CN106114783B - 利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，多功能翼面对称安装在潜水器壳体两侧，多功能翼面内部存储相变工质和传输液体，相变工质采用在海洋温度梯度和深海压差变化范围内能实现固液相变的工质，通过相变过程体积的变化控制多功能翼面内传输液体的传输；多功能翼面根部安装外胆，外胆内存储传输液体；蓄能腔内存储工作气体及传输液体；三通阀控制进出外胆的传输液体的流入和流出方向；单向阀控制经内胆与多功能翼面及蓄能腔内传输液体的流入或流出；安全阀控制多功能翼面内的传输液体达到预设的出口压力时流入发电机，止回阀控制发电机的进口压力；蓄电池上连发电机，下连测控设备和探测设备。

Description

利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统
技术领域
本发明涉及一种新型无人潜水器系统，特别是涉及一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，可作为长航时、远航程深海探索和海洋环境监测的重要手段。同时，该系统也可用于深空探测领域，在未来类行星表面深海环境探测方面发挥重要作用。
背景技术
海洋战略对国民经济和国家安全具有十分重要的战略意义。作为深海探索的必备工具之一，无人潜水器越来越受到各国的关注。与传统的螺旋桨推进无人潜水器相比，作为一类新型的无人潜水器，水下滑翔机非常安静，并通过自身浮力改变和姿态调节沿锯齿型路径航行。常规无人潜水器(包括水下滑翔机)能源能量密度低，续航能力差，要求潜水器在海下工作阶段定时浮上水面进行人工补充动力能源，极大地限制了潜水器的航行广度和深度。
海洋表层和深层水温存在明显差异性，导致其蕴藏着巨大的热力位能，称为海洋温差能，或称海洋热能。海洋水温大体上随深度的增加呈不均匀递减，暖水只限于较薄的近表层之内，其下便是温度铅直梯度较大的水层，在不太厚的深度内，水温迅速递减，此层即为主温跃层。海洋表层暖水区和深入冷水区的温差大约在20度左右。
利用海洋温差能解决长航时无人潜水器面临的动力和能源问题一直是国内外研究的热点。目前，主要应用海洋温差能为无人潜水器提供浮力或电力供应，其主要原理是利用海洋温差能实现相变工质的状态变化，产生体积变化，从而进行压缩或膨胀做功，产生浮力或发电。在提供浮力方面，最早由Webb研究公司提出，主要利用石蜡固液相变推进活塞(U.S.Patent 5,291,847)或储液胆体积变化产生浮力或利用氨水或氟利昂21汽液相变(U.S.Patent 5,303,552)促使液压油内外流动产生浮力。在利用海洋温差能无人潜水器发电方面，主要有美国JPL公司提出的利用海洋温差能实现CO2汽液相变透平发电和石蜡固液相变推动活塞刨齿机发电概念。
然而，上述思路和概念仅考虑海洋温差能的单一用途，或单纯提供浮力，实现无人潜水器的浮潜滑翔控制；或单纯实现发电，解决无人潜水器的能源供应。对于单纯利用海洋温差能提供浮力，仅能解决无人潜水器动力推进问题，而还需40％左右的额外电能供应有效载荷；对于单纯利用海洋温差能发电，其所产生的电能还需满足无人潜水器浮潜动力推进消耗，是否能实现真正意义上的无能源推进无人潜水器目标尚需深入研究。因此，只有将基于海洋温差能的浮力、发电功能有机结合，才能从根本上解决无人潜水器浮潜滑翔的动力问题、长航时的能源供应难题，无需携带额外能源和定期补给，实现真正意义的长航时、远航程、浮潜滑翔控制能力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于海洋温差能发电和浮潜滑翔控制无人潜水器系统，使无人潜水器真正摆脱外部动力和能源限制，具备长航时、远航程、浮/潜滑翔控制能力。
本发明进一步的解决问题是：能够提供机动巡航功能，实现应急快速机动。
本发明的技术解决方案是：一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，包括潜水器壳体、多功能翼面、蓄能腔、外胆、内胆、三通阀、单向阀、安全阀、止回阀、蓄电池；
多功能翼面对称安装在潜水器壳体两侧，多功能翼面内部存储相变工质和传输液体，相变工质采用在海洋温度梯度和深海压差变化范围内能实现固液相变的工质，通过相变过程体积的变化控制多功能翼面内传输液体的传输；多功能翼面根部安装外胆，外胆内存储传输液体；蓄能腔内存储工作气体及传输液体；三通阀控制进出外胆的传输液体的流入和流出方向；单向阀控制经内胆与多功能翼面及蓄能腔内传输液体的流入或流出；安全阀控制控制多功能翼面内的传输液体的达到预设的出口压力时流入发电机，止回阀控制发电机的进口压力；蓄电池上连发电机，下连测控设备和探测设备。
还包括尾部推进器；当无人潜水器需要快速机动时，蓄电池向尾部推进器供电，无人潜水器进入水平快速机动运行状态。
所述安全阀起蓄积压强作用，将多功能翼面内的传输液体蓄积至设定压强后流入发电机，安全阀的打开压差设定为MPa级。
所述的多功能翼面包括翼面外框体、移动活塞和导流孔；
移动活塞之间内腔存储传输液体，相变工质对称存储于移动活塞与翼面外框体之间的空间内；翼面外框体底部设置导流孔，多功能翼面内的传输液体经导流孔与传输管路连接。
内胆和外胆由柔性织物材料制成。
通过三个三通阀即第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀实现控制进出外胆的传输液体的流入和流出方向的功能、通过三个单向阀，即第一单行阀、第二单向阀、第三单向阀实现控制经内胆与多功能翼面及蓄能腔内传输液体的流入或流出的功能。
蓄能腔通过传输管路连接第三单向阀的进油端，该单向阀的出口端连接安全阀，安全阀的另一端连接第二单向阀的出口端，第二单向阀-的进油端接入传输管路，止回阀的一端接入第三单向阀与安装法之间，另一端连接发电机，三个三通阀星形连接后，第一三通阀和第二三通阀的另一个口串联后连接内胆，内胆连接第一单向阀的进油端，第一单向阀的出口端接入传输管路；第一三通阀和第二三通阀的第三个口分别与两个外端连通；第三单向阀-的另一口接入蓄能腔，第三个口连接发电机；多功能翼面内的传输液体通过管路接入传输管路中。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明提出的无人潜水器具有海洋温差能发电、产生浮力和机动巡航三重功能，真正实现无人潜水器外部能源零携带和零补给，系统原理和工作过程清晰；本发明提出的无人潜水器系统引入多功能翼面结构，系统更加紧凑、结构利用效率更高；本发明通过海洋温差能发电并利用蓄电池有效存储，可以通过蓄电池存储电能带动尾部推进器，实现无人潜水器应急快速机动，提高了系统的可控性、机动性和生存力。
(2)本发明提出的发电装置布位于传输液体8压差较大的蓄能腔4回流至外胆5和多功能翼面3回流至蓄能腔4的传输管路上，可获取的传输液体8流动速度更大，发电效率更高。
(3)本发明提出在多功能翼面3回流蓄能腔4的传输管路上布置一定压差的安全阀12，以提高此传输管路上传输液体8的蓄积压差，从而提高其流动速率，最终提高发电装置的发电效率。
(4)本发明提出在蓄能腔4内利用压缩工作气体7储存压缩势能，当潜水器系统需要上浮时，可作为动力源，驱动传输液体8快速回流至外胆；此外，高压高速传输液体8也可经发电装置高效率产生电能。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明多功能翼面内部结构图；
图3a-3d为本发明潜水器工作过程示意图，其中分别为浅层暖水区平衡状态、下潜过程、上浮过程、回归浅层暖水区平衡状态。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做详细说明，具体如下：
如图1所示，利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制无人潜水器系统主要包括1为潜水器壳体，2为尾部推进器，3为多功能翼面，4为蓄能腔，5为外胆，6为内胆，7为工作气体，8为传输液体，9为相变工质，10为三通阀，11为单向阀，12为安全阀，13为止回阀，14为发电机，15为蓄电池，16为测控设备，17为探测设备，18为传输管路，19为传导线路。其中，多功能翼面3主要包括20为移动活塞，21为上盖板，22为下盖板，23为导流孔，如图2所示。
潜水器壳体1采用低阻力外形和高承压材质(例如硬铝合金)；尾部推进器2布置在壳体尾部，主要起矢量推进作用；多功能翼面3外形采用固定垂直翼型，不但具备常规翼面平衡、提供浮力等功能，同时，其还作为相变工质9和传输液体8的储存舱，由上盖板21和下盖板22组成封闭体系，相变工质9的体积变化通过移动活塞20传递到传输液体8，传输液体8经导流孔23与传输管路18连接；内胆6和外胆5由柔性织物材料(尼龙织物)制成，具备一定压差承载能力，主要起到储存传输液体8和改变潜水器有效浮升体积的作用；
阀门包括三个三通阀10(10-1、10-2和10-3)、三个单向阀11(11-1、11-2和11-3)、止回阀13和安全阀12。蓄能腔4通过传输管路连接第三单向阀11-3的进油端，该单向阀11-3的出口端连接安全阀12，安全阀12的另一端连接第二单向阀11-2的出口端，第二单向阀11-2的进油端接入传输管路18，止回阀13的一端接入第三单向阀11-3与安装法12之间，另一端连接发电机14，三个三通阀星形连接后，第一三通阀10-1和第二三通阀10-2的另一个口串联后连接内胆6，内胆6连接第一单向阀11-1的进油端，第一单向阀11-1的出口端接入传输管路18；第一三通阀10-1和第二三通阀10-2的第三个口分别与两个外端连通；第三三通阀10-3的另一口接入蓄能腔4，第三个口连接发电机；多功能翼面3内的传输液体通过管路接入传输管路18中。
其中，三通阀10-1、10-2控制进出外胆5传输液体8的流入和流出方向；三通阀10-3控制蓄能腔4与外胆5之间传输液体8的流入和流出方向；单向阀11-1控制经内胆6与多功能翼面3内传输液体8的流入；单向阀11-2控制经多功能翼面3传输至发电机14和蓄能腔4内的传输液体8的流入；单向阀11-3控制蓄能腔4内传输液体8流入发电机14，并最终回流至外胆5；止回阀13控制发电机14的进口压力，提高发电效率。安全阀12控制多功能翼面3内的传输液体8的达到一定出口压力时流入发电机14；相变工质9采用在海洋温度梯度和深海压差变化范围内能实现固-液相变的工质，如石蜡等，主要是在相变过程中提供体积变化来源；传输液体8可考虑采用适应不同环境、流动性优良的液压油，主要起到传递能量并推动发电机14发电功能；工作气体7一般选用惰性气体，如氮气等，主要储存体积变化导致的压缩内能；发电机14布置的传输液体8主回路上，通过止回阀13控制进口压力，提高发电效率；蓄电池15上连发电机14，下连测控设备16和探测设备17，为其提供电能输出。测控设备16主要包括外部测控指令收发、内部各种温度、压强、储放电能力监测以及潜水器工作姿态监测等；探测设备17主要包括各种有效载荷，如海底形貌测试载荷、海洋盐度测试载荷等。系统传输液体8运行回路由传输管路18连接，电源通路由传导线路19连接。
利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统浮力产生和发电可通过以下过程进行描述：
如图3a所示，无人潜水器处于浅层温水区热平衡状态，此时，外胆5内传输液体8压力稍高于无人潜水器内腔压力，相变工质9处于液体状态，工作气体7处于被压缩状态，传输液体8处于受压膨胀状态；
下达三通阀10-1、10-2控制外胆5通过内胆6方向的开启指令，外胆5具有一定压差的传输液体10经过传输管路18进入内胆6，外胆5体积缩小，潜水器开始下潜；且随着下潜深度的不断增加，进入深层冷水区，多功能翼面3内的相变工质9开始由液体变为固态，其内部传输液体8压强减小，内胆6内传输液体8逐渐流入多功能翼面3，造成多功能翼面3和蓄能腔4内的传输液体8压力增大，下潜深度不断增加直至相变工质9完全固化，达到设计潜深，如图3b所示；
下达三通阀10-1、10-2由外胆通过内胆6方向关闭指令，下达三通阀10-3、10-1控制蓄能器4至外胆5方向开启指令，蓄能腔4内高压工作气体7压缩传输液体8至止回阀13和发电机14，发电机14开始工作；同时传输液体8进入外胆5，造成潜水器浮力增加，潜水器开始上浮，随着上浮高度的不断增加，蓄能腔4内高压工作气体7的压强逐渐降低，传输液体8速率不断降低，发电机逐渐停止工作，如图3c所示；
如图3d所示，当潜水器上浮至浅层暖水区时，相变工质9由固态变为液态，所占体积开始膨胀，压缩多功能翼面3内的传输液体8利用安全阀12进行压差蓄积，当多功能翼面3内的传输液体8达到一定压差时，安全阀12打开，高压传输液体8传输至止回阀13和发电机14，发电机14重新开始工作；下达开启10-3控制发电机至蓄能腔方向的指令，经发电机14的传输液体8回流至蓄能腔4，工作气体7被压缩，形成高压；潜水器回到浅层暖水区，多功能翼面3内传输液体8处于微超压状态，发电机停止工作，完成一次浮/潜运行和两次发电过程。
借助海洋温差能，无人潜水器不仅可以实现上、下浮潜运行，还可以实现水平快速机动，其过程可描述为：
无人潜水器自主开展上、下浮潜锯齿形运动过程中，发电系统将利用海洋温差能所发电量储存于蓄电池15内；当无人潜水器需要快速机动时，开启蓄电池15向尾部推进器2供电指令，无人潜水器进入水平快速机动运行状态。
综上所述，本发明提供一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，利用海洋温差能实现深海无人潜水器发电、浮力产生和机动巡航，解决了长期制约深海无人潜水器的能源动力问题，系统原理简单可靠，结构设计实用高效，成本造价低廉、无瓶颈性技术，可操作性强，在深海资源勘探、开发和海洋环境预报等领域具有较好应用前景，具备很强的竞争力。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，其特征在于包括潜水器壳体(1)、多功能翼面(3)、蓄能腔(4)、外胆(5)、内胆(6)、三通阀(10)、单向阀(11)、安全阀(12)、止回阀(13)、蓄电池(15)；
多功能翼面(3)对称安装在潜水器壳体(1)两侧，多功能翼面(3)内部存储相变工质(9)和传输液体(8)，相变工质(9)采用在海洋温度梯度和深海压差变化范围内能实现固液相变的工质，通过相变过程体积的变化控制多功能翼面(3)内传输液体(8)的传输；多功能翼面(3)根部安装外胆(5)，外胆(5)内存储传输液体(8)；蓄能腔(4)内存储工作气体(7)及传输液体(8)；三通阀(10)控制进出外胆(5)的传输液体(8)的流入和流出方向；单向阀(11)控制经内胆(6)与多功能翼面(3)及蓄能腔(4)内传输液体(8)的流入或流出；安全阀(12)控制多功能翼面(3)内的传输液体(8)达到预设的出口压力时流入发电机(14)，止回阀(13)控制发电机(14)的进口压力；蓄电池(15)上连发电机(14)，下连测控设备(16)和探测设备(17)。
2.根据权利要求1所述的一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，其特征在于：还包括尾部推进器(2)；当无人潜水器需要快速机动时，蓄电池(15)向尾部推进器(2)供电，无人潜水器进入水平快速机动运行状态。
3.根据权利要求1所述的一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，其特征在于：所述安全阀(12)起蓄积压强作用，将多功能翼面(3)内的传输液体(8)蓄积至设定压强后流入发电机(14)，安全阀(12)的打开压差设定为MPa级。
4.根据权利要求1所述的一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，其特征在于：所述的多功能翼面(3)包括翼面外框体(21)、移动活塞(20)和导流孔(22)；
移动活塞(20)之间内腔存储传输液体(8)，相变工质(9)对称存储于移动活塞(20)与翼面外框体(21)之间的空间内；翼面外框体(21)底部设置导流孔(22)，多功能翼面(3)内的传输液体(8)经导流孔(22)与传输管路(18)连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，其特征在于：内胆(6)和外胆(5)由柔性织物材料制成。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：通过三个三通阀即第一三通阀(10-1)、第二三通阀(10-2)、第三三通阀(10-3)实现控制进出外胆(5)的传输液体(8)的流入和流出方向的功能、通过三个单向阀，即第一单向阀(11-1)、第二单向阀(11-2)、第三单向阀(11-3)实现控制经内胆(6)与多功能翼面(3)及蓄能腔(4)内传输液体(8)的流入或流出的功能。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：蓄能腔(4)通过传输管路连接第三单向阀(11-3)的进油端，该单向阀(11-3)的出口端连接安全阀(12)，安全阀(12)的另一端连接第二单向阀(11-2)的出口端，第二单向阀(11-2)的进油端接入传输管路(18)，止回阀(13)的一端接入第三单向阀(11-3)与安全阀(12)之间，另一端连接发电机(14)，三个三通阀星形连接后，第一三通阀(10-1)和第二三通阀(10-2)的另一个口串联后连接内胆(6)，内胆(6)连接第一单向阀(11-1)的进油端，第一单向阀(11-1)的出口端接入传输管路(18)；第一三通阀(10-1)和第二三通阀(10-2)的第三个口分别与外胆(5)连通；第三三通阀(10-3)的另一口接入蓄能腔(4)，第三个口连接发电机；多功能翼面(3)内的传输液体通过管路接入传输管路(18)中。
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