分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮装置、系统及工作方法与流程

本发明属于太阳能光热利用和风能利用领域，具体涉及一种分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮装置、系统及工作方法。

背景技术：

可可西里位于青藏高原北部，人迹罕至，风景迤逦，境内大小湖泊星罗棋布，密集程度可达到约每平方公里360个；其间，青藏公路和青藏铁路自北而南，由昆仑山口穿越可可西里腹地，是西藏地区联系内地的重要纽带。由于青藏高原的超高海拔，其间多年冻土大量分布；又由于青藏高原的中低纬度，其多年冻土存在地温高、厚度薄的特点；伴随着全球气候变暖，热融湖塘的出现和分布，在青藏高原正变得越来越频繁和广泛；尤其是在可可西里腹地，昆仑山口以东的卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖、盐湖及楚玛尔河流域，热融湖塘非常普遍。例如：2011年卓乃湖溃决，自东向西与下游库赛湖、海丁诺尔湖及盐湖连成一体，湖水外溢的过程中，沿途的大小热融湖塘充当了“接力据点”的角色，并起到了“穿针引线”的作用。迄今为止，盐湖已由2010年的48.1平方公里发展为2018年的196.8平方公里，发展速度迅猛，其与青藏公路和青藏铁路的最短距离已缩短至仅8公里左右，盐湖周边亦分布着数量可观的热融湖塘，共同对公路、铁路、输电铁塔、输油管道和通信光缆等造成潜在的威胁，其不利影响不容小觑。

通常，对于水情的治理，常见的方法即为疏和堵两条途径，疏即疏通分流，堵即堵塞拦截，但这在地热高敏感、湖塘高密度、植被稀少、人迹罕至、生态脆弱的青藏高原冻土地带，大规模疏堵工程均难以实施，从而造成现今对热融湖塘的干预控制，还仅仅处于摸索探讨阶段。反观热融湖塘，又称热喀斯特湖，顾名思义，即为冻土热融致使土体塌陷，融水积聚所形成的湖塘。因此，将目光聚焦在热融湖塘本体，通过对热融湖塘获取及储存热量的控制，在避免对热融湖塘周边高原环境破坏的基础上，为热融湖塘降温，阻止湖塘区域冻土热融，延缓热融湖塘进一步发育，从而避免热融湖塘在个体上逐渐变大，群体上由点成片。

热融湖塘热量的获取，大部分都是来自于太阳辐射的热量；热融湖塘热量的散失，则主要依靠与环境接触的湖面进行。通过在湖面设置漂浮装置，并辅以太阳能和风能的双重利用，智能化多孔化材料的选用以及网格化结构的应用，可以实现：在炎热的季节和晴好的天气里自动为热融湖塘隔热降温，在寒冷的季节和阴霾的天气里自动为热融湖塘散热降温，从而实现持续对热融湖塘控热降温的效果。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮装置、系统及工作方法，通过利用太阳辐射的热能，智能多孔材质的第二球体、第三球体以及连接弹簧发生形变，导致第一球体的体积大小及相邻第一球体间的距离随之变化，阻隔太阳辐射热量进入热融湖塘；通过利用风能，相邻第一球体间发生相互碰撞，引起第一球体下部拉伸弹簧、摆杆和摆球运动，搅动湖水，散发热融湖塘蕴含热量进入周围环境；同时，众多第一球体通过连接弹簧经纬相连，融为一体，共同为整个热融湖塘控热降温。

技术方案：本发明所述的一种分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮装置，包括第一球体、第二球体、第三球体、拉伸弹簧、摆杆、摆球和连接弹簧；所述第一球体将第二球体包裹于内，所述第二球体将第三球体包裹于内，所述第一球体、第二球体、第三球体构成一个能够漂浮在水面上的球体结构；所述拉伸弹簧的一端与所述第一球体外层连接，所述拉伸弹簧的另一端与摆杆的一端固定连接，所述摆杆的另一端与所述摆球固定连接，所述第一球体外层固定连接有若干连接弹簧。

进一步的，所述第一球体具有漂浮功能，材质具有良好的密封性、力学特性和环境特性。

进一步的，所述第二球体材质为形状记忆合金，结构为微格金属，构成第二球体的形状记忆合金在高温相奥氏体和低温相马氏体之间发生相互相变时具有大惯性，即高温相奥氏体和低温相马氏体两相相互相变的速度慢；所述第二球体的高温相变记忆温度为小于漂浮装置所在区域近10年间晴朗天气下的日最低温度，第二球体应保证身处于热融湖塘所处区域近10年间出现的最低气温与最高气温所构成的温度区间内，在其反复膨胀收缩的过程中，第一球体始终处于膨胀状态，有收缩趋势，且不被湖水完全淹没，所述第三球体则始终处于收缩状态，有膨胀趋势。

进一步的，所述第三球体的材质为具有良好弹性性能的气凝胶。

进一步的，所述拉伸弹簧的自由长度小于所述第一球体自然状态时的半径长度。

进一步的，所述摆杆为可调节长度的伸缩杆结构，内部中空。

进一步的，所述摆球为实心球，摆球与摆杆共同作为拉伸弹簧的负荷，使得拉伸弹簧为非密圈状态。

进一步的，所述连接弹簧的材质为形状记忆合金，构成连接弹簧的形状记忆合金在高温相奥氏体和低温相马氏体之间发生相互相变时具有小惯性，即高温相奥氏体和低温相马氏体两相相互相变的速度快；所述连接弹簧的高温相变记忆温度为小于漂浮装置所在区域近10年间晴朗天气下的日最低温度，连接弹簧完全拉直的长度应小于第一球体自然状态时的直径长度。

本发明还公开了一种分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮系统，通过众多分布在热融湖塘水面上的所述的漂浮装置中的第一球体通过其外层的连接弹簧，与其周围的第一球体经纬相连，构成网格状结构。

进一步的，上述一种分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮系统的工作方法：

综合利用太阳能和风能，为漂浮装置中的第一球体发生形态变化和移动碰撞提供能量；漂浮装置中的第一球体的形态变化体现在体积大小的变化，能够实现：为热融湖塘水体遮蔽太阳辐射或打开热融湖塘水体的散热通道，并能与不同气象条件智能匹配：

长时季节情形：春夏季，太阳辐射强烈，膨胀的第二球体使得第一球体体积变大，从而可以遮蔽更大面积的热融湖塘水面，避免太阳辐射的热量更多的进入热融湖塘；秋冬季，太阳辐射匮乏，收缩的第二球体使得第一球体体积变小，遮蔽热融湖塘水面面积随之减小，从而可以使热融湖塘敞开较之春夏季更大面积的水面，为热融湖塘储存的热量散发至环境，打开更大的通道；

短时天气情形：白天存在太阳辐射的热能，膨胀的第二球体使得第一球体体积变大，从而可以遮蔽更大面积的热融湖塘水面，避免太阳辐射的热量更多的进入热融湖塘；夜晚，不存在太阳辐射，收缩的第二球体使得第一球体体积以缓慢速度逐渐变小，从而可以使热融湖塘敞开较之白天更大面积的水面，为热融湖塘储存的热量散发至环境，打开更大的通道；能够获得太阳辐射的晴天和不能获得太阳辐射的阴天、多云天气、雨雪天气的情形，则与上述昼夜变化的情形相类似；

漂浮装置中的第一球体的移动碰撞会引起拉伸弹簧、摆杆和摆球的多维度运动，从而搅动热融湖塘水体，打破水体内的温度分层，将深层水体蕴含的热量传递至湖塘表面；

形状记忆合金材质的第二球体和连接弹簧不仅在由低温相马氏体向高温相奥氏体转变的过程中能够吸收热量，在高温相奥氏体时所呈现出的超弹性，亦能够承受较之一般金属更大更频繁的可回复应变，具有恶劣环境下更强的自我修复及可靠工作的能力；

漂浮装置的网格化结构系统则将整个装置中的第一球体们互联互通，紧密耦合，通过以点带面，提高了整个漂浮装置对于热量以及运动的敏感性，从而实现了对热融湖塘控热降温，延缓了热融湖塘的发育，削弱了热融湖塘对于高原冻土产生的不利影响。

有益效果：本发明通过在高原冻土热融湖塘水面上分布放置众多经纬相连的第一球体，利用太阳能，引起第一球体内外智能多孔材料发生形变，阻隔太阳辐射热量进入热融湖塘；在高原冻土热融湖塘水面下，众多拉伸弹簧、摆杆和摆球与其上的第一球体一一对应，利用风能，搅动湖水，散发热融湖塘热量进入周围环境，从而实现对热融湖塘控热降温，防止其在个体上逐渐变大，群体上由点成片。

具体来说，可设置第一球体颜色为黑色，黑色利于第一球体吸收太阳辐射的热能；金属材质利于传导黑色第一球体吸收的热能至整个第二球体；凝胶材质利于隔热，从而将进入第一球体内的热量尽量多的供给第二球体。第一球体、第二球体和第三球体由外而内层层包裹，第一球体始终处于收缩状态，第三球体始终处于膨胀状态，第一球体的大小主要由受热形变的第二球体决定。

第二球体和连接弹簧的材质均为形状记忆合金，其大小长短，以及对热融湖塘的控热降温效果，可与长时间的季节变换和短时间的天气变化智能匹配；第二球体和第三球体的结构均为多孔结构，在降低漂浮装置重量的同时，第二球体的多孔结构为第二球体的膨胀收缩提供变化空间，第三球体的多孔结构为第三球体的隔绝热量提供结构支持。

太阳辐射的热能为形状记忆合金材质的第二球体和连接弹簧发生形变，提供能量；风能为第一球体之间发生碰撞，从而带动球底拉伸弹簧、摆杆和摆球运动，进而搅动湖水，提供能量。

众多分布在热融湖塘水面上的第一球体通过其外层的连接弹簧，与其周围相邻的第一球体经纬相连，通过网格化的结构，将第一球体局部的隔热散热融通为漂浮装置整体的控热降温。

与湖水接触的第一球体、连接弹簧、拉伸弹簧、摆杆和摆球的材质均需适应高原气候特点以及热融湖塘水环境，以延长其使用寿命，并降低环境污染的风险。

附图说明

图1为本发明漂浮装置中的漂浮单体侧视结构图；

图2为本发明漂浮装置中的漂浮单体膨胀状态示意图；

图3为本发明漂浮装置中的漂浮单体收缩状态示意图；

图4为本发明漂浮系统整体俯视结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1到图3所示，一种分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮装置，包括第一球体1、第二球体2、第三球体3、拉伸弹簧4、摆杆5、摆球6和连接弹簧7；所述第一球体1将第二球体2包裹于内，所述第二球体2将第三球体3包裹于内，所述第一球体1、第二球体2、第三球体3构成一个能够漂浮在水面上的球体结构；所述拉伸弹簧4的一端与所述第一球体1外层连接，所述拉伸弹簧4的另一端与摆杆5的一端固定连接，所述摆杆5的另一端与所述摆球6固定连接，所述第一球体1外层固定连接有若干连接弹簧7。

本实施例中优选地，为了使得整个球体漂浮在水面，第一球体1具有漂浮功能。青藏高原，“远看成山，近看成川”，热融湖塘通常位于地势低洼的山坳，由于山坳对风的加速作用，热融湖塘所处区域通常具有丰沛的风能，同时青藏高原也是我国太阳能资源分布最为丰富的地区之一，第一球体1的外表面颜色优选设置为黑色，可以最大限度的吸收太阳发出的热辐射，第一球体1内的填充气体优选为惰性气体氮气，化学性质稳定，获取方便，价格便宜，且比空气略轻，使得空气对其具有一定的浮力，利于第一球体1漂浮于水面；同时摆杆5的空心结构利于减轻自重，亦利于第一球体1漂浮于水面。第一球体1的材质具有良好的力学特性，耐拉伸压缩；具有良好的环境特性，耐紫外线辐射，耐高低温冲击；具有良好的气密性、水密性、耐水性和抗疲劳性，且不污染环境，使第一球体1能在特殊的高原气候环境下，例如：较强的紫外辐射、多风、昼夜温差大等，均能正常发挥作用。

本实施例中优选地，第二球体2的材质为形状记忆合金，第二球体2的结构为微格金属，构成第二球体2的形状记忆合金在高温相奥氏体和低温相马氏体之间发生相互相变时具有大惯性，即高温相奥氏体和低温相马氏体两相相互相变的速度慢。第二球体2的高温相变记忆温度为小于漂浮装置所在区域近10年间晴朗天气下的日最低温度。第二球体2应保证身处于热融湖塘所处区域近10年间出现的最低气温与最高气温所构成的温度区间内，在其反复膨胀收缩的过程中，第一球体1始终处于膨胀状态，有收缩趋势，且不被湖水完全淹没；第三球体3则始终处于收缩状态，有膨胀趋势。

本实施例中优选地，第三球体3的材质为具有良好弹性性能的气凝胶。

本实施例中优选地，所述拉伸弹簧4的自由长度小于所述第一球体1自然状态时的半径长度，拉伸弹簧4为防锈弹簧，单个第一球体1外层固定连接的拉伸弹簧4个数视其处于漂浮装置里的位置而定。

本实施例中优选地，所述摆杆5为空心、可调节长度伸缩杆，长度调节完成后，摆杆5的长度固定不变。由热融湖塘湖心自湖边，不同第一球体1下的摆杆5的设定长度不断减小。

本实施例中优选地，所述摆球6为实心球，摆球6与摆杆5共同作为拉伸弹簧4的负荷，摆球6与摆杆5共同作为拉伸弹簧4的负荷，使得拉伸弹簧4为非密圈状态。

本实施例中优选地，所述连接弹簧7的材质为形状记忆合金，构成连接弹簧7的形状记忆合金在高温相奥氏体和低温相马氏体之间发生相互相变时具有小惯性，即高温相奥氏体和低温相马氏体两相相互相变的速度快。连接弹簧7的高温相变记忆温度为小于漂浮装置所在区域近10年间晴朗天气下的日最低温度。连接弹簧7完全拉直的长度应小于第一球体1自然状态时的直径。连接弹簧7需做防锈处理。

如图4所示，本发明还公开了一种分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮系统：通过众多分布在热融湖塘水面上的上述单体漂浮装置中的第一球体1通过其外层的连接弹簧7，与其周围的第一球体1经纬相连，构成网格状结构，漂浮在水面上。

下面对本发明中分布式太阳能风能高原冻土热融湖塘漂浮系统的工作原理及方法作进一步详细说明：

第二球体2的微格结构和第三球体3的团簇结构实际都是一种类似“骨骼”或“蜂窝”构造的多孔中空结构，均具有极高的孔洞率、极低的密度以及极高的比表面积，这使得微格第二球体2和气第三球体3均具有良好的弹性以及轻质的特点，同样利于第一球体1漂浮于水面。同时，第二球体2虽然具有多孔化的结构，但是由于其是金属材质，故仍具有良好的导热性能；第三球体3是非金属材料，多孔化结构则使其具有良好的隔热性能，从而使得在太阳辐射的热能传导过程中，最外层的第一球体1接收太阳辐射的热能，并传递给中间层第二球体2，最里层的第三球体3隔热，拒绝接收热能，因此太阳辐射的热能最终绝大多数由中间层第二球体2吸收，而且是持续的吸收，以保证为形状记忆合金材质的第二球体2持续保持膨胀状态，提供持续的热能供给，同时由于第三球体3的隔热性能，一定程度上间接提高了形状记忆合金材质的第二球体2发生形变的热响应速度。

第一球体1、第二球体2和第三球体3，由外而内，层层包裹，好像“汉堡包”结构，其中，呈持续收缩状态的第一球体1和呈持续膨胀状态的第三球体3，好似“汉堡包”的上下两层“面包片”，将中间的“馅料儿”第二球体2紧紧夹住，因此，第一球体1的体积大小主要取决于第二球体2的体积大小，而构成第一球体1间的连接弹簧4和第二球体2的材质均为形状记忆合金，其具有不同于一般金属合金的智能性：

一、从第二球体2来看：

①从长时间跨度的季节变换上来看，青藏高原冻土地带，春夏季雨雪减少，太阳辐射充分，日照时间长，气温整体回升，气温下限走高，并通过对构成第二球体2的形状记忆合金体积进行形状“编程”，使其记住在高温相奥氏体时，其微格结构的孔隙变大，体积膨胀。由于构成微格第二球体2的形状记忆合金在高温相奥氏体和低温相马氏体之间发生相互相变时具有大惯性，即高温相奥氏体和低温相马氏体两相相互相变的速度慢，且第二球体2的高温相变记忆温度为小于漂浮装置所在区域近10年间，晴朗天气下的日最低温度，因此春夏季的第二球体2多处于相对膨胀状态，并且大多数时间均保持较大的体积；反之，秋冬季雨雪增多，太阳辐射减弱，日照时间缩短，气温整体回落，气温上限走低，因此秋冬季的第二球体2大多数时间均处于相对收缩状态，无法保持较大的体积，从而体现出第二球体2长时体积的变化性。

综上所述，春夏季，太阳辐射强烈，膨胀的第二球体2则使得第一球体1体积变大，从而可以遮蔽更大面积的热融湖塘水面，避免太阳辐射的热量更多的进入热融湖塘；秋冬季，太阳辐射匮乏，收缩的第二球体2则使得第一球体1体积变小，遮蔽热融湖塘水面面积随之减小，从而可以使热融湖塘敞开较之春夏季更大面积的水面，为热融湖塘储存的热量散发至环境，打开更大的通道。可见，第二球体2的大小及其遮蔽热融湖塘的面积大小可以与长时不同季节下，太阳辐射对热融湖塘的影响，智能匹配。

②从短时间跨度的昼夜变化上来看，白天太阳辐射的热能，使得形状记忆合金材质的第二球体2膨胀并呈现出一定的体积大小，由于第二球体2中的形状记忆合金具有大惯性相变特点，即使在无太阳辐射的夜间，第二球体2体积仅以缓慢速度逐渐减小，从而保证了第二球体2短时体积的稳定性。

综上所述，白天，存在太阳辐射的热能，第二球体2膨胀使得第一球体1体积变大，从而可以遮蔽更大面积的热融湖塘水面，避免太阳辐射的热量更多的进入热融湖塘；夜晚，不存在太阳辐射，收缩的第二球体2则使得第一球体1体积以缓慢速度逐渐变小，从而可以使热融湖塘敞开较之白天更大面积的水面，为热融湖塘储存的热量散发至环境，打开更大的通道。同理，可以获得太阳辐射的晴天和不能获得太阳辐射的阴天、多云天气、雨雪天气的情形，则与上述昼夜变化的情形相类似。可见，第二球体2的大小及其遮蔽热融湖塘的面积大小也可以与短时不同天气下，太阳辐射对热融湖塘的影响，智能匹配。

二、从连接弹簧7来看：

首先，连接弹簧7作为各个相邻单体第一球体1之间的连接构件，将分布在热融湖塘上的众多第一球体1勾连成网，形成网格状结构，可以实现类似“牵一发而动全身”的效果，不论是第二球体2还是连接弹簧7，局部的个体感受热量发生变化或发生相互的碰撞后，会带动其它个体随之而动，即以点带面，从而提高整个漂浮装置对热量以及运动的敏感性。此外，根据热融湖塘的大体形状，整个漂浮装置的形状可以选择为正方形、长方形或圆形等形状，第一球体1应尽量密布整个热融湖塘；根据各个第一球体1所处的不同位置，在整个漂浮装置角上的第一球体1外层固定连接2个连接弹簧7，边上的第一球体1外层固定连接3个连接弹簧7，边角内的第一球体1外层固定连接4个连接弹簧7。

其次，为配合具有大惯性相变特性的形状记忆合金材质的第二球体2，弥补其在受热发生形状变化时的缓慢特点（即形状变化来的慢，去的也慢），连接弹簧7所采用的形状记忆合金材质则具有与其相反的特点，即具有小惯性相变特性，在受热时形状变化迅速（即形状变化来的快，去的也快），从而实现整个漂浮装置兼顾实现对太阳辐射的遮蔽隔热和对湖塘储存水的搅动散热。具体而言：连接弹簧7的高温相变记忆温度设置为小于漂浮装置所在区域近10年间晴朗天气下的日最低温度，通过对构成连接弹簧7的形状记忆合金长度进行形状“编程”，使其记住在高温相奥氏体时，其长度收缩为连接弹簧7呈密圈形态；连接弹簧7完全拉直的长度则应小于第一球体1自然状态时的直径，以尽量降低在连接弹簧7处于低温相马氏体并发生相互碰撞时，相邻连接弹簧7彼此发生缠绕的概率。形状记忆合金材质的第二球体2和连接弹簧7，两者的高温相变记忆温度之所以均设置为小于漂浮装置所在区域近10年间晴朗天气下的日最低温度，其主要目的即是：为了针对炎热天气的环境热量或晴朗天气下的太阳辐射，使两者第一时间共同做出反应，第二球体2体积变大，连接弹簧7长度收缩，对两侧第一球体1紧紧拉拽，形成紧密的网格状结构，最大限度阻隔环境热量或遮蔽太阳辐射进入热融湖塘，起到隔热降温的作用；而在寒冷凉爽的天气或没有太阳辐射的时候，通常多风，连接弹簧7快速软化转变为低温相马氏体，长度伸长，此时各个第一球体1有较之晴朗天气下更多一些的移动范围，利用风能，分别在各自所在水面区域附近做小范围的移动，并与周围相邻第一球体1发生碰撞，相互碰撞的第一球体1会引起第一球体1下部的拉伸弹簧4、摆杆5和摆球6在小范围水域内做类钟摆运动，即摆杆5和摆球6在横向来回摆动的同时，由于拉伸弹簧4的弹性，亦会形成纵向上下往复的类简谐运动，即从纵横两个维度，搅动第一球体1下方的局部水域，而第一球体1们彼此相邻，每个第一球体1搅动的局部小水域有交叠，各个局部小水域再累积扩散，从而搅动整个热融湖塘的水体，打破热融湖塘水体的温度分层，将热融湖塘深处的热量传递至湖塘表面，迅速被风带走，散发至环境，从而起到对热融湖塘散热降温的效果。由热融湖塘湖心自湖边，根据不同深度，不同第一球体1下的摆杆5的设定长度不断减小，在摆杆尽量下探的同时，需避免摆球陷入湖底。同时，由于形状记忆合金的超弹性，其可以承受较之一般金属更大更频繁的可回复应变：例如：塌陷、弯转、扭曲等形变，从而保证了其可以在长期反复形变下，保持稳定可靠工作的能力。

本发明采用第一球体、第二球体、第三球体、拉伸弹簧、摆杆、摆球和连接弹簧，通过太阳能和风能两种新能源的综合利用，结合具有形状记忆和超弹性特点的智能材料的使用以及整个漂浮装置局部多孔化和整体网格化的结构设置，利用太阳能为形状记忆合金材质的第二球体和连接弹簧提供形变热能，使整个漂浮装置处于不同形态，从而实现为热融湖塘水体遮蔽太阳辐射或打开热融湖塘水体的散热通道，并能与不同气象条件智能匹配；利用风能，为第一球体的移动碰撞以及受其带动的拉伸弹簧、摆杆和摆球的多维度运动提供能量，搅动热融湖塘水体，打破水体内的温度分层，将深层水体蕴含的热量传递至湖塘表面，对外散热，从而实现了全天候持续对高原冻土地带的热融湖塘控热降温，延缓了热融湖塘的进一步发育，提高了热融湖塘周边冻土的稳定性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。