一种基于OWC原理的自航式掺气增氧船及其增氧方法

摘要

本发明公开了一种基于OWC原理的自航式掺气增氧船及其增氧方法，该增氧船包括主船体，底层甲板的底部与主船体之间形成压舱水室，在压舱水室内注满水；在底层甲板的顶部安装两个结构相同的掺气增氧系统和一个密封舱，还包括有掺气增氧系统，所述的密封舱内安装控制上述进水电磁阀、排水电磁阀、水泵及下述电机、两个船体推进器工作的单片机和为增氧船内各部件供电的电池。本发明所公开的增氧船具有很高的智能性和灵活性：可自主巡航作业，航行过程利用太阳能供能，可实现对任意海域的掺气增氧，增氧区域不再受限，维护操作也更便利。

说明书

技术领域

本发明属于水域增氧装置领域，特别涉及该领域中的一种基于OWC原理的自航式掺气增氧船及其增氧方法。

背景技术

溶解氧是溶解在水体中的分子态氧，是海洋中的重要组成部分。海水中的溶解氧为大多数海洋生物提供必须的生存环境，其含量是衡量海水水质、预测海水自净能力和评估海洋生态环境的重要参数。

研究表明，全球范围内有报道的缺氧区已经达到470个以上。大面积的缺氧现象在空间范围上主要分布在受到人类影响较大的河口和近岸海区，目前研究和关注区域集中在密西西比河口的北部墨西哥湾。另外中国长江口也发现存在夏季低氧区域，面积甚至达到一万平方公里以上。波罗的海作为世界上最大的缺氧海域，缺氧面积可达8.4×10

目前用于提高水体含氧量的方法主要有机械、化学和生物三种，其中机械增氧是最为常用的增氧方法，其原理是利用电能驱动机械部件搅动水体，加快对流交换和界面更新，以达到提高水体含氧量的目的。常用的机械增氧机主要有叶轮式增氧机、水车式增氧机等等，主要存在以下不足：消耗电能或化石能源，污染水质，铺设电缆的成本高且耗电量大；对水的扰动剧烈，噪音很大，容易影响并伤害水生生物；易于泵送水体底部的泥浆等物质，造成水体浑浊。

为解决铺设电缆成本高和耗电量大的问题，有学者提出利用太阳能等可再生能源为机械增氧机供电，它的原理是收集太阳能将其转化为电能，再利用电能使电机带动叶轮转动实现增氧功能，但是其受天气状况影响较大，能量转换率较低，且存在噪音问题。

此外，目前机械增氧机的工作方式多为在固定区域定点增氧，增氧区域有限，无法根据各地点含氧浓度的变化来智能移动增氧，在海洋牧场的实际应用中存在不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于OWC原理的自航式掺气增氧船及其增氧方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于OWC原理的自航式掺气增氧船，其改进之处在于：包括主船体，在主船体上设置底层甲板、上层甲板和尾部甲板；底层甲板的底部与主船体之间形成压舱水室，在压舱水室内注满水；在底层甲板的顶部安装两个结构相同的掺气增氧系统和一个密封舱，所述的掺气增氧系统包括固定安装在底层甲板上的水箱，水箱内部被竖向隔板分隔成两个底端相通上端不相通的水室，在两个水室的顶部均设置箱盖，各箱盖与其所在水室的侧壁之间通过密封圈密封，此外在各箱盖上还均设置两个气孔，其中一个气孔连接单向进气阀，另一个气孔连接单向出气阀，单向进气阀通过软管连接大气，单向出气阀通过软管连接增氧船的停泊水域，在水箱的侧壁底部开设排水口，该排水口通过管道与排水电磁阀相连通，排水电磁阀则通过管道与压舱水室相连通，在水箱的侧壁上部开设进水口，该进水口通过管道与进水电磁阀相连通，进水电磁阀则通过管道与水泵的排水口相通，水泵的进水口通过管道与压舱水室的底部相连通，所述的密封舱内安装控制上述进水电磁阀、排水电磁阀、水泵及下述电机、两个船体推进器工作的单片机和为增氧船内各部件供电的电池；在上层甲板上安装一个以上为上述电池充电的智能电池板；在尾部甲板的上部设置船锚投放装置，所述的船锚投放装置包括固定安装在尾部甲板上的两个船锚支架和一部电机，在两个船锚支架之间安装旋转轴，旋转轴由上述电机驱动旋转，在旋转轴上固定安装缠绕缆绳的缆绳圈，缆绳的末端悬挂船锚，在尾部甲板的下部对称安装两个旋转方向相反的船体推进器。

进一步的，一个掺气增氧系统横向安装在底层甲板上，另一个掺气增氧系统竖向安装在底层甲板上，两个掺气增氧系统彼此垂直。

进一步的，所述的密封舱和水泵均通过螺栓固定在底层甲板上。

进一步的，所述的单片机为STM32F4系列单片机。

进一步的，智能电池板包括安装在上层甲板上的底座，在底座上安装止推轴承，在止推轴承上安装旋转平台，旋转平台由第一舵机驱动旋转，在旋转平台上安装两个支架，在两个支架之间安装旋转轴，在旋转轴上固定安装带感光元件的太阳能板，此外还在旋转轴的一端安装齿轮，该齿轮与固定安装在第二舵机输出轴上的齿轮相啮合，使第二舵机可驱动太阳能板摆动，所述的第一舵机和第二舵机均由单片机控制，太阳能板上的感光元件也与单片机连接通信。

进一步的，所述的第一舵机安装在底座上，第二舵机安装在一个支架上。

进一步的，在上层甲板上还安装智能摄像头，在主船体的侧面连接六个不同方向的红外传感器。

进一步的，电机通过电机支架固定安装在尾部甲板上。

进一步的，还包括由MPU60X0和超声波测距器组成的航行信息采集模块及蓝牙无线通信模块。

一种增氧方法，使用上述的增氧船，其改进之处在于：启动两个船体推进器使增氧船航行，两个船体推进器转速相同时增氧船直线航行，两个船体推进器转速不同时向转速低的船体推进器方向转向，增氧船航行至目标水域后关闭两个船体推进器；启动电机带动缆绳圈顺时针旋转下放船锚，当船锚触底时电机停转并保持自锁；打开进水电磁阀和水泵，将压舱水室内的水注入水箱，待水箱内的水位达到设定值后关闭进水电磁阀和水泵；当主船体在波浪的作用下发生晃动时，水箱内的水发生振荡，隔板一侧水室内的水位升高而另一侧水室内的水位降低，水位升高水室内的空气体积减小，压强增大，将空气从单向出气阀经由软管排入增氧船的停泊水域，完成增氧过程，水位降低水室内的空气体积增大，压强减小，将空气从单向进气阀经由软管吸入该水室，完成进气过程；当前水域增氧作业完毕后，打开排水电磁阀，将水箱内的水排回压舱水室后再关闭排水电磁阀；启动电机带动缆绳圈逆时针旋转上提船锚，当船锚收起时电机停转并保持自锁；启动两个船体推进器使增氧船航行至下一目标水域并重复上述步骤进行增氧作业。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的增氧船具有如下优点：

（1）具有很高的智能性和灵活性：可自主巡航作业，航行过程利用太阳能供能，可实现对任意海域的掺气增氧，增氧区域不再受限，维护操作也更便利。

（2）使用方便，工作时间长，节约人力：使用太阳能进行自主巡航作业，可以长期工作，使用波浪能进行自主掺气增氧，可以长期不间断为水体增氧，增氧船投放后全程自主化一体化工作，可自控完成航行、避障、抛锚、增氧等功能，便捷高效。必要时增氧船也可通过蓝牙无线通信模块智能接收用户指令。

（3）重心双形态切换兼顾航行稳定性和掺气增氧高效性：通过单片机控制进水电磁阀、水泵和排水电磁阀组成液体循环装置，使水在压舱水室和掺气增氧系统的水箱之间智能循环调配，实时调控增氧船的重心位置，以便适配航行和掺气增氧两种工作状态下对船舶稳定性的不同需求，从而兼顾增氧船航行的稳定性和增氧的高效性。

（4）增氧效率高：两个掺气增氧系统一个横向、一个纵向安装在底层甲板上，并且彼此垂直，可以充分利用增氧船船体的横摇和纵摇振荡，提高了实际运用时在复杂海况下的增氧效率。

本发明所公开的增氧方法，基于OWC原理，以波浪能为工作动力，不需要电能或石油等化学能源，能耗小，环保无污染，解决了目前机械增氧机耗能大的问题，有利于改善养殖水域的水质环境。掺气增氧系统水箱内的水随海浪的频率振荡，基本无噪音，对附近水域影响小，不会对喜静和易受伤生物产生负面影响，有利于在渔业生产中的实际应用。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开增氧船的结构示意图；

图2是本发明实施例1所公开增氧船中液体循环装置的结构示意图；

图3是本发明实施例1所公开增氧船中水箱的结构示意图；

图4是本发明实施例1所公开增氧船中船锚投放装置的结构示意图；

图5是本发明实施例1所公开增氧船中智能电池板的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种基于OWC原理的自航式智能掺气增氧船，能在海洋中利用波浪能进行掺气增氧作业，包括主船体6，在主船体上设置底层甲板11、上层甲板2和尾部甲板；底层甲板的底部与主船体之间形成压舱水室12，在压舱水室内注满水；在底层甲板的顶部安装两个结构相同的掺气增氧系统9和一个密封舱4，所述的掺气增氧系统包括固定安装在底层甲板上的水箱，如图2所示，由进水电磁阀101、水泵102和排水电磁阀103组成液体循环装置10。在水箱的侧壁底部开设排水口，该排水口通过管道与排水电磁阀相连通，排水电磁阀由螺栓固定在水箱侧面并通过管道与压舱水室相连通，在水箱的侧壁上部开设进水口，该进水口通过管道与进水电磁阀相连通，进水电磁阀由螺栓固定在水箱侧面，排水电磁阀上方，并通过管道与水泵的排水口相通，水泵的进水口通过管道与压舱水室的底部相连通。

如图3所示，水箱30被其内中部的竖向隔板25分隔成两个底端相通上端不相通的水室，水箱注水后，隔板底部浸入水中，使水箱两侧水室之间的上部空气互相隔绝，底层水体相互连通；在两个水室的顶部均设置箱盖24、28，各箱盖与其所在水室的侧壁之间通过密封圈29密封，以便保证水箱的水密性。此外在各箱盖上还均设置两个气孔，其中一个气孔连接单向进气阀22、26，另一个气孔连接单向出气阀23、27，单向进气阀通过软管连接大气，单向出气阀通过软管连接增氧船的停泊水域，所述的密封舱内安装控制上述进水电磁阀、排水电磁阀、水泵及下述电机、两个船体推进器工作的单片机和为增氧船内各部件供电的电池；在上层甲板上通过螺栓固定三个为上述电池充电的智能电池板1。

如图4所示，在尾部甲板的上部设置船锚投放装置3，下放船锚后能保证增氧船进行定点增氧作业，所述的船锚投放装置包括固定安装在尾部甲板36上的两个船锚支架35和一个电机支架32，在电机支架上安装电机31，在两个船锚支架之间安装旋转轴，旋转轴由上述电机驱动旋转，在旋转轴上固定安装缠绕缆绳的缆绳圈34，缆绳的末端悬挂船锚37，在尾部甲板的下部对称安装两个旋转方向相反的船体推进器5，本实施例中两个船体推进器分别为左旋和右旋叶片，保证两者的扭矩被相互抵消，实现增氧船的航行和转向。

在本实施例中，一个掺气增氧系统横向安装在底层甲板上，另一个掺气增氧系统竖向安装在底层甲板上，两个掺气增氧系统彼此垂直，构成横摇和纵摇掺气增氧系统。所述的水箱、密封舱和水泵均通过螺栓固定在底层甲板上。所述的单片机为STM32F4系列单片机。

如图5所示，智能电池板1包括安装在上层甲板上的底座17，在底座上安装止推轴承16，在止推轴承上安装旋转平台15，止推轴承既保证了旋转平台的转动灵活性，又起到了支撑旋转平台的作用。旋转平台由安装在底座上的第一舵机21驱动旋转，在旋转平台上安装两个支架14，在两个支架之间安装旋转轴，在旋转轴上固定安装带感光元件的太阳能板13，此外还在旋转轴的一端安装齿轮18，该齿轮与固定安装在第二舵机20输出轴上的齿轮19相啮合，使第二舵机可驱动太阳能板摆动，第二舵机安装在上述的一个支架上。所述的第一舵机和第二舵机均由单片机控制，即单片机可控制旋转平台的智能转动和太阳能板的摆动，太阳能板上的感光元件也与单片机连接通信，感光元件感受光源的角度并反馈到单片机中，由单片机控制旋转平台转动和太阳能板摆动，实现二自由度的灵活追光。

在上层甲板上还安装具有观测和辅助避障功能的智能摄像头7，在主船体的侧面连接六个不同方向的红外传感器8，以具有一定的避障功能。还包括由MPU60X0和超声波测距器组成的航行信息采集模块，用于增氧船的航态矫正和避障；蓝牙无线通信模块。

本实施例还公开了一种增氧方法，使用上述的增氧船，启动两个船体推进器使增氧船航行，两个船体推进器转速相同时增氧船直线航行，两个船体推进器转速不同时向转速低的船体推进器方向转向，差速越大，转向半径越小，转向越快。增氧船航行至目标水域后关闭两个船体推进器；启动电机带动缆绳圈顺时针旋转下放船锚，当船锚触底时电机停转并保持自锁，保证抛锚的可靠并使增氧船静停；打开进水电磁阀和水泵，将压舱水室内的水注入水箱，待水箱内的水位达到设定值后关闭进水电磁阀和水泵，使得增氧船重心抬升，稳性减低，加剧增氧船的横摇和纵摇幅度，以便进行后续增氧作业；当主船体在波浪的作用下发生晃动时，水箱内的水发生振荡，隔板一侧水室内的水位升高而另一侧水室内的水位降低，水位升高水室内的空气体积减小，压强增大，将空气从单向出气阀经由软管排入增氧船的停泊水域，完成增氧过程，水位降低水室内的空气体积增大，压强减小，将空气从单向进气阀经由软管吸入该水室，完成进气过程，如此往复以进行增氧作业；当前水域增氧作业完毕后，打开排水电磁阀，水箱内的水在重力作用下自动排回压舱水室后关闭排水电磁阀，停止增氧作业。水箱内的水排回压舱水室后使得增氧船重心降低，稳性提升，增加增氧船在风浪中航行的稳定性，确保后续自航作业的可靠性。启动电机带动缆绳圈逆时针旋转上提船锚，当船锚收起时电机停转并保持自锁，以保证船锚在固定位置；启动两个船体推进器使增氧船航行至下一目标水域并重复上述步骤进行增氧作业。