CN112977773A - 一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，包括若干发电鳍板和发电控制模块，所述的发电鳍板位于航行器外侧，通过鳍轴安装在航行器外壁上；所述的鳍轴连接发电机的转轴，发电鳍板在潮流推动下带动鳍轴转动，为发电机输入能量；所述的鳍轴在发电控制模块下锁定或旋转。本发明利用自主航行器的原有鳍板摆动进行发电，不增加新的机械结构，结构简单，鳍板运动控制装置不影响航行器的正常航行性能，能够维持探测仪器超长时间的水下探测工作。

Description

一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器
技术领域
本发明属于海洋装备技术领域，涉及一种水下无人自主航行器。
背景技术
海洋能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，利用海洋能发电能够改善能源结构和环境质量，同时也是全球应对气候变暖，调整能源结构的重要选择之一。目前的海洋能发电装置或固定于海洋平台，或需要投放在指定位置进行锚系，而进行定点投放及回收需要大量费用。
自主水下航行器具有活动范围大、可重复利用、成本和维护费用低、投放回收方便等优点。在大力探测深海的当下，自主水下航行器发挥着越来越重要的作用。但目前无人水下航行器在海洋中进行探测或监测任务时的能源补给还是主要依赖于航行器自携电池，航行器体积尺寸及重量限制使得自携电池的电量容量存在阈值，因此无法进行长时间的探测任务。
如果能够将海洋能发电装置和自主水下航行器结合起来，利用海洋能发电来解决自主航行器长时间探测监测任务所需的能源补给问题，同时又利用自主航行器自主航行来解决发电装置定点投放和自主回收问题，这将会大幅度降低花费，延长水下探测时长，从而大程度提升航行器探测深海的深度和广度。
为解决无人航行器长时间水下工作问题，申请号为201811573047.1、名称为“一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统”的发明专利申请，通过在水下无人航行器尾部安装一个水力发电装置来为水下无人航行器充电，海流会带动水力发电装置的叶片旋转，从而驱使发电机产生电能并储存在蓄电池中。这种装置是在原有航行器上添加了其他的装置，水力发电装置相当于悬臂梁结构，对整体装置的结构强度存在影响，同时发电机处在航行器尾部，发电机转动发电过程中会产生振动，也会影响航行器的性能及运动姿态。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，能够在不影响自主航行器航行性能的前提下，利用潮流能为水下无人自主航行器供电。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，包括若干发电鳍板和发电控制模块。
所述的发电鳍板位于航行器外侧，通过鳍轴安装在航行器外壁上；所述的鳍轴连接发电机的转轴，发电鳍板在潮流推动下带动鳍轴转动，为发电机输入能量；所述的鳍轴在发电控制模块下锁定或旋转。
所述的发电控制模块包括2块电磁铁、1个常闭开关和1个常开开关，发电机的正负极分别通过一个常开开关连接蓄电池的正负极，且正负极之间通过一个常闭开关连接，所述的常开开关由一个电磁铁同时控制，所述的常闭开关由另一个电磁铁控制，两块电磁铁连接深度传感器；当深度传感器探测到航行器未到达设定深度时，电磁铁控制发电机正负极短接，发电机内的线圈闭合，阻碍转轴转动；当深度传感器探测到航行器位于设定深度时，电磁铁控制发电机正负极断开，发电机工作，为蓄电池供电。
所述的航行器前后分别设有辅推舱段，辅推舱段开有径向贯穿航行器的通孔，通孔内设置有相互垂直的两个推进器，两个辅推舱段的推进器作用方向相反。
所述的推进器均沿航行器径向提供推力。
所述的发电鳍板共4块，沿周向均布在航行器尾端外壁。
所述的发电鳍板的剖面翼型为NACA0012。
本发明还包括航行器头舱、充电电池舱、浮力调节舱、锚泊舱、负载电池舱、航行器尾舱和螺旋桨；航行器头舱内置探测仪表；充电电池舱内置蓄电池；浮力调节舱内置铅块、电磁铁、浮标和密封圈，浮力调节舱壳体上加工有透水孔，浮标底部带有铁块，铁块受到电磁铁作用将密封圈压紧在浮力调节舱壁上，实现透水孔的水下静密封，当电磁铁断电失去磁力后，浮标带动密封圈脱离，透水孔进水，调节航行器的重浮比；锚泊舱包含锚、锚链和缆索释放机构；负载电池舱内包含供电电池；航行器尾舱中安装发电机、发电控制模块、深度传感器和推进电动机，推进电动机带动螺旋桨工作。
本发明的有益效果是：
1)该无人水下自主航行器可以自主航行到指定地点进行锚系并实现自回收。
2)利用自主航行器的原有鳍板摆动进行发电，不增加新的机械结构，结构简单，鳍板运动控制装置又可以保证不影响航行器的正常航行性能。
3)潮流能发电装置能够维持探测仪器超长时间的水下探测工作。
附图说明
图1为发电装置整体外形示意图；
图2为发电装置内部结构示意图；
图3为发电鳍安装位置示意图；
图4为前辅推舱内部结构示意图；
图5为后辅推舱内部结构示意图；
图6为浮力调节舱内部结构示意图；
图7为发电控制模块工作原理示意图；
图8为鳍板剖面翼型示意图；
图中，1-航行器头舱，2-探测仪表，3-前辅推舱，4-充电电池舱，5-浮力调节舱，6-锚泊舱，7-锚及缆索释放机构，8-负载电池舱，9-后辅推舱，10-发电控制模块，11-发电鳍板，12-发电机，13-鳍轴，14-联轴器，15-深度传感器，16-螺旋桨，17-推进电动机，18-航行器尾舱，19-常闭开关，20-电磁铁，21-常开开关，22-供电电池，23-锚，24-锚链，25-蓄电池，26-辅助推进器，27-电机支架，28-O型圈，29-铅块，30-电磁铁，31-浮标，32-辅助推进器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，将水下自主航行器与潮流能发电装置结合起来，海流会带动自主航行器的鳍板摆动或旋转，从而驱使发电机产生电能并存储在蓄电池中，为水下科考任务的探测仪表等供电。该水下航行器可以自主航行到指定地点进行锚系发电并可以实现自回收功能；同时利用自主航行器的原有鳍板旋转进行发电，不增加新的机械结构，鳍板运动控制装置又可以保证不影响航行器的正常航行性能；潮流能发电装置能够维持探测仪器超长时间的水下探测工作。
本发明提供的可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，按照自前向后的顺序依次包含航行器头舱1、前辅推舱3、充电电池舱4、浮力调节舱5、锚泊舱6、负载电池舱8、后辅推舱9、航行器尾舱18、发电鳍板11和螺旋桨16。
航行器头舱1内置探测仪表2，辅推舱段开有贯穿舱段的通孔，前辅推舱3内包括两个辅助推进器26，其中一个辅助推进器的螺旋桨盘面朝向上方，另一个辅助推进器的螺旋桨盘面朝向侧面右侧。后辅推舱9中同样含有两个辅助推进器32，其螺旋桨盘面朝向与辅助推进器26螺旋桨盘面朝向相反。充电电池舱4内置蓄电池25，浮力调节舱5内置铅块29、电磁铁30、浮标27和O型圈28。所述的浮力调节舱5壳体上加工有透水孔，所述的铅块29置于浮力调节舱5的底部，电磁铁30、浮标27和O型圈28则构成了浮力调节机构，所述的浮标27整体具有正浮力，其底部带有小铁块。锚泊舱6包含锚23、锚链24和锚及缆索释放机构7，负载电池舱8内包含供电电池22，航行器尾舱18中包含4台发电机12、4个联轴器14、发电控制模块10、深度传感器15和推进电动机17，所述的4台发电机固定在尾舱中的支架27上，发电鳍板11共有4块，其中2块水平发电鳍板，2块垂直发电鳍板，4块鳍板呈十字环绕布置在航行器尾舱18，发电鳍板的剖面翼型为NACA0012，所述的发电鳍板11通过鳍轴13和联轴器14与发电机12相连，所述的发电机12的引出线通过发电控制模块10连接在蓄电池25上，所述的发电控制模块10包括2块电磁铁20、1个常闭开关19、一个常开开关21。所述的供电电池22引出线接在推进电动机17、电磁铁20和电磁铁30上，所述的蓄电池25引入线通过发电控制模块10接在发电机12上，引出线与航行器头舱1内的探测仪表2相连。
本发明的实施例如图1所示，提供一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，按照自前向后的顺序依次包含航行器头舱1、前辅推舱3、充电电池舱4、浮力调节舱5、锚泊舱6、负载电池舱8、后辅推舱9、航行器尾舱18、发电鳍板11和螺旋桨16。
如图2所示，航行器头舱1内置探测仪表2，用于完成所需的探测或监测任务，前辅推舱3内包括两个辅助推进器26，其中一个辅助推进器的螺旋桨盘面朝向上方，在工作时可以控制航行器完成下沉运动，另一个辅助推进器的螺旋桨盘面朝向右侧，在工作时可以控制航行器完成左偏转的运动。后辅推舱9中同样含有两个辅助推进器32，其中一个辅助推进器的螺旋桨盘面朝向下方，在工作时可以控制航行器完成上浮运动，另一个辅助推进器的螺旋桨盘面朝向左侧，在工作时可以控制航行器完成右偏转的运动。
充电电池舱内置蓄电池25，用于存储装置利用海洋能所发的电能，并为探测仪表2提供正常工作所需的能源补给。
如图6所示，浮力调节舱5内置铅块29、电磁铁30、浮标27和O型圈28。浮力调节舱5壳体上加工有透水孔，铅块29置于浮力调节舱5的底部，用于在岸上调节整个发电装置的浮力状态，电磁铁30，浮标27和O型圈28则构成了浮力调节机构，浮标27整体具有正浮力，其底部带有小铁块，小铁块受到电磁铁30的强磁力会将O型圈28压紧在浮力调节舱5的凹槽中，从而实现透水孔水下的静密封，在水下时，当电磁铁30断电失去磁力后，浮标由于正浮力发生上浮，O型圈28的密封效果失效，透水孔进水，此时发电装置的重浮比发生变化，但控制浮力调节舱5的最大进水重量远小于锚23的重量。
锚泊舱6包含锚23、锚链24和锚及缆索释放机构7，在自主航行器进行定点探测工作时，锚和锚链组合使用完成航行器的水下系泊操作，锚及缆索释放机构7又包含锚及缆索固定释放机构和缆索解脱分离机构，锚及缆索固定释放机构用于在航行器航行阶段在锚泊舱6内固定锚的位置上及在航行器驻留时释放锚完成系泊，缆索解脱分离机构则用于航行器返航时断开缆索与航行器之间的连接，解脱缆索对航行器的限制作用。
负载电池舱8内包含供电电池22，用于提供自主航行器启程及返航期间螺旋桨16所需的能源，同时也用于提供航行器内部控制元件所需电能。
航行器尾舱18中包含4台发电机12，4个联轴器14，发电控制模块10，深度传感器15和推进电动机17，推进电动机17带动螺旋桨16转动提供自主航行器前进的动力，4台发电机固定在尾舱中的支架27上。
发电鳍板11作为该发电装置的核心零件，是利用原自主水下航行器的鳍板改进而来，发电鳍板共有4块，其中2块水平发电鳍板，2块垂直发电鳍板，4块鳍板呈十字环绕布置在航行器尾舱18，发电鳍板通过鳍轴13和联轴器14与发电机12相连，发电机12的引出线通过发电控制模块10连接在蓄电池25上。当海洋中的潮流来临时，鳍板在潮流带动下绕鳍轴进行旋转，将潮流能转化为鳍轴转动的机械能，同时与鳍轴相连的发电机轴也随之进行旋转，并产生电能，此时又把机械能转换为电能，从而最终完成利用潮流能发电的过程，鳍板的摆动角度没有限制，运用仿真软件计算得到鳍板的发电功率约为70～80W。
发电控制模块10包括2块电磁铁20，1个常闭开关19，一个常开开关21，发电控制模块用于控制发电装置何时进行发电，何时停止发电，其工作原理是利用了物理学中的楞次定律：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，基于该定律，当发电机正负极两根引出线短接时，发电机内的线圈闭合，若再转动发电机的转轴，发电机内闭合线圈的磁通量发生变化，线圈会产生电流阻碍这种变化的发生，即产生力矩阻碍转轴转动，所以发电机引出线短接后，发电机轴发生自锁，在潮流作用下，鳍轴就不会再发生转动，同样鳍板也就不会再产生运动，这样也就不会再进行发电。如果发电装置需要继续进行发电，只需要断开短接的两根引出线，重新接入到蓄电池25即可。
本发明是通过深度传感器15、电磁铁20、常开开关21和常闭开关19来实现这一控制过程的：首先为自主航行器设定一个预设深度，预设深度信号关系到电磁铁20的工况，当自主航行器下潜深度达不到预设深度时，此时电磁铁20不工作，常闭开关19处于闭合状态，常开开关21处于断开状态，发电机12引出线呈短接状态，此时发电鳍板11不能发生运动，依然行使自主航行器上鳍板的作用，并不会对航行器的运动姿态、航行性能产生任何影响。当深度传感器15检测到自主航行器下潜深度达到预设深度时，此时控制电磁铁20工作，常闭开关19由闭合状态转为断开状态，常开开关21由断开状态转为闭合状态，发电机12引出线断开短接状态，接到蓄电池25上，发电机轴解开自锁状态，在潮流作用下发电鳍板11带动发电机轴转动进行发电。自主航行器完成驻留返航上浮时，若此时深度达不到预设深度时，电磁铁20断电，常闭开关19由断开状态转为闭合状态，常开开关21由闭合状态转为断开状态，发电机12引出线转变为短接状态，发电机轴呈现自锁状态，发电鳍板11再次不能发生运动，此时对于航行器的返航性能不会产生任何影响。
本发明所述一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器的运动过程包括以下步骤：自主航行的潮流发电装置在平台先通过调节浮力调节舱5中铅块29的数量，使得整个发电装置系统达到中性浮力状态，然后发电装置下水，在螺旋桨16的推力作用下自主航行到探测或监测的位置，此时航行器螺旋桨16停止工作并抛锚23，控制浮力调节舱5中浮力调节机构，使得发电装置系统成为一个具有负浮力的锚泊驻留系统着陆于海底，而发电装置在抛锚23后则具有正浮力从而拉动锚链24浮于距海底一定高度处。此时发电装置的深度会大于预设深度，发电机12转轴解开自锁状态，在水下潮流的作用下发电鳍板11发生摆动或转动运动，发电机12将潮流能转化的机械能进一步转化为电能，并存储在蓄电池25中，蓄电池25为航行器头舱1中的探测仪表供电，从而完成超长时间的水下探测任务，当水下探测任务完成时，发电装置断开与锚链24间的连接，在正浮力作用下不断上浮，当发电装置水下深度小于预设深度时，发电机12转轴恢复自锁状态，鳍板11不再发生运动，启动螺旋桨16进而自主返航。

Claims (7)

1.一种可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，包括若干发电鳍板和发电控制模块，其特征在于，所述的发电鳍板位于航行器外侧，通过鳍轴安装在航行器外壁上；所述的鳍轴连接发电机的转轴，发电鳍板在潮流推动下带动鳍轴转动，为发电机输入能量；所述的鳍轴在发电控制模块下锁定或旋转。
2.根据权利要求1所述的可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，其特征在于，所述的发电控制模块包括2块电磁铁、1个常闭开关和1个常开开关，发电机的正负极分别通过一个常开开关连接蓄电池的正负极，且正负极之间通过一个常闭开关连接，所述的常开开关由一个电磁铁同时控制，所述的常闭开关由另一个电磁铁控制，两块电磁铁连接深度传感器；当深度传感器探测到航行器未到达设定深度时，电磁铁控制发电机正负极短接，发电机内的线圈闭合，阻碍转轴转动；当深度传感器探测到航行器位于设定深度时，电磁铁控制发电机正负极断开，发电机工作，为蓄电池供电。
3.根据权利要求1所述的可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，其特征在于，所述的航行器前后分别设有辅推舱段，辅推舱段开有径向贯穿航行器的通孔，通孔内设置有相互垂直的两个推进器，两个辅推舱段的推进器作用方向相反。
4.根据权利要求1所述的可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，其特征在于，所述的推进器均沿航行器径向提供推力。
5.根据权利要求1所述的可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，其特征在于，所述的发电鳍板共4块，沿周向均布在航行器尾端外壁。
6.根据权利要求1所述的可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，其特征在于，所述的发电鳍板的剖面翼型为NACA0012。
7.根据权利要求1所述的可利用潮流能发电的水下无人自主航行器，其特征在于，还包括航行器头舱、充电电池舱、浮力调节舱、锚泊舱、负载电池舱、航行器尾舱和螺旋桨；航行器头舱内置探测仪表；充电电池舱内置蓄电池；浮力调节舱内置铅块、电磁铁、浮标和密封圈，浮力调节舱壳体上加工有透水孔，浮标底部带有铁块，铁块受到电磁铁作用将密封圈压紧在浮力调节舱壁上，实现透水孔的水下静密封，当电磁铁断电失去磁力后，浮标带动密封圈脱离，透水孔进水，调节航行器的重浮比；锚泊舱包含锚、锚链和缆索释放机构；负载电池舱内包含供电电池；航行器尾舱中安装发电机、发电控制模块、深度传感器和推进电动机，推进电动机带动螺旋桨工作。
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