CN114623039A - 一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置 - Google Patents

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CN114623039A CN202210270140.5A CN202210270140A CN114623039A CN 114623039 A CN114623039 A CN 114623039A CN 202210270140 A CN202210270140 A CN 202210270140A CN 114623039 A CN114623039 A CN 114623039A
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武晨旭
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Abstract

本发明涉及海上发电技术领域，特别是涉及一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置。包括电机盒、锚、连接环、定位绳、巡航机器、第一太阳能板、警示灯、集成式翻转机构、第二太阳能电板、点头鸭设备、滚筒式波浪能转化传动设备、蓄电池盒。电机盒的顶部圆盘下方安装有集成式翻转机构，第一太阳能板安装于集成式翻转机构上，第二太阳能电板安装于电机盒的圆筒结构上，且部分第二太阳能电板覆盖于第一太阳能板的底部，蓄电池盒安装于电机盒上，巡航机器对称固定于电机盒平台的两侧，滚筒式波浪能转化传动设备安装于电机盒的下部，点头鸭设备设置于电机盒底部两侧。本发明提高了装置的发电效率，使得设备能够全天候稳定运转。

Description

一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置
技术领域
本发明涉及海上发电技术领域，特别是涉及一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置。
背景技术
随着低功耗无线传感器的发展，利用环境清洁可再生能源如太阳能、风能以及波浪能发电制作成电源为传感器节点提供电能，日益受到各界广泛关注。相比风能与太阳能技术，波浪能发电技术要落后十几年。但是波浪能具有其独特的优势，波能能量密度高，是风能的4～30倍，相比太阳能，波浪能不受天气影响。
现有技术中的海上波浪能发电装置发电效率较低，成本较高，无法实现全天候稳定运转，因此需要改进。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，用于解决现有技术中的海上波浪能发电装置发电效率较低，成本较高，无法实现全天候稳定运转的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，包括：
电机盒，其顶部安装有警示灯，所述电机盒的顶部圆盘下方安装有集成式翻转机构；
第一太阳能板，其安装于所述集成式翻转机构上；
第二太阳能电板，其安装于所述电机盒的圆筒结构上，且部分所述第二太阳能电板覆盖于所述第一太阳能板的底部；
蓄电池盒，其安装于所述电机盒上；
巡航机器，其对称固定于所述电机盒平台的两侧；
滚筒式波浪能转化传动设备，其安装于所述电机盒的下部；
点头鸭设备，其设置于所述电机盒底部两侧。
在本发明的一实施例中，所述电机盒的底部安装有定位绳，所述定位绳的一端活动安装于所述电机盒底部，且所述定位绳的另一端通过连接环活动连接在锚上。
在本发明的一实施例中，所述集成式翻转机构包括：
固定框架，其安装于所述电机盒的顶部圆盘下方；
传动轴，其固定安装于所述固定框架上；
合页，其与所述传动轴同轴设置；
发动机，其与所述传动轴连接。
在本发明的一实施例中，所述滚筒式波浪能转化传动设备包括：
第一转轴，其上固定连接有等间距分布的滚筒；
单向门，其活动安装于所述滚筒内壁，且所述滚筒侧壁开设有进水孔；
第二转轴，其与所述第一转轴的端部固定，且所述第二转轴上安装有动力齿轮；
发电机组件，其安装于所述动力齿轮上，且所述发电机组件固定安装于所述电机盒的内壁上；
所述第一转轴和第二转轴活动安装于所述电机盒上，且所述第一转轴和第二转轴穿过所述电机盒。
在本发明的一实施例中，所述发电机组件设置有六个，所述发电机组件与齿环、动力齿轮构成啮合传动结构。
在本发明的一实施例中，所述点头鸭设备的位置设置包括：
所述点头鸭设备以第二转轴的轴心处为原点，绕原点做圆周运动，运动轨迹的曲线方程为：
x2+y2＝R2(0.05≤R≤0.188)，
其中，x为以第二转轴的轴心处为原点的横坐标变量，y为以第二转轴的轴心处为原点的纵坐标变量，R为第二转轴的直径。
在本发明的一实施例中，所述点头鸭设备的发电信息包括：
所述滚筒式波浪能转化传动设备的能量转换效率为：
Figure BDA0003552951650000021
其中，ηf为一次能转换效率，Ha为入射波的波高，Hb为反射波的波高，Hc为绕射波的波高；
在二维波中，一个波长中所储存的波浪能能量为：
Figure BDA0003552951650000022
其中，b为点头鸭设备的迎浪宽度，ρ为海水的密度，g为重力加速度，H为波高，L为波长；
转化为电能总效率为：ηa＝η1η2η3ηf，
其中，ηa为传动转化总效率，η1为动力齿轮传动效率，η2为发电机组件自身效率，η3为蓄电池蓄电转化效率，ηf为俘能装置效率；
传入蓄电池的能量为：Ee＝ηaEw。
如上所述，本发明的一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，具有以下有益效果：
本发明的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置采用多重发电方式，提高了装置的发电效率，使得设备能够全天候稳定运转，本发明能够同时收集波浪能、潮汐能与太阳能，高效率复合式发电。利用太阳能板折叠技术，使得本发明与现有机械相比能够吸收转化更多的太阳能，同时能将除去装备正常运作外富余的电能储存在蓄电池中。
本发明能够通过利用波浪能以及太阳能等多种清洁能源自主发电从而提供电力，使得装置能够长时间保持运行，无需定时更换电池，节约成本，节能减排。本发明节省了人力远程操控，效率高。
附图说明
图1为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的主视结构图。
图2为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的侧视结构图。
图3为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的俯视结构图。
图4为本申请一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的集成式翻转机构的部分结构图。
图5为本申请又一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的集成式翻转机构的部分结构图。
图6为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的滚筒式波浪能转化传动设备的结构图。
图7为本申请一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的滚筒式波浪能转化传动设备的内部结构图。
图8为本申请又一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的滚筒式波浪能转化传动设备的内部结构图。
图9为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的巡航机器的主视结构图。
图10为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的巡航机器的俯视结构图。
图11为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的巡航机器的侧视结构图。
图12为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波高对俘能效率的影响示意图。
图13为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波浪周期对俘能效率的影响示意图。
图14为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波长对产电量的影响示意图。
图15为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波高对产电量量的影响示意图。
图中的附图标记含义如下：
1-电机盒 2-锚
3-连接环 4-定位绳
5-巡航机器 6-第一太阳能板
7-警示灯 8-集成式翻转机构
9-第二太阳能电板 10-点头鸭设备
11-滚筒式波浪能转化传动设备 12-蓄电池盒
51-伺服机 52-第一摇臂
53-第一连杆 54-第二连杆
55-第二摇臂 56-球铰
81-固定框架 82-传动轴
83-合页 84-发动机
111-滚筒 112-第一转轴
113-单向门 114-第二转轴
115-动力齿轮 116-发电机组件
117-传动齿
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1、图2、图3，图1为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的主视结构图。图2为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的侧视结构图。图3为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的俯视结构图。一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，包括：电机盒1、锚2、连接环3、定位绳4、巡航机器5、第一太阳能板6、警示灯7、集成式翻转机构8、第二太阳能电板9、点头鸭设备10、滚筒式波浪能转化传动设备11、蓄电池盒12。所述电机盒1的顶部安装有警示灯7，所述电机盒1的顶部圆盘下方安装有集成式翻转机构8，所述第一太阳能板6安装于所述集成式翻转机构8上，所述第二太阳能电板9安装于所述电机盒1的圆筒结构上，且部分所述第二太阳能电板9覆盖于所述第一太阳能板6的底部，所述蓄电池盒12安装于所述电机盒1上，所述巡航机器5对称固定于所述电机盒1平台的两侧，所述滚筒式波浪能转化传动设备11安装于所述电机盒1的下部，所述点头鸭设备10设置于所述电机盒1底部两侧。所述电机盒1的底部安装有定位绳4，所述定位绳4的一端活动安装于所述电机盒1底部，且所述定位绳4的另一端通过连接环3活动连接在锚2上。
具体的，所述电机盒1的顶部圆盘下方固定安装有集成式翻转机构8，而且折叠式太阳能板即为第一太阳能板6固定安装在集成式翻转机构8内的合页83上，所述电机盒1的圆筒结构上安装有太阳能电板即为第二太阳能电板9，所述电机盒1的平台上固定安装有蓄电池盒12，蓄电池盒12内装有四块蓄电池，电机盒1平台上两边对称固定安装有巡航机器5，电机盒1的下侧装有滚筒式波浪能转化传动设备11，电机盒1底部两侧装有点头鸭设备10，且第一转轴112上固定连接有等间距分布的滚筒111，且滚筒111的内壁上活动安装有单向门113，并且滚筒111的侧壁上开设有进水孔，使滚筒111能够带动第一转轴112转动。第一转轴112和第二转轴114的两端固定安装有动力齿轮115，且第一转轴112和第二转轴114活动安装在电机盒1上，并且第一转轴112和第二转轴114贯穿电机盒1设置，所述定位绳4的一端活动安装在电机盒1底部外壁上，且定位绳4的另一端活动连接在锚2上。
请参阅图4、图5、图6、图7、图8，图4为本申请一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的集成式翻转机构的部分结构图。图5为本申请又一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的集成式翻转机构的部分结构图。图6为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的滚筒式波浪能转化传动设备的结构图。图7为本申请一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的滚筒式波浪能转化传动设备的内部结构图。图8为本申请又一个实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的滚筒式波浪能转化传动设备的内部结构图。所述集成式翻转机构8包括固定框架81、传动轴82、合页83、发动机84，所述固定框架81安装于所述电机盒1的顶部圆盘下方，所述传动轴82固定安装于所述固定框架81上，所述合页83与所述传动轴82同轴设置，所述发动机84与所述传动轴82连接。所述滚筒式波浪能转化传动设备11包括第一转轴112、单向门113、第二转轴114、动力齿轮115、发电机组件116。所述第一转轴112上固定连接有等间距分布的滚筒111；所述单向门113活动安装于所述滚筒111内壁，且所述滚筒111侧壁开设有进水孔；所述第二转轴114与所述第一转轴112的端部固定，且所述第二转轴114上安装有动力齿轮115；所述发电机组件116安装于所述动力齿轮115上，且所述发电机组件116固定安装于所述电机盒1的内壁上；所述第一转轴112和第二转轴114活动安装于所述电机盒1上，且所述第一转轴112和第二转轴114穿过所述电机盒1。
具体的，所述点头鸭设备10在潮汐作用下，围绕旋转轴转动，圆轮的特殊形状可以减少其运动时的反向水压阻力。点头鸭设备10能吸收系统的横截面轮廓形状呈圆形，水下部分为圆形，圆心在转动轴心处。点头鸭设备10中间的圆孔是为了加载配重以调整鸭式装置的重心位置，使点头鸭设备10能够更好地适应潮汐变化而设计的。
折叠式太阳能板即为第一太阳能板6的上侧板通过集成式翻转机构8连接，传动机构由六个合页83与传动轴82构成。由发动机84带动传动轴82旋转，传动轴82带动六个合页83旋转，合页83的一端固定在第一太阳能板6上，可以实现第一太阳能板6的展开与关闭。在本发明中，控制折叠式太阳能板在工作时展开，非工作时关闭，不仅可以提高充电效率，也削减太阳能电池板长期暴露在外受到风湿打磨而造成表面磨损。
请参阅图9、图10、图11，图9为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的巡航机器的主视结构图。图10为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的巡航机器的俯视结构图。图11为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的巡航机器的侧视结构图。所述巡航机器5包括伺服机51、第一摇臂52、第一连杆53、第二连杆54、第二摇臂55、球铰56，自主巡航系统基于Python脚本运行，方向舵摇臂通过连杆机构与方向伺服机摇臂连接，发动机转速控制器摇臂通过连杆机构与转速控制伺伏机摇臂连接。实现对航标的航向及航速的控制。嵌入式计算机安装在浮标上，嵌入式计算机储存航线信息位置。和航向传感器作为输入设备，通过相应的接口与嵌入式计算机连接方向伺服机和转速控制机作为输出装备。Python脚本系统连接伺服机，系统根据天气状况和海面实际情况计算出航行最优路径并实际运用。该系统可以令该装置航行过程中匀速航行，使航行更稳定。利用自主巡航航行，航行速度被控制在装置允许的航行速度以内，使电能供给与电动机功率之间处于最佳配合状态。
请参阅图12、图13、图14、图15，图12为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波高对俘能效率的影响示意图。图13为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波浪周期对俘能效率的影响示意图。图14为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波长对产电量的影响示意图。图15为本申请实施例提供的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置的入射波波高对产电量量的影响示意图。
所述点头鸭设备10的位置设置包括：
所述点头鸭设备10以第二转轴114的轴心处为原点，绕原点做圆周运动，运动轨迹的曲线方程为：
x2+y2＝R2(0.05≤R≤0.188)，
其中，x为以第二转轴114的轴心处为原点的横坐标变量，y为以第二转轴114的轴心处为原点的纵坐标变量，R为第二转轴114的直径。
所述点头鸭设备10的发电信息包括：
所述滚筒式波浪能转化传动设备11的能量转换效率为：
Figure BDA0003552951650000071
其中，ηf为一次能转换效率，Ha为入射波的波高，Hb为反射波的波高，Hc为绕射波的波高；
在二维波中，一个波长中所储存的波浪能能量为：
Figure BDA0003552951650000072
其中，b为点头鸭设备10的迎浪宽度，ρ为海水的密度，g为重力加速度，H为波高，L为波长；b取150cm2，ρ取1025kg/m3，g取9.81m/s2，H单位为m，L单位为m。
转化为电能总效率为：ηa＝η1η2η3ηf，
其中，ηa为传动转化总效率，η1为动力齿轮115传动效率，η2为发电机组件116自身效率，η3为蓄电池蓄电转化效率，ηf为俘能装置效率，即为点头鸭设备及滚筒式波浪能转化传动设备效率；η1取0.90，η2取0.95，η3取0.90。
传入蓄电池的能量为：Ee＝ηaEw。
如下表1、表2为入射波波高或者波长对俘能效率的影响。
表1：入射波波高对俘能效率的影响
Figure BDA0003552951650000081
表2：入射波波长对俘能效率的影响
Figure BDA0003552951650000082
由以上图12、图13可以看出在一定范围波浪高度和波浪周期约大，俘能效率逐渐降低，特别是波浪周期对俘能效率的影响。由图14当波浪高度若是在装置头顶以下时，入射波波高的提升可以增加其产电量，原因在于波浪能的提升幅度比俘能效率降低的更快。图15可知波浪周期在0.7s至0.9s内拥有产电最大值。
本发明的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置在工作过程中，当海水向上翻腾时，海水通过滚筒111侧壁上的进水孔冲入滚筒111内，此时单向门113在海水的冲击作用下打开，海水进入滚筒111的上半部分，当海水下落时，单向门113卡合，滚筒111内部的海水在重力的作用下冲击单向门113，此时单向门113将带动滚筒111和第一转轴112转动，第一转轴112两端的动力齿轮115利用啮合传动关系带动发电机组件116转动产生电能，当海浪向上翻腾时，海水带动点头鸭设备10绕轴转动，点头鸭设备10通过内侧的齿块带动传动齿117转动，由于传动齿117与第二转轴114构成卡合的滑动结构，此时第二转轴114同步转动，第二转轴114端部的动力齿轮115带动相应的发电机组件116转动产生电能，当海水下落时，点头鸭设备10在重力的作用下绕轴转动，电机盒1顶部的警示灯7利用产生的电能运转，而整个装置通过定位锚2和巡航机器5在水面运动。
综上所述，本发明的自主巡航的海上自发电多功能一体化装置采用多重发电方式，提高了装置的发电效率，使得设备能够全天候稳定运转，本发明能够同时收集波浪能、潮汐能与太阳能，高效率复合式发电。利用太阳能板折叠技术，使得本发明与现有机械相比能够吸收转化更多的太阳能，同时能将除去装备正常运作外富余的电能储存在蓄电池中。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，其特征在于，包括：
电机盒(1)，其顶部安装有警示灯(7)，所述电机盒(1)的顶部圆盘下方安装有集成式翻转机构(8)；
第一太阳能板(6)，其安装于所述集成式翻转机构(8)上；
第二太阳能电板(9)，其安装于所述电机盒(1)的圆筒结构上，且部分所述第二太阳能电板(9)覆盖于所述第一太阳能板(6)的底部；
蓄电池盒(12)，其安装于所述电机盒(1)上；
巡航机器(5)，其对称固定于所述电机盒(1)平台的两侧；
滚筒式波浪能转化传动设备(11)，其安装于所述电机盒(1)的下部；
点头鸭设备(10)，其设置于所述电机盒(1)底部两侧。
2.根据权利要求1所述的一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，其特征在于：所述电机盒(1)的底部安装有定位绳(4)，所述定位绳(4)的一端活动安装于所述电机盒(1)底部，且所述定位绳(4)的另一端通过连接环(3)活动连接在锚(2)上。
3.根据权利要求2所述的一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，其特征在于，所述集成式翻转机构(8)包括：
固定框架(81)，其安装于所述电机盒(1)的顶部圆盘下方；
传动轴(82)，其固定安装于所述固定框架(81)上；
合页(83)，其与所述传动轴(82)同轴设置；
发动机(84)，其与所述传动轴(82)连接。
4.根据权利要求3所述的一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，其特征在于，所述滚筒式波浪能转化传动设备(11)包括：
第一转轴(112)，其上固定连接有等间距分布的滚筒(111)；
单向门(113)，其活动安装于所述滚筒(111)内壁，且所述滚筒(111)侧壁开设有进水孔；
第二转轴(114)，其与所述第一转轴(112)的端部固定，且所述第二转轴(114)上安装有动力齿轮(115)；
发电机组件(116)，其安装于所述动力齿轮(115)上，且所述发电机组件(116)固定安装于所述电机盒(1)的内壁上；
所述第一转轴(112)和第二转轴(114)活动安装于所述电机盒(1)上，且所述第一转轴(112)和第二转轴(114)穿过所述电机盒(1)。
5.根据权利要求4所述的一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，其特征在于：所述发电机组件(116)设置有六个，所述发电机组件(116)与齿环、动力齿轮(115)构成啮合传动结构。
6.根据权利要求1所述的一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，其特征在于，所述点头鸭设备(10)的位置设置包括：
所述点头鸭设备(10)以第二转轴(114)的轴心处为原点，绕原点做圆周运动，运动轨迹的曲线方程为：
x2+y2＝R2(0.05≤R≤0.188)，
其中，x为以第二转轴(114)的轴心处为原点的横坐标变量，y为以第二转轴(114)的轴心处为原点的纵坐标变量，R为第二转轴(114)的直径。
7.根据权利要求1所述的一种自主巡航的海上自发电多功能一体化装置，其特征在于，所述点头鸭设备(10)的发电信息包括：
所述滚筒式波浪能转化传动设备(11)的能量转换效率为：
Figure FDA0003552951640000021
其中，ηf为一次能转换效率，Ha为入射波的波高，Hb为反射波的波高，Hc为绕射波的波高；
在二维波中，一个波长中所储存的波浪能能量为：
Figure FDA0003552951640000022
其中，b为点头鸭设备(10)的迎浪宽度，ρ为海水的密度，g为重力加速度，H为波高，L为波长；
转化为电能总效率为：ηa＝η1η2η3ηf，
其中，ηa为传动转化总效率，η1为动力齿轮(115)传动效率，η2为发电机组件(116)自身效率，η3为蓄电池蓄电转化效率，ηf为俘能装置效率；
传入蓄电池的能量为：Ee＝ηaEw。
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