全自動機械手表原理式自發(fā)電海洋浮標(biāo)

王少哲 楊旭 陳俊杰

摘要 海洋浮標(biāo)是以錨定在海上的觀測浮標(biāo)為主體組成的海洋水文氣象自動觀測站，作為一種新興的現(xiàn)代化海洋監(jiān)測技術(shù)，海洋浮標(biāo)可在惡劣的海洋環(huán)境條件下工作，對海洋環(huán)境進行自動、長期、連續(xù)監(jiān)測。有助于災(zāi)難預(yù)警，海洋資源探測等，對沿海國家的發(fā)展及安全防范具有重要意義。因此受到世界各國的極大重視和大力發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]海洋浮標(biāo) 波浪能發(fā)電 全自動機械手表

1 引言

能源危機問題備受關(guān)注，波浪能作為一種清潔的可再生能源，具有巨大的開發(fā)前景。對于在海面上長期工作且耗電的海洋浮標(biāo)來說，如何更好的利用波浪能，能節(jié)省一大筆人力物力。本作品針對現(xiàn)有海洋浮標(biāo)耗電量大，但補給困難的問題，設(shè)計了一種機械手表原理式自發(fā)電海洋浮標(biāo)，與以往自供能海洋浮標(biāo)相比，本作品具有更好的發(fā)電效益，以及穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)。通過自動陀、齒輪傳動機構(gòu)、擒縱機構(gòu)、發(fā)條、小型電機等配合構(gòu)建，實現(xiàn)全波浪，全天候發(fā)電，無水中活動部件，抗風(fēng)抗浪性能好，損壞率低，大大增強了海洋浮標(biāo)的持續(xù)性作業(yè)能力。

2 自供能海洋浮標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的自發(fā)電式海洋浮標(biāo)，其方式主要為太陽能發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電。雖然這兩種發(fā)電方式技術(shù)較為成熟，但這兩種方法在海洋浮標(biāo)上應(yīng)用有較多缺陷

（1）風(fēng)力發(fā)電受天氣影響較大，無風(fēng)無法發(fā)電;風(fēng)力過大時易導(dǎo)致海洋浮標(biāo)不穩(wěn)定，并可能出現(xiàn)發(fā)電機過速而燒毀電機的現(xiàn)象，嚴重時會損壞浮標(biāo)，存在一定安全隱患;

（2）太陽能發(fā)電能量密度低，但海洋浮標(biāo)空間有限，太陽能電池板占地面積過大，且受天氣影響較大。

波浪能是一種新興的可再生資源，因其能流密度大，蘊藏著豐富的能源，可再生功率約為10億KW。對比太陽能與風(fēng)能，波浪能更加貼近于海洋浮標(biāo)的能量來源。目前已有幾種波浪能發(fā)電方式，其優(yōu)缺點如表1所示。

目前已有的幾種波浪能發(fā)電方式，都有其局限性，且只有浮子式能應(yīng)用于海洋浮標(biāo)，且有致命缺陷。因此我們設(shè)計了一種新型海洋浮標(biāo)，與以往浮標(biāo)相比具有以下優(yōu)點

（1）發(fā)電部分借鑒機械手表結(jié)構(gòu)，利用自動陀的擺動帶動齒輪傳動機構(gòu)，實現(xiàn)全波浪輸出，進行發(fā)條儲能;

（2）整體結(jié)構(gòu)緊密，沒有水中活動部件，有利于抗臺風(fēng)，減小損壞率;

（3）擒總機構(gòu)穩(wěn)定輸出，將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的能量輸出，以獲得最佳的發(fā)電效率。

3 總體方案設(shè)計

本作品主要是設(shè)計了一種新型自發(fā)電海洋浮標(biāo)，主要設(shè)計方面在于浮標(biāo)的

供能裝置，改變浮標(biāo)的獲取能量方式，其他方面與現(xiàn)有海洋浮標(biāo)無明顯差異，具有相同的海洋監(jiān)測能力，但具有更好的續(xù)航能力。在不改變原設(shè)備整體布局和不影響傳感器正常工作的情況下，將發(fā)電裝置融合于原浮標(biāo)浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)，裝置的傳動機構(gòu)與原浮標(biāo)其他機構(gòu)互不干涉，在實現(xiàn)能量收集，能量傳動的同時盡可能減少傳動級數(shù)，以減少齒輪摩擦帶來的能量損耗。本裝置可分為儲能模塊、傳動模塊以及穩(wěn)定釋能模塊，發(fā)電裝置整體圖如圖1所示。

3.1 集能模塊

本裝置采用類似機械手表原理式的集能方式，當(dāng)浮標(biāo)隨海浪波動時，自動陀繞軸心轉(zhuǎn)動，帶動齒輪為發(fā)條儲能。自動陀是一種重心偏移的慣性元件，可通過螺絲固定在機芯中間的自動陀軸上面。如圖2所示，金黃色部分就是自動陀的邊緣金屬，密度較大，具有很大的重量，形成了偏心結(jié)構(gòu)，當(dāng)整體有輕微波動時，自動陀即可帶動軸心轉(zhuǎn)動，進行能量收集。

此外，本模塊還包含全方位集能設(shè)計。如圖所示當(dāng)自動陀帶動軸轉(zhuǎn)動時，齒輪1也被帶動，假如為逆時針轉(zhuǎn)向，則齒輪2與齒輪3皆為順時針轉(zhuǎn)向，而齒輪4與齒輪5中間裝有單向軸承，4中為順時針單向軸承，5中為逆時針單向軸承。因齒輪2為順時針轉(zhuǎn)向，無法帶動5的轉(zhuǎn)動，只有齒輪3帶動齒輪4順時針轉(zhuǎn)動，從而帶動傳動齒輪6的逆時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)自動陀逆時針轉(zhuǎn)動時，同理.只有齒輪2能帶動齒輪5的逆時針轉(zhuǎn)動，從而帶動齒輪6的逆時針轉(zhuǎn)動，這樣保證了無論自動陀如何轉(zhuǎn)動，都能帶動傳動機構(gòu)的單向傳動，為發(fā)條儲能，大大增加能量的利用率。如圖3，4所示，為自動陀順時針，逆時針偏轉(zhuǎn)時的傳動情況。

3.2 傳動模塊

傳動模塊主要包括齒輪機構(gòu)的設(shè)計及配合，選取合適的參數(shù)，以達到合適的傳動比，及儲能所需的轉(zhuǎn)速及扭矩，保證自動陀傳遞給發(fā)條能量的最大化，并且在保證功能的同時，盡量減少齒輪傳動級數(shù)，以減小摩擦帶來的能量損失。

3.3 儲能模塊

儲能模塊的設(shè)計包括發(fā)條模塊以及傳動機構(gòu)的設(shè)計，目的是將浮標(biāo)波動的能量儲存起來，以供發(fā)電使用。

同時，根據(jù)本裝置發(fā)電所需的轉(zhuǎn)速，扭矩等條件，設(shè)計了與本裝置相配合的發(fā)條儲能單元，其參數(shù)如表2所示，發(fā)條的內(nèi)圈與芯軸相連，芯軸中含有單向軸承，防止發(fā)條在儲能后自行釋放能量，其中發(fā)條與內(nèi)端及外殼的連接方式。

3.4 穩(wěn)定釋能模塊

將發(fā)條中的能量轉(zhuǎn)換為電能是本裝置最為關(guān)鍵的部分，發(fā)電機是轉(zhuǎn)換裝置，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，但發(fā)電機有對轉(zhuǎn)速有著嚴苛的要求，要能保持均勻的轉(zhuǎn)速，但如果光以發(fā)條輸出能量，因為發(fā)條越緊力越大，發(fā)條越松力越小，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是不穩(wěn)定的，很難帶動發(fā)電機完成機械能.電能的轉(zhuǎn)換。因此本裝置添加了擒縱機構(gòu)，以保證發(fā)條中彈性勢能的穩(wěn)定輸出。擒縱機構(gòu)的各個部分如圖5所示，游絲決定著擒縱叉的擺動頻率，而擒縱叉控制著擒縱輪的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，擒縱輪與發(fā)條同軸，這樣整個擒縱機構(gòu)就控制著發(fā)條的穩(wěn)定輸出，可調(diào)控游絲以獲得相應(yīng)的頻率。

4 應(yīng)用前景

本裝置所設(shè)計的基于機械手表原理的自發(fā)電海洋浮標(biāo)只是針對現(xiàn)有浮標(biāo)的供能部分進行改進，并未對原有結(jié)構(gòu)造成阻礙，更不會影響原有功能的實現(xiàn)。與現(xiàn)有發(fā)電方式相比，本作品通過自動陀，齒輪機構(gòu)，單向軸承，擒縱機構(gòu)，小型發(fā)電機等結(jié)合，實現(xiàn)全波浪，全天候發(fā)電，并且無水中活動部件，浮標(biāo)整體穩(wěn)定性能好，可抗臺風(fēng)級較大海浪，損壞率較低，大大增加了浮標(biāo)的持續(xù)作業(yè)能力并提高其續(xù)航性。因此本作品可以較好地替代現(xiàn)有海洋浮標(biāo)，應(yīng)用與各個海域的海洋氣象監(jiān)測等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]曹維峰，本刊資料庫.機械手表的原動系統(tǒng)[J]，鐘表，2013 （02）： 76-80.

[2]曹維峰，機械手表的擺輪游絲系統(tǒng)[J]，鐘表，2014 （01）： 84-87.

[3]戴洪磊，牟乃夏，王春玉，田茂義，我國海洋浮標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].氣象水文海洋儀器，2014，31 （02）：118-121+125.

[4]宋保維，丁文俊，毛昭勇.基于波浪能的海洋浮標(biāo)發(fā)電系統(tǒng)[J].機械工程學(xué)報，2012， 48 （12）：139-143.

[5]茅健，傅裕.機械手表擒縱機構(gòu)動力學(xué)分析與仿真[J]，機械科學(xué)與技術(shù)，2011，30 （09）：1561-1564+1568.