CN112531827A - 一种海上漂浮式供电系统及供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上漂浮式供电系统及供电方法，包括漂浮式平台、系泊模块、综合发电模块、储能模块、水下充电接驳模块、无线充电模块、通信管理模块；漂浮式平台用于承载其他模块；综合发电模块，与储能模块连接，利用多站方式发电并进行储能，并直接为无线充电模块供能；储能模块，包括电池储能单元、氢气储能单元和紧急供能单元；水下充电接驳模块，包含有多阵列水下电磁铁，用于为各式水下无人设备提供接驳充电位；无线充电模块能同时为多台水下无人设备进行无线输能。本发明综合利用各种海上能源发电，可以为各式水下无人设备提供接驳充电位，实现多设备同时充电的功能，大大提高深远海水下无人设备的续航能力。

Description

一种海上漂浮式供电系统及供电方法
技术领域
本发明涉及水下无线充电技术领域，具体涉及一种海上漂浮式供电系统及供电方法。
背景技术
现有的水下无线充电装置，由于其能量来源受限，往往单一依靠太阳能发电或者潮汐能发电，存在应对突发情况能力差的问题，不便于海上长时间应用，也进一步制约了海洋无人平台的推广应用。同时，现有的接驳装置对各式设备适应性不足，可充电位置少，可同时充电设备较少。
因此，有必要对现有的海上漂浮式供电系统进行改进，以实现能源的多来源获取和接驳系统的高适应性、无线充电模块的同时充电数量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上漂浮式供电系统及供电方法，用以解决不同型号水下无人设备接驳充电、多台设备同时充电的问题，为实现上述目的，本发明公开了一种海上漂浮式供电系统，包括：漂浮式平台、系泊模块、综合发电模块、储能模块、水下充电接驳模块、无线充电模块、通信管理模块。
所述漂浮式平台，其漂浮于海面上，用于承载其他模块，并使用系泊模块进行固定；
所述系泊模块，采用单点系泊或多点系泊方式固定漂浮式平台。
所述综合发电模块，与储能模块连接，用于利用太阳能、风能、潮汐能、波浪能、温差能发电并进行储能，并直接为无线充电模块供能。
所述的储能模块，包括电池储能单元、氢气储能单元和紧急供能单元；电池储能单元，用于储存综合发电模块发出的电能；氢气储能单元，利用综合发电模块的多余电力电解海水制氢，并对制得的氢气进行储存；紧急供能单元，用于在该系统没有任何能源供应的紧急情况下，利用水激活电池进行供能；
电池储能单元采用钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池或铅酸电池等中的一种；
氢气储能单元包括制氢单元、储氢单元和燃料电池发电单元；
紧急供能单元采用Li-H2O电池或Na-H2O电池或Al-Ag2O电池等中的一种作为水激活电池。
水下充电接驳模块，包含有多阵列水下电磁铁，用于为各式水下无人设备提供接驳充电位；
多阵列水下电磁铁，与所述的储能模块连接，储能模块为其供能。
所述的无线充电模块，由若干个能量发射单元并联而成，根据设备用电需求调节充电功率，并能同时为多台水下无人设备进行无线输能；
所述无线充电模块，与综合发电模块直接连接，综合发电模块为其供能。
所述的通信管理模块，包括声呐通信单元、卫星通信终端、智能管理单元和地面显控单元；
所述声呐通信单元，用于和水下无人设备、智能管理单元、地面显控单元进行近程通信，并进行水下无人设备接驳引导通信；
所述卫星通信终端，用于和水下无人设备、智能管理单元、地面显控单元进行中远程通信；
所述智能管理单元，用于智能管理水下无人设备接驳和充电过程；
所述的地面显控单元，包括地面显示屏、主机、通讯路由器等硬件设备，用以显示海上漂浮式供电系统各模块工作状态和参数，控制各模块启用或停止；
所述的声呐通信单元，通信信息包括设备型号、外型、尺寸、充电功率、接驳充电位信息、水下无人设备位置信息等；
所述的智能管理单元，用于控制无线充电模块供能、充电完成过程和接驳通信引导过程；
所述的智能管理单元控制无线充电模块供能，首先使用所述综合发电模块供能，功率不足时使用所述储能模块进行补充供能；
所述的智能管理单元控制充电完成过程，智能管理单元接收到所述的声呐通信单元发出的强制中断信息，则控制无线充电模块停止充电；若智能管理单元没有接收到该信息，则无线充电模块等待电量自然充满后停止充电；
所述的智能管理单元控制接驳通信引导过程，在该系统的近处海域，智能管理单元控制选择使用声呐通信单元进行通信和接驳引导；在该系统的中远处海域智能管理单元控制先选择使用卫星通信终端进行通信，到达该系统的近处海域后，转为使用声呐通信单元进行通信和接驳引导。
本发明还公开了一种利用上述的漂浮式供电系统进行供电的方法，利用综合发电模块进行发电管理；利用水下储能模块进行供电管理；对于海洋中的水下无人设备，由该水下无人设备设备判断其自身电量是否低于某阈值，如果不低于则继续完成既定任务，如果低于，则由漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电接驳通讯；在接驳成功后，海上漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电。
利用综合发电模块进行发电管理时，首先判断综合发电模块现有输出功率是否大于所需功率，如果不大于所需功率，则正常向外供电，如果大于所需功率，则判断电池储能单元的剩余电量是否小于100％，如果小于100％，则对电池储能单元进行正常充电，如果不小于100％，则判断氢气储能单元储氢装置剩余电量是否小于100％，如果小于，则正常制氢，如果不小于，则综合发电模块发出的电量全部放弃。
利用水下储能模块进行供电管理时，首先判断电池储能单元功率是否符合接驳装置用电要求和水下无人设备充电要求，如果符合，则开始供电，如果不符合，则判断氢气储能单元功率是否符合接驳装置用电要求和水下无人设备充电要求，如果符合，则开始供电，如果不符合，则使用紧急供能单元供电，直到用电设备停止工作，则结束供电。
所述的漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电接驳通讯，具体过程为：首先，通信管理模块智能管理单元判断水下无人设备与海上漂浮式供电系统的距离，如果该距离低于某阈值，则海上漂浮式供电系统使用声呐通信单元与水下无人设备进行通信，如果该距离超过某阈值，则水下无人设备上浮至海面，使用卫星通信装置向海上漂浮式供电系统发送充电请求，海上漂浮式供电系统通过其卫星通信终端收到该充电请求后，海上漂浮式供电系统通过其卫星通信终端向水下无人设备发送充电位置信息，水下无人设备向该位置运动，直到其与海上漂浮式供电系统的距离低于某阈值，水下无人设备利用声呐通讯方式向海上漂浮式供电系统发送其设备型号、尺寸、外形、功率等信息，并引导该设备接驳。海上漂浮式供电系统接到该设备型号、尺寸、外形、功率等信息后，利用包含有多阵列水下电磁铁的充电接驳装置，对水下无人设备进行接驳，在接驳成功后，海上漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电。
所述的海上漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电，具体过程为：首先，判断综合发电模块发电功率是否可以满足充电功率，如果不能满足充电功率，则使用储能模块补充充电功率，如果能满足充电功率，则对水下无人设备进行正常充电；在充电过程中，如果海上漂浮式供电系统收到强制中断充电信息，则停止充电，水下无人设备与接驳装置脱离；如果海上漂浮式供电系统没有收到强制中断充电信息，则直到电量充满后停止充电，水下无人设备与接驳装置脱离。
本发明方法具有如下优点：
本发明提供了一种海上漂浮式供电系统及方法，通过综合利用各种海上能源进行发电，能够提高深远海水下无人设备的续航能力，可以为各式水下无人设备提供接驳充电位，实现多设备同时充电的功能，具有更多的充电数量和良好的功率适应性，具有适用范围广的优点。
附图说明
图1为海上漂浮式供电系统的总体结构图。
图1中，1为综合发电模块，2为漂浮式平台，3为系泊模块，4为水下充电接驳模块，5为储能模块，6为无线充电模块，7为水下无人设备。
图2为电池储能单元的安装位置图。
图2中，模块21为电池储能单元，模块22为氢气储能单元，模块23为紧急供电单元。
图3为水下充电接驳装置结构图。
图4为无线充电模块发射单元外形结构图。
图4中，模块31为某一个发射单元。
图5为综合发电模块的发电管理流程图。
图6为水下储能模块的供电管理流程图。
图7为水下无人设备的充电接驳通讯流程图。
图8为水下无人设备的充电流程图。
图9为海上漂浮式供电系统中各模块连接关系图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例公开了一种海上漂浮式供电系统，包括：漂浮式平台、系泊模块、综合发电模块、储能模块、水下充电接驳模块、无线充电模块、通信管理模块。
所述漂浮式平台，其漂浮于海面上，用于承载其他模块，并使用系泊模块进行固定；
所述系泊模块，采用单点系泊或多点系泊方式固定漂浮式平台。
所述综合发电模块，与储能模块连接，用于利用太阳能、风能、潮汐能、波浪能、温差能发电并进行储能，并直接为无线充电模块供能。
所述的储能模块，包括电池储能单元、氢气储能单元和紧急供能单元；电池储能单元，用于储存综合发电模块发出的电能；氢气储能单元，利用综合发电模块的多余电力电解海水制氢，并对制得的氢气进行储存；紧急供能单元，用于在该系统没有任何能源供应的紧急情况下，利用水激活电池进行供能；
电池储能单元采用钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池或铅酸电池等中的一种；
氢气储能单元包括制氢单元、储氢单元和燃料电池发电单元；
紧急供能单元采用Li-H2O电池或Na-H2O电池或Al-Ag2O电池等中的一种作为水激活电池。
水下充电接驳模块，包含有多阵列水下电磁铁，用于为各式水下无人设备提供接驳充电位；
多阵列水下电磁铁，与所述的储能模块连接，储能模块为其供能。
所述的无线充电模块，由若干个能量发射单元并联而成，根据设备用电需求调节充电功率，并能同时为多台水下无人设备进行无线输能；
所述无线充电模块，与综合发电模块直接连接，综合发电模块为其供能。
所述的通信管理模块，包括声呐通信单元、卫星通信终端、智能管理单元和地面显控单元；
所述声呐通信单元，用于和水下无人设备、智能管理单元、地面显控单元进行近程通信，并进行水下无人设备接驳引导通信；
所述卫星通信终端，用于和水下无人设备、智能管理单元、地面显控单元进行中远程通信；
所述智能管理单元，用于智能管理水下无人设备接驳和充电过程；
所述的地面显控单元，包括地面显示屏、主机、通讯路由器等硬件设备，用以显示海上漂浮式供电系统各模块工作状态和参数，控制各模块启用或停止；
所述的声呐通信单元，通信信息包括设备型号、外型、尺寸、充电功率、接驳充电位信息、水下无人设备位置信息等；
所述的智能管理单元，用于控制无线充电模块供能、充电完成过程和接驳通信引导过程；
所述的智能管理单元控制无线充电模块供能，首先使用所述综合发电模块供能，功率不足时使用所述储能模块进行补充供能；
所述的智能管理单元控制充电完成过程，智能管理单元接收到所述的声呐通信单元发出的强制中断信息，则控制无线充电模块停止充电；若智能管理单元没有接收到该信息，则无线充电模块等待电量自然充满后停止充电；
所述的智能管理单元控制接驳通信引导过程，在该系统的近处海域，智能管理单元控制选择使用声呐通信单元进行通信和接驳引导；在该系统的中远处海域智能管理单元控制先选择使用卫星通信终端进行通信，到达该系统的近处海域后，转为使用声呐通信单元进行通信和接驳引导。
海上漂浮式供电系统的总体结构如图1所示，其主体结构为漂浮式平台，使用系泊模块进行固定；综合发电模块安装在漂浮式平台上表面和侧面；储能模块包括电池储能单元、氢气储能单元和紧急供能单元，其中：电池储能单元安装在漂浮式平台海平面以下的下表面，氢气储能单元安装在漂浮式平台上表面，紧急供能模块安装在漂浮式平台底部，具体安装位置如图2所示；水下充电接驳模块安装在漂浮式平台底部，水下充电接驳装置结构如图3所示，其沿半径方向分布有多阵列水下电磁铁；无线充电模块安装在漂浮式平台下部，无线充电模块发射单元外形结构如图4所示，是由10个发射单元拼接而成的正十边形。
海上漂浮式供电系统中综合发电模块的发电管理流程如图5所示。
本实施例还公开了一种利用上述的漂浮式供电系统进行供电的方法，利用综合发电模块进行发电管理，利用水下储能模块进行供电管理，利用漂浮式供电系统为水下无人设备的进行供电。
综合发电模块在进行发电管理时，首先判断综合发电模块现有输出功率是否大于所需功率，如果不大于所需功率，则正常向外供电，如果大于所需功率，则判断电池储能单元的剩余电量(SOC)是否小于100％，如果小于100％，则对电池储能单元进行正常充电，如果不小于100％，则判断氢气储能单元储氢装置SOC是否小于100％，如果小于，则正常制氢，如果不小于，则综合发电模块发出的电量全部放弃，即弃风弃光。
海上漂浮式供电系统中水下储能模块的供电管理流程如图6所示。水下储能模块进行供电管理时，首先判断电池储能单元功率是否符合接驳装置用电要求和水下无人设备充电要求，如果符合，则开始供电，如果不符合，则判断氢气储能单元功率是否符合接驳装置用电要求和水下无人设备充电要求，如果符合，则开始供电，如果不符合，则使用紧急供能单元供电，直到用电设备停止工作，则结束供电。
海上漂浮式供电系统为水下无人设备的具体供电过程为：对于远处海域的水下无人设备，由该设备判断其自身电量是否低于某阈值，如果不低于则继续完成既定任务，如果低于则按如下流程对水下无人设备进行充电接驳通讯，该流程如图7所示，具体过程为：首先，通信管理模块智能管理单元判断水下无人设备与海上漂浮式供电系统的距离，如果该距离低于某阈值，则海上漂浮式供电系统使用声呐通信单元与水下无人设备进行通信，如果该距离超过某阈值，则水下无人设备上浮至海面，使用卫星通信装置向海上漂浮式供电系统发送充电请求，海上漂浮式供电系统通过其卫星通信终端收到该充电请求后，海上漂浮式供电系统通过其卫星通信终端向水下无人设备发送充电位置信息，水下无人设备向该位置运动，直到其与海上漂浮式供电系统的距离低于某阈值，水下无人设备利用声呐通讯方式向海上漂浮式供电系统发送其设备型号、尺寸、外形、功率等信息，并引导该设备接驳。海上漂浮式供电系统接到该设备型号、尺寸、外形、功率等信息后，利用包含有多阵列水下电磁铁的充电接驳装置，对水下无人设备进行接驳，在接驳成功后对水下无人设备进行充电。海上漂浮式供电系统按图8的流程对水下无人设备进行充电，具体过程为：首先，判断综合发电模块发电功率是否可以满足充电功率，如果不能满足充电功率，则使用储能模块补充充电功率，如果能满足充电功率，则对水下无人设备进行正常充电；在充电过程中，如果海上漂浮式供电系统收到强制中断充电信息，则停止充电，水下无人设备与接驳装置脱离；如果海上漂浮式供电系统没有收到强制中断充电信息，则直到电量充满后停止充电，水下无人设备与接驳装置脱离。图9为海上漂浮式供电系统中各模块连接关系图。
上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种海上漂浮式供电系统，其特征在于，包括：漂浮式平台、系泊模块、综合发电模块、储能模块、水下充电接驳模块、无线充电模块、通信管理模块；
所述漂浮式平台，其漂浮于海面上，用于承载其他模块，并使用系泊模块进行固定；
所述系泊模块，采用单点系泊或多点系泊方式固定漂浮式平台；
所述综合发电模块，与储能模块连接，用于利用太阳能、风能、潮汐能、波浪能、温差能发电并进行储能，并直接为无线充电模块供能；
所述的储能模块，包括电池储能单元、氢气储能单元和紧急供能单元；电池储能单元，用于储存综合发电模块发出的电能；氢气储能单元，利用综合发电模块的多余电力电解海水制氢，并对制得的氢气进行储存；紧急供能单元，用于在该系统没有任何能源供应的紧急情况下，利用水激活电池进行供能；
所述的水下充电接驳模块，包含有多阵列水下电磁铁，用于为各式水下无人设备提供接驳充电位；多阵列水下电磁铁，与所述的储能模块连接，储能模块为其供能；
所述的无线充电模块，由若干个能量发射单元并联而成，根据设备用电需求调节充电功率，并能同时为多台水下无人设备进行无线输能；所述无线充电模块，与综合发电模块直接连接，综合发电模块为其供能；
所述的通信管理模块，包括声呐通信单元、卫星通信终端、智能管理单元和地面显控单元；
所述声呐通信单元，用于和水下无人设备、智能管理单元、地面显控单元进行近程通信，并进行水下无人设备接驳引导通信；
所述卫星通信终端，用于和水下无人设备、智能管理单元、地面显控单元进行中远程通信；
所述智能管理单元，用于智能管理水下无人设备接驳和充电过程；
所述的地面显控单元，包括地面显示屏、主机、通讯路由器，用以显示海上漂浮式供电系统各模块工作状态和参数，控制各模块启用或停止。
2.一种如权利要求1所述的海上漂浮式供电系统，其特征在于，
所述的电池储能单元采用钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池或铅酸电池中的一种。
3.一种如权利要求1所述的海上漂浮式供电系统，其特征在于，
所述的紧急供能单元采用Li-H2O电池或Na-H2O电池或Al-Ag2O电池中的一种作为水激活电池。
4.一种如权利要求1所述的海上漂浮式供电系统，其特征在于，
所述的声呐通信单元，其通信信息包括设备型号、外型、尺寸、充电功率、接驳充电位信息、水下无人设备位置信息。
5.一种如权利要求1所述的海上漂浮式供电系统，其特征在于，
所述的智能管理单元，用于控制无线充电模块供能、充电完成过程和接驳通信引导过程；
所述的智能管理单元控制无线充电模块供能，首先使用所述综合发电模块供能，功率不足时使用所述储能模块进行补充供能；
所述的智能管理单元控制充电完成过程，智能管理单元接收到所述的声呐通信单元发出的强制中断信息，则控制无线充电模块停止充电；若智能管理单元没有接收到该信息，则无线充电模块等待电量自然充满后停止充电；
所述的智能管理单元控制接驳通信引导过程，在该系统的近处海域，智能管理单元控制选择使用声呐通信单元进行通信和接驳引导；在该系统的中远处海域智能管理单元控制先选择使用卫星通信终端进行通信，到达该系统的近处海域后，转为使用声呐通信单元进行通信和接驳引导。
6.一种利用权利要求1至5中任意一项所述的海上漂浮式供电系统进行供电的方法，其特征在于，利用综合发电模块进行发电管理；利用水下储能模块进行供电管理；对于海洋中的水下无人设备，由该水下无人设备设备判断其自身电量是否低于某阈值，如果不低于则继续完成既定任务，如果低于，则由漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电接驳通讯；在接驳成功后，海上漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电。
7.一种如权利要求6所述的利用海上漂浮式供电系统进行供电的方法，其特征在于，利用综合发电模块进行发电管理时，首先判断综合发电模块现有输出功率是否大于所需功率，如果不大于所需功率，则正常向外供电，如果大于所需功率，则判断电池储能单元的剩余电量是否小于100％，如果小于100％，则对电池储能单元进行正常充电，如果不小于100％，则判断氢气储能单元储氢装置剩余电量是否小于100％，如果小于，则正常制氢，如果不小于，则综合发电模块发出的电量全部放弃。
8.一种如权利要求6所述的利用海上漂浮式供电系统进行供电的方法，其特征在于，利用水下储能模块进行供电管理时，首先判断电池储能单元功率是否符合接驳装置用电要求和水下无人设备充电要求，如果符合，则开始供电，如果不符合，则判断氢气储能单元功率是否符合接驳装置用电要求和水下无人设备充电要求，如果符合，则开始供电，如果不符合，则使用紧急供能单元供电，直到用电设备停止工作，则结束供电。
9.一种如权利要求6所述的利用海上漂浮式供电系统进行供电的方法，其特征在于，所述的漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电接驳通讯，具体过程为：首先，通信管理模块智能管理单元判断水下无人设备与海上漂浮式供电系统的距离，如果该距离低于某阈值，则海上漂浮式供电系统使用声呐通信单元与水下无人设备进行通信，如果该距离超过某阈值，则水下无人设备上浮至海面，使用卫星通信装置向海上漂浮式供电系统发送充电请求，海上漂浮式供电系统通过其卫星通信终端收到该充电请求后，海上漂浮式供电系统通过其卫星通信终端向水下无人设备发送充电位置信息，水下无人设备向该位置运动，直到其与海上漂浮式供电系统的距离低于某阈值，水下无人设备利用声呐通讯方式向海上漂浮式供电系统发送其设备型号、尺寸、外形、功率信息，并引导该设备接驳；海上漂浮式供电系统接到该设备型号、尺寸、外形、功率信息后，利用包含有多阵列水下电磁铁的充电接驳装置，对水下无人设备进行接驳，在接驳成功后，海上漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电。
10.一种如权利要求6所述的利用海上漂浮式供电系统进行供电的方法，其特征在于，所述的海上漂浮式供电系统对水下无人设备进行充电，具体过程为：首先，判断综合发电模块发电功率是否可以满足充电功率，如果不能满足充电功率，则使用储能模块补充充电功率，如果能满足充电功率，则对水下无人设备进行正常充电；在充电过程中，如果海上漂浮式供电系统收到强制中断充电信息，则停止充电，水下无人设备与接驳装置脱离；如果海上漂浮式供电系统没有收到强制中断充电信息，则直到电量充满后停止充电，水下无人设备与接驳装置脱离。
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