮浮子式下降流裝置通過將漂浮浮子所受的波浪力轉(zhuǎn)換為壓力水頭，可連續(xù)產(chǎn)生下降流，提升底層缺氧水DO濃度。該裝置根據(jù)波浪力大小改變自身機械結構從而產(chǎn)生最佳下降流流量，高效利用波浪能。此外，在波浪條件較為惡劣環(huán)境下，該裝置將使整個裝置處于待機狀態(tài)，起到過載保護的作用，使得裝置具有良好的生存能力。這充分論證了裝置在可靠性、高效性方面的工程優(yōu)勢。

最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的具體實施例。顯然，本實用新型不限于以上實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內(nèi)容中直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護范圍。