CN104763577A - 一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置 - Google Patents

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方子帆
马增武
徐浩
曹钢
何孔德
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Abstract

本发明涉及一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置。它包括获能模块、行星齿轮增速机构、安全离合器、飞轮、联轴器、永磁同步电机、整流模块、充电蓄能模块、逆变器、工作模块等部件组成。此发电装置安装在水下无人移动平台内部,通过其平台受到海洋动能的作用力而产生振动,使其内部的对称摆产生摆动,来俘获波浪能,通过行星齿轮增速器提高转速,输出给飞轮,以获得稳定机械能,通过飞轮的高速旋转带动发电机发电,经过整流模块获得稳定的电流为蓄电池模块充电,保持蓄电池长时间工作,实现水下无人移动平台的长时间能量自给。采用搭载在水下无人移动平台内与海水完全隔离的设计方案,创建了机电式海洋动能转换与发电装置。

Description

一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,特别是一种可以搭载在水下无人移动平台内部的发电和储能装置。
背景技术
[0002] 海浪中蕴含着巨大的能量,为了实现水下无人移动平台具有长时间执行任务的能力,国内外相关机构、学者对水下无人移动平台新型能源技术异常重视,美国、俄罗斯等国已开展了多项围绕适合水下无人移动平台的新型能源技术的研宄工作,其中美国是目前世界上水下无人移动平台技术水平最高的国家,从事水下无人移动平台研制的组织机构有数十家,已经研制出几十种各类水下无人移动机器人。主要集中在温差能、太阳能等环境能源在水下无人移动平台上的应用,并取得了一定的研宄成果。如美国Webb实验室研制了温差能驱动的Slocum Thermal水下滑翔机,俄罗斯研制了太阳能水下航行器。在国内,如天津大学、中国科学院沈阳自动化所、国家海洋技术中心、西北工业大学等一些研宄所和高校也相继开展了有关水下无人移动平台能源技术的研宄工作。
[0003]目前对温差能的利用,水下机器人需要穿越不同的等差层,为了达到较大的温差需要穿越的深度比较深,且不适合定点监测。太阳能的利用随天气变化波动较大,另外采用太阳能,为了增加吸收太阳能的面积,水下无人移动平台的外形结构比较特殊,同样不适合常规结构外形的实现水下无人移动平台。
[0004] 探测型水下无人移动平台为常规外形,当其进人工作地点后,通过锚链系留或者悬停于近水面,并转换工作状态进入探测模式。其主要工作为在相关海域完成信息收集、环境监测、情报侦查等任务。常规能源模式为电池供电,服务期多为半年。为了延长服务期,上述新型能源方式无法应用到本探测型水下无人移动平台上,另外水下无人移动平台内部空间狭小,一般的小型发电装置无法满足安装要求。波浪能量及其转换装置的研宄由来已久,1940年Masuda开始研宄波浪能技术,1974年Salter在Nature发表波浪能文章,波浪能量转换装置相继问世,主要有鸭式、振荡水柱式、振荡浮子式、摆式等几种类型。其中,摆式波浪能量转换装置具有频率响应范围宽、可靠性好、常规海况条件转换效率高、成本较低等优点。因此发明题开展了基于一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置的研宄。
发明内容
[0005] 根据探测型水下无人移动平台在海洋中运动的特点,发明了一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,以解决探测型水下无人移动平台在长期工作探测模式下的能源自给问题。此发电装置能够利用海洋中波浪起伏、海流扰动、潮汐等海洋动能,通过移动平台受到海洋动能的作用,使其内部晃动摆的惯性作用产生的机械能将其转化为电能并储存,为其内部探测模块电子设备提供能源补给。
[0006] 为了解决上述技术问题,本发明提出以下技术方案:一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,它包括获能模块,获能模块的输出轴连接行星齿轮增速机构的输入轴,飞轮通过安全离合器与行星齿轮增速机构相连,永磁同步电机通过联轴器与飞轮相连,整流模块与永磁同步电机相连,充电蓄能模块与整流模块相连,工作模块与充电蓄能模块之间连接有逆变器。
[0007] 所述获能模块为对称式双摆获能机构,由一对摆球与相应的摆臂相连,摆臂再与转轴相连。
[0008] 所述行星齿轮增速机构为两级行星齿轮增速器,其增速器的传动比i多30。
[0009] 所述飞轮能够蓄能和稳定系统的波动。
[0010] 本发明有如下有益效果:
本发明提供的一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,重点部分是如何实现波浪能到电能的转换,其整个过程为:系统安装在水下无人移动平台内部,通过其平台潜在海洋中受到海洋动能的作用力而产生振动,使其内部的获能模块通过对称摆产生一定角度摆动,破坏了获能机构的动态平衡,来俘获波浪能,再通过行星齿轮增速机构提高转速,输出给飞轮储能,以获得稳定机械能,再通过飞轮高速旋转带动永磁同步发电机转轴旋转切割磁感线发电,接着经过整流器模块获得稳定的电流为蓄电池模块充电,获取电能,并加以储存,为后续工作模块提供动力。最终保证水下无人移动平台在水下具有长时间续航能力。各个机构在具体实施实例中予以说明。
[0011] 上述获能模块,为安装在水下无人移动平台内部与海水隔离的一种转换与发电装置。
[0012] 上述双摆获能机构,为获取海洋动能俘获能量模块,包括一对摆球、一对摆臂按照一定锐度对称安装,并与转轴连接。
[0013] 上述行星齿轮增速机构,为两级行星齿轮增速器,通过传动轴与对称式双摆连接。
[0014] 上述飞轮,为一种具有较大转动惯量和质量的飞轮,能够进行蓄能,并减少机械运转过程的速度波动。
[0015] 上述永磁同步电机,为发电装置,通过联轴器连接飞轮的输出轴。
[0016] 上述整流模块,即控制器,连接永磁同步电机,进行整流、滤波、稳压处理,转化为合适的电流。
[0017] 上述充电蓄能模块,由控制器控制,经过控制器的整流、滤波、稳压处理后为电池充电储能。
[0018] 上述工作模块,为水下无人移动平台内部各种工作的耗能器件,若需要直流电,可由蓄电池直接提供,若需交流电,在蓄电池和机械工作模块之间连接逆变器,将直流转换为交流,为耗能器件供电。
附图说明
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0020]图1为本发明的一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置整体结构示意图。
[0021]图2为本发明的一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置的获能模块结构示意简图。
[0022] 图中:获能模块1、行星齿轮增速机构2、安全离合器3、飞轮4、联轴器5、永磁同步电机6、整流模块7、充电蓄能模块8、逆变器9、工作模块10。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
[0024] 如图1-2所示,一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,主要包括获能模块1,通过输入传动轴连接行星齿轮增速机构2,此处的获能模块I由摆球和摆臂组成,一对成一定角度沿竖直方向对称摆放的单摆,绕中心轴旋转一定角度来获取机械能。由于对称式双摆的振动周期T与自身的转动惯量1、质量m、重心到中心轴的距离S有关,且呈对称摆放,因此比普通单摆更容易破坏动态平衡,获能效果要好。
[0025] 所述行星齿轮增速机构2,通过传动轴连接安全离合器3,其中行星齿轮增速机构与直齿轮增速器相比,具有传动比大,体积小等特点。在满足传动比的前提下,使整个装置在水下无人移动平台内部占用空间尽可能小,故体积越小越好。因此采用双级行星齿轮增速器(2K-H),能满足上述要求。
[0026] 所述安全离合器3,通过传动轴与飞轮4连接,其中防止过载过大,主动轴转过用度太大,扭矩过大而损坏该机构传动系统,安装了弹簧钢球式安全离合器,主要起保护作用。
[0027] 所述飞轮4,通过联轴器5与永磁同步电机6连接。飞轮是安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器。当传动轴转速增高时,飞轮的动能增加,把能量贮蓄起来;当传动轴转速降低时,飞轮动能减少,把能量释放出来。飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。
[0028] 所述永磁同步发电机6,输出与整流模块7连接,永磁同步发电机具有结构紧凑、体积小、重量轻、功率密度大、功率因数高、效率高、维护简单等优点。所述整流器模块7,输出与充电蓄能模块8连接,主要将永磁同步发电机6发电产生的不稳定电流经过整流模块7整流之后,变成可以供蓄能模块8充电的电流。其作用有三:一是进行整流、滤波、稳压处理;二是控制开关作用,通过检测充电蓄能模块8的电量是否充足,自动控制是否充电;三是提供额定电流,为充电蓄能模8提供稳定的额定电流。
[0029] 所述充电蓄能模块8,输出连接工作模块10,输出的主要为直流,考虑到水下无人移动平台内部有些电子设备需要交流电供电,因此可以在充电蓄能模块8和工作模块10之间增加逆变器模块9,逆变器可以将直流变为交流,为系统需要提供适合电流。
[0030] 本发明的装置具体工作原理为:
一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,系统安装在水下无人移动平台内部,通过其平台潜在海洋中受到海洋动能的作用力而产生振动,使其内部的对称摆产生一定角度摆动,破坏了获能机构的动态平衡,来俘获波浪能,再通过两级行星齿轮增速器提高转速,输出给飞轮储能,以获得稳定机械能,再通过飞轮高速旋转带动永磁同步发电机转轴旋转切割磁感线发电,接着经过整流器模块获得稳定的电流为蓄电池模块充电,获取电能,并加以储存,为后续工作模块提供动力,最终保证水下无人移动平台在水下具有长时间续航能力。
[0031] 本发明的优点为:
1、该装置结构简单,体积比一般的发电装置要小,无需改变水下无人移动平台的结构外形,所有零部件可以作为一个独立部件安装在水下无人移动平台内部,这样可以使该发电装置与外部海洋环境隔离,保护其不受海水腐蚀、动密封、海洋生物附着等影响,这将大大降低其成本,为本发明的一个优点。
[0032] 2、该装置用途广泛,不仅可以军用,也可以民用。如海底潜艇、海面舰艇、渔船等都可以安装该装置,在海洋能的作用下都会产生晃动,皆可用来发电。为各种舰艇、渔船提供动力,照明等。
[0033] 3、目前海洋监测设备、浮标和传感器均采用自身携带的化学电池能源供电,受电池能量密度及携带数量的限制,电池难以长时间的工作必须定期更换。对于部署在远程海域的浮标和传感器系统,经常的电池更换给使用和维护带来极大的不便且成本很高,有些监测设备不得已在电池寿命终止后即被废弃。而采用搭载式海洋动能发电装置不仅能够为监测设备提供电能,而且能够为蓄电池进行充电,使蓄电池能够重复利用,提高设备的使用效率,降低成本,便于维护。
[0034] 4、在获能机构上,考虑到水下无人移动平台受到竖直方向的晃动,设计对称式双摆获能机构比普通单摆获能机构的获能效果要好,可以充分利用波浪能。
[0035] 5、充分利用飞轮具有较大的转动惯量和蓄能作用的特点,并能减少机械运转过程的速度波动。
[0036] 6、在充电蓄能模块与机械工作模块连接中,根据实际考虑的需要,添加了逆变器模块,可以将蓄电池的直流转换为交流电,为水下无人移动平台内部电子设备提供负载。

Claims (4)

1.一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,其特征在于:它包括获能模块(1),获能模块(I)的输出轴连接行星齿轮增速机构(2)的输入轴,飞轮(4)通过安全离合器(3)与行星齿轮增速机构(2)相连,永磁同步电机(6)通过联轴器(5)与飞轮(4)相连,整流模块(7)与永磁同步电机(6 )相连,充电蓄能模块(8 )与整流模块(7 )相连,工作模块(1 )与充电蓄能模块(8)之间连接有逆变器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,其特征在于:所述获能模块(I)为对称式双摆获能机构,由一对摆球与相应的摆臂相连,摆臂再与转轴相连。
3.根据权利要求1所述的一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,其特征在于:所述行星齿轮增速机构(2)为两级行星齿轮增速器,其增速器的传动比i多30。
4.根据权利要求1所述的一种新型搭载式海洋动能转换与发电装置,其特征在于:所述飞轮(4)能够蓄能和稳定系统的波动。
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