基于布拉格共振的航标维稳发电基座的制作方法

1.本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种基于布拉格共振的航标维稳发电基 座。


背景技术：

2.我国大型港口及其近海航标投放量巨大，如何提高现有投放航标的使用寿 命，减少高损坏率所带来的资源浪费和额外维护成本就显得尤为重要。海面环境 复杂多变，海面波的反复作用下，航标的锚定连接部位将受到长期的应力作用， 易导致零件疲劳，存在锚链断裂和偏移遗失的风险，同时较强的海面波裹挟的坚 硬颗粒物也可能对航标造成表面损毁。
3.海洋水域面积占地球总面积的70％，可利用的海洋能有波浪能、温差能、潮 汐能、海流能等。其中波浪能是指波浪自身所具有的动能和势能，由于其供能稳 定、相关发电设备易安装且维护成本低，因此得到了广泛的利用。但由于波浪能 存在能量密度低的现实问题，因此发电效率受限，需要设法通过设计装置聚焦波 浪能，提高发电效率。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的不足，提供一种基于布拉格 共振的航标维稳发电基座利用经过特殊设计的模拟地形板对航标周围区域的海 面波强度进行重分配。使得海面波在航标外围区域发生强烈的地形共振，同时削 弱航标中心区域的海面波的波浪能强度。既减弱航标的平均纵向振幅，降低航标 锚链连接处应力从而降低航标的脱锚遗失风险，又使得模拟地形板两条轴线处出 现预设的波能聚焦点，便于提高后期各类波浪能利用设备的工作效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于布拉格共振的航标维稳发电基座，包括布拉格共振模块和航标稳定 模块；
7.所述布拉格共振模块以航标的中轴线为旋转中心呈环形阵列安装在所述航 标稳定模块上，所述航标稳定模块用于固定航标，所述布拉格共振模块末端与航 标顶端用铁链进行栓接且设有布拉格共振板，所述布拉格共振板排布近似当前海 面波波长诱导表面水体在与板体接触时发生布拉格共振使得海面波在航标外围 区域发生地形共振。
8.进一步地，所述航标稳定模块包括上固定圈、下固定圈、航标夹具和挡波板， 所述上固定圈和下固定圈平行设置且刚性连接，航标夹具沿径向与所述上固定圈 螺纹连接，用于使航标稳定器与航标圆周面贴紧，所述挡波板设置在所述上固定 圈和下固定圈外围防止海浪对航标稳定模块的冲击。
9.进一步地，所述上固定圈和下固定圈均包括通过若干段固定圆弧，所述固定 圆弧之间固定连接弹簧，所述弹簧外部嵌套有波纹管，波纹管两端与固定圆弧两 端轴连。
10.进一步地，所述航标夹具包括弧形夹具和螺钉，所述螺钉设置在所述上固定 圈的固定圆弧中点处，螺钉与所述固定圆弧螺纹连接调节航标夹具的尺寸和松 紧，所述弧形夹
具设置在所述上固定圈内。
11.进一步地，所述挡波板通过挡波板固定支架固定在所述航标稳定模块上，所 述挡波板以z字形横穿于圆弧轨道上，所述圆弧轨道与固定支架连接，所述固定 支架的另一端连接四孔圆盘，所述四孔圆盘上端固定在所述上固定圈上，下端固 定在下固定圈上。
12.进一步地，所述布拉格共振模块包括圆柱形滑轨，所述圆柱形滑轨上等间距 分布设置若干个滑块，所述滑块下方半圆柱孔，上方为矩形凸台，所述凸台上方 设有圆柱轴，凸台上方的圆柱轴依次安装剪叉机构组件和共振板旋转轴插槽，共 振板旋转轴插槽总体为立方体，两侧倾斜开孔，其两侧插入共振板旋转轴，圆柱 形滑轨上最内侧滑块与所述圆柱形滑轨固定连接，其他滑块与所述圆柱形滑轨滑 动连接，滑块之间通过剪叉机构组件进行连接，最外侧滑块连接驱动机构。
13.进一步地，在每个奇数位滑块上方圆柱轴的顶部设置有圆环形安装框架，所 述圆环形安装框架用于进行浮子式磁流体发电机浮筒的固定。
14.进一步地，所述圆柱形滑轨靠近所述航标稳定模块的一端固定连接固定圆盘 小盘，与所述固定圆盘小盘平行设置有固定圆盘大盘，所述圆盘上有三个中心对 称的波纹管安装孔，三条铜芯波纹管穿过安装孔，两端分别与固定小圆盘和固定 大圆盘连接，固定大圆盘通过螺钉与航标稳定器对应孔位进行连接；所述圆柱形 滑轨另一端安装装有限位浮块，限位浮块套接于滑轨末端，两侧的圆柱型浮块为 共振板提供一定的浮力支持使装置整体受力均衡，所述限位浮块顶部固接t型铁 链限位卡口，在航标顶端相同方位同样安装相同卡口，两卡口之间用铁链进行栓 接。
15.进一步地，所述共振板旋转轴上端面设有平直的矩形槽口，用于插入共振板， 所述共振板模拟波长即所述滑块之间的间距为λm，
[0016][0017]
f为能量聚焦区域对应的频率，v为洋流和风速信息，k为自然数。
[0018]
进一步地，所述驱动机构为液压杆，其一端固定连接在t型铁链限位卡口底 部，另一端连接在最外侧滑块上。
[0019]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0020]
基于布拉格共振原理设计共振板对航标周围区域的海面波强度进行重分配。 使得海面波在航标外围区域发生强烈的地形共振，同时削弱航标中心区域的海面 波的波浪能强度。既减弱航标的平均纵向振幅，降低航标锚链连接处应力从而降 低航标的脱锚遗失风险，又使得模拟地形板两条轴线处出现预设的波能聚焦点， 便于提高后期各类波浪能利用设备的工作效率。
附图说明
[0021]
图1为本发明整体结构示意图；
[0022]
图2为本发明航标稳定模块结构示意图；
[0023]
图3为本发明航标夹具结构示意图；
[0024]
图4为本发明固定圆弧连接处示意图；
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图5为本发明挡波板结构示意图；
[0026]
图6位本发明挡波板固定支架结构示意图；
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图7为本发明布拉格共振模块结构示意图；
[0028]
图8为本发明滑块结构示意图；
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图9为本发明共振板旋转轴插槽结构示意图；
[0030]
图10为本发明安装浮子后的剪叉机构结构示意图；图11为本发明结合海面参数分割jonswap波谱图；
[0031]
图中，1-上固定圈、2-下固定圈、3-弹簧、4-波纹管、5-弧形夹具、6-螺钉、7-挡波板、8-固定支架、9-圆弧轨道、10-四孔圆盘、11-圆柱形滑轨、12-滑块、 13-剪叉机构组件、14-共振板旋转轴插槽、15-共振板旋转轴、16-圆环形安装框 架、17-固定圆盘小盘、18-固定圆盘大盘、19-铜芯波纹管、20-限位浮块、21-t 型铁链限位卡口、22-共振板、23-液压杆。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和 完整地描述。
[0033]
为更好的理解本发明，下面的结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解， 这些实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围。为了使本发明的目的、技 术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详 细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0034]
如图1-10所示，本发明装置主要由布拉格共振模块、航标稳定器模块构成。
[0035]
布拉格共振模块以航标的中轴线为旋转中心呈环形阵列安装在所述航标稳 定模块上，所述航标稳定模块用于固定航标，所述布拉格共振模块末端与航标顶 端用铁链进行栓接且设有布拉格共振板22，所述布拉格共振板22排布近似当前 海面波波长诱导表面水体在与板体接触时发生布拉格共振使得海面波在航标外 围区域发生地形共振。布拉格共振模块以这种方式将其与航标连接，起到固定和 部分消除应力的作用。同时，每一支布拉格共振模块安装有限位浮块20，浮块 套接于滑轨末端，两侧的圆柱型浮块为共振板22提供一定的浮力支持使装置整 体受力均衡。
[0036]
航标稳定模块包括上固定圈1、下固定圈2、航标夹具和挡波板7，所述上 固定圈1和下固定圈2平行设置且刚性连接，航标夹具沿径向与所述上固定圈1 螺纹连接，用于使航标稳定器与航标圆周面贴紧，所述挡波板7设置在所述上固 定圈1和下固定圈2外围防止海浪对航标稳定模块的冲击。在上述实施例中，上 固定圈1和下固定圈2均包括通过若干段固定圆弧，所述固定圆弧之间固定连接 弹簧3，所述弹簧3外部嵌套有波纹管4，波纹管4两端与固定圆弧两端轴连。 中央波纹管可以随着弹簧3的形变小幅度收缩，因此装置上紧时可以为航标体提 供一定的预紧力，同时螺钉6调节旋入旋出的幅度可以在一定范围内对航标半径 进行适配。固定圆弧之间通过上述方法进行连接，使得外部结构与内部结构在保 证物理接触的情况下拥有充分的活动空间。稳定器的固定圈结构则保证充分的抗 拉强度和疲劳强度，利用钢筋进行加固。使得装置整体既有一定的伸缩空间，又 有足够的强度。
[0037]
航标夹具包括弧形夹具5和螺钉6，所述螺钉6设置在所述上固定圈1的固 定圆弧中点处，螺钉6与所述固定圆弧螺纹连接调节航标夹具的尺寸和松紧，所 述弧形夹具5设置在所述上固定圈1内。
[0038]
进一步优选的实施例中，挡波板7通过挡波板固定支架8固定在所述航标稳 定模块上，所述挡波板7以z字形横穿于圆弧轨道9上，所述圆弧轨道9与固定 支架8连接，所述固定支架8的另一端连接四孔圆盘10，所述四孔圆盘10上端 固定在所述上固定圈1上，下端固定在下固定圈2上。挡波板7板体材料采用 pvc，中心开孔，防止海浪对航标稳定模块的冲击。
[0039]
进一步优选的实施例中，布拉格共振模块包括圆柱形滑轨11，所述圆柱形 滑轨11上等间距分布设置若干个滑块12，所述滑块12下方半圆柱孔，上方为 矩形凸台，所述凸台上方设有圆柱轴，凸台上方的圆柱轴依次安装剪叉机构组件 13和共振板旋转轴15插槽14，共振板旋转轴15插槽14总体为立方体，两侧倾 斜开孔，其两侧插入共振板旋转轴15，圆柱形滑轨11上最内侧滑块12与所述 圆柱形滑轨11固定连接，其他滑块12与所述圆柱形滑轨11滑动连接，滑块12 之间通过剪叉机构组件13进行连接，最外侧滑块12连接液压杆23。下方剪叉 机构靠近航标根部的滑块12通过过盈配合固定，最外侧滑块12下端和限位浮块 20下端连接有液压杆23，通过液压杆23的伸缩推动剪叉机构的运动，使得所有 滑块12可在圆柱形滑轨11上以等距的方式进行伸缩，为布拉格共振板22动态 模拟海面波的波长创造条件。
[0040]
由于布拉格共振板22对航标周围海面波的再分布作用，在中心海面波稳定 区域之外存在着规律的波能聚焦区域，为充分利用增强后的波浪能，在共振板 22中心轴线的波能聚焦区域设立浮子式磁流体发电机。在每个奇数位滑块12上 方圆柱轴的顶部设置有圆环形安装框架16，所述圆环形安装框架16用于进行浮 子式磁流体发电机浮筒的限位。浮子式磁流体发电机浮筒安装在圆环形安装框架 16中，浮子底部通过绳索连接磁流体发电机上盖。浮子式波浪能装置的内腔内 装有磁流体，装置两侧对置永磁体，整体通过活塞杆进行贯通，上端连接浮子。 由于浮子安装位安装的浮子形状总体为圆柱，因此可以安装于上述布拉格共振模 块的不锈钢发电机安装框架上。
[0041]
当海面波经过共振板22时，波能聚集区域与顶端浮子位点重合。此时此刻 浮子在聚焦强化的海面波带动下上下振动，浮子的振动通过中间的活塞杆进行传 动，带动中部的活塞上下振动。最终通过内置的发电机将活塞传动的机械能转化 为电能储存。
[0042]
由浮子式波浪能发电机的原理可知，该发电方式可以很好地与波浪运动速度 缓慢、作用力巨大的运动特性相匹配。可以形成一种转换效率高、功率密度大、 结构紧凑、移动性好的波浪能发电技术。在实验室条件下。以活塞行程0.4m， 周期1.6～3.2s，活塞速度从0.25～0.5m/s的变化范围内为例，可以获得最高约 160w的输出功率。
[0043]
进一步优选的实施例中，圆柱形滑轨11靠近所述航标稳定模块的一端固定 连接固定圆盘小盘17，与所述固定圆盘小盘17平行设置有固定圆盘大盘18，所 述圆盘上有三个中心对称的波纹管安装孔，三条铜芯波纹管19穿过安装孔，两 端分别与固定小圆盘和固定大圆盘连接，固定大圆盘通过螺钉与航标稳定器对应 孔位进行连接；所述圆柱形滑轨11另一端安装装有限位浮块20，限位浮块20 套接于滑轨末端，两侧的圆柱型浮块为共振板22提供一定的浮力支持使装置整 体受力均衡，所述限位浮块20顶部固接t型铁链限位卡口21，在航标顶端相同 方位同样安装相同卡口，两卡口之间用铁链进行栓接。涂有防腐漆的圆柱形滑轨 11末梢与固定圆盘小盘17进行连接，圆盘上有三个中心对称的波纹管安装孔， 三条铜芯波纹管19穿过安装孔，两端分别与固定小圆盘和固定大圆盘连接。固 定大圆盘通过
螺钉与航标稳定器对应孔位进行连接。由于铜芯波纹管19具有一 定的弯曲能力，因此三个布拉格共振模块总体与航标以非刚性方式进行连接，具 有一定的变形缓冲能力。
[0044]
共振板旋转轴15上端面设有平直的矩形槽口插入共振板22，所述共振板22 模拟波长即所述滑块12之间的间距为λm，
[0045][0046]
f为能量聚焦区域对应的频率，v为洋流和风速信息，k为自然数。
[0047]
在上述实施例中，布拉格共振板22通过特殊的表面排布近似当前海面波波 长诱导表面水体在与板体接触时发生布拉格共振。
[0048]
考虑到装置应用的实际环境，虽然海面的波浪行为是复杂的随机过程，但是 现在已有将无线电噪音相关理论应用于海浪波谱分析的做法，并且取得了相当好 的效果。考虑至今提出的许多风浪频谱，将其近似为neumann理论的一般形式：
[0049][0050]
其中a、b为风/波因子。
[0051]
jonswap波谱的和水深函数相结合的twa波谱是一种比较完备的理论波谱； 考虑实际情况进行简化可以弱化水深函数的影响，可以利用jonswap波谱进行进 一步的分析。
[0052]
给出jonswap的基本形式：
[0053][0054]
其中：
[0055][0056][0057]
其中γ——谱峰升高因子；
[0058]
σ1——能量尺度参数；
[0059]
tp——尖峰频率；
[0060]
fp——tp倒数；
[0061]
t1/3——示性周期。
[0062]
结合海面参数分割jonswap波谱可以得到相应结果，如图11所示，
[0063]
由此为基本依据设计布拉格共振板结构。
[0064][0065]
结合能量聚焦区域对应的频率f和洋流和风速信息v即可得到布拉格共振地 形所模拟的相关参数。设布拉格共振板模拟波长为λm，则有关系：
[0066][0067]
以能量峰值对应的半波长的奇数倍数值作为布拉格共振板的模拟波长数值， 海
水进入模拟地形区时即可发生布拉格共振，通常k取0。
[0068]
最后应说明的是：以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管 参照具体实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解： 其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分 技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明 具体实施方式技术方案的精神与范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何 修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。