CN111458578A - 基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置及方法，装置包括换热单元、液压单元、传动单元、储电单元和数据采集器五部分。所述换热单元包括冷热交换机、恒温水槽、温度传感器、换热器；所述液压单元包括单向阀、蓄能器、压力传感器、电磁阀、可调节流阀、液压马达、流量传感器、调压阀、液位传感器、油箱及各液压器件之间的液压管；所述传动单元包括联轴器、速度传感器、扭矩传感器、减速器、发电机；所述储电单元包括整流桥模块、蓄电池、电流传感器、电压传感器。本发明装置实现了对基于固‑液相变机理的海洋温差能量转换过程开展室内多变量模拟测试，具有测量数据精准、连续采集、自动化程度高、通用性强等优点。

Description

基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置及方法

技术领域

本发明属于海洋温差能量转换测试技术领域，具体涉及一种对采用固-液相变机理的海洋温差能发电与水下浮力驱动过程开展模拟测试的装置及方法。

背景技术

基于固-液相变机理的海洋温差能量转换过程是指利用相变材料周期性热胀冷缩特性实现海洋温差热能-液压能的转化，蓄能器释放贮存的液压油可实现水下航行器浮力驱动或驱动液压马达与发电机组件获取电能。当前，世界各国相继开展了面向水下航行器的温差能驱动研究，现已研制出利用温差能实现发电与浮力驱动两项功能的SlocumThermal E-twin滑翔机、利用海洋温差能供电的剖面浮标SOLO-TREC，大大提高了水下航行器的续航力与自持力，对提高水下航行器“能量自给”水平具有重要价值。

然而，现有模拟海洋温差能量转换的测试技术仍有诸多不足：1.海洋温差能发电与水下浮力驱动系统样机外场深水海试成本极高；2.受海洋水文条件与温度条件的波动，测试数据不确定性强，无统一、一致初始条件；3.外场深水海试窗口期短，试验工况恶劣；4.无法开展内部系统参数匹配测试，难以获取系统参数最优组合；5.样机故障、丢失风险高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，面向基于固-液相变机理的海洋温差能发电与水下浮力驱动过程，提供一种基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置及方法，可适用于多种温度条件和系统变量条件，实现对基于固-液相变机理的海洋温差能量转换过程开展室内多变量模拟测试，为此类基于固-液相变机理的海洋温差能发电与水下浮力驱动系统的理论分析与优化设计提供充分数据支撑。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，包括换热单元、液压单元、传动单元、储电单元和数据采集器；所述换热单元包括冷热交换机、恒温水槽、温度传感器、换热器；所述液压单元包括第一单向阀、第二单向阀、蓄能器、压力传感器、电磁阀、可调节流阀、液压马达、流量传感器、调压阀、液位传感器、油箱及各液压器件之间的液压管；所述传动单元包括第一联轴器、第一速度传感器、第一扭矩传感器、减速器、第二扭矩传感器、第二速度传感器、第二联轴器、发电机；所述储电单元包括整流桥模块、蓄电池、电流传感器、电压传感器；

所述换热单元的恒温水槽内用于注水，温度传感器检测恒温水槽内水的温度，冷热交换机依据温度传感器获取的水温数据，实时进行水温补偿，保持恒温水槽内水温为设定目标温度值T，所述换热器浸没在水中，换热器内装有液压油与相变材料，并以轴向移动活塞隔离两种物质；

所述液压单元分为蓄能支路、释能支路、回油支路三条支路；蓄能支路由换热器、第一单向阀、蓄能器、压力传感器、电磁阀依次连接组成；释能支路由蓄能器、压力传感器、电磁阀、可调节流阀、液压马达、流量传感器、调压阀、液位传感器、油箱依次连接组成；回油支路由油箱、液位传感器、第二单向阀和换热器依次连接组成；

所述传动单元的第一联轴器连接液压马达的输出轴和减速器的输入轴，液压马达的输出轴和减速器的输入轴之间装有第一速度传感器和第一扭矩传感器，第一扭矩传感器用于测量液压马达输出轴的扭矩τ_h；第一速度传感器用于测量液压马达输出轴的转速ω_h；所述减速器的输出轴与发电机的输入轴通过第二联轴器连接，减速器的输出轴与发电机的输入轴之间装有第二扭矩传感器和第二速度传感器，第二扭矩传感器用于测量发电机输入轴的扭矩τ_l；第二速度传感器用于测量发电机输入轴的转速ω_l；

所述储电单元整流桥模块的输入端与发电机的输出端通过电线连接，蓄电池的正负极分别与整流桥模块输出端的正负极相连；所述电流传感器与蓄电池串联，用于测量通过蓄电池的充电电流I_c；所述电压传感器与蓄电池并联，用于测量蓄电池的充电电压U_c。

进一步的，固液相变海洋温差能量转换过程分为“热能—势能”、“势能—动能”、“动能—电能”三个转换过程；“热能—势能”转换过程在换热器与蓄能器间进行，换热器中的相变材料吸收水的热能后融化体积膨胀，轴向活塞向液压油一侧移动，液压油进入蓄能器中；在此过程中，换热器吸收水的热能并转换为蓄能器的液压势能；“势能—动能”转换过程在蓄能器与液压马达间进行，电磁阀上电导通后，蓄能器中的液压油经液压马达流入油箱并驱动液压马达输出轴高速旋转，储存在蓄能器中的液压势能转化为液压马达的动能；“动能—电能”转换过程在液压马达与发电机间进行并将发电机产生的电能储存在蓄电池中。

进一步的，所述液压单元的第一单向阀防止蓄能器中的液压油反向流入换热器中，第二单向阀防止换热器中的液压油反向流入油箱中，压力传感器用于监测蓄能器压力p，流量传感器用于监测流经液压马达的流量q。

进一步的，所述调压阀用于设定液压单元的释能支路背压p_x；调压阀设定背压p_x为零时，用于开展海洋温差能发电过程模拟测试，调压阀设定背压p_x为非零值时，用于开展海洋温差能发电与水下浮力驱动过程模拟，其中背压p_x表征浮力驱动水深压力值。

进一步的，所述油箱液面高度随液压油的体积变化产生浮动，油箱为等截面油箱，其横截面积为S；液位传感器用于检测油箱液面高度值h；所述蓄能器释能时的排油体积变化值Δ V计为S·Δh。

进一步的，所述模拟测试装置能够采集到的数据为：恒温水槽水温T、蓄能器压力p；流经液压马达流量q、液压马达输出轴扭矩τ_h、液压马达输出轴转速ω_h；油箱液位高度h、发电机输入轴扭矩τ_l、发电机输入轴转速ω_l；蓄电池充电电压U_c、充电电流I_c。

进一步的，所述模拟测试装置中的系统变量包括：水设置温度T_h、蓄能器预充压力、可调节流阀流量、液压马达排量、调压阀设定背压、减速器减速比。

本发明提供另一种技术方案如下：

基于固液相变海洋温差能量转换过程的模拟测试方法，基于上述固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1.搭建固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置；

S2.当调节调压阀并设定背压p_x为零时，能够进行海洋温差能发电过程模拟测试；

S3.初始时恒温水槽中的水温度设置为T₀，T₀低于相变材料凝固温度，用于模拟海洋冷水层温度；为统一起始测试状态，在每次测试过程中需保证初始时水温度T₀保持不变；换热器放置于恒温水槽内并静置足够长时间，相变材料凝固同时体积收缩，换热器中的轴向活塞向相变材料一侧移动，此时液压单元的回油支路运行，油箱中的液压油经第二单向阀流入换热器的液压油侧，直到液位传感器所检测的油箱液面高度值h保持恒定，表明换热器中的相变材料完全凝固；

S4.在“热能—势能”转换过程中，换热器吸收水的热能并转换为蓄能器的液压势能；当相变材料完全凝固后，将恒温水槽中的水温度设置为T_h，T_h高于相变材料融化温度，用于模拟海洋暖水层温度；换热器中的相变材料在恒温水槽中吸收水热能，相变材料融化同时体积膨胀，轴向活塞向液压油一侧移动；液压单元的蓄能支路运行，换热器中的液压油经第一单向阀流入至蓄能器中，压力传感器监测蓄能器的压力p_ha，数据采集器采集压力传感器测量数值，当压力传感器测量数值不变时，表明换热器中的相变材料完全融化；

S5.在“势能—动能”转换过程中，储存在蓄能器中的液压势能转化为液压马达的动能；当相变材料完全融化后，电磁阀上电导通，液压单元的释能支路运行；储存在蓄能器的液压油依次经电磁阀、可调节流阀、液压马达、流量传感器、调压阀流入至油箱；压力传感器测量蓄能器的压力p_ha；液压油流出蓄能器的流量与流入液压马达的流量相等，流量传感器测量流入液压马达的流量为q_ha；液位传感器连续采集油箱液面高度h变化过程，根据油箱液面上升高度Δh得知蓄能器释能时的排油体积变化值ΔV为S·Δh；

S6.液压单元释能支路运行过程中，液压油驱动液压马达输出轴快速旋转，液压马达扭矩经减速器传递后带动发电机输入轴旋转；液压马达输出轴的扭矩与转速分别和减速器输入轴的扭矩与转速相等，第一速度传感器测得液压马达输出轴的转速ω_h，第一扭矩传感器测得液压马达输出轴的扭矩τ_h；减速器输出轴的扭矩与转速分别和发电机输入轴的扭矩与转速相等，第二扭矩传感器测得发电机输入轴的扭矩τ_l；第二速度传感器测得发电机输入轴的转速ω_l；数据采集器分别采集压力传感器、流量传感器、第一速度传感器、第一扭矩传感器、第二扭矩传感器、第二速度传感器的测量数值；

S7.在“动能—电能”转换过程中，发电机的输出端产生电能并储存在蓄电池中，电流传感器测得通过蓄电池的充电电流I_c；电压传感器测得蓄电池两端的充电电压U_c；数据采集器分别采集电流传感器、电压传感器测量数值并记录蓄电池充电时所经历的时间t₀；

S8.当调节调压阀并设定背压p_x为非零值时，重复上述步骤S3至步骤S7，可同时进行海洋温差能发电与水下浮力驱动过程模拟；其中，背压p_x表示对应水深浮力驱动负载；

S9.所述水设置温度T_h高低影响换热器热交换速率，蓄能器预充压力影响蓄能器蓄能压力，可调节流阀影响液压单元释能支路的液压油流量，液压马达排量影响液压马达输出轴扭矩、转速，减速器减速比影响发电机输入轴扭矩、转速；重复上述步骤S3至步骤S7，通过模拟测试装置在不同系统变量条件下，实现对基于固液相变机理的海洋温差能量转换过程开展室内多变量模拟测试。

进一步的，通过所述模拟测试装置能够求得的结果为：蓄能器释能瞬时功率P_ha＝p_ha·q_ha；液压马达输出轴瞬时功率P_h＝τ_h·ω_h；发电机输入轴瞬时功率P_l＝τ_l·ω_l；发电机瞬时发电功率 P_c＝U_c·I_c；蓄能器释能时液压势能转化为液压马达动能过程的瞬时转换效率η₁＝P_h/P_ha；减速器瞬时传递效率η₂＝P_l/P_h；相变材料吸收热能E_pcm＝C·m_pcm·ΔT+m_pcm·L，其中，相变材料的温度改变量ΔT＝T_h-T₀，比热容为C，相变潜热为L；蓄能器储存液压势能E_ha＝p_ha·ΔV；调压阀浮力做功能量E_x＝P_x·ΔV；蓄电池储存电能

发电机平均发电功率P_c1＝E_c/t₀；相变材料吸收水热能转化为蓄能器液压势能过程的转换效率η₃＝E_HA/E_pcm；蓄能器蓄能时液压势能转换为蓄电池电能过程的效率η₄＝E_c/E_HA；温差利用过程的能量转化效率η_total＝(E_c+p_x·ΔV)/E_pcm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明可避免海洋温差能发电与水下浮力驱动系统样机外场深水海试导致的测试成本极高；受海洋水文条件与温度条件的波动，测试数据不确定性强，无统一、一致初始条件；外场深水海试窗口期短，试验工况恶劣，样机故障、丢失风险高等问题。

2.本发明装置及方法可在室内获取海洋温差能量转换模拟测试的丰富过程数据，并由采集卡采集记录与集中存储，自动化程度高、数据连续性强。发明采用模拟测试途径，实现了对海洋温差能量转换过程关键数据的全面掌握。

3.本发明通过恒温水槽设置不同的恒定温差条件，通过调压阀设置不同的背压条件，实现海洋温差初始条件模拟与深海浮力驱动负载条件模拟。

4.本发明装置及方法在室内实施模拟测试，试验条件相较外场深远海试验优越，适于人员长期开展测试研究工作。相比外场测试，本发明装置涉及的各型测量传感器在室内条件下采集数据，数据质量高，受外界干扰小。

5.本发明可对海洋温差能发电与水下浮力驱动系统的蓄能器预充压力、节流阀流量、液压马达排量、减速器减速比等内部系统参数开展大量的变量匹配测试，以获取系统参数最优组合。

6.本发明装置及方法通用性强，可对多种固-液相变材料开展模拟测试。

7.利用本发明装置及方法可计算得到海洋温差能发电与水下浮力驱动系统四个单元、三个转换过程涉及的一系列瞬间、平均功率与转换效率值。

附图说明

图1是本发明能量转换示意图。

图2是本发明结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施方式，附图某些零件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置；根据能量形式的不同，基于固-液相变海洋温差能量转换过程可分为“热能—势能”、“势能—动能”、“动能—电能”三个转换过程。“热能—势能”转换过程在换热器13与蓄能器21间进行，换热器13中的相变材料吸收水14的热能后融化体积膨胀，轴向活塞向液压油一侧移动，液压油进入蓄能器21中。在此过程中，换热器13吸收水14的热能并转换为蓄能器21的液压势能。“势能—动能”转换过程在蓄能器21与液压马达25间进行，电磁阀23上电导通后，蓄能器21中的液压油经液压马达25流入油箱29并驱动液压马达25输出轴高速旋转，储存在蓄能器21中的液压势能转化为液压马达25的动能。“动能—电能”转换过程在液压马达25与发电机37间进行并将发电机37产生的电能储存在蓄电池41中。

如图2所示，基于固-液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，包括换热单元1、液压单元2、传动单元3、储电单元4和数据采集器5五部分。换热单元1包括冷热交换机10、恒温水槽11、温度传感器12、换热器13；液压单元2包括单向阀201、单向阀202、蓄能器 21、压力传感器22、电磁阀23、可调节流阀24、液压马达25、流量传感器26、调压阀27、液位传感器28、油箱29及各液压器件之间的液压管；传动单元3包括第一联轴器30、第一速度传感器31、第一扭矩传感器32、减速器33、第二扭矩传感器34、第二速度传感器35、第二联轴器36、发电机37；储电单元4包括整流桥模块40、蓄电池41、电流传感器42、电压传感器43。

换热单元1的恒温水槽11内注有水14，温度传感器12检测恒温水槽11内水14的温度，冷热交换机10依据温度传感器12获取的水温数据，实时进行水温补偿，保持恒温水槽11内水温为设定目标温度值T，换热器13浸没在水14中，换热器13内装有液压油与相变材料，并以轴向移动活塞隔离两种物质。

液压单元2可分为蓄能支路、释能支路、回油支路三条支路。蓄能支路由换热器13、单向阀201、蓄能器21、压力传感器22、电磁阀23依次连接组成，其中电磁阀23处于断电关闭状态；释能支路由蓄能器21、压力传感器22、电磁阀23、可调节流阀24、液压马达25、流量传感器26、调压阀27、液位传感器28、油箱29依次连接组成，其中电磁阀23处于上电导通状态；回油支路由油箱29、液位传感器28、单向阀202、换热器13依次连接组成。

液压单元2的单向阀201防止蓄能器21中的液压油反向流入换热器13中，单向阀202 防止换热器13中的液压油反向流入油箱29中，压力传感器22用于监测蓄能器21压力p，流量传感器26用于监测流经液压马达25的流量q。

调压阀27用于设定液压单元2的释能支路背压p_x。调压阀27设定背压p_x为零时用于开展海洋温差能发电过程模拟测试；调压阀27设定背压p_x为非零值时用于开展海洋温差能发电与水下浮力驱动过程模拟，其中背压p_x表征浮力驱动水深压力值。

油箱29液面高度随液压油的体积变化产生浮动，油箱29为等截面油箱，其横截面积为 S。液位传感器28用于检测油箱29液面高度值h。蓄能器21释能时的排油体积变化值ΔV 可计为S·Δh。

传动单元3的第一联轴器30连接液压马达25的输出轴和减速器33的输入轴，两轴之间装有第一扭矩传感器32，第一扭矩传感器32用于测量液压马达25输出轴的扭矩τ_h；第一速度传感器31用于测量液压马达25输出轴的转速ω_h。减速器33的输出轴与发电机37的输入轴通过第二联轴器36连接，两轴之间装有第二扭矩传感器34，第二扭矩传感器34用于测量发电机37输入轴的扭矩τ_l；第二速度传感器35用于测量发电机37输入轴的转速ω_l。

整流桥模块40的输入端与发电机37的输出端通过电线连接，蓄电池41的正负极分别与整流桥模块40输出端的正负极相连。电流传感器42与蓄电池41串联，用于测量通过蓄电池 41的充电电流I_c；电压传感器43与蓄电池41并联，用于测量蓄电池41的充电电压U_c。

基于固-液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置的传感器可采集到的数据为：恒温水槽11水温T、蓄能器21压力p；流经液压马达25流量q、液压马达25输出轴扭矩τ_h、液压马达25输出轴转速ω_h；油箱29液位高度h、发电机37输入轴扭矩τ_l、发电机37输入轴转速ω_l；蓄电池41充电电压U_c、充电电流I_c。

基于固-液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置系统变量包括：水14设置温度T_h、蓄能器21预充压力、可调节流阀24流量、液压马达25排量、调压阀27设定背压、减速器33减速比。

基于上述固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，本发明例还提出一种基于固-液相变海洋温差能量转换过程模拟测试方法，包括以下步骤：

1.根据如图1、2示意图搭建模拟海洋温差能发电与水下浮力驱动过程的测试装置。

2.当调节调压阀27并设定背压p_x为零时，可进行海洋温差能发电过程模拟测试。

3.初始时恒温水槽11中的水14温度设置为T₀，T₀低于相变材料凝固温度，用于模拟海洋冷水层温度。为统一起始测试状态，在每次测试过程中需保证初始时水14温度T₀保持不变。换热器13放置于恒温水槽11内并静置足够长时间，相变材料凝固同时体积收缩，换热器13中的轴向活塞向相变材料一侧移动，此时液压单元2的回油支路运行，油箱29中的液压油经单向阀202流入换热器13的液压油侧，直到液位传感器28所检测的油箱29液面高度值h保持恒定，表明换热器13中的相变材料完全凝固。

4.在“热能—势能”转换过程中，换热器13吸收水14的热能并转换为蓄能器21的液压势能。当相变材料完全凝固后，将恒温水槽11中的水14温度设置为T_h，T_h高于相变材料融化温度，用于模拟海洋暖水层温度。换热器13中的相变材料在恒温水槽11中吸收水14热能，相变材料融化同时体积膨胀，轴向活塞向液压油一侧移动。液压单元2的蓄能支路运行，换热器13中的液压油经单向阀201流入至蓄能器21中，压力传感器22监测蓄能器21的压力p_ha，数据采集器5采集压力传感器22测量数值，当压力传感器22测量数值不变时，表明换热器13中的相变材料完全融化。

5.在“势能—动能”转换过程中，储存在蓄能器21中的液压势能转化为液压马达25的动能。当相变材料完全融化后，电磁阀23上电导通，液压单元2的释能支路运行。储存在蓄能器21的液压油依次经电磁阀23、可调节流阀24、液压马达25、流量传感器26、调压阀 27流入至油箱29。压力传感器22测量蓄能器21的压力p_ha；液压油流出蓄能器21的流量与流入液压马达25的流量相等，流量传感器26测量流入液压马达25的流量为q_ha；液位传感器28连续采集油箱29液面高度h变化过程，根据油箱29液面上升高度Δh可知蓄能器21 释能时的排油体积变化值ΔV为S·Δh。

6.液压单元2释能支路运行过程中，液压油驱动液压马达25输出轴快速旋转，液压马达 25扭矩经减速器33传递后带动发电机37输入轴旋转。液压马达25输出轴的扭矩与转速分别和减速器33输入轴的扭矩与转速相等，第一速度传感器31测得液压马达25输出轴的转速ω_h，第一扭矩传感器32测得液压马达25输出轴的扭矩τ_h；减速器33输出轴的扭矩与转速分别和发电机37输入轴的扭矩与转速相等，第二扭矩传感器34测得发电机37输入轴的扭矩τ_l；第二速度传感器35测得发电机37输入轴的转速ω_l。数据采集器5分别采集压力传感器22、流量传感器26、第一速度传感器31、第一扭矩传感器32、第二扭矩传感器35、第二速度传感器36的测量数值。

7.在“动能—电能”转换过程中，发电机37的输出端产生电能并储存在蓄电池41中，电流传感器42测得通过蓄电池41的充电电流I_c；电压传感器43测得蓄电池41两端的充电电压U_c。数据采集器5分别采集电流传感器42、电压传感器43测量数值并记录蓄电池41充电时所经历的时间t₀。

8.当调节调压阀27并设定背压p_x为非零值时，重复上述步骤3至步骤7，可同时进行海洋温差能发电与水下浮力驱动过程模拟。其中，背压p_x表示对应水深浮力驱动负载。

9.水14设置温度T_h高低影响换热器热交换速率，蓄能器21预充压力影响蓄能器21蓄能压力，可调节流阀24影响液压单元2释能支路的液压油流量，液压马达25排量影响液压马达25输出轴扭矩、转速，减速器33减速比影响发电机37输入轴扭矩、转速。重复上述步骤3至步骤7，可使用本发明装置在不同系统变量条件下，实现对基于固-液相变机理的海洋温差能量转换过程开展室内多变量模拟测试。

10.基于固-液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置可求得的结果为：

蓄能器21释能瞬时功率P_ha＝p_ha·q_ha

液压马达25输出轴瞬时功率P_h＝τ_h·ω_h

发电机37输入轴瞬时功率P_l＝τ_l·ω_l

发电机37瞬时发电功率P_c＝U_c·I_c

蓄能器21释能时液压势能转化为液压马达25动能过程的瞬时转换效率η₁＝P_h/P_ha

减速器33瞬时传递效率η₂＝P_l/P_h

相变材料吸收热能E_pcm＝C·m_pcm·ΔT+m_pcm·L

其中，相变材料的温度改变量ΔT＝T_h-T₀，比热容为C，相变潜热为L

蓄能器21储存液压势能E_ha＝p_ha·ΔV

调压阀27浮力做功能量E_x＝P_x·ΔV

蓄电池41储存电能

发电机37平均发电功率P_c1＝E_c/t₀

相变材料吸收水14热能转化为蓄能器21液压势能过程的转换效率η₃＝E_HA/E_pcm

蓄能器21蓄能时液压势能转换为蓄电池41电能过程的效率η₄＝E_c/E_HA

温差利用过程的能量转化效率η_total＝(E_c+p_x·ΔV)/E_pcm

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 (9)

1.基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，包括换热单元(1)、液压单元(2)、传动单元(3)、储电单元(4)和数据采集器(5)；所述换热单元(1)包括冷热交换机(10)、恒温水槽(11)、温度传感器(12)、换热器(13)；所述液压单元(2)包括第一单向阀(201)、第二单向阀(202)、蓄能器(21)、压力传感器(22)、电磁阀(23)、可调节流阀(24)、液压马达(25)、流量传感器(26)、调压阀(27)、液位传感器(28)、油箱(29)及各液压器件之间的液压管；所述传动单元(3)包括第一联轴器(30)、第一速度传感器(31)、第一扭矩传感器(32)、减速器(33)、第二扭矩传感器(34)、第二速度传感器(35)、第二联轴器(36)、发电机(37)；所述储电单元(4)包括整流桥模块(40)、蓄电池(41)、电流传感器(42)、电压传感器(43)；

所述换热单元(1)的恒温水槽(11)内用于注水(14)，温度传感器(12)检测恒温水槽(11)内水的温度，冷热交换机(10)依据温度传感器(12)获取的水温数据，实时进行水温补偿，保持恒温水槽(11)内水温为设定目标温度值T，所述换热器(13)浸没在水(14)中，换热器(13)内装有液压油与相变材料，并以轴向移动活塞隔离两种物质；

所述液压单元(2)分为蓄能支路、释能支路、回油支路三条支路；蓄能支路由换热器(13)、第一单向阀(201)、蓄能器(21)、压力传感器(22)、电磁阀(23)依次连接组成；释能支路由蓄能器(21)、压力传感器(22)、电磁阀(23)、可调节流阀(24)、液压马达(25)、流量传感器(26)、调压阀(27)、液位传感器(28)、油箱(29)依次连接组成；回油支路由油箱(29)、液位传感器(28)、第二单向阀(202)和换热器(13)依次连接组成；

所述传动单元(3)的第一联轴器(30)连接液压马达(25)的输出轴和减速器(33)的输入轴，液压马达(25)的输出轴和减速器(33)的输入轴之间装有第一速度传感器(31)和第一扭矩传感器(32)，第一扭矩传感器(32)用于测量液压马达(25)输出轴的扭矩τ_h；第一速度传感器(31)用于测量液压马达(25)输出轴的转速ω_h；所述减速器(33)的输出轴与发电机(37)的输入轴通过第二联轴器(36)连接，减速器(33)的输出轴与发电机(37)的输入轴之间装有第二扭矩传感器(34)和第二速度传感器(35)，第二扭矩传感器(34)用于测量发电机(37)输入轴的扭矩τ_l；第二速度传感器(35)用于测量发电机(37)输入轴的转速ω_l；

所述储电单元(4)整流桥模块(40)的输入端与发电机(37)的输出端通过电线连接，蓄电池(41)的正负极分别与整流桥模块(40)输出端的正负极相连；所述电流传感器(42)与蓄电池(41)串联，用于测量通过蓄电池(41)的充电电流I_c；所述电压传感器(43)与蓄电池(41)并联，用于测量蓄电池(41)的充电电压U_c。

2.根据权利要求1所述基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，固液相变海洋温差能量转换过程分为“热能—势能”、“势能—动能”、“动能—电能”三个转换过程；“热能—势能”转换过程在换热器(13)与蓄能器(21)间进行，换热器(13)中的相变材料吸收水(14)的热能后融化体积膨胀，轴向活塞向液压油一侧移动，液压油进入蓄能器(21)中；在此过程中，换热器(13)吸收水(14)的热能并转换为蓄能器(21)的液压势能；“势能—动能”转换过程在蓄能器(21)与液压马达(25)间进行，电磁阀(23)上电导通后，蓄能器(21)中的液压油经液压马达(25)流入油箱(29)并驱动液压马达(25)输出轴高速旋转，储存在蓄能器(21)中的液压势能转化为液压马达(25)的动能；“动能—电能”转换过程在液压马达(25)与发电机(37)间进行并将发电机(37)产生的电能储存在蓄电池(41)中。

3.根据权利要求1所述基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，所述液压单元(2)的第一单向阀(201)防止蓄能器(21)中的液压油反向流入换热器(13)中，第二单向阀(202)防止换热器(13)中的液压油反向流入油箱(29)中，压力传感器(22)用于监测蓄能器(21)压力p，流量传感器(26)用于监测流经液压马达(25)的流量q。

4.根据权利要求1所述基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，所述调压阀(27)用于设定液压单元(2)的释能支路背压p_x；调压阀(27)设定背压p_x为零时，用于开展海洋温差能发电过程模拟测试，调压阀(27)设定背压p_x为非零值时，用于开展海洋温差能发电与水下浮力驱动过程模拟，其中背压p_x表征浮力驱动水深压力值。

5.根据权利要求1所述基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，所述油箱(29)液面高度随液压油的体积变化产生浮动，油箱(29)为等截面油箱，其横截面积为S；液位传感器(28)用于检测油箱(29)液面高度值h；所述蓄能器(21)释能时的排油体积变化值ΔV计为S·Δh。

6.根据权利要求1所述基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，所述模拟测试装置能够采集到的数据为：恒温水槽(11)水温T、蓄能器(21)压力p；流经液压马达(25)流量q、液压马达(25)输出轴扭矩τ_h、液压马达(25)输出轴转速ω_h；油箱(29)液位高度h、发电机(37)输入轴扭矩τ_l、发电机(37)输入轴转速ω_l；蓄电池(41)充电电压U_c、充电电流I_c。

7.根据权利要求1所述基于固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，所述模拟测试装置中的系统变量包括：水(14)设置温度T_h、蓄能器(21)预充压力、可调节流阀(24)流量、液压马达(25)排量、调压阀(27)设定背压、减速器(33)减速比。

8.基于固液相变海洋温差能量转换过程的模拟测试方法，基于权利要求1所述固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1.搭建固液相变海洋温差能量转换过程模拟测试装置；

S2.当调节调压阀(27)并设定背压p_x为零时，能够进行海洋温差能发电过程模拟测试；

S3.初始时恒温水槽(11)中的水(14)温度设置为T₀，T₀低于相变材料凝固温度，用于模拟海洋冷水层温度；为统一起始测试状态，在每次测试过程中需保证初始时水(14)温度T₀保持不变；换热器(13)放置于恒温水槽(11)内静置，相变材料凝固同时体积收缩，换热器(13)中的轴向活塞向相变材料一侧移动，此时液压单元(2)的回油支路运行，油箱(29)中的液压油经第二单向阀(202)流入换热器(13)的液压油侧，直到液位传感器(28)所检测的油箱(29)液面高度值h保持恒定，表明换热器(13)中的相变材料完全凝固；

S4.在“热能—势能”转换过程中，换热器(13)吸收水(14)的热能并转换为蓄能器(21)的液压势能；当相变材料完全凝固后，将恒温水槽(11)中的水(14)温度设置为T_h，T_h高于相变材料融化温度，用于模拟海洋暖水层温度；换热器(13)中的相变材料在恒温水槽(11)中吸收水(14)热能，相变材料融化同时体积膨胀，轴向活塞向液压油一侧移动；液压单元(2)的蓄能支路运行，换热器(13)中的液压油经第一单向阀(201)流入至蓄能器(21)中，压力传感器(22)监测蓄能器(21)的压力p_ha，数据采集器(5)采集压力传感器(22)测量数值，当压力传感器(22)测量数值不变时，表明换热器(13)中的相变材料完全融化；

S5.在“势能—动能”转换过程中，储存在蓄能器(21)中的液压势能转化为液压马达(25)的动能；当相变材料完全融化后，电磁阀(23)上电导通，液压单元(2)的释能支路运行；储存在蓄能器(21)的液压油依次经电磁阀(23)、可调节流阀(24)、液压马达(25)、流量传感器(26)、调压阀(27)流入至油箱(29)；压力传感器(22)测量蓄能器(21)的压力p_ha；液压油流出蓄能器(21)的流量与流入液压马达(25)的流量相等，流量传感器(26)测量流入液压马达(25)的流量为q_ha；液位传感器(28)连续采集油箱(29)液面高度h变化过程，根据油箱(29)液面上升高度Δh得知蓄能器(21)释能时的排油体积变化值ΔV为S·Δh；

S6.液压单元(2)释能支路运行过程中，液压油驱动液压马达(25)输出轴快速旋转，液压马达(25)扭矩经减速器(33)传递后带动发电机(37)输入轴旋转；液压马达(25)输出轴的扭矩与转速分别和减速器(33)输入轴的扭矩与转速相等，第一速度传感器(31)测得液压马达(25)输出轴的转速ω_h，第一扭矩传感器(32)测得液压马达(25)输出轴的扭矩τ_h；减速器(33)输出轴的扭矩与转速分别和发电机(37)输入轴的扭矩与转速相等，第二扭矩传感器(34)测得发电机(37)输入轴的扭矩τ_l；第二速度传感器(35)测得发电机(37)输入轴的转速ω_l；数据采集器(5)分别采集压力传感器(22)、流量传感器(26)、第一速度传感器(31)、第一扭矩传感器(32)、第二扭矩传感器(35)、第二速度传感器(36)的测量数值；

S7.在“动能—电能”转换过程中，发电机(37)的输出端产生电能并储存在蓄电池(41)中，电流传感器(42)测得通过蓄电池(41)的充电电流I_c；电压传感器(43)测得蓄电池(41)两端的充电电压U_c；数据采集器(5)分别采集电流传感器(42)、电压传感器(43)测量数值并记录蓄电池(41)充电时所经历的时间t₀；

S8.当调节调压阀(27)并设定背压p_x为非零值时，重复上述步骤S3至步骤S7，可同时进行海洋温差能发电与水下浮力驱动过程模拟；其中，背压p_x表示对应水深浮力驱动负载；

S9.所述水(14)设置温度T_h高低影响换热器热交换速率，蓄能器(21)预充压力影响蓄能器(21)蓄能压力，可调节流阀(24)影响液压单元(2)释能支路的液压油流量，液压马达(25)排量影响液压马达(25)输出轴扭矩、转速，减速器(33)减速比影响发电机(37)输入轴扭矩、转速；重复上述步骤S3至步骤S7，通过模拟测试装置在不同系统变量条件下，实现对基于固液相变机理的海洋温差能量转换过程开展室内多变量模拟测试。

9.根据权利要求8所述基于固液相变海洋温差能量转换过程的模拟测试方法，其特征在于，通过所述模拟测试装置能够求得的结果为：蓄能器(21)释能瞬时功率P_ha＝p_ha·q_ha；液压马达(25)输出轴瞬时功率P_h＝τ_h·ω_h；发电机(37)输入轴瞬时功率P_l＝τ_l·ω_l；发电机(37)瞬时发电功率P_c＝U_c·I_c；蓄能器(21)释能时液压势能转化为液压马达动能过程的瞬时转换效率η₁＝P_h/P_ha；减速器(33)瞬时传递效率η₂＝P_l/P_h；相变材料吸收热能E_pcm＝C·m_pcm·ΔT+m_pcm·L，其中，相变材料的温度改变量ΔT＝T_h-T₀，比热容为C，相变潜热为L；蓄能器(21)储存液压势能E_ha＝p_ha·ΔV；调压阀(27)浮力做功能量E_x＝P_x·ΔV；蓄电池(41)储存电能

发电机(37)平均发电功率P_c1＝E_c/t₀；相变材料吸收水(14)热能转化为蓄能器(21)液压势能过程的转换效率η₃＝E_HA/E_pcm；蓄能器(21)蓄能时液压势能转换为蓄电池(41)电能过程的效率η₄＝E_c/E_HA；温差利用过程的能量转化效率η_total＝(E_c+p_x·ΔV)/E_pcm。

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