CN108757291A - 一种应用于无人船的波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于无人船的波浪能发电装置，包括支撑架、外环架、内环架、Z轴支架、X轴支架、Y轴支架；内、外环架为圆环状，沿圆周均布四个安装点；支撑架为两个，分别通过第一导电滑环和X轴小型发电机与外环架沿中心对称的两个安装点相连；外环架另两个安装点处分别通过第二导电滑环和Y轴小型发电机与内环架沿中心对称的两个安装点相连；内环架另两个安装点处分别设有Z轴小型发电机，其转子之间通过Z轴支架相连；Z轴支架、Y轴支架、X轴支架相互垂直设置；Y轴支架、X轴支架两端分别设置均匀质量球。本发明可间接捕获波浪能，并直接安装于无人船上，工作时既不会影响无人船的运动稳定性，也不会增加航行的阻力。

Description

一种应用于无人船的波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置，具体涉及一种应用于无人船的利用波浪能进行发电的装置。
背景技术
随着机器人技术的发展，智能无人设备扮演着越来越重要的角色。无人船可用于水质检测、海洋探测等方面。目前，大多数无人船采用锂电池供电，而航行距离取决于锂电池的容量，航行能力有限。如何增强无人船的续航能力，成为了无人船研制的难题之一。
目前，已有的技术中采用太阳能电池板给无人船供电提高其续航能力，但采用波浪能发电给无人船供电的技术尚未开发。海洋波浪能，蕴含着丰富的动能和势能，具有分布面广、能量密度高等优点，是一种能被直接利用的可再生清洁能源。近年来，科研人员开展对波浪能发电领域的研究，设计了很多将波浪能转化为电能的发电装置。但目前现有的波浪能发电装置无法直接应用到无人船上。
中国专利CN201710722260.3公布的一种筒形波浪能发电装置，包括主筒体、自由叶轮、传动轴和发电装置。当装置在波浪中漂浮时，由于压载体的作用装置整体处于垂直状态，水流流进主筒体以后，主筒体中有两个自由叶轮，水流带动自由叶轮的转动，自由叶轮带动传动轴的转动，同时由于主筒体中部的截面积小于筒口的截面积，因此当水流通过筒的中部时水的流速变快，使得自由叶轮的转速也变快，传动轴将此单向转动传送给发电装置进行发电和电能的存储。该装置的实施过程需要水流进入筒体，直接与波浪接触，直接搭载到无人船上无法正常工作；虽然可以通过连接装置将发电装置与无人船连接起来，能达到续航的效果，但会增加无人船航行过程中的阻力。
中国专利CN201610180375.X公布的一种波浪发电装置，包括腔体、软板、上板、弹性机构、轴体、转换装置、发电机。工作时软板被波浪带动产生弯曲形变，会使得弹性机构产生往复运动而带动对应的轴体产生反复上下运动，从而驱动该转换装置，然后驱动该发电机发电。该装置主要利用软体的变形转变为发电机的转动，腔体需要放入水中便于软体捕获波浪能，不能直接应用到无人船上，与无人船搭配使用时软体变形会影响船体运动的稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效应用于无人船进行波浪能发电，且不影响无人船航行稳定性的装置。
为了达到上述目的，本发明提供了一种应用于无人船的波浪能发电装置，包括支撑架、第一导电滑环、外环架、内环架、第二导电滑环、均匀质量球、X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机、Z轴支架、X轴支架、Y轴支架；外环架和内环架均为圆环状，且沿圆周分别均布设有四个安装点；支撑架为两个，位于波浪能发电装置两侧，且分别通过第一导电滑环和X轴小型发电机与外环架上沿中心对称的两个安装点相连；外环架上另外两个安装点处分别通过第二导电滑环和Y轴小型发电机与内环架上沿中心对称的两个安装点相连；内环架上另外两个安装点处分别固定设有Z轴小型发电机，且两个Z轴小型发电机的转子与Z轴支架的两端相连；外环架、内环架同中心设置；Z轴支架、Y轴支架、X轴支架相互垂直设置，且交叉点为外环架和内环架的中心位置；Y轴支架、X轴支架两端分别设置均匀质量球。
进一步的，波浪能发电装置还包括AC/DC转换模块、电源管理模块、蓄电池；X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机均依次通过AC/DC转换模块、电源管理模块与蓄电池相连。
进一步的，电源管理模块包括4路电量检测电路和状态切换电路；X轴小型发电机、Y轴小型发电机和两个Z轴小型发电机通过所述AC/DC转换模块后依次通过对应的电量检测电路和状态切换电路与蓄电池相连。电量检测电路主要是检测X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机输出的电量；状态切换电路主要是根据输出电量自动切换是否给蓄电池充电，避免出现蓄电池给X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机供电的情况。。
进一步的，第二导电滑环具有4路导线，分别与两个Z轴小型发电机的正负极相连；第一导电滑环具有6路导线，其中4路导线与第二导电滑环相连，2路导线分别与Y轴小型发电机的正负极相连。
进一步的，外环架和内环架上分别设有布线槽，导线设于对应的布线槽内。
进一步的，内环架、外环架采用轻质材料，优选铝合金材料。
进一步的，支撑架下方设有安装底座，通过安装底座固定在无人船上。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明利用内环架和外环架，间接捕获X轴方向和Y轴方向的波浪能，且运动相互不影响；
2、本发明波浪能发电装置拥有3个方向的自由度，能够有效捕获无人船在波浪能作用下姿态变化运动，且直接安装于无人船上，互换性好，同时工作时既不会影响无人船的运动稳定性，也不会增加航行的阻力。
3、本发明采用导电滑环解决了转子和定子间旋转绕线问题，增强了本发明的可实施性。
附图说明
图1为本发明波浪能发电装置的结构示意图；
图2为图1中波浪能发电装置的俯视图；
图3为图1中内、外环架的正视图；
图4为本发明波浪发电装置的电能处理框图；
图5为波浪传播方向示意图。
图中，1-安装底座，2-支撑架，3-第一导电滑环，4-X轴支架，5-第二导电滑环，6-均匀质量球，7-X轴小型发电机，8-外环架，9-Z轴小型发电机，10-Y轴小型发电机，11-内环架，12-安装孔，13-发电机安装孔，14-通孔，15-布线槽，16-Z轴支架，17-Y轴支架，18-波向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明波浪能发电装置包括安装底座1、支撑架2、第一导电滑环3、X轴支架4、第二导电滑环5、均匀质量球6、X轴小型发电机7、外环架8、Z轴小型发电机9、Y轴小型发电机10、内环架11、Z轴支架16、Y轴支架17。
外环架8和内环架11均为圆环状，且沿圆周分别均布设有四个安装点。外环架8和内环架11均采用轻质材料制备，如铝合金材质。
支撑架2为两个，位于波浪能发电装置两侧，且分别通过第一导电滑环3和X轴小型发电机7与外环架8上沿中心对称的两个安装点相连，用于支撑整个发电装置，固定第一导电滑环3和X轴小型发电机7。第一导电滑环3安装在支撑架2和外环架8之间，用于转子和定子间连线。安装底座1分别固定设于对应的支撑架2的底部，用于固定波浪能发电装置于无人船上，其上设有安装孔12，与无人船通过螺丝配合安装，如图2所示。
外环架8上另外两个安装点处分别通过第二导电滑环5和Y轴小型发电机10与内环架11上沿中心对称的两个安装点相连。内环架11上另外两个安装点处分别固定设有两个Z轴小型发电机9，且两个Z轴小型发电机9的转子通过Z轴支架16相连；外环架8、内环架11同中心设置。Z轴支架16、Y轴支架17、X轴支架4相互垂直设置，且交叉点为外环架8和内环架11的中心位置。Y轴支架17、X轴支架4两端分别设置均匀质量球6。均匀质量球6为采用铝合金制备的实心小球，质量可根据用户需求和发电装置的功率大小选择，本实施例中采用0.5kg的质量。
其中，第二导电滑环5具有4路导线，分别与两个Z轴小型发电机9的正负极相连；第一导电滑环3具有6路导线，其中4路导线与第二导电滑环5相连，2路导线分别与Y轴小型发电机10的正负极相连。
内环架11和外环架8的结构相同，其上布置设有发电机安装孔13、通孔14和布线槽15，如图3所示。发电机安装孔13通过螺丝配合固定对应的小型发电机。通孔14开孔尺寸根据小型发电机的转子大小进行确定，也方便用于导电滑环和小型发电机的布线。布线槽用于导电滑环之间以及与对应小型发电机之间的电源连接线的布线，防止导线缠绕；安装在内环架11上Z轴小型发电机9的电源线通过内环架11的布线槽接到第二导电滑环5上；第二导电滑环5的导线和安装在外环架8上的Y轴小型发电机10通过外环架8的布线槽接到第一导电滑环3上。
本发明装置通过安装底座1固定设于无人船上，当无人船在在水面上会受到来自不同方向上波浪的作用，无人船在波浪的作用下会上下颠簸运动，发生姿态变化，即X、Y、Z轴方向上的姿态发生变化，本发明就是利用这一原理现象设计而成的。
在无人船航行的过程中，遇到波向从前后方向（沿Y轴）传播的波浪时，无人船在波浪的作用下，首先会上下颠簸，即Z轴方向的姿态变化，其次会发生一定幅度的前后摇晃（幅度大小取决于波浪大小），Y轴方向的姿态变化；由于外环架8是由轻质材料制作而成，外环架8会捕捉到无人船这一姿态变化，将颠簸和前后方向上摇晃运动转化为绕重心和X轴来回旋转，进而带动X轴小型发电机7的转动，将旋转运动转变为电能输出。
当无人船遇到波向从左右方向（沿X轴）传播的波浪时，无人船同样会发生上下颠簸和一定范围内的左右摇晃，X轴方向的姿态变化；内环架11也能捕获无人船在这一方向上的姿态变化，将颠簸和左右方向上摇晃运动转化为绕重心和Y轴来回旋转，进而带动Y轴小型发电机10的转动，将无人船的运动转化为电能输出。
当无人船遇到从其他方向传播的波浪时，波向与X、Y存在角度偏差，如附图5所示；假设波浪从波向18的方向传播，无人船会在波向18的方向上摇晃，随着无人船的摇晃，均匀质量球6所处的平面发生变化，原有平衡被打破；均匀质量球6进入新的平面后，在重力的作用下，必有一对均匀质量球6必然会沿着波向分布，进入新的平衡；在这平衡模式发生转变的过程中，均匀质量球6绕着中心和Z轴转动了偏差的角度，即会带动Z轴方向分布的Z轴小型发电机9转动，输出电能。波向从其他方向传播时，工作原理与波向18传播时相同。
如图4所示，进行充电续航时，各小型发电机（包括X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机）的交流电通过AC/DC转换模块整流为直流电，然后通过电源管理模块输入至蓄电池，通过蓄电池对无人船系统进行供电。电源管理模块用于管理波浪能发电装置输出的电能，包括4路电量检测电路以及状态切换电路；每一路电路对应着一个小型发电机的输出；AC/DC转换的输出首先接入到电源管理模块的电量检测电路，实时检测小型发电机输出的电量大小；状态切换电路是根据每一路检测发电机输出的电能大小判断是否接通与蓄电池的连接；当输出的电能过小时，断开与蓄电池的连接，避免出现蓄电池给X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机供电的情况。AC/DC转换模块和电源管理模块可通过导线与上述的装置部分的小型发电机相连，故可与上述装置部分进行分离，也可安装在无人船内部。

Claims (8)

1.一种应用于无人船的波浪能发电装置，其特征在于：包括支撑架、第一导电滑环、外环架、内环架、第二导电滑环、均匀质量球、X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机、Z轴支架、X轴支架、Y轴支架；所述外环架和内环架均为圆环状；所述外环架和内环架沿圆周分别均布设有四个安装点，所述支撑架为两个，位于波浪能发电装置两侧，且分别通过第一导电滑环和X轴小型发电机与外环架上沿中心对称的两个安装点相连；所述外环架另外两个安装点处分别通过第二导电滑环和Y轴小型发电机与内环架上沿中心对称的两个安装点相连；所述内环架上另外两个安装点处分别固定设有所述Z轴小型发电机，且两个Z轴小型发电机的转子与Z轴支架的两端相连；所述外环架、内环架同中心设置；所述Z轴支架、Y轴支架、X轴支架相互垂直设置，且交叉点为所述外环架和内环架的中心位置；所述Y轴支架、X轴支架两端分别设置均匀质量球。
2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述波浪能发电装置还包括AC/DC转换模块、电源管理模块、蓄电池；所述X轴小型发电机、Y轴小型发电机、Z轴小型发电机均依次通过所述AC/DC转换模块、电源管理模块与蓄电池相连。
3.根据权利要求2所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述电源管理模块包括4路电量检测电路和状态切换电路；所述X轴小型发电机、Y轴小型发电机和两个Z轴小型发电机通过所述AC/DC转换模块后依次通过对应的电量检测电路和状态切换电路与所述蓄电池相连。
4.根据权利要求3所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述第二导电滑环具有4路导线，分别与两个Z轴小型发电机的正负极相连；所述第一导电滑环具有6路导线，其中4路导线与第二导电滑环相连，2路导线分别与Y轴小型发电机的正负极相连。
5.根据权利要求4所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述外环架和内环架上分别设有布线槽，导线设于对应的布线槽内。
6.根据权利要求5所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述内环架、外环架采用轻质材料。
7.根据权利要求6所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述内环架、外环架采用铝合金材料 。
8.根据权利要求7所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述支撑架下方设有安装底座，通过安装底座固定在无人船上。
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