本發(fā)明涉及一種定向海洋監(jiān)測浮標能量收集系統(tǒng)，在最高四級海況的工作環(huán)境下，它可以捕獲并儲存浮標自身在海面上搖擺運動時的能量，將其作為浮標內部的儲備能源，在需要時將儲存的能量用于浮標的定向控制中。

背景技術：

定向海洋監(jiān)測浮標是一種固定方位角式的海洋監(jiān)測浮標，需要將浮標的朝向限制在一定范圍內，從而實現與母船或衛(wèi)星的通信功能。浮標長時間持續(xù)在海洋中工作時，由于受到海上風浪影響，導致浮標的朝向容易發(fā)生偏轉，因此需要不斷消耗浮標內部能源，對浮標朝向不斷進行修正。目前海上浮標大多采用蓄電池供電的方法來維持浮標的日常工作，不斷消耗蓄電池能量來修正浮標朝向會導致浮標正常工作時間縮短，此外由于浮標投放位置距海岸或母船較遠且工作地點不固定，因此在電池內電量耗盡后為蓄電池充電或換電池操作復雜，成本高昂。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種定向海洋監(jiān)測浮標能量收集系統(tǒng)，是針對定向海洋監(jiān)測浮標修正朝向時能源消耗過大的問題，設計的一套能量收集系統(tǒng)，可以持續(xù)捕獲浮標在周期性搖擺過程中產生的動能，并將這部分的能量儲存在浮標內部。當浮標體由于外界海風和海浪影響，朝向發(fā)生偏轉超出設定范圍時，可以將儲存的能量釋放出來，為浮標的轉向提供動力來源，有效減緩蓄電池能量的消耗速度，增加浮標的正常工作時間。

本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是：

一種定向海洋監(jiān)測浮標能量收集系統(tǒng)，包括浮標水艙結構、底部能量捕獲裝置和能量儲存液壓回路；所述的底部能量捕獲裝置設置于浮標水艙結構底部，包括擺板部件，能量儲存液壓回路包括液壓缸和液壓蓄能機構，當浮標在海面上搖晃帶動浮標水艙結構內的海水運動時，海水沖擊水艙底部的擺板部件，通過擺板部件的擺動帶動液壓缸伸縮，通過液壓回路將能量儲存在液壓蓄能機構中。

所述的浮標水艙結構包括浮標體外壁、浮標體內壁、徑向艙壁和第一水艙底板，浮標體內壁將浮標內部分隔為上下兩個腔體，下腔體外壁上設有進水孔，下腔體內設有第一水艙底板，浮標體外壁、浮標體內壁及第一水艙底板形成的空間構成水艙，徑向艙壁有若干塊，將水艙沿周向等分，徑向艙壁底端與第一水艙底板連接，上端高于水艙內的水面。

作為優(yōu)選，所述的浮標體內壁中部向下凹陷，其下凹底端距第一水艙底板距離為1米左右。

所述的徑向艙壁共八塊，所述的擺板部件為八葉擺板，八葉擺板位于浮標體內壁底部與第一水艙底板之間，它的八個葉片分別與八塊徑向艙壁對齊，兩者之間通過柔性導流材料連接，且每塊柔性導流材料均與第一水艙底板相連接；在第一水艙底板下方還設置有第二水艙底板，第二水艙底板中部設置一個萬向節(jié)底座，并環(huán)繞設置有四個均勻對稱分布的液壓缸，四個液壓缸一端與第二水艙底板間通過第二萬向節(jié)連接，另一端穿過第一水艙底板與八葉擺板間通過第一萬向節(jié)連接，萬向節(jié)底座穿過第一水艙底板與八葉擺板底部通過萬向節(jié)連接；八葉擺板在搖擺運動過程中，柔性導流材料始終處于松弛狀態(tài)，不對八葉擺板的運動產生限制。所述的柔性導流材料可以采用具有高強度、耐沖擊、耐腐蝕等特性的滌綸材料來實現。

上述四只液壓缸中相對稱的兩只為一組，對每一組液壓缸，其液壓回路包括該組中兩只液壓缸：第一液壓缸和第二液壓缸、油缸、第一單向閥、第二單向閥、第三單向閥、第四單向閥、液壓儲能機構、一個二位二通電磁閥、浮標轉向執(zhí)行機構和溢流閥；所述的第一單向閥的進口與第四單向閥的進口連接油缸，第一單向閥的出口、第二單向閥的進口均與第一液壓缸的無桿腔相連，第四單向閥的出口、第三單向閥的進口與第二液壓缸的無桿腔連接，第二單向閥的出口和第三單向閥的出口均與液壓儲能機構相連，所述的二位二通電磁閥一端與液壓儲能機構相連，另一端與浮標轉向執(zhí)行機構連接，在液壓儲能機構與油缸之間設置有溢流閥。

本發(fā)明的技術方案中，通過設置徑向艙壁使在浮標搖擺過程中艙內海水必須流經艙室底部，避免海水沿艙室的周向流動。浮標水艙結構內部大部分區(qū)域為海水，內壁上部區(qū)域則為密閉空氣。在水艙內設有柔性導流材料，柔性材料底端與水艙底部相連，兩端分別與徑向艙壁和擺板葉片相連，僅在八葉擺板上端與內壁底部之間留有空隙，這樣設置可以迫使水流沖擊擺板，以提高水流效率。

八葉擺板固接在萬向節(jié)底座上，僅保留繞水平面上x軸、y軸旋轉兩個自由度。

液壓缸的伸縮運動不斷將液壓油打入液壓回路中，通過第二單向閥和第三單向閥將這部分能量儲存在液壓蓄能機構內部。當浮標需要執(zhí)行回轉操作時，二位二通電磁閥打開，將液壓油從蓄能機構中釋放，帶動轉向執(zhí)行機構動作。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的定向海洋監(jiān)測浮標能量收集系統(tǒng)在最高四級海況的工作環(huán)境下，可以捕獲并儲存平臺自身在海面上搖擺運動時的能量，將其作為浮標內部的儲備能源，應用于浮標的定向控制中。相較以往的海洋監(jiān)測浮標，該定向海洋監(jiān)測浮標具有更長的工作壽命，減緩了浮標蓄電池能量耗盡在海上頻繁更換電池的不便。從而使得浮標能夠更好地為海洋科學研究、海上石油(氣)開發(fā)、港口建設和國防建設收集所需的海洋水文氣象資料。

附圖說明

圖1是定向海洋監(jiān)測浮標剖面正視圖；

圖2是定向海洋監(jiān)測浮標水艙橫截面俯視圖；

圖3是定向海洋監(jiān)測浮標底部能量捕獲裝置俯視圖；

圖4是定向海洋監(jiān)測浮標底部能量捕獲裝置正視圖；

圖5是定向海洋監(jiān)測浮標能量儲存液壓回路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

如圖1-圖5所示，本發(fā)明的定向海洋監(jiān)測浮標能量收集系統(tǒng)，包括浮標水艙結構，底部能量捕獲裝置和能量儲存液壓回路。其原理是：浮標在海面上受風浪影響產生晃動時，浮標水艙2內海水會隨之搖晃。海水沿水艙徑向艙壁4結構流向艙底，對底部的八葉擺板7產生沖擊。通過八葉擺板7的擺動，帶動與擺板相連的液壓缸9、12伸縮，最終通過能量儲存液壓回路將能量儲存在液壓蓄能機構16中。

如圖1和圖2所示，所述的浮標水艙結構包括浮標體外壁1，浮標內壁3，水艙2，徑向艙壁4，第一水艙底板5和第二水艙底板6。浮標內壁3將浮標內部分為上下兩個區(qū)域，上部為浮標電子元器件的工作區(qū)域，下部為浮標能量收集區(qū)域。徑向艙壁4共有八塊，將浮標下部的水艙2沿周向八等分，徑向艙壁4底端與第一水艙底板5連接，上端高出水面。浮標體內壁3與外壁1間通過徑向艙壁4連接。這樣設置的目的是為了使浮標在海面上搖晃過程中，隔斷浮標水艙2內的海水繞水艙2周向的流動，迫使海水流向水艙2底部。浮標內壁3底端與第一水艙底板5之間距離約為1米，兩者之間的位置設置八葉擺板7。

如圖3所示，八葉擺板7位于水艙2底部的中心位置，擺板的8個葉片分別與8塊徑向艙壁4對齊，葉片和艙壁之間通過柔性導流材料11相連接。

如圖4所示，八葉擺板7底部的中心與萬向節(jié)底座10固接，從而約束了八葉擺板7的位移，僅具有繞水平面上x軸和y軸兩個方向旋轉的自由度。八葉擺板7底部外側與兩個液壓缸組通過第一萬向節(jié)8相連，液壓缸另一端通過第二萬向節(jié)13與第二水艙底板6連接，每個液壓缸組內有第一液壓缸9和第二液壓缸12。兩個液壓缸對稱分布在八葉擺板7的兩側，八葉擺板7下方共設有4個液壓缸。當八葉擺板7受海水沖擊產生擺動時，與擺板相連的液壓缸也隨之伸長或縮短。第一水艙底板5表面設有5個圓孔，其作用是使得萬向節(jié)底座10與4個液壓缸能穿過第一水艙底板5與第二水艙底板6相連接，并且不干涉液壓缸和萬向節(jié)底座10的運動。同時，第一水艙底板5的設置約束了八葉擺板7的運動空間，防止其在搖擺過程中幅度過大，導致結構失穩(wěn)。在徑向艙壁4和八葉擺板7之間，通過柔性導流材料11相連，此外，柔性導流材料11的底端還與第一水艙底板5連接。八葉擺板7在運動過程中，柔性導流材料11始終處于松弛狀態(tài)，不會對八葉擺板7的擺動產生約束。柔性導流材料11的設置阻斷了水流從八葉擺板7底部和側面流動的通道，它和第一水艙底板5的設置有效抑制了水流在八葉擺板7下方和側面的無效流動，迫使水流朝八葉擺板7上方流動，沖擊擺板的上端，增大水流沖擊對八葉擺板7產生的力矩，從而更有利于八葉擺板7的擺動，提高整個捕能裝置的捕能效率。

如圖5所示為定向海洋監(jiān)測浮標能量收集系統(tǒng)的能量儲存液壓回路。以一個液壓缸組為例，其液壓回路包括第一液壓缸9，第二液壓缸12，一個液壓儲能機構16，第一單向閥14、第二單向閥15、第三單向閥17、第四單向閥18，一個二位二通電磁閥20，浮標轉向執(zhí)行機構21，溢流閥19和油缸22。第一液壓缸9由于八葉擺板7的擺動，活塞向有桿腔一側運動，以此為例。有桿腔一側的油液經第二單向閥15流向液壓儲能機構16，無桿腔一側通過油缸22補充油液。此時二位二通電磁閥20處于常斷狀態(tài)。當液壓儲能機構16內油量達到最大儲存量時，將此時液壓儲能機構16端口的壓強設為溢流閥19開啟的壓強，之后流入的油液將直接經過溢流閥19流入油缸22中。當浮標需要執(zhí)行回轉命令時，將二位二通電磁閥20轉換至流通狀態(tài)，從而使液壓儲能機構16內的高壓油液能夠流入浮標轉向執(zhí)行機構21內，帶動機構運動。