CN104100444B - 利用波浪能的海洋航行器 - Google Patents

Abstract

利用波浪能的海洋航行器，包括水面平台、水下推进体及连接在二者之间的脐带缆，水下推进体上铰接有多个振动翼，每个振动翼装在一转轴上，振动翼绕转轴上下来回摆动；脐带缆中设有绳索，水面平台上设有蓄电池，水面平台、水下推进体上分别设有水面波能发电装置、水下波能发电装置，水面波能发电装置包括与绳索连接的连杆机构，在波浪作用下，绳索通过连杆机构带动动子一相对于直线电机一中的定子一做往复直线运动；水下波能发电装置包括链条，链条绕接在振动翼转轴上的转轮上，振动翼绕转轴上下来回摆动时，通过链条带动动子二相对于直线电机二中的定子二做往复直线运动。本发明能够同时实现基于波浪能的推进功能及基于波浪能的供电功能。

Description

利用波浪能的海洋航行器

技术领域

本发明涉及利用海洋波浪能的装置技术领域，具体涉及一种可将波浪能同时转换为推进机械能和电能的海洋航行器。

背景技术

海洋中的波浪能具有蕴藏丰富、能量密度高、分布面广、可大范围就地采能等特点。波浪的能量与波高的平方、波浪周期以及迎波面的宽度成正比，每平方公里海面的波浪能功率可达10～20万kW。如果利用海洋中的波浪能，将其转化为海洋航行器所需的电能，为海洋航行器电源***提供能源补充供应，则将大大提高海洋航行器的续航能力和连续工作时间，理论上讲可获得近乎无限的续航能力，而如果利用海洋中的波浪能，将其转化为驱动海洋航行器所需的推进动能，只要有波浪存在，就能够为海洋航行器提供航行动力。这种利用海洋波浪能推进航行器或储能的海洋航行器，可有效提高续航能力和连续工作时间，并且降低能耗，对于提高其海洋环境探测和监测作业能力具有重要的意义。

波浪滑翔器正是基于波浪能的利用而诞生的一种新型海洋航行器，其将海洋动物游动、滑翔的仿生学原理和自然界波浪能利用有机结合，利用海洋波浪能产生推力，直接驱动航行器实现各种浪向下的自主高效“滑翔”航行，具有超长续航能力，为海洋环境持久观监测领域开辟了一条新途径，能够对海洋环境实施长期、大范围、连续的监测。目前，波浪滑翔器在利用波浪能的方面主要分为两个方向，一是将波浪能转化为电能储能，再为推进器供能，如中国专利CN102632980A公开的“一种利用海洋波浪能的水下滑翔器及充电方法”，通过水下滑翔器的重心和姿态调节，并充分利用水下滑翔器的外形特征——宽大的滑翔机翼和细长圆柱形艇体，及其这两个不同水动力部件在波浪滚圆运动中响应的差异进行发电，利用两者相对运动产生机械能，并通过传动机构和发电装置直接将机械能转换为电能，并存储于蓄电池组件中，此种能量转化方式存在能量转化率低的问题，而且由于水下滑翔器在利用波浪能充电时往往需要通过大幅调整重心改变姿态，充电时通常也无法正常工作，波浪能难以为推进器持续供电；另一个是波浪驱动滑翔推进技术，即将波浪能直接转化为推进动能，如中国专利CN102126546A公开的“波浪能”，其具体公开了一种波浪能水面航行器，包括水面浮子、水下游动物和绳索，当游动物上下移动时，鳍板与水相互作用，并产生将航行器向前推进的力，由于其能量转换机构相对简单，具有高可靠性和较高的转换效率，但是该专利文件并没有公开波浪滑翔器上所搭载的***与设备的能源供应问题，通常是自备电源或通过吸收利用太阳能进行供电，然而，在遭遇恶劣天气，尤其是气候因素造成的长期阴雨天气，太阳能供电***将长时间失效，自备电源的供电有限，这两种供电方式均很难保证观监测***的设备长期持续供电。可见，现有技术中波浪能在推进方面和发电蓄能这两个方面的应用是独立的，要么利用波浪能发电，要么利用波浪能推进，对波浪能的利用有限。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种利用波浪能的海洋航行器，其能够同时实现基于波浪能的推进功能及基于波浪能的供电功能，能够为海洋航行器持续地提供航行动力以及持续地供电。

本发明的技术方案如下：

利用波浪能的海洋航行器，包括水面平台、水下推进体及连接在二者之间的脐带缆，水下推进体上沿纵向铰接有多个振动翼，每个振动翼装在一个转轴上，转轴横向架设在水下推进体上，振动翼绕转轴上下来回摆动；水面平台、水下推进体上分别设有水面波能发电装置、水下波能发电装置，脐带缆中设有绳索，水面平台上设有蓄电池，其中：

所述水面波能发电装置的结构如下：包括直线电机一，直线电机一中的动子一一端与拉杆连接，另一端与弹簧一连接，弹簧一另一端固定在水面平台上，拉杆另一端与连杆机构铰接，所述连杆机构另一端与绳索连接，绳索在波浪作用下通过所述连杆机构带动拉杆及动子一相对于直线电机一中的定子一做往复直线运动；

所述水下波能发电装置的结构如下：包括直线电机二，转轴上装有转轮，多个转轮上绕接有非闭合的链条，直线电机二中的动子二两端分别与链条的两个自由端连接，链条与动子二形成一个闭合回路，多个张紧轮用于张紧链条，振动翼绕转轴上下来回摆动时，通过链条带动动子二相对于直线电机二中的定子二做往复直线运动。

其进一步技术方案为：

所述连杆机构包括中间杆，中间杆一端与拉杆铰接，另一端与支杆铰接，支杆另一端与绳索连接，支杆铰接在支座上，支杆与中间杆的所述铰接处、支杆与绳索的所述连接处分别位于支杆与支座的所述铰接处的两侧，支座固装在水面平台上。

所述脐带缆中设有通信与数据传输线，绳索以及通信与数据传输线的外部包覆有外壳，所述外壳与可伸缩水密套固定连接，可伸缩水密套另一端与水面平台固接。

所述转轮的盘面上开有弧形槽，弧形槽的两端固装有弹性缓冲块，销轴穿过所述弧形槽，销轴的两端固定在水下推进体上，销轴的中心轴线与转轴的中心轴线平行且处于同一水平面内，转轮转动时，销轴位于转动的弧形槽内，销轴与其两侧的弹性缓冲块之间分别装有一个弹簧二。

本发明的技术效果：

本发明将波浪能转化为用于推进航行器的机械能的实现，是通过水面平台与水下推进体形成的分体式联动航行器结构以及水下推进体上的可上下摆动的振动翼的结构设置，能够有效地将波浪上下运动转换为振动翼的上下摆动，继而转换为单一的、水平方向上的推进力，能量转换机构简单，且仅需要一次能量转换过程，避免了能量存储的损耗，具有较高的转换效率，且运行可靠；

在实现波浪驱动航行器的同时，本发明通过水面波能发电装置和水下波能发电装置的设置，成功地将波浪能在航行器推进以及航行器能源供应这两个方面的应用有机地融合起来，使得航行器在具备波浪驱动航行能力的同时，还能够充分利用周而复始的波浪驱动两个波能发电装置中往复运动机构通过直线电机进行发电，并将电能存储于蓄电池中，用于为航行器上的设备持续供电，能够同时实现基于波浪能的推进功能及基于波浪能的供电功能，只要有波浪存在，便可以为海洋航行器持续地提供航行动力以及持续地供电，其无需携带能源便可在全天候的海域中航行作业，由此，避免了现有技术中的利用波浪能的航行器需先通过发电装置存储电能再将电能用于推进的海洋航行器所遇到的能量转换效率低、充电时往往不能正常工作的技术问题，也解决了现有技术中依靠太阳能为设备供电的航行器在阴雨天气供电***失效的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明所述水面波能发电装置的结构示意图，图中双点划线所示部分为水面平台。

图3为本发明所述水下波能发电装置的结构示意图，图中双点划线所示部分为水下推进体。

图4为本发明所述转轮盘面上与水下推进体上的销轴形成的振动翼摆动幅值的限位缓冲机构的结构示意图。

图5为转轮顺时针转动时，所述限位缓冲机构的运动状态示意图。

图6为转轮逆时针转动时，所述限位缓冲机构的运动状态示意图。

其中：1、水面平台；2、水下推进体；3、脐带缆；301、绳索；4、振动翼；5、转轴；6、水面波能发电装置；601、直线电机一；6011、动子一；6012、定子一；602、拉杆；603、弹簧一；604、中间杆；605、支杆；606、支座；7、水下波能发电装置；701、直线电机二；7011、动子二；7012、定子二；702、转轮；7021、弧形槽；703、链条；704、张紧轮；705、导向轮；8、蓄电池；9、可伸缩水密套；10、弹性缓冲块；11、销轴；12、弹簧二。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1、图2，本发明包括水面平台1、水下推进体2及连接在二者之间的脐带缆3，水下推进体2上沿纵向铰接有多个振动翼4，每个振动翼4装在一个转轴5上，转轴5横向架设在水下推进体2上，振动翼4绕转轴5上下来回摆动；水面平台1、水下推进体2上分别设有水面波能发电装置6、水下波能发电装置7，脐带缆3中设有绳索301，水面平台1上设有蓄电池8，其中：

见图2，所述水面波能发电装置6的结构如下：包括直线电机一601，直线电机一601中的动子一6011一端与拉杆602连接，另一端与弹簧一603连接，弹簧一603另一端固定在水面平台1上，拉杆602另一端与连杆机构铰接，所述连杆机构另一端与脐带缆3的绳索301连接，绳索301在波浪作用下通过所述连杆机构带动拉杆602及动子一6011相对于直线电机一601中的定子一6012做往复直线运动；具体地，所述连杆机构包括中间杆604，中间杆604一端与拉杆602铰接，另一端与支杆605铰接，支杆605另一端与脐带缆3的绳索301连接，支杆605铰接在支座606上，支杆605与中间杆604的所述铰接处、支杆605与绳索301的所述连接处分别位于支杆605与支座606的所述铰接处的两侧，支座606固装在水面平台1上。

见图3，所述水下波能发电装置7的结构如下：包括直线电机二701，每个转轴5上装有一个转轮702，多个转轮702上绕接有非闭合的链条703，直线电机二701中的动子二7011两端分别与链条703的两个自由端连接，具体地，链条703的两个自由端通过导向轮705导向直线电机二701，链条703与动子二7011形成一个闭合回路，多个张紧轮704用于张紧链条703，振动翼4绕转轴5上下来回摆动时，通过链条703带动动子二7011相对于直线电机二701中的定子二7012做往复直线运动。

具体地，见图1、图2，所述脐带缆3中设有多条通信与数据传输线，绳索301以及所述通信与数据传输线的外部包覆有外壳，所述外壳与可伸缩水密套9固定连接，可伸缩水密套9另一端与水面平台1固接，脐带缆3承担信息通讯、数据传输以及波浪作用下水面平台1及水下推进体2之间受力的传递；可伸缩水密套9，在绳索301拉伸及张紧的过程中，可伸缩水密套9的可伸缩性能够起到抗疲劳缓冲的作用，确保脐带缆3与水面平台1连接处的疲劳强度。

进一步地，见图4，所述转轮702的盘面上开有弧形槽7021，弧形槽7021的两端固装有弹性缓冲块10，销轴11穿过弧形槽7021，销轴11的两端固定在水下推进体2上，销轴11的中心轴线与转轴5的中心轴线平行且处于同一水平面内，转轮702转动时，销轴11位于转动的弧形槽7021内，二者之间不发生干涉，确保转轮702能够顺畅转动，销轴11与其两侧的弹性缓冲块10之间分别装有一个弹簧二12，转轮702、销轴11、两个弹簧二12、两个弹性缓冲块10构成振动翼4上下摆动幅值的限位缓冲机构，见图5，当转轮702顺时针转动时，即振动翼4翼板尾缘产生一定角度上偏时，销轴11两侧的两个弹簧二12一个被压缩、另一个被拉伸，如果振动翼4摆幅过大，弹性缓冲块10会与销轴111发生碰撞，由此起到限定振动翼4摆幅和缓冲的作用；由于销轴11的中心轴线与转轴5的中心轴线平行且处于同一水平面内，在振动翼4未受到外力作用下，所述限位缓冲机构中销轴11两侧对称设置的两个弹簧二12用于使振动翼4回复至水平位置，转轮702逆时针转动的状态见图6。

本发明的运行方式如下：

利用波浪能转换为海洋航行器的推进动能：波浪表面上的水质点随波浪传播而做滚圆运动，而其下方一定深度处的水质点基本上是相对静止的，当水面平台1随波浪上下运动时，水面平台1通过脐带缆3带动水下推进体2也做上下运动，由于下方的水相对静止，振动翼4向相反方向摆动。当水面平台1随波浪向上抬升时，通过脐带缆3带动水下推进体2抬升，振动翼4则绕转轴5向下摆动，振动翼4与水发生作用，使水对水下推进体2产生推力，将波浪能转换为驱动海洋航行器前进的机械能，并通过脐带缆3带动水面平台1前进；当水面平台1随波浪下沉，水下推进体2依靠重力随之下沉，振动翼4则绕转轴5向上摆动，使水对水下推进体2产生推力，并通过脐带缆3带动水面平台1前进，由此，海洋航行器便在波浪周而复始的作用下，振荡滑翔前进。振动翼4的上下摆动幅值是由转轮702上的所述限位缓冲机构来控制的。

将波浪能转换为电能并储存，具体包括以下两个方面：

1、通过水面波能发电装置6将波浪能转换为电能：当水面平台1随波浪抬升时，通过脐带缆3带动水下推进体2抬升的过程中，脐带缆3中的绳索301将承受较大的拉伸力，从而所述连杆机构运动，具体地，通过所述连杆机构中的支杆605、中间杆604拉动拉杆602，并克服弹簧一603的弹性作用力，带动动子一6011相对于定子一6012做直线运动，相反地，水面平台1随波浪下沉时，绳索301通过所述连杆机构推动拉杆602及动子一6011相对于定子一6012做反向直线运动，在周而复始的波浪作用下，通过动子一6011相对于定子一6012做往复直线运动切割磁感线产生电能，产生的电能储存在蓄电池8中，用于为航行器上的设备供电；弹簧一603用于使动子一6011恢复原位；

2、通过水下波能发电装置7将波浪能转换为电能：当水面平台1随波浪上下运动时，通过脐带缆3带动水下推进体2上下运动的过程中，振动翼4绕转轴5上下来回摆动，由此带动转改转轴5上的转轮702顺时针或逆时针转动，继而带动链条703顺时针或逆时针转动，最终带动装在链条703上的动子二7011相对于定子二7012做往复直线运动，从而切割磁感线产生电能，产生的电能储存在蓄电池8中，用于为航行器上的设备供电；通过多个振动翼4联动的方式，使得作用在振动翼4上的力可共同对抗发电机的电磁阻力，实现发电。

本发明在将波浪能直接转化为机械能推进航行的同时，还可采集波浪能通过水面波能发电装置6及水下波能发电装置7将波浪能最终通过所述两个发电装置中的直线电机转换为电能，并存储于蓄电池中，为航行器上的设备供电，只要有波浪存在，便可以为海洋航行器持续地提供航行动力以及持续地供电，其无需携带能源便可在全天候的海域中航行作业。

本发明所述海洋航行器还搭载了信息储存与处理***、航控***，可选择性地搭载太阳能电池板在晴天时加快充电过程，并可通过搭载多种海洋环境参数传感器及通讯定位设备，实现对海洋环境的实时监测和同岸上之间的通讯。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.利用波浪能的海洋航行器，包括水面平台（1）、水下推进体（2）及连接在二者之间的脐带缆（3），其特征在于：水下推进体（2）上沿纵向铰接有多个振动翼（4），每个振动翼（4）装在一个转轴（5）上，转轴（5）横向架设在水下推进体（2）上，振动翼（4）绕转轴（5）上下来回摆动；水面平台（1）、水下推进体（2）上分别设有水面波能发电装置（6）、水下波能发电装置（7），脐带缆（3）中设有绳索（301），水面平台（1）上设有蓄电池（8），其中：

所述水面波能发电装置（6）的结构如下：包括直线电机一（601），直线电机一（601）中的动子一（6011）一端与拉杆（602）连接，另一端与弹簧一（603）连接，弹簧一（603）另一端固定在水面平台（1）上，拉杆（602）另一端与连杆机构铰接，所述连杆机构另一端与绳索（301）连接，绳索（301）在波浪作用下通过所述连杆机构带动拉杆（602）及动子一（6011）相对于直线电机一（601）中的定子一（6012）做往复直线运动；

所述水下波能发电装置（7）的结构如下：包括直线电机二（701），转轴（5）上装有转轮（702），多个转轮（702）上绕接有非闭合的链条（703），直线电机二（701）中的动子二（7011）两端分别与链条（703）的两个自由端连接，链条（703）与动子二（7011）形成一个闭合回路，多个张紧轮（704）用于张紧链条（703），振动翼（4）绕转轴（5）上下来回摆动时，通过链条（703）带动动子二（7011）相对于直线电机二（701）中的定子二（7012）做往复直线运动；所述转轮（702）的盘面上开有弧形槽（7021），弧形槽（7021）的两端固装有弹性缓冲块（10），销轴（11）穿过所述弧形槽（7021），销轴（11）的两端固定在水下推进体（2）上，销轴（11）的中心轴线与转轴（5）的中心轴线平行且处于同一水平面内，转轮（702）转动时，销轴（11）位于转动的弧形槽（7021）内，销轴（11）与其两侧的弹性缓冲块（10）之间分别装有一个弹簧二（12）。

2.按权利要求1所述的利用波浪能的海洋航行器，其特征在于：所述连杆机构包括中间杆（604），中间杆（604）一端与拉杆（602）铰接，另一端与支杆（605）铰接，支杆（605）另一端与绳索（301）连接，支杆（605）铰接在支座（606）上，支杆（605）与中间杆（604）的所述铰接处、支杆（605）与绳索（301）的所述连接处分别位于支杆（605）与支座（606）的所述铰接处的两侧，支座（606）固装在水面平台（1）上。

3.按权利要求1所述的利用波浪能的海洋航行器，其特征在于：所述脐带缆（3）中设有通信与数据传输线，绳索（301）以及通信与数据传输线的外部包覆有外壳，所述外壳与可伸缩水密套（9）固定连接，可伸缩水密套（9）另一端与水面平台（1）固接。