本發(fā)明涉及一種波浪能和太陽(yáng)能互補(bǔ)的漂流浮標(biāo)自供電裝置，屬于可再生能源綜合利用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

漂流浮標(biāo)是目前應(yīng)用較為廣泛的海洋水文氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)，它是在海面或一定深度隨海流漂動(dòng)的浮標(biāo)，用衛(wèi)星或聲學(xué)方法獲得其位置信息，用拉格朗日法由浮標(biāo)流動(dòng)軌跡得到海流。漂流浮標(biāo)屬于拋棄式，其在海上長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)無(wú)法收回和更換電池，因此漂流浮標(biāo)長(zhǎng)期持續(xù)供電是難題之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)可利用的海上自然資源發(fā)電技術(shù)主要有風(fēng)能、太陽(yáng)能以及波浪能等，設(shè)計(jì)一種可自供電的漂流浮標(biāo)裝置成為了熱門(mén)研究方向。

如專利號(hào)cn205643749u公布的一種海洋氣象監(jiān)測(cè)漂流浮標(biāo)，其采用的供電模式是太陽(yáng)能電池板供電。通過(guò)太陽(yáng)能電池板輸出的電壓接到太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)一系列轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)所需的工作電壓，實(shí)現(xiàn)了漂流浮標(biāo)的自供電。但這種漂流浮標(biāo)的工作環(huán)境受到天氣的限制，只能在太陽(yáng)能充足的天氣環(huán)境下使用，在風(fēng)雨天氣就失去了作用。并且由于太陽(yáng)能電池板輸出的電壓較小，故需要多塊電池板串并聯(lián)才能得到系統(tǒng)所需的工作電壓，涉及到多塊太陽(yáng)能電池板，故其安裝結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵技術(shù)，而該海洋氣象監(jiān)測(cè)漂流浮標(biāo)沒(méi)有涉及說(shuō)明。

如專利號(hào)cn206054168u公布的海洋智能發(fā)電裝置。該裝置包括輕質(zhì)筏和重質(zhì)筏。當(dāng)遇到波浪時(shí)，波浪推動(dòng)輕質(zhì)筏上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及斜齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得小斜齒輪也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使得與其相連的第一交流發(fā)電機(jī)工作發(fā)電。同時(shí)當(dāng)輕質(zhì)筏和重質(zhì)筏在海面水平移動(dòng)時(shí)，也可以使得水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得與其相連的第二交流發(fā)電機(jī)工作發(fā)電，另外太陽(yáng)能發(fā)電電池也可以獲取太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，最終它們工作產(chǎn)生的電能可以通過(guò)整流器調(diào)整電流方向后存入蓄電池中。該裝置綜合利用了波浪能和太陽(yáng)能，能不同的天氣利用不同的可再生能源發(fā)電。該發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)在于其重質(zhì)筏面積大可直接將多塊太陽(yáng)能電池板安裝在重質(zhì)筏表面。但發(fā)電裝置的缺點(diǎn)在于采用兩個(gè)發(fā)電機(jī)增加了發(fā)電裝置的自重，使得輕質(zhì)筏和重質(zhì)筏在遇到波浪時(shí)，上下運(yùn)動(dòng)幅度受到限制，影響了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率；此外該裝置將太陽(yáng)能電池板與重質(zhì)筏安裝在一起，會(huì)導(dǎo)致重質(zhì)筏上下運(yùn)動(dòng)時(shí)太陽(yáng)能電池板受到海水，長(zhǎng)期以往會(huì)影響太陽(yáng)能電池板的使用壽命?？紤]到漂流浮標(biāo)的空間以及漂流特性，海洋智能發(fā)電裝置不適合應(yīng)用到漂流浮標(biāo)上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決漂流浮標(biāo)長(zhǎng)期供電的技術(shù)難題以及現(xiàn)有技術(shù)的局限性，提供了一種波浪能和太陽(yáng)能互補(bǔ)的漂流浮標(biāo)自供電裝置。該裝置不僅有效的解決了發(fā)電機(jī)自重影響波浪能捕獲的缺陷，而且解決了太陽(yáng)能發(fā)電部分和波浪能發(fā)電機(jī)部分互相干擾的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了漂流浮標(biāo)在不同天氣下長(zhǎng)期供電的目的。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種波浪能和太陽(yáng)能互補(bǔ)的漂流浮標(biāo)自供電裝置，包括漂流浮標(biāo)主體和主體外殼，所述主體外殼內(nèi)部通過(guò)隔板分為上部和下部，且所述主體外殼外部的上端罩有透明外殼；

所述漂流浮標(biāo)主體包括太陽(yáng)能電池板發(fā)電部分、波浪能發(fā)電部分以及控制器部分，所述太陽(yáng)能電池板發(fā)電部分包括太陽(yáng)能電池板，所述太陽(yáng)能電池板設(shè)置于透明外殼中；

所述波浪能發(fā)電部分包括波浪能捕獲機(jī)構(gòu)和圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)，所述圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)設(shè)置于主體外殼中的上部，所述圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)包括運(yùn)動(dòng)軸，所述運(yùn)動(dòng)軸上設(shè)置有兩種極性相反的永磁體，所述兩種極性相反的永磁體間隔分布在運(yùn)動(dòng)軸上，所述運(yùn)動(dòng)軸上極性相反的永磁體之間安裝有動(dòng)子磁軛，且所述運(yùn)動(dòng)軸的外周安裝有繞組；所述運(yùn)動(dòng)軸的下端還連接有拉簧，所述拉簧一端連接運(yùn)動(dòng)軸，所述拉簧的另一端連接主體外殼內(nèi)部的隔板；所述波浪能捕獲機(jī)構(gòu)包括浮子和固定缸體，所述固定缸體與主體外殼連接，且固定缸體處于主體外殼上部的外側(cè)；所述固定缸體中轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有圓盤(pán)，所述圓盤(pán)上開(kāi)設(shè)有軸孔，所述圓盤(pán)通過(guò)軸孔過(guò)盈配合連接有轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸水平設(shè)置，且轉(zhuǎn)軸伸入主體外殼中，所述轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)離圓盤(pán)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有盤(pán)形凸輪，且所述盤(pán)形凸輪位于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)軸的下側(cè)；所述浮子下端安裝有運(yùn)動(dòng)桿，所述運(yùn)動(dòng)桿豎直設(shè)置，且所述運(yùn)動(dòng)桿伸入固定缸體中；所述圓盤(pán)上通過(guò)銷一和銷二連接有連桿，所述銷一位于圓盤(pán)的邊緣和連桿的一端端口，所述銷二位于圓盤(pán)的中心和連桿的中心，所述連桿遠(yuǎn)離銷一的端口通過(guò)銷三連接運(yùn)動(dòng)桿遠(yuǎn)離浮子的端口；

所述控制器部分設(shè)置于主體外殼的下部，所述控制器部分包括cpu、用于將波浪能發(fā)電部分交流電轉(zhuǎn)換為直流電的ac/dc轉(zhuǎn)換模塊、電源管理模塊和用于存儲(chǔ)電能的蓄電池，所述電源管理模塊用于管理波浪能發(fā)電部分和太陽(yáng)能電池板輸出的電能，并通過(guò)穩(wěn)壓濾波處理后輸入到蓄電池；

所述圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的輸出端連接ac/dc轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述ac/dc轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接電源管理模塊的輸入端，且所述太陽(yáng)能電池板也連接電源管理模塊的輸入端，所述電源管理模塊的輸出端連接蓄電池。

進(jìn)一步的，所述太陽(yáng)能電池板有五塊，其中一塊太陽(yáng)能電池板水平放置，其余四塊太陽(yáng)能電池板分別在水平放置的太陽(yáng)能電池板四個(gè)周邊傾斜放置，所述傾斜放置的四塊太陽(yáng)能電池板朝向水平放置的太陽(yáng)能電池板。

進(jìn)一步的，傾斜放置的四塊太陽(yáng)能電池板的傾斜角度為45°。

進(jìn)一步的，所述固定缸體通過(guò)固定桿固定在主體外殼上，所述固定桿一端與主體外殼固定連接，所述固定桿另一端與固定缸體固定連接。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明可在陽(yáng)光充足和風(fēng)雨天氣工作，使用該裝置漂流浮標(biāo)可在不同的天氣實(shí)現(xiàn)自供電。本發(fā)明采用了波浪能捕獲機(jī)構(gòu)與漂流浮標(biāo)殼體分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，解決了圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)以及浮標(biāo)的自重影響捕獲機(jī)構(gòu)捕獲波浪能的問(wèn)題。本發(fā)明結(jié)合了漂流浮標(biāo)的特性，搭載上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)就是一種新型的漂流浮標(biāo)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明波浪能捕獲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明太陽(yáng)能電池板的安裝俯視示意圖；

圖4是圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)的磁通方向示意圖；

圖5是圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒距后的磁通方向示意圖；

圖6是本發(fā)明線路連接示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1-控制器部分、2-拉簧、3-動(dòng)子磁軛、4-永磁體磁極、5-太陽(yáng)能電池板、6-透明外殼、7-浮子、8-運(yùn)動(dòng)桿、9-固定缸體、10-固定桿、11-圓盤(pán)、12-轉(zhuǎn)軸、13-繞組、14-盤(pán)形凸輪、15-軸孔、16-連桿、17-銷一、18-朝向軸線的永磁體、20-背離軸線的永磁體、21-銷二、22-銷三、23-主體外殼、24-隔板、25-運(yùn)動(dòng)軸。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種波浪能和太陽(yáng)能互補(bǔ)的漂流浮標(biāo)自供電裝置，包括漂流浮標(biāo)主體和主體外殼23。主體外殼23內(nèi)部通過(guò)隔板24分為上部和下部，且主體外殼23外部的上端罩有透明外殼6。

漂流浮標(biāo)主體包括太陽(yáng)能電池板發(fā)電部分、波浪能發(fā)電部分以及控制器部分1，所述太陽(yáng)能電池板發(fā)電部分包括太陽(yáng)能電池板5，太陽(yáng)能電池板設(shè)置于透明外殼6中。本發(fā)明的太陽(yáng)能電池板5安裝在主體外殼23的頂部?？紤]到太陽(yáng)能電池單片輸出電壓較小，故采用5片太陽(yáng)能電池板。受到漂流浮標(biāo)整體空間的限制，故采用空間安裝的方式，如附圖3所示，中間的太陽(yáng)能電池板水平安裝，其余四塊太陽(yáng)能電池板分別在水平放置的太陽(yáng)能電池板四個(gè)周邊傾斜放置，所述傾斜放置的四塊太陽(yáng)能電池板朝向水平放置的太陽(yáng)能電池板，且傾斜放置的四塊太陽(yáng)能電池板的傾斜角度為45°。這樣的安裝結(jié)構(gòu)即保證了可得到系統(tǒng)所需的電壓，也滿足了整個(gè)漂流浮標(biāo)的空間要求。當(dāng)處于風(fēng)和日麗的天氣時(shí)，太陽(yáng)能電池板5中的半導(dǎo)體材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電流，將產(chǎn)生的電流通過(guò)導(dǎo)線輸送給控制器部分1。

發(fā)電機(jī)主要是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)變成電能，本發(fā)明采用圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)，將直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。波浪能發(fā)電部分包括波浪能捕獲機(jī)構(gòu)和圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)，波浪能捕獲機(jī)構(gòu)與發(fā)電機(jī)構(gòu)分離，發(fā)電機(jī)構(gòu)安裝在主體外殼23內(nèi)部，而波浪能捕獲機(jī)構(gòu)安裝在漂流浮標(biāo)主體外殼23的外部，這樣避免了因浮標(biāo)以及發(fā)電機(jī)的重力而影響波浪捕獲機(jī)構(gòu)波獲波浪能。圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)設(shè)置于主體外殼23中的上部，圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)包括運(yùn)動(dòng)軸25，運(yùn)動(dòng)軸25上設(shè)置有兩種極性相反的永磁體，兩種極性相反的永磁體間隔分布在運(yùn)動(dòng)軸25上，運(yùn)動(dòng)軸25上極性相反的永磁體之間安裝有動(dòng)子磁軛3，且運(yùn)動(dòng)軸25的外周安裝有繞組13。運(yùn)動(dòng)軸25的下端還連接有拉簧2，拉簧2一端連接運(yùn)動(dòng)軸，拉簧2的另一端連接主體外殼25內(nèi)部的隔板24。

波浪能捕獲機(jī)構(gòu)包括浮子7和固定缸體9，固定缸體9與主體外殼25連接，且固定缸體9處于主體外殼25上部的外側(cè)。固定缸體9通過(guò)固定桿10固定在主體外殼23上，固定桿10一端與主體外殼23固定連接，固定桿10另一端與固定缸體9固定連接。固定缸體9中轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有圓盤(pán)11，圓盤(pán)11上開(kāi)設(shè)有軸孔15，圓盤(pán)11通過(guò)軸孔15過(guò)盈配合連接有轉(zhuǎn)軸12，轉(zhuǎn)軸12水平設(shè)置，且轉(zhuǎn)軸12伸入主體外殼25中，轉(zhuǎn)軸12遠(yuǎn)離圓盤(pán)11的一端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有盤(pán)形凸輪14，且盤(pán)形凸輪14位于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)軸25的下側(cè)。浮子7下端安裝有運(yùn)動(dòng)桿8，運(yùn)動(dòng)桿8豎直設(shè)置，且運(yùn)動(dòng)桿8伸入固定缸體9中。圓盤(pán)11上通過(guò)銷一17和銷二21連接有連桿16，銷一17位于圓盤(pán)11的邊緣和連桿16的一端端口，銷二21位于圓盤(pán)11的中心和連桿16的中心，連桿16遠(yuǎn)離銷一17的端口通過(guò)銷三22連接運(yùn)動(dòng)桿8遠(yuǎn)離浮子7的端口。如圖2所示，當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿8作為原動(dòng)件上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，波浪能捕獲機(jī)構(gòu)的自由度為：

f＝3×3-2×4-0×1＝1

原動(dòng)件與自由度相等，所以該機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)桿8上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)11會(huì)做往返旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

控制器部分1設(shè)置于主體外殼25的下部，控制器部分1包括cpu、用于將波浪能發(fā)電部分交流電轉(zhuǎn)換為直流電的ac/dc轉(zhuǎn)換模塊、電源管理模塊和用于存儲(chǔ)電能的蓄電池，電源管理模塊用于管理波浪能發(fā)電部分和太陽(yáng)能電池板5輸出的電能，并通過(guò)穩(wěn)壓濾波處理后輸入到蓄電池。

圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的輸出端連接ac/dc轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，ac/dc轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接電源管理模塊的輸入端，且太陽(yáng)能電池板5也連接電源管理模塊的輸入端，電源管理模塊的輸出端連接蓄電池。

本發(fā)明使用時(shí)，當(dāng)波浪傳過(guò)來(lái)后，浮子7隨著波浪做上下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)桿8跟著浮子7一起做上下運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)桿8通過(guò)銷三22連接在連桿16上，連桿16在運(yùn)動(dòng)桿8的作用下一起做上下運(yùn)動(dòng)。由于連桿16通過(guò)銷一17和銷二21連接在圓盤(pán)11上，且其中其中一個(gè)連接點(diǎn)銷二21位于圓盤(pán)11的中心，另一個(gè)連接點(diǎn)銷一17在圓盤(pán)11的邊緣，當(dāng)連桿16的一端做上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一端會(huì)圍繞著圓心的連接點(diǎn)做相反運(yùn)動(dòng)。圓盤(pán)11是通過(guò)銷一17和銷二21與連桿16連接的，連桿16上下運(yùn)動(dòng)，圓盤(pán)11會(huì)做往返的圓周運(yùn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)軸12與圓盤(pán)11是通過(guò)軸孔15進(jìn)行過(guò)盈配合的，轉(zhuǎn)軸12會(huì)跟著圓盤(pán)11一起坐往返運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)軸12轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)帶著盤(pán)形凸輪14做相同的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)浮子7在波浪的作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)11逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在圓盤(pán)11的作用下轉(zhuǎn)軸12也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，盤(pán)形凸輪14反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)將圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸25慢慢頂起，使得運(yùn)動(dòng)軸25向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到一個(gè)齒距后，磁通方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)變化，如圖5所示，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軸25連續(xù)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)線圈的磁通方向?qū)⒎D(zhuǎn)變化，線圈會(huì)感應(yīng)出交流電勢(shì)。

當(dāng)浮子7在波浪的作用下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)11順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸12順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，盤(pán)形凸輪14正方向旋轉(zhuǎn)并且慢慢的失去作用，圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸25在拉簧2的拉伸作用下向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生磁通方向的翻轉(zhuǎn)變化，連續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)交流電勢(shì)。如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)，圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)便可輸出交流電，這樣可在風(fēng)雨天氣實(shí)現(xiàn)漂流浮標(biāo)裝置的自供電。

假設(shè)運(yùn)動(dòng)軸25向上運(yùn)動(dòng)的速度為vt，根據(jù)永磁直線發(fā)電機(jī)的特性及參數(shù)可以得到繞組感應(yīng)電壓計(jì)算公式為：

其中：

eph是繞組感應(yīng)電壓；

z是運(yùn)動(dòng)軸25上升的位移；

vt運(yùn)動(dòng)軸25向上運(yùn)動(dòng)的速度；

ke為電壓常數(shù)；

λ為2倍的海浪波長(zhǎng)；

電壓常數(shù)ke的計(jì)算公式如下：

其中：vav是運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的平均速度；

是隙磁通密度；

nph＝nc·p·q是每個(gè)相位的線圈數(shù)，p為磁極對(duì)數(shù)，q為槽數(shù)；

ws定子寬度；

ms電樞的數(shù)量；

隙磁通密度可用以下計(jì)算公式：隙磁通密度：

其中：

br為運(yùn)動(dòng)軸允許的核心通量密度；

hm為磁鐵的高度；

hc為強(qiáng)制性的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

μ0為空間磁導(dǎo)率；

geq＝kc·ga為等效氣隙；

kc為卡特系數(shù)；

ga為氣隙。

通過(guò)上述理論公式計(jì)算可得出使用普通大小的浮子，一般功率的圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置，輸出的電壓便可供漂流浮標(biāo)系統(tǒng)使用。

當(dāng)太陽(yáng)能電池板5和圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)輸出電流后，被傳送到控制器部分1。經(jīng)過(guò)控制器電源管理模塊的處理后，存儲(chǔ)到蓄電池中供漂流浮標(biāo)使用。本裝置在晴天和風(fēng)雨天氣均可工作，實(shí)現(xiàn)了漂流浮標(biāo)的長(zhǎng)期自供電。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。