CN107856814B - 一种利用潮流能发电的海上探测浮标 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮标技术领域，尤其涉及一种利用潮流能发电的海上探测浮标，包括：本体浮标，包括通过横杆连接的呈正三角排列的三个浮标主体，固定于三个浮标主体上方的电子舱，以及设于电子舱上端的浮标灯柱；其中，三个浮标主体内设有蓄电池组；三个浮标主体中一个浮标主体的底部安装有与蓄电池组电性连接的海水测量模块，电子舱内安装有与蓄电池组电性连接的测风激光雷达、运动传感器模块和无线通信模块；振动发电装置，设于三个浮标主体之间且通过连接杆与三个浮标主体固定连接且与蓄电池组电性连接；包括潮流振动获能组件、获能发电组件和电路组件。

Description

一种利用潮流能发电的海上探测浮标

技术领域

本发明涉及浮标技术领域，尤其涉及一种利用潮流能发电的海上探测浮标。

背景技术

海上浮标通常是指浮于海面上的一种带有指示灯的航标，但现在浮标的作用越来越多样化，运用浮标设置的便捷性可以帮助探测人员更加便捷的对海洋进行探测，包括探测一些不便于设置固定测风塔的海域进行测风，测量海水等等；

潮流能作为一种相对容易开发的能源形式，近年来得到了较大的发展，主要利用能量转换装置把潮汐引起的海水往复运动产生的动能转化为装置运动部件的机械能，带动发电机发电。目前，潮流能发电形式主要是水轮机。我国沿海的潮流总体上流速偏小，水深较浅。由于潮流能的能量密度与流速的立方成正比，因此在潮流流速较低的海域利用水轮机开发海流能，势必需要增大潮流能装置的尺度，对水深也提出了更高的要求，同时由于水轮机需要一定的起转流速，在流速较低时很难实现有效的能量转换。这样一方面造成许多潮流能资源的浪费，也阻碍了潮流能利用技术在更大范围内推广。现有技术中潮流能发电装置对潮流的要求较高，工作效率低，实用性差。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种利用潮流能发电的海上探测浮标，以解决能适应深海远海海况条件，利用潮流能振动发电提高发电效率，提高浮标探测精度的技术问题。

本发明的利用潮流能发电的海上探测浮标是这样实现的：一种利用潮流能发电的海上探测浮标，包括：

本体浮标，包括通过横杆连接的呈正三角排列的三个浮标主体，固定于所述三个浮标主体上方的电子舱，以及设于所述电子舱上端的浮标灯柱；其中，所述三个浮标主体内设有蓄电池组；所述三个浮标主体中一个浮标主体的底部安装有与所述蓄电池组电性连接的海水测量模块，所述电子舱内安装有与所述蓄电池组电性连接的测风激光雷达、运动传感器模块和无线通信模块；

振动发电装置，设于所述三个浮标主体之间且通过连接杆与所述三个浮标主体固定连接且与所述蓄电池组电性连接；包括潮流振动获能组件、获能发电组件和电路组件。

进一步的，所述海水测量模块、测风激光雷达和运动传感器模块均与所述无线通信模块电性连接。

进一步的，所述浮标灯柱包括固定于所述电子舱上端部的固定柱，以及设于所述固定柱顶端的与所述蓄电池组电性连接的浮标灯；

所述固定柱上端部安装有一分别与所述蓄电池组和无线通信模块电性连接的气象测量模块，所述气象测量模块用于测量附近海域的水平风速风向、气压、温度和湿度。

进一步的，所述三个浮标主体的底部分别设有一重力锚。

进一步的，所述电子舱呈六棱台形状且设置有六边形顶板，该六边形顶板有开口，以作为测风激光雷达发射激光束的通道。

进一步的，所述三个浮标主体由发泡材料发泡而成，且所述三个浮标主体的中部均设有用于安放所述蓄电池组的圆柱形空腔，所述三个浮标主体均为上半段呈圆柱形，下半段呈圆台形。

进一步的，所述潮流振动获能组件包括振子、振子支架、支撑框架、弹簧和导杆，所述支撑框架为倒U型结构，所述振子支架为对称框架式结构，所述振子支架两侧上下两端分别通过所述弹簧与所述支撑框架弹性连接，所述导杆固定在所述振子支架的上部，所述导杆穿设在所述支撑框架的顶部；

所述获能发电组件包括多个堆叠在一起的发电单元，所述发电单元包括环形外框架、内框架和人工肌肉薄膜，所述环形外框架固设在所述支撑框架的顶部，所述环形外框架包围住所述内框架，所述人工肌肉薄膜固定在所述环形外框架和所述内框架之间，所述人工肌肉薄膜通过所述内框架固定在所述导杆的顶部，所述人工肌肉薄膜的两个表面涂有柔性电极层；以及

所述电路组件包括充电电路和蓄能电路，所述充电电路包括连接在一起的放电电源和第一开关，所述放电电源和所述第一开关分别连接所述人工肌肉薄膜的两个所述柔性电极层；所述蓄能电路包括与所述蓄电池组连接的第二开关，所述蓄电池组和所述第二开关分别连接所述人工肌肉薄膜的两个所述柔性电极层。

进一步的，所述支撑框架的上端部设置有横梁，所述导杆通过导套穿设在所述横梁上。

进一步的，所述支撑框架的两侧设置有导轨，所述振子支架的两侧设置有滑块，所述振子支架滑动连接在所述导轨上。

进一步的，所述环形外框架上设置有多层铝箔纸，所述铝箔纸与对应的所述柔性电极层连接；所述充电电路和所述蓄能电路通过对应层的铝箔纸与所述人工肌肉薄膜的两个所述柔性电极层连接。

本发明的有益效果为：本发明采用三个浮标主体构成正三角结构，使得本体浮标结构更加稳定，减小其在频域内的运动响应这种三角形多体结构布置具有较为优异的水动力性能，在频域范围内，其横摇、纵摇和垂荡自由度上的运动响应幅值均较小，可以在最大程度上实现减小浮标平台运动响应对测风激光雷达测风作业的误差影响。

进一步的，采用的振动发电装置利用潮流能振动发电，降低了对利用潮流的要求，使得发电效率显著提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的利用潮流能发电的海上探测浮标的整体结构图；

图2是本发明的浮标主体的立体结构图；

图3是本发明的振动发电装置的结构示意图；

图4是本发明的振动发电装置中发电单元的俯视图；

图5是本发明的振动发电装置的人工肌肉薄膜处于拉伸状态的电路原理图；

图6是本发明的振动发电装置的人工肌肉薄膜处于自然状态的电路原理图。

图中：浮标主体100、重力锚101、蓄电池组102、横杆103、连接杆104、圆柱形空腔105、海水测量模块106、电子舱200、六边形顶板201、通道202、测风激光雷达204、运动传感器模块205、无线通信模块206、浮标灯柱300、固定柱301、浮标灯302、气象测量模块303、振动发电装置400、振子410、振子支架420、滑块421、支撑框架430、横梁431、导轨432、弹簧440、导杆450、导套451、环形外框架460、内框架470、人工肌肉薄膜480、电路组件490、充电电路491、蓄能电路492、第一开关493、第二开关494、放电电源495。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1至图6所示，本发明提供了一种利用潮流能发电的海上探测浮标，包括：

本体浮标，包括通过横杆103连接的呈正三角排列的三个浮标主体100，固定于三个浮标主体100上方的电子舱200，以及设于电子舱200上端的浮标灯柱300；其中，三个浮标主体100内设有蓄电池组102；三个浮标主体100中一个浮标主体100的底部安装有与蓄电池组102电性连接的海水测量模块106，电子舱200内安装有与蓄电池组102电性连接的测风激光雷达204、运动传感器模块205和无线通信模块206。正三角设置可以提高本体浮标的整体稳定性，减小其在频域内的运动响应这种三角形多体结构布置具有较为优异的水动力性能，在频域范围内，其横摇、纵摇和垂荡自由度上的运动响应幅值均较小，可以在最大程度上实现减小浮标平台运动响应对测风激光雷达204测风作业的误差影响。

如图3所示，振动发电装置400，设于三个浮标主体100之间且通过连接杆104与三个浮标主体100固定连接且与蓄电池组102电性连接；包括潮流振动获能组件、获能发电组件和电路组件490。利用振动发电装置400发电为蓄电池组102充电，使蓄电池组102为浮标上设置的电力元件提供电量，环保节能，并且能源转换效率高。

测风激光雷达204用以测量收集包括水平及垂直风向风速、湍流度和风切变的数据；运动传感器模块205用以测量记录本体浮标六个自由度的运动以及方位变化；海水测量模块106用以测量包括海流、海水温度、海水盐度的海洋参数。

具体的，海水测量模块106、测风激光雷达204和运动传感器模块205均与无线通信模块206电性连接。通过无线通讯模块206将测得的数据发送回监测中心。

优选的，浮标灯柱300包括固定于电子舱200上端部的固定柱301，以及设于固定柱301顶端的与蓄电池组102电性连接的浮标灯302；所用浮标灯302为光感应灯，在天黑后感应打开，节约能源。

固定柱301上端部安装有一分别与蓄电池组102和无线通信模块206电性连接的气象测量模块303，气象测量模块303用于测量附近海域的水平风速风向、气压、温度和湿度。所用电线布置于固定柱301内腔中，保护电线，提高电线使用寿命。

三个浮标主体100的底部分别设有一重力锚101。重力锚101可以给浮标起到系泊定位作用。

电子舱200呈六棱台形状且设置有六边形顶板201，该六边形顶板201有开口，以作为测风激光雷达204发射激光束的通道202。

可选的，三个浮标主体100由发泡材料发泡而成，且三个浮标主体100的中部均设有用于安放蓄电池组102的圆柱形空腔105，三个浮标主体100均为上半段呈圆柱形，下半段呈圆台形。在浮标主体100内设置蓄电池组102，可以降低整个本体浮标的重心，保证浮标稳定性。

优选的，如图3至图6所示，潮流振动获能组件包括振子410、振子支架420、支撑框架430、弹簧440和导杆450，支撑框架430为倒U型结构，振子支架420为对称框架式结构，振子支架420两侧上下两端分别通过弹簧440与支撑框架430弹性连接，导杆450固定在振子支架420的上部，导杆450穿设在支撑框架430的顶部。

获能发电组件包括多个堆叠在一起的发电单元，发电单元包括环形外框架460、内框架470和人工肌肉薄膜480，环形外框架460固设在支撑框架430的顶部，环形外框架460包围住内框架470，人工肌肉薄膜480固定在环形外框架460和内框架470之间，人工肌肉薄膜480通过内框架470固定在导杆450的顶部，人工肌肉薄膜480的两个表面涂有柔性电极层。

电路组件490包括充电电路491和蓄能电路492，充电电路491包括连接在一起的放电电源495和第一开关493，放电电源495和第一开关493分别连接人工肌肉薄膜480的两个柔性电极层；蓄能电路492包括与蓄电池组102连接的第二开关494，蓄电池组102和第二开关494分别连接人工肌肉薄膜480的两个柔性电极层。

具体的，本实施例涡激振动潮流能发电装置将振子支架420通过弹簧440弹性连接在支撑框架430上，当振子410在潮流的作用下，做上下往复运动时，振子支架420也会随之上下往复运动，从而带动导杆450和固定在导杆450上的内框架470做上下往复运动，环形外框架460处于固定状态，当导杆450上下往复运动时，设置于内框架470和环形外框架460之间的人工肌肉薄膜480处于拉伸或收缩状态，人工肌肉薄膜480的两个表面涂有柔性电极层，人工肌肉薄膜480是绝缘材料，在其两面涂上可随动的柔性电极层，两个柔性电极层相当于两个电容极板，可等效为一个平行板可变电容，当导杆450往上运动时，人工肌肉薄膜480处于拉伸状态，此时，第一开关493开启，充电电路491闭合，人工肌肉薄膜480的厚度变小，两个柔性电极层之间的距离变小，人工肌肉薄膜480的电容变大，外界的机械能转换成人工肌肉薄膜480的弹性应变能；当导杆450往下运动时，人工肌肉薄膜480恢复自然状态，第一开关493闭合，充电电路491断开，两个柔性电极层之间的距离变大，人工肌肉薄膜480的电容变小，电场力做负功，人工肌肉薄膜480所含的弹性应变能减少，两个柔性电极层间的电压升高，电能增加，人工肌肉薄膜480的弹性应变能转换成电能，电能储存到蓄电池中。在具体实施过程中，根据洋流的流速不同，可以通过选择振子410的直径和密度、弹簧440的弹性模量和长度等参数，使振子410产生涡激振动，驱动振子支架420上下往复运动。当导杆450往下运动时，第二开关494开启，蓄能电路492闭合，人工肌肉薄膜480所含的弹性应变能转换成电能，存入蓄能电路492的蓄电池组102中，人工肌肉薄膜480恢复自然状态，当导杆450往上运动时，第二开关494闭合，蓄能电路492断开，防止电能的损失。

为了在运动时对导杆450起到导向作用，支撑框架430的上端部设置有横梁431，导杆450通过导套451穿设在横梁431上。具体的，通过设置横梁431以及导套451，可以维持导杆450在竖直方向上做上下往复运动时，对导杆450起到导向的作用，从而有效的减少动能的损失。

为了更有效的减少动能的损失，支撑框架430的两侧设置有导轨432，振子支架420的两侧设置有滑块421。具体的，通过设置导轨432和滑块421，可以保持振子支架420在竖直方向上沿着导轨432运动，有效减少了动能的损失。

环形外框架460上设置有多层铝箔纸，铝箔纸与对应的柔性电极层连接；充电电路491和蓄能电路492通过对应层的铝箔纸与人工肌肉薄膜480的两个柔性电极层连接。

本实施例振动发电装置400，通过设置潮流振动获能组件、获能发电组件和电路组件490，可以有效的将外界的动能转换成人工肌肉发电组的弹性应变能，进而将人工肌肉发电组的弹性应变能转换成电能，储存到蓄电池中；通过设置横梁431和导套451，可以有效的维持导杆450的竖直运动，减少动能的损失；通过在支撑框架430上设置导轨432，在振子支架420上设置滑块421，可以有效的维持振子支架420在竖直方向上运动，更加有效的减少动能的损失；通过在外框加上设置铝箔纸，可以有效的将两个柔性电极层与电路组件490连接在一起，防止电路脱落；通过将直流蓄电池和第一开关493与环形外框架460的铝箔纸相连接，可以方便的对所有的人工肌肉薄膜480进行充电；通过设置蓄能电路492，可以有效的收集和存贮电能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (7)

1.一种利用潮流能发电的海上探测浮标，其特征在于，包括：

本体浮标，包括通过横杆连接的呈正三角排列的三个浮标主体，固定于所述三个浮标主体上方的电子舱，以及设于所述电子舱上端的浮标灯柱；其中，所述三个浮标主体内设有蓄电池组；所述三个浮标主体中一个浮标主体的底部安装有与所述蓄电池组电性连接的海水测量模块，所述电子舱内安装有与所述蓄电池组电性连接的测风激光雷达、运动传感器模块和无线通信模块；

振动发电装置，设于所述三个浮标主体之间且通过连接杆与所述三个浮标主体固定连接且与所述蓄电池组电性连接；包括潮流振动获能组件、获能发电组件和电路组件；

所述电子舱呈六棱台形状且设置有六边形顶板，该六边形顶板有开口，以作为测风激光雷达发射激光束的通道；

所述三个浮标主体由发泡材料发泡而成，且所述三个浮标主体的中部均设有用于安放所述蓄电池组的圆柱形空腔，所述三个浮标主体均为上半段呈圆柱形，下半段呈圆台形；

所述潮流振动获能组件包括振子、振子支架、支撑框架、弹簧和导杆，所述支撑框架为倒U型结构，所述振子支架为对称框架式结构，所述振子支架两侧上下两端分别通过所述弹簧与所述支撑框架弹性连接，所述导杆固定在所述振子支架的上部，所述导杆穿设在所述支撑框架的顶部；

所述获能发电组件包括多个堆叠在一起的发电单元，所述发电单元包括环形外框架、内框架和人工肌肉薄膜，所述环形外框架固设在所述支撑框架的顶部，所述环形外框架包围住所述内框架，所述人工肌肉薄膜固定在所述环形外框架和所述内框架之间，所述人工肌肉薄膜通过所述内框架固定在所述导杆的顶部，所述人工肌肉薄膜的两个表面涂有柔性电极层；以及

所述电路组件包括充电电路和蓄能电路，所述充电电路包括连接在一起的放电电源和第一开关，所述放电电源和所述第一开关分别连接所述人工肌肉薄膜的两个所述柔性电极层；所述蓄能电路包括与所述蓄电池组连接的第二开关，所述蓄电池组和所述第二开关分别连接所述人工肌肉薄膜的两个所述柔性电极层。

2.根据权利要求1所述的利用潮流能发电的海上探测浮标，其特征在于，所述海水测量模块、测风激光雷达和运动传感器模块均与所述无线通信模块电性连接。

3.根据权利要求2所述的利用潮流能发电的海上探测浮标，其特征在于，所述浮标灯柱包括固定于所述电子舱上端部的固定柱，以及设于所述固定柱顶端的与所述蓄电池组电性连接的浮标灯；

所述固定柱上端部安装有一分别与所述蓄电池组和无线通信模块电性连接的气象测量模块，所述气象测量模块用于测量附近海域的水平风速风向、气压、温度和湿度。

4.根据权利要求3所述的利用潮流能发电的海上探测浮标，其特征在于，所述三个浮标主体的底部分别设有一重力锚。

5.根据权利要求4所述的利用潮流能发电的海上探测浮标，其特征在于，所述支撑框架的上端部设置有横梁，所述导杆通过导套穿设在所述横梁上。

6.根据权利要求5所述的利用潮流能发电的海上探测浮标，其特征在于，所述支撑框架的两侧设置有导轨，所述振子支架的两侧设置有滑块，所述振子支架滑动连接在所述导轨上。

7.根据权利要求6所述的利用潮流能发电的海上探测浮标，其特征在于，所述环形外框架上设置有多层铝箔纸，所述铝箔纸与对应的所述柔性电极层连接；所述充电电路和所述蓄能电路通过对应层的铝箔纸与所述人工肌肉薄膜的两个所述柔性电极层连接。