一种利用波浪能和太阳能发电的长续航自供能海洋浮标

1.本发明涉及海洋科学观测浮标领域，尤其涉及一种利用波浪能和太阳能发电的长续航自供能海洋浮标。


背景技术：

2.海洋浮标是以锚定在海上的观测浮标为主体组成的海洋水文水质气象自动观测站。它能按规定要求长期、连续地为海洋科学研究、海上石油气/石油开发、港口建设和国防建设收集所需海洋水文水质气象资料，特别是能收集到调查船难以收集的恶劣天气及海况的资料。
3.目前，海洋浮标的供电方式主要有蓄电池供电和太阳能供电，蓄电池供电存在一旦电量耗尽就无法使用、需要更换蓄电池的情况，然而海洋浮标大都远离陆地，更换蓄电池需要花费大量的人力、物力、财力；太阳能供电能够实现浮标的自供电而不需要更换蓄电池，但是太阳能技术受限于光照强度，在夜晚或者海面出现阴天等光照不足的状态下仍会出现电量不足的情况。现有海洋浮漂的供电技术运行维护成本高，难以实现浮标的可持续自供电。综上所述，有待发明一种可以在有阳光和无阳光的情况下都能够可持续自供电的海洋浮标。


技术实现要素：

4.本发明提供一种利用波浪能和太阳能发电的长续航自供能海洋浮标，解决了现有海洋浮标无法全天候自供电的问题。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种利用波浪能和太阳能发电的长续航自供能海洋浮标，包括相连的浮标上部和浮标下部，所述浮标上部包括太阳能板支撑架，若干个太阳能板通过所述太阳能板支撑架与浮标上部连接，所述浮标上部的内部空间内设置有仪器舱，所述仪器舱内设置有传感器和数据传输模块，所述浮标下部包括密封连接的密封盖和密封桶，所述密封桶内设置有蓄电池模块，所述蓄电池模块下方设置有波浪能发电模块，所述蓄电池模块包括蓄电池和太阳能控制器，所述太阳能控制器与蓄电池、波浪能发电模块和太阳能板相连。
7.优选地，所述波浪能发电模块包括由若干个发电单元并联而成的发电部，所述发电单元包括形状为长方体的曲折板，所述曲折板的上表面和下表面皆等间距设置有若干个相同的u型凹槽，所述曲折板的上表面和下表面外部皆贴合设置有一对第一电极，所述第一电极外侧设置有一对第二电极，所述第一电极的凹槽与所述第二电极构成介电通道，所述介电通道内设置有若干个介电球，所述介电通道的两端设置有封口片，所述第二电极外侧设置有平板。
8.优选地，所述浮标上部的上端面上设置有气象风向标和警示灯。
9.优选地，所述波浪能发电模块下方设置有配重块。
10.优选地，所述太阳能板为相同的上短下长等腰梯形，所述太阳能板以浮标的轴向
中心线为圆心呈相同角度分布。
11.本发明的有益效果在于：
12.本发明通过同时设置太阳能供电和波浪能供电两种方式，无论是阳光充足但波浪较小的天气，还是遇到长时间持续阴雨天气，都可以为蓄电池模块充电，保证了为整套浮标观测用电设备提供稳定能量来源，避免浮标观测系统受天气的影响，保证浮标的安全稳定运行；
13.本发明的波浪能发电模块采用发电效率更加优越的摩擦纳米发电机，特别对于低频波浪能的采集，输出性能明显优于其他发电技术；
14.本发明的波浪能发电模块发电单元有曲折板和平板两个接触面，增大了介电材料球与金属电极的接触面积；且相比以往的结构，每个发电单元包含的通道更多，容纳的介电材料球更多，单位体积的能量密度大幅度提高，
15.本发明所设计的波浪能发电模块，其组合发电单元的通道垂直摆放，可全方位收集波浪能。
附图说明
16.为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明整体结构示意图。
18.图2为本发明整体结构剖视图。
19.图3为本发明波浪能发电模块结构示意图。
20.图4为本发明波浪能发电模块的发电单元爆炸图。
21.图5为本发明波浪能发电模块的发电单元侧面剖视图。
22.附图标号说明：
23.1、太阳能板支撑架；2、太阳能板；3、仪器舱；4、密封盖；5、密封桶；6、蓄电池模块；7、波浪能发电模块；71、发电单元；72、曲折板；73、第一电极；74、第二电极；75、介电球；76、封口片；77、平板；8、气象风向标；9、警示灯；10、配重块。
具体实施方式
24.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
28.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
29.本发明提供一种技术方案：如图1和图2所示，一种利用波浪能和太阳能发电的长续航自供能海洋浮标，包括相连的浮标上部和浮标下部，浮标上部包括太阳能板支撑架1，若干个太阳能板2通过太阳能板支撑架1与浮标上部连接，太阳能板2为相同的上短下长等腰梯形，太阳能板2以浮标的轴向中心线为圆心呈相同角度分布。浮标上部的内部空间内设置有仪器舱3，仪器舱3内设置有传感器和数据传输模块，浮标下部包括密封连接的密封盖4和密封桶5，密封桶5内设置有蓄电池模块6，蓄电池模块6下方设置有波浪能发电模块7，蓄电池模块6包括蓄电池和太阳能控制器，太阳能控制器与蓄电池、波浪能发电模块7和太阳能板2相连。浮标上部的上端面上设置有气象风向标8和警示灯9。波浪能发电模块7下方设置有配重块10。
30.波浪能发电模块包括由若干个发电单元71并联而成的发电部，发电单元71包括形状为长方体的曲折板72，曲折板72的上表面和下表面皆等间距设置有若干个相同的u型凹槽，曲折板72的上表面和下表面外部皆贴合设置有一对第一电极73，第一电极73外侧设置有一对第二电极74，第一电极73的凹槽与第二电极74构成介电通道，介电通道内设置有若干个介电球75，介电通道75的两端设置有封口片76，第二电极74外侧设置有平板77。
31.实施例
32.警示灯9的电能由蓄电池模块6提供，利用警示灯9进行发光，在夜间起到一个警示的作用，并且将警示灯9设置为可以反光，从而使得警示作用更强，保证了装置以及周边海域的行驶安全性。
33.太阳能板支撑架1为多根，沿浮标的圆周方向均布。本实施例的太阳能板支撑架1采用同样尺寸的角钢，以浮标的轴向中心线为圆心呈相同角度分布，用于支撑、定位太阳能板2。
34.本实施例的太阳能板2为浮标系统能源供给之一，在阳光充足的天气下，太阳能板2将太阳能转换为电能。太阳能板2固定在太阳能板支撑架1上，其正、负极分别与蓄电池模
块6相连。
35.本实施例的仪器舱3安装于太阳能板2所围空腔内，包括传感器和数据传输模块，控制整套浮标观测系统采集数据，并将观测数据实时发送至岸站的数据接收中心，供科学研究使用。
36.防水防腐密封外壳由密封盖4和密封筒5组成，由固体浮力材料制成；密封盖4和密封筒5内的空白区域能够提供足够的浮力，并通过调整配重块10的重量，使浮标一直处于直立的漂浮状态。
37.本实施例的蓄电池模块6包括蓄电池和波浪能太阳能互补控制器，蓄电池为存储电能使用，波浪能太阳能互补控制器连接蓄电池的正负极、太阳能板2的正负极、波浪能发电模块7的正负极和仪器舱3中需要供电的各负载设备的正负极；本实施例的波浪能太阳能互补控制器为市购产品，品牌为德莘，型号为dhs
‑
gpi
‑
12v，主要作用是保证给配载设备提供稳定的电压，并防止蓄电池充电时向波浪发电端或太阳能板端倒流的危险，保证设备运行稳定。
38.如图3
‑
5所示，波浪能发电模块7是一种基于摩擦纳米发电机的波浪板形波浪能采集装置，其发电部分由多个组合发电单元并联连接组成，组合发电单元的电极对两两垂直排布，可全方位采集波浪能。构成波浪能供电模块的组合发电单元数量可根据所需用电量进行调整。
39.组合发电单元包括曲折板72和平板77、封口片76，曲折板72的上下表面均固定金属电极，即第二电极74；曲折板72与上下平板77围成的通道放置介电球75；介电球75位于第一电极73和第二电极74之间并与其滚动接触摩擦；第一电极73和第二电极74分别连接输出导线并联连接；第一电极73和第二电极74同向平行排布，组合发电单元内所有金属电极均同向平行排列，确保同相位电能输出；层间交替堆叠，每层结构相同。
40.第一电极73和第二电极74为金属电极，各有两块、对称安装。
41.进一步地，第一电极73和第二电极74为金属材料薄膜，第一电极73和第二电极74的外表面进行纳米处理，分别镀在上下平板77的表面、曲折板72的上表面和下表面。
42.进一步地，曲折板72采用绝缘材料3d打印pla制成；层间封口片76采用绝缘材料3d打印pla制成。
43.进一步地，介电球75使用电负性强、得电子能力强的材料，包括ptfe、fep、kapton高分子聚合材料。介电球75直径略小于u形通道的间距。
44.波浪能发电模块是利用两种材料电负性差异摩擦起电和静电感应产生交变电流，在无外力作用时，介电球75与金属电极之间不会发生滚动摩擦产生感应电荷；而在外部波浪作用下，如波浪向左推动发电装置移动时，其内部的介电球75会相应向左滑动，第一次与金属电极接触摩擦后，介电球75上会由于电极序的差异性与金属电极摩擦从而产生负电荷；当介电球75滚动到左侧时，介电球75会在曲折板左侧的第一电极73和上下平板77左侧的第二电极74上感应出正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从曲折板72上的第一电极73和上下平板77上的左侧第二电极74流向相应的右侧金属电极；当波浪向右推动基础发电单元移动时，由于惯性力与回复力的作用，介电球75会向右滑动，将会在其曲折板右侧的第一电极73和上下平板右侧的二电极74表面产生正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从电极平面内的右侧金属电极流向左侧金属电极，从而得到方向相反的电流。在海浪的激励
下，介电球75不停来回滚动产生交流电。
45.本发明的供电方法分为太阳能供电、波浪能供电、组合供电及蓄电池供电，其中：
46.太阳能供电：当阳光充足，且海平面波浪较小，浮标运动不明显时，波浪能发电模块中介电材料球运动不强烈，波浪能发电模块发电量较小时，通过太阳能板2吸收太阳能并转化为电能，为蓄电池模块6充电，再由该蓄电池模块6为浮标仪器舱3中的用电设备供电；
47.波浪能供电：当遇到持续阴雨天气，太阳能强度较弱，海平面波浪稍微强烈，导致浮标发生摇摆和晃动；介电材料球在通道中运动强烈，波浪能发电模块产生电能，为蓄电池模块6充电，再由该蓄电池模块6为浮标仪器舱3中的用电设备供电；
48.组合供电：阳光充足且波浪较大时，太阳能和波浪能同时为系统供电，即通过太阳能板2吸收太阳能并转化为电能，为蓄电池模块6充电；同时，介电材料球在通道中运动强烈，波浪能发电模块产生电能，为蓄电池模块6充电；再由该蓄电池模块6为浮标仪器舱3中的用电设备供电；
49.蓄电池供电：当阳光不足，且波浪较小时，通过蓄电池模块6存储的电能为仪器舱3中的用电设备供电，本实施例可通过蓄电池模块6存储电能供仪器舱3中的用电设备使用20天。
50.自供能海洋浮标采用全钢铁锚链单锚泊方式，当仪器舱3内所搭载的用电设备工作时，蓄电池模块6为多参数气象传感器和水质传感器供电，同时也为控制模块和通信模块供电。所采集数据通过短波无线电数字传输，自动传至岸站监控中心接收端，实现对目标海域气象及水文长期定点监测。由于太阳能板2、波浪能发电模块7可持续将工作环境中的太阳能、海洋波浪能持续转化为电能，为仪器舱3供电，无需人工更换电池等操作，因此自供能海洋监测浮标可实现长续航工作，持续对目标海域气象水文信息监测。
51.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。