CN110641637B - 一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋观测平台领域，具体涉及一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台。本发明具备指定区域进行精细观察能力，能够获取指定区域更加详尽的海洋环境信息。本发明采用模块化设计，可根据观测任务不同搭载不同的设备，也利于设备的维修和更换，具有扩展性高，性能可靠，维修改装成本小的特点。

Description

一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台

技术领域

本发明属于海洋观测平台领域，具体涉及一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台。

背景技术

海洋开发与研究、灾害预报等海上活动，都需要掌握海洋环境信息及其变化规律。要获得详尽的海洋环境信息，需要先进的海洋环境观测设备，实现全天候、全方位、连续监测。

目前的海洋观测有移动和固定两类设备,移动观测设备如卫星、调查船、漂流浮标、水下滑翔机、水下无人机器人等,固定观测设备如锚定浮标、锚定潜标、岸基雷达等。航空、航天遥感技术在一定程度上解决了从空中到海洋表层的实时和准实时的同步、大面积观测问题，海面观测台站、海上锚泊资料浮标、水下潜标、坐底式的海床基观测系统等，可解决某一特定海区的定点观测，调查船虽然可做断面，但又无法对特定区域，例如危险区域、敏感区域进行接近观测。目前使用最多的观测平台是水下无人机器人、水下滑翔机和剖面浮标。水下无人机器人受到自身电池电量的限制，工作时间为几十个小时，其航程很有限。水下滑翔机可以长航时工作，但其观测粒度低，无法对特定区域进行精细观测。剖面浮标无法控制运动航迹，无法指定观测区域。

发明内容

本发明的目的在于提供可实现航迹控制，具备对指定区域进行精细观察的能力，同时满足长航时工作的要求的一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：在平台主体的顶部设有天线，上部设有浮力材和载荷模块，内部设有主耐压舱；包括航迹控制系统和温差能发电系统；所述的航迹控制系统包括浮力驱动系统和舵面控制装置；所述的舵面控制装置包括舵和与舵相连的舵机；所述的浮力驱动系统包括安装于平台两侧的第一温差能换热器和第二温差能换热器，第一温差能换热器与第二温差能换热器分别通过穿舱连接器从平台主体两侧伸入内部的主耐压舱中并通过管路连接；所述的主耐压舱中设有第一蓄能器、第二蓄能器、蓄电池、液压马达、内油箱、电池管理模块和内皮囊，主耐压舱外平台内部设有外皮囊；所述的外皮囊通过管路分别与第一温差能换热器、第二温差能换热器和内油箱连接；所述的第一蓄能器安装于第一温差能换热器与外皮囊之间的管路上；所述的内皮囊安装于第二温差能换热器与外皮囊之间的管路上；所述的温差能发电系统包括第三温差能换热器和第四温差能换热器，第三温差能换热器与第四温差能换热器分别通过穿舱连接器从平台主体两侧伸入内部的主耐压舱中并通过管路连接；所述的第二蓄能器与液压马达连接并通过管路连接在第三温差能换热器与第四温差能换热器之间的管路上；所述的蓄电池、电池管理模块连接、发电机和液压马达依次连接。

本发明还可以包括：

还包括控制模块；所述的控制模块安装于平台主体内主耐压舱的上部；所述的天线、舵机和电池管理模块均与控制模块连接。

所述的内油箱出口处设有泵；所述的外皮囊与第一温差能换热器之间的管路上以及外皮囊与第二温差能换热器之间的管路上均设有阀门；所述的第一温差能换热器与第一蓄能器之间的管路上、第二温差能换热器与内皮囊之间的管路上以及第二蓄能器与液压马达之间的管路上均设有单向阀。

所述的四个温差能换热器的结构相同，包括温差能换热器耐压舱；所述的温差能换热器耐压舱内侧设有温差发电片，温差能换热器耐压舱内部填充有介质和相变材料。

所述的平台主体的首尾为半球形，中间部分为圆柱形。

本发明的有益效果在于：

本发明克服了水下无人机器人、水下滑翔机和剖面浮标的缺点，具备了航迹控制和长时间工作的能力，同时本发明具备指定区域进行精细观察能力，能够获取指定区域更加详尽的海洋环境信息。整个平台采用模块化设计，可根据观测任务不同搭载不同的设备，例如测量温度、电导率和压力等物理海洋环境信息的传感器以及测量溶解氧、叶绿素、生物光学、硝酸盐和pH等生物化学海洋环境信息的传感器，同时也利于设备的维修和更换，使该平台具有扩展性高，性能可靠，维修改装成本小的特点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的航迹控制系统示意图。

图3是本发明的舵面控制装置示意图。

图4是本发明的上浮时正向操舵示意图。

图5是本发明的上浮时反向操舵示意图。

图6是本发明的水平方向上受力示意图。

图7是本发明的下潜时正向操舵示意图。

图8是本发明的下潜时反向操舵示意图。

图9是本发明的温差能发电系统示意图。

图10是本发明的温差发电片位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台,该平台由天线、航迹控制系统、浮力材、载荷单元、控制模块、温差能发电系统构成。其中，天线实现了该平台的数据传输和通讯；浮力材和载荷单元保证了平台的稳定性；航迹控制系统实现平台的航迹控制；控制模块实现对整个平台的控制；温差能发电系统将温差能转化为电能。该平台具备指定区域进行精细观察能力，能够获取指定区域更加详尽的海洋环境信息。该平台采用模块化设计，可根据观测任务不同搭载不同的设备，也利于设备的维修和更换，使该平台具有扩展性高，性能可靠，维修改装成本小的特点。

本发明由天线1、浮力材2、载荷模块16、控制模块18、温差能发电系统和航迹控制系统构成。如附图1所示，主体55外形为圆柱形，首尾半球形，这样可以减小平台运动时受到的阻力。

天线1集成了无线电、北斗、WI-FI等模块，圆柱体外形有助于减小阻力，位于平台顶部，保证了平台的通讯和数据传输。浮力材2和载荷模块16位于平台的上部，保证了平台所受浮力的作用点要高于其重力的作用点，保证平台具有稳定平衡。

如附图2所示，航迹控制系统由浮力驱动系统和舵面控制装置构成。浮力驱动系统由温差能驱动系统和电力驱动系统构成，温差能驱动系统由第一温差能换热器21、第二温差能换热器22、外皮囊38、第一单向阀28、第二单向阀29、第一阀门36、第二阀门37、内皮囊30、第一蓄能器31构成。其中外皮囊位于主耐压舱外下方，温差能换热器位于平台主体55两侧，第一温差能换热器耐压舱23和第二温差能换热器耐压舱24分别通过第一穿舱连接器19、第二穿舱连接器20与主耐压舱25连接，温差能换热器耐压舱内下部充满相变材料27，上部充满介质26。除温差能换热器外，温差能驱动系统其余部分位于主耐压舱内。温差能驱动系统工作过程如下：

1)初始时平台悬浮在水面附近，控制模块打开第二阀门，外皮囊的压力大于内皮囊的压力，介质从外皮囊流向内皮囊，外皮囊体积减小，所受的浮力减小，平台下沉。随着潜深的增加，海水密度增加，所受浮力增大，当浮力与重力相等时，悬浮在预定深度，控制模块关闭第二阀门。

2)温差能换热器中的相变材料在下潜的过程中遇冷凝固，温差能换热器耐压舱内的压力减小，介质通过第二单向阀从内皮囊流入温差能换热器中。

3)控制模块打开第一阀门，蓄能器内的压力大于外皮囊所受海水压力，介质从蓄能器流向外皮囊，外皮囊体积增加，所受浮力增加，平台上浮。到达水面时所受浮力与重力相等，平台处于悬浮状态，控制模块关闭第一阀门。

4)在平台上浮过程中，温差能换热器中的相变材料逐渐融化，温差能换热器内压力增加，当压力大于蓄能器内的压力时，第一单向阀导通，介质从换热器流向蓄能器。完成了一个完整的工作过程。

电力驱动系统由内油箱34、泵35和外皮囊38构成，其中内油箱、泵位于主耐压舱内。当平台下潜至目标指令深度附近时，控制模块通过控制泵的运转，将少量介质泵入或泵出外皮囊，进行浮力的微调，使平台在目标深度处于悬浮状态。如遇到紧急情况时，将大量介质泵入或泵出外皮囊，可以迅速改变平台所受浮力大小，使平台快速上浮和下潜。通过温差能驱动系统和电力驱动系统的共同作用完成了该平台的上浮下潜。

如附图3所示，舵面控制装置，由位于平台上部外侧的第一舵4、第一轴5、第一舵机6、第二舵7、第二轴8、第二舵机9、第三舵10、第三轴3、第三舵机12、第四舵13、第四轴14、第四舵机15构成，四个舵可以独立转动，通过舵角的变化，可以改变平台的水平受力，改变平台水平方向的运动方向。舵面控制装置和浮力驱动系统共同作用实现平台的航迹控制。当平台上浮时，每个舵有正、反向(舵顺时针和逆时针转动)两种操舵方式，见附图4和附图5。正向操舵时，平台水平方向上受到由第一舵、第二舵、第三舵、第四舵产生的舵力F₁、F₂、F₃、F₄的作用；反向操舵时，平台水平方向上受到由第一舵、第二舵、第三舵、第四舵产生的舵力F₅、F₆、F₇、F₈的作用，见附图6。正向操舵第一舵和第三舵时，产生舵力F₁、F₃，平台在舵力的驱动下向上运动；反向操舵第一舵和第三舵时，产生舵力F₅、F₇，平台在舵力的驱动下向下运动；正向操舵第二舵和第四舵时，产生舵力F₂、F₄，平台在舵力的驱动下向右运动；反向操舵第二舵和第四舵时，产生舵力F₆、F₈，平台在舵力的驱动下向左运动。正向操舵第一舵、第三舵、第二舵和第四舵时，平台在舵力的驱动下向右上运动；反向操舵第一舵、第三舵、第二舵和第四舵时，平台在舵力的驱动下向左下运动；正向操舵第一舵和第三舵，反向操舵第二舵和第四舵时，平台在舵力的驱动下向左上运动；反向操舵第一舵和第三舵，正向操舵第二舵和第四舵时，平台在舵力的驱动下向右下运动。

当平台下潜时，每个舵有正、反向两种操舵方式，见附图7和附图8。正向操舵时，平台水平方向上受到由第一舵、第二舵、第三舵、第四舵产生的舵力F₅、F₆、F₇、F₈的作用；反向操舵时，平台水平方向上受到由第一舵、第二舵、第三舵、第四舵产生的舵力F₁、F₂、F₃、F₄的作用，见附图6。正向操舵第一舵和第三舵时，产生舵力F₅、F₇，平台在舵力的驱动下向下运动；反向操舵第一舵和第三舵时，产生舵力F₁、F₃，平台在舵力的驱动下向上运动；正向操舵第二舵和第四舵时，产生舵力F₆、F₈，平台在舵力的驱动下向左运动；反向操舵第二舵和第四舵时，产生舵力F₂、F₄，平台在舵力的驱动下向右运动。正向操舵第一舵、第三舵、第二舵和第四舵时，平台在舵力的驱动下向左下运动；反向操舵第一舵、第三舵、第二舵和第四舵时平台在舵力的驱动下向右上运动；正向操舵第一舵和第三舵，反向操舵第二舵和第四舵时，平台在舵力的驱动下向右下运动；反向操舵第一舵和第三舵，正向操舵第二舵和第四舵时，平台在舵力的驱动下向左上运动。

控制模块18位于主耐压舱的上部，包括控制计算机、姿态传感器等，与天线1、舵机通过水密线缆3和水密接插件17连接，与电池管理模块、阀门、泵等部件通过线缆连接，实现对整个平台的控制。平台在水面悬浮时，根据北斗卫星定位系统获取当前自身的位置，接收目标指令，确定此次下潜深度和下一次出水的位置。控制计算机根据当前位置、下潜深度和下次出水位置进行路径规划，通过一定算法解算出平台在水平方向上所需力的大小和方向，进而通过四个舵机操纵四个舵，使其达到要求的操舵方向和舵角。姿态传感器能够实时获取平台的艏向角、纵倾角及加速度，控制计算机根据姿态传感器测得的数据，推算出当前姿态和速度，与路径规划结果进行比较，及时进行修正，使该平台在预定位置区域出水。完成了该平台的航迹控制，使其具有对指定区域进行精细观察的能力。

如附图9所示，温差能发电系统由液压马达47、发电机48、第三单向阀49、第四单向阀51、第三阀门50、第二蓄能器52、蓄电池32、电池管理模块33以及位于主体两侧的第三温差能换热器43和第四温差能换热器44等部分构成，第三温差能换热器耐压舱45和第四温差能换热器耐压舱46分别通过第三穿舱连接器41、第四穿舱连接器42与主耐压舱连接，第三温差能换热器和第四温差能换热器对称安装在平台的两侧，外壳采用圆柱体，首尾为半球形，这样可以减小其运动阻力。温差能换热器耐压舱内部装有相变材料和介质，完成温差能的捕获。第一温差发电片39、第二温差发电片40、第三温差发电片53和第四温差发电片54位于温差能换热器耐压舱内侧，与发电机一同实现了温差能发电，详见附图10。温差能发电系统具体实现过程如下：

初始时平台悬浮在水面附近，由浮力驱动系统调控，该平台下潜。温差能换热器中的相变材料在平台下潜的过程中遇冷逐渐凝固，温差能换热器耐压舱内的压力减小，控制模块打开第三阀门，介质从蓄能器经过液压马达流入温差能换热器中，液压马达带动发电机发电，将产生的电通过电池管理模块充入蓄电池中，完成发电第一过程。

平台到达预定的下潜深度后，平台所受浮力与重力相等，平台处于悬浮状态。由浮力驱动系统调控，平台上浮。在平台上浮过程中，温差能换热器中的相变材料逐渐融化，温差能换热器内压力增加，当压力大于蓄能器内的压力时，第四单向阀导通，介质从换热器通过液压马达流入蓄能器中。液压马达带动发电机发电，将产生的电通过电池管理模块充入蓄电池中，完成发电第二过程。

在平台下降的过程中，海水温度逐渐降低，温差发电片外侧温度逐渐降低，温差发电片内侧接触相变材料，温度较高，发电片内外侧存在温度差进行发电。相变材料在受热凝固时，靠近外侧的先凝固，凝固后导热性降低，在下降过程中温差发电片内外侧温度差存在的时间较上升过程中存在的时间长，有更长的发电时间，从而获取更多的电能。以上过程完成了一个完整的温差能发电系统工作循环。利用温差能进行发电，使该平台具有了长时间工作的能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台，在平台主体的顶部设有天线，上部设有浮力材和载荷模块，内部设有主耐压舱；其特征在于：包括航迹控制系统和温差能发电系统；所述的航迹控制系统包括浮力驱动系统和舵面控制装置；所述的舵面控制装置包括舵和与舵相连的舵机；所述的浮力驱动系统包括安装于平台两侧的第一温差能换热器和第二温差能换热器，第一温差能换热器与第二温差能换热器分别通过穿舱连接器从平台主体两侧伸入内部的主耐压舱中并通过管路连接；所述的主耐压舱中设有第一蓄能器、第二蓄能器、蓄电池、液压马达、内油箱、电池管理模块和内皮囊，主耐压舱外平台内部设有外皮囊；所述的外皮囊通过管路分别与第一温差能换热器、第二温差能换热器和内油箱连接；所述的第一蓄能器安装于第一温差能换热器与外皮囊之间的管路上；所述的内皮囊安装于第二温差能换热器与外皮囊之间的管路上；所述的温差能发电系统包括第三温差能换热器和第四温差能换热器，第三温差能换热器与第四温差能换热器分别通过穿舱连接器从平台主体两侧伸入内部的主耐压舱中并通过管路连接；所述的第二蓄能器与液压马达连接并通过管路连接在第三温差能换热器与第四温差能换热器之间的管路上；所述的蓄电池、电池管理模块、发电机和液压马达依次连接；

还包括控制模块；所述的控制模块安装于平台主体内主耐压舱的上部；所述的天线、舵机和电池管理模块均与控制模块连接；控制模块包括控制计算机、姿态传感器；

所述的第一温差能换热器、第二温差能换热器、第三温差能换热器和第四温差能换热器的结构相同，均包括温差能换热器耐压舱；所述的温差能换热器耐压舱内侧设有温差发电片，温差能换热器耐压舱内部填充有介质和相变材料；

温差能发电系统具体实现过程如下：初始时平台悬浮在水面附近，由浮力驱动系统调控，该平台下潜；温差能换热器中的相变材料在平台下潜的过程中遇冷逐渐凝固，温差能换热器耐压舱内的压力减小，控制模块打开第三阀门，介质从第二蓄能器经过液压马达流入温差能换热器中，液压马达带动发电机发电，将产生的电通过电池管理模块充入蓄电池中，完成发电第一过程；平台到达预定的下潜深度后，平台所受浮力与重力相等，平台处于悬浮状态，由浮力驱动系统调控，平台上浮；在平台上浮过程中，温差能换热器中的相变材料逐渐融化，温差能换热器内压力增加，当压力大于第二蓄能器内的压力时，第四单向阀导通，介质从换热器通过液压马达流入第二蓄能器中；液压马达带动发电机发电，将产生的电通过电池管理模块充入蓄电池中，完成发电第二过程；在平台下降的过程中，海水温度逐渐降低，温差发电片外侧温度逐渐降低，温差发电片内侧接触相变材料，温度较高，温差发电片内外侧存在温度差进行发电；相变材料在受冷凝固时，靠近外侧的先凝固，凝固后导热性降低，在下降过程中温差发电片内外侧温度差存在的时间较上升过程中存在的时间长，有更长的发电时间，从而获取更多的电能；以上过程完成了一个完整的温差能发电系统工作循环；

舵面控制装置由位于平台上部外侧的第一舵、第一轴、第一舵机、第二舵、第二轴、第二舵机、第三舵、第三轴、第三舵机、第四舵、第四轴、第四舵机构成，四个舵独立转动，通过舵角的变化，改变平台的水平受力，改变平台水平方向的运动方向，舵面控制装置和浮力驱动系统共同作用实现平台的航迹控制；

平台在水面悬浮时，根据北斗卫星定位系统获取当前自身的位置，接收目标指令，确定此次下潜深度和下一次出水的位置，控制计算机根据当前位置、下潜深度和下次出水位置进行路径规划，通过一定算法解算出平台在水平方向上所需力的大小和方向，进而通过四个舵机操纵四个舵，使其达到要求的操舵方向和舵角，姿态传感器能够实时获取平台的艏向角、纵倾角及加速度，控制计算机根据姿态传感器测得的数据，推算出当前姿态和速度，与路径规划结果进行比较，及时进行修正，使该平台在预定位置区域出水。

2.根据权利要求1所述的一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台，其特征在于：所述的内油箱出口处设有泵；所述的外皮囊与第一温差能换热器之间的管路上以及外皮囊与第二温差能换热器之间的管路上均设有阀门；所述的第一温差能换热器与第一蓄能器之间的管路上、第二温差能换热器与内皮囊之间的管路上以及第二蓄能器与液压马达之间的管路上均设有单向阀。

3.根据权利要求1所述的一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台，其特征在于：所述的平台主体的首尾为半球形，中间部分为圆柱形。

4.根据权利要求2所述的一种基于温差能发电的航迹可控的海洋观测平台，其特征在于：所述的平台主体的首尾为半球形，中间部分为圆柱形。

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