CN111532382A - 内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，包括浮体，浮体包括浮体壳体、惯性体式波浪能发电装置、弹性水囊模块，惯性体式波浪能发电装置包括惯性体式波浪能捕获模块；浮体壳体包括内侧浮体壳体和外侧浮体壳体；内侧浮体壳体的顶部设置外侧浮体壳体，底部则设置锚链系泊系统；惯性体式波浪能捕获模块沿着内侧浮体壳体的轴线设置于内侧浮体壳体的内腔；弹性水囊模块同轴设置于外侧浮体壳体内，并能够随着波浪周期的变化，通过给排水系统从浮体外部吸入海水或者向浮体外部排出海水，改变浮体的质量和固有周期，以与当前波浪周期共振。因此，本发明能够拓宽浮标实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度，以适应海上持续变化的波况。

Description

内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标

技术领域

本发明属于海洋浮标技术领域，涉及一种波浪能供电的海洋监测浮标。

背景技术

21世纪是海洋开发的世纪，进行海洋水文、气象和水声等海洋环境要素的监测对于发展海洋经济、维护海洋权益具有重要意义，而该类数据的获得主要依赖海洋监测浮标。海洋监测浮标上功能器件的正常工作需要电能供给，而目前主要的电能供给方法为蓄电池和太阳能。利用蓄电池供电的浮标受限于电池容量，通常只作一次性使用。而对于利用太阳能供电的浮标，由于太阳能板发电功率较低，浮标上功能器件只能低功耗工作。随着海洋经济的逐步发展，海洋监测浮标的要求逐步提高：首先是多任务，即一个浮标要集成多个测量海洋环境要素的传感器；其次是高时间分辨率，即高频次地测量相关要素；最后是高实时性，即及时将测量得到的数据通过卫星等手段发回控制中心。海洋监测浮标多任务、高时间分辨率和高实时性的趋势提出了浮标高功率电能供给的需求。

波浪能具有能量密度高的特点，如果海洋监测浮标就地取能，将波浪能转换为电能为其功能器件供电，将可以有效解决浮标高功率电能供给的需求。通常，将波浪能转换为电能的过程中，首先需要将波浪能量转变为某种相对运动的动能，若该相对运动为相对于外部参考物（例如水下阻尼盘），则必然存在动力部件暴露于海水或盐雾中而易受腐蚀的问题；若该相对运动为相对于内部惯性体，则可以避免上述问题。目前，内部惯性体式波浪能供电浮标中将相对运动的动能转换为电能的过程普遍采用直线发电机，如申请号为201610496263.5的发明专利中公开的一种晃动式波浪能供电浮标和申请号为201620027191.5的发明专利中公开的一种惯性振子波浪能供电浮标。由于直线发电机长期工作在不稳定的线速度下，相对运动的动能转换为电能的效率较低。对于波浪能供电的浮标，需要设计浮标的质量使其固有周期接近入射波浪的周期而发生共振，以最大程度地捕获波浪能。然而，实际海面上的波浪周期是持续变化的，当波浪周期偏离浮标的固有周期时，浮标捕获波浪能的能力将下降。特别是对于内部惯性体式波浪能捕获方案，由于惯性体质量的限制，浮标实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度较窄，即：当波浪周期较小程度地偏离浮标固有周期时，浮标的波浪能捕获能力显著下降。因此，具有固定质量的内部惯性体式波浪能供电浮标无法适应海上持续变化的波况。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺点，提出一种质量可调节的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标。在浮标内部设置弹性水囊模块，通过改变其蓄水量来改变浮标的质量及固有周期，进而拓宽浮标实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，包括浮体，所述浮体包括浮体壳体以及惯性体式波浪能发电装置，惯性体式波浪能发电装置包括能够通过惯性体捕获波浪能的惯性体式波浪能捕获模块，所述浮体还包括弹性水囊模块，其中：

所述的浮体壳体，外轮廓为轴对称形状，包括同轴设置的内侧浮体壳体和外侧浮体壳体；内侧浮体壳体的顶部设置所述的外侧浮体壳体，而内侧浮体壳体的底部则设置锚链系泊系统；

所述的惯性体式波浪能捕获模块，沿着内侧浮体壳体的轴线设置于所述的内侧浮体壳体的内腔；

所述的弹性水囊模块，同轴设置于所述的外侧浮体壳体内，并能够随着波浪周期的变化，通过给排水系统从浮体外部吸入海水或者向浮体外部排出海水，改变浮体的质量和固有周期，以与当前波浪周期共振。

进一步地，所述的外侧浮体壳体为圆环形构件；

所述的弹性水囊模块，包括弹性水囊和弹性带，弹性水囊呈圆环形设置，弹性带具有若干根，弹性水囊通过各弹性带固定在外侧浮体壳体的环形腔腔底，且各弹性带的线膨胀系数均与弹性水囊一致。

进一步地，弹性带为弹性橡胶带，且每一根弹性带的两端均设置有厚大端部；

各弹性带周向均布在外侧浮体壳体的环形腔中，且各弹性带的两个厚大端部均位于两相对布置的压板内侧，而每一根弹性带的带体均穿过所述的两压板之间的间隙后位于两压板的外侧，并缠绕于弹性水囊的外壁。

进一步地，所述外侧浮体壳体包含圆管形外侧板、圆管形内侧板、圆环形底板和圆环形盖板；其中：

圆管形外侧板的下端焊接到圆环形底板外环的边缘，而圆管形内侧板的下端则焊接到圆环形底板内环的边缘；

圆管形外侧板、圆管形内侧板的上端沿周向均匀焊接若干直角垫板；

圆环形盖板通过螺栓连接到直角垫板的上表面。

进一步地，所述的惯性体式波浪能发电装置还包括支架以及能够将惯性体式波浪能捕获模块所捕获的波浪能转换为电能的能量转换模块，能量转换模块包括双出杆液压缸以及分别与双出杆液压缸的进、出油口相连的液压系统；所述的惯性体式波浪能捕获模块包括惯性体；

所述的支架，安装在内侧浮体壳体中；

所述的双出杆液压缸，缸体固定在支架上，活塞杆的伸缩方向与浮体的轴向同向，且双出杆液压缸的活塞杆的其中一端与惯性体固定，另一端则自由运动并套接在套筒中，所述套筒固定在支架上。

进一步地，所述的内侧浮体壳体为筒形构件，所述的惯性体式波浪能捕获模块还包括导轨、悬挂弹簧、限位弹簧，其中：

所述的导轨，至少包括1根，各导轨均沿着内侧浮体壳体的轴向布置；

所述的惯性体，安装在导轨上并能够沿着导轨移动；

所述的悬挂弹簧，至少包括两根，每根悬挂弹簧的弹性伸缩方向均与内侧浮体壳体的轴向平行；悬挂弹簧的一端与支架固定，另一端则悬吊惯性体；且悬挂弹簧在惯性体捕获波浪能过程中，始终处于拉伸状态；

所述的限位弹簧，具有若干根，一一对应地安装在各导轨的两端部。

进一步地，所述内侧浮体壳体包含圆管形侧壁、圆环形顶板和圆形底板；其中：圆环形顶板紧靠着圆管形侧壁的上端开口位置处与圆管形侧壁的内壁固定，圆形底板与圆管形侧壁的下端固定；所述的支架为笼式框架，包括三块圆形钢板以及四根钢管；其中：三块圆形钢板相互平行并间隔地同轴设置；四根钢管沿着内侧浮体壳体的内腔周向均匀分布；三块圆形钢板分别为从上到下依次布置的上端板、中间板、下端板，上端板与圆环形顶板刚性连接，下端板与圆形底板之间设置配重块，配重块与圆形底板固定；所述的惯性体，设置在中间板的下方；所述的悬挂弹簧，上端与上端板固定，下端则悬吊惯性体；

所述的导轨，两端分别与中间板、下端板固定；所述的双出杆液压缸，缸体固定在中间板上；所述的套筒，固定在上端板上。

进一步地，所述的液压系统，安装在内侧浮体壳体的上表面，包含液压整流集成阀体、高压蓄能器、变量液压马达、发电机和低压蓄能器；液压整流集成阀体通过四个单向阀组成的整流桥集成在一个阀体上而形成，能够将双出杆液压缸进、出油口液压油的双向流动转变为单向流动；该单向流动始于液压整流集成阀体，依次经过高压蓄能器、变量液压马达和低压蓄能器后，再终于液压整流集成阀体；发电机与变量液压马达的转轴固连。

进一步地，还包括设备舱，设备舱位于外侧浮体的中央，底面高度高于液压系统中各液压元器件的最大高度；所述的设备舱内，设置有蓄电池以及各种功能器件。

进一步地，所述的给排水系统，设置于外侧浮体壳体，并靠近外侧浮体壳体的内环位置处布置，包含一个轴流泵、四个电磁水阀和水管；四个电磁水阀组成逆变桥，通过控制各电磁水阀的通断，利用轴流泵的驱动力和弹性水囊内部与浮标外部海水之间的压强差，实现弹性水囊内海水的吸入与排出；当需要海水顺压流动时，同时打开逆变桥同侧的两个电磁水阀并关闭另一侧的两个电磁水阀，则弹性水囊通过逆变桥同侧的两个电磁水阀与外侧浮体底部海水连通，此时，轴流泵处于关闭状态，海水顺压强差自然流动，被吸入弹性水囊中或从弹性水囊中排出；当需要海水逆压流动时，同时打开逆变桥相对侧的两个电磁水阀并关闭余下侧的两个电磁水阀，此时，轴流泵处于工作状态，在轴流泵的推动作用下，海水逆压强差被迫流动，被吸入弹性水囊中或从弹性水囊中排出。

本发明的再一个技术目的是提供一种内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，包括浮体，浮体包括内侧浮体、外侧浮体、设备舱、海洋监测传感器和系泊系统，其中：

所述内侧浮体，包括内侧浮体壳体、惯性体式波浪能发电装置，惯性体式波浪能发电装置包括支架、能够通过惯性体捕获波浪能的惯性体式波浪能捕获模块以及能够将惯性体式波浪能捕获模块所捕获的波浪能转换为电能的能量转换模块；而所述的外侧浮体，包括外侧浮体壳体以及弹性水囊模块；

所述的外侧浮体壳体为圆环形构件，而所述的内侧浮体壳体为筒形构件，内侧浮体壳体的顶部设置所述的外侧浮体壳体，且所述的内侧浮体壳体和外侧浮体壳体能够同轴拼接构成外轮廓为轴对称形状的浮体壳体，而内侧浮体壳体的底部则设置系泊系统；

所述的支架，安装在内侧浮体壳体中；

所述的惯性体式波浪能捕获模块，沿着内侧浮体壳体的轴线设置于所述的内侧浮体壳体的内腔，包括惯性体、导轨、悬挂弹簧、限位弹簧，所述的导轨，至少包括1根，各导轨均沿着内侧浮体壳体的轴向布置；所述的惯性体，安装在导轨上并能够沿着导轨移动；所述的悬挂弹簧，至少包括两根，每根悬挂弹簧的弹性伸缩方向均与内侧浮体壳体的轴向平行；悬挂弹簧的一端与支架固定，另一端则悬吊惯性体；且悬挂弹簧在惯性体捕获波浪能过程中，始终处于拉伸状态；所述的限位弹簧，具有若干根，一一对应地安装在各导轨的两端部；

所述的能量转换模块，包括双出杆液压缸以及分别与双出杆液压缸的进、出油口相连的液压系统；所述的双出杆液压缸，缸体固定在支架上，活塞杆的伸缩方向与浮体的轴向同向，且双出杆液压缸的活塞杆的其中一端与惯性体固定，另一端则自由运动并套接在套筒中，所述套筒固定在支架上；所述的液压系统，安装在内侧浮体壳体的上表面，包含液压整流集成阀体、高压蓄能器、变量液压马达、发电机和低压蓄能器；

液压整流集成阀体通过四个单向阀组成的整流桥集成在一个阀体上而形成，能够将双出杆液压缸进、出油口液压油的双向流动转变为单向流动；该单向流动始于液压整流集成阀体，依次经过高压蓄能器、变量液压马达和低压蓄能器后，再终于液压整流集成阀体；发电机与变量液压马达的转轴固连；

所述的弹性水囊模块，同轴设置于所述的外侧浮体壳体内，并能够随着波浪周期的变化，通过给排水系统从浮体外部吸入海水或者向浮体外部排出海水，改变浮体的质量和固有周期，以与当前波浪周期共振；

所述的给排水系统，设置于外侧浮体壳体，并靠近外侧浮体壳体的内环位置处布置；

所述的设备舱位于外侧浮体的中央，底面高度高于液压系统中各液压元器件的最大高度；所述的设备舱内，设置有蓄电池以及各种功能器件。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在浮标内部布置弹性水囊模块，通过改变其蓄水量来改变浮标的质量及固有周期，进而拓宽浮标实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度，以适应海上持续变化的波况。

2、通过采用液压系统，可以使得发电机稳定工作在具有最高效率的转速条件下，实现高效率的相对运动动能向电能的转换。

3、本发明通过设计特定结构形式的内侧浮体（筒形）、外侧浮体（圆环形），优化布置整个浮标的各构成部件（惯性体式波浪能发电装置<惯性体式波浪能捕获模块、能量转换模块>、弹性水囊模块<给排水系统、弹性水囊>、设备舱、海洋监测传感器和系泊系统），使得整个浮标结构紧凑，在满足各构件安装需要的前提下，降低浮标重心，提高整体结构稳定性。

附图说明

图1是内部惯性体式波浪能供电浮标的总体设计图。

图2是内部惯性体式波浪能供电浮标上部舱体内部结构的轴侧视图。

图3是图2中A区域的局部放大图。

图4是液压系统示意图。

图5是质量可调节与质量固定浮标的波浪能捕获效率对比图。

图6a是波浪周期大于浮标固有周期时弹性气囊的结构示意图。

图6b是波浪周期小于浮标固有周期时弹性气囊的结构示意图。

图7是极限波况中内部惯性体式波浪能供电浮标下沉到指定深度的示意图。

图中：10-圆管形侧壁；11-圆环形顶板；12-圆形底板；21-笼式框架；211-上端板；212-中间板；213-下端板；22-导轨；23-悬挂弹簧；24-限位弹簧；25-双出杆液压缸；26-惯性体；27-套筒；31-液压整流集成阀体；311-单向阀a；312-单向阀b；313-单向阀c；314-单向阀d；32-高压蓄能器；33-变量液压马达；34-发电机；35-低压蓄能器；36-联轴器；4-配重块；51-吊环；52-松锚链系泊系统；61-圆管形外侧板；62-圆管形内侧板；63-圆环形底板；64-圆环形盖板；65-直角垫板；71-弹性水囊；72-弹性橡胶带；73-压板；74-轴流泵；751-电磁水阀a；752-电磁水阀b；753-电磁水阀c；754-电磁水阀d；81-蓄电池。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图1至7所示，本发明所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，包括浮体，浮体包括内侧浮体、外侧浮体、设备舱、安装于浮体外表面的海洋监测传感器和系泊系统。内侧浮体的外径较小但淹没深度较大，包括内侧浮体壳体，该内侧浮体壳体主要用于安装惯性体式波浪能发电装置的惯性体式波浪能捕获模块和配重块。其中，惯性体式波浪能捕获模块将惯性体与浮体在垂荡方向上的相对运动能量捕获，惯性体式波浪能发电装置的能量转换模块将惯性体式波浪能捕获模块所捕获的动能转换为电能。外侧浮体为环形结构，包括外侧浮体壳体，其外径较大、内径略小于内侧浮体壳体的外径且淹没深度较小，该外形主要用于接受波浪激励以将波浪能转换为浮体的动能。同时，外侧浮体内部安装有弹性水囊模块，弹性水囊通过给排水系统从浮体外部吸入海水或向浮体外部排出海水以改变其蓄水量来改变浮体的质量和固有周期，进而拓宽浮体实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度。设备舱位于外侧浮体的中央，其底面高度高于内侧浮体中液压元器件的最大高度，主要用于安装蓄电池和各种功能器件，包括：安装于设备舱内的海洋监测传感器、数据采集设备和数据通信设备等。浮体外表面可以安装需要外置的海洋监测传感器，并通过水密插头与设备舱内的蓄电池和功能器件实现电气连接。浮体通过内侧浮体底部的吊环所连接的松锚链系泊系统锚定于布设海域。

所述内侧浮体与外侧浮体的外轮廓均为轴对称形状，彼此同轴且该对称轴垂直于水平面，使得浮体可以利用垂荡方向的相对运动捕获任意方向入射波浪的能量。所述内侧浮体与外侧浮体的外轮廓在接触处良好密封，以防海水浸入。

所述内侧浮体壳体，如图1所示，包含圆管形侧壁10、圆环形顶板11和圆形底板12。圆管形侧壁10由无缝钢管制作或有缝钢管焊接而成，其上端开口一定距离处焊接圆环形顶板11以与惯性体式波浪能捕获模块的上端板211刚性连接，实现惯性体式波浪能捕获模块与内侧浮体壳体之间的固连；其下端与圆形底板12焊接形成封闭结构防止海水浸入。圆环形底板12外侧焊接有吊环51，浮体通过该吊环所连接的松锚链系泊系统52锚定于布设海域，防止浮体从指定位置漂移。

所述惯性体式波浪能发电装置，包括支架、惯性体式波浪能捕获模块以及能量转换模块，其中：支架为笼式框架21，所述惯性体式波浪能捕获模块包含导轨22、悬挂弹簧23、限位弹簧24和惯性体26。所述能量转换模块包括双出杆液压缸25以及液压系统。液压系统具有大力低速的特点，可以良好匹配波浪大周期低速运动的特性。而且，液压系统中蓄能器的稳压作用使得发电机可以稳定转速运转，从而高效率地将动能转换为电能。

如图1所示，笼式框架21由三块平行且同轴并相互错开一定距离的圆形钢板（上端板211、中间板212和下端板213）和将三块钢板串联成一体且沿周向均匀分布的四根钢管焊接在一起所组成。在中间板212和下端板213之间安装两根竖直平行导轨22，惯性体26通过直线轴承安装于导轨22上。两悬挂弹簧23的一端钩于上端板211下表面的吊环上，另一端钩于惯性体26上表面的吊环上，从而将惯性体悬挂在笼式框架21中。为了最大程度地捕获波浪能量，悬挂弹簧23的刚度系数需要进行优化。在惯性体26的整个运动过程中，悬挂弹簧23应始终处于拉伸状态，因此悬挂弹簧的无拉伸长度应小于上端板211和中间板212的距离。两导轨22与中间板212和下端板213连接处固连有与导轨22同轴且具有较大刚度系数的限位弹簧24，以防止在大浪中惯性体26运动幅度过大造成的对笼式框架21的撞击。双出杆液压缸25的缸体固连于中间板212上，其活塞杆的一端与惯性体26通过虎克铰相连；另一端自由运动并被罩在固连于笼式框架上端板211的套筒27内以避免与液压元器件和设备舱中电气元器件发生物理干涉，且套筒的高度要大于活塞杆自由运动端在运动过程中的最大高度，并且在上端部开口，以避免内部气流堵塞造成对活塞运动的阻碍。惯性体26与笼式框架21之间的相对运动驱动双出杆液压缸25中活塞与缸体之间的相对运动，使得液压缸中的液压油做往复流动，从而将该相对运动的动能转换为液压能。双出杆液压缸25的进出油口与安装于笼式框架上端板211上表面的液压系统相连。

所述液压系统，如图1、图3、图4所示，包含液压整流集成阀体31、高压蓄能器32、变量液压马达33、发电机34和低压蓄能器35。液压整流集成阀体31为由四个单向阀组成的整流桥集成在一个阀体上所形成的，其作用为将双出杆液压缸25进出油口液压油的双向流动转变为单向流动。该单向流动始于液压整流集成阀体31，依次经过高压蓄能器32、变量液压马达33和低压蓄能器35，再终于液压整流集成阀体31。发电机34与变量液压马达33的转轴用联轴器36固连，从而将液压能转换为电能。高压蓄能器32和低压蓄能器35的作用在于通过其较大的容积来吸收液压回路中输入和输出流量的不稳定，从而保持变量液压马达33两端的压强差稳定，以保证发电机34稳定工作在具有最高效率的最优转速下。液压马达具有变量特性的作用在于可以通过调整液压马达的排量使得在不同波况下发电机始终以最优转速稳定运转。

如图1所示，配重块4固连于内侧浮体壳体底面处的圆形底板12上。添加配重块可以降低浮体质心的位置，提高浮体的静稳性，进而提升其抗倾覆能力。配重块4的主体为圆柱形，上部内凹进一定深度。内凹部分包裹住笼式框架21的下端板213并保持较小间隙，其原因在于：笼式框架21属于悬臂支撑状态，在运动过程中悬臂的末端可能发生较大的弯曲位移，采用与刚度系数较大的内侧浮体壳体固连的配重块4来包裹笼式框架的下端板可以阻止笼式框架的末端发生较大位移。

如图1、图2所示，所述外侧浮体壳体包含圆管形外侧板61、圆管形内侧板62、圆环形底板63和圆环形盖板64。圆管形外侧板61和圆管形内侧板62的下端均焊接到圆环形底板63外环和内环的边缘。圆管形外侧板61和圆管形内侧板62的上端沿周向均匀焊接若干直角垫板65，圆环形盖板64通过螺栓连接到直角垫板的上表面从而实现与圆管形外侧板61和圆管形内侧板62的固连。圆管形外侧板61和圆管形内侧板62与圆环形盖板64接触处良好密封，以防止海水的浸入。圆环形底板63通过螺栓与笼式框架21的上端板211连接，实现外侧浮体与内侧浮体的固连。液压系统中液压元器件的安装半径应小于圆环形底板63的内径。

弹性水囊71，如图1、图2所示，为具有封闭截面且厚度一致的环形体，内部充满海水。弹性水囊通过若干弹性橡胶带72固定于外侧浮体的底面。弹性橡胶带72的两端有厚大端部，安装时将弹性橡胶带缠绕于弹性水囊71外壁，并将每一个弹性橡胶带的厚大端部置于两相对布置的压板73内侧，依靠压板对厚大端部侧面的阻碍来承受弹性橡胶带内部的张紧力。弹性水囊71和弹性橡胶带72的线膨胀系数相同，以保持相同的变形率。弹性水囊71内部充满海水，随着内部蓄水量的变化，弹性水囊71的变形量发生变化，弹性橡胶带72紧贴弹性水囊也发生相应的变形，由于弹性橡胶带厚大端部的位置保持不变，可以对弹性水囊的位置进行约束。多个弹性橡胶带沿周向等间距地捆绑弹性水囊71，以保证形成足够的约束力使得弹性水囊与浮体同步运动，而不发生相对运动。

弹性水囊内部的海水通过给排水系统与浮体外部的海水连通。给排水系统，如图3所示，包含一个轴流泵74、四个电磁水阀和水管。四个电磁水阀组成逆变桥，通过控制各电磁水阀的通断，利用轴流泵74的驱动力和弹性水囊内部与浮体外部海水之间的压强差，实现弹性水囊内海水的吸入与排出。

本发明所提出的具有弹性水囊结构的浮体，可以将弹性水囊71进一步充满海水，使得浮体的质量大于其全部体积所对应的排水量，造成浮体在海水中下沉；当下沉至一定深度时，将弹性水囊中的一部分海水排出，使得浮体的质量与其全部体积所对应的排水量平衡而悬浮在该深度处，以避免波浪的剧烈冲击，如图7所示。

所述设备舱，如图1所示，包含蓄电池81和各种功能器件，包括：安装于设备舱内的海洋监测传感器、数据采集设备和数据通信设备等。蓄电池和数据采集设备与安装于设备舱内的海洋监测传感器实现电气连接，或者通过水密插头与安装于浮体外表面的海洋监测传感器实现电气连接，为各种传感器提供电能并采集其测量得到的数据。数据通信设备可以向岸基的基站或卫星发送采集到的实时数据或接收其发送过来的命令。设备舱顶部罩体呈半球形是为了在更大角度空间范围内利用内部传感器监测海洋环境要素和利用内部通信模块收发数据。

本发明所述的惯性体式波浪能捕获模块的工作原理如下：

在波浪的激励作用下，浮标跟随波浪作往复运动。由于浮标惯性体26与浮标之间并非固连，在惯性作用下，惯性体和浮体之间发生相对运动。由于导轨方向的限制，惯性体26和浮体只发生垂荡方向的相对运动，且该垂荡运动的平衡位置位于笼式框架的中间板212和下端板213的中间。惯性体26的相对垂荡运动驱动用铰链与其相连的活塞杆的一端，并造成活塞在双出杆液压缸25中往复运动，从而在液压缸的上下部分腔体中产生高压区和低压区。

当海洋监测浮标所在海域波浪的波高较大时，惯性体26的行程可能达到限位弹簧24所处位置。此时，具有较大刚度系数的限位弹簧24产生较大的回弹力以迅速降低惯性体26的速度直至停止，从而防止惯性体将限位弹簧完全压实而产生碰撞。在该过程中，限位弹簧24将惯性体的动能转换为弹性势能进行存储，并将该部分弹性势能在惯性体26的下一步反方向运动阶段释放并转换为惯性体的动能。

外侧浮体的工作原理如下：

内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标通过调整浮体质量以拓宽浮体实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度之原理描述如下，如图5所示。对于具有固定质量的内部惯性体式波浪能供电浮体，由于惯性体质量的限制，浮体实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度较窄。如果浮体的质量可以调节，在不同波况下可以将浮体的质量调节到最优值，那么该浮体的波浪能捕获效率曲线为一系列固定质量浮体波浪能捕获效率曲线的包络线。可以看出，采用质量可调节的浮体，其实现高效率波浪能捕获的波浪频带宽度获得大幅度拓宽，因此，可以良好适应海上持续变化的波况。

内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标通过调节内部弹性水囊蓄水量以调节浮体质量的过程描述如下。如图6a、6b所示，当波浪周期大于浮体的固有周期时，需要将海水吸入弹性水囊71，增大浮体质量和固有周期，以匹配波浪周期发生共振，从而最大程度地捕获波浪能量；当波浪周期小于浮体的固有周期时，需要将弹性水囊71内的海水排出，减小浮体质量和固有周期，以匹配波浪周期发生共振，从而最大程度地捕获波浪能量。弹性水囊71通过给排水系统在外侧浅浮体的底部与海水连通。作为一个弹性体，弹性水囊体积发生变化时，其内部海水的压强也相应会发生变化，这就造成了在改变弹性水囊蓄水量的过程中海水流动分为顺压流动和逆压流动。

顺压流动是指：当将海水吸入弹性水囊71时，外侧浅浮体底部的海水压强高于弹性水囊内部的海水压强；或当将海水从弹性水囊排出时，弹性水囊内部的海水压强高于外侧浅浮体底部的海水压强。相反，逆压流动是指：当将海水吸入弹性水囊71时，外侧浅浮体底部的海水压强低于弹性水囊内部的海水压强；或当将海水从弹性水囊排出时，弹性水囊内部的海水压强低于外侧浅浮体底部的海水压强。本发明通过由四个电磁水阀组成的逆变桥和提供动力的轴流泵74形成给排水系统，以改变弹性水囊71的蓄水量。当需要海水顺压流动时，同时打开逆变桥同侧的两个水阀并关闭另一侧的两个水阀（例如：同时打开电磁水阀751和电磁水阀753并同时关闭电磁水阀752和电磁水阀754，或同时打开电磁水阀752和电磁水阀754并同时关闭电磁水阀751和电磁水阀753），则弹性水囊71通过逆变桥同侧的两个水阀与外侧浅浮体底部海水连通，此时，轴流泵74处于关闭状态，海水顺压强差自然流动，被吸入弹性水囊中或从弹性水囊中排出。在需要海水逆压流动时，同时打开逆变桥相对侧的两个水阀并关闭另一相对侧的两个水阀（例如：假设轴流泵的升压方向在图3中由下至上，则当需要将弹性水囊71中的海水排出时，同时打开电磁水阀a751和电磁水阀d754并同时关闭电磁水阀b752和电磁水阀c753；或当需要向弹性水囊中吸入海水时，同时打开电磁水阀b752和电磁水阀c753并同时关闭电磁水阀a751和电磁水阀d754），此时，轴流泵74处于工作状态，在轴流泵的推动作用下，海水逆压强差被迫流动，被吸入弹性水囊中或从弹性水囊中排出。

液压系统示意图如图4所示，液压系统的工作原理是：

当双出杆液压缸25中高压区压强低于或等于高压蓄能器32时，液压整流集成阀体31中各单向阀处于关闭状态，因此活塞处于静止状态；高压蓄能器31中的液压油流出，流经变量液压马达33并带动与其轴联的发电机34旋转并产生电能，最终到达低压蓄能器35中。

当双出杆液压缸25中高压区的压强高于高压蓄能器时，液压整流集成阀体31的整流桥中某一相对侧的两个单向阀打开而另一相对侧的两个单向阀关闭（例如：当液压缸上部腔体为高压区时单向阀b312和单向阀c313打开而单向阀a311和单向阀d314关闭，或当液压缸下部腔体为高压区时单向阀a311和单向阀d314打开而单向阀b312和单向阀c313关闭），因此活塞处于运动状态；双出杆液压缸25中高压区内的液压油流出，从高压蓄能器32向低压蓄能器35方向流经变量液压马达33并带动与其轴联的发电机34旋转并产生电能，最后回流到低压区中；高压蓄能器32中的液压油输出以补充高压区液压油流出流量的不足，或在高压区液压油流出流量过多时被输入以进行补给；低压蓄能器35中的液压油输出以补充低压区液压油回流流量的不足，或在低压区液压油回流流量过多时被输入以进行补给。变量液压马达33输入端的压强等于高压蓄能器32中的压强，输出端的压强等于低压蓄能器35中的压强。由于高压蓄能器32和低压蓄能器35容积较大，双出杆液压缸25经液压整流集成阀体31流出或流入流量的不稳定性被高压蓄能器和低压蓄能器消除，使得变量液压马达输入和输出端的压强基本保持稳定，因而带动发电机34以稳定的转速旋转。

通常情况下，发电机在将其输入轴的机械能转换为电能的过程中，均存在一个使得能量转换效率最高的最优转速。如果发电机的转速不稳定，势必造成其瞬时能量转换效率经常低于该最高值。因此，为了使得发电机的效率最高，必须使得发电机的转速稳定，并且稳定于最优值。通过在液压系统中采用高压蓄能器和低压蓄能器，可以使得发电机的转速保持稳定。而实现该转速稳定在最优值，则需要调节变量液压马达的排量。液压马达的排量表示液压马达旋转一周所排出液体的体积，在相同的流量输入条件下，改变液压马达的排量可以改变液压马达的转速，从而可以调整发电机的转速。

当海洋监测浮标所在海域的波况发生变化时，由于输入的波浪能量等级发生改变，高压蓄能器32和低压蓄能器35中的压强水平也将发生相应的变化，使得变量液压马达输入和输出端的压强差和流量都发生改变。为了维持发电机34的转速稳定在最优值，需要调节变量液压马达排量使得发电机的转速稳定在最优值。

采用双出杆液压缸的目的是使得惯性体与浮体之间的相对运动在任意方向均具有相同的运动特性。与常用的单出杆液压缸不同的是，双出杆液压缸中活塞两端的有效面积是相同的。不管活塞相对于液压缸是向上运动还是向下运动，相同外力所产生的高压区（当活塞相对于液压缸向上运动时液压缸上部腔体为高压区，当活塞相对于液压缸向下运动时液压缸下部腔体为高压区）的压强是相同的。由于该相对运动两个方向的运动能量是相同的，双出杆液压缸可以使得上下两个方向的相对运动利用同一套液压系统实现动能向电能的高效转换，不仅避免了在相对运动的两个方向分别采用一套液压系统造成结构复杂的问题，还能够避免只采用一套液压系统但只与某一个运动方向匹配而与另一个运动方向不匹配所造成的总体能量转换效率降低的问题。

海洋中波浪的能量主要集中于海面，并随着深度的下降呈指数衰减。当处于极限波况时（例如台风产生的巨浪），浮于海洋表面的浮体将遭受波浪的剧烈冲击，可能会造成浮体机械结构和系泊系统的破坏。而如果在极限波况中，浮体下沉到海面以下一定深度，将可以避免受到剧烈波浪的冲击而生存下来。

内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮体在正常工作时，由波浪能捕获模块中的发电机34产生电能。当该电能足够供给各种传感器、数据采集设备、数据通信设备和给排水系统中的电磁阀与轴流泵时，剩余的电能输入到蓄电池81中进行存储；当该电能不足以供给各种功能器件时，由蓄电池提供电能作为补充。

Claims (10)

1.一种内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，包括浮体，所述浮体包括浮体壳体以及惯性体式波浪能发电装置，惯性体式波浪能发电装置包括能够通过惯性体捕获波浪能的惯性体式波浪能捕获模块，其特征在于，所述浮体还包括弹性水囊模块，其中：

所述的浮体壳体，外轮廓为轴对称形状，包括同轴设置的内侧浮体壳体和外侧浮体壳体；内侧浮体壳体的顶部设置所述的外侧浮体壳体，而内侧浮体壳体的底部则设置锚链系泊系统；

所述的惯性体式波浪能捕获模块，沿着内侧浮体壳体的轴线设置于所述的内侧浮体壳体的内腔；

所述的弹性水囊模块，同轴设置于所述的外侧浮体壳体内，并能够随着波浪周期的变化，通过给排水系统从浮体外部吸入海水或者向浮体外部排出海水，改变浮体的质量和固有周期，以与当前波浪周期共振。

2.根据权利要求1所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，所述的外侧浮体壳体为圆环形构件；

所述的弹性水囊模块，包括弹性水囊和弹性带，弹性水囊呈圆环形设置，弹性带具有若干根，弹性水囊通过各弹性带固定在外侧浮体壳体的环形腔腔底，且各弹性带的线膨胀系数均与弹性水囊一致。

3.根据权利要求2所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，弹性带为弹性橡胶带，且每一根弹性带的两端均设置有厚大端部；

各弹性带周向均布在外侧浮体壳体的环形腔中，且各弹性带的两个厚大端部均位于两相对布置的压板内侧，而每一根弹性带的带体均穿过所述的两压板之间的间隙后位于两压板的外侧，并缠绕于弹性水囊的外壁。

4.根据权利要求2所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，所述的惯性体式波浪能发电装置还包括支架以及能够将惯性体式波浪能捕获模块所捕获的波浪能转换为电能的能量转换模块，能量转换模块包括双出杆液压缸以及分别与双出杆液压缸的进、出油口相连的液压系统；所述的惯性体式波浪能捕获模块包括惯性体；

所述的支架，安装在内侧浮体壳体中；

所述的双出杆液压缸，缸体固定在支架上，活塞杆的伸缩方向与浮体的轴向同向，且双出杆液压缸的活塞杆的其中一端与惯性体固定，另一端则自由运动并套接在套筒中，所述套筒固定在支架上。

5.根据权利要求4所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，所述的内侧浮体壳体为筒形构件，所述的惯性体式波浪能捕获模块还包括导轨、悬挂弹簧、限位弹簧，其中：

所述的导轨，至少包括1根，各导轨均沿着内侧浮体壳体的轴向布置；

所述的惯性体，安装在导轨上并能够沿着导轨移动；

所述的悬挂弹簧，至少包括两根，每根悬挂弹簧的弹性伸缩方向均与内侧浮体壳体的轴向平行；悬挂弹簧的一端与支架固定，另一端则悬吊惯性体；且悬挂弹簧在惯性体捕获波浪能过程中，始终处于拉伸状态；

所述的限位弹簧，具有若干根，一一对应地安装在各导轨的两端部。

6.根据权利要求5所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，所述内侧浮体壳体包含圆管形侧壁、圆环形顶板和圆形底板；其中：

圆环形顶板紧靠着圆管形侧壁的上端开口位置处与圆管形侧壁的内壁固定，圆形底板与圆管形侧壁的下端固定；

所述的支架为笼式框架，包括三块圆形钢板以及四根钢管；其中：

三块圆形钢板相互平行并间隔地同轴设置；四根钢管沿着内侧浮体壳体的内腔周向均匀分布；

三块圆形钢板分别为从上到下依次布置的上端板、中间板、下端板，上端板与圆环形顶板刚性连接，下端板与圆形底板之间设置配重块，配重块与圆形底板固定；

所述的惯性体，设置在中间板的下方；

所述的悬挂弹簧，上端与上端板固定，下端则悬吊惯性体；

所述的导轨，两端分别与中间板、下端板固定；

所述的双出杆液压缸，缸体固定在中间板上；

所述的套筒，固定在上端板上。

7.根据权利要求4或6所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，所述的液压系统，安装在内侧浮体壳体的上表面，包含液压整流集成阀体、高压蓄能器、变量液压马达、发电机和低压蓄能器；

液压整流集成阀体通过四个单向阀组成的整流桥集成在一个阀体上而形成，能够将双出杆液压缸进、出油口液压油的双向流动转变为单向流动；该单向流动始于液压整流集成阀体，依次经过高压蓄能器、变量液压马达和低压蓄能器后，再终于液压整流集成阀体；

发电机与变量液压马达的转轴固连。

8.根据权利要求7所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，还包括设备舱，设备舱位于外侧浮体的中央，底面高度高于液压系统中各液压元器件的最大高度；

所述的设备舱内，设置有蓄电池以及各种功能器件。

9.根据权利要求1所述的内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，所述的给排水系统，设置于外侧浮体壳体，并靠近外侧浮体壳体的内环位置处布置，包含一个轴流泵、四个电磁水阀和水管；

四个电磁水阀组成逆变桥，通过控制各电磁水阀的通断，利用轴流泵的驱动力和弹性水囊内部与浮标外部海水之间的压强差，实现弹性水囊内海水的吸入与排出；

当需要海水顺压流动时，同时打开逆变桥同侧的两个电磁水阀并关闭另一侧的两个电磁水阀，则弹性水囊通过逆变桥同侧的两个电磁水阀与外侧浮体底部海水连通，此时，轴流泵处于关闭状态，海水顺压强差自然流动，被吸入弹性水囊中或从弹性水囊中排出；

当需要海水逆压流动时，同时打开逆变桥相对侧的两个电磁水阀并关闭余下侧的两个电磁水阀，此时，轴流泵处于工作状态，在轴流泵的推动作用下，海水逆压强差被迫流动，被吸入弹性水囊中或从弹性水囊中排出。

10.一种内部惯性体式波浪能供电海洋监测浮标，其特征在于，包括浮体，浮体包括内侧浮体、外侧浮体、设备舱、海洋监测传感器和系泊系统，其中：

所述内侧浮体，包括内侧浮体壳体、惯性体式波浪能发电装置，惯性体式波浪能发电装置包括支架、能够通过惯性体捕获波浪能的惯性体式波浪能捕获模块以及能够将惯性体式波浪能捕获模块所捕获的波浪能转换为电能的能量转换模块；而所述的外侧浮体，包括外侧浮体壳体以及弹性水囊模块；

所述的外侧浮体壳体为圆环形构件，而所述的内侧浮体壳体为筒形构件，内侧浮体壳体的顶部设置所述的外侧浮体壳体，且所述的内侧浮体壳体和外侧浮体壳体能够同轴拼接构成外轮廓为轴对称形状的浮体壳体，而内侧浮体壳体的底部则设置系泊系统；

所述的支架，安装在内侧浮体壳体中；

所述的惯性体式波浪能捕获模块，沿着内侧浮体壳体的轴线设置于所述的内侧浮体壳体的内腔，包括惯性体、导轨、悬挂弹簧、限位弹簧，所述的导轨，至少包括1根，各导轨均沿着内侧浮体壳体的轴向布置；所述的惯性体，安装在导轨上并能够沿着导轨移动；所述的悬挂弹簧，至少包括两根，每根悬挂弹簧的弹性伸缩方向均与内侧浮体壳体的轴向平行；悬挂弹簧的一端与支架固定，另一端则悬吊惯性体；且悬挂弹簧在惯性体捕获波浪能过程中，始终处于拉伸状态；所述的限位弹簧，具有若干根，一一对应地安装在各导轨的两端部；

所述的能量转换模块，包括双出杆液压缸以及分别与双出杆液压缸的进、出油口相连的液压系统； 所述的双出杆液压缸，缸体固定在支架上，活塞杆的伸缩方向与浮体的轴向同向，且双出杆液压缸的活塞杆的其中一端与惯性体固定，另一端则自由运动并套接在套筒中，所述套筒固定在支架上；所述的液压系统，安装在内侧浮体壳体的上表面，包含液压整流集成阀体、高压蓄能器、变量液压马达、发电机和低压蓄能器；

液压整流集成阀体通过四个单向阀组成的整流桥集成在一个阀体上而形成，能够将双出杆液压缸进、出油口液压油的双向流动转变为单向流动；该单向流动始于液压整流集成阀体，依次经过高压蓄能器、变量液压马达和低压蓄能器后，再终于液压整流集成阀体；发电机与变量液压马达的转轴固连；

所述的弹性水囊模块，同轴设置于所述的外侧浮体壳体内，并能够随着波浪周期的变化，通过给排水系统从浮体外部吸入海水或者向浮体外部排出海水，改变浮体的质量和固有周期，以与当前波浪周期共振；

所述的给排水系统，设置于外侧浮体壳体，并靠近外侧浮体壳体的内环位置处布置；

所述的设备舱位于外侧浮体的中央，底面高度高于液压系统中各液压元器件的最大高度；所述的设备舱内，设置有蓄电池以及各种功能器件。

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