全自动机械手表原理式自发电海洋浮标

王少哲 杨旭 陈俊杰

摘要 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气象自动观测站，作为一种新兴的现代化海洋监测技术，海洋浮标可在恶劣的海洋环境条件下工作，对海洋环境进行自动、长期、连续监测。有助于灾难预警，海洋资源探测等，对沿海国家的发展及安全防范具有重要意义。因此受到世界各国的极大重视和大力发展。

[关键词]海洋浮标 波浪能发电 全自动机械手表

1 引言

能源危机问题备受关注，波浪能作为一种清洁的可再生能源，具有巨大的开发前景。对于在海面上长期工作且耗电的海洋浮标来说，如何更好的利用波浪能，能节省一大笔人力物力。本作品针对现有海洋浮标耗电量大，但补给困难的问题，设计了一种机械手表原理式自发电海洋浮标，与以往自供能海洋浮标相比，本作品具有更好的发电效益，以及稳定的机械结构。通過自动陀、齿轮传动机构、擒纵机构、发条、小型电机等配合构建，实现全波浪，全天候发电，无水中活动部件，抗风抗浪性能好，损坏率低，大大增强了海洋浮标的持续性作业能力。

2 自供能海洋浮标发展现状

目前现有的自发电式海洋浮标，其方式主要为太阳能发电及风力发电。虽然这两种发电方式技术较为成熟，但这两种方法在海洋浮标上应用有较多缺陷

（1）风力发电受天气影响较大，无风无法发电;风力过大时易导致海洋浮标不稳定，并可能出现发电机过速而烧毁电机的现象，严重时会损坏浮标，存在一定安全隐患;

（2）太阳能发电能量密度低，但海洋浮标空间有限，太阳能电池板占地面积过大，且受天气影响较大。

波浪能是一种新兴的可再生资源，因其能流密度大，蕴藏着丰富的能源，可再生功率约为10亿KW。对比太阳能与风能，波浪能更加贴近于海洋浮标的能量来源。目前已有几种波浪能发电方式，其优缺点如表1所示。

目前已有的几种波浪能发电方式，都有其局限性，且只有浮子式能应用于海洋浮标，且有致命缺陷。因此我们设计了一种新型海洋浮标，与以往浮标相比具有以下优点

（1）发电部分借鉴机械手表结构，利用自动陀的摆动带动齿轮传动机构，实现全波浪输出，进行发条储能;

（2）整体结构紧密，没有水中活动部件，有利于抗台风，减小损坏率;

（3）擒总机构稳定输出，将不稳定的波浪能转化为稳定的能量输出，以获得最佳的发电效率。

3 总体方案设计

本作品主要是设计了一种新型自发电海洋浮标，主要设计方面在于浮标的

供能装置，改变浮标的获取能量方式，其他方面与现有海洋浮标无明显差异，具有相同的海洋监测能力，但具有更好的续航能力。在不改变原设备整体布局和不影响传感器正常工作的情况下，将发电装置融合于原浮标浮体结构内，装置的传动机构与原浮标其他机构互不干涉，在实现能量收集，能量传动的同时尽可能减少传动级数，以减少齿轮摩擦带来的能量损耗。本装置可分为储能模块、传动模块以及稳定释能模块，发电装置整体图如图1所示。

3.1 集能模块

本装置采用类似机械手表原理式的集能方式，当浮标随海浪波动时，自动陀绕轴心转动，带动齿轮为发条储能。自动陀是一种重心偏移的惯性元件，可通过螺丝固定在机芯中间的自动陀轴上面。如图2所示，金黄色部分就是自动陀的边缘金属，密度较大，具有很大的重量，形成了偏心结构，当整体有轻微波动时，自动陀即可带动轴心转动，进行能量收集。

此外，本模块还包含全方位集能设计。如图所示当自动陀带动轴转动时，齿轮1也被带动，假如为逆时针转向，则齿轮2与齿轮3皆为顺时针转向，而齿轮4与齿轮5中间装有单向轴承，4中为顺时针单向轴承，5中为逆时针单向轴承。因齿轮2为顺时针转向，无法带动5的转动，只有齿轮3带动齿轮4顺时针转动，从而带动传动齿轮6的逆时针转动。当自动陀逆时针转动时，同理.只有齿轮2能带动齿轮5的逆时针转动，从而带动齿轮6的逆时针转动，这样保证了无论自动陀如何转动，都能带动传动机构的单向传动，为发条储能，大大增加能量的利用率。如图3，4所示，为自动陀顺时针，逆时针偏转时的传动情况。

3.2 传动模块

传动模块主要包括齿轮机构的设计及配合，选取合适的参数，以达到合适的传动比，及储能所需的转速及扭矩，保证自动陀传递给发条能量的最大化，并且在保证功能的同时，尽量减少齿轮传动级数，以减小摩擦带来的能量损失。

3.3 储能模块

储能模块的设计包括发条模块以及传动机构的设计，目的是将浮标波动的能量储存起来，以供发电使用。

同时，根据本装置发电所需的转速，扭矩等条件，设计了与本装置相配合的发条储能单元，其参数如表2所示，发条的内圈与芯轴相连，芯轴中含有单向轴承，防止发条在储能后自行释放能量，其中发条与内端及外壳的连接方式。

3.4 稳定释能模块

将发条中的能量转换为电能是本装置最为关键的部分，发电机是转换装置，将机械能转换为电能，但发电机有对转速有着严苛的要求，要能保持均匀的转速，但如果光以发条输出能量，因为发条越紧力越大，发条越松力越小，转矩和转速都是不稳定的，很难带动发电机完成机械能.电能的转换。因此本装置添加了擒纵机构，以保证发条中弹性势能的稳定输出。擒纵机构的各个部分如图5所示，游丝决定着擒纵叉的摆动频率，而擒纵叉控制着擒纵轮的稳定转动，擒纵轮与发条同轴，这样整个擒纵机构就控制着发条的稳定输出，可调控游丝以获得相应的频率。

4 应用前景

本装置所设计的基于机械手表原理的自发电海洋浮标只是针对现有浮标的供能部分进行改进，并未对原有结构造成阻碍，更不会影响原有功能的实现。与现有发电方式相比，本作品通过自动陀，齿轮机构，单向轴承，擒纵机构，小型发电机等结合，实现全波浪，全天候发电，并且无水中活动部件，浮标整体稳定性能好，可抗台风级较大海浪，损坏率较低，大大增加了浮标的持续作业能力并提高其续航性。因此本作品可以较好地替代现有海洋浮标，应用与各个海域的海洋气象监测等，具有广阔的应用前景。

参考文献

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