CN112922770A - 一种单自由度运动的波浪能供电浮标 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单自由度运动的波浪能供电浮标，包括标体、仪器架、波浪能发电装置、蓄电池、控制系统、锚固装置，标体包括尾管、曲线中心管、主浮筒、收缩管，主浮筒包括浮筒本体、运动抑制曲线部，尾管与浮筒本体连接；曲线中心管安装于浮筒本体内；收缩管安装于浮筒本体的顶部，浮筒本体、曲线中心管、收缩管之间形成密闭腔体；仪器架安装于浮筒本体的顶部；蓄电池、控制系统安装于仪器架的顶部；波浪能发电装置安装于收缩管的顶部；尾管通过锚固装置与水底地面锚固。本申请的单自由度运动的波浪能供电浮标可俘获任何方向的波浪，转换为其自身的垂荡运动，有效抑制其他自由度的运动，实现波浪能的高效俘获。

Description

一种单自由度运动的波浪能供电浮标

技术领域

本发明涉及波浪能供电技术领域，具体是一种单自由度运动的波浪能供电浮标。

背景技术

浮标为浮于水面的结构。最常见的浮标为航标，为助航标志，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。其余浮标可具备测量、信号发射接收等功能。

浮标的能源主要为电能，可分为常规电能和可再生电能两大类。常规电能通常采用蓄电池供电，需要定期更换蓄电池；也有通过水下电缆，将岸基电能为浮标供电的方案，需要铺设水下电缆。所谓可再生电能源则是指利用可再生自然能源发出的电能为浮标供电，其优点在于就地采能发电，避免更换电池或铺设水下电缆，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，具有巨大的开发潜力。

太阳能浮标利用太阳能电池把太阳能转换为电能，储存在蓄电池供浮标使用。当前太阳能电池在浮标上应用比较广泛，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，表面易被盐雾覆盖，逐渐形成盐层，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；阴天会导致太阳能电池性能降低，而且夜间无法工作；在极端海况下太阳能电池板容易被破坏；在高纬度地区存在入射角度小等问题。

波浪能浮标靠波浪能发电浮标利用浮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，浮标主要是应用于海上或河道上漂浮式装置，利用波浪能发电实现浮标能源自给，具有便利性、可行性和可操作性。截止目前为止，在实际应用中的气动式波浪能发电浮标由于采用圆柱形结构具有聚波效果，其有效的运动为垂荡运动。但在实海况运行过程中，浮标经常会出现多自由度的运动，对浮标的可靠性、稳定性、吸波效率均有不利的影响。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种单自由度运动的波浪能供电浮标，可有效抑制除垂荡之外的其他自由度的运动，提高浮标的随波性、转换效率、稳定性及可靠性。

为实现上述目的，本发明公开了一种单自由度运动的波浪能供电浮标，包括标体和锚固装置，所述标体具有尾管、曲线中心管、主浮筒和、收缩管，所述主浮筒包括浮筒本体和安装于所述浮筒本体两侧的运动抑制曲线部，所述尾管的上部与所述浮筒本体连接，所述曲线中心管安装于所述浮筒本体内，且所述曲线中心管与所述浮筒本体的中轴线相重合，所述曲线中心管的外壁与所述浮筒本体的内壁之间为密封结构；所述收缩管安装于所述浮筒本体的顶部，且位于所述浮筒本体的中轴线上，所述浮筒本体、所述曲线中心管、所述收缩管之间形成有连通的密闭腔体，所述尾管通过锚固装置与水底地面锚固，其中，

所述运动抑制曲线部的竖直截面上的外部边缘呈非线性曲线状，当所述浮标左右受波浪力不平衡时，主浮筒整体外形的非线性曲线随着一侧入水越多，排水体积增加越快，该侧浮力增值大于波浪力减小值，所述浮标回复到正常浮态。

如上所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，进一步地，所述收缩管的顶部还安装有波浪能发电装置，其中，

在波浪的作用下，浮标的标体做往复垂荡运动，使尾管内的水柱在管内做相对振荡运动；

当波峰作用于浮标上时，波浪推动浮标整体向上运动，主浮筒内的水柱相对筒壁向下运动，主浮筒内气体体积增大，气体压力减小，外界空气在压力下通过波浪能发电装置进入收缩管内，波浪能发电装置发电；

当波谷作用于浮标上时，浮标浮力减小，重力作用下浮标整体向下运动，主浮筒内的水柱相对筒壁向上运动，主浮筒内气体体积减小，气体压力增大，浮标体内压力通过波浪能发电装置排出到空气中，波浪能发电装置发电。

根据权利要求1或2所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述标体还包括阻浪板，所述阻浪板设置于所述尾管的一侧，其两端分别与所述尾管、所述运动抑制曲线部相连。

如上所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，进一步地，还包括仪器架、蓄电池和控制系统，所述仪器架安装于所述浮筒本体的顶部，且所述仪器架与所述浮筒本体的中轴线相重合；所述蓄电池、控制系统安装于所述仪器架的顶部；所述波浪能发电装置设置于所述仪器架的下方；所述波浪能发电装置、所述蓄电池分别与所述控制系统电性相连。

如上所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，进一步地，所述仪器架为桁架结构，且所述仪器架的顶部还安装有太阳能发电系统、指示灯和桅杆，所述太阳能发电系统、所述指示灯分别与所述控制系统电性相连。

如上所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，进一步地，所述锚固装置包括安装于所述尾管上相对两侧部上的锚链、以及安装于所述锚链底端的锚块。

如上所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，进一步地，所述曲线中心管的竖直截面水平方向上两侧的边线呈流线曲线状。

如上所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，进一步地，所述阻浪板的竖直截面呈三角形，所述阻浪板上的最长边所在侧的两端分别连接于所述尾管、所述运动抑制曲线部上，且该边的长度等于所述尾管的底部至所述运动抑制曲线部顶部之间的竖直距离。

根据权利要求所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述尾管为内部中空的圆锥体。

如上所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，进一步地，所述收缩管为下部宽、上部窄的圆锥台筒状结构，所述收缩管的侧壁上均匀排列安装有多个溢流阀，所述收缩管的顶部设置有多个多孔法兰，所述波浪能发电装置通过至少一个所述多孔法兰安装于所述收缩管上。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本申请的单自由度运动的波浪能供电浮标，采用浮筒本体、运动抑制曲线部构成的主浮筒，提高波浪能捕获性能，并能够作为标体的稳定基体，提高浮标上的各种设备的安全性；同时，主浮筒可作为稳定的维修平台，为浮标进行实海况作业时提供安全保障。

2、本申请的单自由度运动的波浪能供电浮标，浮标在运动时会出现6个自由度的运动，除了垂荡运动和艏摇运动外，其他自由度方向的运动均会出现浮标左右受波浪力不平衡的状态。当作用在主浮筒两侧的波浪力不平衡时，浮标发生倾斜，受波浪力较小的一侧入水体积逐渐增加。由于根据水质点的运动特性设计运动抑制曲线部的设置，即主浮筒整体外形呈特殊的非线性曲线，随着一侧入水越多，排水体积增加越快，该侧浮力增值大于波浪力减小值，浮标回复到正常浮态。因此，浮标在四个自由度方向的运动均被有效的抑制。另外，通过阻浪板和锚固装置的设置，浮标的艏摇运动基本被限制。阻浪板不仅可实现浮标快速对准来波方向，防止锚链缠绕，同时在浮标做垂荡运动时可有效的引导其按照垂直方向往复运动。因此，本申请的单自由度运动的波浪能供电浮标可俘获任何方向的波浪，转换为其自身的垂荡运动，有效抑制其他自由度的运动，实现波浪能的高效俘获。

3、本申请的单自由度运动的波浪能供电浮标，曲线中心管的空腔采用带收缩性能的流线设计，可增加空气的流动速度，减少空气运动时候能量的损失。

4、本申请的单自由度运动的波浪能供电浮标，通过圆锥台筒状的收缩管道设计，不仅有利于加快空气的运动速度及获取更多的波浪能，而且方便波浪能发电装置的便捷安装及快速更换。

5、本申请的单自由度运动的波浪能供电浮标，浮标可以同时安装1个或多个波浪能发电装置，灵活控制浮标的额定装机功率。从而实现在不同海况工作时，能够根据波浪能资源情况选择安装波浪能发电装置的数量，提高发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例中单自由度运动的波浪能供电浮标的结构示意图。

附图标记：100、标体；110、尾管；120、曲线中心管；130、主浮筒；131、浮筒本体；132、运动抑制曲线部；140、收缩管；150、阻浪板；200、仪器架；300、波浪能发电装置；400、蓄电池；500、控制系统；600、锚固装置；610、锚链；620、锚块；700、太阳能发电系统；800、指示灯；900、桅杆。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1，图1是本申请实施例中单自由度运动的波浪能供电浮标的结构示意图。本发明提供一种单自由度运动的波浪能供电浮标，可有效抑制除垂荡之外的其他自由度的运动，提高浮标的随波性、转换效率、稳定性及可靠性。

在一种可选的实施方式中，参考图1所示的一种单自由度运动的波浪能供电浮标，包括标体100、仪器架200、波浪能发电装置300、蓄电池400、控制系统500、锚固装置600，标体100包括尾管110、曲线中心管120、主浮筒130、收缩管140，主浮筒130包括浮筒本体131、安装于浮筒本体131两侧的运动抑制曲线部132，浮筒本体131与运动抑制曲线部132一体成型。尾管110的上部与浮筒本体131焊接连接。曲线中心管120安装于浮筒本体131内，且曲线中心管120与浮筒本体131的中轴线相重合，曲线中心管120的外壁与浮筒本体131的内壁之间为密封结构。收缩管140安装于浮筒本体131的顶部，且位于浮筒本体131的中轴线上，浮筒本体131、曲线中心管120、收缩管140之间形成有连通的密闭腔体。仪器架200螺接安装于浮筒本体131的顶部，且仪器架200与浮筒本体131的中轴线相重合。蓄电池400、控制系统500螺接安装于仪器架200的顶部，控制系统500可以是现有技术中的任意一种。波浪能发电装置300螺接安装于收缩管140的顶部，且设置于仪器架200的下方。尾管110通过锚固装置600与水底地面锚固，波浪能发电装置300、蓄电池400分别与控制系统500电性相连。

在本实施例中，仪器架200的顶部还螺接安装有太阳能发电系统700、指示灯800、桅杆900，太阳能发电系统700、指示灯800分别与控制系统500电性相连。锚固装置600包括安装于尾管110上相对两侧部上的锚链610、螺接或焊接安装于锚链610底端的锚块620。标体100还包括阻浪板150，阻浪板150设置于尾管110的一侧，其两端分别与尾管110、运动抑制曲线部132相连。

阻浪板150可以是现有技术中的任意一种，例如矩形板等。作为本实施例的一种优选的实施方式，阻浪板150的竖直截面呈三角形，阻浪板150上的最长边所在侧的两端分别连接于尾管110、运动抑制曲线部132上，且该边的长度等于尾管110的底部至运动抑制曲线部132顶部之间的竖直距离。这样设置的好处是，通过阻浪板150实现浮标快速对准来波方向，防止锚链610缠绕，同时在浮标做垂荡运动时可有效的引导其按照垂直方向往复运动。

在本实施例中，尾管110为内部中空的圆锥体。

作为本实施例的一种优选地实施方式，收缩管140为下部宽、上部窄的圆锥台筒状结构，收缩管140的侧壁上均匀排列安装有多个溢流阀，收缩管140的顶部设置有多个多孔法兰，波浪能发电装置300通过至少一个多孔法兰安装于收缩管140上。这样设置的好处是，通过圆锥台筒状的收缩管140的管道设计，不仅有利于加快空气的运动速度及获取更多的波浪能，而且方便波浪能发电装置300的便捷安装及快速更换。同时，浮标可以同时安装1个或多个波浪能发电装置300，灵活控制浮标的额定装机功率，从而实现在不同海况工作时，能够根据波浪能资源情况选择安装波浪能发电装置300的数量，提高发电效率。

在本实施例中，仪器架200为桁架结构。

在本实施例中，运动抑制曲线部132的竖直截面上的外部边缘呈非线性曲线状。

曲线中心管120可以是现有技术中的任意一种曲线形管道，例如S形管等。作为本实施例的一种优选地实施方式，曲线中心管120的竖直截面水平方向上两侧的边线呈流线曲线状，曲线中心管120的空腔采用带收缩性能的流线设计，这样设置的好处是，可增加空气的流动速度，减少空气运动时候能量的损失。

工作原理：

浮标通过锚链610和锚块620系泊于水底，主浮筒130部分漂浮于水面之上，部分浸没于水面之下。

在波浪的作用下，浮标的标体100做往复垂荡运动，使尾管110内的水柱在管内做相对振荡运动。当波峰作用于浮标上时，波浪推动浮标整体向上运动，主浮筒130内的水柱相对筒壁向下运动，主浮筒130内气体体积增大，气体压力减小，外界空气在压力下通过波浪能发电装置300进入收缩管140内，波浪能发电装置300发电。当波谷作用于浮标上时，浮标浮力减小，重力作用下浮标整体向下运动，主浮筒130内的水柱相对筒壁向上运动，主浮筒130内气体体积减小，气体压力增大，浮标体内压力通过波浪能发电装置300排出到空气中，波浪能发电装置300发电。

浮标在运动时会出现6个自由度的运动，除了垂荡运动和艏摇运动外，其他自由度方向的运动均会出现浮标左右受波浪力不平衡的状态。当作用在主浮筒130两侧的波浪力不平衡时，浮标发生倾斜，受波浪力较小的一侧入水体积逐渐增加。由于主浮筒130整体外形成特殊的非线性曲线，随着一侧入水越多，排水体积增加越快，该侧浮力增值大于波浪力减小值，浮标回复到正常浮态。因此，浮标在四个自由度方向的运动均被有效的抑制。另外，通过阻浪板150及锚固装置600，浮标的艏摇运动基本被限制。阻浪板150实现浮标快速对准来波方向，防止锚链610缠绕，同时在浮标做垂荡运动时可有效的引导其按照垂直方向往复运动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (10)

1.一种单自由度运动的波浪能供电浮标，包括标体和锚固装置，其特征在于，所述标体具有尾管、曲线中心管、主浮筒和、收缩管，所述主浮筒包括浮筒本体和安装于所述浮筒本体两侧的运动抑制曲线部，所述尾管的上部与所述浮筒本体连接，所述曲线中心管安装于所述浮筒本体内，且所述曲线中心管与所述浮筒本体的中轴线相重合，所述曲线中心管的外壁与所述浮筒本体的内壁之间为密封结构；所述收缩管安装于所述浮筒本体的顶部，且位于所述浮筒本体的中轴线上，所述浮筒本体、所述曲线中心管、所述收缩管之间形成有连通的密闭腔体，所述尾管通过锚固装置与水底地面锚固，其中，

所述运动抑制曲线部的竖直截面上的外部边缘呈非线性曲线状，当所述浮标左右受波浪力不平衡时，主浮筒整体外形的非线性曲线随着一侧入水越多，排水体积增加越快，该侧浮力增值大于波浪力减小值，所述浮标回复到正常浮态。

2.根据权利要求1所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述收缩管的顶部还安装有波浪能发电装置，其中，

在波浪的作用下，浮标的标体做往复垂荡运动，使尾管内的水柱在管内做相对振荡运动；

当波峰作用于浮标上时，波浪推动浮标整体向上运动，主浮筒内的水柱相对筒壁向下运动，主浮筒内气体体积增大，气体压力减小，外界空气在压力下通过波浪能发电装置进入收缩管内，波浪能发电装置发电；

当波谷作用于浮标上时，浮标浮力减小，重力作用下浮标整体向下运动，主浮筒内的水柱相对筒壁向上运动，主浮筒内气体体积减小，气体压力增大，浮标体内压力通过波浪能发电装置排出到空气中，波浪能发电装置发电。

3.根据权利要求1或2所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述标体还包括阻浪板，所述阻浪板设置于所述尾管的一侧，其两端分别与所述尾管、所述运动抑制曲线部相连。

4.根据权利要求1所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，还包括仪器架、蓄电池和控制系统，所述仪器架安装于所述浮筒本体的顶部，且所述仪器架与所述浮筒本体的中轴线相重合；所述蓄电池、控制系统安装于所述仪器架的顶部；所述波浪能发电装置设置于所述仪器架的下方；所述波浪能发电装置、所述蓄电池分别与所述控制系统电性相连。

5.根据权利要求4所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述仪器架为桁架结构，且所述仪器架的顶部还安装有太阳能发电系统、指示灯和桅杆，所述太阳能发电系统、所述指示灯分别与所述控制系统电性相连。

6.根据权利要求1所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述锚固装置包括安装于所述尾管上相对两侧部上的锚链、以及安装于所述锚链底端的锚块。

7.根据权利要求1所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述曲线中心管的竖直截面水平方向上两侧的边线呈流线曲线状。

8.根据权利要求3所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述阻浪板的竖直截面呈三角形，所述阻浪板上的最长边所在侧的两端分别连接于所述尾管、所述运动抑制曲线部上，且该边的长度等于所述尾管的底部至所述运动抑制曲线部顶部之间的竖直距离。

9.根据权利要求所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述尾管为内部中空的圆锥体。

10.根据权利要求1所述的单自由度运动的波浪能供电浮标，其特征在于，所述收缩管为下部宽、上部窄的圆锥台筒状结构，所述收缩管的侧壁上均匀排列安装有多个溢流阀，所述收缩管的顶部设置有多个多孔法兰，所述波浪能发电装置通过至少一个所述多孔法兰安装于所述收缩管上。

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