CN116985959A - 一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标 - Google Patents
一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及海洋探测与能量回收技术领域，尤其涉及一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标。它包括浮标机体，所述浮标机体包括浮标外壳和设置在浮标外壳底部的若干个尾翼，在浮标外壳内自上而下设有上舱室和下舱室，在上舱室内设有卫星通信模块、环境监测模块和运动控制模块，在下舱室内设有液压能量转换系统。它结构设计合理，通过使用油馕调节Argo浮标的浮力，采用水轮机供能的工作方式，具有削峰填谷的作用，收集不稳定的波浪能转化为液压能，从而向Argo浮标稳定供能，提高了稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋探测与能量回收技术领域，尤其涉及一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标。
背景技术
Argo计划是一个全球海洋观测试验项目，在全球各大海域布置数以千计的浮标，旨在大范围准确地收集全球海洋上层的海水温度、盐度剖面资料，以提高气候预报的精度，从而有效防御全球日益严重的气候灾害给人类造成的威胁，为人类的生产生活提供帮助。传统的Argo浮标是通过蓄电池为浮标供电，其工作寿命一般在2-5年，为此，研究人员不得不考虑搭载更多的蓄电池以延长Argo浮标的使用寿命，但这使得Argo浮标的体积更加臃肿，也进一步增加了Argo浮标的加工难度和制造成本。
海洋中蕴含巨大的能源，诸如海洋风能、波浪能、潮汐能、温差能、盐差能等。其中，波浪能因其具有储量大、分布广、工作时间长等优点，因此更多的被研究人员进行开发利用，通过波浪能对Argo浮标进行供能，从而延长浮标的工作时间。如专利公开号为CN109823479A的一种基于波浪能的Argo浮标，该Argo浮标的波浪能发电模块内置于壳体，发电模块包括定子和动子，当浮标在水面时，波浪的上下起伏使得浮标上下直线运动，动子在惯性作用下上下振荡，使得动子与定子做往复直线运动，从而切割线圈绕组进行发电，并将电能储存在电池中。但是在实际使用中，该装置发电模块的定子和动子相对运动的幅度有限，这直接导致发电功率低。
另外，如专利公开号为CN112576430A的一种惯性波浪能供电浮标，该装置通过将波浪带动惯性摆的来回摆动转换为来回转动输出，经过变向机构转化为单一方向转动，并驱动发电机进行发电。该装置中的惯性摆等发电装置的机械件磨损较为严重，并且容易受到腐蚀，且发电效率低，持续性供电效果不佳。
综上所述，如何利用海洋能连续、持续性的自行充电，从而大大降低Argo浮标的加工难度与制造成本，是提高Argo浮标使用寿命的重要途径。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，它结构设计合理，通过使用油馕调节Argo浮标的浮力，采用水轮机供能的工作方式，具有削峰填谷的作用，收集不稳定的波浪能转化为液压能，从而向Argo浮标稳定供能，提高了稳定性；通过扩展水轮机收集能量的方式，当Argo浮标在海面上随波浪震荡时，水轮机可以收集海面上较小波浪所产生的波浪能，当浮标下潜时，水轮机被海水冲击，水轮机可以收集此时海水的动能，收集能量方式的增多可以更好的为Argo浮标完成补能，绿色节能，保障了Argo浮标的能量供应，延长了Argo浮标的工作寿命，并提高了Argo浮标在海上的工作效率，解决了实际使用中存在的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，包括浮标机体，所述浮标机体包括浮标外壳和设置在浮标外壳底部的若干个尾翼，在浮标外壳内自上而下设有上舱室和下舱室，在上舱室内设有卫星通信模块、环境监测模块和运动控制模块，在下舱室内设有液压能量转换系统，在浮标机体下方设有水轮机，所述水轮机通过距离调节机构与浮标机体相连。
可选地，所述距离调节机构包括固定卡接在浮标外壳外壁上的浮标支撑架，在对应浮标支撑架位置的水轮机外壁上设有水轮机支撑架，所述水轮机支撑架通过设置在其两侧的伸缩液压缸分别与对应一侧的浮标支撑架相连。
可选地，所述水轮机包括水轮机外壳，在水轮机外壳内壁上沿其圆周方向设有卡槽，一筒状壳体活动卡接在水轮机外壳的卡槽内，在筒状壳体内同轴心线方向设有水轮机轴，在水轮机轴外壁沿其圆周方向均匀设有若干个扇叶，各所述扇叶分别与筒状壳体相连；在水轮机外壳上部中央设有与其内壁相连的支架，所述水轮机轴的上端活动卡接在支架内。
可选地，还包括角度调整机构，所述角度调整机构包括对应各个扇叶位置设置在筒状壳体内壁上的若干个半圆形凹槽，在各个扇叶上部分别沿其长度方向分别水平设有活动穿过对应扇叶的卡管，各根卡管的内端均活动卡接在水轮机轴侧壁上，其外端则活动卡接在对应一侧圆心位置的半圆形凹槽内壁上，在朝向筒状壳体一侧的各个扇叶侧壁上均设有磁铁，所述磁铁设置在远离卡管一侧的扇叶外壁上，在对应该磁铁位置的半圆形凹槽内沿其圆周方向间隔设有若干个电磁铁，各个电磁铁分别通过设置在筒状壳体内的导线相连，各根导线的外端则穿入对应一侧卡管内并汇入水轮机轴内，向上依次穿过水轮机轴与下舱室底板与设置在上舱室内的运动控制模块相连。
可选地，在筒状壳体上涂覆设有防水层。
可选地，所述液压能量转换系统包括能量收集回路、水轮机伸缩回路与油馕：
所述能量收集回路包括能量收集液压泵，能量收集液压泵的输入轴通过联轴器与水轮机轴相连，所述能量收集液压泵通过泵架与支架相连，连轴器的下端活动穿过支架与水轮机轴相连，能量收集液压泵经进油管与设置在下舱室内的油箱相连，其出油管则向上穿入下舱室依次经设置在油箱上的整流阀组、第一电磁换向阀、节流阀与蓄能器相连，所述整流阀组包括第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀；
所述水轮机伸缩回路包括设置在下舱室内第二电磁换向阀，各所述伸缩液压缸的进油管与油箱相连，其出油管则经第二电磁换向阀依次与节流阀、蓄能器相连。
所述油馕设置在浮标机体外壁上部，油馕的出油管经第三电磁换向阀依次与节流阀、蓄能器相连，其进油管则经第四电磁换向阀与油箱相连。
可选地，还包括备用动力回路，所述备用动力回路包括设置在下舱室内的备用液压泵与备用电机，所述备用液压泵的输入轴与备用电机的转轴相连，备用液压泵的进油管与油箱相连，其出油管则依次经第五单向阀、第五电磁换向器与节流阀、蓄能器相连。
可选地，在能量收集液压泵的进油管与出油管上套设波纹管，所述波纹管的上端与下舱室密封相连，其下端则与能量收集液压泵密封相连。
可选地，所述环境监测模块包括深度传感器、温度传感器、盐度传感器。
本发明采用上述技术方案，具有的优点有：结构设计合理，通过使用油馕调节Argo浮标的浮力，采用水轮机供能的工作方式，具有削峰填谷的作用，收集不稳定的波浪能转化为液压能，从而向Argo浮标稳定供能，提高了稳定性；通过扩展水轮机收集能量的方式，当Argo浮标在海面上随波浪震荡时，水轮机可以收集海面上较小波浪所产生的波浪能，当浮标下潜时，水轮机被海水冲击，水轮机可以收集此时海水的动能，收集能量方式的增多可以更好的为Argo浮标完成补能，绿色节能，保障了Argo浮标的能量供应，延长了Argo浮标的工作寿命，并提高了Argo浮标在海上的工作效率。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为图1的俯视结构示意图；
图3为图2中A-A向剖视结构示意图；
图4为图1的侧视结构示意图；
图5为图4中B-B向剖视结构示意图；
图6为图4中C-C向剖视结构示意图；
图7为水轮机的立体结构示意图；
图8为筒状壳体的立体结构示意图；
图9为水轮机轴、扇叶的立体结构示意图；
图10为本发明液压能量转换系统原理图；
图中，1、浮标外壳；2、尾翼；3、上舱室；4、下舱室；5、卫星通信模块；6、环境监测模块；7、运动控制模块；8、浮标支撑架；9、水轮机支撑架；10、伸缩液压缸；11、水轮机外壳；12、卡槽；13、筒状壳体；14、水轮机轴；15、扇叶；16、支架；17、半圆形凹槽；18、卡管；19、磁铁；20、电磁铁；21、油馕；22、能量收集液压泵；23、泵架；24、油箱；25、第一电磁换向阀；26、节流阀；27、蓄能器；28、第一单向阀；29、第二单向阀；30、第三单向阀；31、第四单向阀；32、第二电磁换向阀；33、第三电磁换向阀；34、第四电磁换向阀；35、备用液压泵；36、备用电机；37、第五单向阀；38、第五电磁换向阀；39、波纹管。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
如图1-10所示，一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，包括浮标机体，所述浮标机体包括浮标外壳1和设置在浮标外壳1底部的若干个尾翼2，在浮标外壳1内自上而下设有上舱室3和下舱室4，在上舱室3内设有卫星通信模块5、环境监测模块6和运动控制模块7，在下舱室4内设有液压能量转换系统，在浮标机体下方设有水轮机，所述水轮机通过距离调节机构与浮标机体相连。
可选地，所述距离调节机构包括固定卡接在浮标外壳1外壁上的浮标支撑架8，在对应浮标支撑架8位置的水轮机外壁上设有水轮机支撑架9，所述水轮机支撑架9通过设置在其两侧的伸缩液压缸10分别与对应一侧的浮标支撑架8相连。
可选地，所述水轮机包括水轮机外壳11，在水轮机外壳11内壁上沿其圆周方向设有卡槽12，一筒状壳体13活动卡接在水轮机外壳11的卡槽12内，在筒状壳体13内同轴心线方向设有水轮机轴14，在水轮机轴14外壁沿其圆周方向均匀设有若干个扇叶15，各所述扇叶15分别与筒状壳体13相连；在水轮机外壳11上部中央设有与其内壁相连的支架16，所述水轮机轴14的上端活动卡接在支架16内。
可选地，还包括角度调整机构，所述角度调整机构包括对应各个扇叶15位置设置在筒状壳体13内壁上的若干个半圆形凹槽17，在各个扇叶15上部分别沿其长度方向分别水平设有活动穿过对应扇叶15的卡管18，各根卡管18的内端均活动卡接在水轮机轴14侧壁上，其外端则活动卡接在对应一侧圆心位置的半圆形凹槽17内壁上，在朝向筒状壳体13一侧的各个扇叶15侧壁上均设有磁铁19，所述磁铁19设置在远离卡管18一侧的扇叶15外壁上，在对应该磁铁19位置的半圆形凹槽17内沿其圆周方向间隔设有若干个电磁铁20，各个电磁铁20分别通过设置在筒状壳体13内的导线相连，各根导线的外端则穿入对应一侧卡管18内并汇入水轮机轴14内，向上依次穿过水轮机轴14与下舱室4底板与设置在上舱室3内的运动控制模块7相连。
可选地，在筒状壳体13上涂覆设有防水层。
可选地，所述液压能量转换系统包括能量收集回路、水轮机伸缩回路与油馕21：
所述能量收集回路包括能量收集液压泵22，能量收集液压泵22的输入轴通过联轴器与水轮机轴14相连，所述能量收集液压泵22通过泵架23与支架相连，连轴器的下端活动穿过支架16与水轮机轴14相连，能量收集液压泵22经进油管与设置在下舱室4内的油箱24相连，其出油管则向上穿入下舱室4依次经设置在油箱24上的整流阀组、第一电磁换向阀25、节流阀26与蓄能器27相连，所述整流阀组包括第一单向阀28、第二单向阀29、第三单向阀30和第四单向阀31；
所述水轮机伸缩回路包括设置在下舱室4内第二电磁换向阀32，各所述伸缩液压缸10的进油管与油箱24相连，其出油管则经第二电磁换向阀32依次与节流阀26、蓄能器27相连。
所述油馕21设置在浮标机体外壁上部，油馕21的出油管经第三电磁换向阀33与依次节流阀26、蓄能器27相连，其进油管则经第四电磁换向阀34与油箱24相连。
可选地，还包括备用动力回路，所述备用动力回路包括设置在下舱室4内的备用液压泵35与备用电机26，所述备用液压泵35的输入轴与备用电机26的转轴相连，备用液压泵35的进油管与油箱24相连，其出油管则依次经第五单向阀37、第五电磁换向器38与节流阀26、蓄能器27相连。
可选地，在能量收集液压泵22的进油管与出油管上套设波纹管39，所述波纹管38的上端与下舱室3密封相连，其下端则与能量收集液压泵22密封相连。
可选地，所述环境监测模块6包括深度传感器、温度传感器、盐度传感器。
可选地，所述卫星通信模块5可以通过卫星信号使浮标与海洋环境监测站进行信息交换和控制信号传递。
可选地，所述运动控制模块7控制浮标机体的运动和水轮机扇叶的转动。
水轮机的各个扇叶既可以沿顺时针旋转，也可以沿逆时针旋转，从而适应复杂多变的洋流方向，从而更好的为装置蓄能。当能量收集液压泵22正向旋转时，液压油从油箱24经过整流阀组中第一单向阀28、能量收集液压泵22、整流阀组中第二单向阀29、第一电磁换向阀25、节流阀26进入蓄能器27，使蓄能器27储存液压能。当能量收集液压泵22反向旋转时，液压油从油箱24经过整流阀组中第三单向阀30、能量收集液压泵22、整流阀组中第四单向阀31、第一电磁换向阀25、节流阀26进入蓄能器27，蓄能器27储存液压能。
当浮标机体漂浮在海面上时，浮标机体会随着波浪上下起伏，水流冲击水轮机，带动各个扇叶15转动，从而带动能量收集液压泵22旋转；液压油从油箱24，最终流到蓄能器27中，蓄能器27储存液压能。
当浮标机体下潜时，油馕21通过第四电磁换向阀34，向油箱24排出液压油，油馕21的体积减小，浮标机体所收到的浮力减小，浮标机体开始下潜，随着浮标机体的下降，浮标机体的重力势能转化为浮标动能，水轮机受到海水的冲击，继续转动带动能量收集液压泵22转动，液压油持续液压油从油箱24流到蓄能器27中，为蓄能器27继续补能。
当浮标机体上浮时，第一电磁换向阀25停止，蓄能器27补能结束。此时，第二电磁换向阀32启动，通过运动控制模块7控制伸缩液压缸10的油液流回油箱24，使伸缩液压缸10回缩，从而带动水轮机收回到浮标外壳1的底部。在运动控制模块7的作用下，水轮机的扇叶15旋转到竖直位置以减少运动阻力(运动控制模块7通过导线控制接通各个半圆形凹槽17内同一高度的电磁铁20，使扇叶15沿着卡管18方向上下翻动，当移动至通电的电磁铁20上时，该电磁铁20与扇叶15上的磁铁吸附，从而固定扇叶15位置不变)，同时第三电磁换向阀33打开，使蓄能器27向油馕21供液，随着油馕21体积不断增大，其浮力增加，带动浮标机体上浮。
当浮标机体再次浮出海面时，第二电磁换向阀32启动，使液压油从蓄能器27流向伸缩液压缸10，从而使伸缩液压缸10打开。待伸缩液压缸10完全伸出后，第二电磁换向阀32关闭，同时，通过运动控制模块7控制第一电磁换向阀25启动，随着水轮机开始转动，液压油继续从油箱24流到蓄能器27中，第三电磁换向阀33关闭，蓄能器27开始补充液压能。
需要说明的是，当蓄能器27向油馕21供油不充足时，备用动力回路开始工作，备用电机36带动备用液压泵35转动，液压油经油箱24、第五单向阀37、第五电磁换向阀38到油馕21中。而当浮标机体正常工作时，第五电磁换向阀38则关闭。它结构设计合理，通过使用油馕调节Argo浮标的浮力，采用水轮机供能的工作方式，具有削峰填谷的作用，收集不稳定的波浪能转化为液压能，从而向Argo浮标稳定供能，提高了稳定性；通过扩展水轮机收集能量的方式，当Argo浮标在海面上随波浪震荡时，水轮机可以收集海面上较小波浪所产生的波浪能，当浮标下潜时，水轮机被海水冲击，水轮机可以收集此时海水的动能，收集能量方式的增多可以更好的为Argo浮标完成补能，绿色节能，保障了Argo浮标的能量供应，延长了Argo浮标的工作寿命，并提高了Argo浮标在海上的工作效率，解决了实际使用中存在的问题。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中；对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，包括浮标机体，所述浮标机体包括浮标外壳和设置在浮标外壳底部的若干个尾翼，在浮标外壳内自上而下设有上舱室和下舱室，在上舱室内设有卫星通信模块、环境监测模块和运动控制模块，在下舱室内设有液压能量转换系统，在浮标机体下方设有水轮机，所述水轮机通过距离调节机构与浮标机体相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，所述距离调节机构包括固定卡接在浮标外壳外壁上的浮标支撑架，在对应浮标支撑架位置的水轮机外壁上设有水轮机支撑架，所述水轮机支撑架通过设置在其两侧的伸缩液压缸分别与对应一侧的浮标支撑架相连。
3.根据权利要求1所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，所述水轮机包括水轮机外壳，在水轮机外壳内壁上沿其圆周方向设有卡槽，一筒状壳体活动卡接在水轮机外壳的卡槽内，在筒状壳体内同轴心线方向设有水轮机轴，在水轮机轴外壁沿其圆周方向均匀设有若干个扇叶，各所述扇叶分别与筒状壳体相连；在水轮机外壳上部中央设有与其内壁相连的支架，所述水轮机轴的上端活动卡接在支架内。
4.根据权利要求3所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，还包括角度调整机构，所述角度调整机构包括对应各个扇叶位置设置在筒状壳体内壁上的若干个半圆形凹槽，在各个扇叶上部分别沿其长度方向分别水平设有活动穿过对应扇叶的卡管，各根卡管的内端均活动卡接在水轮机轴侧壁上，其外端则活动卡接在对应一侧圆心位置的半圆形凹槽内壁上，在朝向筒状壳体一侧的各个扇叶侧壁上均设有磁铁，所述磁铁设置在远离卡管一侧的扇叶外壁上，在对应该磁铁位置的半圆形凹槽内沿其圆周方向间隔设有若干个电磁铁，各个电磁铁分别通过设置在筒状壳体内的导线相连，各根导线的外端则穿入对应一侧卡管内并汇入水轮机轴内，向上依次穿过水轮机轴与下舱室底板与设置在上舱室内的运动控制模块相连。
5.根据权利要求3所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，在筒状壳体上涂覆设有防水层。
6.根据权利要求3所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，所述液压能量转换系统包括能量收集回路、水轮机伸缩回路与油馕：
所述能量收集回路包括能量收集液压泵，能量收集液压泵的输入轴通过联轴器与水轮机轴相连，所述能量收集液压泵通过泵架与支架相连，连轴器的下端活动穿过支架与水轮机轴相连，能量收集液压泵经进油管与设置在下舱室内的油箱相连，其出油管则向上穿入下舱室依次经设置在油箱上的整流阀组、第一电磁换向阀、节流阀与蓄能器相连，所述整流阀组包括第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀；
所述水轮机伸缩回路包括设置在下舱室内第二电磁换向阀，各所述伸缩液压缸的进油管与油箱相连，其出油管则经第二电磁换向阀依次与节流阀、蓄能器相连。
所述油馕设置在浮标机体外壁上部，油馕的出油管经第三电磁换向阀依次与节流阀、蓄能器相连，其进油管则经第四电磁换向阀与油箱相连。
7.根据权利要求6所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，还包括备用动力回路，所述备用动力回路包括设置在下舱室内的备用液压泵与备用电机，所述备用液压泵的输入轴与备用电机的转轴相连，备用液压泵的进油管与油箱相连，其出油管则依次经第五单向阀、第五电磁换向器与节流阀、蓄能器相连。
8.根据权利要求6所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，在能量收集液压泵的进油管与出油管上套设波纹管，所述波纹管的上端与下舱室密封相连，其下端则与能量收集液压泵密封相连。
9.根据权利要求1所述的一种具有水轮能量收集系统的Argo浮标，其特征在于，所述环境监测模块包括深度传感器、温度传感器、盐度传感器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117550017A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-02-13 | 集美大学 | 可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法 |
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2023
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| CN117550017A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-02-13 | 集美大学 | 可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法 |
| CN117550017B (zh) * | 2024-01-12 | 2024-03-29 | 集美大学 | 可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法 |
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