一种树形水下聚鱼发电装置及其工作方法

1.本发明涉及水下供电设备领域，尤其涉及一种树形水下聚鱼发电装置及其工作方法。


背景技术：

2.在海洋科学研究、海洋资源探测、海防联合预警等领域中，搭载水下机器人、水下传感器、水下声学释放器等各有效载荷下水执行任务时，续航和供电问题十分重要，直接关系到任务周期长短和回收管理频率。现有的水下供电系统，有缆式供电由于需要较长的电线线缆牵引并与母船连接，限制了有效载荷在远海的活动范围，且电缆过长能量损耗也随之增大；无缆式供电则主要依靠有效载荷自身携带的电池，电池充电需要在水面上完成，装置长期执行任务所需回收释放频率较为密集，耗费额外时间。如何从水下或海洋自身环境中获取部分能量和资源并转化为电能，以增加有效载荷电源电池的续航能力；在利用水环境的同时又尽量减低发电装置对环境和生态的影响，这些方面都是颇具研究价值和应用潜力的研究方向，水下供电方式需要更多的创新和突破。本发明利用聚鱼素或信息素、饲料等更为轻便、经济的耗材，利用鱼群游动导致水流变化等因素，面向远海水下可控供电发电供电提出新的构思。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷以及面向应用需要，提供一种树形水下聚鱼发电装置及其工作方法。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种树形水下聚鱼发电装置，包括浮子、发电模块和载荷模块；所述浮子用于提供浮力；所述载荷模块包含壳体、可充放电源、升降单元、存储箱和压力泵；所述可充放电源、升降单元、存储箱、压力泵均设置在所述壳体中；所述存储箱呈针管状，其内设有活塞，且其出口处设有电磁阀，用于存储聚鱼素和饲料的混合物；所述压力泵用于驱动所述存储箱内的活塞，在电磁阀打开时将聚鱼素和饲料的混合物从存储箱的出口处泵出；所述升降单元用于调节载荷模块的重量进而控制其上升或下沉；所述发电模块包含发电载体、输送总管和若干压电复合柔性膜；所述发电载体中空，其上端和所述浮子可拆卸式地连接，下端和所述壳体固连；所述输送总管设置在发电载体内，一端封闭，另一端从发电载体穿入壳体后和所述存储箱的出口密闭相连；所述发电载体的侧壁上均匀设有若干释放孔，且释放孔均通过管道和所述输送总管联通，用于释放由压力泵驱动经中控软管输送至网笼的聚鱼素和饲料的混合物，以吸引
鱼群；所述若干压电复合柔性膜均设置在所述发电载体的外壁上，其中，压电复合柔性膜采用压电俘能器，呈板条状，一端和发电载体的外壁固连，另一端为自由端，且压电复合柔性膜固定的一端通过导线从发电载体内伸入所述壳体后穿出和所述可充放电电源相连，用于在受力弯曲时产生电能给所述可充放电电源充电。
5.作为本发明一种树形水下聚鱼发电装置进一步的优化方案，还包含信号接收器和控制模块；所述信号接收器用于接收外界无线电指令并将其传递给所述控制模块；所述控制模块分别和所述可充放电电源、信号接收器、升降单元、电磁阀、压力泵电气相连，用于根据接受的指令控制升降单元、电磁阀、压力泵、可充放电电源工作。
6.作为本发明一种树形水下聚鱼发电装置进一步的优化方案，所述发电载体为两端密闭的空心圆柱或空心正多棱柱。
7.作为本发明一种树形水下聚鱼发电装置进一步的优化方案，所述若干压电复合柔性膜形成m组发电单元，每组发电单元均包含n个压电复合柔性膜，m、n均为大于等于1的自然数；所述m组发电单元周向均匀设置在所述发电载体上，每组发电单元中的n个压电复合柔性膜沿发电载体轴线方向等距设置。
8.作为本发明一种树形水下聚鱼发电装置进一步的优化方案，m为大于1的偶数，第2i-1组发电单元中压电复合柔性膜和发电载体的固连处平行于所述发电载体的轴线，第2i组发电单元中压电复合柔性膜和发电载体的固连处垂直于所述主干线的轴线，i为大于等于1小于等于m/2的整数。
9.作为本发明一种树形水下聚鱼发电装置进一步的优化方案，所述发电载体采用仿生树树干的形状。
10.本发明还公开了一种该树形水下聚鱼发电装置的工作方法，包含以下过程：步骤1），初始状态时，可充放电电源有预置电量，电磁阀关闭，聚鱼素和饲料被密封在存储箱中；树形水下聚鱼发电装置水面以下沉降运动的过程中，压电复合柔性膜受到水向上的阻力向上弯曲变形时，由于正压电效应而产生电能输送至可充放电电源中存储，完成下降过程预充电；步骤2），树形水下聚鱼发电装置到达指定任务水深位置停留，信号接收器接收信号后，控制模块控制压力泵工作，并通过电磁阀控制聚鱼素和饲料的流量，实现间歇性释放、缓慢释放；聚鱼素和饲料使得鱼群在各压电复合柔性膜之间来回地、不断地移动，游动的鱼群周围产生的水流扰动使得悬臂式安装的压电复合柔性膜产生弯曲振动，此外，鱼体自身的摆动在游动过程中穿过不同的网面触碰到压电复合柔性膜、以及水下或水底的洋流和湍流扰动均使得悬臂式安装的压电复合柔性膜产生弯曲振动产生电能，进而进行存储。
11.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 本发明依照仿生树形结构，采用聚鱼素或信息素、饲料等更为轻便、经济的耗材，从水下或海洋自身环境中获取部分能量和资源并转化为电能，以增加有效载荷电源电池的续航能力；在利用水环境的同时又尽量减低发电装置对环境和生态的影响，尤其是对
鱼类的伤害小。
12.2. 本发明保留无缆式供电的基本特征，对比有缆式设备，其隐蔽性较强，有效载荷在执行任务时的可达范围更广，可控发电又能降低回收频率、延长单次连续执行任务的时间。此外，采用仿生树形的造型也能增强其隐蔽性。
13.3. 本发明提出的柱形 树状结构组成简单，其长度、大小和压电复合柔性膜的数量规模可根据有效载荷的大小和任务供电需求进行设计和定制，且便于嵌入或搭载于有效载荷上实施供电，有利于配合多有效载荷实施集群勘测或集群作战。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的剖视示意图；图3为本发明中压电复合柔性膜的发电原理示意图；图4为本发明中发电载体采用圆柱形时压电复合柔性膜的安装示意图；图5为本发明中发电载体采用仿生树树干形状时的结构示意图；图6为本发明在水下下沉过程中压电复合柔性膜的弯曲变形示意图。
15.图中，1-压电复合柔性膜，2-载荷模块，3-发电载体，4-浮子，5-释放孔，6-存储箱出口处的电磁阀，7-存储箱内聚鱼素和饲料的混合物，8-存储箱内的活塞，9-可充放电电源，10-信号接收器，11-控制模块，12-壳体，13-升降单元。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
17.本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例，且附图仅为示意图，为了清楚起见放大了组件，并非展示实际尺寸和比例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
18.如图1、图2所示，本发明公开了一种树形水下聚鱼发电装置，包括浮子、发电模块、载荷模块、信号接收器和控制模块；所述浮子用于提供浮力；所述载荷模块包含壳体、可充放电源、升降单元、存储箱和压力泵；所述可充放电源、升降单元、存储箱、压力泵均设置在所述壳体中；所述存储箱呈针管状，其内设有活塞，且其出口处设有电磁阀，用于存储聚鱼素和饲料的混合物；所述压力泵用于驱动所述存储箱内的活塞，在电磁阀打开时将聚鱼素和饲料的混合物从存储箱的出口处泵出；所述升降单元用于调节载荷模块的重量进而控制其上升或下沉；所述发电模块包含发电载体、输送总管和若干压电复合柔性膜；所述发电载体中空，其上端和所述浮子可拆卸式地连接，下端和所述壳体固连；所述输送总管设置在发电载体内，一端封闭，另一端从发电载体穿入壳体后和所述存储箱的出口密闭相连；所述发电载体的侧壁上均匀设有若干释放孔，且释放孔均通过管道和所述输送总
管联通，用于释放由压力泵驱动经中控软管输送至网笼的聚鱼素和饲料的混合物，以吸引鱼群；所述若干压电复合柔性膜均设置在所述发电载体的外壁上，其中，压电复合柔性膜采用压电俘能器，呈板条状，一端和发电载体的外壁固连，另一端为自由端，且压电复合柔性膜固定的一端通过导线从发电载体内伸入所述壳体后穿出和所述可充放电电源相连，用于在受力弯曲时产生电能给所述可充放电电源充电；所述信号接收器用于接收外界无线电指令并将其传递给所述控制模块；所述控制模块分别和所述可充放电电源、信号接收器、升降单元、电磁阀、压力泵电气相连，用于根据接受的指令控制升降单元、电磁阀、压力泵、可充放电电源工作。
19.压电复合柔性膜的发电原理如图3所示，压电复合柔性膜受到向下的外力扰动时将向下弯曲，压电薄膜跟随柔性基体板弯曲，在垂直于厚度方向上有伸长形变量，由于压电薄膜存在正压电效应（d
31
模式），该伸长变形会导致压电薄膜上下表面出现正负极性相反的电荷，即上表面呈正电荷、下表面呈负电荷，压电薄膜上下表面之间形成电场和电势差，该电能通过导线引出并经过电路整流后，可传输给载荷模块中的电源充电。同理，当压电复合柔性膜受到向上的外力扰动时，压电薄膜在垂直于厚度方向上有缩短形变量，该伸长变形会导致其上表面呈负电荷、下表面呈正电荷，因此也可达至发电的目的。所述发电载体可以采用两端密闭的空心圆柱或空心正多棱柱，若干压电复合柔性膜形成m组发电单元，每组发电单元均包含n个压电复合柔性膜，m为大于1的偶数，n为大于等于1的自然数；m组发电单元周向均匀设置在所述发电载体上，每组发电单元中的n个压电复合柔性膜沿发电载体轴线方向等距设置。第2i-1组发电单元中压电复合柔性膜和发电载体的固连处平行于所述发电载体的轴线，第2i组发电单元中压电复合柔性膜和发电载体的固连处垂直于所述主干线的轴线，i为大于等于1小于等于m/2的整数，如图4所示。
20.所述发电载体还可以采用仿生树树干的形状，如图5所示。
21.本发明公开了一种该树形水下聚鱼发电装置的工作方法，包含以下过程：步骤1），初始状态时，可充放电电源有预置电量，电磁阀关闭，聚鱼素和饲料被密封在存储箱中；树形水下聚鱼发电装置水面以下沉降运动的过程中，压电复合柔性膜受到水向上的阻力向上弯曲变形时，由于正压电效应而产生电能输送至可充放电电源中存储，如图6所示，完成下降过程预充电；步骤2），树形水下聚鱼发电装置到达指定任务水深位置停留，信号接收器接收信号后，控制模块控制压力泵工作，并通过电磁阀控制聚鱼素和饲料的流量，实现间歇性释放、缓慢释放；聚鱼素和饲料使得鱼群在各压电复合柔性膜之间来回地、不断地移动，游动的鱼群周围产生的水流扰动使得悬臂式安装的压电复合柔性膜产生弯曲振动，此外，鱼体自身的摆动在游动过程中穿过不同的网面触碰到压电复合柔性膜、以及水下或水底的洋流和湍流扰动均使得悬臂式安装的压电复合柔性膜产生弯曲振动产生电能，进而进行存储。
22.当装置中的聚鱼素和饲料释放耗尽或电源损耗到达需要检修的状态时，信号接收器和控制系统接收来自母船或岸上基地发出的无线电信号后，通过升降单元控制装置上升至水面，待完成回收检修或补充耗材后可重新下放。
23.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技
术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
24.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。