[发明专利]太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置及其方法

权利要求书

1.一种太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置，本蓝藻生长抑制装置设置在浮体框架上，其特征在于，所述浮体框架上固定有太阳能板，该太阳能板下部靠近水面处设有半导体制冷片，所述半导体制冷片下面设有降温棒，将半导体制冷片产生的制冷量传递到水中以降低水体温度；所述太阳能板同时构成遮光板。

2.根据权利要求1所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置，其特征在于，所述浮体框架是由漂浮体与不锈钢连接杆组成的不锈钢框架，不锈钢框架四周有保温罩。

3.根据权利要求1所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置，其特征在于，所述太阳能板采用18V50W单晶硅太阳能板，为半导体制冷片提供电源。

4.根据权利要求1所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置，其特征在于，所述太阳能板的外形尺寸670×540×30mm。

5.根据权利要求1所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置，其特征在于，所述半导体制冷片的单个制冷元件外形尺寸长、宽、厚分别为50×50×3.4mm。

6.根据权利要求1所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置，其特征在于，所述散热片选用铝制散热片，外形尺寸长、宽、高分别为56×56×20mm。

7.根据权利要求1-6之一所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置，其特征在于，所述降温棒采用长、宽、高、厚分别为25×25×200×2mm方管，方管采用304不锈钢，方管一端连接制冷片，另一端浸没在水中。

8.权利要求1所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置的使用方法，其特征在于，步骤如下：

a、测量需要治理的水面面积；

b、为确定太阳能板遮光和制冷片降温对水体藻类生长的影响，采用三维水流温度数学模型和通用水生态模型进行模拟计算；

c、根据模拟计算的结果，将需要治理的水面划分成单元；

d、根据单元的数量确定需要设置的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置的数量；

e、将各个太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置的浮体框架通过卡扣连接形成群组；

f、定时检测上述设置的除藻效果，进一步调整设置数量。

9.根据权利要求8所述的太阳能制冷降温与遮光的蓝藻生长抑制装置的使用方法，其特征在于，步骤b所述的模拟计算，具体步骤是：

(1)制冷片制冷对水温的影响：

1)数学模型建立：

数学模型模拟的水域范围按照实施例1中的水池，长25m、宽15m、水深1.2～1.8m逐渐过渡；采用单块尺寸为670×540×30mm的18V50W太阳能板，依次搁置在水面的浮体框架上，在水面上形成36×27块太阳板遮挡光照；

数学模型计算网格在水平上划分为36×27个，垂直方向分11层；

三维水体温度数学模型的控制方程为连续方程、动量方程和扩散方程；

连续方程：

动量方程：

式中：σ为垂向Sigma变换σ＝(z-z_b)/h；t是指时间；x、y、z为水平方向及垂向；d为静止水深；h＝η+d为总水深；η为水位；u、v、w分别为流速在x、y、z方向上的分量；ρ为水的密度，ρ₀则是参考水密度；P_a为当地的大气压；f＝2Ωsinφ为Coriolis参数(Ω是地球自转角速率；φ为地理纬度)；F_u和F_v为水平应力分量地球自转引起的加速度，D为水平紊动粘滞系数；ν_ν为垂向紊动粘滞系数；s_xx、s_xy、s_yx、s_yy为辐射应力分量；S为源汇项，u_s、v_s为源汇项水流流速；

温水扩散运动方程：

式中：T为水温；F_T为水平扩散项，D_h为水平紊动扩散系数；D_v为垂向紊动扩散系数；T_s为源汇项的量；S为源汇项；

2)水温下降模拟计算：

根据水的比热，1升水每降低1℃需要约1.17W小时，采用36W的半导体制冷片，需要0.0325小时；对于1m3的水体，降低1℃需要32.5小时；制冷片由前述18V50W的太阳能板提供电源；

数学模型模拟的温度变化以温差表示的，温度下降为正值；以水体初始温度30℃作为基础；

制冷片启动2小时后，表层水温开始下降，水深4m处温降约为1.8℃，水深8m处温降约为0.8℃，但池底水温还没有下降；7小时后，水深4m处温降约为2.4℃，水深8m处温降约为1.6℃，池底温降约为0.2℃；14小时后，水深4m处温降约为2.6℃，水深8m处温降约为1.8℃，池底温降约为0.2℃；从这个模拟的过程可以看出，随着制冷片运行时间增加，水体温度从表层到底层逐渐减低，制冷的影响深度可以到达12m的池底，达到了降低水体温度的目的；

(2)遮光和降温对藻密度的影响：

为了确定太阳能板遮光和制冷片降温对水体藻类生长的影响，采用基于通用水生态模型CAEDYM^[2]对水池中蓝藻早期密度变化进行模拟计算；

蓝藻生态动力学模型中蓝藻生物量状态变量与营养盐、光照、温度等影响因子的关系方程：

式中：A_a为藻类生物量，μg Chl-a/L；μ_Aa为藻类生长速率，d-1；k_r为呼吸作用速率；μ_max为最大生长速率；V_Aa为藻类的沉降速率；△z为平均沉积厚度；α_Aa为再悬浮速率常数；τ_cAa为蓝藻再悬浮临界切应力；τ_ref为参考临界切应力；“k_AT(T-T_thr)”项为底泥蓝藻复苏生物量，k_AT为底泥蓝藻复苏系数，T_thr为蓝藻复苏阈值温度；N为氮营养盐浓度；P为磷营养盐浓度；I为光照强度；T为温度；f()表示限制因子函数；

藻类生长光限制时应用Steele方程：

式中：I_K为最大生长速率条件下光合速率所需光强；

氮限制时应用胞内N浓度Monod方程：

式中：K_N为半饱和常数；NH₄⁺氨氮；NO₃^-硝酸盐氮；

磷限制时应用胞内P浓度Monod方程：

式中：K_P为半饱和常数；P_O4^3-磷酸盐磷；

温度限制方程：

f(T)＝υ^T-20+υ^k(T-a)+b (9)

式中：υ为温度限制函数的常数因子；b为蓝藻生长温度限制函数中的常数项；k为相关参数，通过Newton方法确定。