一种太阳能电渗模型实验装置及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种太阳能电渗模型实验装置及使用方法，利用该装置一方面能够对太阳能电渗技术加固软土的效果进行定量的评价，另一方面提供了一种如何合理使用蓄电池以及如何合理选择太阳能电池板功率的实验方法，同时该实验装置具有太阳能高效利用、数据采集可靠、装置结构简单、操作简便等优点。
【专利说明】
一种太阳能电渗模型实验装置及使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种太阳能电渗模型实验装置及使用方法，属于电渗技术领域。
【背景技术】
[0002]根据调查，我国每年都有大量的疏浚淤泥需要处理，据不完全统计，我国每年废弃的疏浚淤泥达I亿m据以上，而如果处理得当，就可以使淤泥变废为宝，现今使用较为广泛的方法是利用疏浚淤泥作为海岸工程建设的地基材料来源。
[0003]对于疏浚淤泥等软黏土，一般常用的地基加固技术有堆载预压法、强夯置换法、真空预压法、深层搅拌法和加筋土法等。在取得一定良好效果的同时，这些方法也暴露出了不少问题，如真空预压法对地基承载力的提高有限，对处理边界的施工要求较高;排水固结法速率受限于黏土的水力传导系数，有时在黏粒含量高的土中处理用时较长，有时甚至难以达到预期的加固目的;堆载预压的主要问题是堆载材料的来源有限和有可能导致的地基失稳。同时，相比于天然沉积的软黏土，疏浚淤泥的含水量和压缩性极高，强度极低，而且表现出较强的欠固结特性，这些独有的特点导致了一般软土地基加固技术的不适用。
[0004]电渗法是一种传统的地基处理方法，其主要原理是在电场作用下，土壤中的阳离子通过黏滞效应拖曳水分子向阴极运动，这种方法在工程中不受淤泥特殊性质的影响，有着加固速度快、对细颗粒低渗透性土有良好的加固效果等诸多优点，成为了淤泥质地基加固处理中的重要措施。然而，电渗法大部分的电能损耗在了土体中的电阻上，使得耗电量非常大，二氧化碳排放量高，导致该方法不能大范围实际应用，而当前鲜有关于利用新能源来进行电渗加固以降低碳排放和节能的室内研究和工程实例。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能电渗模型实验装置及使用方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0007]—种太阳能电渗模型实验装置，包括太阳能发电系统、电渗装置箱、量筒、若干对电极和若干测量尺；
[0008]所述电渗装置箱包括箱体，所述箱体的开口盖有回流盖，所述回流盖上设置有若干通孔，通孔个数与测量尺的总和一致，所述箱体内设置有隔板，所述隔板将箱体空腔分割成左空腔和右空腔，所述右空腔内填有实验样土，每对电极包括阴电极和阳电极，所述电极为中空的电极，所述电极上分布有缝隙，所述电极底端嵌入试验样土，并与箱体底板固定，所述电极顶端通过导线与太阳能发电系统连接，所述导线通过回流盖与箱体之间的缝隙引出，所述左空腔和右空腔的底板上均开有若干出水孔，所述右空腔底板上的出水孔与阴电极个数一致，所述右空腔底板上的出水孔与阴电极连通，所述出水孔与量筒连通，所述测量尺的端部穿过通孔帖靠在实验土表面。
[0009]所述太阳能发电系统包括太阳能电池板和控制台，所述控制台包括电流电压记录仪、变阻器、双向开关和蓄电池，所述电流电压记录仪的输入端与太阳能电池板连接，所述电流电压记录仪的输出端的正极与变阻器滑动端连接，所述变阻器的固定端与双向开关的动触点连接，所述双向开关的一个静触点与蓄电池的正极连接，所述双向开关的另一个静触点与电极连接，所述蓄电池的负极与电流电压记录仪的输出端的负极连接，所述蓄电池的正负极还与电极连接，所述电流电压记录仪的输出端的负极与电极连接。
[0010]所述箱体的左侧边低于右侧边。
[0011 ]所述箱体的底板上覆盖有潮湿的土工布。
[0012]所述电极位于实验样土内的部分包裹有潮湿的土工布，其余部分包裹有绝缘套。
[0013]—种太阳能电渗模型实验装置的使用方法，包括以下步骤，
[0014]步骤I，在室外安装好太阳能电池板，然后在室内根据所述实验装置各部件的连接关系，连接好个部件；
[0015]步骤2，将双向开关向与电极连接的静触点闭合，经过N小时，每隔η小时读出并记录量筒和测量尺的数值，Ν>η;
[0016]步骤3，根据步骤2中记录的数值，分别拟合出排水量随时间的变化曲线和实验样土沉降距离随时间的变化曲线，根据排水量和实验样土沉降距离来评价太阳能电渗效果，同时根据电流电压记录仪中记录的电压数值，拟合出排水量随电压的变化曲线，根据排水量随电压的变化曲线趋势确定排水量陡增拐点和陡降拐点，进而确定电渗的有效电压；
[0017]步骤4，更换电渗装置箱中的实验样土，实时读取电流电压记录仪中显示的电压值，当电压值低于有效电压时双向开关向与蓄电池正极连接的静触点闭合，使蓄电池储蓄电能，当电压值高于有效电压时双向开关与电极连接的静触点闭合，直接利用太阳能转化的瞬时电能对对实验样土进行电渗，等太阳能发电系统不再发电时，利用蓄电池所储蓄的电能进行二次电渗，经过N小时，隔η小时读出并记录量筒和测量尺的数值；
[0018]步骤5，根据步骤4中记录的数值，分别拟合出排水量随时间的变化曲线和实验样土沉降距离随时间的变化曲线，同时分别与步骤3中的排水量随时间的变化曲线和实验样土沉降距离随时间的变化曲线相比较，进而评价使用铅蓄电池对太阳能电渗效果的好坏，进一步确定铅蓄电池的合理使用方法；
[0019]步骤6，更换电渗装置箱中的实验样土，等梯度调节变阻器，利用变阻器消耗部分电能，使太阳能电池板实际输入到电渗装置箱中的标准功率减少到原来的(100_iS)%，i为整数，S能被100整除，i = 1、2、…、100/S ；
[0020]步骤7，经过N小时，读取并不同功率下量筒的数值；
[0021]步骤8，拟合出排水量随功率的变化曲线，并计算变化曲线上各点斜率；
[0022]步骤9，最大斜率对应的功率即为单位功率排水量最高的功率。
[0023]步骤8中，斜率的计算公式为，
[0024]K = V/P
[0025]其中，K为排水量随功率变化曲线上不同点对应的斜率，V为不同功率下的排水量，P为电渗装置箱中不同的输入功率。
[0026]本发明所达到的有益效果:本发明提供一种可用于太阳能电渗技术研究的室内模型试验装置和使用该装置的方法，利用该装置一方面能够对太阳能电渗技术加固软土的效果进行定量的评价，另一方面提供了一种如何合理使用蓄电池以及如何合理选择太阳能电池板功率的实验方法，同时该实验装置具有太阳能高效利用、数据采集可靠、装置结构简单、操作简便等优点。
【附图说明】
[0027]图1为本发明装置的结构示意图。
[0028]图2为控制台的结构示意图。
[0029]图3为电渗装置箱主视图。
[0030]图4为电渗装置箱侧视图。
[0031]图5为电渗装置箱俯视图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0033]如图1所示，一种太阳能电渗模型实验装置，包括太阳能发电系统、电渗装置箱3、量筒4、若干对电极6和若干测量尺5。
[0034]太阳能发电系统包括太阳能电池板I和控制台2。
[0035]太阳能电池板I可以采用单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池，通过固定支架固定在户外，产生的电压在6—40V的太之间，符合电渗所需电压。
[0036]如图2所示，控制台2包括电流电压记录仪21、变阻器22(滑动变阻器)、双向开关23和蓄电池24，电流电压记录仪21的输入端与太阳能电池板I连接，电流电压记录仪21的输出端的正极与变阻器22滑动端连接，变阻器22的固定端与双向开关23的动触点连接，双向开关23的一个静触点与蓄电池24的正极连接，双向开关23的另一个静触点与电极6连接，蓄电池24的负极与电流电压记录仪21的输出端的负极连接，蓄电池24的正负极还与电极6连接，电流电压记录仪21的输出端的负极与电极6连接。
[0037]如图3、4和5所示，电渗装置箱3包括箱体，箱体的左侧边低于右侧边，箱体的开口盖有回流盖8，回流盖8上设置有若干通孔12，通孔12个数与测量尺5的总和一致，箱体的底板上覆盖有潮湿的土工布，箱体内设置有隔板7，隔板7将箱体空腔分割成左空腔和右空腔，右空腔内填有实验样土 9，每对电极6包括阴电极和阳电极，电极6为中空的电极6，电极6上分布有缝隙，电极6底端嵌入试验样土，并与箱体底板固定，电极6顶端通过导线与太阳能发电系统连接，导线通过回流盖8与箱体之间的缝隙引出，电极6位于实验样土9内的部分包裹有潮湿的土工布，其余部分包裹有绝缘套，左空腔和右空腔的底板上均开有若干出水孔11，右空腔底板上的出水孔11与阴电极个数一致，右空腔底板上的出水孔11与阴电极连通，出水孔11通过导管10与量筒4连通，量筒4的开口上盖有薄膜，测量尺5的端部穿过通孔12帖靠在实验土表面。
[0038]—种太阳能电渗模型实验装置的使用方法，包括以下步骤:
[0039]步骤I，在室外安装好太阳能电池板I，然后在室内根据所述实验装置各部件的连接关系，连接好个部件。
[0040]步骤2，将双向开关23向与电极6连接的静触点闭合，经过N小时，每隔η小时读出并记录量筒4和测量尺5的数值，N>n，这里N=72，n = 2.
[0041]步骤3，根据步骤2中记录的数值，分别拟合出排水量随时间的变化曲线和实验样土9沉降距离随时间的变化曲线，根据排水量和实验样土9沉降距离来评价太阳能电渗效果，同时根据电流电压记录仪21中记录的电压数值，拟合出排水量随电压的变化曲线，根据排水量随电压的变化曲线趋势确定排水量陡增拐点和陡降拐点，进而确定电渗的有效电压。
[0042]步骤4，更换电渗装置箱3中的实验样土9，实时读取电流电压记录仪21中显示的电压值，当电压值低于有效电压时双向开关23向与蓄电池24正极连接的静触点闭合，使蓄电池24储蓄电能，当电压值高于有效电压时双向开关23与电极6连接的静触点闭合，直接利用太阳能转化的瞬时电能对对实验样土 9进行电渗，等太阳能发电系统不再发电时(即晚上或没有太阳时)，利用蓄电池24所储蓄的电能进行二次电渗，经过N小时，隔η小时读出并记录量筒4和测量尺5的数值。
[0043]步骤5，根据步骤4中记录的数值，分别拟合出排水量随时间的变化曲线和实验样土 9沉降距离随时间的变化曲线，同时分别与步骤3中的排水量随时间的变化曲线和实验样土 9沉降距离随时间的变化曲线相比较，进而评价使用铅蓄电池24对太阳能电渗效果的好坏，进一步确定铅蓄电池24的合理使用方法；
[0044]步骤6，更换电渗装置箱3中的实验样土9，等梯度调节变阻器22，利用变阻器22消耗部分电能，使太阳能电池板I实际输入到电渗装置箱3中的标准功率减少到原来的(100-1S)%, i为整数，S能被100整除，i = 1、2、…、100/S，这里S取值为20.
[0045]步骤7，经过N小时，读取并不同功率下量筒4的数值；
[0046]步骤8，拟合出排水量随功率的变化曲线，并计算变化曲线上各点斜率；
[0047]步骤9，最大斜率对应的功率即为单位功率排水量最高的功率。
[0048]7、根据权利要求6所述的一种太阳能电渗模型实验装置的使用方法，其特征在于:步骤8中，斜率的计算公式为，
[0049]K = V/P
[0050]其中，K为排水量随功率变化曲线上不同点对应的斜率，V为不同功率下的排水量，P为电渗装置箱3中不同的输入功率。
[0051]上述装置将太阳能通过光电效应转换为电能，通过控制台2调节太阳能电池板I的功率，将产生的电流进行优化使用，并对电路输出的电流电压进行实时记录，太阳能电池板I发电给电渗装置箱3提供电能对箱内实验样土 9(即软土)进行电渗加固处理，一方面根据电渗装置箱3里的测量尺5下降距离和量筒4中收集的总排水量对太阳能电渗效果进行评价，另一方面调节控制台2内的蓄电池24和变阻器22，确定蓄电池24的最佳使用方法，并且找出单位功率排水量最大的太阳能电池板I功率标准范围。
[0052]本发明提供一种可用于太阳能电渗技术研究的室内模型试验装置和使用该装置的方法，利用该装置一方面能够对太阳能电渗技术加固软土的效果进行定量的评价，另一方面提供了一种如何合理使用蓄电池24以及如何合理选择太阳能电池板I功率的实验方法，同时该实验装置具有太阳能高效利用、数据采集可靠、装置结构简单、操作简便等优点。
[0053]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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种太阳能电渗模型实验装置，其特征在于:包括太阳能发电系统、电渗装置箱、量筒、若干对电极和若干测量尺； 所述电渗装置箱包括箱体，所述箱体的开口盖有回流盖，所述回流盖上设置有若干通孔，通孔个数与测量尺的总和一致，所述箱体内设置有隔板，所述隔板将箱体空腔分割成左空腔和右空腔，所述右空腔内填有实验样土，每对电极包括阴电极和阳电极，所述电极为中空的电极，所述电极上分布有缝隙，所述电极底端嵌入试验样土，并与箱体底板固定，所述电极顶端通过导线与太阳能发电系统连接，所述导线通过回流盖与箱体之间的缝隙引出，所述左空腔和右空腔的底板上均开有若干出水孔，所述右空腔底板上的出水孔与阴电极个数一致，所述右空腔底板上的出水孔与阴电极连通，所述出水孔与量筒连通，所述测量尺的端部穿过通孔帖靠在实验土表面。2.根据权利要求1所述的一种太阳能电渗模型实验装置，其特征在于:所述太阳能发电系统包括太阳能电池板和控制台，所述控制台包括电流电压记录仪、变阻器、双向开关和蓄电池，所述电流电压记录仪的输入端与太阳能电池板连接，所述电流电压记录仪的输出端的正极与变阻器滑动端连接，所述变阻器的固定端与双向开关的动触点连接，所述双向开关的一个静触点与蓄电池的正极连接，所述双向开关的另一个静触点与电极连接，所述蓄电池的负极与电流电压记录仪的输出端的负极连接，所述蓄电池的正负极还与电极连接，所述电流电压记录仪的输出端的负极与电极连接。3.根据权利要求1所述的一种太阳能电渗模型实验装置，其特征在于:所述箱体的左侧边低于右侧边。4.根据权利要求1所述的一种太阳能电渗模型实验装置，其特征在于:所述箱体的底板上覆盖有潮湿的土工布。5.根据权利要求1所述的一种太阳能电渗模型实验装置，其特征在于:所述电极位于实验样土内的部分包裹有潮湿的土工布，其余部分包裹有绝缘套。6.基于权利要求2所述的一种太阳能电渗模型实验装置的使用方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤I，在室外安装好太阳能电池板，然后在室内根据所述实验装置各部件的连接关系，连接好个部件； 步骤2，将双向开关向与电极连接的静触点闭合，经过N小时，每隔η小时读出并记录量筒和测量尺的数值，Ν>η; 步骤3，根据步骤2中记录的数值，分别拟合出排水量随时间的变化曲线和实验样土沉降距离随时间的变化曲线，根据排水量和实验样土沉降距离来评价太阳能电渗效果，同时根据电流电压记录仪中记录的电压数值，拟合出排水量随电压的变化曲线，根据排水量随电压的变化曲线趋势确定排水量陡增拐点和陡降拐点，进而确定电渗的有效电压； 步骤4，更换电渗装置箱中的实验样土，实时读取电流电压记录仪中显示的电压值，当电压值低于有效电压时双向开关向与蓄电池正极连接的静触点闭合，使蓄电池储蓄电能，当电压值高于有效电压时双向开关与电极连接的静触点闭合，直接利用太阳能转化的瞬时电能对对实验样土进行电渗，等太阳能发电系统不再发电时，利用蓄电池所储蓄的电能进行二次电渗，经过N小时，隔η小时读出并记录量筒和测量尺的数值； 步骤5，根据步骤4中记录的数值，分别拟合出排水量随时间的变化曲线和实验样土沉降距离随时间的变化曲线，同时分别与步骤3中的排水量随时间的变化曲线和实验样土沉降距离随时间的变化曲线相比较，进而评价使用铅蓄电池对太阳能电渗效果的好坏，进一步确定铅蓄电池的合理使用方法； 步骤6，更换电渗装置箱中的实验样土，等梯度调节变阻器，利用变阻器消耗部分电能，使太阳能电池板实际输入到电渗装置箱中的标准功率减少到原来的(100-1S)%，i为整数，S能被 100整除，i = 1、2、…、100/S ； 步骤7，经过N小时，读取并不同功率下量筒的数值； 步骤8，拟合出排水量随功率的变化曲线，并计算变化曲线上各点斜率； 步骤9，最大斜率对应的功率即为单位功率排水量最高的功率。7.根据权利要求6所述的一种太阳能电渗模型实验装置的使用方法，其特征在于:步骤8中，斜率的计算公式为，K = V/P 其中，K为排水量随功率变化曲线上不同点对应的斜率，V为不同功率下的排水量，P为电渗装置箱中不同的输入功率。
【文档编号】G09B25/00GK105931553SQ201610533096
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】黄健钧, 谭慧明, 王嘉炜, 严士常, 黄永泉, 韩雨松
【申请人】河海大学