CN107605677B - 一种用于无人水下潜器的温差能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，包括相变单元、液压单元、机械传动单元、发电储能单元和充电管理单元，特制液控压力阀及其互锁阀、低压皮囊等所组成的液压单元；增速机构、发电机、蓄电池等所组成的机械传动以及发电单元，电源管理芯片以及电流、电压、转速传感器所组成的电源管理与控制单元。当水下无人潜器由深海浮至海洋表面时，吸收海洋热能转化为锂电池组的电能，实现了海洋温差能的捕获。本发明采用一次相变，多次蓄能的方式进行工作，减小了温差能发电装置的体积和重量，提高了系统的轻便程度。本发明减少了由于电磁压力阀和压力传感器工作所造成的电能消耗，同时提高了系统工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及水下潜器的发电领域，具体涉及一种用于无人水下潜器的温差能发电装置。
背景技术
无人水下潜器是检测海洋气候的有效工具，它可以观测的深海大洋的温度、盐度等性能指标，为海洋科学家研究全球气候、海洋涡流等提供第一手的资料。由于无人水下潜器在海洋领域的广泛应用，其能源供给问题也已成为众多学者所关心问题之一。
传统的无人水下潜器工作寿命较短，难以对海洋进行短时间高频率的观测。且由于携带了昂贵的锂电池组作为动力源，一旦发生故障不但难以回收，而且会对海洋环境造成较为严重的污染。
海洋温差能发电原理是利用海洋中收太阳能加热的暖和的表层海水(约为25℃～30℃)和较冷的深水层(约为5℃)之间的温差进行发电从而获得电能。由于海洋温差能存储量巨大，能源分布广泛，故而设计海洋温差能发电电池作为无人水下潜器的动力单元可有效的提高无人水下潜器工作寿命，提高海洋观测频率，同时降低由于一次电池所带来的海洋环境污染问题。
相变材料在某一温度以上时会融化成液态，在该温度以下时为凝固成固态。由于相变材料固液两态存在密度差进而造成相变材料体积的变化。目前已有国外学者对适用于无人水下潜器的海洋温差能发装置进行了研究。文献(Jones J A,Chao Y.Novel ThermalPowered Technology for UUV Persistent Surveillance[J].2006)提出了一种适用于海洋浮标的海洋温差能发电装置，该装置原理如图1所示。当浮标上浮，浮标外围海水温度增加，相变材料融化10膨胀，进而液压油20经过单向阀30存储于高压蓄能器40中，高压蓄能器位于一个小的正压舱段50内；阀60开启，液压油推动活塞70向右移动，活塞和齿条80为一体化设计。随着齿条80的移动，带动齿轮90转动，带动发电机100转动，进而进行发电；当浮标下沉时，浮标外围海水温度降低，相变材料凝固10收缩，当打开阀120，液压油由液压缸经过单向阀140流入换热管150中；但是该专利存在一些问题，首先，该装置利用齿轮齿条，整体机械结构重量过重；其次该专利所述发电装置机械结构效率低下；第三，该专利中的齿轮齿条结构较为复杂，需要专门的设计并单独订做，成本较高；最后，该专利蓄能器(40)需要存储较大量的高压液压油，这会造成蓄能器(40)体积过大，重量过重。
专利US.2009/0013691针对文献(Jones J A,Chao Y.Novel Thermal PoweredTechnology for UUV Persistent Surveillance[J].2006)提出了一种改进方案，原理如图2所示。当浮标上浮，浮标外围海水温度增加，换热管200中相变材料融化膨胀，液压油210经过液压阀230流入高压蓄能器220中，当满足压力条件时，液压阀240打开，液压油流入液压马达250中，进而带动发电机转动给电池255充电，此时液压油210流入低压蓄能器260中；当浮标下沉时，浮标外围海水温度降低，相变材料凝固200收缩，液压油由经过单向阀270流入换热管200中。该方案虽然在降低成本，提高整体工作效率方面有一定作用，但仍然存在以下问题：首先，该方案中高压蓄能器仍然需要存储较大量的高压液压油，蓄能器仍然存在体积过大、质量过重等问题；其次，该专利中液压系统中对于液压阀的开关仍然需要液压传感器检测压力，进而根据电控单元所给信号控制液压阀开关，液压系统仍然具有一定耗电问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，该装置在一次相变过程中可多次蓄能多次释放，且体积小、质量轻、耗电单元少。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，包括相变单元、液压单元、机械传动单元、发电储能单元及充电管理单元；
相变单元由换热管构成，所述换热管内部设有橡胶软管，橡胶软管前后两侧设有换热管前活塞、橡胶软管堵头、橡胶软管支撑架以及换热管后活塞与换热管堵头，换热管两端分别设有换热管压环，在所述橡胶软管与换热管内壁之间安装有相变材料，所述橡胶软管内装有液压油；
液压单元包括用于防止液压油回流的单向阀、存储相变材料做功所带来的液压能的高压蓄能器、将高压蓄能器端的小流量高压力转变为液压马达端的大流量小压力的变直径液压缸、在升压阶段较高压力下开启，在降压阶段较低压力下关闭的特制液控压力阀及互锁阀、将液压能转换为机械能的液压马达装置、低压皮囊等；其中换热管通过单向阀与高压蓄能器连接，低压皮囊通过单向阀与换热管连接，高压蓄能器输出端分为两条油路，一条经过液控压力阀与变直径液压缸高压腔段连接，另一条油路经过液控压力阀与其互锁阀与低压皮囊相连，变直径液压缸低压腔段于液压马达、低压皮囊串联连接，低压皮囊经单向阀接入变直径液压缸低压腔内。
机械传动子单元包括将液压马达的小转速大扭矩转换为大转速小扭矩的增速机构、将机械能转化为电能的发电机；其中，液压马达输出转轴依次与增速机构和发电机输入转轴串联。
发电子单元包括AC-DC单元、稳压单元及锂电池组，其中，发电机输出三相交流电经AC-DC单元以及稳压单元得到比较稳定的电能，从而对锂电池组进行充电。
充电管理单元包括控制芯片以及电机转速传感器以及电流、电压传感器，充电管理单元主要根据实时检测到的电机转速、电池电流以及电压对锂电池组充电进行管理，防止过充等发生。
具体的，相变材料采用烷烃类，相变温度处于海洋表层温度和深海温度之间。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
首先，海洋温差能属于可再生能源，采用海洋温差能发电的无人水下潜器对海洋环境的污染较小；其次，与文献(Jones J A,Chao Y.Novel Thermal Powered Technologyfor UUV Persistent Surveillance[J].2006)相比，利用液压马达代替齿轮齿条等机械结构，使得重量降低，效率提高，结构简单；第三，所述无人水下潜器的温差能发电装置蓄能器每次蓄能仅为相变材料一次相变所释放能量的1/3～1/4，与专利US.2009/0013691相比可大大减小蓄能器的体积和重量。第四，所述无人水下潜器温差能发电装置采用了双作用液压缸，与专利US.2009/0013691相比，将系统高压小流量转换为低压大流量，降低了由于液压马达件泄露所带来的发电损失问题；第五，本发明采用液控液压阀及其互锁阀，使得所述发电装置蓄能器每次释放能量之后液压缸均可以及时复位，液压缸的体积和重量可以大大减小；最后，发电装置采用液控液压阀及其互锁阀来代替专利US.2009/0013691中的电控压力阀和压力传感器，节省了该部分由于电控压力阀和压力传感器所带来的耗电量。
附图说明
图1是文献Jones J A,Chao Y.Novel Thermal Powered Technology for UUVPersistent Surveillance[J].2006公开的发电系统原理图；
图2是专利US.2009/0013691公开的发电系统原理图；
图3是本发明的原理示意图；
图4是图3中发电装置的换热管结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，包括相变单元、液压单元、机械传动单元、发电储能单元及充电管理单元；
相变单元由换热管310构成，如图4所示，换热管310包括换热管壁530，内部设有橡胶软管580，橡胶软管580前后两侧设有换热管前活塞600、橡胶软管堵头520、橡胶软管支撑架570以及换热管后活塞510与换热管堵头560，换热管两端分别设有换热管前压环500和换热管后压环550。橡胶软管580与换热管壁530的夹层中装有相变材料590，橡胶软管580内装有液压油540。
如图1所示，液压单元包括用于防止液压油回流的第一单向阀320、存储相变材料做功所带来的液压能的高压蓄能器330、将高压蓄能器330端的小流量高压力转变为液压马达端的大流量小压力的变直径液压缸350、在升压阶段较高压力下开启，在降压阶段较低压力下关闭的特制液控压力阀340及互锁阀380、将液压能转换为机械能的液压马达装置360、低压皮囊390等；其中换热管310通过第一单向阀320与高压蓄能器330连接，低压皮囊390通过第三单向阀400与换热管310连接，高压蓄能器330输出端分为两条油路，一条经过液控压力阀340与变直径液压缸350高压腔段连接，另一条油路经过液控压力阀340与其互锁阀380与低压皮囊390相连，变直径液压缸350低压腔段于液压马达装置360、低压皮囊390串联连接，低压皮囊390经第二单向阀370接入变直径液压缸350低压腔内。
机械传动单元，包括增速机构410和发电机420，所述液压马达装置360的输出转轴依次与增速机构410和发电机420的输入转轴串联；发电储能单元包括AC-DC单元、升压稳压单元430和锂电池组440，发电机420输出三相交流电经AC-DC单元以及稳压单元430得到比较稳定的电能，从而对锂电池组440进行充电；充电管理单元包括控制芯片450及电机转速传感器460、电流传感器470和电压传感器480，充电管理单元用于对锂电池组440充电进行管理，防止过充发生。
具体的，本实施例中相变材料采用正十六烷，正十六烷的熔点为18℃，相变温度处于海洋表层温度和深海温度之间。所述高压蓄能器(330)内的蓄能气体为氮气。
本发明的具体工作过程如下：
当无人水下潜器上浮时，由于海水温度的升高相变材料融化膨胀，换热管310内的液压油经过第一单向阀320流入高压蓄能器330，高压蓄能器的初始压力为17.2MPa，高压蓄能器330内压力增高，当高压蓄能器330充满100ml液压油时，压力上升至20.4MPa，液控液压阀340开启，液压阀380关闭，此时高压蓄能器330所蓄液压能经过液控压力阀340流入变直径液压缸350高压端，进而推动变直径液压缸350的活塞移动，将大流量低压液压油压入液压马达360进而流入低压皮囊390。液压马达360转动带动增速机构410转动，进而带动发电机420转动，经过AC-DC单元及稳压单元430对锂电池组440进行充电，此时，电源管理单元450对充电过程进行管理。在这个过程中，由于高压蓄能器330不断的释放能量，导致所述液压回路压力不断降低，当蓄能器330入口端压力降低到液控液压阀340的关闭压力时，第二液压阀340截止，同时其互锁阀380开启，完成1次发电过程。
由于液控液压阀340截止，液压油310继续经第一单向阀320压如高压蓄能器330中进行蓄能。与此同时，考虑由低压皮囊390、第二单向阀370、变直径液压缸350以及互锁液压阀380组成的液压回路，该回路中压强处处相等，且均为低压皮囊390内的压强。考虑到变直径液压缸350活塞两端面积不同，这就造成变径活塞缸350无杆腔的压力大于有杆腔的压力，从而推动活塞复位。当高压蓄能器330充满100ml液压油，压力上升至20.4MPa时，液控液压阀340开启，液压阀380关闭，重复所述动作进行下一次发电。
当无人水下潜器下沉时，相变材料凝固收缩，换热管壁530与橡胶软管580之间的相变材料腔变为部分真空状态，液压油310由低压皮囊390经第三单向阀400在较低压力下流入管热管橡胶软管510中，至此完成一次相变多次发电工作。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，其特征在于，包括相变单元、液压单元、机械传动单元、发电储能单元和充电管理单元，所述相变单元由换热管（310）构成，所述换热管（310）内部设有橡胶软管（580），橡胶软管（580）前后两侧设有换热管前活塞（600）、橡胶软管堵头（520）、橡胶软管支撑架（570）、换热管后活塞（510）与换热管堵头（560），换热管（310）两端分别设有换热管前压环（500）和换热管后压环（550），在所述橡胶软管与换热管内壁之间安装有相变材料，所述橡胶软管内装有液压油；所述液压单元包括用于防止液压油回流的第一单向阀（320）、第二单向阀（370）和第三单向阀（400），及高压蓄能器（330）、变直径液压缸（350）、液控压力阀（340）、互锁阀（380）、液压马达装置（360）和低压皮囊（390）；其中换热管（310）通过第一单向阀（320）与高压蓄能器（330）连接，低压皮囊（390）通过第三单向阀（400）与换热管（310）连接，高压蓄能器（330）的输出端分为两条油路，一条经过液控压力阀（340）与变直径液压缸（350）的高压腔段连接，另一条油路经过液控压力阀（340）依次所述互锁阀（380）和低压皮囊（390）相连，变直径液压缸（350）低压腔与液压马达装置（360）、低压皮囊（390）串联连接，低压皮囊（390）经所述第二单向阀（370）与变直径液压缸（350）的低压腔连接；所述变直径液压缸(350)用于将高压小流量流体转化为低压大流量流体，以匹配液压马达装置(360)及后续机械传动单元及发电储能单元功率的要求；所述机械传动单元包括增速机构（410）和发电机（420），所述液压马达装置（360）的输出转轴依次与增速机构（410）和发电机（420）的输入转轴串联；所述机械传动单元与发电储能单元相连，发电储能单元与充电管理单元相连。
2.根据权利要求1所述一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，其特征在于，所述相变材料采用烷烃类，相变温度处于海洋表层温度和深海温度之间。
3.根据权利要求1所述一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，其特征在于，所述发电储能单元包括AC-DC单元、升压稳压单元（430）和锂电池组（440），发电机（420）输出三相交流电经AC-DC单元以及升压稳压单元（430）得到比较稳定的电能，从而对锂电池组（440）进行充电。
4.根据权利要求1所述一种用于无人水下潜器的温差能发电装置，其特征在于，所述充电管理单元包括控制芯片（450）及电机转速传感器（460）、电流传感器（470）和电压传感器（480），充电管理单元用于对锂电池组（440）充电进行管理，防止过充发生。
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