本发明涉及生态修复、水质净化及计算机控制领域，尤其涉及一种风力驱动式水质净化装置。
背景技术：
水库的修建改变河道水文水动力条件以及工业化造成过量的营养盐输入水库水体，水库水体普遍面临藻类水华及富营养化问题，严重影响了居民的饮用水安全。
针对当前水库严峻的水质问题，主要采取的方式是将污水引入周边固定位置的净化装置或提水曝气技术向水中供氧、去除藻类，这种方法具有净化范围小、需要消耗大量的能量以及需要设置多个仪器，耗资大等缺点。而目前解决这种固定式水质净化装置的漂浮式水质净化装置需要人工作业，且这些装置需要依靠柴电作为推动力，由于受到燃料和电池容量的限制，且会造成环境污染，与之相反，以风为驱动力的净化平台，又有更多的能源来支持传感器，大大地节约资源，效率高。
当前无人帆船方面的研究逐渐增多，但与环境净化方面相结合的较少。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种风力驱动式水质净化装置。解决以柴电为驱动力储存料和电池容量限制造成的问题，可以最大程度地利用当地资源，具有节省能源、耗资低的特性。同时解决引水入岸边固定点进行处理的问题，提高了水质净化装置的可移动性。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括水上风力驱动装置和水下水质净化装置，所述水上风力驱动装置包括数据采集模块、数据处理模块、驱动模块和水上平台；所述数据采集模块的信号输出端与所述数据处理模块电性连接，所述数据处理模块的控制信号输出端与所述驱动模块连接，所述数据采集模块、数据处理模块、驱动模块均搭载于所述水上平台上；
所述水下水质净化装置包括框体、双侧净化滤芯，双侧滑轨道，折叠驱动装置，潜水泵；所述双侧净化滤芯通过双侧滑轨道设置于所述框体内侧，所述折叠驱动装置设置于双侧滑轨道与双侧净化滤芯之间，所述潜水泵位于所述双侧净化滤芯内侧。
所述数据采集模块包括风速风向感应器、gps定位系统、角度传感器；所述风速风向感应器采集反馈的实时风速、风向，所述gps定位系统和角度传感器对帆船状态进行定位监测。
所述数据处理模块包括单片机开发板；所述单片机开发板编写程序，进行数据实时处理保存操作，以及向电机中控制单元发送指令。
所述驱动模块由转帆装置、舵驱动装置、电源箱组成；所述转帆装置包括驱动电机、驱动齿轮、摆动机构、支座，转帆装置的输入端与电源、单片机输出端连接，电缆穿过甲板与桅杆和主帆中前角索、前缭索以及后角索连接；单片机输出的pwm信号通过改变占比，改变转帆装置中的电机的功率，从而控制转帆装置旋转来实现转帆，即电机对主帆角度的调整是通过前角索、前缭索的收缩和张开，电机对后帆角度的调整是通过后缭索的收缩和张开。
水上平台包括船体、主帆、后帆、桅杆；所述船体包括位于船尾部的舵驱动装置、用于给潜水泵提供电能的电源箱，位于船体下方的稳定板，其中，所述舵驱动装置的电机的输出端通过电缆与舵叶连接，舵驱动装置的输入端通过电缆与电源、单片机输入端连接。
所述双侧净化滤芯由两个滤芯构成，所述滤芯由第1层滤膜、第2层滤膜、第3层滤膜、第4层滤膜、第5层滤膜、折叠滤膜组成，净化滤芯通过滑轨道进行固定，净化滤芯形状为50*30cm的长方形，第1～5滤膜沿着进水方向，滤孔直径逐渐降低，分别为5.0um、1.2um、0.45um、0.22um、0.1um，折叠滤膜为直径为0.8um的折叠膜；
所述折叠膜滤芯的上端与滤芯框架连接，折叠装置板上安装有电机，电机上链接轴，轴上带动齿轮转动，轴上绳收缩，牵动导环、折叠滤膜的展开和收缩，所述折叠膜在正常进水时处于折叠压缩状态，在停止进水时处于全张开状态并紧贴第5层滤膜。
所述水上风力驱动系统与水下水质净化装置通过包裹双芯抗拉防水双绞电缆的铝合金连接，其中，两芯为电源线，连接电源箱与潜水泵、折叠驱动装置，为净化装置提供供电通路；电缆包裹在铝合金中。
所述水上风力驱动系统的驱动方法包括以下步骤：
步骤1：数据采集模块，主要包括实时风速风向采集和船行驶速度、方向的采集，传递给单片机的输入设备；帆船行驶速度采用gps传感器采集信息，利用gps对帆船进行定位，根据传感器反馈经纬度、航速等信号至单片机输入设备；帆船的航向根据角度传感器检测到信号，反馈至于单片机输入设备；
步骤2：数据处理模块，其主要功能是接收上一模块数据，单片机的输入设备向单片机的控制器反馈信号，经过单片机的内部运算器程序处理后，通过spi接口传输给单片机输出设备，再进行信号相应的转换，输出给转帆装置、舵驱动装置的控制模块，并传输给接收模块处理器，可得到风速、风向、船速、航向等参数，处理单元的软件驱动，由内在程序实时计算出：风向与船行驶方向间的夹角β,由速度三角形公式可以算出视风速va，va和vs可以求出攻角αl；
步骤3：控制模块，其主要功能是根据步骤2的计算结果，做出判断是否为：αl的最佳角度为17.1°，β的最佳角度为45°；通过单片机直接输出pwm信号，从而控制转帆装置的速度、行驶方向；单片机的pwm输出端与电机控制端连接，电机的驱动端与帆索连接；电机对主帆角度的调整是通过前角索、前缭索的收缩和张开，电机对后帆角度的调整是通过后缭索的收缩和张开；当风向与船行驶方向间的夹角β、攻角α未能达到预设值时，系统会自动调整角度；
所述水上风力驱动系统，包括：帆船船体、数据处理、电机控制个模块，整个电机控制模块为所述系统的执行机构，根据数据采集模块反馈的实时风速、风向，以及角度感应器、gps传感器对帆船状态进行定位监测，可以通过所述单片机数据处理程序，进行数据保存等操作，以及向电机中控制单元发送指令，通过电机进行转帆。其中，帆船船体的主体为主帆顶部通过主帆升降索进行升降，底部通过前角索、前缭索以及后角索进行固定，主帆升降索穿过固定在主桅杆顶部的滑轮，后帆上端固定在桅杆，下端通过斜拉器进行展开和收缩，船体内置电源箱和电机控制单元；电源箱为按压式的水下按钮，为水上驱动系统单片机、水下潜水泵、折叠膜等提供电源，控制单元以单片机为核心，处理风速、风向、船速、船行驶方向等实时信号，并保存。数据采集模块包括风速风向传感器、gps传感器、角度传感器。风速风向传感器用于检测装置所受的实时风速风向，输出电压信号，通过电缆连接至数据处理模块；gps传感器用于检测帆船的速度，反馈经纬度、航速等信号至单片机输入设备，帆船的航向根据角度传感器检测到信号，反馈至于单片机输入设备，输出电压信号，通过电缆连接至数据处理模块，单片机的输入设备向单片机的控制器反馈信号，经过单片机的内部运算器程序处理后，通过spi接口传输给单片机输出设备，再进行信号相应的转换，输出给转帆装置、舵驱动装置的控制模块，并传输给接收模块处理器，可得到风速、风向、船速、航向等参数，处理单元的软件驱动，单片机通过程序计算得到夹角α、β，作为转帆动作的判断依据，数据处理模块的输出端通过电缆与电机控制模块的输入端连接，数据处理模块通过输出端的pwm信号，对电机进行控制，电机对主帆角度的调整是通过前角索、前缭索的收缩和张开，电机对后帆角度的调整是通过后缭索的收缩和张开；电机控制装置一侧穿过桅杆进行固定，桅杆与转帆驱动电机齿轮通过螺丝进行固定；舵叶固定在船尾处，通过电缆与舵驱动装置输出端进行连接，舵驱动装置输入端与电源箱进行连接；
所述水下水质净化装置包括框体、双侧净化滤芯，双侧滑轨道，折叠驱动装置，潜水泵；其中，水下水质净化装置框体采用的尼龙板，四侧尺寸为50*30cm,底、顶部的尺寸为30*30cm，两侧均有若干直径为25mm的进水孔；水下水质净化装置双侧滑轨道所采用的不锈钢金属，轨道尺寸为50*5*5cm；所述潜水泵的一侧连接出水口至框体外，所述滤芯由第1层滤膜、第2层滤膜、第3层滤膜、第4层滤膜、第5层滤膜、折叠滤膜组成，直径分别为5.0um、1.2um、0.45um、0.22um、0.1um，所述净化滤芯通过滑轨道凹槽进行固定，滤孔所述第6层滤膜为直径为0.8um的折叠膜，所述折叠膜在正常进水时处于折叠压缩状态，在停止进水时处于全张开状态并紧贴第1层滤膜；所述折叠膜滤芯上端与滤芯框架连接，所述折叠膜滤芯的下端两侧分别设螺丝固定所述双侧净化滤芯；轴两端均安装有轴承，轴承分别卡入两侧滑轨道，折叠装置板上安装有电机，电机上链接轴，轴上带动齿轮转动，轴上绳收缩，牵动导环、折叠膜的展开和收缩；
水上风力驱动系统与水下水质净化装置由包裹双芯抗拉防水电缆的铝合金连接，其中，两芯为电源线，连接电源箱与潜水泵、折叠驱动装置，为净化装置提供供电通路；所有的电缆均采用可拆式的水密螺栓材质，水密螺栓是由铝合金一端焊接水下净化装置，一端连接水上的驱动装置船底进行连接；
本发明的有益效果在于：
本发明是一种风力驱动式水质净化装置，与现有技术相比，本发明，采用风速、风向、船速、船向等多参数传感器状态监测，利用帆船逆风行驶的原理，通过单片机控制转帆，引水入岸边固定点进行处理，解决了传统水质净化器依赖固定岸边移动性差、效率低等问题，具有推广应用的价值。
附图说明
图1是本发明净化装置的净化操作流程图；
图2是风作用下帆船受力分析图；
图3是风作用下帆船行驶路径图；
图4是本发明整体的剖视结构示意图；
图5是本发明水上驱动装置正视、及局部放大图；
图6是本发明水下净化装置正视；
图7是本发明水下净化装置侧视图；
图8是本发明水下净化装置滤膜示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示：本发明包括水上风力驱动装置和水下水质净化装置，所述水上风力驱动装置包括数据采集模块1、数据处理模块2、驱动模块3和水上平台4；所述数据采集模块1的信号输出端与所述数据处理模块2电性连接，所述数据处理模块2的控制信号输出端与所述驱动模块3连接，所述数据采集模块1、数据处理模块2、驱动模块3均搭载于所述水上平台上；
所述水下水质净化装置包括框体61、双侧净化滤芯62，双侧滑轨道63，折叠驱动装置64，潜水泵65；所述双侧净化滤芯62通过双侧滑轨道63设置于所述框体61内侧，所述折叠驱动装置64设置于双侧滑轨道63与双侧净化滤芯62之间，所述潜水泵65位于所述双侧净化滤芯62内侧。
所述数据采集模块1包括风速风向感应器11、gps定位系统12、角度传感器13；所述风速风向感应器11采集反馈的实时风速、风向，所述gps定位系统12和角度传感器13对帆船状态进行定位监测。
所述数据处理模块2包括单片机开发板21；所述单片机开发板编写程序，进行数据实时处理保存操作，以及向电机47中控制单元发送指令。
所述驱动模块3由转帆装置41、舵驱动装置42、电源箱43组成；所述转帆装置41包括驱动电机47、驱动齿轮48、摆动机构49、支座50，转帆装置41的输入端与电源43、单片机输出端连接，电缆穿过甲板与桅杆35和主帆中前角索51、前缭索52以及后角索53连接；单片机输出的pwm信号通过改变占比，改变转帆装置中的电机47的功率，从而控制转帆装置41旋转来实现转帆，即电机47对主帆32角度的调整是通过前角索51、前缭索52的收缩和张开，电机47对后帆33角度的调整是通过后缭索53的收缩和张开。
水上平台4包括船体31、主帆32、后帆33、桅杆35；所述船体包括位于船尾部的舵驱动装置42、用于给潜水泵65提供电能的电源箱43，位于船体下方的稳定板44，其中，所述舵驱动装置42的电机的输出端通过电缆与舵叶46连接，舵驱动装置的输入端通过电缆与电源43、单片机输入端连接。
所述双侧净化滤芯62由两个滤芯66构成，所述滤芯66由第1层滤膜67、第2层滤膜68、第3层滤膜69、第4层滤膜70、第5层滤膜71、折叠滤膜72组成，净化滤芯通过滑轨道73进行固定，净化滤芯形状为50*30cm的长方形，第1～5滤膜沿着进水方向，滤孔直径逐渐降低，分别为5.0um、1.2um、0.45um、0.22um、0.1um，折叠滤膜72为直径为0.8um的折叠膜；
所述折叠膜滤芯的72上端与滤芯框架连接，折叠装置板上安装有电机75，电机75上链接轴76，轴76上带动齿轮77转动，轴76上绳78收缩，牵动导环79、折叠滤膜72的展开和收缩，折叠膜滤芯的72的下端两侧分别设螺丝84固定所述双侧净化滤芯62；所述折叠膜在正常进水时处于折叠压缩状态，在停止进水时处于全张开状态并紧贴第1层滤膜67。
所述水上风力驱动系统与水下水质净化装置通过包裹双芯抗拉防水双绞电缆的铝合金连接，其中，两芯为电源线，连接电源箱43与潜水泵65、折叠驱动装置64，为净化装置提供供电通路；电缆81包裹在铝合金80中。
所述水上风力驱动系统的驱动方法包括以下步骤：
步骤1：数据采集模块，主要包括实时风速风向采集和船行驶速度、方向的采集，传递给单片机的输入设备；帆船行驶速度采用gps传感器采集信息，利用gps对帆船进行定位，根据传感器反馈经纬度、航速等信号至单片机输入设备；帆船的航向根据角度传感器检测到信号，反馈至于单片机输入设备；
步骤2：数据处理模块，其主要功能是接收上一模块数据，单片机的输入设备向单片机的控制器反馈信号，经过单片机的内部运算器程序处理后，通过spi接口传输给单片机输出设备，再进行信号相应的转换，输出给转帆装置、舵驱动装置的控制模块，并传输给接收模块处理器，可得到风速、风向、船速、航向等参数，处理单元的软件驱动，由内在程序实时计算出：风向与船行驶方向间的夹角β,由速度三角形公式可以算出视风速va，由va和vs可以求出攻角αl；
步骤3：控制模块，其主要功能是根据步骤2的计算结果，做出判断是否为：αl的最佳角度为17.1°，β的最佳角度为45°；通过单片机直接输出pwm信号，从而控制转帆装置的速度、行驶方向；单片机的pwm输出端与电机控制端连接，电机的驱动端与帆索连接；电机47对主帆32角度的调整是通过前角索51、前缭索52的收缩和张开，电机47对后帆33角度的调整是通过后缭索53的收缩和张开；当风向与船行驶方向间的夹角β、攻角α未能达到预设值时，系统会自动调整角度；
步骤4：保存数据，每次大巡测结束后，会将相关的关键数据进行保存、查看、导出操作。
如图所示1：
所述的一种风力驱动式水质净化方法，包括以下步骤：
第1步：数据采集
进入需净化地点后，连接各设备，确认连接无误后，打开电源开关。通过风速风向传感器11、gps定位传感器12、角度传感器13，采集风速风向、航速、航向等指标，单总线输出40位数字给单片机的输入设备，经过单片机的输入设备；
第2步：数据处理
数据采集模块1到的数据经处理后不断反馈，通过spi接口反馈至单片机的控制器，经过内部数字程序处理后，传输给单片机数据输出设备，输出设备将信号传送到转帆装置41的控制模块，再由控制模块发送指令至执行模块，处理单元的软件驱动，由内在程序实时计算出：风向与船行驶方向间的夹角β,由速度三角形公式可以算出视风速va，由va和vs可以求出攻角α；
第3步：电机控制，调整帆船与v视风间夹角
根据步骤2的计算结果，做出判断是否为：α的最佳角度为17°，β的最佳角度为45°。通过单片机21直接输出pwm信号，从而控制转帆装置的速、行驶方向。单片机21的pwm输出端与电机47控制端连接，电机47的驱动端与升降索34连接；当风向与船行驶方向间的夹角β、攻角α未能达到预设值时，系统会自动调整角度，即单片机中的数据处理模块2接收到指令后，通过调整转帆装置电机中的pwm信号的占比来控制电机输入功率，从而控制攻角；
第4步，保存数据
每次大巡测结束后，会将相关的关键数据进行保存、查看、导出等操作。
第5步，关闭状态
每次大巡测结束后，当潜水泵65关闭时，折叠膜电机75开启；在潜水泵65关闭时，折叠膜由原来的折叠状态迅速转换为张开状态，并紧贴第1层滤膜67，打开净化器取出滤膜。
如图2所示：
帆船的受力分析：帆船以vx沿着水平线向右行驶，航向与船纵轴线的夹角为飘角γ，vt为真实风速，与帆船行驶的速度成真实风向角αl。帆船上表观风速vr。帆的左右两端分别是前缘和后缘，连接他们得到一根弦，表观风速与弦之间的夹角αl，称为帆翼的几何攻角。船纵轴线与弦之间的夹角为
空气在垂直来流风向会产生气动升力fs，在沿着来流方向产生气动阻力fz。船速引起水绕船体的相对流动产生两个分力：与航向垂直的水动升力fw和与航向相反的水动阻力fm。由风引起的对帆翼的净推力有气动升力和气动阻力以及攻角β决定
f＝fssinβ-fzcosβ2
而帆船的稳定由水对帆翼的横向力、风对帆翼的横向力共同决定ft＝fs
ft＝fscosβ fzsinβ3
风速：当船只行进、挤压周边空气时会受到反作用力，从而产生一股与船只行进方向相反、速率相等的阻力风速，通过对真风vt与阻力风速进行向量相加，可以得到表观风速vr，由速度三角形原理：
vx＝vt*c*cotα-c4
注：此处c为常数
当调节攻角从而增大帆受力的升力时，船速就会加快，表观风速就会变大，且与船只之间夹角减，从而进一步增大帆受到的升力，当飘角角度到达17.1°时，帆船行驶速度最好。
因此攻角和风速主要影响了帆受到的升力，而升力决定了船的加速度和速度，就需要调节攻角和风速，攻角的调节取决于帆的角度。
如图3所示：
所述水质净化装置在风应力作用下，分别在逆风、顺风两种状态下的受力分析图，故所述装置的行走路线为“之”字形。
如图4所示：
一种风能驱动式水质净化控制系统，包括水上风力驱动系统及水下水质净化装置。
水上风力驱动系统与水下水质净化装置通过双芯抗拉防水双绞电缆连接，其中，两芯为电源线，连接电源箱43与潜水泵65、折叠驱动装置64，为净化装置提供供电通路；所有的电缆均采用可拆式的水密螺栓65进行连接。
如图5所示：
所述水上风力驱动系统包括3个模块：数据采集模块1、数据处理模块2、驱动模块3，整个电机控制模块为所述系统的执行机构，根据数据采集模块1反馈的实时风速、风向，以及gps帆船状态进行定位监测，可以通过所述单片机21数据处理程序，进行数据保存等操作，以及向电机控制单元47发送指令后，通过电机47进行转帆。其中，帆船船体的主体为主帆32，顶部通过主帆升降索34进行升降，底部通过前角索35、前缭索36以及后角索37进行固定，主帆升降索穿过固定在主桅杆35顶部的滑轮，前帆33上端固定在桅杆，下端通过斜拉器进行展开和收缩，控制单元以单片机为核心，处理风速、风向、船速、船行驶方向等实时信号，并保存。数据采集模块1包括风速风向传感器11、gps传感器12、角度传感器13。风速风向传感器1用于检测装置所受的实时风速风向，输出电压信号，通过电缆连接至数据处理模块2；gps传感器12用于检测帆船的速度，角度传感器13用于检测帆船的航向，输出电压信号，通过电缆连接至数据处理模块2，单片机通过程序计算得到夹角α、β，作为转帆动作的判断依据，数据处理模块2的输出端通过电缆与电机控制模块47的输入端连接，数据处理模块2通过输出端的pwm信号，对电机47进行控制，电机47对主帆32角度的调整是通过前角索35、前缭索36的收缩和张开，电机47对后帆33角度的调整是通过后缭索37的收缩和张开；
如图6、7所示：
所述水下水质净化装置包括框体61、双侧净化滤芯62，双侧滑轨道63，折叠驱动装置64，潜水泵65。所述潜水泵65的一侧连接出水口85至框体61外；所述折叠膜滤芯72的上端与滤芯框架61连接，轴两端均安装有轴承79，轴承分别卡入两侧滑轨道74，折叠装置板上安装有电机75，电机75上链接轴76，轴76上带动齿轮77转动，轴76上绳收缩，牵动导环79、折叠膜72的展开和收缩，轴两端均安装有轴承，轴承分别卡入两侧滑轨道76，折叠装置底板上安装有电机75，驱动折叠膜伸缩，折叠膜72在正常进水时处于折叠压缩状态，在停止进水时处于全张开状态并紧贴第1层滤膜67，为达到此效果，折叠膜的电机75与潜水泵65设置为同一开关，以保证净化装置停止进水时，尽可能少地扰动滤芯上的杂质。
如图8所示：
所述双侧净化滤芯62由第1层滤膜67、第2层滤膜68、第3层滤膜69、第4层滤膜70、第5层滤膜71、折叠滤膜72组成，直径分别为5.0um、1.2um、0.45um、0.22um、0.1um。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
