基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统的制作方法

1.本发明属于深海观测技术领域，特别涉及基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统。


背景技术：

2.海洋尤其是深海的探索开发，依赖于海洋科学技术的发展。而任何海洋科学观点的产生、海洋学科的发展，都必须以可靠的观测数据为基础。水下自主航行器是新型的海洋环境移动观测设备，它拥有自主的动力和导航系统，可以装载各种传感器，对海洋环境进行动态、立体的观测。但是受到电池容量的限制，水下自主航行器的运行范围和工作时间很有限，需要船基回收站进行能量的补充，这大大限制了水下自主航行器的观测的范围，也极大的增加的观测成本。海洋浮标潜标也是一种重要的海洋观测设备，同样是由于电池容量的限制，其运行周期小于60天，不能长时间观测海洋数据。
3.同时深海的流速较低，其流速在0.1m/s到0.5m/s之间，升力型水平轴海流轮机的启动流速普遍超过0.7m/s，额定流速同样超过2m/s，不能在深海低流速的环境下启动。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，以解决不能长时间深海观测，以及深海低流速下无法启动的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，包括悬浮式海流能发电装置、深海基站和水下自主航行器；悬浮式海流能发电装置连接深海基站，深海基站用于给水下自主航行器供能；
7.悬浮式海流能发电装置包括上浮体、支撑装置、耐压外壳、高实度螺旋叶片水轮机、磁传动装置、发电机、储能装置和下部配重块；支撑装置安装在耐压外壳上，上浮体设置在支撑装置顶部，下部配重块安装在耐压外壳的底部；高实度螺旋叶片水轮机的一端通过磁传动装置安装在耐压外壳上；高实度螺旋叶片水轮机的另一端连接在支撑装置上；磁传动装置和发电机均设置在耐压外壳内部，磁传动装置连接发电机，发电机连接储能装置。
8.进一步的，实度螺旋叶片水轮机通过磁悬浮旋转支撑装置安装在支撑装置上。
9.进一步的，磁悬浮旋转支撑装置包括支撑装置外壳、外部被动式永磁磁悬浮轴承、内部被动式永磁磁悬浮轴承和陀尖；外部被动式永磁磁悬浮轴承嵌套于支撑装置外壳内部，内部被动式永磁磁悬浮轴承安装在陀尖的外部；外部被动式永磁磁悬浮轴承和内部被动式永磁磁悬浮轴承的充磁方式为辐射充磁；被动式永磁磁悬浮轴承的内环通过陀尖与高实度螺旋叶片水轮机的中心轴端部相连，被动式永磁磁悬浮轴承的外环安装在支撑装置外壳和支撑装置连接。
10.进一步的，高实度螺旋叶片水轮机通过换向装置和磁传动装置同轴连接。
11.进一步的，磁传动装置包括上部分和下部分，上部分安装在耐压外壳外侧和换向
装置连接，下部分安装在耐压外壳内侧；上部分和下部分上均设置有若干中心对称安装的永磁体，且永磁体的磁极安装方向和相邻的永磁体安装方向相反。
12.进一步的，磁传动装置的下部分通过传动装置连接发电机，传动装置包括主动轮、皮带和从动轮，传动装置的主动轮和从动轮分别设置在磁传动装置的下部分和发电机的底部，且主动轮通过皮带和从动轮相连。
13.进一步的，储能装置通过水下电缆连接深海基站。
14.进一步的，深海基站包括耐压外壳、控制及储能装置、传感器系统和无线充电及接驳装置；无线充电及接驳装置和传感器系统安装在耐压外壳侧面，控制及储能装置安装在耐压壳体内，控制及储能装置为无线充电及接驳装置和传感器系统提供电能。
15.进一步的，水下自主航行器包括水下自主航行器主体、无线充电装置、观测系统和鱼鳍状天线；无线充电装置安装在水下自主航行器主体的头部，观测系统和鱼鳍状天线安装在水下自主航行器主体上部。
16.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
17.本发明设计了一种离网式深海观测系统，这种观测集群由水下自主航行器，深海基站组成和悬浮系统组成。所述的悬浮系统利用高实度螺旋叶片水轮机转化深海的海流能，同时可以将电能转化成自身的化学能储藏在自身的电池中，给深海基站搭载的各项观测设备供电，也可以通过无线供电装置给水下自主航行器供电。利用本发明可在不接受任何船基能量补给和岸基能量补给的情况下持续观测海洋能源。
18.为解决低流速轮机启动问题本发明提出来一种基于高实度螺旋叶片的海流能水轮机，在解决低速启动问题的同时，也可以高效转化深海中的海流能。
19.本发明的悬浮系统，使其可以距离海底较远的距离，避免海底地形和对海流能水轮机的影响。悬浮系统具有一套被动式转矩平衡装置，通过上浮体产生浮力，下部配重块产生重力。当有海流经过悬浮式海流能发电系统，高实度螺旋叶片水轮机由静止开始旋转。悬浮式海流能发电系统受到海流产生的转矩产生较小角度的倾斜，此时重力和浮力不在一条直线上，进而产生平衡力矩，与轮机旋转力矩相抵消，使悬浮式海流能发电系统不再产生进一步姿态变化，以达到稳定悬浮式海流能发电系统的目的。
附图说明
20.图1深海观测系统轴测图
21.图2深海观测系统透视轴测图
22.图3深海观测系统主视图
23.图4深海观测系统透视主视图
24.图5悬浮式海流能发电系统轴测图
25.图6悬浮式海流能发电系统透视轴测图
26.图7悬浮式海流能发电系统主视图
27.图8悬浮式海流能发电系统透视主视图
28.图9磁悬浮旋转支撑装置零件透视主视图
29.图10磁悬浮旋转支撑装置零件透视侧视图
30.图11磁悬浮旋转支撑装置内部结构透视轴测图
31.图12磁悬浮旋转支撑装置内部结构透视侧视图
32.图13磁传动装置零件透视主视图
33.图14下半部分磁传动装置俯视图
34.图15磁传动装置原理示意图
35.图16为悬浮式海流能发电系统被动式姿态调整原理示意图
36.图17为悬浮式海流能发电系统被动式姿态调整原理示意图
37.图18水下自主航行器透视轴测图
38.图19深海观测系统工作示意图。
具体实施方式
39.以下结合附图对本发明进一步说明：
40.请参阅图1至图19，基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，由悬浮式海流能发电系统，深海基站和水下自主航行器组成。悬浮式海流能发电系统由上浮体1，耐压外壳12、支撑装置2，高实度螺旋叶片水轮机3，换向装置4，磁传动装置5，传动装置6，磁悬浮旋转支撑装置7，发电机8，储能装置9，下部配重块10，水下电缆11构成。深海基站由耐压外壳12，控制及储能装置13，传感器系统14和无线充电装置及接驳系统15组成。水下自主航行器由水下自主航行器主体16，无线充电装置17，观测系统18和鱼鳍状天线19构成。
41.图1为一种系泊式深海观测系统的轴测图，图2为一种系泊式深海观测系统的透视轴测图，图3为一种系泊式深海观测系统的主视图，图4为一种系泊式深海观测系统的透视主视图。
42.图5为悬浮式海流能发电系统的轴测图，图6为悬浮式海流能发电系统的透视轴测图，图7为悬浮式海流能发电系统的主视图，图8为悬浮式海流能发电系统的透视主视图。上浮体1和下部配重块10安装在耐压外壳及支撑装置2上。高实度螺旋叶片水轮机3通过磁悬浮旋转支撑装置7安装在支撑装置2上。磁传动装置5分为上下部分，上部分安装在耐压外壳12外侧，下半部分安装在耐压外壳12内侧。高实度螺旋叶片水轮机3，换向装置4和上半部分磁传动装置5同轴连接。传动装置6，发电机8和储能装置9安装在耐压外壳12内侧。传动装置6的主动轴和从动轴分别的下半部分磁传动装置5和发电机7相连。
43.图9为磁悬浮旋转支撑装置7零件透视主视图，图10为磁悬浮旋转支撑装置7零件的透视侧视图，磁悬浮旋转支撑装置7的外部结构由支撑装置外壳71组成和外部被动式永磁磁悬浮轴承72，磁悬浮支撑装置7的内部结构由内部被动式永磁磁悬浮轴承73和陀尖装置74组成。外部被动式永磁磁悬浮轴承72嵌套于支撑装置外壳71内部，内部被动式永磁磁悬浮轴承73安装在陀尖74的外部。
44.图11为磁悬浮旋转支撑装置7内部结构的透视轴测图，图12为磁悬浮旋转支撑装置7内部结构的透视侧视图。外部被动式永磁磁悬浮轴承72和内部被动式永磁磁悬浮轴承73的充磁方式为辐射充磁，圆环的内部和外部分别具有不同的磁极。其中内环的外部和外环的内部具有相同的磁场。被动式永磁磁悬浮轴承72的内环通过陀尖74与高实度螺旋叶片水轮机3的中心轴端部相连，被动式永磁磁悬浮轴承72的外环安装在支撑装置外壳71从而和耐压外壳及支撑装置2连接，利用磁场作用产生径向稳定力。陀尖74接触支撑装置外壳71产生轴向稳定力，从而固定高实度螺旋叶片水轮机3的位置，使其只可以沿着轴向方向旋
转。
45.图13为磁传动装置5的零件透视主视图，图14为下半部分磁传动装置52的俯视图。磁传动装置5由两组若干中心对称安装的永磁体组成，这些永磁体的充磁方式为厚度方向充磁，相邻永磁体的磁极安装方式相反。上半部分磁传动装置51和换向装置4同轴安装，下半部分和传动装置6的主动轴相连。上半部分磁传动装置51安装在耐压外壳及支撑装置2外侧，下半部分磁传动装置52安装在耐压外壳及支撑装置2内侧。
46.图15为磁传动装置5的原理示意图。磁传动装置5由若干中心对称安装的永磁体组成。这些永磁体的磁极安装方向和相邻的永磁体安装方向相反。由于磁极的异性相吸同性相斥的原理，在磁传动产生错位的情况下会传递扭矩。此种不接触式传动可以裁剪动密封组件，使得耐压外壳及支撑装置2采用整体静密封，极大程度降低泄露的风险。另外磁传动装置上下部转速之比等于磁传动装置上下部的磁极数量，所以可以控制磁极数量的来实现不同的增速比，从而可以裁剪增速机(齿轮箱)这一易损耗的部件。进一步增加系统的稳定性和可靠性。
47.图16为悬浮式海流能发电系统被动式姿态调整原理示意图(主视图)，图17为悬浮式海流能发电系统被动式姿态调整原理示意图(侧视图)。由于高实度螺旋叶片水轮机3持续转化深海中的海流能成为自身动能。所以海流会对高实度螺旋叶片水轮机3形成一个持续转矩作用。为了避免悬浮式海流能发电系统在受到持续转矩作用下倾覆，本发明进行了被动式姿态调整设计。本发明通过上浮体1产生浮力，下部配重块10产生重力。当有海流经过悬浮式海流能发电系统，高实度螺旋叶片水轮机3由静止开始旋转。悬浮式海流能发电系统受到海流产生的转矩产生较小角度的倾斜，此时重力和浮力不在一条直线上，进而产生平衡力矩，与轮机旋转力矩相抵消，使悬浮式海流能发电系统不再产生进一步姿态变化，以达到稳定悬浮式海流能发电系统的目的。
48.图18为水下自主航行器的透视轴测图。水下自主航行器由水下自主航行器主体16，无线充电装置17，观测系统18和鱼鳍状天线19构成。无线充电装置17安装在水下自主航行器主体16的头部。观测系统18和鱼鳍状天线19安装在水下自主航行器主体16上部。
49.图19为一种系泊式深海观测系统的工作示意图。深海基站和悬浮式海流能发电系统经由研究船下放，并将深海基站安装并固定到海床上。单个或数个水下自主航行器由研究船释放到相近海域，在深海基站站附近巡航。水下自主航行器利用安装其中的观测系统18测量长时间的水文数据。深海基站利用其中的传感器系统14测量长时间的水文数据。高实度螺旋叶片水轮机3在水流的作用下旋转，将海流中的动能转换成高实度螺旋叶片水轮机3的机械能，通过磁传动装置5将机械能传递到发电机8中，从而转化成电能并传递到储能装置9中以化学能形式储存。并通过水下电缆11将能量传输到水下基站中。在水下自主航行器能量水平较低的情况下，移到深海基站附近与无线充电装置及接驳装置15对接，通过无线充电将深海基站中的电能转移到水下自主航行器中，从而实现水下自主航行器长时间的巡航。同时利用无线数据传输将深海基站中传感器系统14测量的水文数据传输到水下自主航行器中。
50.这种工作方式也可能由一个深海基站配和若干水下自主航行器工作，也可以由多个深海基站配和若干水下自主航行器工作，以获得更高的系统稳定性。水下自主航行器定期浮上水面，通过鱼鳍状天线19将所在水域的水文信息传递到通讯卫星上。
51.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，其特征在于，包括悬浮式海流能发电装置、深海基站和水下自主航行器；悬浮式海流能发电装置连接深海基站，深海基站用于给水下自主航行器供能；悬浮式海流能发电装置包括上浮体(1)、支撑装置(2)、耐压外壳(12)、高实度螺旋叶片水轮机(3)、磁传动装置(5)、发电机(8)、储能装置(9)和下部配重块(10)；支撑装置(2)安装在耐压外壳(12)上，上浮体(1)设置在支撑装置(2)顶部，下部配重块(10)安装在耐压外壳(12)的底部；高实度螺旋叶片水轮机(3)的一端通过磁传动装置(5)安装在耐压外壳(12)上；高实度螺旋叶片水轮机(3)的另一端连接在支撑装置(2)上；磁传动装置(5)和发电机(8)均设置在耐压外壳(12)内部，磁传动装置(5)连接发电机(8)，发电机(8)连接储能装置(9)。2.根据权利要求1所述的基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，其特征在于，实度螺旋叶片水轮机(3)通过磁悬浮旋转支撑装置(7)安装在支撑装置(2)上。3.根据权利要求2所述的基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，其特征在于，磁悬浮旋转支撑装置(7)包括支撑装置外壳(71)、外部被动式永磁磁悬浮轴承(72)、内部被动式永磁磁悬浮轴承(73)和陀尖(74)；外部被动式永磁磁悬浮轴承(72)嵌套于支撑装置外壳(71)内部，内部被动式永磁磁悬浮轴承(73)安装在陀尖(74)的外部；外部被动式永磁磁悬浮轴承(72)和内部被动式永磁磁悬浮轴承(73)的充磁方式为辐射充磁；被动式永磁磁悬浮轴承(72)的内环通过陀尖(74)与高实度螺旋叶片水轮机(3)的中心轴端部相连，被动式永磁磁悬浮轴承(72)的外环安装在支撑装置外壳(71)和支撑装置(2)连接。4.根据权利要求1所述的基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，其特征在于，高实度螺旋叶片水轮机(3)通过换向装置(4)和磁传动装置(5)同轴连接。5.根据权利要求4所述的基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，其特征在于，磁传动装置(5)包括上部分(51)和下部分(52)，上部分(51)安装在耐压外壳(12)外侧和换向装置(4)连接，下部分(52)安装在耐压外壳(12)内侧；上部分和下部分上均设置有若干中心对称安装的永磁体，且永磁体的磁极安装方向和相邻的永磁体安装方向相反。6.根据权利要求5所述的基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，其特征在于，磁传动装置(5)的下部分(52)通过传动装置(6)连接发电机(8)，传动装置(6)包括主动轮、皮带和从动轮，传动装置(6)的主动轮和从动轮分别设置在磁传动装置(5)的下部分和发电机(7)的底部，且主动轮通过皮带和从动轮相连。7.根据权利要求1所述的基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，其特征在于，储能装置(9)通过水下电缆(11)连接深海基站。8.根据权利要求1所述的基于升力型水轮机的系泊式深海观测系统，其特征在于，深海基站包括耐压外壳(12)、控制及储能装置(13)、传感器系统(14)和无线充电及接驳装置(15)；无线充电及接驳装置(15)和传感器系统(14)安装在耐压外壳(12)侧面，控制及储能装置(13)安装在耐压壳体内，控制及储能装置(13)为无线充电及接驳装置(15)和传感器系统(14)提供电能。9.根据权利要求1所述的基于升力型水轮机的系泊式深海观测系统，其特征在于，水下自主航行器包括水下自主航行器主体(16)、无线充电装置(17)、观测系统(18)和鱼鳍状天线(19)；无线充电装置(17)安装在水下自主航行器主体(16)的头部，观测系统(18)和鱼鳍
状天线(19)安装在水下自主航行器主体(16)上部。

技术总结
基于悬浮式海流能发电的系泊式深海观测系统，包括悬浮式海流能发电装置、深海基站和水下自主航行器；悬浮式海流能发电装置连接深海基站，深海基站用于给水下自主航行器供能；本发明设计了一种离网式深海观测系统，这种观测集群由水下自主航行器，深海基站组成和悬浮系统组成。所述的悬浮系统利用高实度螺旋叶片水轮机转化深海的海流能，同时可以将电能转化成自身的化学能储藏在自身的电池中，给深海基站搭载的各项观测设备供电，也可以通过无线供电装置给水下自主航行器供电。利用本发明可在不接受任何船基能量补给和岸基能量补给的情况下持续观测海洋能源。况下持续观测海洋能源。况下持续观测海洋能源。


技术研发人员：郭朋华 张大禹 段昱冰 叶佳胤 王逸远 钱宇祁 陈云瑞 朱李莹 陈雅楠
受保护的技术使用者：陕西卫澜深海信息科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/18