CN108995776B - 一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，包括外船状浮体，其内底部开有圆形空腔，空腔内设有内环状浮体，内环状浮体上安装有多个翼板组转向系统，每个翼板组转向系统通过柔性系绳索连接位于水下的水下翼板组，内环状浮体中部固定安装有自发电系统，其下部固定安装有任务安装架，上部通过定子安装架与外船状浮体固定连接；在大波浪条件下翼板组转向系统通过柔性系绳索，将水下翼板组沿外船状浮体的航向布置具备自航能力；或者将水下翼板组沿圆周切线方向均匀布置具备自发电能力，以满足小波浪海域里水下推进器所需电能的储存要求，使本发明达到全天候工作状态，满足海洋科研、探测、搜救和勘察等方面的需求。
Description
技术领域
本发明涉及波力发电技术领域，尤其是一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台。
背景技术
海洋波浪发电的原理是利用波浪的上下起伏运动来驱动专用机械装置实现摆动或转动，从而产生空气流或水流，使气(水)轮机转动，带动发动机发电。而水面波力技术则是利用波浪的上下运动，通过浮体牵引水下翼板做上下运动，并产生前进的分力，使波浪能转化为前进动力的技术。采用水面波力技术的水面波力滑翔机，克服了常规滑翔机需要自带电池的弊端，具有续航能力强、噪音小等优点，广泛应用于海洋环境监测、海洋灾害预报、海洋科学研究等领域。水面波力滑翔机能够利用波浪能推进实现较长的续航能力，但其并不适合波浪小的海域使用。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，能够实现在大波浪海域条件下波浪能发电并将电能储存，同时利用太阳能参与发电，可满足在小波浪海域里有效驱动水下推进器所需的储存电能要求，使利用水面波力技术的海上小型平台达到全天候工作状态，满足海洋科研、探测、搜救、导航和勘察等各方面的任务需求。
本发明所采用的技术方案如下：
一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，包括外船状浮体，所述外船状浮体外部成船型结构，外船状浮体的上表面安装有储能装置和太阳能发电组，储能装置上连接有通讯及控制系统，外船状浮体尾部安装有全回转电动推进器，外船状浮体内底部设有圆形空腔，圆形空腔内设有内环状浮体，内环状浮体成圆环体结构，其上表面上安装有多个翼板组转向系统，每个翼板组转向系统通过柔性系绳索连接位于水下的水下翼板组，所述内环状浮体中部固定安装有自发电系统，自发电系统下部固定安装有任务安装架，自发电系统上部通过定子安装架与外船状浮体上顶面固定连接；水下翼板组均匀间隔设置，翼板组转向系统通过柔性系绳索将水下翼板组沿外船状浮体的航向布置，或者将水下翼板组沿圆周切线方向均匀布置。
其进一步技术方案在于：
水下翼板组的安装结构为：包括水下翼板，水下翼板成对称翼型，水下翼板的重心轴线处开有通孔，通孔内安装有翼板架转轴，翼板架转轴的两端分别固定在翼板架上，两个翼板架之间通过对称的连接支柱相连，两个连接支柱分别位于水下翼板的上端与下端，两个翼板架内侧壁上部、下部分别设有两个上位卡和两个下位卡；其中位于上端的连接支柱上固定第一万向联轴节，第一万向联轴节与所述柔性系绳索下端相连。
所述柔性系绳索上端通过第二万向联轴节连接翼板组转向系统，所述翼板组转向系统的安装结构为：包括固定在内环状浮体上表面的动力支座、齿轮支座、齿条滑道支座和齿条导向支座，动力支座中安装有气缸、油缸或电动推杆，齿条滑道支座内滑动安装有与所述气缸、油缸或电动推杆的输出端连接的齿条，齿条的导杆穿入所述齿条导向支座内并沿其做直线移动；所述齿轮支座上安装有与所述齿条啮合的齿轮，齿轮中心轴线上安装有齿轮转轴，齿轮转轴下端向下穿过齿轮支座和内环状浮体，并通过所述第二万向联轴节与柔性系绳索连接。
所述自发电系统的安装结构为：包括定子和转子，转子套在定子外，两者之间通过第一轴承及第二轴承相连接，所述定子上端通过定子安装架固定在外船状浮体内圆形空腔上表面的中心位置处，并跟随外船状浮体运动，定子下端与任务安装架固定连接；所述转子固定安装在内环状浮体上表面，并随内环状浮体一起移动或者转动。
所述定子由硅钢片叠成，且外周开有若干槽，槽内嵌装有发动机绕组，转子采用导磁材料制成。
所述储能装置通过控制器和整流调压装置将所述自发电系统或所述太阳能发电组产生的电能进行存储，同时为全回转电动推进器传输电能。
沿圆周切线方向均匀布置的水下翼板组通过柔性系绳索驱动内环状浮体在外船状浮体的圆形空腔内旋转。
所述外船状浮体和内环状浮体的均采用玻璃钢面板及PVC泡沫芯材组成的夹芯复合材料。
所述任务安装架伸出外船状浮体底部，任务安装架上搭载有多个任务模块。
所述全回转电动推进器为绕其竖直轴作360°回转的电动螺旋桨推进器。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，利用水面波力技术使海上小型平台达到全天候工作状态，具有自航行和自发电两项功能，同时，本发明还具有如下优点：
1.本发明通过水下翼板组沿圆周切线方向布置，构建起内环状浮体和外船状浮体间相对转动的自发电平台，通过水下翼板组沿航行方向布置，延续了由浮体和水下翼板构成的水面波力滑翔机的自航能力，根据工作需求，实现两种布置方式的互换，构建起可移动的自发电平台。
2.本发明的自发电系统包括由波浪能发电、太阳能发电、电能存储及全回转电动推进器驱动所形成的综合发电系统，克服了利用水面波力技术的海上小型平台(或水面波力滑翔机)不适合在波浪小的海域使用的技术难题，使利用水面波力技术的海上小型平台达到全天候工作状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明水下翼板组的安装结构示意图。
图3为本发明翼板组转向系统的安装结构示意图。
图4为本发明自发电系统的安装结构。
图5为本发明水下翼板在不同波浪状态下的示意图。
图6为本发明水下翼板在不同波浪状态下受力和运动状态示意图。
图7为本发明自航行状态时的示意图。
图8为本发明自发电时翼板组转向系统的结构示意图。
图9为本发明自发电时水下翼板组的运动状态示意图。
其中：1、外船状浮体；2、内环状浮体；3、水下翼板组；4、柔性系绳索；5、翼板组转向系统；6、自发电系统；7、任务安装架；8、定子安装架；9、储能装置；10、通讯及控制系统；11、太阳能发电组；12、全回转电动推进器；301、连接支柱；302、第一万向联；303、上位卡；304、翼板架转轴；305、翼板架；306、下位卡；307、水下翼板；501、电动推杆；502、齿条；503、齿轮；504、齿轮转轴；505、第二万向联轴节；507、齿轮支座；508、齿条滑道支座；509、齿条导向支座；601、定子；602、转子；603、第一轴承；604、第二轴承。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的利用水面波力技术的小型自航行发电平台，包括外船状浮体1，外船状浮体1外部成船型结构，其上表面安装有储能装置9和太阳能发电组11，储能装置9上连接有通讯及控制系统10，外船状浮体1尾部安装有全回转电动推进器12，外船状浮体1内底部设有圆形空腔，圆形空腔内设有内环状浮体2，内环状浮体2成圆环体结构，其上表面上安装有多个翼板组转向系统5，每个翼板组转向系统5通过柔性系绳索4连接位于水下的水下翼板组3，圆环体结构中部固定安装有自发电系统6，其下部固定安装有任务安装架7，上部通过定子安装架8与外船状浮体1的上顶面固定连接；水下翼板组3均匀间隔布置，翼板组转向系统5通过柔性系绳索4将水下翼板组3沿外船状浮体1的航向布置，或者将水下翼板组3沿圆周切线方向均匀布置。
如图2所示，水下翼板组3的安装结构为：包括水下翼板307，每个水下翼板307成对称翼型，对称翼型即翼型上下弧线对称，对称翼型在所有翼型中的阻力是最小的，但同时，在小迎角下的升力系数也非常低。水下翼板307的重心轴线处开有有通孔，通孔内安装有翼板架转轴304，翼板架转轴304的两端分别固定在翼板架305上，两个翼板架305之前通过上、下两个连接支柱301相连接，两个翼板架305内侧壁上部、下部分别设有两个上位卡303和两个下位卡306；其中位于上部的连接支柱301上固定第一万向联轴节302，第一万向联轴节302与柔性系绳索4下端相连。
如图3所示，柔性系绳索4上端通过第二万向联轴节505连接翼板组转向系统5，翼板组转向系统5的安装结构为：包括固定在内环状浮体2上表面的动力支座506、齿轮支座507、齿条滑道支座508和齿条导向支座509，动力支座506中安装有气缸、油缸或电动推杆501，齿条滑道支座508内滑动安装有与气缸、油缸或电动推杆501的输出端连接的齿条502，齿条502的导杆穿入齿条导向支座509内并沿其做直线移动；齿轮支座507上安装有与齿条502啮合的齿轮503，齿轮503中心轴线上安装有齿轮转轴504，齿轮转轴504下端向下穿过齿轮支座507和内环状浮体2，并通过第二万向联轴节505与柔性系绳索4连接。
如图4所示，自发电系统6的安装结构为：包括定子601和转子602，转子602套在定子601外，两者之间通过第一轴承603及第二轴承604相连接，定子601由硅钢片叠成，且外周开有若干槽，槽内嵌装有发动机绕组，定子601上端通过定子安装架8固定在外船状浮体1内圆形空腔上表面的中心位置处，并跟随外船状浮体1运动，定子601下端与任务安装架7固定连接；转子602采用导磁材料制成，固定安装在内环状浮体2上表面上，并随内环状浮体2一起移动或者转动。
沿圆周切线方向均匀布置的水下翼板组3通过柔性系绳索4驱动内环状浮体2在外船状浮体1的圆形空腔内旋转。
储能装置9通过控制器和整流调压装置将自发电系统6或太阳能发电组11产生的电能进行存储，同时为全回转电动推进器12传输电能。
外船状浮体1和内环状浮体2的均采用玻璃钢面板及PVC泡沫芯材组成的夹芯复合材料。
任务安装架7伸出外船状浮体1的底部，任务安装架7上搭载有多个任务模块，能适应多任务需求。
全回转电动推进器12为绕其竖直轴作360°回转的电动螺旋桨推进器。
本实施例的工作原理如下：柔性系绳索4为具有弹性的绳索，且在受力情况下绳索无论在扭转方向上还是在拉伸或压缩方向上均不会出现永久变形，仅有限定的弹性变形。通过水下翼板组转向系统5上的第二万向联轴节505和水下翼板组3上的第一万向联轴节302，柔性系绳索4将内环状浮体2和水下翼板组3连接在一起，利用水面波力技术，安装在内环状浮体2上表面的翼板组转向系统5通过气缸、油缸或电动推杆501、齿条502和齿轮503等机构将水下翼板组按照航行方向布置，就能使由浮体和水下翼板构成的水面波力滑翔机实现自航能力；自发电系统6的定子601通过由钢结构框架构成的定子安装架8固定安装在外船状浮体1中部的圆形内凹里，由于外船状浮体1的体积及重量较大，从而确保了自发电系统6的定子601在水中位置的相对稳定，在自发电过程中成为基本不动。自发电系统6的转子602直接固定在内环状浮体2上，并通过轴承将定子601和转子602连接在一起，当水下翼板组转向系统5将水下翼板组按照圆周切线方向布置，水下翼板组3通过柔性系绳索4驱动内环状浮体2旋转就可以带动自发电系统6的转子602也跟随并绕定子601旋转，从而完成自发电任务；任务安装架7固定安装在定子601的下面，未来根据平台任务的具体需要，在任务安装架7上搭载不同的任务模块，适应多任务需求；储能装置9安装固定在外船状浮体1的上表面，用于存储来自波浪能或太阳能发出的电能，必要时将储能装置9内的电能传输给全回转电动推进器12，用于在波浪小的海域里驱动全回转电动推进器12；在不影响其他系统安装或工作的前提下，最大限度地将太阳能发电组11安装固定在外船状浮体1的上表面上，以吸收尽可能多的太阳能；通讯及控制系统10用于向基地传输探测信息，接收基地指令，控制平台的运动，实施不同的任务需求。
如图5所示，为本实施例采用的水面波力技术，即利用波浪的上下运动，实现浮体牵引水下翼板307做上下运动时的状态示意图，从左至右依次为处于下波面状态、上波面状态和无波状态。做上下运动时时水下翼板307攻角变化，从而在水下翼板307上产生前进动力，最终牵引浮体前进，具体原理如下：当平台处于下波面时，内环状浮体2会迎着波面向下运动，从而造成连接内环状浮体2和水下翼板组3的柔性系绳索4松弛，此时水下翼板组3就会在自身重量的作用下也向下运动，而水下翼板组3的水下翼板307在向下运动的过程中会受到水对其向上的阻力，并使得水下翼板307绕着自身转轴顺时针向上转动，并到达限定的上位角度，当水下翼板组3继续随着内环状浮体2向下运动时，被限制在一定攻角的水下翼板307会产生一个水平向前的推力，就会推动内环状浮体2和水下翼板组3向前运动；当平台越过波谷到达上波面后，内环状浮体2会向上运动，同时拉紧柔性系绳索4带动水下翼板组3向上运动，同样在水下翼板组3的水下翼板307向上运动的过程中也会受到水对其向下的阻力，并使得水下翼板307绕着自身转轴逆时针向下转动，到达限定的下位角度，当水下翼板组3继续随着内环状浮体2向上运动时，被限制在一定攻角的水下翼板307会产生一个水平向前的推力，并推动内环状浮体2和水下翼板组3向前运动；当平台越过波峰后，内环状浮体2和水下翼板组3又开始重复上面的循环，这样平台就不停地随着波面上下起伏向前运动。当平台处于平静的无波浪或小波浪状态下，内环状浮体2处于基本平静状态，水下翼板组3也会在自身重力和浮力的作用下处于水平位置，不会产生推力，这个平台处于静止状态。
如图6所示，从左至右依次为水下翼板307向下移动、平动和向上移动时的状态和受力示意图。水下翼板307在运动时受力状态示意图，翼板架转轴304安装在水下翼板307重心轴线处的目的是保证水下翼板307在没有外力影响的条件下处于平衡状态而不会发生转动，对称翼型的水下翼板307的翼重心轴线靠近翼前缘，远离翼后缘，这样水下翼板307的后缘到翼板架转轴304间的面积就大于其前缘到翼板架转轴304间的面积，当整个水下翼板307面积均匀受力时，面积大的受到的合力大于面积小的受到的合力，两者的总合力R作用点一定会在面积大的区域；
当水下翼板组3向下移动时，水下翼板307受到的总合力R将使其顺时针转动，向下移动时的转动方向相反；如果对水下翼板307没有任何限制，受到水阻力总合力R的水下翼板307就会绕翼板架转轴304无控制的转动，也就无法实现使水下翼板307产生向前的推力。上位卡303和下位卡306均为圆柱形销轴，分别安装在翼板架305上下两个限位位置上，用来限制水下翼板307的转动，所以，当水下翼板组3向下移动时，上位卡303起作用，当水下翼板组3向上移动时，下位卡306起作用。这样，水下翼板307受到水阻力总合力R就可以分解出向前的推力，从而实现水面波力技术原理；第一万向联轴节302固定安装在连接支柱301上，再与柔性系绳索4相连，这样通过第一万向联轴节302就可以实现水下翼板组3的转动，或者将水下翼板组3的牵引移动转换为内环状浮体2的移动或转动。
本实施例通过翼板组转向系统5可以将水下翼板组3按照两种不同的使用方式进行布置，第一种为自航行方式，如图7所示，即通过转动柔性系绳索4从而带动相连的水下翼板组3转动，使得水下翼板组3均朝向同一指定的航行方向，此时全部朝向航行方向的由浮体和水下翼板307构成的水面波力滑翔机，产生的力也是同一方向，就能够实现平台的自航能力；
如图8和图9所示，第二种使用方式为自发电方式，同样通过转动柔性系绳索4带动相连的水下翼板组3转动，使水下翼板组3沿圆周切线方向均匀布置，形成的布置方向可以是顺时针也可以是逆时针，此时每个沿圆周切线方向布置的由浮体和水下翼板307构成的水面波力滑翔机将产生圆周方向的切向力，所有产生的切线力将使得内环状浮体2转动，带动相连的转子602绕固定在外船状浮体1的定子601转动，从而实现平台的自发电功能。
本实施例的自发电系统6的工作原理是，通过翼板组转向系统5来改变水下翼板组3的布置方向，实现水下翼板组3沿圆周切线方向均匀布置，当发电时，转子602如同一个桶正好套在定子601外侧，而定子601和转子602之间则通过轴承603和轴承604连接。这样，转子602在绕定子601的旋转过程中就形成了旋转磁场，而定子601绕组就可以在旋转的磁场中切割磁力线，产生交流电。产生的交流电通过控制器，再经过整流调压就可以输入到储能装置9内，完成了自发电的储能。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (7)
1.一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，其特征在于：包括外船状浮体(1)，所述外船状浮体(1)外部成船型结构，外船状浮体(1)的上表面安装有储能装置(9)和太阳能发电组(11)，储能装置(9)上连接有通讯及控制系统(10)，外船状浮体(1)尾部安装有全回转电动推进器(12)，外船状浮体(1)内底部开有圆形空腔，空腔内设有内环状浮体(2)，内环状浮体(2)成圆环体结构，其上表面上安装有多个翼板组转向系统(5)，每个翼板组转向系统(5)通过柔性系绳索(4)连接位于水下的水下翼板组(3)，所述内环状浮体(2)中部固定安装有自发电系统(6)，自发电系统(6)下部固定安装有任务安装架(7)，自发电系统(6)上部通过定子安装架(8)与外船状浮体(1)顶面固定连接；水下翼板组(3)均匀间隔设置，翼板组转向系统(5)通过柔性系绳索(4)将水下翼板组(3)沿外船状浮体(1)的航向布置，或者将水下翼板组(3)沿圆周切线方向均匀布置；水下翼板组(3)的安装结构为：包括水下翼板(307)，水下翼板(307)成对称翼型，水下翼板(307)的重心轴线处开有通孔，通孔内安装有翼板架转轴(304)，翼板架转轴(304)的两端分别固定在翼板架(305)上，两个翼板架(305)之间通过对称的连接支柱(301)相连，两个连接支柱(301)分别位于水下翼板(307)的上端与下端，两个翼板架(305)内侧壁上部、下部分别设有两个上位卡(303)和两个下位卡(306)；其中位于上端的连接支柱(301)上固定第一万向联轴节(302)，第一万向联轴节(302)与所述柔性系绳索(4)下端相连；所述柔性系绳索(4)的安装结构为：其上端通过第二万向联轴节(505)连接翼板组转向系统(5)，所述翼板组转向系统(5)的安装结构为：包括固定在内环状浮体(2)上表面的动力支座(506)、齿轮支座(507)、齿条滑道支座(508)和齿条导向支座(509)，动力支座(506)中安装有气缸、油缸或电动推杆(501)，齿条滑道支座(508)内滑动安装有与所述气缸、油缸或电动推杆(501)的输出端连接的齿条(502)，齿条(502)的导杆穿入所述齿条导向支座(509)内并沿其做直线移动；所述齿轮支座(507)上安装有与所述齿条(502)啮合的齿轮(503)，齿轮(503)中心轴线上安装有齿轮转轴(504)，齿轮转轴(504)下端向下穿过齿轮支座(507)和内环状浮体(2)，并通过所述第二万向联轴节(505)与柔性系绳索(4)连接；所述自发电系统(6)的安装结构为：包括定子(601)和转子(602)，转子(602)套在定子(601)外，两者之间通过第一轴承(603)及第二轴承(604)相连接，所述定子(601)上端通过定子安装架(8)固定在外船状浮体(1)内圆形空腔上表面的中心位置处，并跟随外船状浮体(1)运动，定子(601)下端与任务安装架(7)固定连接；所述转子(602)固定安装在内环状浮体(2)上表面，并随内环状浮体(2)一起移动或者转动。
2.如权利要求1所述的一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，其特征在于：所述定子(601)由硅钢片叠成，且外周开有若干槽，槽内嵌装有发动机绕组，转子(602)采用导磁材料制成。
3.如权利要求1所述的一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，其特征在于：沿圆周切线方向均匀布置的水下翼板组(3)通过柔性系绳索(4)驱动内环状浮体(2)在外船状浮体(1)的圆形空腔内旋转。
4.如权利要求1所述的一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，其特征在于：所述储能装置(9)通过控制器和整流调压装置将所述自发电系统(6)或所述太阳能发电组(11)产生的电能进行存储，同时为全回转电动推进器(12)传输电能。
5.如权利要求1所述的一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，其特征在于：所述外船状浮体(1)和内环状浮体(2)的均采用玻璃钢面板及PVC泡沫芯材组成的夹芯复合材料。
6.如权利要求1所述的一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，其特征在于：所述任务安装架(7)伸出外船状浮体(1)底部，任务安装架(7)上搭载有多个任务模块。
7.如权利要求1所述的一种利用水面波力技术的小型自航行发电平台，其特征在于：所述全回转电动推进器(12)为绕其竖直轴作360°回转的电动螺旋桨推进器。
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