引言

燈浮標(biāo)作為一種目視水面助航標(biāo)志,在船舶經(jīng)濟(jì)、安全的海上航行中發(fā)揮著重要作用。目前,海上燈浮標(biāo)供電形式比較單一,最為常見的是太陽能和蓄電池一體式供電。本文充分考慮了海浪的資源,設(shè)計了一種新的浮標(biāo)結(jié)構(gòu),能將波浪能轉(zhuǎn)換為電能,實現(xiàn)海上燈浮標(biāo)的自發(fā)電。

1研究的必要性

研究自發(fā)電式海上燈浮標(biāo)最重要的目的是增加燈浮標(biāo)能源,加大燈浮標(biāo)儲能,延長燈浮標(biāo)的工作時間。海上燈浮標(biāo)長期工作的瓶頸就是能源問題。海上燈浮標(biāo)無光照持續(xù)工作時間應(yīng)不少于20天,受天氣影響,單獨依靠太陽能發(fā)電實現(xiàn)較為困難。另外,隨著船舶吃水和航速的不斷加大,為保障航行安全,對航行區(qū)域尤其是近港區(qū)域,海況、氣象、水文等各種信息需求越來越大,海上燈浮標(biāo)作為搭載各種信息接收裝置的平臺具有很多優(yōu)勢,目前搜集信息裝置、信息傳輸裝置陸續(xù)在燈浮標(biāo)上應(yīng)用,但其面臨的一個重要問題就是能源不足。目前,技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多的是太陽能發(fā)電和蓄電池儲電結(jié)合,形成供電裝置,但是受浮標(biāo)尺寸影響,燈浮標(biāo)上太陽能產(chǎn)能模塊不能較好地滿足需要。

利用自發(fā)電式海上燈浮標(biāo)發(fā)電裝置可以全天候,24h不間斷產(chǎn)能,作為太陽能發(fā)電的有力補充,能夠很好地解決海上燈浮標(biāo)能源不足的重大問題,全面發(fā)揮海上燈浮標(biāo)的助航效能。

2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自發(fā)電式海上燈浮標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)如下:該裝置由浮球、浮球連桿、浮標(biāo)倉體、蓄電裝置、太陽能發(fā)電板、指示燈以及雷達(dá)反射裝置組成。如圖1所示,每隔60°設(shè)置一個浮球,共設(shè)置六個浮球,兩兩一組在同一條直線上。浮球通過連桿與浮標(biāo)倉體內(nèi)的空間固定圓柱相連,浮球連桿與浮標(biāo)倉體接觸處設(shè)置槽口,浮標(biāo)倉體下底有微小的錐度,中心留有一小孔,如大浪將水帶入浮標(biāo)倉體內(nèi)部可以短時間將水排出。浮標(biāo)倉體上方固定著上體支架,蓄電裝置放置在支架體中下方位置,通過兩條橫向支撐板固定,支架上方設(shè)置太陽能發(fā)電板、指示燈以及雷達(dá)反射裝置。浮標(biāo)倉體底部通過錨固定的方式控制浮標(biāo)所能移動的范圍。

其中,浮球連桿與倉體內(nèi)的空間固定圓柱連接方式如圖2所示。

如圖3所示,倉體內(nèi)部涵蓋了升降機構(gòu)、空間固定圓柱、棘輪機構(gòu)、電機及聯(lián)軸器等構(gòu)件。其中升降機構(gòu)與浮球連桿固接,升降桿連接著固定軸①,固定軸①通過兩端固定圓盤與浮標(biāo)倉體本身固接,升降機構(gòu)上方連著兩根中間連桿,連桿與棘輪機構(gòu)相連接,棘輪機構(gòu)與固定軸②相連接,固定軸③通過聯(lián)軸器與發(fā)電機相連。

3工作原理

當(dāng)燈浮標(biāo)裝置置于水上時,六個浮球呈星形分布在海面上,海面的波浪起伏會導(dǎo)致浮球連桿上下晃動,升降機構(gòu)的長方體固定塊固接在浮球連桿上,當(dāng)浮球連桿往上運動時會帶動升降機構(gòu)向上運動,兩側(cè)中間連桿與升降機構(gòu)固接,升降機構(gòu)上升通過中間連接桿帶動棘輪擺桿順時針轉(zhuǎn)動,棘爪運動一個角度,當(dāng)浮球連桿往下運動時,通過一系列的傳動最后使棘爪帶動棘輪轉(zhuǎn)動,棘輪轉(zhuǎn)動通過反置的減速機增速后帶動發(fā)電機發(fā)電。同時,本裝置還保留了太陽能板發(fā)電,兩者互補,能夠給浮標(biāo)提供足夠的電能。

本設(shè)計選用了小型永磁發(fā)電機,因此,即使海浪較小時,只要有浮球中的一組在上下浮動,即可帶動發(fā)電機工作。太陽能板在晴天可以為蓄電裝置提供一定的電能,在太陽能板與蓄電裝置之間設(shè)置控制電路,當(dāng)蓄電裝置的電量達(dá)到一定的數(shù)值時,停止對蓄電裝置供電:當(dāng)電量低于一個標(biāo)準(zhǔn)值時,繼續(xù)對蓄電裝置供電,以有效避免縮短電池的壽命。在我國大部分區(qū)域尤其是長江中下游區(qū)域的海面,以前在梅雨季節(jié),太陽能發(fā)電往往并不能產(chǎn)生良好的效果,而此裝置在梅雨季節(jié)來臨時也可使蓄電裝置保持良好的儲電量。

4結(jié)語

本文所述裝置利用星形分布的六個浮球解決了海上燈浮標(biāo)的能源問題,通過浮球連桿的上下運動帶動棘輪轉(zhuǎn)動,從而使波浪能轉(zhuǎn)換為電能,基本保證了浮標(biāo)在海面上所需用電量。該裝置既可應(yīng)用于助航浮標(biāo),也能較好地應(yīng)用在氣象觀測浮標(biāo)中,具有較好的應(yīng)用前景。