一种长续航自供能海洋监测浮标制造技术

本发明专利技术公开了一种长续航自供能海洋监测浮标，包括防水防腐密封外壳、供电模块、配重模块和仪器舱，所述的仪器舱、供电模块和配重模块从上到下依次安装在防水防腐密封外壳内；所述的仪器舱内安装蓄能电容器和用电设备。本发明专利技术仅通过机械固定即可保证相同相位电能输出，无需外接整流桥的波浪能采集摩擦纳米发电机，通过增加发电单元数量即可有效增加电能输出。本发明专利技术作为能源供给模块，集成在搭载海洋监测设备的浮标内部，通过并联集成增加发电单元数量，即可实现成倍地增加电能输出，从而实现对海洋监测设备的持续供电，符合当前可再生能源和海洋资源开发的需求，因此具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种长续航自供能海洋监测浮标
本专利技术属于摩擦纳米发电机波浪能采集利用与海洋监测
，特别是一种长续航自供能海洋监测浮标。
技术介绍
我国拥有广袤的海岸线并且海洋波浪能、洋流能能量密度大，海洋能源分布广泛，开发利用蓝色能源成为当下解决能源危机的重中之重。实现智慧海洋建设的一大难点是海洋领域的高复杂性致使海洋监测平台的供能与维护十分困难，因此利用波浪能发电技术给依附于浮标的海洋传感器供电是一种十分可行的技术方案。浮标是一种有效的海洋监测平台，其具有全天候、全天时稳定可靠的海洋环境数据收集能力，并能实现数据的自动采集和自动发送。环境、能源及人口压力加速了人类开发海洋的步伐，为了探明海洋气候、水文、渔业及矿产资源，以及海防安全的需要，在辽阔的海洋中人们布放了大量的海洋浮标等观测平台，这些观测平台的电力能源供给多数是以可充放或者一次性蓄电池，或者是通过太阳能发电。在复杂的海洋环境中对浮标进行电池更换需要很大的成本，太阳能发电受天气影响较大，因此上述供电形式都不具有连续性和可靠性。现有的波浪能采集摩擦纳米发电机存在多单元集成时各单元产生的交流电相位不同而抵消的问题，无法有效地通过增加发电单元数量而提高发电量，为传感器等用电器提供所需的电能供给；若采用增加整流桥的方式，则会造成电能损耗，同时增加连接电路的复杂性，增大了潜在的故障率。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术要设计一种长续航自供能海洋监测浮标，所搭载的波浪能发电单元无需整流桥即可实现同相位电能输出，从而实现增加发电单元数量即可增加整体发电量，为所搭载海洋监测传感器持续供电。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种长续航自供能海洋监测浮标，包括防水防腐密封外壳、供电模块、配重模块和仪器舱，所述的防水防腐密封外壳由密封筒和密封盖组成，所述的密封筒和密封盖密封连接；所述的仪器舱、供电模块和配重模块从上到下依次安装在防水防腐密封外壳内；所述的仪器舱内安装蓄能电容器和用电设备；所述的配重模块用于调节整个浮标的漂浮姿态；所述的用电设备包括传感器和数据传输模块；所述的供电模块由多个集成发电单元并联连接组成，所有集成发电单元的电极对均同向平行排布。多个集成发电单元并联连接并固定后分别与蓄能电容器和用电设备连接。构成供电模块的集成发电单元数量根据所需用电量和浮标大小进行调整；所述的集成发电单元包括绝缘外壳、电极支撑板和层间支架，所述的电极支撑板的上下表面均固定金属电极，即上表面固定上层金属电极、下表面固定下层金属电极；所述的层间支架内部放置介电材料球；所述的介电材料球位于上层金属电极和下层金属电极之间并与其滚动接触摩擦；所述的上层金属电极和下层金属电极分别连接输出导线并联连接；所述的电极支撑板上的上层金属电极和下层金属电极同向平行排布，集成发电单元内所有金属电极均同向平行排列，确保同相位电能输出；所述层间支架与电极支撑板固定，并交替堆叠，每层结构相同，整体封装后封入绝缘外壳内；所述的上层金属电极有两块、对称安装在电极支撑板的上侧面；所述的下层金属电极有两块、对称安装在电极支撑板的下侧面。进一步地，所述金属电极为金属材料薄膜，金属电极的外表面进行纳米处理，分别镀在电极支撑板的上侧面和下侧面。进一步地，所述电极支撑板采用绝缘材料制成，绝缘材料包括亚克力板、塑料或玻璃；所述的层间支架采用绝缘材料制成，绝缘材料包括3D打印PLA材料、塑料或亚克力。进一步地，所述介电材料球使用电负性强、得电子能力强的材料，包括PTFE、FEP、Kapton高分子聚合材料。介电材料球直径小于相邻两层电极支撑板之间的间距5mm。介电材料球在层间支架的空间填充率为25％-75％。进一步地，所述的集成发电单元的绝缘外壳采用绝缘材料制成，绝缘材料包括如亚克力板、塑料或玻璃。进一步地，所述的配重模块选用密度大的金属材料，包括铁或铅，通过调整配重模块的质量m1而调整浮标质量M，使浮标重心与浮心重合，保证浮标在海面漂浮时呈直立漂浮状态；浮标质量M包括配重模块质量m1、供电模块质量m2、仪器舱质量m3和防水防腐外壳质量m4。将四部分质量视为均匀分布质量体，以浮标底部圆心为原点建立坐标系，则浮标重心垂向坐标Zg为：M＝m1+m2+m3+m4式中，Zgn为对应各部分重心垂向坐标，n＝1、2、3、4，浮标重心G的坐标即为(0，0，Zg)。浮标整体浮心垂向坐标的计算如下：排水体积：式中，排水体积对基面的体积静矩：浮心垂向坐标：其中，r为防水防腐外壳半径，d为吃水深度，ZA为形心高度，因浮标内四部分质量视为均匀分布，因此形心高度ZA即为重心高度Zg。进一步地，所述的用电设备包括温度计、灯器、水质剖面仪、多普勒流速剖面仪、数据采集控制模块和数据采集控制模块。进一步地，所述的用电设备与自动开关串联。进一步地，所述的防水防腐密封外壳为圆筒形，所述的绝缘外壳为圆筒形；所述的集成发电单元有多个，在防水防腐密封外壳内均布。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：1、本专利技术所设计的基础发电单元无需整流桥，仅通过机械固定即可实现多发电单元同相位电能输出，简化连接电路，大幅提高功率输出密度，实现了增加基础发电单元即可有效提升电能输出。由于基础发电单元的独特设计，可实现无需整理，增加基础发电单元即可成倍增加电能输出的特性。2、和传统电磁发电机相比，本专利技术的摩擦纳米发电机在波浪能采集的优势有低频运动下具有较高的能量转化效率、对随机无规则的机械运动有更好的适应性；摩擦纳米发电机的输出电压与波浪运动频率无关，电流和功率都与波浪运动频率成正比，这就导致存在一个阈值频率(通常为5Hz)，使得相同尺寸的摩擦纳米发电机输出功率要高于电磁发电机，所以在低于5Hz的海洋波浪运动频率下，摩擦纳米发电机是最佳的选择。而普通的摩擦纳米发电机由于相位不同，多发电单元并联需要外接整流桥，这就会造成电能损耗，同时使连接电路变动更加复杂。3、本专利技术通过增加配重模块调节浮标的重心与浮心重合，使其拥有良好漂浮姿态。在每次海浪作用摇摆后，可以快速回中，使浮标内搭载的基础发电单元充分采集波浪能，并持续不断地将其转化为电能。4、本专利技术所设计的供电模块与仪器舱连接电路，不仅可以实现无需整流桥连接多个基础发电单元，还可以实现能量管理，将基础发电单元转化的电能存储，在需要时为仪器舱所搭载的各种监测传感器和无线通信模块供电，实现海洋波浪能即取即用，在复杂的海洋环境中自供能工作，不需要定期人工更换电池与保养维护，即可完成对目标海域长期监测工作。5、综上所述，本专利技术仅通过机械固定即可保证相同相位电能输出，无需外接整流桥的波浪能采集摩擦纳米发电机，通过增加发电单元数量即可有效增加电能输出。本专利技术作为能源供给模块，集成在搭载海洋监测设备的浮标内部，通过并联集成增加发电单元数量，即可实现成倍地增加电能输出，从而实现对海洋监测设备的持续供电，符合当前可再生能源和海洋资源开发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长续航自供能海洋监测浮标，其特征在于：包括防水防腐密封外壳、供电模块(3)、配重模块(4)和仪器舱(2)，所述的防水防腐密封外壳由密封筒(5)和密封盖(1)组成，所述的密封筒(5)和密封盖(1)密封连接；所述的仪器舱(2)、供电模块(3)和配重模块(4)从上到下依次安装在防水防腐密封外壳内；所述的仪器舱(2)内安装蓄能电容器(13)和用电设备(14)；所述的配重模块(4)用于调节整个浮标的漂浮姿态；所述的用电设备(14)包括传感器和数据传输模块；/n所述的供电模块(3)由多个集成发电单元(12)并联连接组成，所有集成发电单元(12)的电极对均同向平行排布；多个集成发电单元(12)并联连接并固定后分别与蓄能电容器(13)和用电设备(14)连接；构成供电模块(3)的集成发电单元(12)数量根据所需用电量和浮标大小进行调整；/n所述的集成发电单元(12)包括绝缘外壳(11)、电极支撑板(9)和层间支架(6)，所述的电极支撑板(9)的上下表面均固定金属电极，即上表面固定上层金属电极(7)、下表面固定下层金属电极(8)；所述的层间支架(6)内部放置介电材料球(10)；所述的介电材料球(10)位于上层金属电极(7)和下层金属电极(8)之间并与其滚动接触摩擦；所述的上层金属电极(7)和下层金属电极(8)分别连接输出导线并联连接；所述的电极支撑板(9)上的上层金属电极(7)和下层金属电极(8)同向平行排布，集成发电单元(12)内所有金属电极均同向平行排列，确保同相位电能输出；所述层间支架(6)与电极支撑板(9)固定，并交替堆叠，每层结构相同，整体封装后封入绝缘外壳(11)内；/n所述的上层金属电极(7)有两块、对称安装在电极支撑板(9)的上侧面；所述的下层金属电极(8)有两块、对称安装在电极支撑板(9)的下侧面。/n...

【技术特征摘要】
1.一种长续航自供能海洋监测浮标，其特征在于：包括防水防腐密封外壳、供电模块(3)、配重模块(4)和仪器舱(2)，所述的防水防腐密封外壳由密封筒(5)和密封盖(1)组成，所述的密封筒(5)和密封盖(1)密封连接；所述的仪器舱(2)、供电模块(3)和配重模块(4)从上到下依次安装在防水防腐密封外壳内；所述的仪器舱(2)内安装蓄能电容器(13)和用电设备(14)；所述的配重模块(4)用于调节整个浮标的漂浮姿态；所述的用电设备(14)包括传感器和数据传输模块；
所述的供电模块(3)由多个集成发电单元(12)并联连接组成，所有集成发电单元(12)的电极对均同向平行排布；多个集成发电单元(12)并联连接并固定后分别与蓄能电容器(13)和用电设备(14)连接；构成供电模块(3)的集成发电单元(12)数量根据所需用电量和浮标大小进行调整；
所述的集成发电单元(12)包括绝缘外壳(11)、电极支撑板(9)和层间支架(6)，所述的电极支撑板(9)的上下表面均固定金属电极，即上表面固定上层金属电极(7)、下表面固定下层金属电极(8)；所述的层间支架(6)内部放置介电材料球(10)；所述的介电材料球(10)位于上层金属电极(7)和下层金属电极(8)之间并与其滚动接触摩擦；所述的上层金属电极(7)和下层金属电极(8)分别连接输出导线并联连接；所述的电极支撑板(9)上的上层金属电极(7)和下层金属电极(8)同向平行排布，集成发电单元(12)内所有金属电极均同向平行排列，确保同相位电能输出；所述层间支架(6)与电极支撑板(9)固定，并交替堆叠，每层结构相同，整体封装后封入绝缘外壳(11)内；
所述的上层金属电极(7)有两块、对称安装在电极支撑板(9)的上侧面；所述的下层金属电极(8)有两块、对称安装在电极支撑板(9)的下侧面。


2.根据权利要求1所述的一种长续航自供能海洋监测浮标，其特征在于：所述金属电极为金属材料薄膜，金属电极的外表面进行纳米处理，分别镀在电极支撑板(9)的上侧面和下侧面。


3.根据权利要求1所述的一种长续航自供能海洋监测浮标，其特征在于：所述电极支撑板(9)采用绝缘材料制成，绝缘材料包括亚克力板、塑料或玻璃；所述的层间支架(6)采用绝缘材料制成，绝缘材料包括3D打印PLA材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敏义，董家乐，赵天聪，赵云鹏，范仲琪，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21