适用于海洋探测器的可变形振荡浮子波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及海洋探测器和新能源领域，具体地，涉及适用于海洋探测器的可变形振荡浮子波浪能发电装置。

背景技术

海洋探测器是开展海洋环境监测、海洋科学研究和海洋军事作业等任务的重要载体。目前大多数的海洋探测器采用电缆外部供电或自身携带的蓄电池提供电能，而电缆的长度和蓄电池的容量有限，限制了探测器的运动范围、负载水平和续航能力。

波浪能是能量密度最高的海洋能源，而振荡浮子型波能装置相较于其他波能装置发电效率更高，但是由于捕获波浪能需要相对运动的部件，现有波浪能振荡浮子装置大多结构形式固定且体型庞大，只能锚泊在近海处，自身机动性能有限，难以执行海洋探测等任务。

综上所述，海洋探测器的供电问题限制了其进一步发展，同时由于海洋探测器和振荡浮子波能装置的功能及尺度差异，现有设计难以有效地在保证海洋探测器运动能力的同时赋予其捕获波浪能发电的能力，导致目前尚未出现将振荡浮子波能装置很好地应用于海洋探测器的先例。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于海洋探测器的可变形振荡浮子波浪能发电装置。

根据本发明提供的一种适用于海洋探测器的可变形振荡浮子波浪能发电装置，包括储气舱、捕能发电舱、主控舱、动力舱、前导流罩以及后导流罩，前导流罩连接于储气舱前端，储气舱与捕能发电舱前端连接，捕能发电舱后端与主控舱连接，主控舱连接动力舱前端，动力舱后端上连接有后导流罩；

捕能发电舱包括光轴、波纹管、可变形浮子和能量转换单元，光轴前端连接于储气舱上，光轴后端连接于主控舱上，可变形浮子和能量转换单元通过直线轴承滑动连接于光轴上；

可变形浮子包括折展机构和柔性外壳，柔性外壳包裹在可变性浮子外表，可变形浮子通过折展机构在细长折叠态和扁平展开态间之间切换；

能量转换单元包括动力传递模块和发电机，在发电模式下，动力传递模块将可变形浮子和探测器本体的相对直线运动转换为旋转运动，并传递至发电机。

优选的，折展机构包括多连杆模块、驱动模块和发电舱安装座，多连杆模块和驱动模块连接于发电舱安装座上，发电舱安装座通过直线轴承安装在光轴上，驱动模块输出端与多连杆模块输入端连接，驱动模块驱动多连杆模块运动，带动折展机构在细长折叠态和扁平展开态间之间切换。

优选的，动力传递模块包括滚珠丝杆机构、复位机构和联轴器；

滚珠丝杆机构位于捕能发电舱轴线处，滚珠丝杆机构前端安装在储气舱内，滚珠丝杆机构后端安装在主控舱内，滚珠丝杆机构后端通过联轴器与发电机相连；在发电模式下，滚珠丝杆机构通过可变形浮子和探测器本体的相对运动带动发电机旋转产生电能；

复位机构安装在捕能发电舱内，发电模式下，复位机构配合可变形浮子在波浪激励下相对探测器本体运动，以利于可变形浮子捕获波浪能。

优选的，发电舱安装座由安装座前端和安装座后端构成，安装座前端的尾部和安装座后端的头部设有螺母座，安装座前端、安装座后端以及丝杆螺母通过螺栓固定连接；

安装座前端的头部和和安装座后端的尾部设有弹簧座安装孔；安装座前端和安装座后端呈立方体外形，安装座前端和安装座后端外表面有驱动模块安装孔，安装座前端和安装座后端内部和对角设有通孔。

优选的，多连杆模块包括两个连杆组件，两个连杆组件前后对称布置在发电舱安装座两端；

连杆组件包括曲柄滑块机构，多个曲柄滑块机构结构一致、且并联，多个曲柄滑块机构沿探测器轴线对称；

多个曲柄滑块机构分别连接滑块，滑块端面开有轴向密封槽，滑块周向均布有多个铰支座，铰支座分别与多个曲柄滑块机构的连杆铰接，滑块通过直线轴承安装在光轴上，曲柄滑块机构的曲柄分别铰接在定块上，定块固定安装在发电舱安装座上，多个曲柄滑块机构同步运动。

优选的，驱动模块包括驱动组件，两个驱动组件沿探测器轴线周向交错度，两个驱动组件前后对称布置在发电舱安装座两端；

驱动组件由结构一致的电动推杆并联构成，两个电动推杆固定安装在发电舱安装座两侧，且两个电动推杆的推杆方向沿轴向同向；

电动推杆输出端与滑块相连，驱动组件输出直线运动从而驱动滑块沿光轴运动；

驱动组件分别驱动滑块相向或相反运动，折展机构在细长折叠态和扁平展开态间之间切换，使可变形浮子的变形和探测器航行/发电模式的切换。

优选的，滚珠丝杆机构包括丝杆、丝杆螺母、丝杆支撑座以及丝杆固定座，丝杆螺母套在丝杆上，丝杆两端分别通过滚动轴承安装在丝杆支撑座和丝杆固定座上；

丝杆支撑座固定安装在储气舱安装座上，储气舱安装座连接在第一法兰上，丝杆固定座连接于主控舱安装座上，主控舱安装座连接在第二法兰上；

丝杆穿过发电舱安装座中间的圆孔，丝杆螺母与发电舱安装座固定连接，处于安装座前端和安装座后端之间；

发电模式下，可变形浮子在波浪激励下相对探测器本体沿光轴移动，带动丝杆螺母相对丝杆移动，带动丝杆旋转，通过联轴器驱动发电机旋转产生电能。

优选的，复位机构包括第一弹簧座、第二弹簧座、第三弹簧座、第四弹簧座、第一弹簧以及第二弹簧，第一弹簧固定安装在第一弹簧座和第二弹簧座之间，第二弹簧安装在第三弹簧座和第四弹簧座之间；

第一弹簧座固定安装在储气舱端盖上，第二弹簧座固定安装在发电舱安装座前端面上，第三弹簧座固定安装在发电舱安装座后端面上，第四弹簧座固定安装在主控舱端盖上；

第一弹簧和第二弹簧座沿探测器轴线布置，和第二弹簧座套在丝杆上，且第一弹簧和第二弹簧座不与丝杆接触，第一弹簧和第二弹簧座在可变形浮子相对探测器本体运动后提供恢复力。

优选的，可变形浮子还包括第一压片、第二压片、第一轴向密封圈以及第二轴向密封圈，第一轴向密封圈和第二轴向密封圈分别安装在第一滑块和第二滑块的端面密封槽内，柔性外壳的前端面和后端面也分别在第一滑块和第二滑块的密封槽内，第一压片和第二压片分别与第一滑块和第二滑块连接；

第一压片和第二压片的端面上有凸缘，波纹管通过喉箍紧固在凸缘上。

优选的，储气舱包括储气罐和气泵，气泵在探测器切换模式时能够将储气罐内的气体泵入捕能发电舱或从捕能发电舱泵回，储气舱配合可变形浮子变形并改变探测器浮力状态以实现探测器模式切换。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将振荡浮子波能装置应用于海洋探测器，赋予了海洋探测器捕获波浪能发电供给自身的能力，有效提高了探测器的供电水平和负载能力。

2、本发明提供的可变形浮子在海洋探测器不同运行模式下具有不同的形态，能够在发电模式下高效捕获波浪能，同时不影响探测器航行模式下的运动性能。

3、本发明提供的可变形浮子还能够通过自身的形态变化来改变海洋探测器的浮力状态，实现探测器从水平到竖直的姿态改变，因此不需要额外增加部件实现探测器从航行到发电的模式切换。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的波浪自供能海洋探测器整体结构示意图；

图2为本发明发电模式时一个较佳的俯视示意图；

图3为本发明发电模式时捕能发电舱局部示意图

图4为本发明的航行/发电模式切换示意图；

图5为本发明捕获波浪能发电示意图。

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具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

根据本发明提供的一种适用于海洋探测器的可变形振荡浮子波浪能发电装置，包括储气舱1、捕能发电舱2、主控舱3、动力舱4、前导流罩5以及后导流罩6；

如图1所示，前导流罩5固定安装在储气舱1的储气舱舱管12前端，储气舱舱管12后端与捕能发电舱2前端通过第一端盖11轴向固定连接，主控舱3的主控舱舱管32前端与捕能发电舱2后端通过第二端盖31轴向固定连接，动力舱4的动力舱舱管42前端与主控舱舱管32后端通过第三法兰43轴向固定连接，后导流罩6固定安装在动力舱舱管42后端，探测器处于航行模式时，具有细长的流线外型；

第一端盖11通过第一法兰13与储气舱舱管12的后端轴向固定连接，第二端盖31通过第二法兰33与动力舱舱管42前端轴向固定连接。

如图2、图3所示，捕能发电舱2包括光轴、波纹管、可变形浮子以及能量转换单元；光轴包括第一光轴21和第二光轴22，波纹管包括第一波纹管23和第二波纹管24。第一光轴21和第二光轴22的前端固定安装在储气舱1的第一端盖11上，后端固定安装在主控舱3的第二端盖31上，可变形浮子和能量转换单元通过直线轴承安装在第一光轴21和第二光轴22上，都能够沿着第一光轴21和第二光轴22前后滑动。其中直线轴承包括第一直线轴承25、第二直线轴承26、第三直线轴承27以及第四直线轴承28，可变形浮子和能量转换单元通过第一直线轴承25、第二直线轴承26、第三直线轴承27以及第四直线轴承28安装在第一光轴21和第二光轴22上。

第一波纹管23安装在储气舱1和捕能发电舱2之间，第二波纹管24安装在捕能发电舱2和主控舱3之间，两个波纹管实现捕能发电舱2密封的同时不影响可变形浮子相对探测器本体运动捕能发电；

可变形浮子包括折展机构和柔性外壳29，折展机构能够驱动可变形浮子在细长折叠态和扁平展开态间变形，柔性外壳29为圆筒形乳胶膜，包覆在可变形浮子外表，实现可变形浮子密封的同时利于可变形浮子在发电模式下捕获波浪能；

能量转换单元包括动力传递模块和发电机210，动力传递模块在发电模式下能够将可变形浮子和探测器本体的相对直线运动转换为旋转运动，并传递至发电机210。

折展机构包括多连杆模块、驱动模块和发电舱安装座211，发电舱安装座211通过第一直线轴承25、第二直线轴承26、第三直线轴承27、第四直线轴承28安装在第一光轴21和第二光轴22上；

多连杆模块及驱动模块都固定安装在发电舱安装座211上，驱动模块输出端与多连杆模块输入端连接，驱动模块能够驱动多连杆模块运动，以实现折展机构折展变形。

动力传递模块包括滚珠丝杆机构、复位机构和联轴器212；

滚珠丝杆机构位于捕能发电舱2轴线处，前端安装在储气舱1内，后端安装在主控舱3内，后端通过联轴器212与发电机相连210，滚珠丝杆机构在发电模式下能够利用可变形浮子和探测器本体的相对运动带动发电机210旋转产生电能；

复位机构安装在捕能发电舱2内，发电模式下，能够辅助可变形浮子更好地在波浪激励下相对探测器本体运动，以利于可变形浮子捕获波浪能。

优选的，发电舱安装座211由安装座前端213和安装座后端214构成；安装座前端213和安装座后端214都为立方体外形，外表面有驱动模块安装孔，内部为通孔，同时对角也有两个通孔；发电舱安装座211将可变形浮子和滚珠丝杆机构有效连接起来，将可变形浮子相对探测器本体的运动传递给滚珠丝杆机构；

安装座前端213的头部设有第二弹簧座216的安装孔，安装座后端214的尾部设有第三弹簧座217的安装孔；

优选的，安装座前端213的尾部和安装座后端214的头部设有螺母座，利用螺栓可将安装座前端213、丝杆螺母219、安装座后端214固定连接，实现可变形浮子与丝杆螺母219的固定连接，从而可变形浮子受波浪激励相对探测器本体的运动等效于丝杆螺母219相对于丝杆220的运动；

多连杆模块包括两个连杆组件，两个连杆组件前后对称布置在发电舱安装座211两端，为便于叙述，以折展机构前端的第一个连杆组件为例进行说明。具体的，连杆组件由八套结构尺寸完全相同的曲柄滑块机构并联构成，八套曲柄滑块机构沿探测器轴线对称；八套曲柄滑块机构共用第一滑块221，第一滑块221端面开有轴向密封槽，第一滑块221周向均布有八个铰支座并分别与八套曲柄滑块机构的连杆铰接，第一滑块221通过第五直线轴承222和第六直线轴承223安装在第一光轴21和第二光轴22上，八套曲柄滑块机构的八根曲柄铰接在第一定块224上，第一定块224固定安装在发电舱安装座211上，八套曲柄滑块机构即一个连杆组件能够同步运动。

优选的，驱动模块包括两个驱动组件，两个驱动组件沿探测器轴线周向交错90度，前后对称布置在发电舱安装座211两端，为便于叙述，以驱动模块的一个驱动组件为例进行说明。具体的，驱动组件由两个型号相同的第一电动推杆225和第二电动推杆并联构成，第一电动推杆225和第二电动推杆固定安装在发电舱安装座211两侧，且第一电动推杆225和第二电动推杆的推杆方向沿探测器轴向同向；驱动组件的第一电动推杆225和第二电动推杆输出端与第一滑块221相连，驱动组件能够输出直线运动从而驱动第一滑块221沿第一光轴21和第二光轴22运动；

两个驱动组件能够分别驱动两个连杆组件的第一滑块221和第二滑块227相向或相反运动，从而实现折展机构的折叠和展开，进而实现可变形浮子的变形和探测器航行/发电模式的切换。

滚珠丝杆机构包括丝杆螺母219、丝杆220、丝杆支撑座228和丝杆固定座229，丝杆螺母219套在丝杆220上，丝杆220两端分别通过滚动轴承安装在丝杆支撑座228和丝杆固定座229上，丝杆220能够相对丝杆支撑座228和丝杆固定座229绕轴线旋转；

优选的，丝杆支撑座228固定安装在储气舱1的储气舱安装座16上，储气舱安装座16通过螺钉固定安装在第一法兰13上，丝杆固定座229固定安装在主控舱3的主控舱安装座34上，主控舱安装座34通过螺钉固定安装在第二法兰33上；

丝杆220穿过发电舱安装座211中间的圆孔，丝杆螺母219与发电舱安装座211固定连接，处于安装座前端213和安装座后端214之间；

发电模式下，可变形浮子在波浪激励下相对探测器本体沿轴线移动，带动丝杆螺母219相对丝杆220移动，从而带动丝杆220旋转，进而通过联轴器212驱动发电机210旋转产生电能。

复位机构包括第一弹簧座215、第二弹簧座216、第三弹簧座217、第四弹簧座218、第一弹簧230和第二弹簧231，第一弹簧230固定安装在第一弹簧座215和第二弹簧座216之间，第二弹簧231安装在第三弹簧座217和第四弹簧座218之间；

优选的，第一弹簧座215固定安装在储气舱1的第一端盖11上，第二弹簧座216固定安装在发电舱安装座211前端面上，第三弹簧座217固定安装在发电舱安装座211后端面上，第四弹簧座218固定安装在主控舱3的第二端盖31上；

第一弹簧230和第二弹簧231都沿探测器轴线布置，套在丝杆220上且不与丝杆接触，第一弹簧230和第二弹簧231能够在可变形浮子相对探测器本体运动后提供恢复力，有利于可变形浮子的运动，进一步地能够实现可变形浮子和探测器本体在波浪激励下的双浮子共振，从而有效提升捕能效率。

可变形浮子还包括第一压片232、第二压片233、第一轴向密封圈和第二轴向密封圈，第一轴向密封圈和第二轴向密封圈分别安装在第一滑块221和第二滑块227的端面密封槽内，柔性外壳29的前端面和后端面也分别在第一滑块221和第二滑块227的密封槽内，第一压片232和第二压片233通过螺栓分别与第一滑块221和第二滑块227固定连接，将第一轴向密封圈和第二轴向密封圈压紧在密封槽内，同时也将柔性外壳29的两端压紧在密封槽内，从而实现柔性外壳的连接和密封；

优选的，第一压片232和第二压片233的端面上有凸缘，第一波纹管23和第二波纹管24分别通过喉箍紧固在第一压片232和第二压片233的凸缘上。

优选的，储气舱1包括储气罐14和气泵15，储气罐14预先储存有高压气体，气泵15在探测器切换模式时能够将储气罐14内的气体泵入捕能发电舱2或从捕能发电舱2泵回，能够辅助可变形浮子变形并改变探测器浮力状态以实现探测器模式切换。

工作原理：

如图4所示，基于可变形振荡浮子的波浪自供能海洋探测器具有水下航行和水面发电两种工作模式，其核心结构部件为捕能发电舱段的可变形浮子；可变形浮子包括折展机构组成的可折展骨架和柔性薄膜组成的柔性外壳，因此可变形浮子密闭且能够在折叠态和展开态间变化外形；波浪自供能海洋探测器日常工作在水下航行模式，可执行海洋探测、资源勘探等水下任务，当供电不足时，探测器上浮至海面，捕能发电舱内的驱动组件驱动可变形浮子展开，同时储气舱内气泵将储气罐内预存的气体泵入可变形浮子内，提高发电舱内因变形浮子体积变大而降低的气压，从而让可变形浮子外形饱满利于捕能，并且可变形浮子的展开使得探测器整体浮力增大，呈正浮力状态，同时主控舱调节探测器重心沿轴向后移，此时探测器浮力和重力不共线，且浮力大于重力，探测器受到二者合力矩作用，探测器由水平姿态旋转至竖直姿态，再次达到平衡状态，实现探测器由航行到发电的模式切换；当探测器充满电后，可变形浮子折叠，气泵将变形浮子内多余气体泵回，即可实现探测器由发电到航行的模式切换。

如图5所示，基于可变形振荡浮子的波浪自供能海洋探测器捕获波浪能发电的原理是双浮子振荡波能装置，探测器本体和展开的可变形浮子构成双浮子，且探测器本体细长，可变形浮子扁平，二者在入射波浪激励下有不同的运动响应，由于结构约束特点，考虑二者垂直海面上下垂荡的相对运动，可变形浮子相对探测器本体的直线运动经滚珠丝杆机构转化为丝杆相对探测器的旋转运动，并进一步带动发电机旋转，经整流调压后，将稳定的电能充入探测器携带的蓄电池中，实现了海洋探测器捕获波浪能供给自身的功能。

总之，本发明利用连杆机构、丝杆机构等，将可变形浮子引入海洋探测器，赋予海洋探测器捕获波浪能发电供给自身的能力，同时由于捕能体可变形浮子可折叠，不影响航行模式下探测器的机动性能。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。