一种自发电式海上灯浮标的研制

引言

灯浮标作为一种目视水面助航标志,在船舶经济、安全的海上航行中发挥着重要作用。目前,海上灯浮标供电形式比较单一,最为常见的是太阳能和蓄电池一体式供电。本文充分考虑了海浪的资源,设计了一种新的浮标结构,能将波浪能转换为电能,实现海上灯浮标的自发电。

1研究的必要性

研究自发电式海上灯浮标最重要的目的是增加灯浮标能源,加大灯浮标储能,延长灯浮标的工作时间。海上灯浮标长期工作的瓶颈就是能源问题。海上灯浮标无光照持续工作时间应不少于20天,受天气影响,单独依靠太阳能发电实现较为困难。另外,随着船舶吃水和航速的不断加大,为保障航行安全,对航行区域尤其是近港区域,海况、气象、水文等各种信息需求越来越大,海上灯浮标作为搭载各种信息接收装置的平台具有很多优势,目前搜集信息装置、信息传输装置陆续在灯浮标上应用,但其面临的一个重要问题就是能源不足。目前,技术最成熟、应用最多的是太阳能发电和蓄电池储电结合,形成供电装置,但是受浮标尺寸影响,灯浮标上太阳能产能模块不能较好地满足需要。

利用自发电式海上灯浮标发电装置可以全天候,24h不间断产能,作为太阳能发电的有力补充,能够很好地解决海上灯浮标能源不足的重大问题,全面发挥海上灯浮标的助航效能。

2总体结构设计

自发电式海上灯浮标的整体结构如下:该装置由浮球、浮球连杆、浮标仓体、蓄电装置、太阳能发电板、指示灯以及雷达反射装置组成。如图1所示,每隔60°设置一个浮球,共设置六个浮球,两两一组在同一条直线上。浮球通过连杆与浮标仓体内的空间固定圆柱相连,浮球连杆与浮标仓体接触处设置槽口,浮标仓体下底有微小的锥度,中心留有一小孔,如大浪将水带入浮标仓体内部可以短时间将水排出。浮标仓体上方固定着上体支架,蓄电装置放置在支架体中下方位置,通过两条横向支撑板固定,支架上方设置太阳能发电板、指示灯以及雷达反射装置。浮标仓体底部通过锚固定的方式控制浮标所能移动的范围。

其中,浮球连杆与仓体内的空间固定圆柱连接方式如图2所示。

如图3所示,仓体内部涵盖了升降机构、空间固定圆柱、棘轮机构、电机及联轴器等构件。其中升降机构与浮球连杆固接,升降杆连接着固定轴①,固定轴①通过两端固定圆盘与浮标仓体本身固接,升降机构上方连着两根中间连杆,连杆与棘轮机构相连接,棘轮机构与固定轴②相连接,固定轴③通过联轴器与发电机相连。

3工作原理

当灯浮标装置置于水上时,六个浮球呈星形分布在海面上,海面的波浪起伏会导致浮球连杆上下晃动,升降机构的长方体固定块固接在浮球连杆上,当浮球连杆往上运动时会带动升降机构向上运动,两侧中间连杆与升降机构固接,升降机构上升通过中间连接杆带动棘轮摆杆顺时针转动,棘爪运动一个角度,当浮球连杆往下运动时,通过一系列的传动最后使棘爪带动棘轮转动,棘轮转动通过反置的减速机增速后带动发电机发电。同时,本装置还保留了太阳能板发电,两者互补,能够给浮标提供足够的电能。

本设计选用了小型永磁发电机,因此,即使海浪较小时,只要有浮球中的一组在上下浮动,即可带动发电机工作。太阳能板在晴天可以为蓄电装置提供一定的电能,在太阳能板与蓄电装置之间设置控制电路,当蓄电装置的电量达到一定的数值时,停止对蓄电装置供电:当电量低于一个标准值时,继续对蓄电装置供电,以有效避免缩短电池的寿命。在我国大部分区域尤其是长江中下游区域的海面,以前在梅雨季节,太阳能发电往往并不能产生良好的效果,而此装置在梅雨季节来临时也可使蓄电装置保持良好的储电量。

4结语

本文所述装置利用星形分布的六个浮球解决了海上灯浮标的能源问题,通过浮球连杆的上下运动带动棘轮转动,从而使波浪能转换为电能,基本保证了浮标在海面上所需用电量。该装置既可应用于助航浮标,也能较好地应用在气象观测浮标中,具有较好的应用前景。