CN113277010B - 一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，包括桅杆、浮标、摆体支架和浮力摆式波浪能发电装置；桅杆固定在浮标上表面，桅杆内部布置有摆体升降机构和摆体偏航机构，摆体升降机构带动摆体支架和浮力摆式波浪能发电装置的浮力摆相对于浮标上下升降，摆体偏航机构调整摆体支架和浮力摆朝向，使浮力摆式波浪能发电装置正对波浪传播方向发电；浮标漂浮在海水表面，浮力摆式波浪能发电装置淹没在海水下方，当波浪经过浮标时，在波浪激励力矩的作用下浮力摆式波浪能发电装置绕着摆体主轴摆动，驱动内部的发电机构发电。本发明将偏航、避浪机构与浮力摆式波浪能供电浮标有机结合，充分利用空间，使浮标在不同海况下获得持续可靠的电能。

Description

一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标

技术领域

本发明属于波浪能发电领域，具体涉及一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标。

背景技术

海洋浮标根据种类不同，能够起到辅助船舶航行或采集海洋环境资料等作用。目前已有很多文献设计使用波浪能发电装置作为浮标的供电系统，相较于常见的光伏发电或光伏、风机联合发电的浮标，可发电时间更长。目前常见的波浪能供电浮标采用中心管振荡水柱式波浪能发电装置和直驱式波浪能发电装置等，但未见有采用浮力摆式波浪能发电装置，且结合偏航、升降装置的波浪能发电装置也罕见。

由于浮力摆式波浪能发电装置的摆体通常有部分露出海面，难以与海洋浮标耦合，因此很少有文献提出浮力摆式波浪能供电浮标。专利CN112412687A提出了一种浮力摆供电浮标，该装置的浮力摆完全浸没在水下进行发电。该专利中的浮力摆长度需要设计为与波浪的波长相当，以达到通过浮力摆尺寸自动对浪的效果。实际海况并非一成不变，是不断变化的，而浮力摆与波浪的夹角对装置的发电效率有较大的影响，因此浮力摆式发电装置的偏航对浪能力十分重要，当波浪的波长变化时，上述装置无法有效对浪，此外，自动对浪的速度较慢，且不够精准；在波浪的波高较大的恶劣海况下，浮力摆式发电装置有可能会摆动超限而损坏，因此浮力摆式发电装置在恶劣海况下的可靠性也十分重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，使装置在各种海况下均能够迅速、精确地对浪，且对浮力摆的外形没有限制；且可以使浮力摆发电装置在恶劣海况下可以下潜，有效防止浮力摆的摆幅超限，使得装置可以在变化的海况下高效发电，并且保证装置在真实海洋环境中的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，包括桅杆、浮标、摆体支架和浮力摆；

所述桅杆固定在浮标上表面，桅杆内部布置有摆体升降机构和摆体偏航机构，浮力摆内布置有浮力摆式波浪能发电装置，所述摆体支架上部和摆体升降机构固接，下部同浮力摆式波浪能发电装置的摆体主轴固接；

所述摆体升降机构带动所述摆体支架和所述浮力摆式波浪能发电装置的浮力摆相对于所述浮标上下升降，所述摆体偏航机构调整所述摆体支架和浮力摆朝向，使浮力摆式波浪能发电装置正对波浪传播方向发电；

所述浮标漂浮在海水表面，浮力摆式波浪能发电装置淹没在海水下方，当波浪经过浮标时，在波浪激励力矩的作用下浮力摆式波浪能发电装置绕着摆体主轴摆动，驱动内部的发电机构发电，并将电能通过电缆传送至用电设备。

进一步，所述摆体升降机构包括1#电机、上固定盘、1#丝杆、下固定盘-导杆结构和移动盘；1#电机安装于上固定盘上，上固定盘与下固定盘-导杆结构的导杆顶端固接，1#丝杆上端与1#电机轴固接后依次穿过所述上固定盘、移动盘后下端与下固定盘-导杆结构的下固定盘无缝接触；移动盘开有孔洞，与下固定盘-导杆结构的导杆的滑块固接，所述1#丝杆贯穿所述移动盘对应的位置，所述移动盘固接1#丝杆的螺母。

进一步，所述摆体偏航机构包括2#电机、外齿圈、支撑筒、固定壳、上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承；2#电机安装在浮标上方桅杆内部，2#电机的齿轮同外齿圈啮合，外齿圈固定在下固定盘-导杆结构的下固定盘上表面，下固定盘-导杆结构固定在支撑筒上；所述支撑筒中部设有环形肋板，上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承分别对称设置在所述环形肋板上下，固定壳安装在所述上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承外压紧上推力调心滚子轴承、支撑筒的环形肋板以及下推力调心滚子轴承；所述固定壳底部固定在浮标上。

进一步，所述浮力摆式波浪能发电装置包括浮力摆、摆体主轴、底座和发电机构；所述发电机构包括内齿圈、齿轮轴、联轴器、发电机和发电机支撑板；所述底座固定在浮力摆底部，侧面开有通孔，摆体主轴穿过底座，同浮力摆侧壁通过轴承装配，所述内齿圈固定在底座侧面，和齿轮轴啮合，发电机轴通过联轴器与齿轮轴连接，发电机机身固定在发电机支撑板上，

进一步，所述浮力摆式波浪能发电装置上设有刹车装置，所述刹车装置安装在齿轮轴上，刹车装置外缘与刹车支撑板固接；发电机支撑板和刹车支撑板均固接在摆体主轴上；浮力摆在波浪激励下绕摆体主轴摆动，带动底座绕摆体主轴转动，从而通过固定在底座上的内齿圈驱动齿轮轴转动，通过联轴器带动发电机轴旋转，从而使发电机发电。

进一步，还包括浮力摆式波浪能发电装置的配重调节机构，所述配重调节机构包括3#电机、电机平台、导杆、2#丝杆和配重，3#电机固接在电机平台上，电机平台固接在导杆顶部，导杆底部固接在底座顶部，2#丝杆的上端穿过电机平台中央圆孔与3#电机的轴固接，下端和底座23顶部无缝接触，配重中央开有孔洞，与2#丝杆的螺母固接；配重中央孔洞四周也开有孔洞，与导杆20的滑块固接。

进一步，所述摆体支架上部为垂直钢管，垂直钢管顶部和摆体升降机构的移动盘固接，下部钢管结构左右对称，侧面呈倒等腰三角形，两个等腰三角形的顶点同浮力摆式波浪能发电装置的摆体主轴两端固接，摆体支架和摆体主轴均采用空心钢管，以作为浮力摆发电装置的电缆线的通道。

进一步，所述下固定盘-导杆结构由四个圆柱形导杆与开有中央通孔的圆盘状下固定盘焊接而成，中央通孔直径大于摆体支架上部的垂直钢管的外径，用于穿过垂直钢管，下固定盘开有螺栓通孔，用于通过螺栓螺母与支撑筒固定。

进一步，所述支撑筒主体为圆筒，圆筒顶部焊有环形盖板，盖板外径等于圆筒外径，盖板内径大于摆体支架上部的垂直钢管的外径，用于穿过垂直钢管，盖板开有螺孔，圆筒中部焊有向外凸出的环形肋板。

进一步，所述固定壳为环状，纵截面呈现对称“Z”形，上环内径大于支撑筒的圆筒外径，下环开有螺栓通孔，用于同浮标上表面固定。

本发明相对于现有技术取得了以下有益的技术效果：

1.提出一种高效可靠的可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，可作为海上助航浮标、海洋观测浮标等广泛应用于海洋领域相关行业。

2.摆体偏航机构使装置在不同的海况下均能够迅速、精确地调整浮力摆朝向，从而使浮力摆式波浪能发电装置正对波浪传播方向发电，保证装置在不同海况下保持高效的发电状态。

3.通过刹车装置及时制动浮力摆、摆体偏航机构避免浮力摆正对波浪、摆体升降机构增加浮力摆的下潜深度，就可在恶劣海况下避免波浪冲击，生存可靠性高。

4.摆体偏航机构、摆体升降机构与桅杆耦合，不占用浮标的空间；浮力摆式波浪能发电装置无需壳体，体积适中，可直接布置于海洋浮标下方，对整体结构的影响小。

5.浮力摆和内部配重的整体重力按照装置浸没时的浮力设计，因此装置浸没在水中时，垂直方向上的合力几乎为0，其上升发电和下潜避浪时的动力需求小。

附图说明

图1为装置整体结构图；

图2为装置整体结构爆炸图；

图3为偏航升降机构剖面图；

图4为偏航升降机构爆炸图；

图5为摆体内部的配重调节机构及发电机构剖面图；

图6为发电机构图。

图中：1-桅杆；2-浮标；3-摆体支架；4-浮力摆；5-移动盘；6-摆体主轴；7-1#电机；8-上固定盘；9-1#丝杆；10-下固定盘-导杆结构；11-螺栓螺母；12-支撑筒；13-固定壳；14-外齿圈；15-2#电机；16-上推力调心滚子轴承；17-下推力调心滚子轴承；18-3#电机；19-电机平台；20-导杆；21-2#丝杆；22-配重；23-底座；24-内齿圈；25-发电机；26-发电机支撑板；27-联轴器；28-刹车装置；29-刹车支撑板；30-齿轮轴。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。

如图1-图6所示，一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，包括桅杆1、浮标2、摆体升降机构、摆体偏航机构、摆体支架3、浮力摆式波浪能发电装置和用电设备。桅杆1固定在浮标2上表面，桅杆1内部布置有摆体升降机构和摆体偏航机构，摆体支架3上部和摆体升降机构的移动盘5固接，下部同浮力摆式波浪能发电装置的摆体主轴6固接。浮标2漂浮在海水表面，浮力摆式波浪能发电装置淹没在海水下方，当波浪经过浮标2时，在波浪激励力矩的作用下，浮力摆发电装置绕着摆体主轴6摆动发电，驱动内部的发电机构发电，并将电能通过电缆传送至用电设备。摆体升降机构用于极端海况下下沉浮力摆式波浪能发电装置避浪，正常海况下抬升浮力摆式波浪能发电装置到合适位置发电。摆体偏航机构用于在波浪传播方向发生变化的时候实时调节浮力摆式波浪能发电装置的角度，正对波浪传播方向发电。

摆体升降机构如图3和图4所示，包括1#电机7、上固定盘8、1#丝杆9、下固定盘-导杆结构10和移动盘5。1#电机7安装于上固定盘8上，上固定盘8与下固定盘-导杆结构10的导杆顶端固接，上固定盘8开有孔洞，1#丝杆9上端与1#电机轴固接后依次穿过上固定盘、移动盘后下端与下固定盘-导杆结构10的下固定盘无缝接触。在本实施例中，1#丝杆9底部与下固定盘-导杆结构10的下固定盘也可通过轴承连接但不限于以上两种连接方式，只要1#丝杆9可与下固定盘发生相对转动且1#丝杆9底部与下固定盘之间的间隙小于移动盘5的厚度即可。其目的是保证移动盘5可以在整个1#丝杆9上进行升降运动。移动盘5开有孔洞，与下固定盘-导杆结构10的导杆的滑块固接，1#丝杆贯穿移动盘5对应的位置，移动盘固接1#丝杆的螺母。1#电机7驱动1#丝杆9转动，带动移动盘5沿着下固定盘-导杆结构10的导杆上下移动，从而带动摆体支架3以及整个浮力摆式波浪能发电装置上下移动。

摆体偏航机构如图3和图4所示，包括2#电机15、外齿圈14、螺栓螺母11、支撑筒12、固定壳13、上推力调心滚子轴承16和下推力调心滚子轴承17。2#电机15安装在浮标2上方桅杆1内部，2#电机15的齿轮同外齿圈14啮合，外齿圈14固定在下固定盘-导杆结构10的下固定盘上表面，下固定盘-导杆结构10通过螺栓螺母11固定在支撑筒12上。上推力调心滚子轴承16和下推力调心滚子轴承17分别对称设置在支撑筒12环形肋板上下。固定壳13通过螺栓固定在浮标2上，且固定壳13安装在上推力调心滚子轴承16和下推力调心滚子轴承17外压紧上推力调心滚子轴承16、支撑筒12的环形肋板以及下推力调心滚子轴承17。组装后，支撑筒12的圆筒顶部稍高出固定壳13上表面，支撑筒12的圆筒底部稍高出浮标2的上表面。2#电机15旋转驱动外齿圈14转动，带动下固定盘-导杆结构10、螺栓螺母11和支撑筒12相对桅杆1、浮标2、和固定壳13转动，从而带动移动盘5、摆体支架3以及整个浮力摆式波浪能发电装置转动，实现偏航功能。

浮力摆式波浪能发电装置包括浮力摆4、摆体主轴6、底座23和发电机构。底座23固定在浮力摆4底部，侧面开有通孔，通孔直径大于摆体主轴6的外径，摆体主轴6穿过底座23，同浮力摆4侧壁通过轴承装配。

如图5所示，浮力摆式波浪能发电装置设有配重调节机构，配重调节机构包括3#电机18、电机平台19、导杆20、2#丝杆21和配重22。3#电机18固接在电机平台19上，电机平台19固接在导杆20顶部，导杆20底部固接在底座23顶部，2#丝杆21的上端穿过电机平台19中央圆孔与3#电机18的轴固接，下端和底座23顶部无缝接触。配重22中央开有孔洞，与2#丝杆21的螺母固接；配重22中央孔洞四周也开有孔洞，与导杆20的滑块固接。3#电机18驱动2#丝杆21转动，带动配重22沿着导杆20移动，从而调整配重22的位置，实现浮力摆式波浪能发电装置自振频率同波浪频率一致，共振发电。

发电机构如图6所示，包括内齿圈24、齿轮轴30、刹车装置28、刹车支撑板29、联轴器27、发电机25和发电机支撑板26。内齿圈24固定在底座23侧面，和齿轮轴30啮合，发电机25的轴通过联轴器27与齿轮轴30连接，发电机25机身固定在发电机支撑板26上，刹车装置28安装在齿轮轴30上，刹车装置28外缘与刹车支撑板29固接。发电机支撑板26为“L”形，刹车支撑板29呈“7”形，均固接在摆体主轴6上。浮力摆4在波浪激励下绕摆体主轴6摆动，带动底座23绕摆体主轴6转动，从而通过固定在底座23上的内齿圈24驱动齿轮轴30转动，通过联轴器27带动发电机25轴旋转，从而使发电机25发电。在极端波况下，浮力摆摆幅超限，启动刹车装置28为浮力摆4制动，然后启动摆体偏航机构，避免浮力摆4正对波浪，最后启动摆体升降机构，控制浮力摆式波浪能发电装置下降避浪。

用电设备指的是1#电机7、2#电机15、3#电机18、刹车装置28、浮标2上的监测通信设备、照明设备和储能设备。

在上述实施例中，如图2所示，摆体支架3上部为垂直钢管，垂直钢管顶部和摆体升降机构的移动盘5固接，下部钢管结构左右对称，侧面呈倒等腰三角形，以增强结构强度，两个等腰三角形的顶点同浮力摆式波浪能发电装置的摆体主轴6两端固接，摆体支架3和摆体主轴6均采用空心钢管，以作为浮力摆发电装置的电缆线的通道。

如图4所示，下固定盘-导杆结构10由四个圆柱形导杆与开有中央通孔的圆盘状下固定盘焊接而成，其中固定盘-导杆结构10中的导杆数量不限于四个。中央通孔直径大于摆体支架3上部的垂直钢管的外径，用于穿过垂直钢管，下固定盘开有螺栓通孔，用于通过螺栓螺母11与支撑筒12固定。支撑筒12主体为圆筒，圆筒顶部焊有环形盖板，盖板外径等于圆筒外径，盖板内径大于摆体支架3上部的垂直钢管的外径，用于穿过垂直钢管，盖板开有螺孔，圆筒中部焊有向外凸出的环形肋板。固定壳13为环状，纵截面呈现对称“Z”形，上环内径大于支撑筒12的圆筒外径，下环开有螺栓通孔，用于同浮标2上表面固定。

上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，其特征在于：包括桅杆、浮标、摆体支架和浮力摆式波浪能发电装置；

所述桅杆固定在浮标上表面，桅杆内部布置有摆体升降机构和摆体偏航机构，所述摆体支架上部和摆体升降机构固接，下部同浮力摆式波浪能发电装置的摆体主轴固接；

所述摆体升降机构带动所述摆体支架和所述浮力摆式波浪能发电装置的浮力摆相对于所述浮标上下升降，所述摆体偏航机构调整所述摆体支架和浮力摆朝向，使浮力摆式波浪能发电装置正对波浪传播方向发电，所述摆体升降机构包括1#电机、上固定盘、1#丝杆、下固定盘-导杆结构和移动盘；1#电机安装于上固定盘上，上固定盘与下固定盘-导杆结构的导杆顶端固接，1#丝杆上端与1#电机轴固接后依次穿过所述上固定盘、移动盘后下端与下固定盘-导杆结构的下固定盘无缝接触；移动盘开有孔洞，与下固定盘-导杆结构的导杆的滑块固接，所述1#丝杆贯穿所述移动盘对应的位置，所述移动盘固接1#丝杆的螺母；

摆体偏航机构包括2#电机、外齿圈、支撑筒、固定壳、上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承；2#电机安装在浮标上方桅杆内部，2#电机的齿轮同外齿圈啮合，外齿圈固定在下固定盘-导杆结构的下固定盘上表面，下固定盘-导杆结构固定在支撑筒上；所述支撑筒中部设有环形肋板，上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承分别对称设置在所述环形肋板上下，固定壳安装在所述上推力调心滚子轴承和下推力调心滚子轴承外压紧上推力调心滚子轴承、支撑筒的环形肋板以及下推力调心滚子轴承；所述固定壳底部固定在浮标上；

所述浮标漂浮在海水表面，浮力摆式波浪能发电装置淹没在海水下方，当波浪经过浮标时，在波浪激励力矩的作用下浮力摆式波浪能发电装置绕着摆体主轴摆动，驱动内部的发电机构发电，并将电能通过电缆传送至用电设备；浮力摆式波浪能发电装置包括浮力摆、摆体主轴、底座和发电机构；所述发电机构包括内齿圈、齿轮轴、联轴器、发电机和发电机支撑板；所述底座固定在浮力摆底部，侧面开有通孔，摆体主轴穿过底座，同浮力摆侧壁通过轴承装配，所述内齿圈固定在底座侧面，和齿轮轴啮合，发电机轴通过联轴器与齿轮轴连接，发电机机身固定在发电机支撑板上。

2.如权利要求1所述的可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，其特征在于：所述浮力摆式波浪能发电装置上设有刹车装置，所述刹车装置安装在齿轮轴上，刹车装置外缘与刹车支撑板固接；发电机支撑板和刹车支撑板均固接在摆体主轴上；浮力摆在波浪激励下绕摆体主轴摆动，带动底座绕摆体主轴转动，从而通过固定在底座上的内齿圈驱动齿轮轴转动，通过联轴器带动发电机轴旋转，从而使发电机发电。

3.如权利要求1所述的可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，其特征在于：还包括浮力摆式波浪能发电装置的配重调节机构，所述配重调节机构包括3#电机、电机平台、导杆、2#丝杆和配重，3#电机固接在电机平台上，电机平台固接在导杆顶部，导杆底部固接在底座顶部，2#丝杆的上端穿过电机平台中央圆孔与3#电机的轴固接，下端和底座顶部无缝接触，配重中央开有孔洞，与2#丝杆的螺母固接；配重中央孔洞四周也开有孔洞，与导杆的滑块固接。

4.如权利要求1所述的可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，其特征在于：所述摆体支架上部为垂直钢管，垂直钢管顶部和摆体升降机构的移动盘固接，下部钢管结构左右对称，侧面呈倒等腰三角形，两个等腰三角形的顶点同浮力摆式波浪能发电装置的摆体主轴两端固接，摆体支架和摆体主轴均采用空心钢管，以作为浮力摆发电装置的电缆线的通道。

5.如权利要求1所述的可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，其特征在于：所述下固定盘-导杆结构由四个圆柱形导杆与开有中央通孔的圆盘状下固定盘焊接而成，中央通孔直径大于摆体支架上部的垂直钢管的外径，用于穿过垂直钢管，下固定盘开有螺栓通孔，用于通过螺栓螺母与支撑筒固定。

6.如权利要求1所述的可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，其特征在于：所述支撑筒主体为圆筒，圆筒顶部焊有环形盖板，盖板外径等于圆筒外径，盖板内径大于摆体支架上部的垂直钢管的外径，用于穿过垂直钢管，盖板开有螺孔，圆筒中部焊有向外凸出的环形肋板。

7.如权利要求1所述的可偏航升降的浮力摆式波浪能供电浮标，其特征在于：所述固定壳为环状，纵截面呈现对称“Z”形，上环内径大于支撑筒的圆筒外径，下环开有螺栓通孔，用于同浮标上表面固定。

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