CN107288808A - 一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，装置中的漂流浮标主体包括太阳能电池板发电部分、波浪能发电部分以及控制器部分，每个部分之间用导线进行连接。太阳能电池板发电部分位于漂流浮标主体的顶部，此部分露出海面，便于将太阳能转换为电能；波浪能发电部分主要由波浪能捕获机构和圆筒型永磁直线发电机构成，位于漂流浮标的中部，此部分与海面相交，便于波浪能捕获机构捕获波浪能；控制器部分位于漂流浮标的底部，此部分主要包括CPU、AC/DC转换模块、电源管理模块以及蓄电池，主要用于将太阳能电池板输出的电压和圆筒型永磁直线发电机输出的电压经过处理后存储至电池中，以供漂流浮标数据采集系统以及通讯系统等使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，属于可再生能源综合利用领域。
背景技术
漂流浮标是目前应用较为广泛的海洋水文气象监测平台，它是在海面或一定深度随海流漂动的浮标，用卫星或声学方法获得其位置信息，用拉格朗日法由浮标流动轨迹得到海流。漂流浮标属于抛弃式，其在海上长期连续监测无法收回和更换电池，因此漂流浮标长期持续供电是难题之一。随着科学技术的发展，现可利用的海上自然资源发电技术主要有风能、太阳能以及波浪能等，设计一种可自供电的漂流浮标装置成为了热门研究方向。
如专利号CN 205643749 U公布的一种海洋气象监测漂流浮标，其采用的供电模式是太阳能电池板供电。通过太阳能电池板输出的电压接到太阳能转换电路，通过一系列转换得到系统所需的工作电压，实现了漂流浮标的自供电。但这种漂流浮标的工作环境受到天气的限制，只能在太阳能充足的天气环境下使用，在风雨天气就失去了作用。并且由于太阳能电池板输出的电压较小，故需要多块电池板串并联才能得到系统所需的工作电压，涉及到多块太阳能电池板，故其安装结构是关键技术，而该海洋气象监测漂流浮标没有涉及说明。
如专利号CN 206054168 U公布的海洋智能发电装置。该装置包括轻质筏和重质筏。当遇到波浪时，波浪推动轻质筏上下运动，进而带动转动轴以及斜齿轮发生转动，从而使得小斜齿轮也发生转动，最终使得与其相连的第一交流发电机工作发电。同时当轻质筏和重质筏在海面水平移动时，也可以使得水轮转动，使得与其相连的第二交流发电机工作发电，另外太阳能发电电池也可以获取太阳能进行发电，最终它们工作产生的电能可以通过整流器调整电流方向后存入蓄电池中。该装置综合利用了波浪能和太阳能，能不同的天气利用不同的可再生能源发电。该发电装置的优点在于其重质筏面积大可直接将多块太阳能电池板安装在重质筏表面。但发电装置的缺点在于采用两个发电机增加了发电装置的自重，使得轻质筏和重质筏在遇到波浪时，上下运动幅度受到限制，影响了发电机的发电效率；此外该装置将太阳能电池板与重质筏安装在一起，会导致重质筏上下运动时太阳能电池板受到海水，长期以往会影响太阳能电池板的使用寿命。考虑到漂流浮标的空间以及漂流特性，海洋智能发电装置不适合应用到漂流浮标上。
发明内容
本发明为了解决漂流浮标长期供电的技术难题以及现有技术的局限性，提供了一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置。该装置不仅有效的解决了发电机自重影响波浪能捕获的缺陷，而且解决了太阳能发电部分和波浪能发电机部分互相干扰的问题，实现了漂流浮标在不同天气下长期供电的目的。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，包括漂流浮标主体和主体外壳，所述主体外壳内部通过隔板分为上部和下部，且所述主体外壳外部的上端罩有透明外壳；
所述漂流浮标主体包括太阳能电池板发电部分、波浪能发电部分以及控制器部分，所述太阳能电池板发电部分包括太阳能电池板，所述太阳能电池板设置于透明外壳中；
所述波浪能发电部分包括波浪能捕获机构和圆筒型永磁直线发电机，所述圆筒型永磁直线发电机设置于主体外壳中的上部，所述圆筒型永磁直线发电机包括运动轴，所述运动轴上设置有两种极性相反的永磁体，所述两种极性相反的永磁体间隔分布在运动轴上，所述运动轴上极性相反的永磁体之间安装有动子磁轭，且所述运动轴的外周安装有绕组；所述运动轴的下端还连接有拉簧，所述拉簧一端连接运动轴，所述拉簧的另一端连接主体外壳内部的隔板；所述波浪能捕获机构包括浮子和固定缸体，所述固定缸体与主体外壳连接，且固定缸体处于主体外壳上部的外侧；所述固定缸体中转动安装有圆盘，所述圆盘上开设有轴孔，所述圆盘通过轴孔过盈配合连接有转轴，所述转轴水平设置，且转轴伸入主体外壳中，所述转轴远离圆盘的一端转动安装有盘形凸轮，且所述盘形凸轮位于圆筒型永磁直线发电机运动轴的下侧；所述浮子下端安装有运动杆，所述运动杆竖直设置，且所述运动杆伸入固定缸体中；所述圆盘上通过销一和销二连接有连杆，所述销一位于圆盘的边缘和连杆的一端端口，所述销二位于圆盘的中心和连杆的中心，所述连杆远离销一的端口通过销三连接运动杆远离浮子的端口；
所述控制器部分设置于主体外壳的下部，所述控制器部分包括CPU、用于将波浪能发电部分交流电转换为直流电的AC/DC转换模块、电源管理模块和用于存储电能的蓄电池，所述电源管理模块用于管理波浪能发电部分和太阳能电池板输出的电能，并通过稳压滤波处理后输入到蓄电池；
所述圆筒型永磁直线发电机的输出端连接AC/DC转换模块的输入端，所述AC/DC转换模块的输出端连接电源管理模块的输入端，且所述太阳能电池板也连接电源管理模块的输入端，所述电源管理模块的输出端连接蓄电池。
进一步的，所述太阳能电池板有五块，其中一块太阳能电池板水平放置，其余四块太阳能电池板分别在水平放置的太阳能电池板四个周边倾斜放置，所述倾斜放置的四块太阳能电池板朝向水平放置的太阳能电池板。
进一步的，倾斜放置的四块太阳能电池板的倾斜角度为45°。
进一步的，所述固定缸体通过固定杆固定在主体外壳上，所述固定杆一端与主体外壳固定连接，所述固定杆另一端与固定缸体固定连接。
本发明的有益效果为：
本发明可在阳光充足和风雨天气工作，使用该装置漂流浮标可在不同的天气实现自供电。本发明采用了波浪能捕获机构与漂流浮标壳体分开的结构，解决了圆筒型永磁直线发电机以及浮标的自重影响捕获机构捕获波浪能的问题。本发明结合了漂流浮标的特性，搭载上监测系统以及通讯系统就是一种新型的漂流浮标。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明波浪能捕获机构的结构示意图；
图3是本发明太阳能电池板的安装俯视示意图；
图4是圆筒型永磁直线发电机的运动轴刚开始运动时的磁通方向示意图；
图5是圆筒型永磁直线发电机的运动轴运动一个齿距后的磁通方向示意图；
图6是本发明线路连接示意图。
附图标记说明
1-控制器部分、2-拉簧、3-动子磁轭、4-永磁体磁极、5-太阳能电池板、6-透明外壳、7-浮子、8-运动杆、9-固定缸体、10-固定杆、11-圆盘、12-转轴、13-绕组、14-盘形凸轮、15-轴孔、16-连杆、17-销一、18-朝向轴线的永磁体、20-背离轴线的永磁体、21-销二、22-销三、23-主体外壳、24-隔板、25-运动轴。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，包括漂流浮标主体和主体外壳23。主体外壳23内部通过隔板24分为上部和下部，且主体外壳23外部的上端罩有透明外壳6。
漂流浮标主体包括太阳能电池板发电部分、波浪能发电部分以及控制器部分1，所述太阳能电池板发电部分包括太阳能电池板5，太阳能电池板设置于透明外壳6中。本发明的太阳能电池板5安装在主体外壳23的顶部。考虑到太阳能电池单片输出电压较小，故采用5片太阳能电池板。受到漂流浮标整体空间的限制，故采用空间安装的方式，如附图3所示，中间的太阳能电池板水平安装，其余四块太阳能电池板分别在水平放置的太阳能电池板四个周边倾斜放置，所述倾斜放置的四块太阳能电池板朝向水平放置的太阳能电池板，且倾斜放置的四块太阳能电池板的倾斜角度为45°。这样的安装结构即保证了可得到系统所需的电压，也满足了整个漂流浮标的空间要求。当处于风和日丽的天气时，太阳能电池板5中的半导体材料吸收光能后发生光电转换，产生电流，将产生的电流通过导线输送给控制器部分1。
发电机主要是将机械运动变成电能，本发明采用圆筒型永磁直线发电机，将直线运动机械能转换为电能。波浪能发电部分包括波浪能捕获机构和圆筒型永磁直线发电机，波浪能捕获机构与发电机构分离，发电机构安装在主体外壳23内部，而波浪能捕获机构安装在漂流浮标主体外壳23的外部，这样避免了因浮标以及发电机的重力而影响波浪捕获机构波获波浪能。圆筒型永磁直线发电机设置于主体外壳23中的上部，圆筒型永磁直线发电机包括运动轴25，运动轴25上设置有两种极性相反的永磁体，两种极性相反的永磁体间隔分布在运动轴25上，运动轴25上极性相反的永磁体之间安装有动子磁轭3，且运动轴25的外周安装有绕组13。运动轴25的下端还连接有拉簧2，拉簧2一端连接运动轴，拉簧2的另一端连接主体外壳25内部的隔板24。
波浪能捕获机构包括浮子7和固定缸体9，固定缸体9与主体外壳25连接，且固定缸体9处于主体外壳25上部的外侧。固定缸体9通过固定杆10固定在主体外壳23上，固定杆10一端与主体外壳23固定连接，固定杆10另一端与固定缸体9固定连接。固定缸体9中转动安装有圆盘11，圆盘11上开设有轴孔15，圆盘11通过轴孔15过盈配合连接有转轴12，转轴12水平设置，且转轴12伸入主体外壳25中，转轴12远离圆盘11的一端转动安装有盘形凸轮14，且盘形凸轮14位于圆筒型永磁直线发电机运动轴25的下侧。浮子7下端安装有运动杆8，运动杆8竖直设置，且运动杆8伸入固定缸体9中。圆盘11上通过销一17和销二21连接有连杆16，销一17位于圆盘11的边缘和连杆16的一端端口，销二21位于圆盘11的中心和连杆16的中心，连杆16远离销一17的端口通过销三22连接运动杆8远离浮子7的端口。如图2所示，当运动杆8作为原动件上下运动时，波浪能捕获机构的自由度为：
F＝3×3-2×4-0×1＝1
原动件与自由度相等，所以该机构有确定的运动。当运动杆8上下运动时，圆盘11会做往返旋转运动。
控制器部分1设置于主体外壳25的下部，控制器部分1包括CPU、用于将波浪能发电部分交流电转换为直流电的AC/DC转换模块、电源管理模块和用于存储电能的蓄电池，电源管理模块用于管理波浪能发电部分和太阳能电池板5输出的电能，并通过稳压滤波处理后输入到蓄电池。
圆筒型永磁直线发电机的输出端连接AC/DC转换模块的输入端，AC/DC转换模块的输出端连接电源管理模块的输入端，且太阳能电池板5也连接电源管理模块的输入端，电源管理模块的输出端连接蓄电池。
本发明使用时，当波浪传过来后，浮子7随着波浪做上下运动，运动杆8跟着浮子7一起做上下运动。由于运动杆8通过销三22连接在连杆16上，连杆16在运动杆8的作用下一起做上下运动。由于连杆16通过销一17和销二21连接在圆盘11上，且其中其中一个连接点销二21位于圆盘11的中心，另一个连接点销一17在圆盘11的边缘，当连杆16的一端做上下运动时，另一端会围绕着圆心的连接点做相反运动。圆盘11是通过销一17和销二21与连杆16连接的，连杆16上下运动，圆盘11会做往返的圆周运动。由于转轴12与圆盘11是通过轴孔15进行过盈配合的，转轴12会跟着圆盘11一起坐往返运动。转轴12转动的同时会带着盘形凸轮14做相同的运动。
当浮子7在波浪的作用下向下运动时，圆盘11逆时针旋转，在圆盘11的作用下转轴12也逆时针旋转，盘形凸轮14反方向旋转时会将圆筒型永磁直线发电机的运动轴25慢慢顶起，使得运动轴25向上运动。当运动到一个齿距后，磁通方向发生翻转变化，如图5所示，当运动轴25连续向上运动时通过线圈的磁通方向将翻转变化，线圈会感应出交流电势。
当浮子7在波浪的作用下向上运动时，圆盘11顺时针旋转，转轴12顺时针旋转，盘形凸轮14正方向旋转并且慢慢的失去作用，圆筒型永磁直线发电机的运动轴25在拉簧2的拉伸作用下向下运动，产生磁通方向的翻转变化，连续运动产生感应交流电势。如此反复运动，圆筒型永磁直线发电机便可输出交流电，这样可在风雨天气实现漂流浮标装置的自供电。
假设运动轴25向上运动的速度为vt，根据永磁直线发电机的特性及参数可以得到绕组感应电压计算公式为：
其中：
eph是绕组感应电压；
z是运动轴25上升的位移；
vt运动轴25向上运动的速度；
KE为电压常数；
λ为2倍的海浪波长；
电压常数KE的计算公式如下：
其中：vav是运动轴运动的平均速度；
是隙磁通密度；
Nph＝Nc·p·q是每个相位的线圈数，p为磁极对数，q为槽数；
Ws定子宽度；
Ms电枢的数量；
隙磁通密度可用以下计算公式：隙磁通密度：
其中：
Br为运动轴允许的核心通量密度；
hm为磁铁的高度；
Hc为强制性的磁场强度；
μ0为空间磁导率；
geq＝Kc·ga为等效气隙；
Kc为卡特系数；
ga为气隙。
通过上述理论公式计算可得出使用普通大小的浮子，一般功率的圆筒型永磁直线发电机，采用本发明设计的装置，输出的电压便可供漂流浮标系统使用。
当太阳能电池板5和圆筒型永磁直线发电机输出电流后，被传送到控制器部分1。经过控制器电源管理模块的处理后，存储到蓄电池中供漂流浮标使用。本装置在晴天和风雨天气均可工作，实现了漂流浮标的长期自供电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，其特征在于：包括漂流浮标主体和主体外壳(23)，所述主体外壳(23)内部通过隔板(24)分为上部和下部，且所述主体外壳(23)外部的上端罩有透明外壳(6)；
所述漂流浮标主体包括太阳能电池板发电部分、波浪能发电部分以及控制器部分(1)，所述太阳能电池板发电部分包括太阳能电池板(5)，所述太阳能电池板设置于透明外壳(6)中；
所述波浪能发电部分包括波浪能捕获机构和圆筒型永磁直线发电机，所述圆筒型永磁直线发电机设置于主体外壳(23)中的上部，所述圆筒型永磁直线发电机包括运动轴(25)，所述运动轴(25)上设置有两种极性相反的永磁体，所述两种极性相反的永磁体间隔分布在运动轴(25)上，所述运动轴(25)上极性相反的永磁体之间安装有动子磁轭(3)，且所述运动轴(25)的外周安装有绕组(13)；所述运动轴(25)的下端还连接有拉簧(2)，所述拉簧(2)一端连接运动轴，所述拉簧(2)的另一端连接主体外壳(25)内部的隔板(24)；所述波浪能捕获机构包括浮子(7)和固定缸体(9)，所述固定缸体(9)与主体外壳(25)连接，且固定缸体(9)处于主体外壳(25)上部的外侧；所述固定缸体(9)中转动安装有圆盘(11)，所述圆盘(11)上开设有轴孔(15)，所述圆盘(11)通过轴孔(15)过盈配合连接有转轴(12)，所述转轴(12)水平设置，且转轴(12)伸入主体外壳(25)中，所述转轴(12)远离圆盘(11)的一端转动安装有盘形凸轮(14)，且所述盘形凸轮(14)位于圆筒型永磁直线发电机运动轴(25)的下侧；所述浮子(7)下端安装有运动杆(8)，所述运动杆(8)竖直设置，且所述运动杆(8)伸入固定缸体(9)中；所述圆盘(11)上通过销一(17)和销二(21)连接有连杆(16)，所述销一(17)位于圆盘(11)的边缘和连杆(16)的一端端口，所述销二(21)位于圆盘(11)的中心和连杆(16)的中心，所述连杆(16)远离销一(17)的端口通过销三(22)连接运动杆(8)远离浮子(7)的端口；
所述控制器部分(1)设置于主体外壳(25)的下部，所述控制器部分(1)包括CPU、用于将波浪能发电部分交流电转换为直流电的AC/DC转换模块、电源管理模块和用于存储电能的蓄电池，所述电源管理模块用于管理波浪能发电部分和太阳能电池板(5)输出的电能，并通过稳压滤波处理后输入到蓄电池；
所述圆筒型永磁直线发电机的输出端连接AC/DC转换模块的输入端，所述AC/DC转换模块的输出端连接电源管理模块的输入端，且所述太阳能电池板(5)也连接电源管理模块的输入端，所述电源管理模块的输出端连接蓄电池。
2.如权利要求1所述的一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，其特征在于：所述太阳能电池板(5)有五块，其中一块太阳能电池板水平放置，其余四块太阳能电池板分别在水平放置的太阳能电池板四个周边倾斜放置，所述倾斜放置的四块太阳能电池板朝向水平放置的太阳能电池板。
3.如权利要求2所述的一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，其特征在于：倾斜放置的四块太阳能电池板的倾斜角度为45°。
4.如权利要求1所述的一种波浪能和太阳能互补的漂流浮标自供电装置，其特征在于：所述固定缸体(9)通过固定杆(10)固定在主体外壳(23)上，所述固定杆(10)一端与主体外壳(23)固定连接，所述固定杆(10)另一端与固定缸体(9)固定连接。
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