CN102064576A - 海洋监测平台的温差能供电系统 - Google Patents

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Abstract

一种海洋监测平台的温差能供电系统，由一体串联式液态金属磁流体发电机、胀缩挤压式温差能采集装置、蓄能释能装置、连接装置和蓄电装置组成；一体串联式液态金属磁流体发电机垂直固定在监测平台内部，与蓄能释能装置和蓄电装置相连接；胀缩挤压式温差能采集装置垂直固定在监测平台外部，暴露于海水之中，通过连接装置与监测平台内部的蓄能释能装置相连。本发明利用海洋不同深度冷、暖水层之间的温度差异，通过蜡质固-液相变材料受热融化时的膨胀力给液压油加压，定期驱动一个串联式液态金属磁流体发电机发电，并为蓄电池充电。本发明可应用于无人水下自航式海洋监测平台。

Description

海洋监测平台的温差能供电系统
技术领域
本发明涉及一种海洋监测平台的供电装置，特别涉及一种无人水下自航式海洋监测平台的供电装置。
技术背景
海洋监测技术是国防建设和经济发展的战略需求，也是海洋开发利用、环境保护和防灾减灾的必要手段。随着科学技术的不断进步，海洋监测已进入集空中、海面和水下监测技术为一体的立体综合监测阶段。航空和卫星遥感技术可实现从空中到海洋表面的大面积、实时或准实时同步，固定监测台站、调查船、浮标、潜标及坐底式监测平台可解决定点的或有限范围内的监测，但上述方式对危险区域和敏感区域的监测却无能为力。基于“以人为本”的指导思想，以先进的技术取代人来从事危险作业，尽量减少人员伤亡，无人水下自航式海洋监测平台应运而生。
水下自航式海洋监测平台是上世纪80年代末在载人潜航器(HOV)和无人有缆遥控潜航器(ROV)技术的基础上发展起来的新型海洋监测平台。主要用于无人、大范围、长时间的水下环境监测，而能源技术则是保证其续航能力的关键。现阶段水下自航式海洋监测平台多采用电池作为动力源，最常用的是锂离子电池和燃料电池。由于长时间作业对能量需求很大，且载体尺寸和负载能力限制了携带电池的数量，因此中途需要对二次电池进行充电以保证能源的后续与补充。而目前的充电方式主要通过定期上浮或回收来进行人工充电，或通过水下坞站完成水下对接并充电，需要繁琐的操作或很高的技术要求，除了较高的制造成本之外还大大增加了运行成本。
海洋温差能的利用有效地突破了水下监测平台能源供应的瓶颈。温差能来自于太阳能，是一种清洁可再生能源，且相对于其他环境能源而言非常稳定，重要的是它取之不尽、用之不竭，是低能耗、低成本、高续航能力的无人水下自航式海洋监测平台的理想动力。早在1986年，韦伯研究公司(Webb Research Corporation)的Doug Webb就在他的实验室笔记中提到了以热机驱动无人水下监测平台的构想，热机内采用固-液相变的蜡状工作介质，当整个装置穿越温度梯度较大的海洋温跃层时，利用其相变过程中体积的膨胀/收缩来改变装置的净浮力，从而驱动海洋监测平台在冷、暖水层之间往复运动。1989年，伍兹霍尔海洋学研究所(WHOI)的Henry Stommel在海洋学杂志上发表了一篇著名的科幻文章(Henry Stommel，The SlocumMission，Oceanography，pp.22-25，1989)，文中基于Doug Webb的构思，对数以千计的海洋温差能驱动的水下滑翔机群在海洋环境监测和科学研究中的应用进行了畅想，并将此水下监测平台命名为“Slocum”。此后，Doug Webb先后制造了三个温差能驱动的Slocum(thermal)样机，并分别于1995，1998和2000年成功进行了湖试实验(Douglas C.Webb，Paul J.Simonetti，Clayton P.Jones，SLOCUM：An Underwater Glider Propelled by EnvironmentalEnergy，IEEE Journal of Oceanic Engineering，26(4)：447-452，2001)。2007年，温差能驱动的Slocum(thermal)终于在外海首次亮相。与电动的Slocum(battery)相比，除了更环保和低成本的优势之外，由于Slocum(thermal)不需要利用电池提供动力，只需要维持传感器、导航系统和通讯系统等的正常运行即可，因此大大提高了侦测范围和续航能力。其平均水平速度约0.4m/s，滑翔距离达到40000km，最大潜深1200m，可连续运行3～5年。然而，Slocum(thermal)只能不间断的往返于冷、暖水层之间，以锯齿形轨迹在海水中航行，无法根据需要在某一深度悬停作业或控制其运动状态。如果能够及时将温差能蓄积起来，并根据需要加以利用，则可以有效地改善水下监测平台的灵活性和适用性。
2010年4月5日，美国航天局喷气推进实验室(JPL)公布了一款海洋温差能驱动的可长期自主运行的无人水下机器人-SOLO-TREC(The Sounding Oceanographic LagrangrianObserver Thermal RECharging)，亦是采用蜡质固一液相变材料为工作介质，其特殊之处是内部配备了一台旋转发电机和齿轮箱。当SOLO-TREC穿越海洋温跃层时，工作介质因温度升高而融化膨胀，将其能量储存在液压油之中，最终驱动液压马达发电并给蓄电池充电；反之，工作介质固化收缩，为下次上浮充电做好准备。SOLO-TREC利用蓄电池驱动液压系统来改变其净浮力，而不必像Slocum(thermal)那样必须连续地往返于冷、暖水层之间，可在水下500米左右深度连续作业6个小时再上浮充电。但由于旋转发电机和与之匹配的齿轮箱均包含机械运动部件，在长期多次的运行过程中故障率较高，从而降低了整个装置的可靠性和可维护性；此外，发电过程中伴随的噪声较大，也不利于其隐蔽性，限制了该装置的应用。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提供了一种结构紧凑的低噪音、高可靠性的无人水下海洋监测平台供电系统。本发明采用一体串联式液态金属磁流体发电机代替现有的旋转发电机。由于没有高速旋转的机械运动部件，该系统在发电过程中的噪音很低，且具有较高的可靠性。
本发明无人水下自航式海洋监测平台的供电系统利用蜡质固-液相变材料的胀缩变形将海洋环境中的温差能转化为液压能，驱动液态金属磁流体发电机发电并给蓄电池充电。
本发明主要由一体串联式液态金属磁流体发电机、胀缩挤压式温差能采集装置、蓄能释能装置、连接装置和蓄电装置组成；一体串联式液态金属磁流体发电机垂直固定在监测平台内部，与蓄能释能装置和蓄电装置相连；胀缩挤压式温差能采集装置垂直固定在监测平台外部，暴露于海水之中，通过连接装置与监测平台内部的蓄能释能装置相连；蓄电装置位于监测平台内部，位于连接装置、蓄能释能装置和一体串联式液态金属磁流体发电机的下方。
一体串联式液态金属磁流体发电机由上液压室、下液压室，上波纹管、下波纹管，发电通道，m(1≤m≤10)个磁体，m对电极对和液态金属发电工质组成；磁体为对极型永磁磁体；发电通道为一矩形横截面管道；发电通道垂直穿过m个磁体的磁孔；m个磁体沿发电通道轴向等距离设置，相邻两个磁体的磁场方向相反；电极对为平板形电极对，m对电极对的平板形电极对贴在磁孔位置对应的发电通道与磁场方向平行的两侧壁的内壁上，电极对的方向与磁场方向垂直，每个磁体及与其对应的电极对构成一个发电单元，共构成m个磁流体发电单元；相邻两对电极对同侧的阴极和阳极通过导电板顺次连接，实现m个磁流体发电单元的串联，最终由最上和最下方磁流体发电单元的两端电极对外输出电流；发电通道的上、下两端分别与上液压室和下液压室固连；上波纹管和下波纹管分别同轴置于上液压室和下液压室内；上波纹管的上端封闭，其下端与发电通道的上端固连；下波纹管的下端封闭，其上端与发电通道的下端固连；上液压室、下液压室和上波纹管、下波纹管之间充满液压油；上波纹管、下波纹管与发电通道组成一密闭空间，该密闭空间充满液态金属发电工质。
胀缩挤压式温差能采集装置包含n(10≤n≤20)个相同的单元，每个单元均由圆罐形壳体和软管组成；壳体的上部中心开有一圆孔，圆孔直径与软管直径相等；软管同轴置于壳体内部，软管的下端封闭并固定于壳体下部，软管的上端开口，其开口端与圆孔紧密对接；壳体与软管之间充满蜡质固-液相变材料，软管内部充满液压油。
蓄能释能装置由高压罐、控制阀和低压罐组成；高压罐内部充有氮气，并通过控制阀与串联式液态金属磁流体发电机的上液压室连接；低压罐与串联式液态金属磁流体发电机的下液压室连通。
连接装置由n条连接管路组成，n条连接管路的一端分别与胀缩挤压式温差能采集装置的n个单元中圆罐形壳体上部的圆孔紧密对接；n条连接管路的另一端在监测平台内部汇合到一条管路，该管路先与高压罐连通再与控制阀相连；连接管路内部均充满液压油。
蓄电装置为蓄电池，蓄电池与一体串联式液态金属磁流体发电机的电流输出的两端电极相连。
当监测平台位于海洋表层的暖水中时，胀缩挤压式温差能采集装置内部的蜡质相变材料融化膨胀，挤压其内部的软管，将液压油通过连接装置挤压到高压罐中，压缩其内部的氮气蓄能；蓄能完毕后，打开控制阀，使高压液压油进入上液压室并压缩上波纹管，致使短时间内液态金属以一定速度u自上波纹管沿发电通道向下波纹管流动，下波纹管随即伸长，将下液压室内的液压油推入低压罐中；因发电通道中流动的液态金属切割磁力线，而在m个磁流体发电单元串联的电极对产生感应电动势，最终由最上和最下方两端电极对外输出电流，并通过电缆与蓄电池相连，为蓄电池充电；当监测平台下沉穿越温跃层时，海水温度逐渐降低，蜡质相变材料固化收缩，液压油随即又流回到胀缩挤压式温差能采集装置内相应的n个软管之中，相变过程结束后关闭控制阀；已充电的蓄电池内的电能可支持监测平台重新上升到海洋表层，重复以上过程。
本发明利用清洁、稳定的海洋温差能，无需提供动力即可实现无人水下海洋监测平台的持续不间断运行，具有结构紧凑、零污染、低噪音、低成本、高续航能力和免维护的特性。采用一体串联式液态金属磁流体发电机，因不含有高速旋转的机械运动部件，不仅运行噪音较低，且具有较高的可靠性，基本实现免维护；采用串联方式连接m个发电通道，提高了磁流体发电机的输出电压与蓄电池的电压相匹配，增强了该系统的实用性。
附图说明
图1为本发明具体实施例无人水下自航式海洋监测平台的液态金属磁流体温差能供电系统的示意图，图中：1壳体；2软管；3蜡质固-液相变材料；4连接管路；5高压罐；6控制阀；7低压罐；8上液压室；9上波纹管；10磁体；11发电通道；12电极对；13下波纹管；14下液压室；15蓄电池；16监测平台；17液压油；18液态金属发电工质；19导电板；20氮气。
图2为本发明具体实施例一体串联式液态金属磁流体发电机通道部分的示意图，其中图2a为侧视剖面图，图2b为俯视图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明具体实施例主要由一体串联式液态金属磁流体发电机、胀缩挤压式温差能采集装置、蓄能释能装置、连接装置和蓄电装置组成；一体串联式液态金属磁流体发电机垂直固定在监测平台16内部，与蓄能释能装置和蓄电装置相连接；胀缩挤压式温差能采集装置垂直固定在监测平台16外部，暴露于海水之中，通过连接装置与监测平台16内部的蓄能释能装置相连。
一体串联式液态金属磁流体发电机由上液压室8、下液压室14，上波纹管9、下波纹管13，发电通道11，4个磁体10，4对电极对12和液态金属发电工质18组成；磁体10为对极型永磁磁体；发电通道11为一矩形横截面管道；发电通道11垂直穿过4个磁体10的磁孔；4个磁体10沿发电通道11轴向等距离设置，相邻两个磁体10的磁场方向相反；电极对12为平板形电极对，4对电极对12的平板形电极对贴在磁孔位置对应的发电通道11与磁场方向平行的两侧壁的内壁上，电极对的方向与磁场方向垂直，每个磁体10及与其对应的电极对12构成一个发电单元，共构成4个磁流体发电单元；相邻两对电极对12同侧的阴极和阳极通过导电板19顺次连接，实现4个磁流体发电单元的串联，最终由最上和最下方磁流体发电单元的两端电极对外输出电流；发电通道11的上、下两端分别与上液压室8和下液压室14固连；上波纹管9和下波纹管13分别同轴置于上液压室8和下液压室14内；上波纹管9的上端封闭，其下端与发电通道11的上端固连；下波纹管13的下端封闭，其上端与发电通道11的下端固连；上液压室8、下液压室14和上波纹管9、下波纹管13之间充满液压油；上波纹管9、下波纹管13与发电通道11组成一密闭空间，该密闭空间充满液态金属发电工质18。
胀缩挤压式温差能采集装置包含10个结构相同的单元，每个单元均由圆罐形壳体1和软管2组成。壳体1的上部中心开有一圆孔，圆孔直径与软管2直径相等。软管2同轴置于壳体内部，软管2的下端封闭并固定于壳体下部，软管2的上端开口，开口端与圆孔紧密对接。壳体1与软管2之间充满蜡质固-液相变材料3，软管2内部充满液压油17。
蓄能释能装置由高压罐5、控制阀6和低压罐7组成。高压罐5用于蓄能，其内部充有氮气，并通过控制阀6与一体串联式液态金属磁流体发电机的上液压室8连接；低压罐7与一体串联式液态金属磁流体发电机的下液压室14连通。
连接装置由10条连接管路4组成，其一端分别与胀缩挤压式温差能采集装置的10个单元中圆罐形壳体1上部的圆孔紧密对接；另一端在监测平台16内部汇合到一条管路，该管路先与高压罐5连通然后再与控制阀6相连；连接管路4内部均充满液压油17。
蓄电装置为蓄电池15，蓄电池15与一体串联式液态金属磁流体发电机的电流输出的两端电极相连。
当监测平台16位于海洋表层的暖水中时，胀缩挤压式温差能采集装置内部的蜡质相变材料3融化膨胀，挤压其内部的软管2，将液压油17通过连接装置挤压到高压罐5中，压缩其内部的氮气20蓄能。蓄能完毕后，打开控制阀6，使高压液压油17进入上液压室8并压缩上波纹管9，致使短时间内液态金属18以一定速度u(如u＝10m/s)自上波纹管9沿发电通道11向下波纹管13流动，下波纹管13随即伸长，将下液压室14内的液压油17推入低压罐7中。因发电通道11中流动的液态金属18切割磁力线，而在4个磁流体发电单元串联的电极对12产生感应电动势，最终由最上和最下方两端电极对外输出电流，并通过电缆与蓄电池15相连，为蓄电池15充电。当监测平台16下沉穿越温跃层时，海水温度逐渐降低，蜡质相变材料3固化收缩，液压油17随即又流回到胀缩挤压式温差能采集装置内相应的10个软管2之中，相变过程结束后关闭控制阀6。已充电的蓄电池15内的电能可支持监测平台16重新上升到海洋表层，重复以上过程。

Claims (6)

1.一种海洋监测平台的温差能供电系统，其特征在于：所述的供电系统由一体串联式液态金属磁流体发电机、胀缩挤压式温差能采集装置、蓄能释能装置、连接装置和蓄电装置组成；一体串联式液态金属磁流体发电机垂直固定在监测平台(16)内部，与蓄能释能装置和蓄电装置相连接；胀缩挤压式温差能采集装置垂直固定在监测平台(16)外部，暴露于海水之中，通过连接装置与监测平台(16)内部的蓄能释能装置相连；蓄电装置位于监测平台(16)内部，位于连接装置、蓄能释能装置和一体串联式液态金属磁流体发电机的下方。
2.按照权利要求1所述的海洋监测平台的温差能供电系统，其特征在于：所述一体串联式液态金属磁流体发电机由上液压室(8)、下液压室(14)，上波纹管(9)、下波纹管(13)，发电通道(11)，m个磁体(10)，m对电极对(12)和液态金属发电工质(18)组成，1≤m≤10；磁体(10)为对极型永磁磁体；发电通道(11)为一矩形横截面管道；发电通道(11)垂直穿过m个磁体(10)的磁孔；m个磁体(10)沿发电通道(11)轴向等距离设置，相邻两个磁体(10)的磁场方向相反；电极对(12)为平板形电极对，m对电极对(12)的平板形电极对贴在磁孔位置对应的发电通道(11)与磁场方向平行的两侧壁的内壁上，电极对的方向与磁场方向垂直，每个磁体(10)及与其对应的电极对(12)构成一个发电单元，共构成m个磁流体发电单元；相邻两对电极对(12)同侧的阴极和阳极通过导电板(19)顺次连接，实现m个磁流体发电单元的串联，最终由最上和最下方磁流体发电单元的两端电极对外输出电流；发电通道(11)的上、下两端分别与上液压室(8)和下液压室(14)固连；上波纹管(9)和下波纹管(13)分别同轴置于上液压室(8)和下液压室(14)内；上波纹管(9)的上端封闭，上波纹管(9)的下端与发电通道(11)的上端固连；下波纹管(13)的下端封闭，下波纹管(13)的上端与发电通道(11)的下端固连；上液压室(8)、下液压室(14)和上波纹管(9)、下波纹管(13)之间充满液压油；上波纹管(9)、下波纹管(13)与发电通道(11)组成一密闭空间，该密闭空间充满液态金属发电工质(18)。
3.按照权利要求1所述的海洋监测平台的温差能供电系统，其特征在于：所述的胀缩挤压式温差能采集装置包含n个相同的单元，10≤n≤20，每个单元均由圆罐形壳体(1)和软管(2)组成；壳体(1)的上部中心开有一圆孔，圆孔直径与软管(2)直径相等；软管(2)同轴置于壳体(1)内部，软管(2)的下端封闭并固定于壳体(1)下部，软管(2)的上端开口，其开口端与圆孔紧密对接；壳体(1)与软管(2)之间充满蜡质固-液相变材料(3)，软管(2)内部充满液压油(17)。
4.按照权利要求1所述的海洋监测平台的温差能供电系统，其特征在于：所述蓄能释能装置由高压罐(5)、控制阀(6)和低压罐(7)组成；高压罐(5)内部充有氮气(20)，并通过控制阀(6)与串联式液态金属磁流体发电机的上液压室(8)连接；低压罐(7)与串联式液态金属磁流体发电机的下液压室(14)连通。
5.按照权利要求1所述的海洋监测平台的温差能供电系统，其特征在于：所述连接装置由n条连接管路(4)组成，n条连接管路(4)的一端分别与胀缩挤压式温差能采集装置的n个单元中圆罐形壳体(1)上部的圆孔紧密对接；n条连接管路(4)的另一端在监测平台(16)内部汇合到一条管路，该管路先与高压罐(5)连通再与控制阀(6)相连；连接管路(4)内部均充满液压油(17)，10≤n≤20。
6.按照权利要求1所述的海洋监测平台的温差能供电系统，其特征在于：所述蓄电装置为蓄电池(15)，蓄电池(15)与一体串联式液态金属磁流体发电机的电流输出的两端电极相连。
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