阅读说明：本技术 一种自供电的全方位集成式超声除藻装置及其工作方法 (Self-powered omnibearing integrated ultrasonic algae removal device and working method thereof ) 是由 王亮 王健安 周楚新 赵淳生 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自供电的全方位集成式超声除藻装置及其工作方法,包括太阳能供电驱动控制一体化模块、承载装置、连接装置、超声探头模块以及水质检测装置；所述供电驱动一体化模块由光伏发电系统、具有内腔的多边形锥形外壳、超声探头驱动系统和储电装置组成,所述超声探头模块由箱体、变截面兰杰文压电换能器和一个环形构件组成；所述变截面兰杰文压电换能器包含法兰盘、发射端、配重块、预紧螺栓、四片带中心圆孔的圆形压电陶瓷片组成。通过太阳能日间发电输入到驱动系统和储电系统,实现本发明装置全方位的超声除藻功能。本发明装置基于可循环能源,具有绿色除藻、无污染、辐射范围广、除藻效果好等优点。(The invention discloses a self-powered omnibearing integrated ultrasonic algae removal device and a working method thereof, wherein the self-powered omnibearing integrated ultrasonic algae removal device comprises a solar power supply drive control integrated module, a bearing device, a connecting device, an ultrasonic probe module and a water quality detection device; the power supply and drive integrated module consists of a photovoltaic power generation system, a polygonal conical shell with an inner cavity, an ultrasonic probe drive system and a power storage device, wherein the ultrasonic probe module consists of a box body, a variable-section Langervin piezoelectric transducer and an annular component; the variable cross-section Langevin piezoelectric transducer comprises a flange plate, a transmitting end, a balancing weight, a pre-tightening bolt and four round piezoelectric ceramic plates with central round holes. The solar energy daytime power generation is input into the driving system and the power storage system, so that the omnibearing ultrasonic algae removal function of the device is realized. The device provided by the invention is based on recyclable energy, and has the advantages of green algae removal, no pollution, wide radiation range, good algae removal effect and the like.)

一种自供电的全方位集成式超声除藻装置及其工作方法

技术领域

本发明属于生态除藻技术领域，具体涉及一种自供电的全方位集成式超声除藻装置及其工作方法。

背景技术

水体富营养化现象的出现，使得湖泊、池塘以及水库等缓流水体中的水生植物和浮游植物利用水中的营养物质迅速繁殖，导致水中的溶解氧含量降低，造成水质恶化，水体中氧气含量减少从而影响水生生物甚至另其死亡，进而影响水体生态系统。采用无污染的方法来抑制水体富营养化对于治理水体污染具有重要意义。目前，多个国际机构或生物实验室已经通过相关实验证明利用超声技术可以抑制水体中的藻类的生长和繁殖，从而改变水华现象，实现对水体的清洁和去污。国外一些企业已经开发了控制藻类生长和繁殖的超声设备，并实现了商业化。对于大面积的湖泊或者水库，要抑制全水面的蓝藻生长，需要设置多个超声发生装置。因此，若能实现自供电的超声发生装置对于长期抑制水体中的藻类具有重要的意义。荷兰LG Sonic公司研制了可覆盖直径500米范围的基于太阳能供电的超声除藻装置，包含三个超声探头实现水域中的声场辐射，每个换能器要承担120°的超声辐射任务，对于此类传统超声探头必然存在一定的死角无法全方位辐射声波进行除藻作业。再加之超声波在水中传播的非线性以及衰减特性，理论上的水域中的超声波辐射角度随着水体范围的扩大衰减严重。

为了实现全方位大面积除藻及防止装置过于复杂，本发明提出了太阳能发电并储电的自供电方案对360°全方位辐射超声波的探头进行供电，实现全方位、全天候的高效超声除藻，避免了除藻作业中由于存在辐射死角而引起的除藻不彻底以及夜间出现断电或者无电供应情况的发生而影响超声除藻效果。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自供电的全方位集成式超声除藻装置及其工作方法，以解决现有技术中传统超声除藻装置辐射方向单一，辐射范围存在死角的问题，本发明基于多种振动模式提出了驻波、驻波与行波协同除藻的自供电方案来对超声探头进行供电，实现全天候、全方位的高效超声除藻方案。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种自供电的全方位集成式超声除藻装置，包括：太阳能供电驱动控制一体化模块、承载装置、连接装置、超声探头模块和水质检测装置；

所述太阳能供电驱动控制一体化模块包括光伏发电系统、具有内腔的多边形锥形外壳、超声波发生器和储电装置；

所述光伏发电系统设置在多边形锥形外壳的表面，用于吸收不同角度的太阳能，从而转化为电能存储到储电装置；

所述储电装置对太阳能供电驱动一体化模块、超声探头模块以及水质检测装置进行不间断供电；超声波发生器实现对超声探头模块的驱动控制；

所述超声波发生器和储电装置设置在多边形锥形外壳的腔体内部；

所述承载装置包括：浮箱、环形框、支撑梁；

所述支撑梁的两端分别与所述环形框的内侧和所述连接装置的柱面相连；所述浮箱固定在支撑梁的上表面；

所述超声探头模块包括：一个箱体、四个变截面兰杰文压电换能器和一个环形构件，四个变截面兰杰文压电换能器通过环形构件连接，箱体与四个变截面兰杰文压电换能器之间通过法兰盘固定；

所述变截面兰杰文压电换能器包括：法兰盘、发射端、配重块、预紧螺栓、四片带中心圆孔的圆形压电陶瓷片、平面梁；通过预紧螺栓将配重块、平面梁、带中心圆孔的圆形压电陶瓷片和发射端依次安装在一起。

进一步地，所述水质检测装置实时监测水中叶绿素-a、藻青蛋白含量以及PH值等参数并将结果反馈到超声波发生器，超声波发生器根据上述参数结果实时调节除藻频率和输出功率，实现高效除藻。

进一步地，所述法兰盘位于第二片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片与第三片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片之间，用于固定变截面兰杰文压电换能器在箱体中的相对位置。

进一步地，所述发射端设计为喇叭形变截面放大结构且存在内腔。

进一步地，所述带中心圆孔的圆形压电陶瓷片沿着厚度方向极化。

进一步地，所述相邻的两片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片的极化方向相反。

进一步地，所述法兰盘位于所述超声探头模块的振动节点位置。

进一步地，所述超声探头模块发射的功率以及工作频率分别与需要覆盖的除藻范围和对应去除藻类的类别有关。

进一步地，所述四个变截面兰杰文压电换能器发射面方向形成四个加强辐射区，同时环形构件周向形成弱辐射区，配合浮箱控制整个除藻装置上浮下潜，实现全方位360°超声波除藻。

进一步地，所述带中心圆孔的压电陶瓷片均为纵振压电陶瓷片。

进一步地，所述压电陶瓷表面涂有环氧树脂进行绝缘处理。

进一步地，所述箱体内充满了超声耦合剂，既避免了超声波的反射又将整体集成到超声探头模块。

本发明装置中，所述光伏发电系统接收太阳辐照，将太阳能转化为电能存储到储电装置；所述储电装置将电能供给超声波发生器、超声探头模块和水质检测装置；水质检测装置实时监测水中叶绿素-a、藻青蛋白含量以及PH值等参数并将结果反馈至超声波发生器，超声波发生器根据上述结果实时调节除藻频率和输出功率改变超声探头的工作频率；承载装置通过连接装置将太阳能驱动一体化模块、超声探头模块以及水质检测装置固连起来，改变浮力大小进而改变整个除藻装置在水面的相对位置。

本发明装置通过光伏发电系统依赖白天的太阳能进行发电并存储到储电装置；实现对除藻装置进行全天候实时供电。

本发明的一种自供电的全方位集成式超声除藻装置的工作方法，基于上述装置，包括步骤如下：

单一驻波辐射：四个圆形压电陶瓷片接收电信号激励变截面兰杰文压电换能器产生2m+1阶纵向振动模态沿着纵振波方向发射超声波从而抑制藻类生长，其中，m≥0且m为整数；当同时激励四个变截面兰杰文压电换能器时，四个变截面兰杰文压电换能器同时纵向振动在环形构件上激励出具有n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态，从而沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长，n≥4，且四个变截面兰杰文压电换能器同时位于环形构件的波峰或波谷位置。

本发明的一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置的工作方法，基于上述装置，包括步骤如下：

驻波与行波协同辐射：以不相邻的两个变截面兰杰文压电换能器为一组将四个变截面兰杰文压电换能器分为两组分别施加具有两相具有90°相位差的电信号，激励两组变截面兰杰文压电换能器产生具有90°时间相位差的2m+1阶纵向振动模态沿着纵振波方向发射超声波，其中，m≥0且m为整数；使环形构件呈现两相绕圆周方向的同行n阶面内弯振模态，n≥2；其中，当第一组兰杰文压电换能器与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的波峰或波谷状态时，另一组兰杰文压电换能器与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的节点位置，环形构件上的两相同形n阶面内弯振模态在空间上存在着π/2的相位差；保证四个变截面兰杰文压电换能器产生的纵向振动的激励频率一致，两相在空间上和时间上都具有π/2相位差的同形n阶面内弯振模态在环形构件上将耦合形成沿圆周方向行进的n阶弯曲行波，从而沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长。

本发明的有益效果：

本发明装置通过纵振与面内弯振的配合分成两种工作模式，通过两种不同的加电方式，产生单一驻波辐射的工作方式一和驻波与环形行波协同辐射的工作方式二。其中，工作方式一采用单相电驱动实现全方位超声波辐射除藻，满足绝大部分工况；工作方式二采用两相电驱动方式，利用行波特性实现环形构件上弯振模态的周向移动，实现更高要求的除藻净水功能。

本发明中控制超声探头产生的超声波辐射的覆盖范围，能够有效地抑制蓝藻的生长和繁殖，同时降低能耗。此外，利用储能装置，充分利用无污染的太阳能实现全天候的发电对超声探头进行供电，有效利用太阳能转换的电能在避免白天电能浪费的同时实现了全天候供电。

本发明的装置具有结构简单、集成度高、控制系统简单、除藻效果好、安装拆卸方便、可控性好等优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为供电驱动一体化模块的结构示意图。

图3为供电驱动一体化模块的半剖视图图。

图4为承载装置的结构示意图。

图5为超声探头模块的结构示意图。

图6为Z向的超声探头模块剖视图。

图7为单个变截面兰杰文压电换能器结构示意图。

图8为法兰盘的结构示意图。

图9为压电陶瓷片的布局图。

图10为相邻两片压电陶瓷片极化的结构示意图。

图11 为变截面兰杰文压电换能器纵振时环形构件上的振动模态示意图。

图12为环形构件上两个同形四阶面内弯振耦合成行波的示意图。

图13为本发明装置工作时超声波辐射的简图。

其中：1-太阳能供电驱动控制一体化模块，11-光伏发电系统，12-具有内腔的多边形锥形外壳，13-超声波发生器，14-储电装置，2-承载装置，21-浮箱，22-环形框，23-支撑梁，4-超声探头模块，41-箱体，42-变截面兰杰文压电换能器，43-环形构件，44-法兰盘，45-发射端，46-配重块，47-预紧螺栓，48-压电陶瓷片，49-平面梁，40-超声耦合剂，5-水质检测装置，6-sin信号激励时变截面兰杰文压电换能器上的纵振模态，7- cos信号激励时变截面兰杰文压电换能器上的纵振模态，8-sin信号激励时环形构件上对应的面内弯振模态，9-cos信号激励时环形构件上对应的面内弯振模态。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1至图13所示，本发明的一种自供电的全方位集成式超声除藻装置，包括：太阳能供电驱动控制一体化模块1、承载装置2、连接装置3和超声探头模块4；

如图2所示，所述太阳能供电驱动控制一体化模块1包括光伏发电系统11、具有内腔的多边形锥形外壳12、超声波发生器13和储电装置14；

所述光伏发电系统11设置在多边形锥形外壳12的表面，用于吸收不同角度的太阳能，从而转化为电能存储到储电装置14；

所述储电装置14对整个太阳能供电驱动一体化模块1、超声探头模块4以及水质检测装置5进行不间断供电；超声波发生器13实现对超声探头模块4的驱动控制；

所述超声波发生器13和储电装置14设置在多边形锥形外壳12的腔体内部；

所述承载装置2包括：浮箱21、环形框22、支撑梁23；

所述支撑梁23的两端分别与所述环形框22的内侧和所述连接装置3的柱面相连；所述浮箱21固定在支撑梁23的上表面；

所述超声探头模块4包括：一个箱体41、四个变截面兰杰文压电换能器42和一个环形构件43，四个变截面兰杰文压电换能器42通过环形构件43连接，箱体41与四个变截面兰杰文压电换能器42之间通过法兰盘44固定；

所述变截面兰杰文压电换能器42包括：法兰盘44、发射端45、配重块46、预紧螺栓47、四片带中心圆孔的圆形压电陶瓷片48；通过预紧螺栓47将配重块46、平面梁49、带中心圆孔的圆形压电陶瓷片48和发射端45依次安装在一起。

所述装置还包括：水质检测装置5，其位于超声探头模块4底部，实时监测水中叶绿素-a、藻青蛋白含量以及PH值等参数并将结果反馈到超声波发生器13，超声波发生器13根据上述结果实时调节除藻频率和输出功率，实现高效除藻。

所述法兰盘44位于第二片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片48与第三片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片48之间，用于固定变截面兰杰文压电换能器42在箱体41中的相对位置；

所述发射端45设计为喇叭形变截面放大结构且存在内腔；

所述带中心圆孔的圆形压电陶瓷片48沿着厚度方向极化；

所述相邻的两片带中心圆孔的矩形压电陶瓷片48的极化方向相反；

所述法兰盘44位于所述超声探头模块4的振动节点位置。

其中，所述超声探头模块4发射的功率以及工作频率分别与需要覆盖的除藻范围和对应去除藻类的类别有关。

其中，所述四个变截面兰杰文压电换能器42发射面方向形成四个加强辐射区，同时环形构件43周向形成弱辐射区，配合浮箱21控制整个除藻装置上浮下潜，实现全方位360°超声波除藻。

其中，所述带中心圆孔的压电陶瓷片48均为纵振压电陶瓷片。

其中，所述压电陶瓷48表面涂有环氧树脂进行绝缘处理；箱体41内充满了超声耦合剂40，既避免了超声波的反射又将整体集成到超声探头模块4。

本发明装置通过光伏发电系统11依赖白天的太阳能进行发电并存储到储电装置；实现对除藻装置进行全天候实时供电。

本发明的一种自供电的全方位集成式超声除藻装置的工作方法，参照图11图12以一阶纵振和四阶弯振为例进行说明。

第一种工作模式如图11所示，同时激励四个变截面兰杰文压电换能器产生时，四个变截面兰杰文压电换能器同时产生一阶纵振并在环形构件上激励出具有4个波峰和波谷一并呈现的弯振模态，从而沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长。

第二种工作模式如图12所示，以不相邻的两个变截面兰杰文压电换能器为一组将四个变截面兰杰文压电换能器分为两组分别施加两相具有90°相位差的电信号，激励两组变截面兰杰文压电换能器产生具有90°时间相位差的一阶纵向振动模态沿着纵振波方向发射超声波；从而使环形构件呈现两相绕圆周方向的同行四阶面内弯振模态，其中当第一组变截面兰杰文压电换能器与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的波峰或波谷状态时，另一组变截面兰杰文压电换能器与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的节点位置；因此，环形构件上的两相同形四阶面内弯振模态在空间上存在着π/2的相位差；保证四个变截面兰杰文压电换能器产生的纵向振动的激励频率一致，两相在空间上和时间上都具有π/2相位差的同形四阶面内弯振模态在环形构件上将耦合形成沿圆周方向行进的四阶弯曲行波，从而沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长。

参照图13所示，由于纵振波的辐射距离要大于弯振波的辐射距离，因此将四个纵振波的辐射方向称为强辐射区相对应的将环形构件上的其余方向称为弱辐射区，两个工作区协同工作实现全方位高效率除藻。

本发明的装置能够控制以单一所述变截面兰杰文压电换能器所发射的超声波辐射距离为半径的环形水域，辅助以环形构件的超声波辐射真正意义上达到全方位抑制蓝藻生长和繁殖，达到高效清洁的除藻功能。

通过控制承载装置的浮力，所述超声探头将在水面下上、下沉浮，可对一定深度的水域实现超声覆盖，具有较佳的除藻效果。

本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。