CN102975836B - 一种水下滑翔器能源系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下滑翔器能源系统及其控制方法。所述能源系统主要由质子交换膜燃料电池、超级电容器和温差热机构成；所述质子交换膜燃料电池为水下滑翔器的小功率持续负载持续地供电，其额外的电能通过开关P储存在超级电容器中；所述超级电容器利用其储存的电能，通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载供电；所述质子交换膜燃料电池的发电余热与冷海水协同驱动所述温差热机，从而驱动水下滑翔器产生滑翔运动。本发明即为水下滑翔器电负载提供紧凑、高效电源，又为其温差热机提供优质热源，使水下滑翔器具备全海域、低能耗、大航程作业能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下滑翔器，尤其涉及一种水下滑翔器能源系统。
背景技术
水下滑翔器通过改变自身净浮力，在正或负净浮力作用下，在海水中上升或下沉；同时，由于可控俯仰姿态机翼的作用，产生水平运动。由此，水下滑翔器在海洋纵深剖面内产生锯齿状滑翔运动。
由于采用浮力驱动，水下滑翔器具有能耗低、航程大的优点，在海洋环境监测领域具有良好的应用前景。
根据驱动能源获取方式的不同，水下滑翔器一般分为电能驱动水下滑翔器和温差能驱动水下滑翔器。温差能驱动水下滑翔器以海洋温差能作为浮力驱动的能源，在巡航范围和作业时间上，更具优势，成为水下滑翔器技术发展方向之一。但是，受海洋温差品质与海洋热源不稳定的限制，温差能驱动水下滑翔器不能实现全海域工作。此外，水下滑翔器在航行过程中，需间歇地切换下潜与上浮作业，导致电负载功率变化大，呈低均值、脉冲波动特性，不得不采用较大功率的电源；这又致使水下滑翔器体积、重量及滑翔阻力增加，进而恶化水下滑翔器性能。因此，有必要发明一种即为温差能驱动水下滑翔器电负载提供高效电源，又为其温差热机提供稳定的油优质热源的能源系统，使温差能驱动水下滑翔器具备全海域、低能耗、大航程作业能力。
发明内容
本发明提供一种水下滑翔器能源系统。该能源系统即为温差能驱动水下滑翔器电负载提供高效电源，又为其温差热机提供稳定的优质热源，使温差能驱动水下滑翔器具备全海域、低能耗、大航程作业能力。
为了解决上述技术问题，本发明一种水下滑翔器能源系统予以实现的技术方案是：包括质子交换膜燃料电池、超级电容器、温差热机和热交换器A、热交换器B；所述温差热机包括由管路连接的换能器、蓄能器、内皮囊和外皮囊；换能器由圆筒形内、外耐压壳体构成，外壳体与内壳体之间为循环水，内壳体内装有热敏材料和液压油，热敏材料和液压油之间由密封隔板隔开，密封隔板随热敏材料体积变化在内壳体内轴向滑动；在内皮囊与换能器的内壳体之间设有单向阀A，在换能器的内壳体和蓄能器之间设有单向阀B；所述热交换器A和热交换器B均位于水下滑翔器壳体的外部的机翼上；所述换能器的位置低于所述热交换器A；所述蓄能器、内皮囊和外皮囊之间连接有三通电磁阀A；所述换能器的循环水出口通过三通电磁阀B、三通电磁阀C和泵连接至所述质子交换膜燃料电池的冷却循环水入口；所述换能器的循环水入口通过三通电磁阀D、三通电磁阀E和露点加湿器连接至所述质子交换膜燃料电池的冷却循环水出口；所述换能器循环水出口通过所述三通电磁阀B连接至热交换器A的一端，所述换能器的循环水入口通过所述三通电磁阀D连接至热交换器A的另一端；所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水入口通过泵和三通电磁阀C连接至热交换器B的一端，所述质子交换膜燃料电池的冷却循环水出口通过所述露点加湿器和所述三通电磁阀E连接至热交换器B的另一端；水下滑翔器的小功率持续负载直接由所述质子交换膜燃料电池供电；所述质子交换膜燃料电池通过开关P给一超级电容器充电，所述超级电容器通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载供电。
本发明水下滑翔器能源系统的控制方法是，所述质子交换膜燃料电池为水下滑翔器的小功率持续负载持续地提供电能；同时，其额外的电能储存在超级电容器中，发电所产生的余热驱动温差热机；所述超级电容器利用其储存的电能，向水下滑翔器的大功率间歇负载供电；所述温差热机在质子交换膜燃料电池发电余热与冷海水间温差作用下，温差热机的热敏材料发生固液或液固相变，并产生体积膨胀或收缩，将温差能转化为机械能，从而驱动水下滑翔器产生滑翔运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的能源系统利用质子交换膜燃料电池为水下滑翔器的电负载供电，同时利用质子交换膜燃料电池发电产生的热驱动温差热机，为水下滑翔器的温差热机提供稳定的优质热源，突破海洋温差品质与海洋热源不稳定的限制，使水下滑翔器具备全海域作业能力；此外，利用水下滑翔器的小功率电负载的持续性和大功率电负载的间歇性，用质子交换膜燃料电池直接为水下滑翔器的小功率持续电负载供电，同时向超级电容器充电储能，用超级电容器储存的电能驱动水下滑翔器的大功率间歇负载，与质子交换膜燃料电池向水下滑翔器的小功率持续电负载与大功率间歇负载直接供电相比，显著地减小了质子交换膜燃料电池的功率、尺寸及燃料消耗，改善水下滑翔器的续航能力。
附图说明
图1是水下滑翔器从海洋表面准备下潜过程中的状态示意图；
图2是水下滑翔器以稳定的姿态下潜直至预定深度过程中的状态示意图；
图3是水下滑翔器从预定深度准备上浮过程中的状态示意图；
图4是水下滑翔器以稳定的姿态从预定深度上浮至海洋表面过程中的状态示意图。
图中：
1-三通电磁阀C，2-三通电磁阀E，3-三通电磁阀A，4-三通电磁阀B，5-三通电磁阀D，6-热交换器B，7-热交换器A，8-换能器，9-蓄能器，10-单向阀A，11-单向阀B，12-露点加湿器，13-内皮囊，14-外皮囊，15-泵，16-小功率持续负载，17-大功率间歇负载，PEMFC-质子交换膜燃料电池，18-超级电容，19-滑翔器壳体，Q、P-开关。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种水下滑翔器能源系统，主要由质子交换膜燃料电池PEMFC、超级电容器18、温差热机和热交换器A7、热交换器B6构成。
所述质子交换膜燃料电池（PEMFC）为水下滑翔器的传感器、通讯与控制系统等小功率持续负载提供电能，其额外的电能储存在超级电容器18中，发电产生的余热驱动温差热机。所述超级电容器18储存质子交换膜燃料电池PEMFC的额外电能，向水下滑翔器的电机、液压阀等大功率间歇负载提供电能。所述温差热机在质子交换膜燃料电池PEMFC发电余热与冷海水间温差作用下，温差热机的热敏材料发生固液或液固相变，并产生体积膨胀或收缩，将温差能转化为机械能，驱动水下滑翔器。
所述温差热机包括由管路连接的换能器8、蓄能器9、内皮囊13和外皮囊14；换能器8由圆筒形内、外耐压壳体构成，外壳体与内壳体之间为循环水，内壳体内装有热敏材料和液压油，热敏材料和液压油之间由密封隔板隔开，密封隔板随热敏材料体积变化在内壳体内轴向滑动；在内皮囊13与换能器8的内壳体之间设有单向阀A10，在换能器8的内壳体和蓄能器9之间设有单向阀B11。所述热交换器A7和热交换器B6均位于水下滑翔器壳体的外部的机翼上；所述换能器8的位置低于所述热交换器A7，从而在滑翔器下潜过程中实现温差热机自然对流冷却。除热交换器A7和热交换器B6及与之连接的管路，能源系统的其余部分均密封在水下滑翔器的壳体19内。
所述蓄能器9、内皮囊13和外皮囊14之间连接有三通电磁阀A3；所述换能器8的循环水出口通过三通电磁阀B4、三通电磁阀C1和泵15连接至所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水入口；所述换能器8的循环水入口通过三通电磁阀D5、三通电磁阀E2和露点加湿器12连接至所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水出口；所述换能器8循环水出口通过所述三通电磁阀B4连接至热交换器A7的一端，所述换能器8的循环水入口通过所述三通电磁阀D5连接至热交换器A7的另一端；所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水入口通过泵15和三通电磁阀C1连接至热交换器B6的一端，所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水出口通过所述露点加湿器12和所述三通电磁阀E2连接至热交换器B6的另一端；水下滑翔器的小功率持续负载16直接由所述质子交换膜燃料电池PEMFC供电；所述质子交换膜燃料电池PEMFC与超级电容器18之间设有开关P，所述超级电容器与水下滑翔器的大功率间歇负载17之间设有开关Q，所述质子交换膜燃料电池PEMFC通过开关P给超级电容器18充电，所述超级电容器18通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载17供电。
本发明中位于水下滑翔器壳体19内的质子交换膜燃料电池PEMFC及其露点加湿器12、温差热机的换能器8、质子交换膜燃料电池PEMFC和换能器8冷却/加热循环的管路及泵、电磁阀阀等，需用隔热材料包裹，阻止热量散发到水下滑翔器壳体内。
本发明水下滑翔器能源系统中，质子交换膜燃料电池PEMFC的额定发电功率应大于其自身耗电功率与水下滑翔器电负载平均功率之和，同时其输出热量要满足水下滑翔器的温差热机需要。
本发明水下滑翔器能源系统的控制方法是：所述质子交换膜燃料电池PEMFC为水下滑翔器的小功率持续负载16持续地提供电能；同时，其额外的电能储存在超级电容器18中，发电所产生的余热驱动温差热机；所述超级电容器18利用其储存的电能，向水下滑翔器的大功率间歇负载供电；所述温差热机在质子交换膜燃料电池PEMFC发电余热与冷海水间温差作用下，温差热机的热敏材料发生固液或液固相变，并产生体积膨胀或收缩，将温差能转化为机械能，从而驱动水下滑翔器产生滑翔运动。
如图1所示，当水下滑翔器从海洋表面准备下潜过程中，本发明能源系统的工作状态。在此期间，三通电磁阀A3开启，使得外皮囊14与内皮囊13之间的管路导通，外皮囊14内的液压油在环境压力作用下，流入内皮囊13，直至达到水下滑翔器下潜需要的体积浮力变化量，关闭三通电磁阀A3；开启三通电磁阀C1和三通电磁阀E2，导通质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环与热交换器B6之间的管路，使冷却水经过热交换器B6将质子交换膜燃料电池PEMFC发电产生的热量散发到海水中；关闭三通电磁阀D5和三通电磁阀B4，使换能器8处于无热交换状态。水下滑翔器准备下潜时，需要改变其俯仰姿态，同时根据预定航行轨迹进行横滚姿态的调节，因此需控制俯仰姿态调整电机与横滚姿态调整电机运转，实现水下滑翔器的姿态调整。电磁阀和电机具有功率大、每次开启工作时间短的特点，可以视其为大功率间歇负载。除非必要，应避免这些大功率间歇负载同时运行。水下滑翔器准备下潜期间，断开开关P，超级电容器18的充电电路，使得质子交换膜燃料电池PEMFC停止向超级电容器18充电，但依然给滑翔器小功率持续负载16供电；然后，闭合开关Q，将放电回路导通，超级电容器18向水下滑翔器内大功率间歇负载17放电释能，满足滑翔器中电磁阀、俯仰电机和横滚电机等大负载正常工作的功率需求；当上述电器负载停止工作时，断开开关Q，闭合开关P，质子交换膜燃料电池PEMFC恢复向超级电容器18充电。
如图2所示，当水下滑翔器以稳定的姿态开始下潜直至预定深度过程中，本发明能源系统的工作状态。在此期间，使三通电磁阀D5和三通电磁阀B4处于开启状态，导通换能器8的热交换与热交换器A7之间的管路，换能器8中的热量通过热交换器A7散发到海水中，换能器8中的温敏材料实现液固相变，产生体积收缩，从而将内皮囊13中的液压油吸入换能器8的内壳体中。在此过程中，三通电磁阀C1和三通电磁阀E2保持开启状态，质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环与热交换器B6之间的管路维持导通，使冷却水经过热交换器B6将质子交换膜燃料电池PEMFC发电产生的热量散发到海水中。在此期间，由于大功率间歇负载17处于非工作状态，开关P保持闭合，质子交换膜燃料电池PEMFC向超级电容器18充电。
如图3所示，当水下滑翔器从预定深度准备上浮过程中，本发明能源系统的工作状态。在此期间，三通电磁阀A3开启，导通蓄能器9与外皮囊14之间的回路，蓄能器9内的液压油在蓄能器内已被压缩的N2压力的作用下，流入外皮囊14，达到水下滑翔器上浮需要的浮力变化量后，关闭三通电磁阀A3；此时，三通电磁阀C1和三通电磁阀E2仍保持开启状态，冷却水继续经过热交换器B6将质子交换膜燃料电池PEMFC发电产生的热量散发到海水中；关闭三通电磁阀D5和三通电磁阀B4，切断换能器8的热交换；除此之外，水下滑翔器准备上浮时，需要再次改变其俯仰姿态，同时进行横滚姿态的调节，因此滑翔器的俯仰电机与横滚电机再次运转，共同实现水下滑翔器的姿态调整。此时，断开开关P，将充电回路切断，质子交换膜燃料电池PEMFC停止向超级电容器18充电，然后，闭合开关Q，将放电回路导通，超级电容器18释放电能，驱动水下滑翔器的大功率间歇负载17工作；大功率间歇负载17完成工作后，断开开关Q，闭合开关P，质子交换膜燃料电池PEMFC向超级电容器18充电的回路重新导通，超级电容器18恢复至充电状态。
如图4所示，当水下滑翔器以稳定的姿态上浮至海洋表面过程中，本发明能源系统的工作状态。在此期间，首先开启三通电磁阀D5和三通电磁阀B4，然后切换三通电磁阀E2和三通电磁阀C1，导通质子交换膜燃料电池PEMFC与换能器8之间的管路，使质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却水通过换能器8，加热换能器8中的温敏材料，使温敏材料实现固液相变，产生体积膨胀，将换能器8的内壳体中的液压油压入蓄能器9内，压缩其中的N2，存储能量；与此同时，开关P保持闭合，质子交换膜燃料电池PEMFC向超级电容器18充电。
综上，本发明的能源系统即为水下滑翔器的电负载提供高效供电，又为水下滑翔器的温差热机提供稳定的优质热源，消除海洋温差品质与海洋热源不稳定的限制，使水下滑翔器具备全海域、低能耗、大航程作业能力。
尽管上面结合图示对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (1)
1.一种水下滑翔器能源系统的控制方法，其中，水下滑翔器能源系统包括：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、超级电容器(18)、温差热机和热交换器A(7)、热交换器B(6)；所述温差热机包括由管路连接的换能器(8)、蓄能器(9)、内皮囊(13)和外皮囊(14)；换能器(8)由圆筒形内、外耐压壳体构成，外壳体与内壳体之间为循环水，内壳体内装有热敏材料和液压油，热敏材料和液压油之间由密封隔板隔开，密封隔板随热敏材料体积变化在内壳体内轴向滑动；在内皮囊(13)与换能器(8)的内壳体之间设有单向阀A(10)，在换能器(8)的内壳体和蓄能器(9)之间设有单向阀B(11)；
所述热交换器A(7)和热交换器B(6)均位于水下滑翔器壳体的外部的机翼上；
所述换能器(8)的位置低于所述热交换器A(7)；
所述蓄能器(9)、内皮囊(13)和外皮囊(14)之间连接有三通电磁阀A(3)；
所述换能器(8)的循环水出口通过三通电磁阀B(4)、三通电磁阀C(1)和泵(15)连接至所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却循环水入口；所述换能器(8)的循环水入口通过三通电磁阀D(5)、三通电磁阀E(2)和露点加湿器(12)连接至所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却循环水出口；所述换能器(8)循环水出口通过所述三通电磁阀B(4)连接至热交换器A(7)的一端，所述换能器(8)的循环水入口通过所述三通电磁阀D(5)连接至热交换器A(7)的另一端；所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水入口通过泵(15)和三通电磁阀C(1)连接至热交换器B(6)的一端，所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却循环水出口通过所述露点加湿器(12)和所述三通电磁阀E(2)连接至热交换器B(6)的另一端；
水下滑翔器的小功率持续负载(16)直接由所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)供电；所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)通过开关P给一超级电容器(18)充电，所述超级电容器(18)通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载(17)供电；
所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)为水下滑翔器的小功率持续负载(16)持续地提供电能；同时，其额外的电能储存在超级电容器(18)中，发电所产生的余热驱动温差热机；
所述超级电容器(18)利用其储存的电能，向水下滑翔器的大功率间歇负载供电；
所述温差热机在质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电余热与冷海水间温差作用下，温差热机的热敏材料发生固液或液固相变，并产生体积膨胀或收缩，将温差能转化为机械能，从而驱动水下滑翔器产生滑翔运动；
其特征在于：
对上述水下滑翔器能源系统的控制方法包括以下过程：
当水下滑翔器从海洋表面准备下潜时，开启三通电磁阀A(3)，导通外皮囊(14)与内皮囊(13)之间的管路，外皮囊(14)内的液压油在环境压力作用下，流入内皮囊(13)，达到水下滑翔器下潜需要的浮力变化量后，关闭三通电磁阀A(3)；开启三通电磁阀C(1)和三通电磁阀E(2)，导通质子交换膜燃料电池(PEMFC)与热交换器B(6)之间的管路，使冷却水经过热交换器B(6)将质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电产生的热量散发到海水中；关闭三通电磁阀D(5)和三通电磁阀B(4)，换能器(8)处于无热交换状态；此时，断开开关P，切断超级电容器(18)的充电电路，使得质子交换膜燃料电池(PEMFC)停止向超级电容器(18)充电；然后，闭合开关Q，将放电回路导通，超级电容器(18)向水下滑翔器内大功率间歇负载(17)放电释能，满足滑翔器中电磁阀、俯仰电机和横滚电机正常工作的功率需求；当大功率间歇负载(17)完成工作时，断开开关Q，闭合开关P，质子交换膜燃料电池(PEMFC)恢复向超级电容器(18)充电；
在水下滑翔器以稳定的姿态开始下潜直至预定深度过程中，使三通电磁阀D(5)和三通电磁阀B(4)处于开启状态，导通换能器(8)的热交换与热交换器A(7)之间的管路，换能器(8)中的热量通过热交换器A(7)散发到海水中，换能器(8)中的温敏材料实现液固相变，产生体积收缩，从而将内皮囊(13)中的液压油吸入换能器(8)的内壳体中；在此过程中，三通电磁阀C(1)和三通电磁阀E(2)保持开启状态，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却循环与热交换器B(6)之间的管路维持导通，使冷却水经过热交换器B(6)将质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电产生的热量散发到海水中；保持开关P闭合，质子交换膜燃料电池(PEMFC)向超级电容器(18)充电；
当水下滑翔器从预定深度准备上浮时，三通电磁阀A(3)开启，导通蓄能器(9)与外皮囊(14)之间的回路，蓄能器(9)内的液压油在蓄能器内已被压缩的N2压力的作用下，流入外皮囊(14)，达到水下滑翔器上浮需要的浮力变化量后，关闭三通电磁阀A(3)；此时，三通电磁阀C(1)和三通电磁阀E(2)仍保持开启状态，冷却水继续经过热交换器B(6)将质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电产生的热量散发到海水中；关闭三通电磁阀D(5)和三通电磁阀B(4)，切断换能器(8)的热交换；除此之外，水下滑翔器准备上浮时，需要再次改变其俯仰姿态，同时进行横滚姿态的调节，因此滑翔器的俯仰电机与横滚电机再次运转，共同实现水下滑翔器的姿态调整；此时，断开开关P，将充电回路切断，质子交换膜燃料电池(PEMFC)停止向超级电容器(19)充电，然后，闭合开关Q，将放电回路导通，超级电容器(18)释放电能，驱动水下滑翔器的大功率间歇负载(17)工作；大功率间歇负载(17)完成工作后，断开开关Q，闭合开关P，质子交换膜燃料电池(PEMFC)向超级电容器(18)充电的回路重新导通，超级电容器(18)恢复至充电状态；
在水下滑翔器以稳定的姿态上浮至海洋表面过程中，首先开启三通电磁阀D(5)和三通电磁阀B(4)，然后切换三通电磁阀E(2)和三通电磁阀C(1)，导通质子交换膜燃料电池(PEMFC)与换能器(8)之间的管路，使质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却水通过换能器(8)，加热换能器(8)中的温敏材料，使温敏材料实现固液相变，产生体积膨胀，将换能器(8)的内壳体中的液压油压入蓄能器(9)内，压缩其中的N2，存储能量；与此同时，开关P保持闭合，质子交换膜燃料电池(PEMFC)向超级电容器(18)充电。
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