CN117118268B - 一种海流能纳米发电静力触探装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海流能纳米发电静力触探装置，属于水下结构物，其解决了现有静力触探装置续航短及水下姿态无法调整的技术问题，其主要包括甲板单元和水下单元。其中，水下单元设有配重单元、监控单元、储能单元和贯入部，进一步，还包括机械臂和纳米发电单元。水下单元的周侧安装有至少一个机械臂，纳米发电单元安装于机械臂上，且机械臂的末端还设有锚定组件。本发明通过设置的纳米摩擦发电单元实现水下发电，对海底静力触探装置提供有效可持续的供能，并通过增设的机械臂实现海底的姿态调整，从而获得准确的探测结果，可广泛应用于海洋工程勘察技术领域。

Description

一种海流能纳米发电静力触探装置

技术领域

本发明涉及海洋工程勘察技术领域，特别涉及一种海流能纳米发电静力触探装置。

背景技术

海洋地质探测属于多学科交叉领域，目的是通过各种方法和手段，对海洋底部地质特征和地球物理场进行探测和研究，以了解海洋底部的地质构造、地层分布、岩石类型、沉积物性质、海底地形地貌、地震活动、海洋地球化学等内容，为海洋科学研究、资源开发和环境保护提供基础数据和信息。

其中，海底静力触探是海洋地质调查中的一种重要技术手段，通过探头来探测海底地层的情况。但是，其不适合深层海底测试，主要是很难保证贯入路径与海平面的垂直度。因此，针对上述问题，现阶段对于深海静力触探一般是采取无缆静力触探技术。

现有的无缆静力触探装置都通过电池供电，但电池容量有限，续航受制于电池容量大小，如需要长时间在海底工作，就需要增加电池组，进而导致装置重量和体积严重增加，致使成本上升；同时，大多数可充电电池（锂离子电池、聚合物锂离子电池、镍氢电池）或者使用电池容量大的一次性电池，一旦任务有变，废弃的电池都会污染环境；而燃料电池组供电由于技术不够成熟，平台安全性还有待提高。由此，因为电池的问题使泄漏的风险性和回收难度显著增加。显然，如何实现在海床面可持续工作的静力触探实验是目前亟待解决的问题。

进一步，虽然在传统的海洋能开发利用领域中，还可以通过海流能发电装置解决续航等问题，但是该技术普遍都是通过海流推动涡轮机旋转带动发电机实现发电从而收集海洋表层的海流能，很难实现在深海进行运作。更进一步，现有的技术虽然有解决下水后姿态的方案，但主要依靠的是向水下投放大型的自行走设备，如中国专利CN115060645A-一种自行式海底原位动触探测试装置，虽然实现的功能更加丰富，解决的技术问题也更加全面，但是会导致成本的严重上升，且回收难度也极大。

综上，针对现有技术方案所存在的不足之处，需要提供一种体积尺寸较小，可以通过收集海流能延长续航，并通过增设机构的方式解决水下姿态调整的技术问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述背景技术的不足，提供了一种海流能纳米发电静力触探装置。

为此，本发明主要包括甲板单元和水下单元；所述水下单元设有配重单元、监控单元、储能单元和贯入部；

所述水下单元还包括机械臂和纳米发电单元；

所述水下单元的周侧安装有至少一个所述机械臂，所述纳米发电单元安装于所述机械臂上，且所述机械臂的末端还设有锚定组件。

优选的，所述机械臂为多轴机械臂，端部设有所述纳米发电单元和所述锚定组件；

所述纳米发电单元包括纳米摩擦发电机和海流捕捉机构；

所述纳米摩擦发电机的转子呈花瓣状，侧表面涂布有摩擦带正电或负电的材料；

所述纳米摩擦发电机的定子内侧间隔涂布有摩擦带对应电荷的材料；

所述海流捕捉机构与所述机械臂之间设有回转机构和锁紧机构；所述海流捕捉机构设有导流罩、导流管、叶轮和消涡鳍；

所述导流罩呈收敛型结构，连通所述导流管；所述叶轮设置于所述导流管中，转轴与所述纳米摩擦发电机的转子连接；

所述叶轮为立式叶片结构，每个叶片的端部铰接有活动端叶；所述活动端叶的截面呈平凸翼型结构，且所述活动端叶的铰接处设有限位结构；

所述导流管的尾部设有所述消涡鳍。

优选的，所述回转机构的动力单元为伺服电机；所述锁紧机构为环形电磁导轨；

所述水下单元上还设有至少一个多普勒流速流向计。

优选的，所述锚定组件包括真空机和吸力锚；

所述吸力锚安装于所述机械臂的末端，所述真空机通过真空管路连接所述吸力锚。

优选的，所述水下单元的中部呈圆柱状舱体结构，各段舱体之间通过径向设置的螺钉连接；所述配重单元位为所述水下单元顶部或底部设置的配重舱。

优选的，所述水下单元的中部呈圆柱状舱体结构，舱体还包括监测舱和控制舱；

所述监控单元分别安装于所述监测舱和所述控制舱中；

所述监测舱内设有姿态传感器、高度计、水声通讯器、信标机其中一种或多种组合；

所述控制舱内设有微型计算机，并集成有控制系统；

所述监控单元还设有声学释放器，所述声学释放器的至少一个执行端连接所述配重单元；

所述水下单元上还设有至少一台深海相机。

优选的，所述机械臂活动安装于所述水下单元上，安装位设有弹射机构；

所述弹射机构的限位结构与所述声学释放器的执行端连接。

优选的，所述水下单元的中部呈圆柱状舱体结构，舱体还包括多个独立的存储舱，各存储舱中均设有存储单元；

所述舱体还设有至少两个独立的储能舱，所述储能单元为锂电池和蓄能电池其中一种或两种组合。

优选的，所述贯入部安装于所述水下单元的底部，且为非密封结构，包括电动推杆和探杆；

所述探杆同轴安装于所述电动推杆的末端。

优选的，所述贯入部的侧向设有防塌陷板，所述防塌陷板与所述贯入部之间还设有展开机构。

本发明提供一种海流能纳米发电静力触探装置，有如下有益效果：

本发明通过设置的纳米摩擦发电单元实现水下发电，对海底静力触探装置提供有效可持续的供能，并通过增设的机械臂实现海底的姿态调整，从而获得准确的探测结果。

附图说明

图1是本发明实施例1中系统图；

图2是本发明实施例1中水下单元立体图（展开状）；

图3是图2中A处放大示意图；

图4是本发明实施例1中纳米摩擦发电机内部爆炸图；

图5是本发明实施例1中叶轮工作示意图；

图6是本发明实施例1中水下单元收纳示意图；

图7是本发明实施例2中水下单元立体图（展开状）

图8是本发明实施例2中弹射机构剖视简图；

图9是本发明实施例2中水下单元弹射示意图。

图中标记：1.配重舱，2.监测舱，3.控制舱，4.储能舱，5.存储舱，6.防塌陷板，7.电动推杆，8.探杆，9.安装座，10.安装环，11.机械臂，12.真空机，13.滤波单元，14.深海相机，15.多普勒流速流向计，16.环形电磁导轨，17.导流罩，18.消涡鳍，19.定子，20.吸力锚，21.叶轮，22.转轴，23.转子，401.凸台卡扣，402.活动插销，901.防水插头，902.抛射弹簧。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

实施例1，本发明提供了一种海流能纳米发电静力触探装置，如图1-图6所示。其中，如图1所示，整体系统包括甲板单元和水下单元（主体装置），甲板单元具为船上设备，其中，信标定位单元用于定位装置的位置，并通过水声通讯单元与装置进行水中通信；主控制台在进行总体控制的时候，同时将收到的信息存储在数据存储器中，并通过人机交互单元显示重要信息和接收指令。

水下单元主要包括配重单元、监控单元、储能单元和贯入部。水下单元的装置主体采用常见的柱状舱体设计，并分割开多段，用于封装不同的设备或仪器。优选的，各段舱体之间通过径向设置的螺钉连接，并在安装过程中施加预紧力，以对抗海洋表面和海底温差带来的温差变形，保证各段舱体内必要的密封性。其中，如图2所示，舱体由上至下依次为配重舱1、监测舱2、控制舱3、第一储能舱、第二储能舱、存储舱5。以上舱体均采用密封结构，而底部的贯入部，采用非密封的透水舱结构，主要是通过进入海水后减除贯入部的浮力，可以在一定程度上增加静力触探装置的稳定性。

本实施例中，配重单元位为装置顶部的配重舱1，其中放置有配重块，当需要上浮的时候释放即可。

本实施例中，监控单元分别安装于监测舱2和控制舱3中。进一步，监测舱2内设有高度计、信标机、姿态传感器、水声通讯器和声学释放器，其中，声学释放器的一个执行机构与配重舱1连接，用于控制上浮释放。控制舱3中安装有微型计算机，集成有水下单元的总控系统，并分别与各设备、仪器电连。

储能舱4作为储能单元共有两段，第一储能舱放置有锂离子电池组，并在下部的第二储能舱中放置蓄电池组，两个储能舱作为储能单元，通过供电控制模块联合向系统供电，可以进行相互保险，并根据各种电池放电特性（如温度、放电时间等）为不同的设备或仪器提供电能。

水下单元还包括中转或临时存储数据的单元，具体地，存储舱5作为水下分设的数据存储单元，其中设有两个并列的独立密封舱，分别放置有数据存储器，可形成冗余备份。

贯入部作为重要工作单元，如图2所示，其所在舱体位于装置的最下部，安装有电动推杆7，动力单元为智能控制电机，并在推杆的末端同轴安装试验所需的探杆8。优选的，贯入部的侧向还设有两个对称的防塌陷板6，并在防塌陷板6的根部安装展开机构，本实施例中，展开机构可为扭簧一类，安装于防塌陷板6的转轴处，并将防塌陷板6的上端与声学释放器的执行端连接，当触底后释放，防塌陷板6在扭簧的作用下展开，可以增加与海底的基础面积，避免贯入部陷入海底。进一步，在贯入部的下端还安装有深海相机（水下摄像机），用于拍摄环境情况，记录试验情况。

本实施例中还包括机械臂和纳米发电单元。其中，机械臂11共有3组，沿周向均布，其安装座9固定于主体的侧向。机械臂11为多轴机械臂，活动端安装有纳米发电单元和锚定组件。

如图3所示，纳米发电单元包括纳米摩擦发电机和海流捕捉机构。其中，纳米摩擦发电机包括滤波单元13（滤波器）、转子、定子。结合图4所示，转子23呈花瓣状结构，并在侧面涂布有摩擦带正电或负电的材料，并在定子19的内侧面沿周向间隔涂布有摩擦带对应电荷的材料，从而在转子23转动过程中，通过与定子19的摩擦产生电荷，形成负载端的电势差而发电。

海流捕捉机构与机械臂11之间设有回转机构和锁紧机构。优选的，回转机构为伺服电机，并通过齿轮组带动转轴转动，而海流捕捉机构主体安装于安装轴上，从而实现随海流方向进行转动。进一步，在安装轴上同轴安装环形电磁导轨16，并将导轨与机械臂11固定连接，再将滑座通过转接件与安装轴连接，以形成锁紧机构，当需要固定转向的时候，环形电磁导轨16通电吸紧滑座，从而固定相对位置。更进一步，为了实现随海流方向进行有效转动，需要在各组机械臂11的海流捕捉机构中设置多普勒流速流向计（多普勒流速流量计）15，根据采集情况控制伺服电机转动情况，让海流捕捉机构最大程度收集海流能量。在海流捕捉机构的侧向还安装有深海相机14，用于采集环境信息。

海流捕捉机构中主要构件包括导流罩17、导流管、叶轮21和消涡鳍18。如图3所述，导流罩17呈收敛型的喇叭状结构，连通后侧设置的导流管，叶轮21则设置于导流管中，其转轴22套装于安装轴外侧，并与纳米摩擦发电机的转子23连接。导流管的尾部出口处转动安装有消涡鳍18，可以消除毂涡。

如图4所示，叶轮21为立式叶片结构，本实施例中共有6片叶片，每个叶片的端部立式铰接有活动端叶。结合图5所示，活动端叶的截面呈平凸翼型结构，且活动端叶的铰接处设有限位结构，限制活动端叶绕叶片的转动范围。如图5所示，转动叶片迎着海流方向运动时候，活动端叶受阻会向内折叠；当与海流同向时候，活动端叶会展开并被限位结构限制，从而获得更大的扭矩。由于活动端叶的特殊截面形状，可以在迎着海流运动的时候，利用两侧压强差，使其具备向外展开的趋势，避免活动端叶与叶片直接贴合，也有利于在顺海流一侧快速展开，提升海流能收集效率。

叶轮21旋转带动转子23旋转。旋转中，转子23外侧面（涂层）与定子19内侧（涂层）间歇接触和分离，分开时分别携带相反的电荷，形成电势差，通过软管中的电缆连接负载或电池；电势差使得电子在电机-负载/电池间流动，以平衡电势差，在不断地接触和分离过程中，电能通过机械臂11中的通电电缆运输至电池组中，此时供电控制模块控制锂离子电池组停止供电，由蓄电池组中产生的电能供静力触探装置进行原位勘探，以保证数据的持续性，而后总控系统通过电动推杆实现静力触探的贯入。

锚定组件包括真空机12和吸力锚20；

吸力锚20安装于安装轴的下端，真空机12安装于安装轴的上端，靠近机械臂11一侧，并通过真空管路连接吸力锚20，真空管路放置于安装轴的中空部分。

工作过程

投放：水面舰船携带整体装置前往预定海域（转运及下潜过程，如图6所示，水下单元的机械臂11向内收敛，使整体呈锥形体外形）；

经过系统调试，通过专用布放滑轨或船用布放吊臂将该海流能摩擦纳米发电静力触探装置放入水中；开机后，首先该静力触探装置在水下进行一段时间的适应调整，目的是进行自身姿态和位置的初始校准并将初始位置通过信标机传回甲板单元以供海上控制中心人员确保系统正常；确认无误后控制人员将为设定到达路径，设置完成后，工作人员将该装置托运至勘探目标区域，通过吊臂将其沉入海洋，在下沉过程中，静力触探装置将会采集高度计、多普勒流速流向计、姿态传感器的数据实时生成在海洋中的位置坐标，直至到达勘探区域；其中，随着下潜过程进行，各设备/仪器开始进行记录；

触底海底后，到达目标区域后，操作人员从甲板单元向水下单元的总控系统发送指令，供电模块中的锂离子电池组首先开始工作，为水下单元的活动提供动力来源，开启姿态、高度等探测与深海相机的图像观测；总控系统控制声学释放器打开防塌陷板6，防塌陷板6表面粘贴有缓冲材料，展开后触碰海底吸收海床面的反作用力，姿态传感器监测该静力触探装置的竖直程度；总控系统控制机械臂11张开至合适位置，静力触探系统调节到合适的水平位置后，机械臂11使吸力锚20接触到海床面，然后总控系统控制真空机将吸力锚20内部的海水排出，海底巨大压力作用使吸力锚20部分固定在海床面以下，以防止海流流速冲击的影响并对静力触探触探主体起到一定的固定和支撑作用；同时，三组海流捕捉机构根据多普勒流速流向计15采集信息，调节导流罩17的朝向，并通过叶轮旋转带动纳米摩擦发电机发电，以向电池组供电。

回收：观测完成后，总控系统控制真空机12重新实现吸力锚20的充水，吸力锚20的吸力消失，从而使的吸力锚20拔出海床，并在机械臂11的控制下折叠。在总控系统控制下声学释放器释放卸载配重舱1，降低装置整体的重量，实现静力触探装置竖直上浮，到达海面附近，并通过信标机发送GPS位置，工作人员回收该海流能摩擦纳米发电静力触探装置。

实施例2，本实施例在实施例1的基础上，考虑海底情况复杂，展开机构会出现陷落、卡阻等情况，当出现上述情况的时候，水下单元回收将无法完成。故本实施例将机械臂11的固定连接改为活动连接，并安装有弹射机构。优选的，如图7、8所示，三个安装座9由根部的安装环10连接，套装在主体上，并在主体周侧设置多个凸台卡扣401，对应在安装座9的内侧设置卡槽（上侧开口，用于滑入凸台卡扣401）。

凸台卡扣401上设有活动插销402和防水插座。卡槽底部设有防水插头901，并将其插入防水插座中，用于通信和供电使用。在凸台卡扣401与卡槽底面之间安装有抛射弹簧902，在机械臂11与主体的组合状态下，抛射弹簧902为压缩状态。卡槽的内侧设有限位孔，活动插销402插入限位孔中，形成限位结构，用于固定组件，当需要弹射的时候由声学释放器驱动活动插销402后退，从而完成释放及机械臂11断电操作。

进一步，由于防塌陷板6处于展开状态，要想成功弹射主体，本实施例中防塌陷板6的安装构件也与声学释放器的一个执行单元连接。

弹射过程

释放配重舱1后，通过信息采集系统发现水下单元的主体无法有效上浮（如：指定时间段内深度信号未产生变化），在此基础上发送弹射指令；

首先，声学释放器断开防塌陷板6的连接；

之后，声学释放器一个执行端拉动活动插销402，使其与限位孔的断开；在抛射弹簧902的作用下，如图9所示，水下单元的主体快速弹出（方向如箭头所示）机械臂11形成的展开机构。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (9)

1.一种海流能纳米发电静力触探装置，包括甲板单元和水下单元；所述水下单元设有配重单元、监控单元、储能单元和贯入部；

其特征在于，所述水下单元还包括机械臂和纳米发电单元；

所述水下单元的周侧安装有至少一个所述机械臂，所述纳米发电单元安装于所述机械臂上，且所述机械臂的末端还设有锚定组件；

所述机械臂为多轴机械臂，端部设有所述纳米发电单元和所述锚定组件；

所述纳米发电单元包括纳米摩擦发电机和海流捕捉机构；

所述纳米摩擦发电机的转子呈花瓣状，侧表面涂布有摩擦带正电或负电的材料；所述纳米摩擦发电机的定子内侧间隔涂布有摩擦带对应电荷的材料；

所述海流捕捉机构与所述机械臂之间设有回转机构和锁紧机构；所述海流捕捉机构设有导流罩、导流管、叶轮和消涡鳍；

所述导流罩呈收敛型结构，连通所述导流管；所述叶轮设置于所述导流管中，转轴与所述纳米摩擦发电机的转子连接；

所述叶轮为立式叶片结构，每个叶片的端部铰接有活动端叶；所述活动端叶的截面呈平凸翼型结构，且所述活动端叶的铰接处设有限位结构；

所述导流管的尾部设有所述消涡鳍。

2.根据权利要求1所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述回转机构的动力单元为伺服电机；所述锁紧机构为环形电磁导轨；

所述水下单元上还设有至少一个多普勒流速流向计。

3.根据权利要求1所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述锚定组件包括真空机和吸力锚；

所述吸力锚安装于所述机械臂的末端，所述真空机通过真空管路连接所述吸力锚。

4.根据权利要求1所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述水下单元的中部呈圆柱状舱体结构，各段舱体之间通过径向设置的螺钉连接；所述配重单元位为所述水下单元顶部或底部设置的配重舱。

5.根据权利要求1所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述水下单元的中部呈圆柱状舱体结构，舱体还包括监测舱和控制舱；

所述监控单元分别安装于所述监测舱和所述控制舱中；

所述监测舱内设有姿态传感器、高度计、水声通讯器、信标机其中一种或多种组合；

所述控制舱内设有微型计算机，并集成有控制系统；

所述监控单元还设有声学释放器，所述声学释放器的至少一个执行端连接所述配重单元；

所述水下单元上还设有至少一台深海相机。

6.根据权利要求5所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述机械臂活动安装于所述水下单元上，安装位设有弹射机构；

所述弹射机构的限位结构与所述声学释放器的执行端连接。

7.根据权利要求1所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述水下单元的中部呈圆柱状舱体结构，舱体还包括多个独立的存储舱，各存储舱中均设有所述存储单元；

所述舱体还设有至少两个独立的储能舱，所述储能单元为锂电池和蓄能电池其中一种或两种组合。

8.根据权利要求1所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述贯入部安装于所述水下单元的底部，且为非密封结构，包括电动推杆和探杆；所述探杆同轴安装于所述电动推杆的末端。

9.根据权利要求1所述的一种海流能纳米发电静力触探装置，其特征在于，所述贯入部的侧向设有防塌陷板，所述防塌陷板与所述贯入部之间还设有展开机构。