利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标的制作方法

1.本实用新型属于海洋工程技术领域，涉及一种利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标。


背景技术：

2.海洋浮标是一种应用较为广泛的海洋水文气象观测平台，它放置于海面上，通过锚链系统与海底连接。浮标上可搭载各种观测设备，用来对海上各类气象要素(如风速、波浪参数等)进行测量。由于海洋浮标需要长时间放置于海上，特别是对于深远海放置的海洋浮标，其布放周期可达数年，且维护成本高昂，因此，能够长期持续且安全可靠的为各种设备供电是浮标设计时的重要考虑因素。目前，利用浮标周围环境中的太阳能、风能等各种可再生能源进行自给供电的海洋浮标装置成为了人们所重点关注的方向。
3.中国专利cn211930540u(石学涛等)提出了一种用于海洋浮标的太阳能供电装置，该供电装置具有自清洁功能，安装便捷，然而由于太阳能发电的间隙性属性，单一的太阳能供电并不能满足浮标长时间观测的需求。
4.中国专利cn110329436a(陆海等)提出一种风光互补供电的浮标，该浮标配备有蓄电池用于存储所发电量，一定程度上提高了浮标供能系统的灵活性和稳定性，然而，风力发电和太阳能发电均具有间隙性，如果在风能和太阳能长时间不充足的时间段，或者某些设备损坏的情况下，浮标的供电依然可能会出现一定问题。
5.考虑到海洋本身的波浪以及海流中蕴含的着丰富的能量，研究人员发明了多种海洋能供电的浮标系统。例如中国专利cn207860395u(梁旭等)、cn108001626a(梁旭等)提出利用波浪能产生的压电效应为浮标进行供电；中国专利cn107288808a(刘云平等)、cn111422308a(王旭等)提出利用波浪推动线圈切割磁感线进行发电，进而为浮标进行供电。然而，以上两类波浪能发电装置在海水中的稳定性较差，结构易于损坏。
6.利用海洋中的海流能推动水轮机进行发电也越来越多受到人们的关注，由于海水的密度较大，即使是很小的海流流速，海流能发电装置也能充分利用。此外，相比于风力发电，海流的速度较低，使得海流能发电装置更加不容易损坏。目前，中国专利cn205618293u(王鹏等)、cn107401475a(贯赛虎等)分别提出了利用海流进行发电的装置，但是以上两个专利并不是为浮标所设计的，其结构形式无法应用到海洋浮标上。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标，结构简单，采用连接件连接水上平台和水下平台，风力机和太阳能板与水上平台安装，水轮发电机组位于水下平台内，水下平台浮于水中支撑水面上部的水上平台，风力机、太阳能板和水轮发电机组所发电能输送至蓄电池舱中的蓄电池储存或直接输送至海洋浮标搭载的各种观测设备，形成互补发电，不间断供电，提高观测设备长期稳定的观测性能，结构强度高，稳定性好，不易损坏。
8.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标，它包括水上平台、水下平台、连接件、风力机、太阳能板和水轮发电机组；所述连接件两端分别与水上平台和水下平台连接，水下平台位于水上平台下部，风力机和太阳能板与水上平台连接，水轮发电机组位于水下平台内部；所述水下平台提供浮力支撑水上平台，并对风力机、太阳能板和水轮发电机组所发电量进行存储和输出。
9.所述水上平台为圆形结构的平板，太阳能板与平板上侧面连接，多个风力机均匀分布于太阳能板四周与平板连接。
10.所述水下平台包括与圆柱体和圆锥体连接的中空结构，位于腔体内从下向上依次设置第一空间、第二空间和第三空间。
11.所述水下平台的第一空间和第二空间内分别设置相互垂直交叉的第一流道和第二流道，两个水轮发电机组的水轮机分别位于第一流道和第二流道内。
12.所述水下平台的第一流道和第二流道的孔径从中间向两端逐渐扩大；第一流道和第二流道截面较大的两端设置过滤网。
13.所述水下平台的第三空间外设置防撞缓冲圈；水下平台的第一空间下侧设置锚链连接板。
14.所述水下平台的第三空间中心设置发电机舱，水轮发电机组的发电机位于发电机舱内。
15.所述第三空间的发电机舱外侧设置蓄电池舱，蓄电池舱外侧设置仪器设备舱，位于仪器设备舱外侧设置浮力舱；浮力舱的数量为多个，均为独立舱室，互不联通。
16.所述连接件为中空的圆柱体，位于圆柱体四周设置多个倾斜的杆体与水上平台和水下平台连接。
17.如上所述的利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标的互补发电供电方法，它包括如下步骤：
18.s1，风力发电及存储，风力机吸收风能进行发电，并将电能输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
19.s2，太阳能发电及存储，太阳能板吸收太阳能进行发电，并将电能输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
20.s3，海流发电及存储，海流流经水轮发电机组的水轮机推动发电机转动发电，所发电量输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
21.s4，互补供电，
22.s4
‑
1，当蓄电池电量处于饱和状态时，且风力发电、太阳能发电和海流发电皆稳定的情况下，风力发电、太阳能发电、海流发电其中任一发电装置向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
23.s4
‑
2，当蓄电池电量处于饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电其中一发电装置处于不稳定状态时，其余任一发电装置向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
24.s4
‑
3，当蓄电池电量处于饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电均处于不稳定状态时，蓄电池向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
25.s4
‑
4，当蓄电池电量处于未饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电其中
一发电装置处于不稳定状态时，其余的两个发电装置的任一个向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电，另一个将电能输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存。
26.一种利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标，它包括水上平台、水下平台、连接件、风力机、太阳能板和水轮发电机组；连接件两端分别与水上平台和水下平台连接，水下平台位于水上平台下部，风力机和太阳能板与水上平台连接，水轮发电机组位于水下平台内部；水下平台提供浮力支撑水上平台，并对风力机、太阳能板和水轮发电机组所发电量进行存储和输出。结构简单，通过连接件连接水上平台和水下平台，风力机和太阳能板与水上平台安装，水轮发电机组位于水下平台内，水下平台浮于水中支撑水面上部的水上平台，通过风力机、太阳能板和水轮发电机组所发电能输送至蓄电池舱中的蓄电池储存或直接输送至海洋浮标搭载的各种观测设备，形成互补发电，不间断供电，提高观测设备长期稳定的观测性能，结构强度高，稳定性好，不易损坏。
27.在优选的方案中，水上平台为圆形结构的平板，太阳能板与平板上侧面连接，多个风力机均匀分布于太阳能板四周与平板连接。结构简单，使用时，为圆形结构的水上平台，有较好的抗风阻性能，提高设备运行的稳定性。
28.在优选的方案中，水下平台包括与圆柱体和圆锥体连接的中空结构，位于腔体内从下向上依次设置第一空间、第二空间和第三空间。结构简单，使用时，中空结构的水下平台有足够的浮力支撑整体结构及装置浮于水面，上端为圆柱体，下端为圆锥体，稳定性好。
29.在优选的方案中，水下平台的第一空间和第二空间内分别设置相互垂直交叉的第一流道和第二流道，两个水轮发电机组的水轮机分别位于第一流道和第二流道内。结构简单，使用时，海流从第一流道和第二流道一侧进入另一侧，推动流道内的水轮机运转，水轮机转动带动发电机做功发电。
30.在优选的方案中，水下平台的第一流道和第二流道的孔径从中间向两端逐渐扩大；第一流道和第二流道截面较大的两端设置过滤网。结构简单，使用时，位于第一流道和第二流道两侧较大截面端设置的过滤网用于阻挡漂浮物进入流道内；海流从截面较大一端的流道进入截面较小的流道时，在截面较小的流道形成的流速较大，有利于推动水轮机转动，提高转速。
31.在优选的方案中，水下平台的第三空间外设置防撞缓冲圈；水下平台的第一空间下侧设置锚链连接板。结构简单，使用时，位于水下平台外侧的防撞缓冲圈在受到漂浮物或碰撞时，有利于减缓冲击力，提高水下平台的稳定性；位于第一空间下部的锚链连接板用于与锚链连接，进一步提高整体结构的稳定性。
32.在优选的方案中，水下平台的第三空间中心设置发电机舱，水轮发电机组的发电机位于发电机舱内。结构简单，使用时，发电机舱位于第三空间中心，稳定性好，且便于与周围的蓄电池舱和仪器设备舱进行电性连接。
33.在优选的方案中，第三空间的发电机舱外侧设置蓄电池舱，蓄电池舱外侧设置仪器设备舱，位于仪器设备舱外侧设置浮力舱；浮力舱的数量为多个，均为独立舱室，互不联通。结构简单，使用时，蓄电池舱用于接受风力机、太阳能板和水轮发电机组所发出的电能，并对电能进行存储，必要时向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；仪器设备舱用于安装各种输电、储能、供电及控制的各种仪器设备；浮力舱用于提升浮标的浮力；浮力舱由多个独立的舱室组成，在其中一个遇到故障时，不会影响整个浮标的运行。
34.在优选的方案中，连接件为中空的圆柱体，位于圆柱体四周设置多个倾斜的杆体与水上平台和水下平台连接。结构简单，使用时，中空结构的连接件不仅起到支撑水上平台的作用，还与水下平台连通，电缆和光缆从中空的圆柱体穿过与蓄电池舱的蓄电池和仪器设备舱的设备电性连接；位于圆柱体四周多个倾斜的杆体进一步提高水上平台和水下平台之间连接的结构强度。
35.在优选的方案中，如上利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标的互补发电供电方法，它包括如下步骤：
36.s1，风力发电及存储，风力机吸收风能进行发电，并将电能输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
37.s2，太阳能发电及存储，太阳能板吸收太阳能进行发电，并将电能输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
38.s3，海流发电及存储，海流流经水轮发电机组的水轮机推动发电机转动发电，所发电量输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
39.s4，互补供电，
40.s4
‑
1，当蓄电池电量处于饱和状态时，且风力发电、太阳能发电和海流发电皆稳定的情况下，风力发电、太阳能发电、海流发电其中任一发电装置向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
41.s4
‑
2，当蓄电池电量处于饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电其中一发电装置处于不稳定状态时，其余任一发电装置向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
42.s4
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3，当蓄电池电量处于饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电均处于不稳定状态时，蓄电池向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
43.s4
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4，当蓄电池电量处于未饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电其中一发电装置处于不稳定状态时，其余的两个发电装置的任一个向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电，另一个将电能输送至蓄电池舱中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存。该方法操作简单方便，在结构强度高、结构稳定、防碰撞冲击性能好的浮标内外设置不同的发电装置，不同发电装置形成互补发电和充电，实现对浮标搭载的各种观测设备提供不间断电能，提高观测设备长期稳定的观测性能。
44.一种利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标，它包括水上平台、水下平台、连接件、风力机、太阳能板和水轮发电机组，通过连接件连接水上平台和水下平台，风力机和太阳能板与水上平台安装，水轮发电机组位于水下平台内，水下平台浮于水中支撑水面上部的水上平台，通过风力机、太阳能板和水轮发电机组所发电能输送至蓄电池舱中的蓄电池储存或直接输送至海洋浮标搭载的各种观测设备。本实用新型克服了原浮标供电不稳定造成观测容易中断，结构不稳定，容易损坏的问题，具有结构简单，形成互补发电，不间断供电，提高观测设备长期稳定的观测性能，结构强度高，稳定性好，不易损坏的特点。
附图说明
45.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
46.图1为本实用新型的结构示意图。
为：由于入口面积a1要大于中心面积a2，因此，中心处的流速v2大于入口流速v1。水轮机的发电功率与流速的三次方成正比，因此，与直接采用海流流速v1进行发电的情况相比，本实用新型的流道结构可以大幅提高水轮机的发电功率。
61.优选的方案中，所述水下平台2的第一流道24和第二流道25的孔径从中间向两端逐渐扩大；第一流道24和第二流道25截面较大的两端设置过滤网26。结构简单，使用时，位于第一流道24和第二流道25两侧较大截面端设置的过滤网26用于阻挡漂浮物进入流道内；海流从截面较大一端的流道进入截面较小的流道时，在截面较小的流道形成的流速较大，有利于推动水轮机转动，提高转速。
62.优选的方案中，所述水下平台2的第三空间23外设置防撞缓冲圈27；水下平台2的第一空间21下侧设置锚链连接板28。结构简单，使用时，位于水下平台2外侧的防撞缓冲圈27在受到漂浮物或碰撞时，有利于减缓冲击力，提高水下平台2的稳定性；位于第一空间21下部的锚链连接板28用于与锚链连接，进一步提高整体结构的稳定性。
63.优选的方案中，所述水下平台2的第三空间23中心设置发电机舱231，水轮发电机组6的发电机位于发电机舱231内。结构简单，使用时，发电机舱231位于第三空间23中心，稳定性好，且便于与周围的蓄电池舱232和仪器设备舱233进行电性连接。
64.优选的方案中，所述第三空间23的发电机舱231外侧设置蓄电池舱232，蓄电池舱232外侧设置仪器设备舱233，位于仪器设备舱233外侧设置浮力舱234；浮力舱234的数量为多个，均为独立舱室，互不联通。结构简单，使用时，蓄电池舱232用于接受风力机4、太阳能板5和水轮发电机组6所发出的电能，并对电能进行存储，必要时向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；仪器设备舱233用于安装各种输电、储能、供电及控制的各种仪器设备；浮力舱234用于提升浮标的浮力；浮力舱234由多个独立的舱室组成，在其中一个遇到故障时，不会影响整个浮标的运行。
65.优选的方案中，所述连接件3为中空的圆柱体，位于圆柱体四周设置多个倾斜的杆体31与水上平台1和水下平台2连接。结构简单，使用时，中空结构的连接件3不仅起到支撑水上平台1的作用，还与水下平台2连通，电缆和光缆从中空的圆柱体穿过与蓄电池舱232的蓄电池和仪器设备舱233的设备电性连接；位于圆柱体四周多个倾斜的杆体31进一步提高水上平台1和水下平台2之间连接的结构强度。
66.优选的方案中，如上所述的利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标的互补发电供电方法，它包括如下步骤：
67.s1，风力发电及存储，风力机4吸收风能进行发电，并将电能输送至蓄电池舱232中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
68.s2，太阳能发电及存储，太阳能板5吸收太阳能进行发电，并将电能输送至蓄电池舱232中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
69.s3，海流发电及存储，海流流经水轮发电机组6的水轮机推动发电机转动发电，所发电量输送至蓄电池舱232中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存；
70.s4，互补供电，
71.s4
‑
1，当蓄电池电量处于饱和状态时，且风力发电、太阳能发电和海流发电皆稳定的情况下，风力发电、太阳能发电、海流发电其中任一发电装置向海洋浮标搭载的各种观测
设备直接供电；
72.s4
‑
2，当蓄电池电量处于饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电其中一发电装置处于不稳定状态时，其余任一发电装置向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
73.s4
‑
3，当蓄电池电量处于饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电均处于不稳定状态时，蓄电池向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；
74.s4
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4，当蓄电池电量处于未饱和状态时，但风力发电、太阳能发电、海流发电其中一发电装置处于不稳定状态时，其余的两个发电装置的任一个向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电，另一个将电能输送至蓄电池舱232中的蓄电池，蓄电池对电能进行储存。该方法操作简单方便，在结构强度高、结构稳定、防碰撞冲击性能好的浮标内外设置不同的发电装置，不同发电装置形成互补发电和充电，实现对浮标搭载的各种观测设备提供不间断电能，提高观测设备长期稳定的观测性能。
75.如上所述的利用太阳能、风能和海流能互补发电供能的海洋浮标，安装使用时，连接件3连接水上平台1和水下平台2，风力机4和太阳能板5与水上平台1安装，水轮发电机组6位于水下平台2内，水下平台2浮于水中支撑水面上部的水上平台1，风力机4、太阳能板5和水轮发电机组6所发电能输送至蓄电池舱232中的蓄电池储存或直接输送至海洋浮标搭载的各种观测设备，形成互补发电，不间断供电，提高观测设备长期稳定的观测性能，结构强度高，稳定性好，不易损坏。
76.使用时，为圆形结构的水上平台1，有较好的抗风阻性能，提高设备运行的稳定性。
77.使用时，中空结构的水下平台2有足够的浮力支撑整体结构及装置浮于水面，上端为圆柱体，下端为圆锥体，稳定性好。
78.使用时，海流从第一流道24和第二流道25一侧进入另一侧，推动流道内的水轮机运转，水轮机转动带动发电机做功发电。
79.使用时，位于第一流道24和第二流道25两侧较大截面端设置的过滤网26用于阻挡漂浮物进入流道内；海流从截面较大一端的流道进入截面较小的流道时，在截面较小的流道形成的流速较大，有利于推动水轮机转动，提高转速。
80.使用时，位于水下平台2外侧的防撞缓冲圈27在受到漂浮物或碰撞时，有利于减缓冲击力，提高水下平台2的稳定性；位于第一空间21下部的锚链连接板28用于与锚链连接，进一步提高整体结构的稳定性。
81.使用时，发电机舱231位于第三空间23中心，稳定性好，且便于与周围的蓄电池舱232和仪器设备舱233进行电性连接。
82.使用时，蓄电池舱232用于接受风力机4、太阳能板5和水轮发电机组6所发出的电能，并对电能进行存储，必要时向海洋浮标搭载的各种观测设备直接供电；仪器设备舱233用于安装各种输电、储能、供电及控制的各种仪器设备；浮力舱234用于提升浮标的浮力；浮力舱234由多个独立的舱室组成，在其中一个遇到故障时，不会影响整个浮标的运行。
83.使用时，中空结构的连接件3不仅起到支撑水上平台1的作用，还与水下平台2连通，电缆和光缆从中空的圆柱体穿过与蓄电池舱232的蓄电池和仪器设备舱233的设备电性连接；位于圆柱体四周多个倾斜的杆体31进一步提高水上平台1和水下平台2之间连接的结构强度。
84.上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。