CN102632980B - 一种利用海洋波浪能的水下滑翔器及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用海洋波浪能的水下滑翔器，艇体内设置有剩余浮力驱动装置与重心和姿态调节装置，并通过蓄电池进行电力供应；在所述艇体中部的透水舱内设置有机翼旋转组件，机翼旋转电机两侧输出轴通过左右机翼轴，穿过舱壁上两侧的滑动导向槽，伸出舱外固定机翼；机翼旋转电机底部通过传动连杆与水密舱内的发电机相连，通过上下滑移运动对蓄电池充电。本发明将水下滑翔器和海洋波浪能利用技术有机地融合，通过水下滑翔器的重心和姿态调节，并充分利用水下滑翔器的外形特征——宽大的滑翔机翼和细长圆柱形艇体，及其这两个不同水动力部件在波浪滚圆运动中响应的差异进行发电，结构简单、实用，发电工作状态稳定，可利用波浪适应范围广。

Description

一种利用海洋波浪能的水下滑翔器及充电方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种利用海洋波浪能的水下滑翔器及充电方法。

背景技术

水下滑翔器是一种新型无人水下航行器，它将海洋动物低能耗、长航行能力的水动力学原理和鸟类滑翔的气动力学原理相结合，采用剩余浮力驱动技术，以无动力滑翔为主要运动方式，能耗低，续航能力长；其不使用推进器，运行起来十分安静；经济性好，性价比高，可大量装备实现水下组网作业。

由于水下滑翔器所具有的长续航里程、长续航时间的特点，较一般的无人水下航行器具有显著的优势，在海洋环境探测和监测方面具有广阔的应用前景，已成为国内外海洋技术发展的热点之一，目前国内外已发展了多型水下滑翔器。水下滑翔器可携带CTD (温度、盐度、深度)传感器等仪器设备，执行海洋中温度、盐度和深度等海洋环境参数的长时间连续探测和监测作业，航程一般在数百千米以上，连续工作时间达几十天至数个月。从水下滑翔器的发展趋势和海洋环境监测作业应用要求来看，还需要进一步提高水下滑翔器的续航里程和续航时间，以满足深远海大范围长时间海洋环境探测和监测作业的需要。

目前的水下滑翔器大多依靠自身携带的电池提供能源供应，但水下滑翔器尺度和重量较小（长度一般为2～3m，重量一般为50～200kg），可供电池布置的空间和重量分配很小（空间一般仅0.01～0.02m³左右），可携带的电池量有限，仅采用一般的电池（包括高性能的一次性锂离子电池）也难以进一步提高水下滑翔器的续航力和续航时间，能源供应已成为制约水下滑翔器性能和作业能力进一步提高的瓶颈，寻求可供水下滑翔器持续航行的能源补给则是解决此问题的关键。

海洋中的波浪能具有蕴藏丰富、能量密度高、分布面广、可大范围就地采能等特点。波浪的能量与波高的平方、波浪周期以及迎波面的宽度成正比。每平方公里海面的波浪能功率可达10～20万kW。如果利用海洋中的波浪能，将其转化为水下滑翔器所需的电能，为水下滑翔器电源系统提供能源补充供应，则将大大提高水下滑翔器的续航能力和连续工作时间，理论上讲可获得近乎无限的续航能力。这种利用海洋波浪能储能的水下滑翔器，可有效提高续航能力和连续工作时间，对于提高其海洋环境探测和监测作业能力具有重要的意义。

已有技术中，有涉及到普通利用电池能源驱动的水下滑翔器（CN1876485、CN1876485）、利用海洋温差能驱动的水下滑翔器（CN1618695、CN1974319），与本发明的技术特征差异很大。CN101519113涉及一种基于波浪能的滑翔推进器，它采用在滑翔推进器机体内部布置框架、重锤及传动齿轮等部件的方式布置波浪能发电装置，受波浪作用后使重锤与内框架产生相对运动，从而实现波浪能的捕获，其机构比较复杂，占用较多内部空间，且该装置波浪能利用效率低，稳定性差。

发明内容

本申请人针对上述现有水下滑翔器能源补充受限等缺点，提供一种结构合理的利用海洋波浪能的水下滑翔器及充电方法，从而可运用水下滑翔器外形和功能特征，利用海洋波浪能发电并储存电能，供其滑翔航行作业时使用。

本发明所采用的技术方案如下：

一种利用海洋波浪能的水下滑翔器，包括艇体与两侧机翼，艇体内设置有剩余浮力驱动装置与重心和姿态调节装置，并通过蓄电池进行电力供应；在所述艇体中部的透水舱内设置有机翼旋转组件，机翼旋转电机两侧输出轴通过左右机翼轴，穿过舱壁上两侧的滑动导向槽，伸出舱外固定机翼；机翼旋转电机底部通过传动连杆与水密舱内的发电机相连，通过上下滑移运动对蓄电池充电。

作为上述技术方案的进一步改进：所述发电机为线性永磁发电机，传动连杆穿过水密舱壁上的连杆动密封装置，连接到发电机的活塞连杆组件与曲轴，曲轴两端固定转子，工作时曲轴的运动使转子绕着极靴旋转发电。

在透水舱内设置检测传感器。

一种利用海洋波浪能对上述的水下滑翔器进行的充电方法，包括以下步骤：

（一） 首先通过剩余浮力驱动装置排水后产生的正浮力F和浮力矩，使水下滑翔器以尾倾状态上浮浮出水面；

（二） 利用重心和姿态调节装置组件调整水下滑翔器的重心位置和姿态，使水下滑翔器在竖直方向上重心位于浮心下方较远距离，天线和艇首部分露出水面；

（三） 控制机翼旋转电机将机翼旋转使之与水下滑翔器中轴线垂直，机翼位于水下接近于海面的位置并保持足够的浸深，机翼近似平行于海平面，以获得最大的受力面；

（四） 利用机翼与艇体持续往复的相对运动，通过发电机将机械能转化为电能，并对蓄电池进行充电。

本发明的有益效果如下：

本发明将水下滑翔器和海洋波浪能利用技术有机地融合，通过水下滑翔器的重心和姿态调节，并充分利用水下滑翔器的外形特征——宽大的滑翔机翼和细长圆柱形艇体，及其这两个不同水动力部件在波浪滚圆运动中响应的差异进行发电，利用两者相对运动产生机械能，并通过传动机构和发电装置直接将机械能转换为电能，并存储于蓄电池组件中。

本发明结构简单、实用，发电工作状态稳定，可利用波浪适应范围广。海洋环境测量仪器布置于水下滑翔器安装波浪能传动机构的透水舱内，结构紧凑，搭载能力强。充电储能可以与通信定位作业同时进行，利用波浪能发电储能提供的电量与水下滑翔器自带的电池能源相结合，可大幅度提高其续航能力和连续工作时间。初步测算表明，在3级海况下进行1小时左右的充电作业，大约可产生3～5kJ的电量，每充电10小时储存的电量大约可供水下滑翔器进行3～5小时的滑翔作业使用。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

图2为图1中A部的放大图。

图3为本发明上浮状态示意图

图4为本发明充电状态示意图。

图中：1、艇体；2、机翼；3、机翼旋转组件；4、检测传感器；5、发电机；6、蓄电池；7、剩余浮力驱动装置；8、重心和姿态调节装置；9、天线；10、尾翼；11、滑动导向槽；12、水密舱壁；13、海平面；21、机翼轴；31、机翼旋转电机；32、传动连杆；51、活塞连杆组件；52、曲轴；53、转子；54、极靴。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明所述的水下滑翔器在艇首设置有天线9，艇尾设置有尾翼10，艇体1从首部到尾部分为五个舱段，各舱段之间采用卡箍与水密舱壁进行密封连接，控制与连接电缆通过水密接插件实现舱段之间的贯通，并通过蓄电池6进行电力供应。

首舱I为水密舱，内部布置有通讯定位组件与剩余浮力驱动装置7，通讯定位组件通过密封装置联接艇首的卫星通信/定位天线9，剩余浮力驱动装置7通过艇体1上设置的进排水口进排水。该部分结构与主要组件为现有技术。

第二舱II为水密舱，内部布置有重心和姿态调节装置8，包括纵倾调节装置、横倾调节装置与控制系统组件。该部分结构与主要组件为现有技术。

第三舱III为透水搭载舱，内部布置有机翼旋转组件3与CTD检测传感器4，如图2所示，机翼旋转组件3的辐条轮机翼旋转电机31为双出轴，通过键结构连接左右机翼轴21，第三舱III的舱壁上两侧各开设一个滑动导向槽11，机翼轴21穿过滑动导向槽11伸出舱外固定机翼2，机翼旋转电机31底部通过传动连杆32与发电机5相连。CTD检测传感器4为现有技术。

第四舱IV为水密舱，内部布置发电机5，发电机5为带曲轴的线性永磁发电机，传动连杆32上部通过焊接固定在机翼旋转电机31的壳体底部，另一端穿过水密舱壁12上的连杆动密封装置连接到线性永磁发电机5的活塞连杆组件51并连接到曲轴52上。曲轴52两端均固定着一个转子53，工作时随着曲轴52的运动使转子53绕着极靴54旋转，从而进行发电。

尾舱V为水密舱，内部布置有蓄电池6、配电单元与导航组件。尾舱V外部由尾杆联接尾翼10。该部分结构与主要组件为现有技术。

水下滑翔器正常滑翔作业时，按预设程序运行，通过控制剩余浮力驱动装置7进水或排水，使水下滑翔器产生一定重浮力差（即剩余浮力），并控制纵倾调节装置调整姿态，使水下滑翔器产生一定的纵倾角，利用剩余浮力在滑翔器的纵向分量驱动水下滑翔器前进，使其在作垂向下潜或上浮的同时，产生水平方向的速度，即滑翔下潜或滑翔上浮。各系统所需的电量由蓄电池6经配电单元提供， CTD检测传感器4采集到的海洋环境数据按设定格式自动存储于控制系统组件的存储器单元中。

在水下滑翔器完成一定潜浮周期作业任务后，剩余浮力驱动装置7排水后产生正浮力F和浮力矩，使水下滑翔器以尾倾状态上浮，浮出水面进行卫星通信定位作业，成图3所示姿态。此时利用重心和姿态调节装置组件8调整水下滑翔器的重心位置和姿态，具体地说，通过控制重心高度调节装置，减小其重心下移量至重浮心垂向高度一致；同时控制纵倾调节装置，产生尾倾力矩，增加重心后移量，在尾倾力矩作用下水下滑翔器的尾倾加大直至艇首竖直向上。调整到位后水下滑翔器在竖直方向上重心位于浮心下方较远距离，形成“不倒翁”状态，其天线9和艇首部分露出水面。控制机翼旋转电机31将机翼2逆时针旋转90°，使之与水下滑翔器中轴线垂直，如图4所示，水下滑翔器的机翼2位于水下接近于海面的位置并保持足够的浸深，以使在波浪作用下不会露出水面，机翼2近似平行于海平面13，可获得最大的受力面。上述动作调整到位后，控制通信定位组件和天线9执行卫星通信和定位作业，向地面信息控制系统发送存储的数据信息，并接收远程控制指令；同时在海面波浪作用下开始发电储能作业。

依据在波浪中不同形式物体之间产生相对运动的原理，由于波浪的往复圆周运动作用，使得水下滑翔器机翼2与艇体1持续地进行有往复的相对运动产生机械能，带动传动连杆32沿滑动导向槽11作上下往复运动，并进而带动活塞连杆组件51上下往复运动，通过曲轴52带动其两端的转子53绕着极靴54转动，以此完成将机械能通过线性永磁发电机5转化为电能的过程，并经配电单元储存在蓄电池6中。

在完成一次通信定位和发电储能作业后，控制重心和姿态调节装置8将水下滑翔器的重心位置和姿态调整回复正常滑翔状态，控制剩余浮力驱动装置7进水，使水下滑翔器下潜，由蓄电池6供电，按预定模式执行正常的滑翔作业任务。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改，例如将这种线性发电原理与装置利用在其他利用波浪能的船舶上。 

Claims (3)

1.一种利用海洋波浪能的水下滑翔器，包括艇体（1）与两侧机翼（2），艇体（1）内设置有剩余浮力驱动装置（7）与重心和姿态调节装置（8），并通过蓄电池（6）进行电力供应；其特征在于：在所述艇体（1）中部的透水舱内设置有机翼旋转组件（3），机翼旋转电机（31）两侧输出轴通过左右机翼轴（21），穿过舱壁上两侧的滑动导向槽（11），伸出舱外固定机翼（2）；机翼旋转电机（31）底部通过传动连杆（32）与水密舱内的发电机（5）相连，通过机翼（2）相对于艇体（1）的上下滑移运动对蓄电池（6）充电；所述发电机（5）为线性永磁发电机，传动连杆（32）穿过水密舱壁（12）上的连杆动密封装置，连接到发电机（5）的活塞连杆组件（51）与曲轴（52），曲轴（52）两端固定转子（53），工作时曲轴（52）的运动使转子（53）绕着极靴（54）旋转发电。

2.按照权利要求1所述的利用海洋波浪能的水下滑翔器，其特征在于：在透水舱内设置检测传感器（4）。

3.一种利用海洋波浪能对权利要求1所述的水下滑翔器进行的充电方法，其特征在于包括以下步骤：

（一） 首先通过剩余浮力驱动装置（7）排水后产生的正浮力F和浮力矩，使水下滑翔器以尾倾状态上浮浮出水面；

（二） 利用重心和姿态调节装置组件（8）调整水下滑翔器的重心位置和姿态，使水下滑翔器在竖直方向上重心位于浮心下方较远距离，天线（9）和艇首部分露出水面；

（三） 控制机翼旋转电机（31）将机翼（2）旋转使之与水下滑翔器中轴线垂直，机翼（2）位于水下接近于海面的位置并保持在波浪作用下不会露出水面的浸深，机翼（2）近似平行于海平面（13），以获得最大的受力面；

（四） 利用机翼（2）与艇体（1）持续往复的相对运动，通过发电机（5）将机械能转化为电能，并对蓄电池（6）进行充电。