一种利用风能实现海底营养盐提升的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海洋装备技术与海洋渔业领域，涉及一种利用风能实现海底营养盐提升的装置及方法。
【背景技术】
[0002]我国近海海域辽阔，海洋渔业资源丰富，海洋经济成为我国国民经济的重要组成部分。近年来，随着我国近海生态环境急剧恶化和捕捞强度的加大，渔业资源衰退，严重影响了海洋经济的发展。为了可持续发展海洋经济，需要改善海洋浅层的生态环境。鱼类和浮游植物的生长离不开浅层海水中的营养盐，那么丰富海水中营养盐的含量是改善渔场环境条件的关键。如果将深层海水中富含的营养盐提升至海洋表面区域，即可经光合作用产生大量浮游生物，创造出优质的渔场环境，世界上主要渔场大多分布在上升流发生频繁的海域。
[0003]通过人工的方式产生上升的海流，从而将海水深处的营养盐提升。现有的人工上升流技术有以下几种:在海床上构建某种功能结构使海洋底层海水的水平流动部分转变为向上的上升流，这种方法可能会破坏原本的海洋生态且实施的难度较高；日本的“拓海”装置以水栗吸水的方式来抽取深层海水形成上升流，这种方式效率低，能耗高；将压缩空气打入深海中形成气泡，气泡在海水中受到浮力的作用下向上运动时带动周围海水，从而形成上升流，由于将气泡从海表输运到较深海底需要克服较大的静水压力差，因此这种方式有可能需要较高的能耗；此外还出现了一种利用太阳能热来加热深层海水从而形成上升流的方法，该方法由于绿色、环保，运动机构相对简单、稳定性高等优点而得到大力发展。已公示专利中出现了多种实现太阳能热传递来产生上升流或者提升液体的方式，如有利用波浪能带动水囊(申请号201210000180.4)、惯性栗(申请号201410216355.4)或者双作用缸(申请号201410216550.7)来将表层热量通过工质带入深层海水中，也有通过热管(申请号201410086393.2)或换热棒(申请号201410085437.X)将热量直接传入海底深处，这些方式均实现了太阳能热在不同层次海水中的传递过程，也各存在技术优劣。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用风能实现海底营养盐提升的装置及方法。
[0005]本发明解决其技术问题采用的技术方案是:
[0006]本发明的利用风能实现海底营养盐提升的装置包括垂直轴风力捕捉装置、传动装置、海水输送装置、水下散热装置和水面浮台。所述的垂直轴风力捕捉装置包括风轮、旋转轴和支承座；所述的风轮固定在旋转轴顶部；所述旋转轴的底部与支承座构成转动副，所述的支承座固定在水面浮台上；所述的风轮和旋转轴用于驱动传动装置的活塞；所述的活塞在海水输送装置的保温缸体内往复直线运动；所述的海水输送装置将海表热水输送到水下散热装置。
[0007]本发明装置还包括定位装置；所述的定位装置包括定位锚链和定位锚；所述的定位锚通过定位锚链固定在水面浮台下方。
[0008]所述的支承座由圆盘形支架、轴承和支撑杆组成；所述的轴承安装于上部圆盘形支架的中心，用于支撑旋转轴；下部的圆盘形支架通过三根支撑杆与上部的圆盘形支架固定，并通过螺栓固定在水面浮台上。
[0009]所述的传动装置包括转子、连杆和活塞；所述的转子呈圆盘形，其圆心位置固定在旋转轴下端；所述的活塞与连杆的一端铰接，连杆的另一端与转子外沿铰接，构成对心曲柄滑块机构。
[0010]所述的海水输送装置包括圆柱形保温缸体、进水管、出水管、过滤装置、第一单向阀和第三单向阀；所述的保温缸体通过支撑架固定在水面浮台上方；所述传动装置的活塞与保温缸体内腔构成滑动副；进水管和出水管设置在保温缸体两端；所述进水管的进水端设有过滤装置，出水端经第一单向阀与保温缸体连通；所述的出水管经第三单向阀与保温缸体连通；活塞缩进时，第一单向阀和第三单向阀均为打开状态。
[0011]所述的水下散热装置包括第二单向阀、第四单向阀、保温导管和螺旋铜管；两根保温导管的顶端分别通过第二单向阀和第四单向阀与海水输送装置的保温缸体两端连通；活塞推出时，第二单向阀和第四单向阀均为打开状态；所述螺旋铜管的两端与两根保温导管的底端连通。
[0012]本发明利用风能实现海底营养盐提升的方法，具体步骤如下:
[0013]步骤一、将风能转变为机械能。在海洋上空风能作用下，垂直轴风力捕捉装置的风轮带动转子旋转，转子通过连杆带动活塞在保温缸体中做往复直线运动。
[0014]步骤二、实现海表热水在螺旋铜管内的输送。
[0015]当活塞向保温缸体内缩进时，进水管上的第一单向阀和出水管上的第三单向阀打开，两根保温导管上的第二单向阀和第四单向阀关闭。海表热水经过滤装置、进水管和第一单向阀被引入到保温缸体的热水腔，保温缸体冷水腔中的低温水经出水管和第三单向阀排出。
[0016]当活塞向外推出时，第一单向阀和第三单向阀关闭，第二单向阀和第四单向阀打开。保温缸体热水腔中的热水通过第二单向阀和保温导管进入螺旋铜管。热水在螺旋铜管内与周围低温深层海水热交换后，再经保温导管和第四单向阀进入到保温缸体的冷水腔中。
[0017]步骤三、海底营养盐提升。温度高的海表热水不断被输送到螺旋铜管；深层海水吸收螺旋铜管向外散发的热量，温度升高，密度降低，在浮力作用下自然上升，形成上升流，从而提升海底营养盐。
[0018]本发明的有益效果是:
[0019]1、本发明的机械能来源于风能，海洋上风能清洁环保，取之不尽，用之不竭，有效节约了能源；海洋上风向多变，本发明采用垂直轴风力捕捉装置无需对风，结构简单；
[0020]2、本发明没有设置额外的加热源，热能取之于浅层海水，用之于深层海水，并在进水管口安装过滤装置，用来过滤海水的杂质，保证海水在装置内部顺利循环；
[0021]3、本发明通过单向阀和双向活塞缸来实现水在装置内部的输送，由于进、出水口的水位接近，因此海水的输送无需克服较大的静水压力差，能耗较低，便于实现；
[0022]4、本发明螺旋铜管呈螺旋状，使得换热更为充分。
[0023]5、本发明用于改善海域生态环境，将提升的营养盐用于浮游植物和鱼类的生长，对发展渔业经济发挥重要作用。
【附图说明】
[0024]图1是本发明的总体结构示意图。
[0025]图2是图1的A-A剖视图。
[0026]图3是本发明中垂直轴风力捕捉装置的结构示意图。
[0027]图4是本发明的机构原理图。
[0028]图中:1、风轮；2、转子；3、旋转轴；4、支承座；5、水面浮台；6、连杆；7、保温缸体；8、活塞；9、第一单向阀；10、第二单向阀；11、第三单向阀；12、第四单向阀；13、出水管；14、支撑架；15、进水管；16、过滤装置；17、保温导管；18、螺旋铜管；19、定位销链；20、定位销；21、圆盘形支架；22、轴承；23、支撑杆。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0030]如图1和4所示，一种利用风能实现海底营养盐提升的装置，包括垂直轴风力捕捉装置、传动装置、海水输送装置、水下散热装置、水面浮台5和定位装置。垂直轴风力捕捉装置固定在水面浮台5上，垂直轴风力捕捉装置驱动传动装置的活塞8 ;活塞8在海水输送装置的保温缸体7内往复直线运动；海水输送装置将海表热水输送到水下散热装置；定位装置包括定位锚链19和定位锚20 ;定位锚20通过定位锚链19固定在水面浮台5下方，通过重力实现深海定位。
[0031]如图3所示