一种采用分布式风能的水体生态治理装置

1.本发明属于水体生态治理技术领域，具体涉及一种采用分布式风能的水体生态治理装置。


背景技术：

2.城市中湖泊、城市河道的存在，不仅可以改善周边景观和环境，同时还有助于防止“热岛”效应的产生，能一定程度上改善居民的舒适度。但城市中的湖泊、河道多为静水，若水体的生态治理不当则会造成水体富营养化，同时由于落叶及生活垃圾的影响，水体会发黑发臭。水体污染不仅会对城市景观造成影响，还会对周围的生态环境产生一定的破坏。
3.为解决湖泊、城市河道中的生态治理问题，多采用生态浮岛和在水体中加入增氧装置的办法。生态浮岛利用植物以达到净化水质，能够降解水中的cod、氮、磷的含量，同时增加水体中溶氧量。增氧装置则需要在湖泊、河道中布置电网才能正常使用。二者在面对水体面积较大的情况时，则需要通过扩大生态浮岛面积和电网铺设范围来实现水体的生态治理，治理成本大。
4.也有通过将风力发电机作为分布式电源来为水体曝气的技术方案，但是装置中都需要额外配置鼓风机或压缩机，装置成本高。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明提供一种采用分布式风能的水体生态治理装置，能够利用风能直接对水体进行曝气，提高水体的溶解氧含量。
6.为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
7.一种采用分布式风能的水体生态治理装置，包括风力机和浮岛载体；
8.所述浮岛载体固定在水体表面，浮岛载体包括浮岛主体；
9.所述浮岛主体设有主腔、曝气管、排气管和进气管，浮岛主体上表面设有进气口；
10.所述进气管上端与所述进气口相连，下端与所述主腔连通；
11.所述主腔内设有旋转风轮；
12.所述风力机位于浮岛载体上方，风力机的转轴能够带动所述旋转风轮旋转并使气体从进气口沿进气管进入主腔；
13.所述曝气管位于主腔外部；
14.所述主腔的侧面通过所述排气管与曝气管连通；
15.所述曝气管与水体连通。
16.优选的，还包括上聚风罩、下聚风罩、上聚风罩支撑杆和下聚风罩支撑体；
17.所述上聚风罩和下聚风罩形状相同，对称设置于所述风力机的上下两端；
18.所述上聚风罩包括连接部一和聚风部一；所述连接部一为圆形的平板；所述聚风部一为环形的曲面板，固定于连接部一的外侧，与连接部一同心；
19.所述下聚风罩包括连接部二和聚风部二；所述连接部二为圆形的平板，连接部二
中心设有用于穿过风力机的转轴的通孔二，连接部二下端面通过所述下聚风罩支撑体与所述浮岛主体的上端面固定连接；所述聚风部二为环形的曲面板，固定于连接部二的外侧，与连接部二同心，聚风部二的下端与浮岛主体的上端面之间设有间隙二；
20.所述上聚风罩支撑杆上端与聚风部一的下端面固定连接，下端与聚风部二的上端面固定连接；
21.聚风部一和聚风部二的凸面相对。
22.优选的，所述旋转风轮包括旋转风轮的转轴、风轮片固定环、第一风轮片、第二风轮片和风轮连接件；
23.所述风轮片固定环呈环形；
24.所述风轮连接件均匀排布，内端与所述旋转风轮的转轴固定连接，外端与风轮片固定环固定连接，风轮连接件的上端面与风轮片固定环的上端面平齐；
25.所述第一风轮片为曲面形，竖直设立，均匀排布，内端与旋转风轮的转轴固定连接，下端面与风轮连接件的上端面、风轮片固定环的上端面固定连接；
26.所述第二风轮片为曲面形，竖直设立，均匀排布，下端面与风轮片固定环的上端面固定连接，第二风轮片与旋转风轮的转轴不接触；
27.第一风轮片和第二风轮片的弯曲方向一致；第二风轮片和第一风轮片的高度相同，第二风轮片的径向尺寸小于第一风轮片的径向尺寸。
28.优选的，所述第二风轮片的径向尺寸为所述第一风轮片的径向尺寸的一半；第一风轮片外端与所述旋转风轮中心的距离与所述主腔的内径之比为(3:8)-(19:40)。
29.优选的，还包括风力发电机、蓄电池、驱动电机、垃圾贮存槽、水泵、安装板、控制器和旋转水轮；
30.所述蓄电池、驱动电机、水泵和控制器位于所述浮岛主体内部；
31.所述浮岛主体为圆柱形的空腔；
32.所述风力发电机固定在所述上聚风罩上端，与蓄电池电连接；
33.所述连接部一中心设有用于穿过风力机的转轴的通孔一；所述风力机的转轴穿过所述通孔一与风力发电机相连；
34.所述安装板为环形，与浮岛载体的外侧固定连接，安装板与浮岛载体不完全接触，安装板上部外侧面设有水平的、呈圆环形的旋转水轮连接板；
35.所述垃圾贮存槽卡置于安装板和浮岛载体之间；垃圾贮存槽下部通过所述水泵的进水管与水泵连接；
36.所述旋转水轮整体呈圆形，搭接在旋转水轮连接板上；
37.蓄电池用于为驱动电机、水泵供电；
38.驱动电机用于驱动所述旋转水轮绕浮岛载体旋转；
39.水泵用于排出垃圾贮存槽内的水；
40.控制器与蓄电池、水泵和驱动电机电连接。
41.优选的，所述浮岛载体还包括呈环形的连接体；所述连接体上表面与浮岛主体的上表面平齐，内侧面与浮岛主体的内侧面固定连接，连接体的厚度小于浮岛主体，连接体外侧面设有凸出部；
42.所述安装板内侧面与所述凸出部的外侧面固定连接，上端面与凸出部上端面平
齐，安装板设有三个垃圾汇入口；
43.所述垃圾汇入口上端与所述旋转水轮连接板平齐；
44.所述垃圾贮存槽设有三个，为弧形，卡置于安装板与连接体之间，垃圾贮存槽的内侧面与连接体的外侧面相贴，外侧面与安装板的内侧面相贴，外侧面上端与垃圾汇入口下端平齐，两端与凸出部的端面相贴，垃圾贮存槽的端部下方设有网状结构；
45.所述水泵的进水管依次穿过所述连接体、凸出部后与所述网状结构连通。
46.优选的，所述连接体还设有种植槽；所述种植槽用于种植水生植物；所述连接体下端面与水体接触。
47.优选的，所述旋转水轮包括水轮连接件一、水轮连接件二和旋转轮片；
48.所述水轮连接件一为环形，包括一体成型的上端面、下端面和外侧面，内部固定有环形的外齿轮，水轮连接件一的下端面搭接在旋转水轮连接板上，上端面的内侧与所述安装板的外侧面大间隙配合；
49.所述安装板和旋转水轮连接板的连接处设有滚珠；
50.所述水轮连接件二竖直设立，上端与水轮连接件一下端面的外侧相连，下端与旋转轮片的外侧相连；
51.所述旋转轮片的上端面与水面、垃圾汇入口的下端面平齐，内侧面与安装板的外侧面大间隙配合，下端面低于安装板的下端面。
52.优选的，所述风力发电机与所述上聚风罩固定连接，位于所述上聚风罩上方中部；
53.所述浮岛载体表面设有便于穿过电线的通孔五；
54.所述上聚风罩支撑杆内部中空，所述上聚风罩与上聚风罩支撑杆相连的部位设有通孔三；所述下聚风罩与上聚风罩支撑杆相连的部位设有通孔四；
55.所述电线一端与风力发电机相连，另一端依次穿过所述通孔三、上聚风罩支撑杆、通孔四、通孔五与所述蓄电池相连。
56.优选的，所述主腔为圆柱形，与所述浮岛主体同心设置；
57.所述曝气管包括圆环形的主管和多个副管，所述主管与所述排气管连通，所述副管等间距排列，竖直设置，上端与主管连通，下端穿过浮岛主体的底面与水体连通；
58.所述副管在主腔向外排气时为通路，其余情况为断路。
59.本发明的有益效果：
60.1)本发明通过风的流动带动风力机旋转，从而带动与风力机同轴布置的旋转风轮转动，使得外部空气不断从进气管进入主腔，大量进入主腔的气体在旋转风轮的带动下快速进入排气管，进而通过排气管将空气送到曝气管中，从而使空气持续进入到水体之中。因此，本发明能够提高水体的溶解氧含量，促使好氧细菌对有机化合物的分解，避免因水体中溶解氧不能及时补充而致使无氧细菌大量繁殖，有机物腐败引起的水体变黑变臭。
61.2)本发明在种植槽内种植水生植物，能够净化水质，降解水中的cod、氮、磷的含量，避免水体富营养化的作用，改善微观层面的生态的同时可以改善景观、绿化环境。
62.3)本发明采用升力型风力机，可使得风力机在高风速区得到较高的风能利用率，同时安装阻力型风力机，可使得风力机在低风速情况下也能获得良好的启动性能。
63.4)本发明将风力机旋转产生的电能储存在蓄电池中，通过蓄电池中为驱动电机和水泵供电，驱动电机带动旋转水轮运动，旋转水轮顺时针转动时水流被持续推动，从而使得
水体中死水变为活水，以强化水体的自净作用，避免水质腐败发臭；旋转水轮逆时针转动时，搭配水泵，可使得水流向浮岛载体聚拢，同时水面上的落叶、垃圾等将被卷入浮岛载体所设置的垃圾贮存槽中，达到自动清理湖面垃圾的作用。
附图说明
64.图1为本发明提供的采用分布式风能的水体生态治理装置的示意图；
65.图2为本发明提供的采用分布式风能的水体生态治理装置的主视图；
66.图3为本发明提供的风力机的示意图；
67.图4为本发明提供的浮岛载体的上部示意图；
68.图5为本发明提供的安装板的示意图；
69.图6为本发明提供的浮岛载体的底部示意图；
70.图7为本发明提供的旋转风轮的示意图；
71.图8为本发明提供的主腔的内部示意图；
72.图9为本发明提供的浮岛主体的内部示意图；
73.图10为本发明提供的传动系统的示意图；
74.图11为本发明提供的垃圾贮存槽的示意图；
75.图12为本发明提供的旋转水轮的示意图；
76.图13为旋转水轮与安装板连接处的示意图；
77.图14为凸台的示意图；
78.其中：1-风力机，2-浮岛载体，11-升力型风力机，12-阻力型风力机，131-上聚风罩，132下聚风罩，133-下聚风罩支撑体，134-上聚风罩支撑杆，14-风力发电机，21-种植槽，
79.22-垃圾贮存槽，221-垃圾贮存槽一，222-垃圾贮存槽二，223-垃圾贮存槽三，
80.23-旋转水轮，231-外齿轮，232-水轮连接件一，2321-延伸部，2322-延伸板，233-水轮连接件二，234-旋转轮片，
81.24-旋转风轮，241-旋转风轮的转轴，242-风轮片固定环，243-第一风轮片，244-第二风轮片，245-风轮连接件，
82.25-排气管，26-主管，27-副管，29-主腔，30-进气管，
83.31-水泵，32-驱动电机，33-蓄电池一，34-蓄电池二，35-水泵的进水管，36-水泵的出水管，37-浮岛主体，38-安装板，381-旋转水轮连接板，382-滚珠，383-外延板，
84.39-连接体，391-凸出部一，392-凸出部二，393-凸出部三，394-垃圾汇入口，
85.40-凸台，80-传动系统，801-电机，802-蜗杆，803-蜗轮，804-主动轮，805-从动轮。
具体实施方式
86.下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式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。
87.本发明实施例提供一种采用分布式风能的水体生态治理装置，参见图1、图8，包括风力机1和浮岛载体2。浮岛载体固定在水体表面，浮岛载体包括浮岛主体。浮岛主体设有主腔29、曝气管、排气管25和进气管30，浮岛主体上表面设有进气口；进气管30上端与进气口相连，下端与主腔29连通；主腔29为圆柱形，主腔29内设有旋转风轮24；旋转风轮24与主腔
29同轴心布置。风力机1位于浮岛载体2上方，风力机的转轴能够带动旋转风轮24旋转并使气体从进气口沿进气管进入主腔；曝气管位于主腔外部；主腔29的侧面通过排气管25与曝气管连通；曝气管与水体连通。
88.本发明通过风的流动带动风力机旋转，从而带动与风力机同轴布置的旋转风轮转动，旋转风轮转动向排气管送气，主腔内气压则会小于外界气压，使得外部空气不断从进气管进入主腔，进而通过排气管将空气送到曝气管中，从而使空气持续进入到水体之中，提高水体的溶解氧含量。本发明能够促使好氧细菌对有机化合物的分解，避免因水体中溶解氧不能及时补充而致使无氧细菌大量繁殖，有机物腐败引起的水体变黑变臭。
89.在本发明的可选实施例中，浮岛载体通过系泊缆与水体底部相连。
90.在本发明的可选实施例中，参见图2及图3，采用分布式风能的水体生态治理装置还包括上聚风罩131、下聚风罩132、上聚风罩支撑杆134和下聚风罩支撑体133；上聚风罩131和下聚风罩132形状相同，对称设置于风力机的上下两端；上聚风罩包括连接部一和聚风部一；连接部一为圆形的平板；聚风部一为环形的曲面板，固定于连接部一的外侧，与连接部一同心；下聚风罩包括连接部二和聚风部二；连接部二为圆形的平板，连接部二中心设有用于穿过上聚风罩固定轴、风力机的转轴的通孔二，连接部二下端面通过下聚风罩支撑体133与浮岛主体2的上端面固定连接；聚风部二为环形的曲面板，固定于连接部二的外侧，与连接部二同心；聚风部二的下端与浮岛主体的上端面之间设有间隙二；上聚风罩支撑杆134上端与聚风部一的下端面固定连接，下端与聚风部二的上端面固定连接；聚风部一和聚风部二的凸面相对。通孔二处固定有轴承座，轴承座的轴上端与风力机的转轴固定连接，下端与旋转风轮的转轴固定连接。旋转风轮的转轴与进气管之间设有间隙一。曲线型的聚风罩能够使得经过风力机的风量提升。
91.在本发明的可选实施例中，参见图3，风力机包括升力型风力机11和阻力型风力机12；升力型风力机11和阻力型风力机12共用一根转轴。升力型风力机为五叶片升力型风力机。通过升力型风力机和阻力型风力机实现对风能(即使针对微风情况)的捕获。
92.在本发明的可选实施例中，旋转风轮的转轴外径与进气管的内径相差4-10cm，保证气体能顺利进入主腔。
93.在本发明的可选实施例中，参见图7，旋转风轮包括旋转风轮的转轴241、风轮片固定环242、3个第一风轮片243、6个第二风轮片244和3个风轮连接件245；风轮片固定环242呈环形；风轮连接件245均匀排布，内端与旋转风轮的转轴241固定连接，外端与风轮片固定环242固定连接，风轮连接件245的上端面与风轮片固定环242的上端面平齐；第一风轮片243为曲面形，竖直设立，均匀排布，内端与旋转风轮的转轴241固定连接，下端面与风轮连接件245的上端面、风轮片固定环242的上端面固定连接；第二风轮片244为曲面形，竖直设立，均匀排布，下端面与风轮片固定环242的上端面固定连接；第二风轮片244与旋转风轮的转轴241不接触；第一风轮片243和第二风轮片244的弯曲方向一致；第二风轮片244和第一风轮片243的高度相同，第二风轮片244的径向尺寸小于第一风轮片243的径向尺寸。
94.在本发明的优选实施例中，第二风轮片的径向尺寸为第一风轮片的径向尺寸的一半，有利于空气进入主腔。第一风轮片外端与旋转风轮中心的距离与主腔的内径之比为(3:8)-(19:40)，有助于旋转风轮向排气管送气。
95.在本发明的可选实施例中，参见图3、图4、图5及图9，采用分布式风能的水体生态
治理装置还包括风力发电机14、蓄电池、驱动电机32、垃圾贮存槽22、水泵31、安装板38、控制器和旋转水轮23；蓄电池、驱动电机32、水泵31和控制器位于浮岛主体37内部；浮岛主体37为圆柱形的空腔；风力发电机14固定在上聚风罩131上端，与蓄电池电连接；连接部一中心设有用于穿过风力机的转轴的通孔一；风力机的转轴穿过通孔一与风力发电机相连；安装板38为环形，与浮岛载体的外侧固定连接，安装板与浮岛载体不完全接触，安装板38上部外侧面设有水平的、呈圆环形的旋转水轮连接板381；垃圾贮存槽22卡置于安装板和浮岛载体之间；垃圾贮存槽下部通过水泵的进水管35与水泵31连接；旋转水轮23整体呈圆形，搭接在旋转水轮连接板上；蓄电池用于为驱动电机、水泵供电；驱动电机通过驱动系统驱动旋转水轮绕浮岛载体旋转；水泵用于排出垃圾贮存槽内的水；控制器与蓄电池、水泵和驱动电机电连接。控制器图中未示出。具体的，蓄电池包括蓄电池一33和蓄电池34。蓄电池一33和蓄电池34均与控制器、风力发电机、水泵、驱动电机电连接。参见图6，水泵的出水管36穿过浮岛主体的下端面与水体连通。
96.风力机旋转产生的电能储存于蓄电池中，蓄电池用于带动水泵和驱动电机，驱动电机通过驱动系统带动旋转水轮运动。旋转水轮顺时针转动时，水流被持续推动，从而使得水体中死水变为活水，以强化水体的自净作用，避免水质腐败发臭；旋转水轮逆时针转动时，搭配水泵，可使得水流向浮岛载体聚拢，同时水面上的落叶、垃圾等将被卷入浮岛载体所设置的垃圾贮存槽中，水泵可持续将垃圾贮存槽中的水排放到浮岛载体下方，达到自动清理水体表面垃圾的作用。可通过控制器设置程序，使旋转水轮在某一段时间内顺时针旋转，某一段时间内逆时针转动，在一天内进行循环，如可采取白天顺时针旋转活水，晚上顺时针旋转收集水体表面垃圾、漂浮物，第二天早上对垃圾贮存槽进行回收处理的方案。驱动电机可采用步进电机。
97.在本发明的可选实施例中，参见图5及图9，浮岛载体还包括呈环形的连接体39；连接体39上表面与浮岛主体的上表面平齐，内侧面与浮岛主体的内侧面固定连接，连接体的厚度小于浮岛主体，连接体39外侧面设有凸出部一391、凸出部二392和凸出部三393；安装板38内侧面与凸出部一391、凸出部二392和凸出部三393的外侧面固定连接，上端面与凸出部一391、凸出部二392和凸出部三393上端面平齐，安装板38设有三个垃圾汇入口394；垃圾汇入口394上端与旋转水轮连接板381平齐。垃圾贮存槽设有三个，包括垃圾贮存槽一221、垃圾贮存槽二222、垃圾贮存槽三223，均为弧形，卡置于安装板与连接体之间，垃圾贮存槽的内侧面与连接体的外侧面相贴，外侧面与安装板的内侧面相贴，外侧面上端与垃圾汇入口下端平齐。参见图11，垃圾贮存槽一221两侧均设有网状结构，垃圾贮存槽二222和垃圾贮存槽三223的一侧设有网状结构；垃圾贮存槽一221两侧分别与凸出部一和凸出部二的两端面连接；垃圾贮存槽二222的设有网状结构的侧面与凸出部一的端面固定连接；垃圾贮存槽三223设有网状结构侧面与凸出部二的端面固定连接。具体的，连接体、凸出部一和凸出部二内部设有通道一便于水泵的进水管穿过并与垃圾贮存槽连通。连接体和凸出部三设有通道二便于安放驱动系统。通道一、通道二与浮岛载体的连接处密封良好。
98.在本发明的可选实施例中，参见图4至图6，连接体39还设有种植槽21；种植槽用于种植水生植物；连接体39下端面与水体接触。
99.在本发明的可选实施例中，见图12及图13，旋转水轮包括水轮连接件一232、水轮连接件二233和旋转轮片234；水轮连接件一232为环形，包括一体成型的上端面、下端面和
外侧面，内部固定有环形的外齿轮231，水轮连接件一232的下端面搭接在旋转水轮连接板381上，上端面的内侧与安装板38的外侧面大间隙配合；安装板38和旋转水轮连接板381的连接处设有滚珠382；水轮连接件二233竖直设立，上端与水轮连接件一232下端面的外侧相连，下端与旋转轮片234的外侧相连；旋转轮片的上端面与水面、垃圾汇入口的下端面平齐，内侧面与安装板的外侧面大间隙配合，下端面低于安装板的下端面。
100.在本发明的可选实施例中，风力发电机与上聚风罩固定连接，位于上聚风罩上方中部；浮岛载体表面设有便于穿过电线的通孔五；上聚风罩支撑杆内部中空，上聚风罩与上聚风罩支撑杆相连的部位设有通孔三；下聚风罩与上聚风罩支撑杆相连的部位设有通孔四；电线一端与风力发电机相连，另一端依次穿过所述通孔三、上聚风罩支撑杆、通孔四、通孔五与所述蓄电池相连。具体的，风力发电机外部设有防水外壳，风力发电机固定在上聚风罩中部，上聚风罩和风力发电机的连接结构图中未示出。通孔三、通孔四、通孔五图中未示出。通孔三、通孔四、通孔五的连接处做防水处理。
101.在本发明的可选实施例中，参见图6及图8，主腔29为圆柱形，与浮岛主体同心设置，曝气管包括圆环形的主管26和多个副管27，主管与排气管25连通，副管27等间距排列，竖直设置，上端与主管26连通，下端穿过浮岛主体的底面与水体连通。副管在主腔向外排气时为通路，其余情况为断路。
102.在本发明的可选实施例中，浮岛主体还包括卸荷器、逆变器一和逆变器二；风力发电机通过卸荷器与蓄电池相连；蓄电池通过逆变器一与水泵相连；蓄电池通过逆变器二与驱动电机相连；控制器与卸荷器、逆变器一和逆变器二电连接。卸荷器可以避免蓄电池充电过量。
103.在本发明的可选实施例中，参见图10，驱动系统包括蜗轮803、蜗杆802、主动轮804和从动轮805；蜗杆802与驱动电机801的输出轴同轴，蜗杆802与驱动电机801的输出轴位于水平方向；蜗杆802带动蜗轮803旋转，蜗轮803与主动轮804竖向同轴设置；蜗轮803的轴下端固定在浮岛主体内部上；主动轮804位于蜗轮803上方，带动从动轮805旋转；从动轮805的轴下端固定在浮岛主体内部上；从动轮与旋转水轮的外齿轮啮合带动旋转水轮旋转。
104.在本发明的可选实施例中，参见图11，垃圾贮存槽一221、垃圾贮存槽二222、垃圾贮存槽三223的内侧面高于外侧面，垃圾贮存槽一221、垃圾贮存槽二222、垃圾贮存槽三223内侧面设有凸缘，垃圾贮存槽一221、垃圾贮存槽二222、垃圾贮存槽三223通过凸缘搭接在连接体的外侧面上。
105.在本发明的可选实施例中，主管的内径小于排气管，主管呈圆环型。
106.在本发明的可选实施例中，参见图13，安装板38还设有多个呈弧形的外延板383；外延板383截面呈l形，组成一个整体的环形，覆盖在旋转水轮的水轮连接件一232的上表面和外侧面上，下端面侧部与安装板38上端通过螺栓固定连接，外延板383与水轮连接件一232的上表面和外侧面大间隙配合。水轮连接件一232的外侧面下端还设有环形的延伸部2321；延伸部2321为与旋转水轮连接板381外端大间隙配合，延伸部2321还设有多个弧形的延伸板2322；延伸板组成一个环形，上端面与旋转水轮连接板381下端面大间隙配合，外端与延伸部2321通过螺栓固定。
107.在本发明的可选实施例中，参见图14，主腔上表面的中心处设有圆管形的凸台40，凸台40环绕进气口。
108.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。