一种利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站

1.本发明涉及波浪能发电技术领域，尤其是一种利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站。

背景技术：

2.海洋探测在海洋开发和海洋国防等领域占据关键地位。机动探测平台(如：无人潜航器和无人艇等)是海洋探测的重要工具。由于只能携带少量能源，机动探测平台的作业时间、范围和航程均受到限制。因此，开发类似于陆地上为电动载具充电的海上充电站具有重要前景。
3.目前，已经出现了一些海上充电站的初步尝试。2015年，美国启动了“前沿部署能源与通信基地”项目，研制海底充电站，以铝水反应制氢和氧供给燃料电池发电为无人潜航器充电，其充电功率约为3.5kw。2022年，英国oasis marine power公司在苏格兰cromarty bay港口试验了利用附近风力机作为电力来源的海上充电站，用于为海上运维船提供充电服务。
4.然而，上述海上充电站均为固定式，只能延长机动探测平台的作业时间，却无法延长其航程。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，以解决目前海上充电站无法移动造成的机动探测平台的应用受限的技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，包括：
8.浮体，包括浮筒和套管；所述套管沿垂直方向与所述浮筒固定连接，浮筒用于随波浪起伏运动；
9.阻尼盘，包括扁平底板和导杆；所述导杆与所述套管滑动连接，导杆沿垂直方向与所述扁平底板固定连接，浮筒随波浪起伏运动时，套管相对于导杆轴向滑动，使所述浮体相对于所述阻尼盘做单自由度的垂荡运动；
10.电能转换机构，与导杆传动连接，将所述单自由度的垂荡运动的动能转换为电能，提供给机动探测平台；
11.水翼驱动机构，与套管连接，用于带动整个海上充电站保持定点、伴随机动探测平台移动、以及转弯。
12.进一步技术方案为：
13.所述水翼驱动机构的结构为：
14.包括框架、若干水翼、两组平行四边形机构和限位角调节机构；
15.所述框架与套管固定连接，若干水翼对称设置在框架的内部两侧，若干水翼分别通过端部的转轴安装在框架的安装孔内，可沿着安装孔的中心线自由摆动；两组平行四边
形机构分别设置在框架的外部两侧，每组平行四边形机构将一侧所有水翼的转轴连接作同步运动，每组平行四边形机构的中部与一中间连杆一端转动连接，中间连杆另一端与一同步杆的固定端固连，所述同步杆绕所述固定端转动且方向与水翼的弦向保持平行，同步杆的自由端运动到一定角度后，由所述限位角调节机构限位，从而控制水翼的限位角。
16.所述限位角调节机构的结构为：
17.包括螺旋传动机构和双滑块机构；
18.所述螺旋传动机构由限位角调节电机驱动，带动螺母作直线往复运动，螺母通过两组对称的所述双滑块机构分别驱动两个限位滑块移动，两个限位滑块的移动路径构成所述同步杆的自由端的运动轨迹，两个限位滑块分别在所述运动轨迹的两端形成同步杆自由端的极限位置。
19.还包括锁定控制机构，所述锁定控制机构与浮体连接，并与所述导杆配合，将浮体与导杆锁紧或松开。
20.所述电能转换机构包括输入齿轮和发电装置；
21.所述导杆顶端伸至所述浮筒内，导杆顶端两侧分别设有齿条；
22.一侧齿条用于与的输入齿轮啮合连接，将浮体与阻尼盘的相对运动转换为电能；
23.另一侧齿条与所述锁定控制机构相配合，所述锁定控制机构包括由凸轮机构驱动的棘爪，棘爪与齿条锁紧而将浮体与阻尼盘锁紧，棘爪与齿条脱离而将浮体释放。
24.所述锁定控制机构还包括支架，所述支架用于将整个锁定控制机构固定安装在浮筒内。
25.所述扁平底板上设有电接口，所述机动探测平台可通过所述电接口实现充电或者向充电站供电。
26.所述浮体整体沿着竖直轴线呈中心轴对称结构，以捕获任意方向入射的波浪能量。
27.所述扁平底板可用于搭载所述机动探测平台，利用所述水翼驱动机构和所述机动探测平台的动力共同驱动以实现海上充电站的快速机动。
28.本发明的有益效果如下：
29.本发明的机动海上充电站无需使用系泊系统，利用海洋上广泛分布的可再生波浪能源，通过伴随机动探测平台移动并为其提供电力，可以使得机动探测平台的作业时间、范围和航程不受能源限制。
30.本发明基于海上充电站的大功率电力支持，提高了伴随的机动探测平台的灵活性和功能多样性，使得机动探测平台的探测性能远强于现有的同样以波浪能作为动力的滑翔机(探测仪器只限于水下若干米)和无人艇(探测仪器只限于海面)。
31.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
32.图1是本发明实施例的结构示意图。
33.图2是本发明实施例的水翼驱动机构的安装结构示意图。
34.图3是本发明实施例的限位角调节机构原理图。
35.图4是本发明实施例的锁定控制机构和电能转换机构的安装结构示意图。
36.图5是本发明实施例的锁定控制机构的工作原理图。
37.图6是本发明的三种工作模式示意图。
38.图中：0、波浪；1、浮体；2、阻尼盘；3、水翼驱动机构；4、锁定控制机构；5、电能转换机构；6、机动探测平台；11、浮筒；12、套管；21、扁平底板；22、导杆；23、齿条； 31、框架；32、水翼；33、平行四边形机构；34、限位角调节机构；41、支架；42、锁定控制电机；43、凸轮；44、弹簧；45、棘爪；51、发电装置；52、输入齿轮；341、螺旋传动机构；342、双滑块机构；343、限位角调节电机；344、螺母；345、限位滑块；346、同步杆； 347、中间连杆。
具体实施方式
39.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
40.针对机动海上充电站所需的千瓦量级充电功率需求，如图1所示，本实施例的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，包括：
41.浮体1，包括浮筒11和套管12；套管12沿垂直方向与浮筒11固定连接，浮筒11用于随波浪起伏运动；
42.阻尼盘2，包括扁平底板21和导杆22；导杆22与套管12滑动连接，导杆22沿垂直方向与扁平底板21固定连接，浮筒11随波浪起伏运动时，套管12相对于导杆22轴向滑动，使浮体1相对于阻尼盘2做单自由度的垂荡运动；电能转换机构5，与导杆22传动连接，将单自由度的垂荡运动的动能转换为电能，提供给机动探测平台6；
43.水翼驱动机构3，与套管12连接，用于带动整个海上充电站保持定点、定向移动或转弯。
44.本实施例的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，采用点吸收式波浪能捕获方案。其中，浮体1在海面上随波浪起伏运动，是波浪能捕获部件，水面浮体1在波浪0的作用下将波浪能转换为浮体运动的机械能。阻尼盘2的扁平底板21位于海面下一定深度处不受波浪 0的影响而几乎静止，从而可以利用浮体1与阻尼盘2的相对运动驱动电能转换机构5产生电能，为机动探测平台6充电。浮体1在垂荡过程中驱动与其固联的水翼驱动机构3作上下振荡，水翼驱动机构3中的水翼受水流作用自动俯仰并在水流作用下产生升力，进而产生前进的推力，以实现海上充电站的自主移动。
45.浮体1整体优选的沿着竖直轴线呈中心轴对称结构，以捕获任意方向入射的波浪能量。具体的，浮筒11呈内部为空腔的圆柱形位于上部，套管12呈管状位于浮筒11下部，浮筒11 直径大于套管12直径。
46.导杆22作为套管12滑动的导轨，约束浮体1的运动自由度。
47.如图2所示，水翼驱动机构3的结构为：包括框架31、若干水翼32、两组平行四边形机构33和限位角调节机构34；
48.框架31与套管12的底端固定连接，使得框架31与浮体1同步作相对垂荡运动。
49.若干水翼32对称设置在框架31的内部两侧，若干水翼32分别通过端部的转轴安装在框架31的安装孔内，可沿着安装孔的中心线自由摆动；
50.两组平行四边形机构33分别设置在框架31的外部两侧，每组平行四边形机构33将一侧所有水翼32的转轴连接作同步运动；
51.如图3所示，每组平行四边形机构33的中部与一中间连杆347一端转动连接，中间连杆 347另一端与一同步杆346的固定端固连，同步杆346绕所述固定端转动且方向与水翼32的弦向保持平行，因此同步杆346反映了水翼32的瞬时角度。同步杆346的自由端运动到一定角度后，由限位角调节机构34限位，从而控制水翼32的限位角。
52.如图3所示，限位角调节机构34的结构为：包括螺旋传动机构341和双滑块机构342；
53.螺旋传动机构341由限位角调节电机343驱动，带动螺母344作直线往复运动，螺母344 通过两组对称的双滑块机构342分别驱动两个限位滑块345移动，两个限位滑块345以螺母 344直线运动的路径为中心对称，限位滑块345沿图示的弧形导杆移动，使得两个限位滑块345的移动路径构成同步杆346的自由端的运动轨迹，两个限位滑块345能够分别在所述运动轨迹的两端形成同步杆346自由端的极限位置。同步杆346的自由端运动一定角度之后触及限位滑块345，使同步杆346运动能到达的角度受限，从而实现对水翼32限位角的调节。
54.具体的，本领域技术人员可以理解，限位角调节机构34设置在相应的舱内。基于水翼 32的往复摆动特性，采用扭转式橡胶球笼套即可实现对限位角调节机构34所在舱的水密处理。由于橡胶球笼套属于柔性材料，不会对水翼32运动造成额外阻力矩。
55.对于上述实施例，为了提高波浪能捕获效率，还设置有锁定控制机构4，锁定控制机构4 与浮体1连接，并与阻尼盘2的导杆22配合，将浮体1与导杆22锁紧或松开。
56.锁定控制机构4采用锁定控制方法的原理是：当浮体1的速度为零时，将浮体1锁住并保持一段时间之后再释放，使得浮体1的速度与波浪激励力同相位，实现伪共振。
57.如图4所示，锁定控制机构4包括由凸轮机构驱动的棘爪45。电能转换机构5包括输入齿轮52和发电装置51；发电装置51的壳体与浮筒11的底板固连。
58.导杆22顶端伸出至浮筒11内，导杆22顶端两侧分别设有齿条23；
59.一侧齿条23用于与的输入齿轮52啮合连接，将浮体1与阻尼盘2的相对运动转换为电能；
60.另一侧齿条23与锁定控制机构4的棘爪45相配合，如图5所示，当棘爪45运动到最右侧位置时，棘爪45与齿条23啮合后锁紧，此时浮体1与阻尼盘2锁紧两者之间不能相对运动。当棘爪45运动到最左侧位置时，棘爪45与齿条23分离，此时浮体1与阻尼盘2之间可以自由相对运动。
61.如图5所示，锁定控制机构4的结构具体为：包括支架41、锁定控制电机42、凸轮43、弹簧44和棘爪45。
62.支架41用于将整个锁定控制机构4固定安装在浮筒11内，支架41安装在浮筒11的底板上，与锁定控制电机42固联；
63.锁定控制电机42的转轴与凸轮43连接，驱动凸轮43往复转动；
64.凸轮43外轮廓面与棘爪45的背面相切，凸轮43转动时其外轮廓在棘爪45背面滑动，推动棘爪45转动；
65.弹簧44的一端悬挂于支架41上，另一端悬挂于棘爪45背面，提供棘爪45运动的恢复力；
66.棘爪45铰接于支架41上。
67.在执行锁定命令时，锁定控制电机42转动凸轮43，推动棘爪45与水下阻尼盘顶端齿条 23啮合，将浮体1与锁定，此时浮体1无法相对于阻尼盘2垂荡运动；通过合理设计凸轮的轮廓建立合适的摩擦角可以实现凸轮43自锁，而不需要锁定控制电机42持续出力。
68.在执行释放命令时，锁定控制电机42反转凸轮43，在弹簧44的恢复力作用下，棘爪45 与齿条23分离，将浮体1释放，此时浮体1无法相对于阻尼盘2垂荡运动。
69.锁定控制机构4不仅可以执行锁定控制命令，还可以在恶劣波况中将浮体1与水下阻尼盘导杆22锁止，防止浮体1运动幅度过大使机械结构被破坏。
70.本实施例中，水下阻尼盘2是浮体1运动的参考物，扁平底板21位于海面以下一定深度处，在此深度处，波浪能衰减严重，因而扁平底板21不会受波浪直接激励而运动。与此同时，扁平底板21具有较大的水平面积，其在垂荡方向上的运动具有很大的阻力，因而浮体1也无法通过电能转换机构5上的输入齿轮52和阻尼盘2的齿条23的啮合带动水下阻尼盘2作大幅度的运动，因而在浮体1与水下阻尼盘2之间产生相对运动，该运动能量进而由电能转换机构5转换为电能。
71.具体的，扁平底板21上设有电接口，机动探测平台6可通过电接口实现充电或者向充电站供电。
72.如图6所示，为伴随机动探测平台6充电的机动海上充电站的三种工作模式：定点保持、机动和转弯。图6中(a)、(b)、(c)分别表示定点保持、机动和转弯。
73.三种工作模式的选择根据机动探测平台6探测任务类型决定。
74.当需要在固定海域探测时，海上充电站需要定点保持。如图6(a)所示，此状态下使得水翼能平衡海洋环境力的限位角，可以有效降低水翼运动所需要的能量，从而将更多的波浪能用于转化成电能。
75.当需要沿着一定路径扫描探测时，海上充电站需要伴随机动探测平台6移动。如图6(b) 所示，此状态下选择使得水翼能平衡海洋环境力并提供更大推力的限位角，满足机动速度的要求。
76.在定点保持模式时，海上充电站需要转弯以对准海洋环境力的合力方向，在机动模式时，海上充电站需要转弯以朝向目标海域；如图6(c)所示，转弯状态下在两侧水翼选择不同的限位角，由于推力不同，会产生偏航力矩，驱动海上充电站转弯。
77.特殊情况下，如图1所示，机动探测平台6可搭载在扁平底板21上，利用水翼和机动探测平台6的动力共同驱动，实现快速机动。扁平底板21的面积和位于海面下的深度根据实际需要进行设计。
78.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，包括：浮体(1)，包括浮筒(11)和套管(12)；所述套管(12)沿垂直方向与所述浮筒(11)固定连接，浮筒(11)用于随波浪起伏运动；阻尼盘(2)，包括扁平底板(21)和导杆(22)；所述导杆(22)与所述套管(12)滑动连接，导杆(22)沿垂直方向与所述扁平底板(21)固定连接，浮筒(11)随波浪起伏运动时，套管(12)相对于导杆(22)轴向滑动，使所述浮体(1)相对于所述阻尼盘(2)做单自由度的垂荡运动；电能转换机构(5)，与导杆(22)传动连接，将所述单自由度的垂荡运动的动能转换为电能，提供给机动探测平台(6)；水翼驱动机构(3)，与套管(12)连接，用于带动整个海上充电站保持定点、伴随机动探测平台(6)移动、以及转弯。2.根据权利要求1所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，所述水翼驱动机构(3)的结构为：包括框架(31)、若干水翼(32)、两组平行四边形机构(33)和限位角调节机构(34)；所述框架(31)与套管(12)固定连接，若干水翼(32)对称设置在框架(31)的内部两侧，若干水翼(32)分别通过端部的转轴安装在框架(31)的安装孔内，可沿着安装孔的中心线自由摆动；两组平行四边形机构(33)分别设置在框架(31)的外部两侧，每组平行四边形机构(33)将一侧所有水翼(32)的转轴连接作同步运动，每组平行四边形机构(33)的中部与一中间连杆(347)一端转动连接，中间连杆(347)另一端与一同步杆(346)的固定端固连，所述同步杆(346)绕所述固定端转动且方向与水翼(32)的弦向保持平行，同步杆(346)的自由端运动到一定角度后，由所述限位角调节机构(34)限位，从而控制水翼(32)的限位角。3.根据权利要求2所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，所述限位角调节机构(34)的结构为：包括螺旋传动机构(341)和双滑块机构(342)；所述螺旋传动机构(341)由限位角调节电机(343)驱动，带动螺母(344)作直线往复运动，螺母(344)通过两组对称的所述双滑块机构(342)分别驱动两个限位滑块(345)移动，两个限位滑块(345)的移动路径构成所述同步杆(346)的自由端的运动轨迹，两个限位滑块(345)分别在所述运动轨迹的两端形成同步杆(346)自由端的极限位置。4.根据权利要求1所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，还包括锁定控制机构(4)，所述锁定控制机构(4)与浮体(1)连接，并与所述导杆(22)配合，将浮体(1)与导杆(22)锁紧或松开。5.根据权利要求4所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，所述电能转换机构(5)包括输入齿轮(52)和发电装置(51)；所述导杆(22)顶端伸至所述浮筒(11)内，导杆(22)顶端两侧分别设有齿条(23)；一侧齿条(23)用于与的输入齿轮(52)啮合连接，将浮体(1)与阻尼盘(2)的相对运动转换为电能；另一侧齿条(23)与所述锁定控制机构(4)相配合，所述锁定控制机构(4)包括由凸轮机构驱动的棘爪(45)，棘爪(45)与齿条(23)锁紧而将浮体(1)与阻尼盘(2)锁紧，棘爪(45)与齿条(23)脱离而将浮体(1)释放。
6.根据权利要求5所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，所述锁定控制机构(4)还包括支架(41)，所述支架(41)用于将整个锁定控制机构(4)固定安装在浮筒(11)内。7.根据权利要求1所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，所述扁平底板(21)上设有电接口，所述机动探测平台(6)可通过所述电接口实现充电或者向充电站供电。8.根据权利要求1所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，所述浮体(1)整体沿着竖直轴线呈中心轴对称结构，以捕获任意方向入射的波浪能量。9.根据权利要求1所述的利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，其特征在于，所述扁平底板(21)可用于搭载所述机动探测平台(6)，利用所述水翼驱动机构(3)和所述机动探测平台(6)的动力共同驱动以实现海上充电站的快速机动。

技术总结

本发明涉及一种利用波浪能驱动与发电的机动海上充电站，包括：浮体，包括浮筒和套管；套管沿垂直方向与浮筒固定连接，浮筒用于随波浪起伏运动；阻尼盘，包括扁平底板和导杆；导杆与套管滑动连接，导杆沿垂直方向与扁平底板固定连接，浮筒随波浪起伏运动时，套管相对于导杆轴向滑动，使浮体相对于阻尼盘做单自由度的垂荡运动；电能转换机构，与导杆传动连接，将单自由度的垂荡运动的动能转换为电能，提供给机动探测平台；水翼驱动机构，与套管连接，用于带动整个海上充电站保持定点、伴随机动探测平台移动、以及转弯。本发明无需使用系泊系统，可伴随机动探测平台移动并为其提供电力，使机动探测平台的作业时间、范围和航程不受能源限制。范围和航程不受能源限制。范围和航程不受能源限制。