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２０２４年１２月机械设计与制造工程Ｄｅｃ.２０２４

第５３卷第１２期ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.５３Ｎｏ.１２

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０２４.１２.００３

潜标用波浪能发电浮标设计及性能分析

曲志平ꎬ吴俊飞ꎬ王豪ꎬ宋奕萱

(青岛科技大学机电工程学院ꎬ山东青岛２６６０６１)

摘要:针对实时传输潜标的能源供应问题ꎬ设计了一种与其海面通信浮标相结合的波浪能发电浮

标ꎮ借助ＡＮＳＹＳ对不同配重浮标的横摇和垂荡运动进行频域分析ꎬ并且对最佳配重浮标进行时

域分析ꎬ结果表明ꎬ适当增加配重后能减小横摇幅值ꎬ提高浮标的稳定性ꎮ经过强度分析验证ꎬ浮

标的强度能满足各种海况要求ꎮ

关键词:通信浮标ꎻ波浪能发电ꎻ水动力性能ꎻ运动学分析

中图分类号:ＴＨ１２２文献标识码:Ｂ文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０２４)１２－００１６－０５

随着北斗卫星导航系统的发展ꎬ近年来兴起了起ꎬ浮标整体结构及尺寸如图１(ａ)所示ꎬ浮标上方

一种实时传输潜标系统ꎮ实时传输潜标能将观测圆柱直径为１.０ｍꎬ下方圆柱直径为０.４ｍꎬ浮标壁

数据通过其海面通信浮标传输到卫星系统ꎬ再由岸厚为５ｍｍꎮ浮标内部结构如图１(ｂ)所示ꎬ包括齿

边基站接收ꎬ避免了由于传统自容式潜标不可控因轮齿条传动装置、涡卷弹簧盒、擒纵系统、减速器、

素导致数据丢失的可能ꎮ实时传输潜标要不断地发电机、蓄电池、实时传输模块、质量块、弹簧等部

传输数据ꎬ使其能源供应成为一个问题ꎮ海洋中波件ꎮ质量块由两组弹簧连接在浮标内的固定平板

浪无时不有、无处不在ꎬ只要有波浪激励就能无间上ꎬ通过两根导轨限定其移动轨迹ꎮ质量块上方错

[１]

歇发电ꎮ目前小型波浪能发电装置主要有压电位平行固定两组齿条ꎬ分别与平板上两组齿轮啮

[２][３][４－５]

式、振荡水柱式、机械式等ꎮ将波浪能发合ꎮ为提高浮标稳定性ꎬ在浮标底部安装配重块ꎬ

电设备与潜标的海面通信浮标相结合后ꎬ波浪能发以增大浮标的回复力矩ꎮ浮标材料为３１６不锈钢ꎬ

电浮标即具备信号中转站和发电的功能ꎮ通信浮

外部做防锈处理ꎮ

标的横摇运动对通信系统的稳定性和可靠性有较

在波浪激励下ꎬ浮标做垂荡运动ꎬ内部质量块

[６]

大影响ꎬ唐超等模拟并对比不同海况下通信浮

因惯性产生与浮标相对的振荡ꎬ通过两组齿轮齿条

标与卫星成功对接的概率ꎬ发现横摇角度变大ꎬ与

传递相对振荡产生的能量ꎮ两组齿轮通过两个单

卫星对接的成功率会降低ꎮ为保证对接的成功率ꎬ

向轴承连接在一根轴上ꎬ两个单向轴承的超越方向

«海船稳性规范»要求浮标结构物横摇幅值应小于

[７][８]相反ꎬ每组齿轮齿条负责单方向传递扭矩ꎬ这样保

１５(°)/ｍꎮ卢燕等对南海北部进行定点波浪

证齿条无论是上移或是下行ꎬ齿轮轴都能保证作单

统计分析ꎬ观测期间最大平均有效波高为２.７７ｍꎬ

一方向的旋转ꎮ涡卷弹簧一端固定在齿轮轴上ꎬ通

平均谱峰周期为７.９ｓꎮ