CN103803046A - 用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统 - Google Patents

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杨海
李光
冯观
孙攀
李为
王欣安
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Abstract

本发明公开了用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统，属于海洋工程技术领域。本发明包括：热机圆管、弹性圆管、蓄能器、A单向阀、B单向阀、三通阀、A弹性内胆、弹性外胆、B弹性内胆、常闭电磁阀、高压泵、电动机、逆变器、充放电控制器、锂离子电池、太阳电池阵列。当水下滑翔机航行于有稳定温跃层存在的海域时，由温差能提供推进动力；当水下滑翔机在航行中遭遇强海流且温差能动力不足时，由温差能和太阳能共同提供推进动力；当水下滑翔机航行于弱温差和逆温差环境时，由太阳能提供推进动力；该混合动力推进系统可在多种海况下保证水下滑翔机正常航行，扩大了其运行范围，并进一步增强了其续航力。

Description

用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统
 
技术领域
本发明涉及一种混合动力推进系统，特别是一种用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统。
 
背景技术
利用海洋温差能作为动力推进的水下滑翔机在航行时无需自身携带推进动力源，海洋温跃层上下的温差就是水下滑翔机的推进动力源。在有稳定温跃层存在的海域，温差能推进的水下滑翔机能够长时间地在水下执行任务，在军事探测和科学研究领域有着广泛的用途。然而，海洋温度垂直分布不断变动，经常形成弱温差和逆温差环境，从而造成温差能推进系统工作异常，进而导致水下滑翔机运行困难。
此外，现有水下滑翔机的速度相对较慢，最大水平速度大约为0.4 m/s，其设计航速是根据在航行海域中所估计的平均海流速度来确定的。实际航行海域中的海流速度是未知的，在不同的地方流速也不相同，特别是在靠近海面、海底水道和海峡处流速较高。对于低速航行的水下滑翔机来说，海流对它的影响就比较大。特别是遭遇强海流时，水下滑翔机的定位、航向保持和姿态调节都面临很大的挑战。这时需要水下滑翔机的动力推进系统提供更大的动力来增加其航速，使水下滑翔机能够安全穿越强海流区。现有水下滑翔机的温差能推进系统的热效率低、输出功率小，且在每个工作循环过程中水下滑翔机的最大浮力改变是固定的，无法进一步改变水下滑翔机的浮力来增加其航速。因此也无法保证水下滑翔机在强海流区稳定航行。
 
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统。该系统绿色环保，冗余度高，可靠性好；当水下滑翔机航行于有稳定温跃层存在的海域时，由温差能提供推进动力；当水下滑翔机在航行中遭遇强海流且温差能动力不足时，由温差能和太阳能共同提供推进动力；当水下滑翔机航行于弱温差和逆温差环境时，由太阳能提供推进动力；该混合动力推进系统可在多种海况下保证水下滑翔机正常航行，扩大了其运行范围，并进一步增强了其续航力。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统包括：热机圆管、弹性圆管、蓄能器、A单向阀、B单向阀、三通阀、A弹性内胆、弹性外胆、B弹性内胆、常闭电磁阀、高压泵、电动机、逆变器、充放电控制器、锂离子电池、太阳电池阵列。
热机圆管置于水下滑翔机耐压壳体底部，弹性圆管置于热机圆管内，弹性外胆设于水下滑翔机尾部导流罩内，太阳电池阵列设于水下滑翔机的水平机翼上表面及耐压壳体上部；蓄能器、A单向阀、B单向阀、三通阀、A弹性内胆、B弹性内胆、常闭电磁阀、高压泵、电动机、逆变器、充放电控制器、锂离子电池设于水下滑翔机耐压壳体内；弹性圆管通过B单向阀与蓄能器管路连接，同时通过A单向阀与A弹性内胆管路连接；蓄能器和A弹性内胆分别与三通阀的两端管路连接，三通阀的第三端与弹性外胆管路连接；B弹性内胆分别通过常闭电磁阀和高压泵与弹性外胆管路连接；高压泵与电动机通过电路连接，电动机与逆变器通过电路连接，充放电控制器分别与逆变器、锂离子电池、太阳电池阵列通过电路连接。
热机圆管内侧与弹性圆管外侧的夹层内设有工作介质，工作介质选用熔点为9.9℃的正十五烷；蓄能器的顶部充满了蓄能气体，蓄能气体选用氮气；弹性圆管内、蓄能器底部、A弹性内胆内、弹性外胆内和B弹性内胆内均充满了传输液体，传输液体选用熔点为-9.6℃的正十二烷。
本发明的有益效果：本发明所提供的温差能和太阳能混合动力推进系统绿色环保，冗余度高，可靠性好；当水下滑翔机航行于有稳定温跃层存在的海域时，由温差能提供推进动力；当水下滑翔机在航行中遭遇强海流且温差能动力不足时，由温差能和太阳能共同提供推进动力；当水下滑翔机航行于弱温差和逆温差环境时，由太阳能提供推进动力；该混合动力推进系统可在多种海况下保证水下滑翔机正常航行，扩大了其运行范围，并进一步增强了其续航力。
 
附图说明
图1是本发明的原理图。
图2是本发明中热机圆管和太阳电池阵列的布置示意图。
图中：1.热机圆管、2.弹性圆管、3.蓄能器、4.A单向阀、5.B单向阀、6.三通阀、7.A弹性内胆、8.弹性外胆、9.B弹性内胆、10.常闭电磁阀、11.高压泵、12.电动机、13.逆变器、14.充放电控制器、15.锂离子电池、16.太阳电池阵列。
 
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1、图2所示，本发明包括：热机圆管1、弹性圆管2、蓄能器3、A单向阀4、B单向阀5、三通阀6、A弹性内胆7、弹性外胆8、B弹性内胆9、常闭电磁阀10、高压泵11、电动机12、逆变器13、充放电控制器14、锂离子电池15、太阳电池阵列16。
热机圆管1数量为4根，每根长2250 mm、内径30 mm，置于水下滑翔机耐压壳体底部。弹性圆管2置于热机圆管1内，弹性外胆8装于水下滑翔机尾部导流罩内，太阳电池阵列16装于水下滑翔机的水平机翼上表面和耐压壳体上部。蓄能器3、A单向阀4、B单向阀5、三通阀6、A弹性内胆7、B弹性内胆9、常闭电磁阀10、高压泵11、电动机12、逆变器13、充放电控制器14、锂离子电池15装于水下滑翔机耐压壳体内，耐压壳体内压力为三分之二个大气压。弹性圆管2通过B单向阀5与蓄能器3管路连接，同时通过A单向阀4与A弹性内胆7管路连接。蓄能器3和A弹性内胆7分别与三通阀6的两端管路连接，三通阀6的第三端与弹性外胆8管路连接。B弹性内胆9分别通过常闭电磁阀10和高压泵11与弹性外胆8管路连接。高压泵11与电动机12通过电路连接，电动机12与逆变器13通过电路连接，充放电控制器14分别与逆变器13、锂离子电池15、太阳电池阵列16通过电路连接。
热机圆管1内侧与弹性圆管2外侧的夹层内置有工作介质，工作介质选用熔点为9.9℃的正十五烷；蓄能器3的顶部充满了蓄能气体，蓄能气体选用氮气；弹性圆管2内、蓄能器3底部、A弹性内胆7内、弹性外胆8内和B弹性内胆9内均充满了传输液体，传输液体选用熔点为-9.6℃的正十二烷。
当水下滑翔机位于海面时，太阳电池阵列16将太阳辐射能转换为电能，充放电控制器14将电能送往锂离子电池15中存储起来，并对锂离子电池15起到过充电和过放电保护的作用。
在有稳定温跃层存在的海域，水下滑翔机由温差能推进系统提供动力。在温暖的海面上，工作介质是膨胀的液体，蓄能气体被压缩，弹性外胆8膨胀。打开三通阀6，使弹性外胆8中的传输液体流入A弹性内胆7，水下滑翔机体积减小、浮力减小，并开始下潜。
当水下滑翔机进入冷水层时，工作介质放热、凝固、收缩，弹性圆管2通过A单向阀4从A弹性内胆7中吸入传输液体。
当水下滑翔机到达预定海洋深处时，打开三通阀6，让蓄能器3底部受压的传输液体流入弹性外胆8，水下滑翔机体积增加、浮力增加，并开始上浮。
当水下滑翔机进入暖水层时，工作介质吸热、熔化、膨胀，将传输液体从弹性圆管2中压入蓄能器3，蓄能气体被压缩。
当水下滑翔机再次到达海面达到下潜之前的平衡时，温差能推进系统完成一个工作循环。
到达海面时，水下滑翔机与控制中心进行无线通信，与此同时，太阳电池阵列16再次将太阳辐射能转换为电能并送往锂离子电池15中存储起来。
当水下滑翔机航行于弱温差和逆温差环境而温差能推进系统无法正常工作时，水下滑翔机由太阳能推进系统提供动力。打开常闭电磁阀10，使弹性外胆8中的传输液体流入B弹性内胆9，水下滑翔机体积减小、浮力减小，并开始下潜。
当水下滑翔机到达预定海洋深处时，充放电控制器14使锂离子电池15放电，逆变器13将直流电转换成交流电以驱动电动机12，电动机12推动高压泵11使B弹性内胆9中的传输液体泵入弹性外胆8，水下滑翔机体积增加、浮力增加，并开始上浮。
到达海面时，水下滑翔机与控制中心进行无线通信，与此同时，太阳电池阵列16再次将太阳辐射能转换为电能并送往锂离子电池15中存储起来。
当水下滑翔机遭遇强海流且温差能推进系统无法提供足够动力时，水下滑翔机由温差能推进系统和太阳能推进系统共同提供动力。

Claims (3)

1.一种用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统，其特征在于：包括热机圆管(1)、弹性圆管(2)、蓄能器(3)、A单向阀(4)、B单向阀(5)、三通阀(6)、A弹性内胆(7)、弹性外胆(8)、B弹性内胆(9)、常闭电磁阀(10)、高压泵(11)、电动机(12)、逆变器(13)、充放电控制器(14)、锂离子电池(15)、太阳电池阵列(16)；热机圆管(1)置于水下滑翔机耐压壳体底部，弹性圆管(2)置于热机圆管(1)内，弹性外胆(8)设于水下滑翔机尾部导流罩内，太阳电池阵列(16)设于水下滑翔机的水平机翼上表面及耐压壳体上部；蓄能器(3)、A单向阀(4)、B单向阀(5)、三通阀(6)、A弹性内胆(7)、B弹性内胆(9)、常闭电磁阀(10)、高压泵(11)、电动机(12)、逆变器(13)、充放电控制器(14)、锂离子电池(15)设于水下滑翔机耐压壳体内；弹性圆管(2)通过B单向阀(5)与蓄能器(3)管路连接，同时通过A单向阀(4)与A弹性内胆(7)管路连接；蓄能器(3)和A弹性内胆(7)分别与三通阀(6)的两端管路连接，三通阀(6)的第三端与弹性外胆(8)管路连接；B弹性内胆(9)分别通过常闭电磁阀(10)和高压泵(11)与弹性外胆(8)管路连接；高压泵(11)与电动机(12)通过电路连接，电动机(12)与逆变器(13)通过电路连接，充放电控制器(14)分别与逆变器(13)、锂离子电池(15)、太阳电池阵列(16)通过电路连接。
2.按照权利要求1所述的用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统，其特征在于：所述的热机圆管(1)内侧与弹性圆管(2)外侧的夹层内设有工作介质。
3.按照权利要求2所述的用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统，其特征在于：所述的工作介质选用熔点为9.9℃的正十五烷。
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