本發(fā)明涉及明渠水體防凍，具體涉及一種基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置。

背景技術：

1、針對我國北方嚴寒地區(qū)城鎮(zhèn)工業(yè)、農業(yè)，市政等方面的冬季用水需求量日劇提升的現(xiàn)狀，在建已建的高寒長距離的大型引水工程逐漸增多。我國北方嚴寒地區(qū)(緯度大于40度區(qū)域)冬季嚴寒而漫長。在嚴寒低溫作用下，運行中的明渠凍結現(xiàn)象發(fā)生普遍且凍結規(guī)模隨著冬季低溫的持續(xù)而逐漸擴大，因此引發(fā)的冰凍災害普遍且突出。嚴寒地區(qū)的負溫條件下，明渠中流動的水體的凍結現(xiàn)象首先從水面與襯砌相結合的位置處開始，逐漸向渠道中心位置擴展。這會引起明渠有效斷面減小而導致輸水效率顯著降低。同時，明渠水體凍結對明渠襯砌產生的冰推擠壓，水體入滲凍脹等作用會顯著增加渠道基礎鼓脹、滑坡、垮塌等不良影響，引發(fā)季節(jié)性斷流，造成嚴重的經濟損失嚴重。

2、當前嚴寒地區(qū)明渠的冬季運行及常用防凍措施主要有人工或機械除冰、冰蓋下輸水、抽地下水融冰等。其中人為除冰直接有效，需沿途設置破冰、排冰、蓄冰設施，運維成本高，冰凌、冰塞等冰害時常反復發(fā)生；冰蓋下輸水方式即在對明渠輸水人為調控下，在渠道水體表面形成一層完整的冰蓋，而冰蓋下的輸水正常運行，此方法成本低，適于嚴寒區(qū)。缺點在于人為控制穩(wěn)定均質冰蓋困難，且冰蓋產生的冰推擠壓作用對渠道襯砌、基礎的破壞顯著。抽水融冰方法即將溫度較高的地下水抽至明渠中提升明渠水體溫度，防止水體凍結。此種方式融冰效果好，但高寒區(qū)地下水位深，抽取地下水耗能高，且地下水開采限制條件多，地下水資源匱乏的地區(qū)難以實現(xiàn)。綜上所述，目前長距離引水工程冬季低溫運行技術中往往存在能源，人力，物力消耗巨大，環(huán)境不友好的缺陷。且難以消除水體凍結對襯砌面板的冰推、冰拔以及沖刷危害。這導致嚴寒地區(qū)冬季明渠的運行控制與水體凍結引起的凍害防控措施推廣和應用進展緩慢。故亟需采用一種高效節(jié)能、綠色環(huán)保，自動控制，價格低廉、維護方便的融冰控制技術。

3、我國北方嚴寒地區(qū)(以新疆為例)氣候干燥，即便是冬季，其太陽能帶來的光熱資源仍相對豐富。從太陽能的能量密度角度分析，單位面積上接收到的太陽能的量，在光照強烈的情況下，地表的太陽光能量密度大約在1000w/㎡。而通常來說，在太陽能充足的情況下，一平方米太陽能電池板也只能產生200瓦到400瓦的功率。據(jù)統(tǒng)計，北疆的(北緯40°附近)冬季(11月份-來年3月份)的地表的太陽能量密度大約在800w/㎡。若以1.5m直徑的圓形平面上的太陽能量約為1400w，相當于一個普通家用電熱水器的功率，這種能量對于明渠融冰來說仍十分可觀。若直接收集利用太陽能的光、熱能傳遞并轉化為熱能(常見轉化效率90％～97％)并對明渠最易發(fā)生結冰的位置進行輔助加熱融冰，可實現(xiàn)對冬季運行中明渠水體發(fā)生凍結的初始進行預防的效果，以達到提升冬季明渠輸水效率和降低冰凍災害的目的。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，解決了現(xiàn)有明渠的冬季運行及常用防凍措施中資源消耗巨大的問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

3、提供一種基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其包括集光板和設置有明渠堤壩上的混凝土樁基，集光板通過轉動支座轉動設置于豎向支架軸上；豎向支架軸上設置有作用于集光板的俯仰轉動組件；豎向支架軸通過軸承轉動設置于混凝土樁基上，且混凝土樁基上設置有作用于豎向支架軸的水平轉動組件，集光板上設置有集光器，集光器通過光導纖維束與明渠水面上的融冰漂浮體相連通。

4、本發(fā)明高效節(jié)能、綠色環(huán)保，結構簡單，價格低廉，通過俯仰轉動組件和水平轉動組件使集光板隨太陽轉動保持垂直照射，從而持續(xù)的將太陽光線聚集進入集光器中，進而導入融冰漂浮體內，并通過融冰漂浮體將太陽光線的光熱能量傳導至渠道襯砌表面，極大的減少能源，人力，物力的消耗，克服環(huán)境的影響，實現(xiàn)對冬季運行中明渠水體發(fā)生凍結的初始進行預防的效果。

5、進一步地，集光板包括多個集光子板，集光子板的拼接邊側上均翻轉設置有第一翻邊；通過螺栓穿過相連相鄰集光子板上第一翻邊上的預留孔，成環(huán)形的將多個集光子板組拼成集光板。

6、進一步地，轉動支座包括支撐環(huán)，支撐環(huán)上設置有連接板，通過螺栓穿過連接板和第一翻邊連接支撐環(huán)與集光板；

7、支撐環(huán)下通過連桿設置有轉軸，轉軸穿過豎向支架軸的頂端轉動連接支撐環(huán)和豎向支架軸。

8、進一步地，俯仰轉動組件包括通過固定支架設置于豎向支架軸上的第一驅動電機和傳動外殼，傳動外殼上貫穿設置有絲桿調節(jié)桿，位于傳動外殼內的絲桿調節(jié)桿上通過螺紋設置有絲桿調節(jié)套筒，絲桿調節(jié)套筒上套設有第一從動齒輪；第一驅動電機的輸出軸延伸至傳動外殼內的端部上設置有第一主動齒輪，第一主動齒輪和第一從動齒輪嚙合；

9、絲桿調節(jié)桿的頂端通過中間轉動軸與轉動支座上的連接桿轉動相連。

10、進一步地，水平轉動組件包括通過支架設置于混凝土樁基上的第二驅動電機，第二驅動電機的輸出軸上設置有第二主動齒輪，第二主動齒輪通過鏈條與豎向支架軸上的第二從動齒輪相連。

11、進一步地，融冰漂浮體包括與光導纖維束相連通的導熱殼體，導熱殼體的內部中空，且中空的內壁上設置有光熱能量轉換涂層，導熱殼體的外壁上設置有吸熱輻射層。

12、進一步地，導熱殼體的一端設置有連接固定器，連接固定器通過鋼絲繩與明渠堤壩上的鋼絲繩收卷機相連。

13、進一步地，集光器通過集光支架安裝在集光板的上方；集光支架包括多根集光器固定桿，多根集光器固定桿的一端均安裝在集光板的第二翻邊上，多根集光器固定桿的另一端成環(huán)形的與集光器固定環(huán)相連，集光器安裝在集光器固定環(huán)內。

14、進一步地，集光板上設置有光照追蹤組件；光照追蹤組件包括設置在第二翻邊上的遮光筒基座，遮光筒基座上設置有遮光筒，遮光筒的上表面的中心處開設有進光口；

15、位于遮光筒內的遮光筒基座的中心呈十字形均勻對稱分布有8個光照角度追蹤傳感器，遮光筒內設置有光照強度輻射傳感器。

16、進一步地，集光板上設置有透明防塵罩。

17、本發(fā)明公開了一種基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其有益效果為：

18、本發(fā)明高效節(jié)能、綠色環(huán)保，結構簡單，價格低廉，通過俯仰轉動組件和水平轉動組件使集光板隨太陽轉動保持垂直照射，從而持續(xù)的將太陽光線聚集進入集光器中，集光器通過光導纖維束將太陽光線的光熱導入融冰漂浮體內，從而通過融冰漂浮體將太陽光線的光熱能量，傳導至渠道襯砌表面，防止明渠襯砌表面形成結冰層，達到嚴寒條件下明渠襯砌融冰的效果，極大的減少能源，人力，物力的消耗，充分利用豐富太陽能帶來的光熱資源，克服環(huán)境的影響，實現(xiàn)對冬季運行中明渠水體發(fā)生凍結的初始進行預防的效果，以達到提升冬季明渠輸水效率和降低冰凍災害的目的。

技術特征：

1.一種基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：包括集光板(1)和設置有明渠堤壩上的混凝土樁基(2)；

2.根據(jù)權利要求1所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述集光板(1)包括多個集光子板(11)，所述集光子板(11)的拼接邊側上均翻轉設置有第一翻邊(12)；通過螺栓穿過相連相鄰所述集光子板(11)上第一翻邊(12)上的預留孔，成環(huán)形的將多個所述集光子板(11)組拼成集光板(1)。

3.根據(jù)權利要求2所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述轉動支座(3)包括支撐環(huán)(31)，所述支撐環(huán)(31)上設置有連接板(32)，通過螺栓穿過所述連接板(32)和所述第一翻邊(12)連接支撐環(huán)(31)與所述集光板(1)；

4.根據(jù)權利要求1所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述俯仰轉動組件(5)包括通過固定支架(51)設置于豎向支架軸(4)上的第一驅動電機(52)和傳動外殼(53)，所述傳動外殼(53)上貫穿設置有絲桿調節(jié)桿(54)，位于所述傳動外殼(53)內的絲桿調節(jié)桿(54)上通過螺紋設置有絲桿調節(jié)套筒(55)，所述絲桿調節(jié)套筒(55)上套設有第一從動齒輪(56)；所述第一驅動電機(52)的輸出軸延伸至傳動外殼(53)內的端部上設置有第一主動齒輪(57)，所述第一主動齒輪(57)和第一從動齒輪(56)嚙合；

5.根據(jù)權利要求1所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述水平轉動組件(6)包括通過支架設置于混凝土樁基(2)上的第二驅動電機(61)，所述第二驅動電機(61)的輸出軸上設置有第二主動齒輪(62)，所述第二主動齒輪(62)通過鏈條(63)與豎向支架軸(4)上的第二從動齒輪(64)相連。

6.根據(jù)權利要求1所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述融冰漂浮體(9)包括與光導纖維束(8)相連通的導熱殼體(91)，所述導熱殼體(91)的內部中空，且中空的內壁上設置有光熱能量轉換涂層(92)，所述導熱殼體(91)的外壁上設置有吸熱輻射層(93)。

7.根據(jù)權利要求6所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述導熱殼體(91)的一端設置有連接固定器(94)，所述連接固定器(94)通過鋼絲繩(95)與明渠堤壩上的鋼絲繩收卷機(96)相連。

8.根據(jù)權利要求1-7任一所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述集光器(7)通過集光支架安裝在集光板(1)的上方；所述集光支架包括多根集光器固定桿(71)，多根所述集光器固定桿(71)的一端均安裝在集光板(1)的第二翻邊(13)上，多根所述集光器固定桿(71)的另一端成環(huán)形的與集光器固定環(huán)(72)相連，所述集光器(7)安裝在集光器固定環(huán)(72)內。

9.根據(jù)權利要求8所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述集光板(1)上設置有光照追蹤組件(10)；所述光照追蹤組件(10)包括設置在第二翻邊(13)上的遮光筒基座(101)，所述遮光筒基座(101)上設置有遮光筒(102)，所述遮光筒(102)的上表面的中心處開設有進光口(103)；

10.根據(jù)權利要求8所述的基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其特征在于：所述集光板(1)上設置有透明防塵罩(14)。

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于集光器與光導纖維的明渠融冰裝置，其包括集光板和設置有明渠堤壩上的混凝土樁基，集光板通過轉動支座轉動設置于豎向支架軸上；豎向支架軸上設置有作用于集光板的俯仰轉動組件；豎向支架軸通過軸承轉動設置于混凝土樁基上，且混凝土樁基上設置有作用于豎向支架軸的水平轉動組件，集光板上設置有集光器，集光器通過光導纖維束與明渠水面上的融冰漂浮體相連通。本發(fā)明通過俯仰轉動組件和水平轉動組件使集光板隨太陽轉動保持垂直照射，從而持續(xù)的將太陽光線聚集進入集光器中，進而導入融冰漂浮體內，并通過融冰漂浮體將太陽光線的光熱能量傳導至渠道襯砌表面，實現(xiàn)對冬季運行中明渠水體發(fā)生凍結的初始進行預防的效果。

技術研發(fā)人員：楊豐春,楊開智,李康杰,郭寧,何變虎,梁海濤,胡永彬,王林林
受保護的技術使用者：石河子大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10