CN106979191A - 一种定向海洋监测浮标能量收集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定向海洋监测浮标能量收集系统，该系统主要包括浮标内部水舱、底部能量捕获装置和能量储存液压回路，当浮标在海面上摇晃带动浮标水舱结构内的海水运动时，海水冲击水舱底部能量捕获装置的摆板部件，摆板部件摆动带动能量储存液压回路中的液压缸伸缩，通过液压回路将能量储存在液压蓄能机构中，作为浮标的储备能源。当浮标受海上风浪影响朝向角发生偏转超出设定值时，可以将储存在蓄能器中的能量释放出来，为浮标转向提供动力来源，在不同流速流向环境下实现浮标的定向控制的功能，从而满足浮标在最高四级海况工作条件下的定向通信要求。

Description

一种定向海洋监测浮标能量收集系统
技术领域
本发明涉及一种定向海洋监测浮标能量收集系统，在最高四级海况的工作环境下，它可以捕获并储存浮标自身在海面上摇摆运动时的能量，将其作为浮标内部的储备能源，在需要时将储存的能量用于浮标的定向控制中。
背景技术
定向海洋监测浮标是一种固定方位角式的海洋监测浮标，需要将浮标的朝向限制在一定范围内，从而实现与母船或卫星的通信功能。浮标长时间持续在海洋中工作时，由于受到海上风浪影响，导致浮标的朝向容易发生偏转，因此需要不断消耗浮标内部能源，对浮标朝向不断进行修正。目前海上浮标大多采用蓄电池供电的方法来维持浮标的日常工作，不断消耗蓄电池能量来修正浮标朝向会导致浮标正常工作时间缩短，此外由于浮标投放位置距海岸或母船较远且工作地点不固定，因此在电池内电量耗尽后为蓄电池充电或换电池操作复杂，成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向海洋监测浮标能量收集系统，是针对定向海洋监测浮标修正朝向时能源消耗过大的问题，设计的一套能量收集系统，可以持续捕获浮标在周期性摇摆过程中产生的动能，并将这部分的能量储存在浮标内部。当浮标体由于外界海风和海浪影响，朝向发生偏转超出设定范围时，可以将储存的能量释放出来，为浮标的转向提供动力来源，有效减缓蓄电池能量的消耗速度，增加浮标的正常工作时间。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：
一种定向海洋监测浮标能量收集系统，包括浮标水舱结构、底部能量捕获装置和能量储存液压回路；所述的底部能量捕获装置设置于浮标水舱结构底部，包括摆板部件，能量储存液压回路包括液压缸和液压蓄能机构，当浮标在海面上摇晃带动浮标水舱结构内的海水运动时，海水冲击水舱底部的摆板部件，通过摆板部件的摆动带动液压缸伸缩，通过液压回路将能量储存在液压蓄能机构中。
所述的浮标水舱结构包括浮标体外壁、浮标体内壁、径向舱壁和第一水舱底板，浮标体内壁将浮标内部分隔为上下两个腔体，下腔体外壁上设有进水孔，下腔体内设有第一水舱底板，浮标体外壁、浮标体内壁及第一水舱底板形成的空间构成水舱，径向舱壁有若干块，将水舱沿周向等分，径向舱壁底端与第一水舱底板连接，上端高于水舱内的水面。
作为优选，所述的浮标体内壁中部向下凹陷，其下凹底端距第一水舱底板距离为1米左右。
所述的径向舱壁共八块，所述的摆板部件为八叶摆板，八叶摆板位于浮标体内壁底部与第一水舱底板之间，它的八个叶片分别与八块径向舱壁对齐，两者之间通过柔性导流材料连接，且每块柔性导流材料均与第一水舱底板相连接；在第一水舱底板下方还设置有第二水舱底板，第二水舱底板中部设置一个万向节底座，并环绕设置有四个均匀对称分布的液压缸，四个液压缸一端与第二水舱底板间通过第二万向节连接，另一端穿过第一水舱底板与八叶摆板间通过第一万向节连接，万向节底座穿过第一水舱底板与八叶摆板底部通过万向节连接；八叶摆板在摇摆运动过程中，柔性导流材料始终处于松弛状态，不对八叶摆板的运动产生限制。所述的柔性导流材料可以采用具有高强度、耐冲击、耐腐蚀等特性的涤纶材料来实现。
上述四只液压缸中相对称的两只为一组，对每一组液压缸，其液压回路包括该组中两只液压缸：第一液压缸和第二液压缸、油缸、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、液压储能机构、一个二位二通电磁阀、浮标转向执行机构和溢流阀；所述的第一单向阀的进口与第四单向阀的进口连接油缸，第一单向阀的出口、第二单向阀的进口均与第一液压缸的无杆腔相连，第四单向阀的出口、第三单向阀的进口与第二液压缸的无杆腔连接，第二单向阀的出口和第三单向阀的出口均与液压储能机构相连，所述的二位二通电磁阀一端与液压储能机构相连，另一端与浮标转向执行机构连接，在液压储能机构与油缸之间设置有溢流阀。
本发明的技术方案中，通过设置径向舱壁使在浮标摇摆过程中舱内海水必须流经舱室底部，避免海水沿舱室的周向流动。浮标水舱结构内部大部分区域为海水，内壁上部区域则为密闭空气。在水舱内设有柔性导流材料，柔性材料底端与水舱底部相连，两端分别与径向舱壁和摆板叶片相连，仅在八叶摆板上端与内壁底部之间留有空隙，这样设置可以迫使水流冲击摆板，以提高水流效率。
八叶摆板固接在万向节底座上，仅保留绕水平面上X轴、Y轴旋转两个自由度。
液压缸的伸缩运动不断将液压油打入液压回路中，通过第二单向阀和第三单向阀将这部分能量储存在液压蓄能机构内部。当浮标需要执行回转操作时，二位二通电磁阀打开，将液压油从蓄能机构中释放，带动转向执行机构动作。
本发明的有益效果是：
本发明提出的定向海洋监测浮标能量收集系统在最高四级海况的工作环境下，可以捕获并储存平台自身在海面上摇摆运动时的能量，将其作为浮标内部的储备能源，应用于浮标的定向控制中。相较以往的海洋监测浮标，该定向海洋监测浮标具有更长的工作寿命，减缓了浮标蓄电池能量耗尽在海上频繁更换电池的不便。从而使得浮标能够更好地为海洋科学研究、海上石油(气)开发、港口建设和国防建设收集所需的海洋水文气象资料。
附图说明
图1是定向海洋监测浮标剖面正视图；
图2是定向海洋监测浮标水舱横截面俯视图；
图3是定向海洋监测浮标底部能量捕获装置俯视图；
图4是定向海洋监测浮标底部能量捕获装置正视图；
图5是定向海洋监测浮标能量储存液压回路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1-图5所示，本发明的定向海洋监测浮标能量收集系统，包括浮标水舱结构，底部能量捕获装置和能量储存液压回路。其原理是：浮标在海面上受风浪影响产生晃动时，浮标水舱2内海水会随之摇晃。海水沿水舱径向舱壁4结构流向舱底，对底部的八叶摆板7产生冲击。通过八叶摆板7的摆动，带动与摆板相连的液压缸9、12伸缩，最终通过能量储存液压回路将能量储存在液压蓄能机构16中。
如图1和图2所示，所述的浮标水舱结构包括浮标体外壁1，浮标内壁3，水舱2，径向舱壁4，第一水舱底板5和第二水舱底板6。浮标内壁3将浮标内部分为上下两个区域，上部为浮标电子元器件的工作区域，下部为浮标能量收集区域。径向舱壁4共有八块，将浮标下部的水舱2沿周向八等分，径向舱壁4底端与第一水舱底板5连接，上端高出水面。浮标体内壁3与外壁1间通过径向舱壁4连接。这样设置的目的是为了使浮标在海面上摇晃过程中，隔断浮标水舱2内的海水绕水舱2周向的流动，迫使海水流向水舱2底部。浮标内壁3底端与第一水舱底板5之间距离约为1米，两者之间的位置设置八叶摆板7。
如图3所示，八叶摆板7位于水舱2底部的中心位置，摆板的8个叶片分别与8块径向舱壁4对齐，叶片和舱壁之间通过柔性导流材料11相连接。
如图4所示，八叶摆板7底部的中心与万向节底座10固接，从而约束了八叶摆板7的位移，仅具有绕水平面上X轴和Y轴两个方向旋转的自由度。八叶摆板7底部外侧与两个液压缸组通过第一万向节8相连，液压缸另一端通过第二万向节13与第二水舱底板6连接，每个液压缸组内有第一液压缸9和第二液压缸12。两个液压缸对称分布在八叶摆板7的两侧，八叶摆板7下方共设有4个液压缸。当八叶摆板7受海水冲击产生摆动时，与摆板相连的液压缸也随之伸长或缩短。第一水舱底板5表面设有5个圆孔，其作用是使得万向节底座10与4个液压缸能穿过第一水舱底板5与第二水舱底板6相连接，并且不干涉液压缸和万向节底座10的运动。同时，第一水舱底板5的设置约束了八叶摆板7的运动空间，防止其在摇摆过程中幅度过大，导致结构失稳。在径向舱壁4和八叶摆板7之间，通过柔性导流材料11相连，此外，柔性导流材料11的底端还与第一水舱底板5连接。八叶摆板7在运动过程中，柔性导流材料11始终处于松弛状态，不会对八叶摆板7的摆动产生约束。柔性导流材料11的设置阻断了水流从八叶摆板7底部和侧面流动的通道，它和第一水舱底板5的设置有效抑制了水流在八叶摆板7下方和侧面的无效流动，迫使水流朝八叶摆板7上方流动，冲击摆板的上端，增大水流冲击对八叶摆板7产生的力矩，从而更有利于八叶摆板7的摆动，提高整个捕能装置的捕能效率。
如图5所示为定向海洋监测浮标能量收集系统的能量储存液压回路。以一个液压缸组为例，其液压回路包括第一液压缸9，第二液压缸12，一个液压储能机构16，第一单向阀14、第二单向阀15、第三单向阀17、第四单向阀18，一个二位二通电磁阀20，浮标转向执行机构21，溢流阀19和油缸22。第一液压缸9由于八叶摆板7的摆动，活塞向有杆腔一侧运动，以此为例。有杆腔一侧的油液经第二单向阀15流向液压储能机构16，无杆腔一侧通过油缸22补充油液。此时二位二通电磁阀20处于常断状态。当液压储能机构16内油量达到最大储存量时，将此时液压储能机构16端口的压强设为溢流阀19开启的压强，之后流入的油液将直接经过溢流阀19流入油缸22中。当浮标需要执行回转命令时，将二位二通电磁阀20转换至流通状态，从而使液压储能机构16内的高压油液能够流入浮标转向执行机构21内，带动机构运动。

Claims (5)

1.一种定向海洋监测浮标能量收集系统，其特征在于，包括浮标水舱结构、底部能量捕获装置和能量储存液压回路；所述的底部能量捕获装置设置于浮标水舱结构底部，包括摆板部件，能量储存液压回路包括液压缸和液压蓄能机构，当浮标在海面上摇晃带动浮标水舱结构内的海水运动时，海水冲击水舱底部的摆板部件，通过摆板部件的摆动带动液压缸伸缩，通过液压回路将能量储存在液压蓄能机构中。
2.根据权利要求1所述的定向海洋监测浮标能量收集系统，其特征在于，所述的浮标水舱结构包括浮标体外壁(1)、浮标体内壁(3)、径向舱壁(4)和第一水舱底板(5)，浮标体内壁(3)将浮标内部分隔为上下两个腔体，下腔体外壁上设有进水孔，下腔体内设有第一水舱底板(5)，浮标体外壁、浮标体内壁及第一水舱底板形成的空间构成水舱(2)，径向舱壁(4)有若干块，将水舱(2)沿周向等分，径向舱壁底端与第一水舱底板(5)连接，上端高于水舱内的水面。
3.根据权利要求2所述的定向海洋监测浮标能量收集系统，其特征在于，所述的浮标体内壁(3)中部向下凹陷，其下凹底端距第一水舱底板(5)距离为1米。
4.根据权利要求2所述的定向海洋监测浮标能量收集系统，其特征在于，所述的径向舱壁(4)共八块，所述的摆板部件为八叶摆板(7)，八叶摆板(7)位于浮标体内壁(3)底部与第一水舱底板(5)之间，它的八个叶片分别与八块径向舱壁(4)对齐，两者之间通过柔性导流材料(11)连接，且每块柔性导流材料均与第一水舱底板相连接；在第一水舱底板(5)下方还设置有第二水舱底板(6)，第二水舱底板(6)中部设置一个万向节底座(10)，并环绕设置有四个均匀对称分布的液压缸，相对称的两只为一组，四个液压缸一端与第二水舱底板(6)间通过第二万向节(13)连接，另一端穿过第一水舱底板(5)与八叶摆板(7)间通过第一万向节(8)连接，万向节底座(10)穿过第一水舱底板(5)与八叶摆板(7)底部通过万向节连接；八叶摆板(7)在摇摆运动过程中，柔性导流材料(11)始终处于松弛状态，不对八叶摆板(7)的运动产生限制。
5.根据权利要求4所述的定向海洋监测浮标能量收集系统，其特征在于，对每一组液压缸，其液压回路包括该组中两只液压缸：第一液压缸(9)和第二液压缸(12)、油缸(22)、第一单向阀(14)、第二单向阀(15)、第三单向阀(17)、第四单向阀(18)、液压储能机构(16)、一个二位二通电磁阀(20)、浮标转向执行机构(21)和溢流阀(19)；所述的第一单向阀(14)的进口与第四单向阀(18)的进口连接油缸(22)，第一单向阀(14)的出口、第二单向阀(15)的进口均与第一液压缸(9)的无杆腔相连，第四单向阀(18)的出口、第三单向阀(17)的进口与第二液压缸(12)的无杆腔连接，第二单向阀(15)的出口和第三单向阀(17)的出口均与液压储能机构(16)相连，所述的二位二通电磁阀(20)一端与液压储能机构(16)相连，另一端与浮标转向执行机构(21)连接，在液压储能机构(16)与油缸(22)之间设置有溢流阀(19)。
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