CN116625633A - 一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，涉及波浪滑翔器技术领域，包括：波浪产生装置、动能监测系统、能量采集系统和水槽，水槽内用于容纳水，水中设置有波浪滑翔器，波浪产生装置能够推动水槽内的水并制造波浪，波浪滑翔器与能量采集系统连接，能量采集系统用于对所测波浪滑翔器在前向运动过程中产生的能量进行采集，动能监测系统用于监测波浪滑翔器在所设定的时间段内的动能。本发明提供的方案能够真实模拟海洋环境，监测波浪滑翔器各部分运行状态，实现对波浪滑翔器波浪动力转化效率的提升。

Description

一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置

技术领域

本发明涉及波浪滑翔器技术领域，特别是涉及一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置。

背景技术

波浪滑翔器是一种利用波浪能作为核心驱动力，借助太阳能为安装在水面浮体上的各种声、光、电传感器提供能量的新型海洋移动观测平台，且无需现场维护，具有极强的续航能力和生存能力，可以有效满足海洋调查大尺度、长时序的需求并解决海洋调查环境恶劣和高成本问题。波浪滑翔器的水面浮体跟随海浪的运动上下起伏，继而脐带缆张紧，带动水下牵引机上下起伏，水下牵引机凭借自身可摆动扑翼将上下运动转化为整体设备的前进运动。因此，水下牵引机承担波浪动力转化的主要任务，牵引机的优化成为提升转化效率最重要的途径。然而，由于海洋环境变化莫测，无论是水面浮体还是水下牵引机，对其运行状态实时监测难度较大，故导致牵引机的优化受阻。目前对转换效率测试装置的现有技术较少，不能够真实的模拟海洋环境，因此需要一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够真实模拟海洋环境，监测波浪滑翔器各部分运行状态，实现对波浪滑翔器波浪动力转化效率的提升。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，包括：波浪产生装置、动能监测系统、能量采集系统和水槽，所述水槽内用于容纳水，所述水中设置有波浪滑翔器，所述波浪产生装置能够推动所述水槽内的水并制造波浪，所述波浪滑翔器与所述能量采集系统连接，所述能量采集系统用于对所测波浪滑翔器在前向运动过程中产生的能量进行采集，所述动能监测系统用于监测所述波浪滑翔器在所设定的时间段内的动能。

优选的，所述波浪产生装置包括造波推板和驱动装置，所述造波推板沿着所述水槽长度方向能够滑动地设置于所述水槽内，所述造波推板沿着所述水槽宽度方向延伸，所述驱动装置通过传动系统驱动所述造波推板沿着所述水槽长度方向往复滑动并推动所述水槽内的水。

优选的，所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机设置于所述水槽一端的外侧，所述伺服电机的电机轴与第一滚珠丝杠传动连接，所述第一滚珠丝杠自所述水槽的一端沿着所述水槽的长度方向向另一端延伸，所述第一滚珠丝杠上螺纹连接有第一丝杠螺母，所述第一丝杠螺母与所述造波推板固定连接。

优选的，设置有两个所述伺服电机，两个所述伺服电机一上一下设置，所述造波推板的上端和下端均固定连接有一个所述第一丝杠螺母，两个所述伺服电机分别通过两个所述第一滚珠丝杠与两个所述第一丝杠螺母连接。

优选的，所述造波推板沿着所述水槽宽度方向的两端分别固定连接有一个水平滑块，所述水槽宽度方向的两侧分别设置有与所述水平滑块相匹配使用的水平滑轨。

优选的，所述动能监测系统包括三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器用于设置于波浪滑翔器上并实时监测所述波浪滑翔器的加速度，通过监测到的加速度利用常规的数学计算来得出所述波浪滑翔器在所设定的时间段内的动能。

优选的，所述能量采集系统包括发电机、转换系统和第二滚珠丝杠，所述发电机设置于所述水槽远离所述伺服电机的一端的外侧，所述第二滚珠丝杠自所述水槽远离所述伺服电机的一端向另一端延伸，所述第二滚珠丝杠能够转动地设置，所述第二滚珠丝杠上连接有第二丝杠螺母，所述第二丝杠螺母通过钩绳与所述波浪滑翔器连接，所述第二滚珠丝杠的一端与所述发电机传动连接实现发电。

优选的，所述发电机为直线发电机，所述第二滚珠丝杠的一端通过回形齿轮齿条模组来与所述直线发电机传动连接。

优选的，所述回形齿轮齿条模组包括不完全齿轮和回转齿条，所述不完全齿轮设置于所述回转齿条内，所述不完全齿轮与所述第二滚珠丝杠的一端传动连接，所述不完全齿轮旋转时带动所述回转齿条往复直线运动，所述回转齿条与所述直线发电机的能量输入端传动连接。

优选的，所述水槽远离所述伺服电机一端的内侧固定设置有吸波板。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的波浪产生装置用于实现模拟波浪的产生，能量采集系统用于对所测负载在运动过程中产生的能量进行采集。该装置可以在水槽空间中模拟真实海浪，波高和波周期可人为选定，从而监测波浪滑翔器在不同海况下的运行状态，波浪力驱动波浪滑翔器整体运动，经过数学计算得出在某时间段内的动能，此动能减去前向运动产生的能量差值，作为波浪驱使波浪滑翔器运动产生的能量，将其作为输入能量。能量采集系统所采集的能量作为输出能量，二者相比，作为波浪动力转化效率的评价方法。

1、本发明通过波浪产生装置来推动水槽内的水以更加真实的模拟波浪。

2、通过调节伺服电机的最大行程、运动速率以及运动频率模拟出不同的波高及波周期海况条件。

3、本发明所述的能量采集系统，可以将波浪滑翔器的前向运动转化为直线发电机的发电量，作为波浪动力转化的能量输出。

4、本发明在波浪滑翔器浮体上方安装三轴加速度传感器，经过数学计算得出波浪滑翔器在t时间段内的动能，此动能减去前向运动产生的能量差值，将其作为输入能量。

5、本发明提供的波浪产生装置可往复推动水槽内的水以产生往复的波浪，可避免由于单次实验波浪滑翔器前进路径不足而影响转化效率评定。

6、本发明在运动副处装有轴承、滑动导轨，减小传动过程中由于摩擦等带来的能量损失，确保结果准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置的结构示意图；

图2为能量采集系统的结构示意图；

图3为图1的结构组成框图；

图中：1、电机支架；2、伺服电机；3、电机座；4、水平滑轨；5、水平滑块；6、第一丝杠螺母；7、移动连接块；8、第一滚珠丝杠；9、滚珠丝杠支架；10、造波推板；11、轴承；12、支撑肋板；13、中部轴承固定板；14、水槽；15、第二滚珠丝杠；16、钩绳；17、第二丝杠螺母；18、吸波板；19、末端轴承固定板；20、能量采集系统；201、回转齿条；202、抓手；203、电机托架；204、不完全齿轮；205、压紧螺母；206、直线发电机；207、三角支架；208、三角支架中间加强杆Ⅰ；209、中间支撑板；2010、三角支架中间加强杆Ⅱ。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够真实模拟海洋环境，监测波浪滑翔器各部分运行状态，实现对波浪滑翔器波浪动力转化效率的提升。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，如图1和图3所示，包括：波浪产生装置、动能监测系统、能量采集系统20和水槽14，水槽14内用于容纳水，水中设置有波浪滑翔器，波浪产生装置能够推动水槽14内的水并制造波浪，波浪滑翔器与能量采集系统20连接，能量采集系统20用于对所测波浪滑翔器在前向运动过程中产生的能量进行采集，动能监测系统用于监测波浪滑翔器在所设定的时间段内的动能。

其中，波浪产生装置包括造波推板10和驱动装置，造波推板10沿着水槽14长度方向能够滑动地设置于水槽14内，造波推板10沿着水槽14宽度方向延伸，驱动装置通过传动系统驱动造波推板10沿着水槽14长度方向往复滑动并推动水槽14内的水以更加真实的模拟波浪。

驱动装置包括伺服电机2，伺服电机2设置于水槽14一端的外侧，伺服电机2的电机轴与第一滚珠丝杠8传动连接，第一滚珠丝杠8自水槽14的一端沿着水槽14的长度方向向另一端延伸，第一滚珠丝杠8上螺纹连接有第一丝杠螺母6，第一丝杠螺母6与造波推板10固定连接；通过调节伺服电机2的最大行程、运动速率以及运动频率模拟出不同的波高及波周期海况条件。

第一滚珠丝杠8的一端通过联轴器与伺服电机2的输出轴连接，另一端通过轴承11与架设于水槽14内的支撑结构转动连接，该支撑结构包括滚珠丝杠支架9和设置于滚珠丝杠支架9上方和下方的两个中部轴承固定板13，两个中部轴承固定板13用于固定轴承11，第一滚珠丝杠8的一端与下方的中部轴承固定板13上的轴承连接。

以此实现伺服电机2驱动第一滚珠丝杠8旋转的目的。优选的实施例中，伺服电机2通过电机座3固定于水槽14的外端面上，伺服电机2为整个系统提供能量动力来源。

为了提高造波推板10滑动的稳定性，造波推板10沿着水槽14宽度方向的两端分别固定连接有一个水平滑块5，水槽14宽度方向的两侧分别设置有与水平滑块5相匹配使用的水平滑轨4。

动能监测系统包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器用于设置于波浪滑翔器上并实时监测波浪滑翔器的加速度，通过监测到的加速度利用常规的数学计算来得出波浪滑翔器在所设定的时间段内的动能。

如图2所示，能量采集系统20包括发电机、转换系统和第二滚珠丝杠15，发电机设置于水槽14远离伺服电机2的一端的外侧，第二滚珠丝杠15自水槽14远离伺服电机2的一端向另一端延伸，第二滚珠丝杠15能够转动地设置，第二滚珠丝杠15上连接有第二丝杠螺母17，第二丝杠螺母17通过钩绳16与波浪滑翔器连接，第二滚珠丝杠15的一端与发电机传动连接实现发电。

第二滚珠丝杠15的一端与滚珠丝杠支架9上方的中部轴承固定板13上的轴承连接，水槽14的末端固定设置有末端轴承固定板19，第二滚珠丝杠15的一端与末端轴承固定板19上的轴承连接。

本发明能够真实模拟海洋环境，并通过三轴加速度传感器监测波浪滑翔器各部分运行状态，实现对波浪滑翔器波浪动力转化效率的提升。

本发明中的波浪产生装置用于实现模拟波浪的产生，能量采集系统20用于对所测负载在运动过程中产生的能量进行采集。该装置可以在水槽14空间中模拟真实海浪，波高和波周期可人为选定，从而监测波浪滑翔器在不同海况下的运行状态，波浪力驱动波浪滑翔器整体运动，经过数学计算得出在某时间段内的动能，此动能减去前向运动产生的能量差值，作为波浪驱使波浪滑翔器运动产生的能量，将其作为输入能量。波浪滑翔器在相同时间段的前向运动可转化为直线发电机的发电量，发电量作为输出能量，二者相比，作为波浪动力转化效率的评价方法。

于一些实施例中，为了提高稳定性，本实施例提供的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置中设置有两个伺服电机2，两个伺服电机2一上一下设置，造波推板10的上端和下端均固定连接有一个第一丝杠螺母6，两个伺服电机2分别通过两个第一滚珠丝杠8与两个第一丝杠螺母6连接。

于一些实施例中，发电机为直线发电机206，第二滚珠丝杠15的一端通过回形齿轮齿条模组来与直线发电机206传动连接。

其中，回形齿轮齿条模组包括不完全齿轮204和回转齿条201，不完全齿轮204设置于回转齿条201内，不完全齿轮204与第二滚珠丝杠15的一端传动连接，不完全齿轮204旋转时带动回转齿条201往复直线运动，回转齿条201与直线发电机206的能量输入端传动连接。

更为具体的，水槽14的端部侧壁上固定设置有两个三角支架207，两个三角支架207由三角支架中间加强杆Ⅰ208和三角支架中间加强杆Ⅱ2010相连接，三角支架207上固定设置有电机托架203，直线发电机206固定于电机托架203上，电机托架203中间设置有托架中间支撑板209，第二滚珠丝杠15的一端穿过不完全齿轮204并螺纹连接有压紧螺母205，回转齿条201通过抓手202与直线发电机206的卡箍连接。

水槽14为12m×2m×2m的玻璃钢水槽，可拆卸，可拼接，可满足不同体积设备能量转换效率的评定。

于一些实施例中，水槽14远离伺服电机2一端的内侧固定设置有吸波板18，吸波板18倾斜设置，吸波板18来吸收由于造波推板10运动引起的二次反射波，防止对波浪产生干扰，目的是提高产生波浪的模拟精度。

本实施例的具体使用过程如下：

启动测试装置，通过调节伺服电机2的转速和造波推板10的最大行程，达到模拟不同海浪波周期和波高的目的，波浪滑翔器浮体上方安装三轴加速度传感器，通过积分的方式得出某段时间内的速度，测量出波浪滑翔器动能。该段时间内直线发电机206产生的能量与波浪滑翔器动能减去直线发电机206产生的能量的比值，即可得到波浪滑翔器牵引机在不同海况下的动力转换效率。

能量转换效率标定方法如下：

直线发电机206时刻的采集功率可表示为：

。

其中，为第/>时刻直线发电机206的电压值，/>为第/>时刻直线发电机206的电流值。

伺服电机时刻输入功率可表示为：

。

其中，为第/>时刻伺服电机的电压值，/>为第/>时刻伺服电机的电流值。

三轴加速度传感器测得x，y，z三个方向上的加速度分量分别为：

，/>，/>。

合加速度可表示为：。

其中，X轴方向上的加速度分量为，Y轴方向上的加速度分量为 ，Z轴方向上的加速度分量为/>。

在和/>时间段内对合加速度/>进行积分求得速度为：

。

波浪滑翔器在此阶段内的动能为：

。

该动能包括波浪滑翔器上下起伏运动时产生的动能和前进时产生的动能。

在和/>时间段内直线发电机206产生的能量为：

。

能量转换效率可表示为：

。

波浪推板最大功率可表示为：

。

。

。

其中，和/>为中间参数，/>为波浪推板的质量，/>为波浪的圆频率，/>。为波浪推板的宽度，/>为波槽水深，/>为波数。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：包括：波浪产生装置、动能监测系统、能量采集系统和水槽，所述水槽内用于容纳水，水中设置有波浪滑翔器，所述波浪产生装置能够推动所述水槽内的水并制造波浪，所述波浪滑翔器与所述能量采集系统连接，所述能量采集系统用于对所测波浪滑翔器在前向运动过程中产生的能量进行采集，所述动能监测系统用于监测所述波浪滑翔器在所设定的时间段内的动能。

2.根据权利要求1所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述波浪产生装置包括造波推板和驱动装置，所述造波推板沿着所述水槽长度方向能够滑动地设置于所述水槽内，所述造波推板沿着所述水槽宽度方向延伸，所述驱动装置通过传动系统驱动所述造波推板沿着所述水槽长度方向往复滑动并推动所述水槽内的水。

3.根据权利要求2所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机设置于所述水槽一端的外侧，所述伺服电机的电机轴与第一滚珠丝杠传动连接，所述第一滚珠丝杠自所述水槽的一端沿着所述水槽的长度方向向另一端延伸，所述第一滚珠丝杠上螺纹连接有第一丝杠螺母，所述第一丝杠螺母与所述造波推板固定连接。

4.根据权利要求3所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：设置有两个所述伺服电机，两个所述伺服电机一上一下设置，所述造波推板的上端和下端均固定连接有一个所述第一丝杠螺母，两个所述伺服电机分别通过两个所述第一滚珠丝杠与两个所述第一丝杠螺母连接。

5.根据权利要求2所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述造波推板沿着所述水槽宽度方向的两端分别固定连接有一个水平滑块，所述水槽宽度方向的两侧分别设置有与所述水平滑块相匹配使用的水平滑轨。

6.根据权利要求1所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述动能监测系统包括三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器用于设置于波浪滑翔器上并实时监测所述波浪滑翔器的加速度，通过监测到的加速度利用常规的数学计算来得出所述波浪滑翔器在所设定的时间段内的动能。

7.根据权利要求3所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述能量采集系统包括发电机、转换系统和第二滚珠丝杠，所述发电机设置于所述水槽远离所述伺服电机的一端的外侧，所述第二滚珠丝杠自所述水槽远离所述伺服电机的一端向另一端延伸，所述第二滚珠丝杠能够转动地设置，所述第二滚珠丝杠上连接有第二丝杠螺母，所述第二丝杠螺母通过钩绳与所述波浪滑翔器连接，所述第二滚珠丝杠的一端与所述发电机传动连接实现发电。

8.根据权利要求7所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述发电机为直线发电机，所述第二滚珠丝杠的一端通过回形齿轮齿条模组来与所述直线发电机传动连接。

9.根据权利要求8所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述回形齿轮齿条模组包括不完全齿轮和回转齿条，所述不完全齿轮设置于所述回转齿条内，所述不完全齿轮与所述第二滚珠丝杠的一端传动连接，所述不完全齿轮旋转时带动所述回转齿条往复直线运动，所述回转齿条与所述直线发电机的能量输入端传动连接。

10.根据权利要求3所述的走航式波浪滑翔器波浪动力转换效率测试装置，其特征在于：所述水槽远离所述伺服电机一端的内侧固定设置有吸波板。