CN108248764B - 利用海洋波浪能和太阳能的发电供能浮标及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用海洋波浪能和太阳能的发电供能浮标及其工作方式，用于给多功能监测浮标供电。包括上工作平台、浮子、中心轴杆和载重装置；中心轴杆贯穿浮子，上端与上工作平台连接，下端与载重装置连接。工作时，浮子、载重装置和中心轴杆构成了二自由度谐振系统，在海洋波浪的激励下产生相对运动，通过压电发电装置的周期性振动将波浪能转化为电能输出，从而给各个监测设备供电。本发明充分利用了海洋波浪能进行压电发电并同时引入了太阳能发电系统，从而解决了单一发电模式的局限性，避免了风平浪静时供能不足的问题，使监测设备能稳定持久地工作。

Description

利用海洋波浪能和太阳能的发电供能浮标及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种在海上利用波浪能和太阳能发电给监测系统供能的混合式浮标，是一种对新能源开发和利用的发电装置及水文气象多功能监测浮标。

背景技术

在人类科技高速发展的现在，供人类直接开采的能源资源如石油和天然气已经日渐匮乏，所以对新能源的开发和利用是当今世界的热潮。海洋面积广阔，约占地球表面积的71％，具有非常大的潜力，而利用波浪能发电则是现在的一项新兴技术，太阳能则相对成熟。

如今大多数的海洋发电装置都是利用的太阳能发电和蓄电池的交替使用来为工作设备或监测系统进行供电，显而易见，上述现有的供电形式不具有连续性、安全性和可靠性。虽然太阳能发电如今已经非常普遍，但对于变化莫测的海况同样会存在供能不足、稳定性差等问题，而利用压电式波浪能发电装置能够直接将波浪能通过压电材料的形变转换为电能，比太阳能发电更持久和稳定。将两者结合起来，这为海上监测设备供电提供了一种十分可行的技术方案。

由于海洋环境复杂多变，海洋监测浮标的功能一般都比较单一，现在的海洋监测浮标，通常都只具有水文、水质、气象、环境等海洋数据监测中的个别功能。就浮标本身而言，扩展性和兼容性均显得不足，难以满足海洋监测的多方面需求。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中所阐述的缺陷和不足，提供了一种多功能海洋波浪能压电发电和太阳能发电供能浮标，其具有体积小、结构简单、易于组装和维护的优点，且寿命长，供能稳定，能量吸收率和发电效率高，适合于各种海况，可广泛用于江河湖泊及海岸，具有较强的市场竞争优势。

本发明是这样来实现的，

一种利用海洋波浪能和太阳能的发电供能浮标，包括上工作平台、浮子、中心轴杆和载重装置；

所述的上工作平台由正方形板、浮标灯、无线电发射器、第一蓄电池组、棱台和透明塑料罩组成，正方形板与透明塑料罩固定连接，伸出外罩的部分由螺帽来固定；所述的棱台设置在正方形板上，棱台上搭载有太阳能电池板；太阳能电池板与第一蓄电池组相连，所述无线电发射器与船上或岸上接收中心进行数据传输；所述的透明塑料罩作为上工作平台的外壳保护罩，上部嵌有风向风速传感器和气温气压计；第一蓄电池组和太阳能电池板为浮标灯、风向风速传感器、气温气压计、无线电发射器提供电能；其中浮标灯用来提供警示，避免过往船只在不知情的情况下对浮标造成损坏；

所述浮子内部设有压电发电装置和若干密封舱；所述压电发电装置由若干压电发电单元组成，压电发电单元一端嵌入中心轴杆中，另一端嵌入浮壳内壁，从而使浮子与中心轴杆连接；所述若干密封舱对称布置，密封舱内设置有第二蓄电池组、数据采集器、存储器以及定位装置；所述的中心轴杆下端外侧搭载有水深计、水温计、盐度计和流速计，中心轴杆底端与载重装置固定连接；所述浮子浮于水面之上，所述载重装置沉入水面之下。

优选的，所述上工作平台、浮子、载重装置和中心轴杆均同轴，中心轴杆贯穿浮子，上端与上工作平台连接，下端与载重装置连接。

优选的，所述压电发电装置的压电发电单元共有8个，它们位于同一水平面，且各个压电发电单元之间的夹角均相等。

优选的，所述压电发电单元均沿着厚度方向极化。

优选的，所述的浮子内部的密封舱有4个。

优选的，所述的浮子上部设置有套管；浮子下部设置有中心开孔，套管直径和中心开孔直径大于中心轴杆的直径，中心轴杆通过套管和中心开孔贯穿浮子；所述的上工作平台下部为空心腔体，且空心腔体下方设置有开口，套管上部通过开口套入空心腔体内，位于空心腔体内的套管顶端部分设置有一限位挡环；限位挡环最外圈的直径大于开口直径，开口直径大于套管外径，中心轴杆与空心腔体顶部连接；空心腔体内的顶部和底部正对限位挡环的位置设置有垫片；浮子下部的中心开孔设置为倒椎体，防止水从中心开孔进入浮子内部，确保浮子可以随波浪能上下运动而不至于进水。套管上部通过开口套入空心腔体内，从而防止过高的波浪进入浮子内部，上工作平台内部置有左右对称的上下两个垫片，用来缓冲浮子上部的凸起部分对结构的冲击作用，也起到了限制浮子上下运动幅度的作用，而这个范围内幅度的变化通过稳压电路的调节仍能产生较稳定的输出电压。

优选的，所述浮子下部的中心开孔周围设有保护铜网，形成海洋生物抑制层，防止堵塞。

优选的，所述的压电发电装置和第二蓄电池组相连，压电发电装置和第二蓄电池组为水深计、水温计、盐度计、流速计、数据采集器、存储器和定位装置提供电能；所述的数据采集器分别与水深计、水温计、盐度计、流速计、风向风速传感器、气温气压计和定位装置连接以采集数据，数据采集器和存储器连接，数据采集器、存储器分别与无线电发射器相连。

优选的，所述的第一蓄电池组和第二蓄电池组互为备用电源。

所述浮标的工作方法如下：

将浮标投放于选定海域，海浪先带动浮子向下运动1/4个周期，由于压电发电单元一端与浮子固定，会随着浮子向下运动，但是另一端连接中心轴杆，故保持静止状态，这样压电发电单元就会产生犹如悬臂梁般的弯曲变形，由于压电效应从而产生电荷变化并蓄积电能，在海浪的1/2个周期时，压电发电单元恢复到正常的水平状态；从海浪的第1/2个周期开始，浮子跟随海浪向上运动，而压电发电单元则向下弯曲变形从而产生电荷变化并蓄积电能，在经过一个海浪周期后，压电元件恢复至初始水平位置；如此反复，压电发电装置就能不断地积蓄电能，从而产生稳定持久的电量，进而为浮标供电，多余的电能则存储在第二蓄电池组中，以便应对突发状况；

棱台上搭载的太阳能电池板，利用太阳能进行发电，并为浮标灯、风向风速传感器、气温气压计、无线电发射器提供电能；第一蓄电池组放置在棱台内部，用来储存太阳能电池板转化的电能；风向风速传感器用来测量当前海域的风向和风速变化，并将收集的数据传给数据采集器；气温气压计用来测量当前海域的气温和气压变化，并将收集的数据传给数据采集器；

水深计测量水深计所在位置的深度，水温计、盐度计和流速计分别测量水温、水的盐度以及水的流速，定位装置标记该浮标的位置，以便回收和维护；第一蓄电池组和第二蓄电池组互为备用电源，当第一蓄电池组供电不足时，由第二蓄电池组取代第一蓄电池组为上工作平台进行供电，当第二蓄电池组供电不足时，由第一蓄电池组取代第二蓄电池组对用电设备进行供电；

风向、风速、气温、气压、水深度、水温、水的盐度、水的流速、浮标位置数据信息传给数据采集器；数据采集器一方面将数据存放在存储器内，另一方面通过无线电发射器将数据信息实时传输到船上或岸上接收中心。

数据采集器用来收集各类传感器传输过来的数据，它一方面可以将数据存放在存储器内，另一方面还可以通过无线电发射器将数据实时传输到船上或岸上接收中心；定位装置用来标记该浮标的位置，以便回收和维护。

本发明能达到的技术效果是：通过波浪的运动来带动浮子的上下浮动，而浮子的运动又会导致内部压电发电装置的变形，从而由此产生电能，并给传感器供电。与此同时，上工作平台上的太阳能电池板还能吸收太阳能，在维持传感器正常供电的情况下再将剩余的电能储存在蓄电池组中。本发明将自然清洁的波浪能转化为稳定持久的电能，对海洋气象和水文水质的监测具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的海洋波浪能压电发电供能浮标的结构原理示意图；

图2是本发明的压电发电装置的俯视图；

图3是浮子的压电发电单元的发电原理图；

图4是浮子的剖面图；

图5-1是棱台的俯视图(正方形)；

图5-2是棱台的俯视图(顶面正方形，底面圆角矩形)；

图5-3是棱台的俯视图(正六边形)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细的说明：本发明是一种基于压电效应的海洋波浪能和太阳能发电供能浮标，它兼具利用海洋中水平面的起伏波动涌动产生的能量和太阳能转化为供各类传感器使用的电能。

如图1，本发明浮标主要包括上工作平台17、浮子4、载重装置15和中心轴杆18。

上工作平台由正方形板23、浮标灯1、无线电发射器5、蓄电池组7、棱台21和透明塑料罩19组成，正方形板23伸出外罩的部分由螺帽22来固定。正方形板上搭载有浮标灯、无线电发射器和蓄电池组，其中航标灯1用来提供警示，避免过往船只在不知情的情况下对浮标造成损坏；无线电发射器5用来将数据采集器8收集的数据传输到船上或岸上接收中心；棱台21上搭载有太阳能电池板，从而利用太阳能进行发电，并为其他设备供电；蓄电池组7放置在棱台21内部，用来储存太阳能电池板20转化的电能；透明塑料罩19上部嵌有风向风速传感器2和气温气压计3，其中风向风速传感器2用来测量当前海域的风向和风速变化，并将收集的数据传给数据采集器8；气温气压计3用来测量当前海域的气温和气压变化，并将收集的数据传给数据采集器8。

如图5-1、图5-2和图5-3，根据不同的棱台模式可以搭载数量不同的太阳能电池板20，一般可以在棱台的顶面和侧面布置太阳能电池板，在阳光充足的情况下吸收太阳能并将其转化成为电能，用来给监测设备供电，在特殊情况下作为备用电源。

在本发明的一个具体实施方式中，浮子4内部设有压电发电装置6和四个密封舱，所述压电发电装置6由8个压电元件组成，每个压电元件的一端嵌入浮壳4中，另一端嵌入中心轴杆18，它们处于同一平面，且各个压电元件之间的夹角均相等；所述密封舱内有蓄电池组7、数据采集器8、存储器9和定位装置10；所述蓄电池组7用来储存压电发电装置6产生的电能；数据采集器8用来收集各类传感器传输过来的数据，它一方面可以将数据存放在存储器9内，另一方面还可以通过无线电发射器5将数据实时传输到船上或岸上接收中心；定位装置10用来标记该浮标的位置，以便回收和维护。

如图2，压电发电装置6由8个压电发电单元组成，这样的好处是可以充分利用波浪能的能量，使之能更加均匀有效地转化为电能，从而提高发电效率。

如图3，在正常工作时，假设海浪先带动浮子4向下运动1/4个周期，由于压电元件一端与浮子固定，会随着浮子4向下运动，但是另一端嵌入中心轴杆18，故保持静止状态，这样压电元件就会产生犹如悬臂梁般的弯曲变形，由于压电效应从而产生电荷变化并蓄积电能，在1/2个周期后，压电元件恢复到正常的水平状态，在海浪的3/4个周期时，浮子4跟随海浪向上运动，而压电元件则向下弯曲变形从而产生电荷变化并蓄积电能，在经过一个周期后，压电元件恢复至初始水平位置。如此反复，压电发电装置6就能不断地积蓄电能，从而产生稳定持久的电量，进而为各类传感器供电，多余的电能则存储在蓄电池组7中，以便应对突发状况。

第一蓄电池组7a和第二蓄电池组7b互为备用电源，当第一蓄电池组供电不足时，由第二蓄电池组取代第一蓄电池组为上工作平台17进行供电，当第二蓄电池组供电不足时，由第一蓄电池组取代第二蓄电池组对用电设备进行供电；

以上各个压电发电单元均沿着厚度方向极化。

如图4，浮子4上有略大于中心轴杆18直径的中心开孔，确保浮子4可以随波浪能上下运动而不至于进水；中心开孔分上开孔和下开孔，上开孔下开孔，上开孔被上工作平台17覆盖，从而防止过高的波浪进入浮子4内部，上工作平台17内部置有左右对称的上下两个垫片16，用来缓冲浮子4上部的凸起部分对结构的冲击作用，也起到了限制浮子4上下运动幅度的作用；下开孔上部有倒椎体设计，防止水从下开孔进入浮子4内部；同时下开孔周围还设有保护铜网，形成小范围的海洋生物抑制层，防止堵塞。

在正常工作时，上工作平台17、浮子4、配重装置15和中心轴杆18均同轴。

中心轴杆18顶部与上工作平台17固定连接，底部固定在载重装置15上，载重装置15的作用是为了限制中心轴杆18的运动，使之能与浮子4有相对运动，这样才能保证压电发电装置6的正常工作；

在中心轴杆18的下部外侧上搭载有水深计11、水温计12、盐度计13和流速计14；水深计11用来测量传感器所在位置的深度；水温计12、盐度计13和流速计14分别用来测量该深度下的水温、水的盐度以及水的流速，同时收集的数据将会传输给数据采集器8。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用海洋波浪能和太阳能的发电供能浮标的工作方法，

所述浮标包括上工作平台（17）、浮子（4）、中心轴杆（18）和载重装置（15）；

所述的上工作平台由正方形板（23）、浮标灯（1）、无线电发射器（5）、第一蓄电池组（7a）、棱台（21）和透明塑料罩（19）组成，正方形板（23）与透明塑料罩（19）固定连接，所述的棱台（21）设置在正方形板（23）上，棱台（21）上搭载有太阳能电池板（20）；太阳能电池板（20）与第一蓄电池组（7a）相连，所述无线电发射器（5）与船上或岸上接收中心进行数据传输；所述的透明塑料罩（19）作为上工作平台的外壳保护罩，上部嵌有风向风速传感器（2）和气温气压计（3）；第一蓄电池组（7a）和太阳能电池板（20）为浮标灯（1）、风向风速传感器（2）、气温气压计（3）、无线电发射器（5）提供电能；

所述浮子（4）内部设有压电发电装置（6）和若干密封舱；所述压电发电装置（6）由若干压电发电单元组成，压电发电单元一端嵌入中心轴杆（18）中，另一端嵌入浮壳内壁，从而使浮子（4）与中心轴杆（18）连接；所述若干密封舱对称布置，密封舱内设置有第二蓄电池组（7b）、数据采集器（8）、存储器（9）以及定位装置（10）；所述的中心轴杆（18）下端外侧搭载有水深计（11）、水温计（12）、盐度计（13）和流速计（14），中心轴杆（18）底端与载重装置（15）固定连接；所述浮子（4）浮于水面之上，所述载重装置（15）沉入水面之下；

所述上工作平台（17）、浮子（4）、载重装置（15）和中心轴杆（18）均同轴，中心轴杆（18）贯穿浮子（4），上端与上工作平台（17）连接，下端与载重装置（15）连接；

所述的浮子（4）上部设置有套管；浮子（4）下部设置有中心开孔，套管直径和中心开孔直径大于中心轴杆（18）的直径，中心轴杆（18）通过套管和中心开孔贯穿浮子（4）；所述的上工作平台（17）下部为空心腔体，且空心腔体下方设置有开口，套管上部通过开口套入空心腔体内，位于空心腔体内的套管顶端部分设置有一限位挡环；限位挡环最外圈的直径大于开口直径，开口直径大于套管外径，中心轴杆（18）与空心腔体顶部连接；空心腔体内的顶部和底部正对限位挡环的位置设置有垫片（16）；浮子（4）下部的中心开孔设置为倒椎体，防止水从中心开孔进入浮子内部；

其特征在于所述方法包括以下步骤：

将浮标投放于选定海域，海浪先带动浮子（4）向下运动1/4个周期，由于压电发电单元一端与浮子（4）固定，会随着浮子（4）向下运动，但是另一端连接中心轴杆（18），故保持静止状态，这样压电发电单元就会产生弯曲变形，由于压电效应从而产生电荷变化并蓄积电能，在海浪的1/2个周期时，压电发电单元恢复到正常的水平状态；从海浪的第1/2个周期开始，浮子（4）跟随海浪向上运动，而压电发电单元则向下弯曲变形从而产生电荷变化并蓄积电能，在经过一个海浪周期后，压电元件恢复至初始水平位置；如此反复，压电发电装置（6）就能不断地积蓄电能，从而产生稳定持久的电量，进而为浮标供电，多余的电能则存储在第二蓄电池组中，以便应对突发状况；

棱台（21）上搭载的太阳能电池板，利用太阳能进行发电，并为浮标灯（1）、风向风速传感器（2）、气温气压计（3）、无线电发射器（5）提供电能；第一蓄电池组放置在棱台（21）内部，用来储存太阳能电池板（20）转化的电能；风向风速传感器（2）用来测量当前海域的风向和风速变化，并将收集的数据传给数据采集器（8）；气温气压计（3）用来测量当前海域的气温和气压变化，并将收集的数据传给数据采集器（8）；

水深计（11）测量水深计（11）所在位置的深度，水温计（12）、盐度计（13）和流速计（14）分别测量水温、水的盐度以及水的流速，定位装置（10）标记该浮标的位置，以便回收和维护；第一蓄电池组（7a）和第二蓄电池组（7b）互为备用电源，当第一蓄电池组供电不足时，由第二蓄电池组取代第一蓄电池组为上工作平台（17）进行供电，当第二蓄电池组供电不足时，由第一蓄电池组取代第二蓄电池组对用电设备进行供电；

风向、风速、气温、气压、水深度、水温、水的盐度、水的流速、浮标位置数据信息传给数据采集器（8）；数据采集器（8）一方面将数据存放在存储器（9）内，另一方面通过无线电发射器（5）将数据信息实时传输到船上或岸上接收中心。

2.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述压电发电装置（6）的压电发电单元共有8个，它们位于同一水平面，且各个压电发电单元之间的夹角均相等。

3.根据权利要求1或2所述的工作方法，其特征在于：所述压电发电单元均沿着厚度方向极化。

4.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述的浮子（4）内部的密封舱有4个。

5.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述浮子（4）下部的中心开孔周围设有保护铜网，形成海洋生物抑制层，防止堵塞。

6.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述的压电发电装置（6）和第二蓄电池组（7b）相连，压电发电装置（6）和第二蓄电池组（7b）为水深计（11）、水温计（12）、盐度计（13）、流速计（14）、数据采集器（8）、存储器（9）和定位装置（10）提供电能；所述的数据采集器（8）分别与水深计（11）、水温计（12）、盐度计（13）、流速计（14）、风向风速传感器（2）、气温气压计（3）和定位装置（10）连接以采集数据，数据采集器（8）和存储器（9）连接，数据采集器（8）、存储器（9）分别与无线电发射器（5）相连。