CN108423126A - 自供电海洋立体在线观测系统 - Google Patents

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CN108423126A CN201810158548.7A CN201810158548A CN108423126A CN 108423126 A CN108423126 A CN 108423126A CN 201810158548 A CN201810158548 A CN 201810158548A CN 108423126 A CN108423126 A CN 108423126A
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黄龙翔
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Abstract

本发明涉及一种自供电海洋立体在线观测系统，由浮标、风力发电机、太阳能面板、卫星通信模块、波浪发电机、光电复合缆、水下观测仪器、水下浮球、着底式水下平台、不间断电源（UPS）和海流发电机组成。系统利用水下观测仪器获取海水中的环境参数，通过卫星通信模块将测得的海水环境参数传输给岸基站。系统利用风力发电机、太阳能面板、波浪发电机和海流发电机从环境中获取风能、太阳能、波浪能和海流能，将这些能量转化为电能，供给系统自身使用，实现了海洋立体在线观测系统的自供电和长期连续的原位观测。

Description

自供电海洋立体在线观测系统
技术领域
本发明属于海洋观测技术领域，涉及一种自供电海洋立体在线观测系统，利用海洋可再生能源实现原位自供电，实现从海面到海底的立体在线观测，克服传统锚系受电池容量限制而无法进行长期连续观测的缺点。
背景技术
传统的海洋立体观测锚系所搭载的水下观测仪器都采用电池供电，只能支持少量观测仪器的短期供电，需要较为频繁的定期维护。
实际上，海洋中蕴含着极为丰富的清洁可再生能源，海面上有风能和太阳能可以利用，海表面无时无刻不存在着上下起伏的波浪，海水中海流的活动无处不在，如果可以合理利用这些可再生能源，将其转化为电能后存储起来，供应给海洋观测仪器，就可以实现海洋立体在线观测系统全方位的自供电，提高了海洋立体在线观测系统的可靠性和使用寿命，实现海洋立体在线观测系统长期、连续的原位观测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种自供电海洋立体在线观测系统，可以对布放区域实现从海面到海底的立体在线观测；系统利用风力发电机、太阳能面板、波浪发电机和海流发电机获取环境中的风能、太阳能、波浪能和海流能，实现了海洋立体在线观测系统的自供电，提高了海洋立体在线观测系统的可靠性和使用寿命，实现了海洋立体在线观测系统长期、连续的原位观测。
本发明的技术方案是：
自供电海洋立体在线观测系统，包括浮标1、风力发电机2、太阳能面板3、卫星通信模块4、波浪发电机5、电能管理模块6、伸缩管7、光电复合缆8、上层传感器包9、爬缆剖面仪10、多普勒声学流速剖面仪（ADCP）11、水下浮球12、下层传感器包13和着底式水下平台14，其中：
所述浮标1上搭载有风力发电机2、太阳能面板3、卫星通信模块4、波浪发电机5和电能管理模块6，所述电能管理模块6分别连接风力发电机2、太阳能面板3、卫星通信模块4和波浪发电机5，通过风力发电机2获取环境中的风能，通过太阳能面板3获取环境中的太阳能，通过波浪发电机5获取环境中的波浪能，所述风能、太阳能和波浪能转化为电能，传输给电能管理模块6；电能管理模块6对风力发电机2、太阳能面板3和波浪发电机5产生的电能进行整流、稳压、升压和存储等操作；卫星通信模块4负责与岸基进行远程通信，用于传输所述自供电海洋立体观测系统的观测数据和接收岸基站的指令等；
所述光电复合缆8自上而下连接有上层传感器包9、爬缆剖面仪10、多普勒声学流速剖面仪11、水下浮球12、下层传感器包13和着底式水下平台14；光电复合缆8内部设有电缆和光缆，电缆用于传输电能，光缆用于传输观测数据和岸基的信号指令；
所述光电复合缆8顶部连接伸缩管7一端，伸缩管7另一端连接浮标1，所述伸缩管7用于补偿浮标1随海面上下往复运动造成的纵向位移，减轻对光电复合缆8造成的轴向作用力，使所述自供电海洋立体在线观测系统海面下的部分处于相对稳定的工作位置；
所述着底式水下平台14上搭载有水下观测仪器，所述上层传感器包9、爬缆剖面仪10、多普勒声学流速剖面仪11、下层传感器包13和着底式水下平台14组成水下观测系统，以获取海洋环境中的理化参数；观测数据存储于观测仪器的内部芯片中，或通过光电复合缆8传给卫星通信模块4，经卫星通信模块4传输给岸基；
所述水下浮球12中间设有一条通孔，光电复合缆8穿过所述通孔，与水下浮球12固定连接；水下浮球12给所述自供电海洋立体在线观测系统提供额外的水下浮力，使系统紧绷直立并处于良好的工作状态。
本发明中，所述着底式水下平台14上搭载有不间断电源15、海流发电机16和交换机19；不间断电源15分别与海流发电机16和交换机19连接，当海流发电机16正常发电时，所述不间断电源15一边将海流发电机16产生的电能通过交换机19供应给自供电海洋立体在线观测系统，一边给不间断电源15内部的电池充电；当海流发电机16停止发电时，所述不间断电源15则立即启动内部电池，通过交换机19为自供电海洋立体在线观测系统提供电能。
本发明中，所述波浪发电机5为振荡式波浪发电机，随海表面的波浪进行上下往复振荡运动。
本发明中，所述着底式水下平台14也起着锚定重块的作用，将所述自供电海洋立体在线观测系统固定在海底，防止系统被海流冲走。
本发明中，所述海流发电机16由叶轮22、发电机23和电路模块24组成，叶轮22获取海流的动能传递给发电机23，发电机23将海流的动能转化为电能，电路模块24对产生的电能进行整流、稳压、升压和存储等操作，电能通过湿插拔水密缆25输送给UPS 15。
本发明中，所述上层传感器包9和下层传感器包13内部设有交换机19和海洋观测仪器，交换机19分别与光电复合缆8和海洋观测仪器相连，光电复合缆8里的电能通过交换机19传输给海洋观测仪器，海洋观测仪器测得的海洋环境参数也通过交换机19传到光电复合缆8中。
本发明中，所述爬缆剖面仪10通过爬缆结构20固定于光电复合缆8上，光电复合缆8上设有两个爬缆终端21，爬缆剖面仪10能沿着光电复合缆8在两个爬缆终端21之间作上下往复运动，当爬缆剖面仪10到达一个爬缆终端21时，光电复合缆8里的电源通过爬缆终端21为爬缆剖面仪10充电，爬缆剖面仪10测得的观测数据通过爬缆终端21传输给光电复合缆8。
本发明中，所述多普勒声学流速剖面仪11通过固定连接机构18与光电复合缆8连接，多普勒声学流速剖面仪11内部有交换机19，交换机19分别与光电复合缆8和多普勒声学流速剖面仪11连接，光电复合缆8里的电能通过交换机19传输给多普勒声学流速剖面仪11，多普勒声学流速剖面仪11测得的观测数据通过交换机19传到光电复合缆8中。
本发明的工作原理是：
自供电海洋立体在线观测系统搭载了风力发电机、太阳能面板、波浪发电机和海流发电机，从环境中获取风能、太阳能、波浪能和海流能，将这些能量转化为电能供应给海洋立体在线观测系统，实现了系统的自供电。自供电海洋立体在线观测系统上搭载了各种水下传感器平台和水下观测仪器，获取海洋中的环境参数，测得的环境参数可以通过光电复合缆传输给卫星通信模块，经卫星通信模块传回岸基站，实现了自供电海洋立体在线观测系统长期连续的原位观测。
本发明的有益效果是：
本发明通过风力发电机、太阳能面板、波浪发电机和海流发电机，直接从环境中获取风能、太阳能、波浪能和海流能，这些能源含量丰富、清洁可再生，将这些能量转化为电能供应给海洋立体在线观测系统，可实现海洋立体在线观测系统的自供电，克服了传统自容式海洋观测受电池容量限制而无法长期连续观测的缺点，提高了海洋立体在线观测系统的可靠性和使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的整体结构框图；
图2是本发明所述浮标的结构示意图；
图3是本发明所述上层传感器包的结构示意图；
图4是本发明所述爬缆剖面仪的结构示意图；
图5是本发明所述多普勒声学流速剖面仪（ADCP）的结构示意图；
图6是本发明所述水下浮球的结构示意图；
图7是本发明所述下层传感器包的结构示意图；
图8是本发明所述着底式水下平台的结构示意图；
图9是本发明所述海流发电机的结构示意图。
图中标号：1为浮标，2为风力发电机，3为太阳能面板，4为卫星通信模块，5为波浪发电机，6为电能管理模块，7为伸缩管，8为光电复合缆，9为上层传感器包，10为爬缆剖面仪，11为多普勒声学流速剖面仪（ADCP），12为水下浮球，13为下层传感器包，14为着底式水下平台，15为不间断电源（UPS），16为海流发电机，17为输电线，18为固定连接机构，19为交换机，20为爬缆结构，21为爬缆终端，22为叶轮，23为发电机，24为电路模块，25为湿插拔水密缆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
实施例1：图1是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的整体框图，包括浮标1、风力发电机2、太阳能板3、卫星通信模块4、波浪发电机5、电能管理模块6、伸缩管7、光电复合缆8、上层传感器包9、爬缆剖面仪10、多普勒声学流速剖面仪（ADCP）11、水下浮球12、下层传感器包13、着底式水下平台14、不间断电源（UPS）15和海流发电机16。风力发电机2、太阳能面板3、波浪发电机5和海流发电机16从环境中获取风能、太阳能、波浪能和海流能，将这些能量转化为电能供应给海洋立体在线观测系统，实现了系统的自供电。上层传感器包9、爬缆剖面仪10、ADCP 11和下层传感器包13等观测仪器获取海水中的环境参数，通过卫星通信模块4将观测仪器测得的海水参数传输给岸基站，实现了自供电海洋立体在线观测系统长期连续的原位观测。
图2是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的浮标1，浮标1上搭载有风力发电机2、太阳能面板3、卫星通信模块4、波浪发电机5和电能管理模块6。风力发电机2、太阳能面板3和波浪发电机5通过输电线17与电能管理模块6相连，通过风力发电机2获取环境中的风能，通过太阳能面板3获取环境中的太阳能，通过波浪发电机5获取环境中的波浪能，将获取的风能、太阳能和波浪能转化为电能，通过输电线17输送至电能管理模块6。电能管理模块6对接收到的电能进行整流、稳压、升压和存储等操作。电能管理模块6通过光电复合缆8分别与卫星通信模块4和伸缩管7相连，电能管理模块6与卫星通信模块4之间的光电复合缆8起着传输电能和信号的作用，电能管理模块6通过光电复合缆8将存储的电能给卫星通信模块4供电，缆上观测仪器传来的海洋环境参数经电能管理模块6通过光电复合缆传给卫星通信模块4；卫星通信模块4接收到的岸基站指令也经电能管理模块4通过光电复合缆8传给缆上的观测仪器。浮标1与上层传感器包9之间的光电复合缆8间连接有伸缩管7，用来消除浮标1随海面波浪上下振荡引起的纵向位移，减轻浮标1纵向位移给光电复合缆8带来到的轴向作用力，使自供电海洋立体在线观测系统海面下的部分处于相对稳定的工作位置。
图3是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的上层传感器包9，上层传感器包9通过固定连接机构18与光电复合缆8连接固定，上层传感器包9内部有交换机19和多种海洋观测仪器，交换机19分别与光电复合缆8和海洋观测仪器相连，光电复合缆8里的电能通过交换机19传输给海洋观测仪器，海洋观测仪器测得的海洋环境参数也通过交换机19传到光电复合缆8中。
图4是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的爬缆剖面仪10，爬缆剖面仪10通过爬缆结构20与光电复合缆8相连，在爬缆剖面仪20连接光电复合缆8的两头连接固定有两个爬缆终端21，爬缆终端21用于和光电复合缆8交换电能和信号。爬缆剖面仪10沿着光电复合缆8在爬缆终端21之间上下往复运动，爬缆剖面仪10的移动范围由爬缆终端21决定，当爬缆剖面仪10抵达爬缆终端21时，光电复合缆8里的电能通过爬缆终端21为爬缆剖面仪10充电，爬缆剖面仪10测得的观测数据也通过爬缆终端21传到光电复合缆8中。
图5是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的多普勒声学流速剖面仪（ADCP）11，ADCP 11通过固定连接机构18与光电复合缆8连接固定，ADCP 11内部有一个交换机19，交换机19与光电复合缆8和ADCP 11相连，光电复合缆8里的电能通过交换机19传输给ADCP11，ADCP 11测得的观测数据也通过交换机19传到光电复合缆8中。
图6是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的水下浮球12，水下浮球12中间有一个通孔，光电复合缆8穿过所述通孔，通过固定连接机构18与水下浮球12连接固定。
图7是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的下层传感器包13，下层传感器包13通过固定连接机构18与光电复合缆8连接固定，下层传感器包内部有交换机19和多种海洋观测仪器，交换机19分别与光电复合缆8和海洋观测仪器相连，光电复合缆8里的电能通过交换机19传输给海洋观测仪器，海洋观测仪器测得的海洋环境参数也通过交换机19传到光电复合缆8中。
图8是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的着底式水下平台14，着底式水下平台14通过固定连接机构18与光电复合缆8连接固定。着底式水下平台14搭载有不间断电源（UPS）15、海流发电机16和很多海洋观测仪器，着底式水下平台14内部有一个交换机19，交换机19分别与光电复合缆8、海洋观测仪器和UPS 15相连，光电复合缆8里的电能通过交换机19传输给海洋观测仪器，海洋观测仪器测得的海洋环境参数通过交换机19传到光电复合缆8中。UPS 15内部的电能通过交换机19传输到光电复合缆8中，作为自供电海洋立体在线观测系统的电能补充，当海流发电机16发电正常时，UPS 15一边将海流发电机16产生的电能通过交换机19供应给自供电海洋立体在线观测系统，一边给UPS 15内部的电池充电；当海流发电机16发电停止时，UPS 15则立即启动内部电池，通过交换机19为自供电海洋立体在线观测系统提供电能。
图9是本发明所述自供电海洋立体在线观测系统的海流发电机16，海流发电机16搭载在着底式水下平台14上，通过湿插拔水密缆25与着底式水下平台14上的UPS 15相连。海流发电机16包括叶轮22、发电机23和电路模块24，叶轮22获取海流的动能传递给发电机23，发电机23将海流的动能转化为电能，电路模块24对接收到的电能进行整流、稳压、升压和存储等操作，处理好的电能通过湿插拔水密缆25传递给UPS 15。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.自供电海洋立体在线观测系统，包括浮标（1）、风力发电机（2）、太阳能面板（3）、卫星通信模块（4）、波浪发电机（5）、电能管理模块（6）、伸缩管（7）、光电复合缆（8）、上层传感器包（9）、爬缆剖面仪（10）、多普勒声学流速剖面仪（11）、水下浮球（1（2））、下层传感器包（13）和着底式水下平台（14），其特征在于：
所述浮标（1）上搭载有风力发电机（2）、太阳能面板（3）、卫星通信模块（4）、波浪发电机（5）和电能管理模块（6），所述电能管理模块（6）分别连接风力发电机（2）、太阳能面板（3）、卫星通信模块（4）和波浪发电机（5），通过风力发电机（2）获取环境中的风能，通过太阳能面板（3）获取环境中的太阳能，通过波浪发电机（5）获取环境中的波浪能，所述风能、太阳能和波浪能转化为电能，传输给电能管理模块（6）；电能管理模块（6）对风力发电机（2）、太阳能面板（3）和波浪发电机（5）产生的电能进行整流、稳压、升压和存储等操作；卫星通信模块（4）负责与岸基进行远程通信，用于传输所述自供电海洋立体观测系统的观测数据和接收岸基站的指令；
所述光电复合缆（8）自上而下连接有上层传感器包（9）、爬缆剖面仪（10）、多普勒声学流速剖面仪（11）、水下浮球（12）、下层传感器包（13）和着底式水下平台（14）；光电复合缆（8）内部设有电缆和光缆，电缆用于传输电能，光缆用于传输观测数据和岸基的信号指令；
所述光电复合缆（8）顶部连接伸缩管（7）一端，伸缩管（7）另一端连接浮标（1），所述伸缩管（7）用于补偿浮标（1）随海面上下往复运动造成的纵向位移，减轻对光电复合缆（8）造成的轴向作用力，使所述自供电海洋立体在线观测系统海面下的部分处于相对稳定的工作位置；
所述着底式水下平台（14）上搭载有水下观测仪器，所述上层传感器包（9）、爬缆剖面仪（10）、多普勒声学流速剖面仪（11）、下层传感器包（13）和着底式水下平台（14）组成水下观测系统，以获取海洋环境中的理化参数；观测数据存储于观测仪器的内部芯片中，或通过光电复合缆（8）传给卫星通信模块（4），经卫星通信模块（4）传输给岸基；
所述水下浮球（12）中间设有一条通孔，光电复合缆（8）穿过所述通孔，与水下浮球（12）固定连接；水下浮球（12）给所述自供电海洋立体在线观测系统提供额外的水下浮力，使系统紧绷直立并处于良好的工作状态。
2.根据权利要求1所述的自供电海洋立体在线观测系统，其特征在于所述着底式水下平台（14）上搭载有不间断电源（15）、海流发电机（16）和交换机（19）；不间断电源（15）分别与海流发电机（16）和交换机（19）连接，当海流发电机（16）正常发电时，不间断电源（15）一边将海流发电机（16）产生的电能通过交换机（19）供应给自供电海洋立体在线观测系统，一边给不间断电源（15）内部的电池充电；当海流发电机（16）停止发电时，不间断电源（15）则立即启动内部电池，通过交换机（19）为自供电海洋立体在线观测系统提供电能。
3.根据权利要求1所述的自供电海洋立体在线观测系统，其特征在于所述波浪发电机（5）为振荡式波浪发电机，随海表面的波浪进行上下往复振荡运动。
4.根据权利要求1所述的自供电海洋立体在线观测系统，其特征在于所述着底式水下平台（14）也起着锚定重块的作用，将所述自供电海洋立体在线观测系统固定在海底，防止系统被海流冲走。
5.根据权利要求1所述的自供电海洋立体在线观测系统，其特征在于所述海流发电机（16）由叶轮（22）、发电机（23）和电路模块（24）组成，叶轮（22）获取海流的动能传递给发电机（23），发电机（23）将海流的动能转化为电能，电路模块（24）对产生的电能进行整流、稳压、升压和存储操作，电能通过湿插拔水密缆（25）输送给UPS （15）。
6.根据权利要求1所述的自供电海洋立体在线观测系统，其特征在于所述上层传感器包（9）和下层传感器包（13）内部设有交换机（19）和海洋观测仪器，交换机（19）分别与光电复合缆（8）和海洋观测仪器相连，光电复合缆（8）里的电能通过交换机（19）传输给海洋观测仪器，海洋观测仪器测得的海洋环境参数也通过交换机（19）传到光电复合缆（8）中。
7.根据权利要求1所述的自供电海洋立体在线观测系统，其特征在于所述爬缆剖面仪（10）通过爬缆结构（20）固定于光电复合缆（8）上，光电复合缆（8）上设有两个爬缆终端（21），爬缆剖面仪（10）能沿着光电复合缆（8）在两个爬缆终端（21）之间作上下往复运动，当爬缆剖面仪（10）到达一个爬缆终端（21）时，光电复合缆（8）里的电源通过爬缆终端（21）为爬缆剖面仪（10）充电，爬缆剖面仪（10）测得的观测数据通过爬缆终端（21）传输给光电复合缆8。
8.根据权利要求1所述的自供电海洋立体在线观测系统，其特征在于所述多普勒声学流速剖面仪（11）通过固定连接机构（18）与光电复合缆（8）连接，多普勒声学流速剖面仪（11）内部有交换机（19），交换机（19）分别与光电复合缆（8）和多普勒声学流速剖面仪（11）连接，光电复合缆（8）里的电能通过交换机（19）传输给多普勒声学流速剖面仪（11），多普勒声学流速剖面仪（11）测得的观测数据通过交换机（19）传到光电复合缆（8）中。
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