王少哲 楊旭 陳俊杰

摘要 海洋浮標是以錨定在海上的觀測浮標為主體組成的海洋水文氣象自動觀測站，作為一種新興的現(xiàn)代化海洋監(jiān)測技術，海洋浮標可在惡劣的海洋環(huán)境條件下工作，對海洋環(huán)境進行自動、長期、連續(xù)監(jiān)測。有助于災難預警，海洋資源探測等，對沿海國家的發(fā)展及安全防范具有重要意義。因此受到世界各國的極大重視和大力發(fā)展。

[關鍵詞]海洋浮標 波浪能發(fā)電 全自動機械手表

1 引言

能源危機問題備受關注，波浪能作為一種清潔的可再生能源，具有巨大的開發(fā)前景。對于在海面上長期工作且耗電的海洋浮標來說，如何更好的利用波浪能，能節(jié)省一大筆人力物力。本作品針對現(xiàn)有海洋浮標耗電量大，但補給困難的問題，設計了一種機械手表原理式自發(fā)電海洋浮標，與以往自供能海洋浮標相比，本作品具有更好的發(fā)電效益，以及穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)。通過自動陀、齒輪傳動機構(gòu)、擒縱機構(gòu)、發(fā)條、小型電機等配合構(gòu)建，實現(xiàn)全波浪，全天候發(fā)電，無水中活動部件，抗風抗浪性能好，損壞率低，大大增強了海洋浮標的持續(xù)性作業(yè)能力。

2 自供能海洋浮標發(fā)展現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的自發(fā)電式海洋浮標，其方式主要為太陽能發(fā)電及風力發(fā)電。雖然這兩種發(fā)電方式技術較為成熟，但這兩種方法在海洋浮標上應用有較多缺陷

（1）風力發(fā)電受天氣影響較大，無風無法發(fā)電;風力過大時易導致海洋浮標不穩(wěn)定，并可能出現(xiàn)發(fā)電機過速而燒毀電機的現(xiàn)象，嚴重時會損壞浮標，存在一定安全隱患;

（2）太陽能發(fā)電能量密度低，但海洋浮標空間有限，太陽能電池板占地面積過大，且受天氣影響較大。

波浪能是一種新興的可再生資源，因其能流密度大，蘊藏著豐富的能源，可再生功率約為10億KW。對比太陽能與風能，波浪能更加貼近于海洋浮標的能量來源。目前已有幾種波浪能發(fā)電方式，其優(yōu)缺點如表1所示。

目前已有的幾種波浪能發(fā)電方式，都有其局限性，且只有浮子式能應用于海洋浮標，且有致命缺陷。因此我們設計了一種新型海洋浮標，與以往浮標相比具有以下優(yōu)點

（1）發(fā)電部分借鑒機械手表結(jié)構(gòu)，利用自動陀的擺動帶動齒輪傳動機構(gòu)，實現(xiàn)全波浪輸出，進行發(fā)條儲能;

（2）整體結(jié)構(gòu)緊密，沒有水中活動部件，有利于抗臺風，減小損壞率;

（3）擒總機構(gòu)穩(wěn)定輸出，將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的能量輸出，以獲得最佳的發(fā)電效率。

3 總體方案設計

本作品主要是設計了一種新型自發(fā)電海洋浮標，主要設計方面在于浮標的

供能裝置，改變浮標的獲取能量方式，其他方面與現(xiàn)有海洋浮標無明顯差異，具有相同的海洋監(jiān)測能力，但具有更好的續(xù)航能力。在不改變原設備整體布局和不影響傳感器正常工作的情況下，將發(fā)電裝置融合于原浮標浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)，裝置的傳動機構(gòu)與原浮標其他機構(gòu)互不干涉，在實現(xiàn)能量收集，能量傳動的同時盡可能減少傳動級數(shù)，以減少齒輪摩擦帶來的能量損耗。本裝置可分為儲能模塊、傳動模塊以及穩(wěn)定釋能模塊，發(fā)電裝置整體圖如圖1所示。

3.1 集能模塊

本裝置采用類似機械手表原理式的集能方式，當浮標隨海浪波動時，自動陀繞軸心轉(zhuǎn)動，帶動齒輪為發(fā)條儲能。自動陀是一種重心偏移的慣性元件，可通過螺絲固定在機芯中間的自動陀軸上面。如圖2所示，金黃色部分就是自動陀的邊緣金屬，密度較大，具有很大的重量，形成了偏心結(jié)構(gòu)，當整體有輕微波動時，自動陀即可帶動軸心轉(zhuǎn)動，進行能量收集。

此外，本模塊還包含全方位集能設計。如圖所示當自動陀帶動軸轉(zhuǎn)動時，齒輪1也被帶動，假如為逆時針轉(zhuǎn)向，則齒輪2與齒輪3皆為順時針轉(zhuǎn)向，而齒輪4與齒輪5中間裝有單向軸承，4中為順時針單向軸承，5中為逆時針單向軸承。因齒輪2為順時針轉(zhuǎn)向，無法帶動5的轉(zhuǎn)動，只有齒輪3帶動齒輪4順時針轉(zhuǎn)動，從而帶動傳動齒輪6的逆時針轉(zhuǎn)動。當自動陀逆時針轉(zhuǎn)動時，同理.只有齒輪2能帶動齒輪5的逆時針轉(zhuǎn)動，從而帶動齒輪6的逆時針轉(zhuǎn)動，這樣保證了無論自動陀如何轉(zhuǎn)動，都能帶動傳動機構(gòu)的單向傳動，為發(fā)條儲能，大大增加能量的利用率。如圖3，4所示，為自動陀順時針，逆時針偏轉(zhuǎn)時的傳動情況。

3.2 傳動模塊

傳動模塊主要包括齒輪機構(gòu)的設計及配合，選取合適的參數(shù)，以達到合適的傳動比，及儲能所需的轉(zhuǎn)速及扭矩，保證自動陀傳遞給發(fā)條能量的最大化，并且在保證功能的同時，盡量減少齒輪傳動級數(shù)，以減小摩擦帶來的能量損失。

3.3 儲能模塊

儲能模塊的設計包括發(fā)條模塊以及傳動機構(gòu)的設計，目的是將浮標波動的能量儲存起來，以供發(fā)電使用。

同時，根據(jù)本裝置發(fā)電所需的轉(zhuǎn)速，扭矩等條件，設計了與本裝置相配合的發(fā)條儲能單元，其參數(shù)如表2所示，發(fā)條的內(nèi)圈與芯軸相連，芯軸中含有單向軸承，防止發(fā)條在儲能后自行釋放能量，其中發(fā)條與內(nèi)端及外殼的連接方式。

3.4 穩(wěn)定釋能模塊

將發(fā)條中的能量轉(zhuǎn)換為電能是本裝置最為關鍵的部分，發(fā)電機是轉(zhuǎn)換裝置，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，但發(fā)電機有對轉(zhuǎn)速有著嚴苛的要求，要能保持均勻的轉(zhuǎn)速，但如果光以發(fā)條輸出能量，因為發(fā)條越緊力越大，發(fā)條越松力越小，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是不穩(wěn)定的，很難帶動發(fā)電機完成機械能.電能的轉(zhuǎn)換。因此本裝置添加了擒縱機構(gòu)，以保證發(fā)條中彈性勢能的穩(wěn)定輸出。擒縱機構(gòu)的各個部分如圖5所示，游絲決定著擒縱叉的擺動頻率，而擒縱叉控制著擒縱輪的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，擒縱輪與發(fā)條同軸，這樣整個擒縱機構(gòu)就控制著發(fā)條的穩(wěn)定輸出，可調(diào)控游絲以獲得相應的頻率。

4 應用前景

本裝置所設計的基于機械手表原理的自發(fā)電海洋浮標只是針對現(xiàn)有浮標的供能部分進行改進，并未對原有結(jié)構(gòu)造成阻礙，更不會影響原有功能的實現(xiàn)。與現(xiàn)有發(fā)電方式相比，本作品通過自動陀，齒輪機構(gòu)，單向軸承，擒縱機構(gòu)，小型發(fā)電機等結(jié)合，實現(xiàn)全波浪，全天候發(fā)電，并且無水中活動部件，浮標整體穩(wěn)定性能好，可抗臺風級較大海浪，損壞率較低，大大增加了浮標的持續(xù)作業(yè)能力并提高其續(xù)航性。因此本作品可以較好地替代現(xiàn)有海洋浮標，應用與各個海域的海洋氣象監(jiān)測等，具有廣闊的應用前景。

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