CN105889144A - 一种海洋温差能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能型海洋温差能发电装置，包括：外油囊；相变腔体；设置在相变腔体内相变处液压油囊；通过带有第一油路与相变液压处油囊连接的蓄能器；通过依次带有三个液控截止式换向阀、马达和第二单向阀的第二油路与蓄能器连接的辅助油囊；所述相变处液压油囊同时通过三油路与辅助油囊连接；以及与马达连接的发电单元。本发明所发电能完全来自于不同水深之间的温差能，发电过程控制完全利用管路压力，所发电压稳定，由于不需要任何电磁阀进行控制因此得以在不消耗电能的前提下发电并储存，提高了水下用电设备的使用时间，本发明中的控制全部直接来自液压管路的油压，没有采用传统的压力传感器及电控设备，节省成本并提高了系统的可靠性。

Description

一种海洋温差能发电装置
技术领域
本发明涉及海洋温差能发电装置，尤其是一种节能型海洋温差能发电装置。
背景技术
海洋剖面运动设备是人们研究和探测海洋的重要工具。长期持续地在海洋中工作的监测设备传统上都是采用锂电池供电，然而锂电池的能耗有相当一部分用于设备的驱动与控制，极大的降低了剖面运动设备的使用寿命。目前已经有采用相变材料应用温差能发电的装置，但其对发电的控制依靠电磁阀来完成，电磁阀几十瓦的能耗对于这种在海洋中长期值守的剖面运动设备来说依然过大。另一方面，电磁阀一般都由单片机通过电磁继电器进行控制，一旦发生问题便会导致设备故障，降低了设备的可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对现有温差能发电装置在控制方式以及能耗上的不足，提出一种结构简洁、运行可靠的节能型海洋温差能发电装置。
一种节能型海洋温差能发电装置，包括：
外油囊；
盛放有固液相变材料与密封液体的相变腔体；
设置在相变腔体内被所述密封材料包覆的相变处液压油囊；
通过带有第一单向阀的第一油路与所述相变处液压油囊连接的蓄能器；
通过依次带有三个液控截止式换向阀、马达和第二单向阀的第二油路与所述蓄能器连接的辅助油囊；
所述相变处液压油囊同时通过带有第三单向阀的第三油路与所述辅助油囊连接；
以及与所述马达输出端连接的发电单元；
所述一个液控截止式换向阀受控于所述辅助油囊；其余两个液控截止式换向阀均受控于所述外油囊，仅在设定压力区间内两者同时导通；
所述外油囊、相变腔体设置在一密封腔体外，其余部件和油路设置在该密封腔体内。
本发明中，第二油路上的三个液控截止式换向阀的功能相对独立，其在第二油路上设置的相对位置无严格限制。
本发明中，受辅助油囊控制的液控截止式换向阀为常闭阀门，仅在辅助油囊压力大于设定压力时才断开；其余两个受外油囊控制的液控截止式换向阀一个为常闭阀门，一个为常开阀门，仅在外油囊压力满足要求的时候，两者才均处于闭合状态，此时若受辅助油囊控制的液控截止式换向阀闭合，则启动发电模式。设备下降时，辅助油囊压力较大，受辅助油囊控制的液控截止式换向阀断开，第二油路断开；设备上升时，辅助油囊压力较小，受辅助油囊控制的液控截止式换向阀导通，上升到发电区间(如图2所示)下限时，外油囊控制的常闭阀门闭合(在发电区间下限之下时，外油囊压力大于此阀弹簧力，此阀一直被断开)，上升到发电区间上限时，外油囊控制的常开阀门断开(在发电区间上限之下时，外油囊压力大于此阀弹簧力，此阀一直被闭合)。
本发明中，阀门闭合是指油液可以流通此阀，阀门断开是指油液不可以流通此阀；常开、常闭是指阀在只受弹簧力作用时的状态，常闭是指油液可以流通此阀，常开是指油液无法流通此阀。
作为优选，所述马达入口的第二油路上设有调速阀。
作为优选，所述发电单元包括与马达依次设置的发电机、DC-DC模块、充电管理模块和锂电池组。
作为优选，所述辅助油囊与其控制的液控截止式换向阀之间的控制油路上设有节流孔。
作为优选，所述外油囊与其控制的两个液控截止式换向阀之间的油路上设有节流孔。
作为优选，所述相变腔体和相变处液压油囊为多组。
作为优选，固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷或相变温度为18±2℃的温度敏感性水凝胶。其相变温度均处于上层海水与底层海水温度之间，固液相变时体积变化8-10％。相变材料为正十六烷时，密封液体选用与其不溶的水，相变材料凝固收缩时由水填补凝固所产生的空间，正十六烷密度小于水，因此相变处液压油囊安装在相变腔体的下侧；相变材料为温敏性水凝胶时，密封液体选用与其不溶且凝固点为-9.6℃的正十二烷，相变材料凝固收缩时由正十二烷填补凝固所产生的空间，温敏性水凝胶密度大于正十二烷，因此相变处液压油囊安装在相变腔体的上侧。作为更进一步优选，所述固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷；密封液体选用水。
作为优选，所述辅助油囊控制的液控截止式换向阀的弹簧力设定值高于相变材料完全冷凝收缩将辅助油囊油液吸收后辅助油囊的压力值、且略低于蓄能器完全充液至辅助油囊后辅助油囊的压力值。作为优选，设备在浅层高水温区时辅助油囊内便充满油液，此时密封腔体内为氮气压力较高，因此能保证下沉阶段主油路断开，设备不发电；深水低温区相变材料完全冷凝收缩将辅助油囊内油液吸走后，氮气压力降低，因此上升阶段此阀导通。
作为优选，所述外油囊控制的两个液控截止式换向阀中位机能相反，且两个截止式换向阀弹簧力设定值不相同，外油囊压力在上述两弹簧力设定值之间时两阀同时导通，其他压力时一通一闭。上述三个液控截止式换向阀全部导通即设备在上升阶段且处于某一深度区间之内时，主油路导通且开始发电。
本发明中，相变处液压油囊安装在相变腔体内，相变腔体内的空余部分装满固液相变材料与密封液体，外油囊、相变腔体暴露在海水中，其他零件及管路密封在密封腔体之内；相变处液压油囊通过单向阀与蓄能器连接，蓄能器通过三个不同功能的液控截止式换向阀连接调速阀，调速阀连接定量马达，油液通过单向阀回辅助油囊，最后通过单向阀回相变处液压油囊；外油囊通过节流孔分别连接进油路上的两个截止式换向阀的控制腔、辅助油囊经节流孔连接其控制的截止式换向阀的控制腔。定量马达通过联轴器连接永磁同步直流发电机，产生的电能通过DC-DC模块及充电管理电路储存进锂电池组。
本发明中，密封液体与液压油之间由液压油囊隔断，液压油囊通过密封圈以静密封形式安装在相变腔内。与传统的活塞式的动密封相比具有更好的密封性能。
本发明中，由于在深水区水温较低，因此设备液压油选用低粘度液压油。由于相变处油囊从辅助油囊吸液及蓄能器给辅助油囊充液时，辅助油囊有压力波动，外油囊受海水波浪等影响压力也会产生波动，为减小压力波动对截止式换向阀控制腔压力的影响，添加了节流孔。
本发明中，涉及到的“第一”“第二”“第三”仅仅是用于区别两个或多个部件或油路，对这些部件或油路的功能和顺序等均没有限定作用。
与现有技术相比，本发明的优势如下：
本发明的设备可以在上浮过程的某个深度区间内发电，因此在设备需要上浮前蓄能器仍然为高压，为设备的浮力调节驱动提供了可能性；所发电能完全来自于不同水深之间的温差能，发电过程控制完全利用管路压力，由于不需要任何电磁阀进行控制因此节省了电能；调速阀的使用使得发电机转速稳定，因此所发电压稳定，便于电能的管理与储存；本发明中的控制全部直接来自液压管路的油压，没有采用传统的压力传感器及电控设备，节省了成本并提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为一种节能型海洋温差能发电装置原理图
图2为设备在海中布置方式示意图。
上述附图中：
1、相变腔体；2、固液相变材料；3、相变处液压油囊；4、单向阀；5、辅助油囊密封腔；6、辅助油囊；7、单向阀；8、永磁同步直流发电机；9、联轴器；10、定量马达；11、调速阀；12、液控截止式换向阀；13、液控截止式换向阀；14、液控截止式换向阀；15、液压油；16、蓄能器；17、单向阀；18、外油囊；19、节流孔；20、节流孔；21a、第一油路；21b、第二油路；21c、第三油路；22、密封液体。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，本发明的一种节能型海洋温差能发电装置，其特征是包括：密封腔体、相变腔体1、固液相变材料2、密封液体22、相变处液压油囊3、3个单向阀(分别为单向阀4、单向阀7和单向阀17)、蓄能器16、主油路、2个节流孔(分别为节流孔19和节流孔20)、3个液控截止式换向阀(分别为液控截止式换向阀12、液控截止式换向阀13、液控截止式换向阀14)、调速阀11、辅助油囊6、辅助油囊密封腔5、外油囊18、定量马达10、联轴器9、永磁同步直流发电机8、DC-DC模块、充电管理模块、锂电池组。
相变处液压油囊3安装在相变腔体1内，相变腔体1内的空余部分装满固液相变材料2与密封液体22，相变处液压油囊3被密封液体22包围，本发明中，相变腔体1和相变处液压油囊3均为两个。其中，固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷,其相变温度处于上层海水与底层海水温度之间，其固相密度835Kg/m3,液相密度为770.1Kg/m3，固液相变时体积变化8％，密封液体选用水，相变材料凝固时由水填补凝固所产生的空间。外油囊18、相变腔体1暴露在海水中，其他零件及管路密封在密封腔体之内。
本发明中，外控式顺序阀和截止式换向阀均采用液控式结构，通过外设的液体压力变化实现对其工作状态的控制。
主油路由第一油路、第二油路和第三油路组成，一般采用液压管路或集成块内打孔的形式实现各部件之间的连接：
第一油路21a：相变处液压油囊3通过单向阀17与蓄能器16连接；
第二油路21b：蓄能器16通过三个不同功能的液控截止式换向阀14、液控截止式换向阀13、液控截止式换向阀12连接调速阀11，调速阀11连接定量马达10入口，定量马达10出口油液通过单向阀7流回辅助油囊6；液控截止式换向阀14、液控截止式换向阀13、液控截止式换向阀12在第二油路21b上的安装顺序不需要严格控制，可根据实际需要调整；
第三油路21c：辅助油囊6通过单向阀4流回相变处液压油囊3；
控制油路：外油囊18通过节流孔19分别连接进油路上的2个截止式换向阀的控制腔；辅助油囊6经节流孔20连接截止式换向阀14的控制腔。
定量马达10通过联轴器9连接永磁同步直流发电机8，产生的电能通过DC-DC模块及充电管理电路储存进锂电池组。
相变处液压油囊3压力小于辅助油囊6压力时单向阀4导通；辅助油囊6内压力小于蓄能器16内压力时(其他阀门同时满足导通要求)单向阀7导通；相变处液压油囊3内压力大于蓄能器16时，单向阀17导通。
本实施例中，由于在深水区水温较低，因此设备液压油选用低粘度液压油。相变处液压油囊从辅助油囊吸液及蓄能器给辅助油囊充液时，辅助油囊有压力波动，外油囊受海水波浪等影响压力也会产生波动，为减小压力波动对截止式换向阀控制腔压力的影响，添加了两个节流孔。
本实施例中，密封液体22与液压油15之间由相变处液压油囊3隔断，液压油囊通过密封圈安装在相变腔体1上，其密封方式为静密封与传统的活塞式的动密封相比具有更好的密封性能。
本实施例中，设备在浅层高水温区时辅助油囊6内便充满油液，此时密封腔5内为氮气且压力较高，相变材料2完全冷凝收缩将辅助油囊内油液吸走后，氮气压力减低。
本实施例中，实际设计时，液控截止式换向阀14的弹簧力设定值高于相变材料2完全冷凝收缩将辅助油囊6油液吸收后辅助油囊6的压力值、且略低于蓄能器16完全充液至辅助油囊6后辅助油囊的压力值，这里的“略低”是指蓄能器16完全充液至辅助油囊6时刚好能够促使液控截止式换向阀14断开；以能保证，液控截止式换向阀12、液控截止式换向阀13同时导通时，蓄能器的油持续进入辅助油囊中。由于下沉阶段辅助油囊6充满油液压力较高，因此能保证下沉阶段主油路断开，设备不发电；深水低温区相变材料冷凝，辅助油囊油液减少压力降低，因此上升阶段此阀导通。
液控截止式换向阀13与液控截止式换向阀12中位机能相反，且液控截止式换向阀12弹簧力设定值高于液控截止式换向阀13弹簧力设定值，外油囊18压力在上述两弹簧力设定值之间时两阀同时导通，其他压力时一通一闭。上述三个液控截止式换向阀全部导通即设备在上升阶段且处于某一深度区间之内时，主油路导通且开始发电。
如图2所示，一种节能型海洋温差能发电装置的工作原理如下：
初始状态：设备在浅层海水中时辅助油囊6内充满液压油，压力较高，因此液控截止式换向阀14左位为工作位，处于截止状态。由于浅层海水温度高于材料相变温度，相变材料融化膨胀升压，因此单向阀4关闭，单向阀17导通，油囊3中的高压油充液至蓄能器16中，随着相变材料融化，蓄能器16压力逐渐升高直至相变材料完全融化。
本发明的发电装置在搭载发电装置的设备驱动下沿缆绳下沉，在温跃层，水温逐渐降低，由于固液相变材料导热系数很低，因此固液相变材料2缓慢冷凝收缩，当相变处液压油囊3压力低于辅助油囊6内压力时，油液从辅助油囊6经单向阀4流入相变处液压油囊3，因辅助油囊6内油液减少，其压力降低，液控截止式换向阀14右位进入工作因此导通。
外油囊18压力由水深决定，因此当本发明的发电装置上升至液控截止式换向阀12与液控截止式换向阀13弹簧力设定范围区间时，两阀全部导通，蓄能器16内的高压油经三个截止式换向阀进入调速阀11，最后推动马达10转动。由于油液流出，蓄能器压力降低，调速阀通过检测节流口两侧压差自动调节节流口大小，维持流速恒定，马达为定量马达，因此转速恒定，永磁同步直流发电机恒压发电。油液从马达10的出油口经单向阀7进入辅助油囊6，辅助油囊6压力逐渐升高直至将截止式换向阀14关闭。上升过程中水温逐渐升高，当水温高于相变温度时，相变材料融化，再次进入初始状态，至此一个循环完成。
针对不同需要，可通过调整液控截止式换向阀12与液控截止式换向阀13弹簧力范围区间，同时配合外油囊18的在不同海水深处的压力值，可实现在所需要的海水深度范围内进行发电。
上述实施例是仅在上升阶段特定深度区域进行发电，本领域技术人员也可根据需要，对液控截止式换向阀12、液控截止式换向阀13、液控截止式换向阀14进行设计，实现在下降阶段的特定深度区域进行发电。或者也可通过优化，实现在下降和上升阶段的特定深度进行发电。
本发明所发电能完全来自于不同水深之间的温差能，发电过程控制完全利用管路压力，所发电压稳定，由于不需要任何电磁阀进行控制因此得以在不消耗电能的前提下发电并储存，提高了水下用电设备的使用时间，本发明中的控制全部直接来自液压管路的油压，没有采用传统的压力传感器及电控设备，节省了成本并提高了系统的可靠性。

Claims (10)

1.一种海洋温差能发电装置，其特征在于，包括：
外油囊；
盛放有固液相变材料与密封液体的相变腔体；
设置在相变腔体内被所述密封液体包覆的相变处液压油囊；
通过带有第一单向阀的第一油路与所述相变处液压油囊连接的蓄能器；
通过依次带有三个液控截止式换向阀、马达和第二单向阀的第二油路与所述蓄能器连接的辅助油囊；
所述相变处液压油囊同时通过带有第三单向阀的第三油路与所述辅助油囊连接；
以及与所述马达输出端连接的发电单元；
其中一个液控截止式换向阀受控于所述辅助油囊；其余两个液控截止式换向阀均受控于所述外油囊，仅在设定压力区间内两者同时导通；
所述外油囊、相变腔体设置在一密封腔体外，其余部件和油路设置在该密封腔体内。
2.根据权利要求1所述的海洋温差能发电装置，其特征在于，所述马达入口的的第二油路上设有调速阀。
3.根据权利要求1所述的海洋温差能发电装置，其特征在于，所述发电单元包括与马达依次设置的发电机、DC-DC模块、充电管理模块和锂电池组。
4.根据权利要求1所述的海洋温差能发电装置，其特征在于，所述辅助油囊与其所控制的液控截止式换向阀之间的控制油路上设有节流孔；所述外油囊与其所控制的液控截止式换向阀之间的油路上设有节流孔。
5.根据权利要求1所述的节能型海洋温差能发电装置，其特征在于，所述相变腔体和相变处液压油囊为多组。
6.根据权利要求1-5任一项所述的节能型海洋温差能发电装置，其特征在于，固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷或相变温度为18±2℃左右的温度敏感性水凝胶。
7.根据权利要求1-5任一项所述的节能型海洋温差能发电装置，其特征在于，相变材料为正十六烷时，密封液体为水；相变材料为温度敏感性水凝胶时，密封液体为正十二烷。
8.根据权利要求7所述的节能型海洋温差能发电装置，相变材料为正十六烷时，相变处液压油囊安装在相变腔体的下侧，相变材料为温度敏感性水凝胶时，相变处液压油囊安装在相变腔体的上侧。
9.根据权利要求1-5任一项所述的节能型海洋温差能发电装置，其特征在于，所述辅助油囊控制的液控截止式换向阀的弹簧力设定值高于相变材料完全冷凝收缩将辅助油囊油液吸收后辅助油囊的压力值、且略低于蓄能器完全充液至辅助油囊后辅助油囊的压力值。
10.根据权利要求1-5任一项所述的节能型海洋温差能发电装置，其特征在于，所述外油囊控制的两个液控截止式换向阀中位机能相反，且两个截止式换向阀的弹簧力设定值不相同。
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