CN109421898A - 一种波浪能和太阳能综合供电航标 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波浪能和太阳能综合供电航标，包括水下浮体、中心管、半潜式浮标、灯架、鹰头型吸波浮体和液压缸，灯架底端安装航标灯和太阳能电池板，灯架底端安装二级能量转换系统与蓄电池，鹰头型吸波浮体通过门型支撑臂和铰链对称安装在半潜式浮标两侧，液压缸一端铰接在鹰头型吸波浮体上，另一端铰接在半潜式浮标上，水下附体底部安装锚链，通过锚块将航标整体锚固于水底。本发明航标结构简单、能量转换效率高、环境适应性好，多种能源相互补充，保障了航标工作的持续性，可使航标运行成本大幅降低，采用半潜式结构，其躲避风暴能力大幅提高，可长期运行而不被破坏，保证航标日常维护工作的安全性。

Description

一种波浪能和太阳能综合供电航标
技术领域
本发明涉及一种航标，具体涉及一种波浪能和太阳能综合供电航标。
背景技术
航标即助航标志，是保障船舶安全、经济航行的重要设施，对发展水上交通运输、海洋资源开发、渔业捕捞、国防建设等起着重要作用，同时对海洋科学的研究工作起到一定的辅助作用。航标一般具有四项功能：即定位功能、危险警告功能、确认功能和指示交通功能。
航标能源主要包括电能和非电能两大类，目前主要应用的能源还是电能。航标所用的电能系统又可以分为非可再生电能源和可再生电能源两大类。所谓可再生电能源是指利用可再生自然能源发出的电能，其具有清洁无污染、储量丰富、可持续利用、维护周期长、使用方便等优点，且具有巨大的开发潜力。在非可再生能源日益枯竭的今天，大力发展可再生能源，特别是开发潜力巨大且具有广阔利用前景的波浪能显得尤为重要。
目前，现代航标使用的可再生自然能源主要为太阳能和波浪能。
太阳能航标利用太阳能电池把太阳能转换为电能，储存在蓄电池供航标使用。当前太阳能电池在航标上应用比较广泛，其优点主要包括：可再生、无噪声、无污染；设备简单且没有运动部件；寿命长，维护简单；输出功率比较稳定。它的缺点在于太阳能电池板首先容易遭到外界因素的破坏和污染，表面易形成盐层，影响太阳光照，降低发电效率，严重时完全无法发电，需要人工冲洗，恢复发电；其次极端海况(如阴雨天、结冰等)下会导致太阳能电池性能降低，而且夜间无法工作。此外还存在一些技术障碍，如高纬度地区阵列尺寸问题等存在功能单一，以及太阳电池板承受台风巨浪打击的能力较低。
波浪能航标靠波浪能发电，航标利用航标周围的波浪发电不断地向蓄电池供电。波浪能是一种蕴含量大、品质高、清洁、全天候的可再生能源，与此同时，航标主要是应用于海上或河道上的助航航标，利用波浪能发电实现航标能源自给，具有便利性、可行性和可操作性。截止目前为止，在实际应用中的波浪能发电航标主要为空气透平波能发电航标，该航标虽然具有结构和制造工艺简单，技术相对成熟等优点，但存在以下缺点：
(1)轴承故障率高：含有海水的空气通过空气透平，与轴承直接接触，造成轴承被海水盐雾腐蚀严重，硬度低磨损快，受腐蚀磨损易散架，导致失效。
(2)性能不稳定：空气透平的高速旋转运动，造成空气透平驱动力变弱，机构抗干扰能力变弱，在高速运转的情况下，对航标内部部件的结构设计和安装提出的较高的要求，任何一点偏差都会造成航标部件严重的损坏。
(3)效率低：透平转换效率低，其最高转换效率的也不过为60％，远远低于发电机的90％的转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在低波高下启动的波浪能和太阳能综合供电航标，其结构简单，能量转换效率高，环境适应性好，能够保障航标工作的持续性，使航标运行成本大幅降低。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种波浪能和太阳能综合供电航标，包括水下浮体，水下浮体中部安装中心管，中心管上部安装半潜式浮标，中心管贯穿于半潜式浮标中心轴，半潜式浮标上部安装灯架，灯架顶端安装航标灯和太阳能电池板，灯架底端安装二级能量转换系统与蓄电池，半潜式浮标两侧分别通过门型支撑臂和铰链对称安装有鹰头型吸波浮体，还包括和鹰头型吸波浮体配套的液压缸，其一端铰接在鹰头型吸波浮体上，另一端铰接在半潜式浮标上，液压缸通过二级能量转换系统和蓄电池连接，航标灯和太阳能电池板分别与蓄电池连接，水下附体底部安装锚链，通过锚块将航标整体锚固于水底。
优选的，所述水下附体为扁平的浮箱结构，所述中心管下端设有配重块，中心管和水下附体内部划分为多个空腔，每个空腔均安有气阀与外界连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用了优良的吸波体造型设计，鹰头型吸波浮体的截面轮廓经过了特殊设计，为截止型吸波体，波浪能转换能力强，且尾部不造波，基本没有能量损失；且鹰头型吸波浮体质量小，其外形导致的附连水质量也很小，故该吸波浮体对相当宽频率范围的波浪响应良好；静水浮态下鹰头型吸波浮体部分悬浮在浮标主体之外，面对开阔的海域，吸收不同方向来波，具有较好的波浪能俘获能力。
2、采用半潜式浮标，可承载本发明航标的所有设备与结构，在鹰头型吸波浮体俘获波浪能的同时，既可作为稳定的基体，提高航标上的各种设备的安全性，又可作为维修平台，为航标工进行实海况作业提供安全保障。
3、航标采用单点系泊形式存在于海洋之中，该种系泊方式有利于航标自动对准浪向，吸收波浪能的同时，避免波浪对航标的砰击破坏，保证航标的安全，延长航标的使用寿命。
4、采用波浪能与太阳能共同作为能量来源，利用了两种可再生能源的互补性，延长了蓄电池的使用寿命，提高了航标工作的持续性。
5、水下浮体和中心管内设空腔，通过调节空腔浮力大小，控制航标在不同工作状态下的浮态，适应不同水深的海域工作，提高航标的环境适应性。
附图说明
图1是本发明航标实施例1的正剖面结构示意图；
图2是本发明航标实施例2的正面结构示意图；
图3是本发明航标实施例3的正面结构示意图；
附图标记说明：1-航标灯，2-太阳能电池板，3-灯架，4-二级能量转换系统，5-蓄电池，6-半潜式浮标，7-液压缸，8-鹰头型吸波浮体，9-门型支撑臂，10-铰链，11-中心管，12-配重块，13-水下附体，14-锚链，15-锚块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明航标主体结构包括航标灯1、太阳能电池板2、灯架3、二级能量转换系统4、蓄电池5、半潜式浮标6、液压缸7、鹰头型吸波浮体8、门型支撑臂9、铰链10、中心管11、配重块12、水下附体13、锚链14和锚块15。其中，半潜式浮标6漂浮于水面上，部分露出水面，为两个凹型结构左右对称布置。灯架3安装在半潜式浮标6上部，为桁架结构，航标灯1和太阳能电池板2均安装于灯架3顶端；二级能量转换系统4与蓄电池5叠加安装于灯架3底端。鹰头型吸波浮体8为两个，分别通过门型支撑臂9与铰接10对称安装于半潜式浮标6左右的凹型结构中，鹰头型吸波浮体8的截面轮廓经过了特殊设计，在迎波宽度方向上的尺寸越大，吸收波浪的能量越多。液压缸7和鹰头型吸波浮体8配套安装，一端铰接在鹰头型吸波浮体8上，另一端铰接在半潜式浮标6上。中心管11上端贯穿于半潜式浮标6中心轴，下端安装在水下附体13中部，用于连接水下附体13和半潜式浮标6，配重块12套装在中心管11的最下端，水下附体13为扁平的浮箱结构，内部分为多个带气阀的空腔，锚链14安装在水下附体13底部，通过锚块15将航标整体锚固于水底。
本发明的航标为漂浮式，在水中正常工作状态时，半潜式浮标6和鹰头型吸波浮体8均部分浸没于水面之下，液压缸7位于水面之上。半潜式浮标6和鹰头型吸波浮体8内部均由空气填充，承担航标在水中大部分重量，中心管11下端的配重块12，可根据航标的浮力与自身重量进行选择，调整航标整体浮态至平衡。中心管11和水下附体13内部划分为多个空腔，每个空腔均安有气阀与外面的水联通，通过控制空腔的进水量进行航标整体浮态的精确调整。
本发明航标的工作原理是这样的：在波浪的作用下，鹰头型吸波浮体8通过门型支撑臂9绕铰链10往复旋转运动，当波浪由波谷变为波峰的过程中，波浪推动鹰头型吸波浮体8绕铰链10向上旋转，推动液压缸7的活塞杆向内运动，液压缸7有杆腔内的液压油被挤压进入蓄能器，用以发电或做其他形式的功；当波浪由波峰变波谷的过程中，鹰头型吸波浮体8失去波浪推力，其在重力作用下绕铰链10向下旋转，液压缸7的活塞杆在外力作用下复位，并为有杆腔补充油液，为下次波浪推动鹰头型吸波浮体8向上旋转做功做好准备，液压缸7活塞杆的回复力可由压力油箱提供，也可采用其他方式。本发明航标的能量转换机构液压缸7也可以采用直线电机等其他能量转换机构代替，不论采用哪种能量转换机构，其能量转换所需的动力均由鹰头型吸波浮体8提供，所以本发明能量转换机构不是仅限于液压缸的。能量转换过程中，航标除了允许鹰头型吸波浮体8通过门型支撑臂绕9铰链10往复旋转运动做功外，其他降低波浪能俘获量的运动都受到有效地抑制，本发明中的中心管11、水下附体13和配重块12起稳定航标状态，防止航标整体高频垂荡、纵荡和纵摇的作用。本发明航标采用单点系泊方案，有利于航标自动对准浪向。
实施例2
请参照图2所示，在实施例1的基础上，将半潜式浮标6设计成长方形结构，鹰头型吸波浮体8的迎波宽度与长方形长边相同，可以提高航标的能量转换效率和工作环境。
实施例3
请参照图3所示，在实施例1的基础上，将半潜式浮标6设计成类似椭圆形结构，对鹰头型吸波浮体8的截面轮廓进行了变更，静水浮态下，鹰头型吸波浮体8的水上面由弧面变成平面，可以在其上安装太阳能电池板2或其他部件，同时对门型支撑臂绕9的结构以及液压缸7与半潜式浮标6的连接方式也作了相应的变更，进一步提高了航标的能量转换效率和工作环境。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种波浪能和太阳能综合供电航标，其特征在于，包括水下浮体(13)，水下浮体(13)中部安装中心管(11)，中心管(11)上部安装半潜式浮标(6)，中心管(11)贯穿于半潜式浮标(6)中心轴，半潜式浮标(6)上部安装灯架(3)，灯架(3)顶端安装航标灯(1)和太阳能电池板(2)，灯架(3)底端安装二级能量转换系统(4)与蓄电池(5)，半潜式浮标(6)两侧分别通过门型支撑臂(9)和铰链(10)对称安装有鹰头型吸波浮体(8)，还包括和鹰头型吸波浮体(8)配套的液压缸(7)，其一端铰接在鹰头型吸波浮体(8)上，另一端铰接在半潜式浮标(6)上，液压缸(7)通过二级能量转换系统(4)和蓄电池(5)连接，航标灯(1)和太阳能电池板(2)分别与蓄电池(5)连接，水下附体(13)底部安装锚链(14)，通过锚块(15)将航标整体锚固于水底。
2.根据权利要求1所述的波浪能和太阳能综合供电航标，其特征在于，所述水下附体(13)为扁平的浮箱结构，所述中心管(11)下端设有配重块(12)，中心管(11)和水下附体(13)内部划分为多个空腔，每个空腔均安有气阀与外界连通。
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