CN113922585B - 一种面向水下监测节点的海流能收集装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的面向水下监测节点的海流能收集装置，包括本体和重物，本体包括深度调整装置、扇叶、外壳、增速齿轮组、旋转轴、永磁发电机、推力轴承、能量采集管理模块、单片机、传感器、水声通信器、电池、转向轴、轴承、骨架和尾翼，骨架上安装有外壳整体形成水密腔体，其外侧一端设有扇叶，另一端设有尾翼，深度调节装置上连接有重物，深度调节装置可以调整本体与重物之间的距离。本发明提供的水下监测节点的海流能收集装置，通过水平海流推动扇叶旋转将机械能转化为电能，通过增加尾翼使得装置可以自适应海流方向，通过深度调整装置可以自主调整位置找到海流能量密集区域实施能量收集及数据检测，能量收集效率高，能长时间监测收集海洋数据。
Description
技术领域
本发明属于海洋能发电领域，具体涉及一种面向水下监测节点的海流能收集装置及其控制方法。
背景技术
随着经济社会的快速发展，沿海地区开发强度持续加大，对近海海洋生态系统产生巨大的压力。沿海地区人口的增长以及城市化工业化和旅游业的发展是海洋环境压力不断增长的主要原因，人类在海洋中活动的增加也加剧了这种压力，上海、天津、浙江、江苏和广东的沿海地区已经处于高强度开发状态，由于受到人类活动的强烈干扰，对近海的压力增大，近海海域的高脆弱区与中脆弱区逐渐增加，近海海域的非脆弱区大大减少。
水下无线传感器网络技术作为一种新兴的检测手段，由多个传感器节点组成，该节点体积小、灵活性高、功耗低，通过大量的监测节点组成一张巨大的网全方位覆盖被治理海域并有效监测，达到保护近海环境的目的。为了水下节点能长时间持续监测海域，装置需要在能量需求方面达到自给自足，同时在海洋中有着丰富的海浪能，这更有利于水下装置能量收集。一种能满足自我需求能量的水下能量收集装置则成为立体监测网络系统的重点，这决定了监测网络系统对近海环境保护的持续性是否能实现。
为了解决水下监测装置长时间工作的问题，许多专利都提出了具有建设性的方法，但它们或多或少的存在一些问题。对于专利申请号为201410010424.6，名称为“一种海流能供电水下监测仪”，该装置重物与发电装置相连沉于海底，只能在海底收集海洋能，不能灵活驱动装置至海流较大的深度收集能量，能量收集的效率不能最大化，且传感器位于海面，只能对海面环境进行监测。对于专利申请号为202021416909.2，名称为“一种海流能供电水下监测装置”，该装置在海水中无固定及驱动装置，易被海流推动至偏远位置，虽然装置其中的摄像机可以360°旋转监测，但无响应的传感器或相关机构使发电机的方向运动至海流方向，能量收集的效率不能最大化。对于专利申请号为201810382471.1，名称为“一种自供电水下废弃油井监测系统及监测方法”，该装置的海流能发电装置直接选定海流速度较大区域，固定在该深度，但水流的方向会有改变，该装置不能达到自适应海流方向。
发明内容
为了为针对上述问题，本发明提供一种水下监测节点的海流能收集装置及其控制方法。该装置结构简单通过水平海流推动扇叶旋转将机械能转化为电能，可以自适应海流方向并自主调整位置找到海流能量密集区域实施能量收集及数据检测。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种面向水下监测节点的海流能收集装置，包括本体和重物，所述本体包括深度调整装置、扇叶、外壳、增速齿轮组、旋转轴、永磁发电机、推力轴承、能量采集管理模块、单片机、传感器、水声通信器、电池、转向轴、、轴承、骨架和尾翼，所述骨架上安装有所述外壳整体形成水密腔体，其外侧一端设有所述扇叶，另一端设有所述尾翼，所述水密腔体内所述旋转轴通过所述轴承可转动地与所述骨架连接，所旋转轴的一端与所述扇叶传动连接，另一端通过所述增速齿轮组与所述永磁发电机的输入端传动连接，所述能量采集管理模块与所述永磁发电机和所述电池连接，所述单片机、所述传感器、所述水声通信器和所述深度调整装置由所述电池供电，所述能量采集管理模块、所述水声通信器、所述深度调整装置受所述单片机控制，所述传感器用于检测海洋数据，所述水声通信器用于将所述传感器检测到的海洋数据传递，与收集装置重力方向重合的所述转向轴通过推力轴承可转动地安装在所述骨架上，所述转向轴的底部安装有所述深度调节装置，所述深度调节装置上连接有所述重物，所述深度调节装置可以调整所述本体与所述重物之间的距离，所述重物的重力大于装置整体的浮力，所述本体的浮力大于所述本体的重力。所述增速齿轮组的速比可以根据不同海域的流速进行调整。
进一步，所述深度调节装置包括水平绞盘及绞盘线、深度调节电机和滑轮组，所述深度调节电机安装在所述转向轴的底部，所述深度调节电机的输出端与所述水平绞盘及绞盘线传动连接，所述水平绞盘及绞盘线的绞盘线经所述滑轮组与所述重物连接，所述深度调节电机由所述电池供电并受所述单片机控制。
进一步，所述能量采集管理模块包括整流桥、降压稳压模块和能量储存及释放模块，所述永磁发电机与所述整流桥连接，所述整流桥与所述降压稳压模块连接，所述降压稳压模块与所述能量储存及释放模块连接，所述能量储存与释放模块与所述电池连接。所述降压稳压模块包括欠压闭锁电路及降压稳压电路，所述永磁发电机发出的电能经过整流桥、欠压闭锁保护电路和降压稳压电路，不稳定的交流电经过所述能量存储与释放模块变成稳定电流输出为所述电池充电并为所述单片机以及装置其他执行及控制元件提供动力。
进一步，所述电池为可充电锂离子电池，所述能量采集管理模块能在输入低电压时持续能量采集，将能量存储在可充电锂离子电池中，能作为稳压芯片为后端电路提供稳定的电压输出，同时具有备用能量管理功能，当可充电储能元件电压高于或低于设定值时，自动切换至备用储能元件，稳定的直流电经过所述能量采集管理模块后升压转换为额定的直流电给充电储能模块充电。
进一步，所述旋转轴与所述外壳之间还设有骨架油封。防止海水进入装置内部。
进一步，所述骨架和所述外壳整体呈椭球形，所述尾翼为竖直空心扇形状。
进一步，所述骨架分为多段弯曲状，通过螺丝、垫片、连接件组合而成，同时所述骨架起支撑受力作用，装置所有内部零件均通过连接件固定于所述骨架上，所述外壳中间部分为扁椭圆形状，所述尾翼为竖直扇形，当水平海流与所述尾翼成一定角度时，所述尾翼在水平海流中受力面积远大于装置所述旋转轴的前半部分的受力面积，所述尾翼所受力矩也大于前端，令装置前端始终朝向来流。所述外壳使用金属材料制作，从中间平面分为左右两块，覆盖于所述骨架之上使用螺纹连接固定，在间隙处提前涂抹防水胶，防止海水渗入。
进一步，所述深度调整装置还包括防水轴承、壳体和绳索紧贴装置，所述深度调节电机与所述深度调节电机与所述转向轴之间设有所述防水轴承，所述水平绞盘及绞盘线以及所述滑轮组外侧设置有所述壳体形成水密腔体，所述水平绞盘及绞盘线的绞盘线传出所述壳体的位置设有所述绳索紧贴装置起到防水作用。
本发明还提供上述面向水下监测节点的海流能收集装置的控制方法，包括：
第一步、将所述重物至海底，通过所述深度调整装置调节所述本体与所述重物之间的距离，使得所述本体位于海流区域，此时海流冲击所述扇叶从而带动所述永磁发电机；
第二步，所述单片机判断，装置能量存储是否大于预值，若装置能量储大于等于预值，装置保持该深度，若装置能量储存储小于预值，则所述单片机控制所述深度调整装置从而使所述本体上升或下降一定距离，然后判断装置能量收集功率是否大于装置负载功率，若装置能量收集功率大于装置负载功率，则装置保持该深度，反正则继续控制所述深度调整装置调整所述本体的位置，直至找到装置能量收集功率大于装置负载功率的位置。
有益效果
本发明提供的水下监测节点的海流能收集装置。该装置结构简单，通过水平海流推动扇叶旋转将机械能转化为电能，通过增加尾翼使得装置可以自适应海流方向，通过深度调整装置可以自主调整位置找到海流能量密集区域实施能量收集及数据检测，能量收集效率高，能长时间监测收集海洋数据。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图一；
图2是本发明实施例架构示意图二；
图3是本发明实施例中电气模块图；
图4是本发明实施例中深度调整装置示意图；
图5是本发明实施例中部分骨架示意图；
图6是本发明实施例的控制方法流程图；
其中：1为深度调整装置；2为转向轴；3为旋转轴；4为扇叶；5为外壳；6为增速齿轮组；7为永磁发电机；8为推力轴承；9为水声通信器；10为能量采集管理模块；11为电池；12为重物；13为轴承；14为骨架油封；15为骨架；16为尾翼；101为绳索紧贴装置；102为壳体；103为水平绞盘及绞盘线；104为深度调节电机；105为防水轴承；106为滑轮组。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施对本发明提供的技术方案做进一步的详细说明。
如图1、图2所示，一种面向水下监测节点的海流能收集装置，包括本体和重物12，所述本体包括深度调整装置1、扇叶4、外壳5、增速齿轮组6、旋转轴3、永磁发电机7、推力轴承8、能量采集管理模块10、单片机、传感器、水声通信器9、电池11、转向轴2、轴承13、骨架15和尾翼16，所述骨架15上安装有所述外壳5整体形成水密腔体，其外侧一端设有所述扇叶4，另一端设有所述尾翼16，所述水密腔体内，所述旋转轴3通过所述轴承13可转动地与所述骨架15连接，所旋转轴3的一端与所述扇叶4传动连接，另一端通过所述增速齿轮组6与所述永磁发电机7的输入端传动连接，所述能量采集管理模块10与所述永磁发电机7和所述电池11连接，所述单片机、所述传感器、所述水声通信器9和所述深度调整装置1由所述电池11供电，所述能量采集管理模块10、所述水声通信器9、所述深度调整装置1受所述单片机控制，所述传感器用于检测海洋数据，所述水声通信器9用于将所述传感器检测到的海洋数据传递，与装置重力方向重合的所述转向轴2通过推力轴承8可转动地安装在所述骨架15上，所述转向轴2的底部安装有所述深度调节装置1，所述深度调节装置1上连接有所述重物12，所述深度调节装置1可以调整所述本体与所述重物12之间的距离，所述重物12的重力大于收集装置整体的浮力，所述本体的浮力大于所述本体的重力。所述旋转轴3与所述外壳5之间还设有骨架油封14。
如图4所示，所述深度调节装置1包括水平绞盘及绞盘线103、深度调节电机104和滑轮组106，所述深度调节电机104安装在所述转向轴2的底部，所述深度调节电机104的输出端与所述水平绞盘及绞盘线103传动连接，所述水平绞盘及绞盘线103的绞盘线经所述滑轮组106与所述重物12连接，所述深度调节电机104由所述电池11供电并受所述单片机控制。所述深度调整装置1还包括防水轴承105、壳体102和绳索紧贴装置101，所述深度调节电机104与所述深度调节电机104与所述转向轴2之间设有所述防水轴承105，所述水平绞盘及绞盘线103以及所述滑轮组106外侧设置有所述壳体102形成水密腔体，所述水平绞盘及绞盘线103的绞盘线传出所述壳体102的位置设有所述绳索紧贴装置101起到防水作用。
如图3所示，所述能量采集管理模块10包括整流桥、降压稳压模块和能量储存及释放模块，所述永磁发电机7与所述整流桥连接，所述整流桥与所述降压稳压模块连接，所述降压稳压模块与所述能量储存及释放模块连接，所述能量储存与释放模块与所述电池连接。本实施例中，所述能量采集管理模块10使用LTC3588芯片和QB25570芯片，LTC3588芯片内部集成了整流桥、欠压闭锁保护电路和降压稳压电路，所述永磁发电机7发出的不稳定的交流电经过所述能量采集管理模块10稳压后转换为稳定的低压、100mA的直流电输出，QB25570芯片，能在输入电压低至100mV时持续能量采集，将能量存储在所述电池11中，作为稳压芯片为后端电路提供稳定的电压输出，当可充电储能元件电压高于或低于设定值时，自动切换至备用储能元件，稳定的直流电经过所述能量采集管理模块10后升压转换为额定的直流电给电池11充电。
如图5所示为半个骨架，所述骨架15和所述外壳5整体呈椭球形，所述尾翼16为竖直空心扇形状。所述骨架15分为多段弯曲状，通过螺丝、垫片、连接件组合而成，同时所述骨架15起支撑受力作用，装置所有内部零件均通过连接件固定于所述骨架15上，所述外壳5中间部分为扁椭圆形状，所述尾翼16为竖直扇形，当水平海流与所述尾翼16呈一定角度时，所述尾翼16在水平海流中受力面积远大于装置所述旋转轴2的前半部分的受力面积，所述尾翼16所受力矩也大于前端，令装置前端始终朝向来流。所述外壳5使用金属材料制作，从中间平面分为左右两块，覆盖于所述骨架15之上使用螺纹连接固定，在间隙处提前涂抹防水胶，防止海水渗入。
控制方法
如图6所示，上述面向水下监测节点的海流能收集装置的控制方法，包括：
第一步、将所述重物12至海底，通过所述深度调整装置1调节所述本体与所述重物12之间的距离，使得所述本体位于海流区域，此时海流冲击所述扇叶4从而带动所述永磁发电机7；
第二步，所述单片机判断，装置能量存储是否大于预值，若装置能量储大于等于预值，则本体保持该深度，若装置能量储存储小于预值，则所述单片机控制所述深度调整装置1从而使所述本体上升或下降一定距离，然后判断装置能量收集功率是否大于装置负载功率，若装置能量收集功率大于装置负载功率，则装置保持该深度，反正则继续控制所述深度调整装置1调整所述本体的位置，直至找到装置能量收集功率大于装置负载功率的位置。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均属于本发明要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种面向水下监测节点的海流能收集装置，其特征在于：包括本体和重物(12)，所述本体包括深度调整装置(1)、扇叶(4)、外壳(5)、增速齿轮组(6)、旋转轴(3)、永磁发电机(7)、推力轴承(8)、能量采集管理模块(10)、单片机、传感器、水声通信器(9)、电池(11)、转向轴(2)、轴承(13)、骨架(15)和尾翼(16)，所述骨架(15)上安装有所述外壳(5)整体形成水密腔体，其外侧一端设有所述扇叶(4)，另一端设有所述尾翼(16)，所述水密腔体内所述旋转轴(3)通过所述轴承(13)可转动地与所述骨架(15)连接，所旋转轴(3)的一端与所述扇叶(4)传动连接，另一端通过所述增速齿轮组(6)与所述永磁发电机(7)的输入端传动连接，所述能量采集管理模块(10)与所述永磁发电机(7)和所述电池(11)连接，所述单片机、所述传感器、所述水声通信器(9)和所述深度调整装置(1)由所述电池(11)供电，所述能量采集管理模块(10)、所述水声通信器(9)、所述深度调整装置(1)受所述单片机控制，所述传感器用于检测海洋数据，所述水声通信器(9)用于将所述传感器检测到的海洋数据传递，与装置重力方向重合的所述转向轴(2)通过推力轴承(8)可转动地安装在所述骨架(15)上，所述转向轴(2)的底部安装有所述深度调节装置(1)，所述深度调节装置(1)上连接有所述重物(12)，所述深度调节装置(1)可以调整所述本体与所述重物(12)之间的距离，所述重物(12)的重力大于收集装置整体的浮力，所述本体的浮力大于所述本体的重力。
2.根据权利要求1所述的一种面向水下监测节点的海流能收集装置，其特征在于：所述深度调节装置(1)包括水平绞盘及绞盘线(103)、深度调节电机(104)和滑轮组(106)，所述深度调节电机(104)安装在所述转向轴(2)的底部，所述深度调节电机(104)的输出端与所述水平绞盘及绞盘线(103)传动连接，所述水平绞盘及绞盘线(103)的绞盘线经所述滑轮组(106)与所述重物(12)连接，所述深度调节电机(104)由所述电池(11)供电并受所述单片机控制。
3.根据权利要求1所述的一种面向水下监测节点的海流能收集装置，其特征在于：所述能量采集管理模块(10)包括整流桥、降压稳压模块和能量储存及释放模块，所述永磁发电机(7)与所述整流桥连接，所述整流桥与所述降压稳压模块连接，所述降压稳压模块与所述能量储存及释放模块连接，所述能量储存与释放模块与所述电池连接。
4.根据权利要求1所述的一种面向水下监测节点的海流能收集装置，其特征在于：所述旋转轴(3)与所述外壳(5)之间还设有骨架油封(14)。
5.根据权利要求1所述的一种面向水下监测节点的海流能收集装置，其特征在于：所述骨架(15)和所述外壳(5)整体呈椭球形，所述尾翼(16)为竖直空心扇形状；外壳使用金属材料制作，从中间平面分为左右两块(包括尾翼)，覆盖于骨架之上使用螺纹连接固定，在间隙处提前涂抹防水胶，防止海水渗入。
6.根据权利要求2所述的一种面向水下监测节点的海流能收集装置，其特征在于：所述深度调整装置(1)还包括防水轴承(105)、壳体(102)和绳索紧贴装置(101)，所述深度调节电机(104)与所述深度调节电机(104)与所述转向轴(2)之间设有所述防水轴承(105)，所述水平绞盘及绞盘线(103)以及所述滑轮组(106)外侧设置有所述壳体(102)形成水密腔体，所述水平绞盘及绞盘线(103)的绞盘线传出所述壳体(102)的位置设有所述绳索紧贴装置(101)起到防水作用。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种面向水下监测节点的海流能收集装置的控制方法，其特征在于包括：
第一步、将所述重物(12)至海底，通过所述深度调整装置(1)调节所述本体与所述重物(12)之间的距离，使得所述本体位于海流区域，此时海流冲击所述扇叶(4)从而带动所述永磁发电机(7)；
第二步，所述单片机判断，装置能量存储是否大于预值，若装置能量储大于等于预值，装置保持该深度，若装置能量储存储小于预值，则所述单片机控制所述深度调整装置(1)从而使所述本体上升或下降一定距离，然后判断装置能量收集功率是否大于装置负载功率，若装置能量收集功率大于装置负载功率，则装置保持该深度，反正则继续控制所述深度调整装置(1)调整所述本体的位置，直至找到装置能量收集功率大于装置负载功率的位置。
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