CN106353839B - 一种基于波浪能和光能互补能源的无人值守海上自动气象站 - Google Patents
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Abstract
一种基于波浪能和光能互补能源的无能耗海上自动气象站，包括浮体、光照度传感器、太阳能电池板、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器，还包括单片机控制器、互补电源转换器、蓄电池、GPS模块、GPS天线、铱星控制器、铱星天线、柔性线缆、发电机安装版、发电机和桨片，以上各部件均通过螺钉固连在浮体上。通过将采集到的互补的波浪能和光能转化成电能，作为整个自动气象站的电源供给，不需要额外的外部电源供给，极大地提高了自动气象站长时间续航能力和工作效率，同时通过多点布置，无需人工维护，也大大降低了自动气象站的布置成本。
Description
技术领域
本发明是涉及获得海上气象资料的海上气象站，具体的涉及一种基于波浪能和光能互补能源的无人值守海上自动气象站。
背景技术
海洋辽阔无际，蕴藏着巨大的可开发资源。海洋资源是自然资源分类之一，指的是与海水水体及海底、海面本身有着直接关系的物质和能量。海洋虽然资源丰富，但在开发的过程中也会遇到巨大的灾害风险，因而获得海上第一手的气象资源显得尤为重要。
目前获得海上气象资料的海上气象站主要有两类，一类是基于船舶的自动气象站，船舶上搭载的气象环境采集设备主要采用船载电能供电。由于受船舶作业时间限制，一段时间的作业采集之后只能返回基地进行补给，很大程度上限制了其工作时间和续航能力，同时采集气象数据成本较高。另外一类是基于浮标的自动气象站，该类气象站要么通过蓄电池，要么通过海底线缆供给设备所需的电源，因而其工作时间和采集区域都会受到限制。
本发明针对现有技术的不足，采用基于海浪能和光能互补的能源供给，通过互补电源转换器将波浪能和光能转换成电能，无需外部供电即可解决系统供电问题，大大提高了气象站的成本控制和长时间的工作效率。同时系统集成了低功耗防水的风速传感器、温湿度传感器、光强传感器、雨滴传感器，第一时间发现海上气象变化，通过搭载的铱星卫星通讯设备将气象卫星数据传输到远程监控中心，同时通过多点布置，实时检测，无人值守，大大提高了气象数据采集效率和气象站的布置成本。
发明内容
针对现有海上气象站布置成本高，工作时间受外置供电限制的问题，本发明同时实时采集波浪能和光能，通过互补电源转换器将波浪能和光能转换成自动气象站所需的电能，从而摆脱了外置供电的限制，可实现无外部能量能耗采集气象卫星数据。
本发明的技术方案如下：
一种基于波浪能和光能互补能源的无能耗新型海上自动气象站，包括浮体、光照度传感器、太阳能电池板、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器，还包括单片机控制器、互补电源转换器、蓄电池、GPS模块、GPS天线、铱星控制器、铱星天线、柔性线缆、发电机安装版、发电机和桨片，以上各部件均通过螺钉固连在浮体上。
其中太阳能电池板、雨滴传感器均是采用了防水型户外设计产品；光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、、GPS模块、GPS天线、铱星控制器和铱星天线也均采用了IP67防水设计，互补电源转换器、蓄电池、单片机控制器均通过GD414密封胶做了密封防水处理，用于户外长期使用。
优选地，所述发电机通过螺钉安装于发电机安装板上，桨片转轴通过联轴器与发电机转子连接，发电机转子与发电机壳体与定子之间安装有密封圈，密封圈内嵌于发电机壳体与定子的凹槽中，从而可实现发电机的密封防水，发电机的引出线通过发电机安装板15内部腔体穿出，与外部的柔性线缆连接，并在连接点处涂GD414密封胶密封。
优选地，所述浮体是一个内部为空腔结构的聚乙烯高密度板浮体，其外轮廓尺寸长*宽*高为1.2m*0.5m*0.6m，浮体产生的浮力远大于发电机和浆片组件的重力，可以保证浮体一直浮在水面。
优选地，太阳能电池板通过电线与互补电源转换器相连，六组发电机通过柔性线缆与互补电源转换器相连，互补电源转换器通过电线连接到蓄电池，用于将转化后的电能储存在蓄电池中，所述光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、单片机控制器、GPS模块和铱星控制器分别与蓄电池相连接。
如图3所示，当浮体遇到海浪的波峰向上运动时，水流也向上运动，通过柔性线缆带动发电机安装板一起向上运动，此时桨片阵列在水流阻力的作用下向下运动，从而带动发电机输出轴转动，同样浮体遇到海浪的波谷时将会引起桨片阵列的反向运动，发电机旋转产生电能，同时太阳能电池板不断将采集到的光能转换成电能，所述蓄电池为额定12V三串两并的磷酸铁锂电池。太阳能电池板和发电机任意时刻都在将光能和波浪能转化成电能，互补电源转换器将这些电能采集之后，通过内部变换把电压抬升到高于12V用于给蓄电池充电。
蓄电池的放电过程：互补电源转化器的电源输出连接后级各用电设备实现放电功能。同时互补电源转化器不断的采集蓄电池的电压，当电池的电压高于14V，互补电源转化器将通过内部继电器关断充电功能，待蓄电池的电压低于13V时，互补电源转化器通过内部继电器打开放电功能。当蓄电池的电压低于7V时，互补电源转化器将通过内部继电器关断放电功能，待蓄电池电压抬升至8V时，互补电源转化器通过内部继电器打开放电功能。
优选地，所述光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、GPS模块和铱星控制器分别与单片机控制器相连接。
优选地，所述浮体前部通过螺钉安装有GPS模块、GPS天线、铱星控制器和铱星天线，其中GPS模块通过电线与GPS天线相连，铱星控制器通过电线与铱星天线相连。
优选地，所述GPS模块为U-blox7代GPS，所述单片机控制器采用stm32F103vct6单片机，所述铱星控制器为采用Iridium9602的通讯模块，GPS模块与单片机控制器电性连接，用于获取气象站所处的地理位置信息和当前时间信息，输出给单片机控制器；
所述光照度传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的光照强度信息，输出给单片机处理器；
所述风速传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的风速强度信息，输出给单片机处理器；
所述温湿度传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的温度和湿度信息，输出给单片机处理器；
所述雨滴传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的雨滴信息，输出给单片机处理器；
所述铱星控制器与单片机控制器电性连接，用于将气象数据通过卫星发送至远程的气象监控中心。
进一步地，提供一种上述的波浪能和光能互补能源的无能耗新型海上自动气象站获取海上气象资料的方法，所述自动气象站根据GPS模块获取的地理位置信息和当前时间信息可计算太阳高度角，根据风速传感器可计算出风速是否已经达到了危险的风速，根据雨滴传感器采集到的雨滴信息可计算出是否下雨以及雨量的大小，根据光照度传感器采集到的光照强度信息，可计算当前时间是处于晴天还是阴天，根据温湿度传感器采集到的温度和湿度信息以及地理位置信息的采集，可计算出当前采集区域的季节气候参数，最后自动气象站将这些采集后的数据经简单处理后，计算出来的数据信息通过铱星控制器模块把数据输出发送至远程的地面气象中心。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将采集到的互补的波浪能和光能转化成电能，作为整个自动气象站的电源供给，不需要额外的外部电源供给，极大地提高了自动气象站长时间续航能力和工作效率，同时通过多点布置，无需人工维护，也大大降低了自动气象站的布置成本。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，图1是本发明装置的结构示意图；
图2是发电机安装示意图；
图3是发电系统示意图。
图中：1.浮体、2.光照度传感器、3.太阳能电池板、4.风速传感器、5.温湿度传感器、6.雨滴传感器、7.单片机控制器、8.互补电源转换器、9.蓄电池、10.GPS模块、11.GPS天线、12.铱星控制器、13.铱星天线、14.柔性线缆、15.发电机安装板、16.发电机、17.桨片、18发电机壳体与定子、19联轴器、20桨片转轴、21密封圈、22发电机转子。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
一种基于波浪能和光能互补能源的无能耗新型海上自动气象站，包括浮体1、光照度传感器2、太阳能电池板3、风速传感器4、温湿度传感器5、雨滴传感器6，还包括单片机控制器7、互补电源转换器8、蓄电池9、GPS模块10、GPS天线11、铱星控制器12、铱星天线13、柔性线缆14、发电机安装版15、发电机16和桨片17，以上各部件均通过螺钉固连在浮体上。
其中太阳能电池板、雨滴传感器均是采用了防水型户外设计产品；光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、、GPS模块、GPS天线、铱星控制器和铱星天线也均采用了IP67防水设计，互补电源转换器、蓄电池、单片机控制器均通过GD414密封胶做了密封防水处理，用于户外长期使用。
所述发电机16通过螺钉安装于发电机安装板15上，桨片转轴20通过联轴器19与发电机转子22连接，发电机转子22与发电机壳体与定子18之间安装有密封圈21，密封圈21内嵌于发电机壳体与定子18的凹槽中，从而可实现发电机的密封防水。发电机16的引出线通过发电机安装板15内部腔体穿出，与外部的柔性线缆14连接，并在连接点处涂GD414密封胶密封。
所述浮体是一个内部为空腔结构的聚乙烯高密度板浮体，其外轮廓尺寸长*宽*高为1.2m*0.5m*0.6m，浮体产生的浮力远大于发电机和浆片组件的重力，可以保证浮体一直浮在水面。
太阳能电池板通过电线与互补电源转换器相连，六组发电机通过柔性线缆与互补电源转换器相连，互补电源转换器通过电线连接到蓄电池，用于将转化后的电能储存在蓄电池中，所述光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、单片机控制器、GPS模块和铱星控制器分别与蓄电池相连接。
如图3所示，当浮体遇到海浪的波峰向上运动时，水流也向上运动，通过柔性线缆带动发电机安装板一起向上运动，此时桨片阵列在水流阻力的作用下向下运动，从而带动发电机输出轴转动，同样浮体遇到海浪的波谷时将会引起桨片阵列的反向运动，发电机旋转产生电能，同时太阳能电池板不断将采集到的光能转换成电能，所述蓄电池为额定12V三串两并的磷酸铁锂电池。太阳能电池板和发电机任意时刻都在将光能和波浪能转化成电能，互补电源转换器将这些电能采集之后，通过内部变换把电压抬升到高于12V用于给蓄电池充电。
蓄电池的放电过程：互补电源转化器的电源输出连接后级各用电设备实现放电功能。同时互补电源转化器不断的采集蓄电池的电压，当电池的电压高于14V，互补电源转化器将通过内部继电器关断充电功能，待蓄电池的电压低于13V时，互补电源转化器通过内部继电器打开放电功能。当蓄电池的电压低于7V时，互补电源转化器将通过内部继电器关断放电功能，待蓄电池电压抬升至8V时，互补电源转化器通过内部继电器打开放电功能。
所述光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、GPS模块和铱星控制器分别与单片机控制器相连接。
所述浮体前部通过螺钉安装有GPS模块、GPS天线、铱星控制器和铱星天线，其中GPS模块通过电线与GPS天线相连，铱星控制器通过电线与铱星天线相连。
所述GPS模块为U-blox7代GPS，所述单片机控制器采用stm32F103vct6单片机，所述铱星控制器为采用Iridium9602的通讯模块，GPS模块与单片机控制器电性连接，用于获取气象站所处的地理位置信息和当前时间信息，输出给单片机控制器；
所述光照度传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的光照强度信息，输出给单片机处理器；
所述风速传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的风速强度信息，输出给单片机处理器；
所述温湿度传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的温度和湿度信息，输出给单片机处理器；
所述雨滴传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的雨滴信息，输出给单片机处理器；
所述铱星控制器与单片机控制器电性连接，用于将气象数据通过卫星发送至远程的气象监控中心。
波浪能和光能互补能源的无能耗新型海上自动气象站获取海上气象资料的方法，所述自动气象站根据GPS模块获取的地理位置信息和当前时间信息可计算太阳高度角，根据风速传感器可计算出风速是否已经达到了危险的风速，根据雨滴传感器采集到的雨滴信息可计算出是否下雨以及雨量的大小，根据光照度传感器采集到的光照强度信息，可计算当前时间是处于晴天还是阴天，根据温湿度传感器采集到的温度和湿度信息以及地理位置信息的采集，可计算出当前采集区域的季节气候参数，最后自动气象站将这些采集后的数据经简单处理后，计算出来的数据信息通过铱星控制器模块把数据输出发送至远程的地面气象中心。
通过将采集到的互补的波浪能和光能转化成电能，作为整个自动气象站的电源供给，不需要额外的外部电源供给，极大地提高了自动气象站长时间续航能力和工作效率，同时通过多点布置，无需人工维护，也大大降低了自动气象站的布置成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于波浪能和光能互补能源的无能耗海上自动气象站，其特征在于，包括浮体、光照度传感器、太阳能电池板、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器，还包括单片机控制器、互补电源转换器、蓄电池、GPS模块、GPS天线、铱星控制器、铱星天线、柔性线缆、发电机安装版、发电机和桨片，以上各部件均通过螺钉固连在浮体上；
所述发电机通过螺钉安装于发电机安装板上，桨片转轴通过联轴器与发电机转子连接，发电机转子与发电机壳体与定子之间安装有密封圈，密封圈内嵌于发电机壳体与定子的凹槽中，从而实现发电机的密封防水，发电机的引出线通过发电机安装板内部腔体穿出，与外部的柔性线缆连接，并在连接点处涂GD414密封胶密封；
太阳能电池板通过电线与互补电源转换器相连，六组发电机通过柔性线缆与互补电源转换器相连，互补电源转换器通过电线连接到蓄电池，用于将转化后的电能储存在蓄电池中，所述光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、单片机控制器、GPS模块和铱星控制器分别与蓄电池相连接；
当所述浮体遇到海浪的波峰向上运动时，水流也向上运动，通过柔性线缆带动所述发电机安装板一起向上运动，此时桨片阵列在水流阻力的作用下向下运动，从而带动发电机输出轴转动，同样所述浮体遇到海浪的波谷时将会引起桨片阵列的反向运动，发电机旋转产生电能，同时所述太阳能电池板不断将采集到的光能转换成电能，所述蓄电池为额定12V三串两并的磷酸铁锂电池；
所述太阳能电池板和发电机任意时刻都在将光能和波浪能转化成电能，所述互补电源转换器将这些电能采集之后，通过内部变换把电压抬升到高于12V用于给蓄电池充电。
2.如权利要求1所述的波浪能和光能互补能源的无能耗海上自动气象站，其特征在于，所述浮体是一个内部为空腔结构的聚乙烯高密度板浮体，其外轮廓尺寸长*宽*高为1.2m*0.5m*0.6m，浮体产生的浮力远大于发电机和浆片组件的重力，保证浮体一直浮在水面。
3.如权利要求1所述的波浪能和光能互补能源的无能耗海上自动气象站，其特征在于，所述光照度传感器、风速传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、GPS模块和铱星控制器分别与单片机控制器相连接。
4.如权利要求3所述的波浪能和光能互补能源的无能耗海上自动气象站，其特征在于，所述浮体前部通过螺钉安装有GPS模块、GPS天线、铱星控制器和铱星天线，其中GPS模块通过电线与GPS天线相连，铱星控制器通过电线与铱星天线相连。
5.如权利要求4所述的波浪能和光能互补能源的无能耗海上自动气象站，其特征在于，所述GPS模块为U-blox7代GPS，所述单片机控制器采用stm32F103vct6单片机，所述铱星控制器为采用Iridium9602的通讯模块，GPS模块与单片机控制器电性连接，用于获取气象站所处的地理位置信息和当前时间信息，输出给单片机控制器；
所述光照度传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的光照强度信息，输出给单片机处理器；
所述风速传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的风速强度信息，输出给单片机处理器；
所述温湿度传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的温度和湿度信息，输出给单片机处理器；
所述雨滴传感器与单片机控制器电性连接，用于测量自动气象站所处的地理位置的雨滴信息，输出给单片机处理器；
所述铱星控制器与单片机控制器电性连接，用于将气象数据通过卫星发送至远程的气象监控中心。
6.一种通过如权利要求1-5任一项所述的波浪能和光能互补能源的无能耗海上自动气象站获取海上气象资料的方法，其特征在于，所述自动气象站根据GPS模块获取的地理位置信息和当前时间信息计算太阳高度角，根据风速传感器计算出风速是否已经达到了危险的风速，根据雨滴传感器采集到的雨滴信息计算出是否下雨以及雨量的大小，根据光照度传感器采集到的光照强度信息，计算当前时间是处于晴天还是阴天，根据温湿度传感器采集到的温度和湿度信息以及地理位置信息的采集，计算出当前采集区域的季节气候参数，最后自动气象站将这些采集后的数据经简单处理后，计算出来的数据信息通过铱星控制器模块把数据输出发送至远程的地面气象中心；
当所述浮体遇到海浪的波峰向上运动时，水流也向上运动，通过柔性线缆带动所述发电机安装板一起向上运动，此时桨片阵列在水流阻力的作用下向下运动，从而带动发电机输出轴转动，同样所述浮体遇到海浪的波谷时将会引起桨片阵列的反向运动，发电机旋转产生电能，同时所述太阳能电池板不断将采集到的光能转换成电能，所述蓄电池为额定12V三串两并的磷酸铁锂电池；所述太阳能电池板和发电机任意时刻都在将光能和波浪能转化成电能，所述互补电源转换器将这些电能采集之后，通过内部变换把电压抬升到高于12V用于给蓄电池充电；
当蓄电池的电压高于14V，互补电源转化器将通过内部继电器关断充电功能，待蓄电池的电压低于13V时，互补电源转化器通过内部继电器打开放电功能；当蓄电池的电压低于7V时，互补电源转化器将通过内部继电器关断放电功能，待蓄电池电压抬升至8V时，互补电源转化器通过内部继电器打开放电功能。
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