CN113757063A - 一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法及其仿真方法，属于水下机器人技术领域。步骤一、根据设计要求以及技术指标，完成海洋环境特性分析，选取合适参数；步骤二、进行海洋温差能驱动系统设计；步骤三、根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型；步骤四、进行海洋温差能驱动系统仿真，包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真。本解决了传统的海洋环境观测范围不足问题，同时也解决了水下机器人续航力不足的问题。

Description

一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法 及其仿真方法

技术领域

本发明涉及一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法及其仿真方法，属于水下机器人技术领域

背景技术

海洋的总面积达3.6×10⁹km²，覆盖着地球71％的面积，蕴含着丰富的自然资源，具体包括生物资源、油气资源、矿产资源等，仍具有极大的开发潜力，海洋对于人类未来的发展具有极为重要的意义。

要获得全面的海洋环境数据需要有先进的海洋环境观测设备，水下探测设备剖面浮标因为其成本低、续航时间长、探测范围广等优势，被广泛应用于海洋环境的观测工作中。剖面浮标的工作机理是通过浮力调节机构改变自身体积的大小，从而改变自身所受到的浮力大小，由于自身质量不改变，依靠重力与浮力的差值实现自身上浮和下潜，通过自身搭载的传感器获得不同深度下海水的温度、盐度、流速等海洋环境数据。传统的剖面浮标采用自身携带的电源进行供电，一旦电源电量耗尽，必须为其更换电源，否则无法继续工作，采用海洋温差能驱动剖面浮标可以延长剖面浮标的工作时间，完成更大范围的海洋环境观测工作。虽然，现存多种不同的浮标仿真方法，但仍然存在一系列的不足，无法支持温差能发电的相关理论研究。目前的仿真大都是基于浮标得运动仿真，针对相变过程、温差能发电过程以及浮力驱动过程尚未进行深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法及其仿真方法，以解决现有技术中存在的问题。

一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，所述发电结构包括海洋温差能换热器、第一区域和第二区域，所述第一区域包括蓄能器、液压马达和内皮囊，所述第二区域包括蓄电池、电池管理模块、发电机和外皮囊，其中，所述海洋温差能换热器分别联通所述蓄能器、内皮囊和外皮囊，且所述蓄能器、内皮囊和外皮囊均彼此联通，所述蓄能器和海洋温差能换热器的通路上设有第一单向阀，所述内皮囊和海洋温差能换热器的通路上设有第二单向阀，与所述外皮囊连接的两个通路分别设有第二电磁阀门和第三电磁阀门，所述第一区域和第二区域间的通路上设有第一电磁阀门和液压马达，所述液压马达的输出端与所述发电机的输入端传动连接，所述发电机、电池管理模块和电池依次电连接。

进一步的，所述海洋温差能换热器内设有相变材料，所述相变材料内储存有工作介质，所述工作介质为相变材料。

进一步的，所述海洋温差能换热器，用于储存相变材料，从而捕获海水温度变化；

所述蓄能器，用于存储和释放相变材料体积变化所产生的能量；

所述第一单向阀和第二单向阀，用于控制液压油的流向；

所述第一电磁阀门、第二电磁阀门和第三电磁阀门，用于控制发电及正负浮力运动过程的调节；

所述液压马达，用于将蓄能器中存储的能量转化为机械能；

所述发电机，用于将液压马达的机械能转化成电能；

所述电源管理模块，用于处理所述发电机产生的电能，然后将所述电能存入所述蓄电池中；

所述外皮囊，用于通过体积改变导致浮标的浮力变化来驱动浮标运动；

所述内皮囊，用于储存和释放液压油。

一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的应用方法，基于上述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，所述应用方法包括以下步骤：

步骤一、打开第一单向阀，蓄能器中压力高于内皮囊压力，传递工质由蓄能器流向内皮囊，驱动液压马达转动，液压马达带动发电机发电；

步骤三、当蓄能器压力下降到初始值时，关闭第一单向阀，发电完成，此时内皮囊的传递工质体积刚好等于初始体积，完成了一个工作循环。

一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，基于上述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，

步骤一、根据设计要求以及技术指标，完成海洋环境特性分析，选取合适参数；

步骤二、进行海洋温差能驱动系统设计；

步骤三、根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型；

步骤四、进行海洋温差能驱动系统仿真，包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真。

进一步的，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、进行相变材料选取及相变过程参数分析；

步骤二二、进行海洋温差能驱动系统组成及驱动原理设计；

步骤二三、进行海洋温差能换热器设计；

步骤二四、进行蓄能器建模。

进一步的，在步骤三中，具体的，根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型，包括发电过程数学建模和浮力驱动过程数学模型。

进一步的，在步骤四中，所述海洋温差能驱动系统仿真包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真和浮力驱动过程仿真。

进一步的，所述相变过程仿真具体为：

所述相变材料为正十六烷，相变材料在浮标上浮到一定深度后，吸收海水的热量融化，在浮标下潜到一定深度后释放热量相变材料凝固，海洋温差能驱动系统仿真包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真；

采用线性拟合的方法给出海水压力与海水深度的关系，具体公式如下：

P＝ρgh+P₀ (1)

其中P为海水压力，ρ为海水密度，与海水深度、海水温度和海水盐度有关，g为重力加速度，h为海水深度，P₀为标准大气压，

根据ARGO数据中心数据，进行海水温度与深度拟合，采用反比例关系式进行拟合，拟合关系式为：

T为海水温度，T₀为表面海水温度，a为拟合系数，取为0.005，

根据海水温度、海水盐度、海水压力的关系计算出海水密度根据ARGO测量数据，计算得到海水密度拟合方程如下：

其中ρ为海水密度，ρ₀为表面海水密度，系数α_i(i＝1,2,3)分别等于7.0297、0.0035、0.0040，

将相变传热问题简化为一维相变传热问题，一半无限大的相变材料液体PCM初始处于温度T_i，当时间t大于零时刻，边界x＝0处被立刻降温冷却并一直保持一个低于相变材料熔点T_m的温度T_w，固相和液相的界面为s(t)，这是一个双区域问题，固相区域和液相区域的温度分布分别满足以下控制方程：

其中α＝k/ρc，k为物质的导热系数，ρ为物质的密度，c为物质的比热容，下标s代表物质固相，下标l代表物质液相，

初始和边界条件表示为

T_s(x,0)＝T_l(x,0)＝T_i t≤0 (6)

T_s(0,t)＝T_w x＝0 t＞0 (7)

T_l(x,t)→T_i x→∞ (8)

界面s(t)的条件表示为：

T_s(s,t)＝T_l(s,t)＝T_m x＝s(t) (9)

由满足公式(4)至(8)构造出无相变的大平板热传导问题的解，由该解构造出固相区域和液相区域的温度分布规律分别满足以下公式：

T_s(x,t)＝T_w+Aerf[x/2(α_st)^1/2] (11)

T_l(x,t)＝T_i+Berfc[x/2(α_lt)^1/2] (12)

其中A、B为待定常数，erf高斯误差函数，将式(11)和式(12)代入到界面温度条件公式(9)中，得到

其中λ＝s(t)/2(α_st)^1/2，由公式(13)得知，λ应为常数，进而求得：

将A、B代入式(11)和式(12)中得到：

将式(16)和式(17)代入到界面能量条件式(10)中，得到λ满足的条件为：

其中

凝固过程相变界面位置随时间变化的关系为：

s(t)＝2λ(α_st)^1/2 (19)

凝固过程相变界面移动速度随时间变化的关系为：

上述相变过程的逆过程即为固体的溶解，忽略液相自然对流，固体溶解过程的解法同上，此时相变过程的相变界面的位置表示为：

s(t)＝2λ(α_lt)^1/2 (21)

常数λ仍由公式(18)确定，需要将固、液相的热物性参数互换，将温度比(T_i-T_m)(T_m-T_w)换成(T_m-T_w)(T_i-T_m)，将Ste数改写成Ste＝c_l(T_w-T_m)/Δh_m，

假设T_w＝25℃，T_i＝5℃，将表中正十六烷的物理数据代入到(22)中，求解该方程，得到λ的值；

所述温差能发电过程仿真具体为：

海洋温差能驱动系统实现驱动浮标潜浮运动及发电两个功能，初始时平台悬浮在水面附近，控制模块打开第二电磁阀门，外皮囊的压力大于内皮囊的压力，液压油从外皮囊流向内皮囊，外皮囊体积变小，所受的浮力变小，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，控制模块关闭第二电磁阀门，

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变小，液压油通过第二单向阀从内皮囊流入温差能换热器中，

打开第一电磁阀门，蓄能器内的压力大于外皮囊所受海水压力，液压油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，控制模块关闭第一电磁阀门；

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，液压油从换热器流向蓄能器，完成了一个完整的工作过程，

打开第一电磁阀，蓄能器中压力高于内皮囊压力，传递工质由蓄能器流向内皮囊，驱动液压马达转动，液压马达带动发电机发电，当蓄能器压力下降到初始值时，关闭第一电磁阀，发电完成，此时内皮囊的传递工质体积刚好等于初始体积，完成了一个工作循环，

取安全系数为1.2，温差能换热器耐压壳的设计外压即为6MPa，承受外压时，换热器耐压壳最小厚度满足的公式为：

承受内压时，换热器耐压壳最小厚度为：

海洋温差能换热器耐压壳的厚度取满足承受外压和内压作用时，两者计算得到的最大厚度值t：

t＝max{t_e，t_i} (25)

假设换热器外部的海水温度高于换热器内部温度，即海水与换热器之前存在温度差，在温度差的作用下，热量从海水流向换热器内部，热量在从海水流向换热器内部的路径上会遇到阻力，称为热阻R，这个温差能换热器表征换热性能的重要参数，定义如下公式：

其中D₀为换热器外径，D_i为换热器内径，D_m为橡胶管直径，k_m为金属导热系数，k_PCM为相变材料导热系数，

海洋温差能换热器长期与海水接触，需要选取耐海水腐蚀的材料作为耐压壳材料，初步选择金属铝合金6061-T6、钛合金TA2两种材料作为耐压壳材料，通过计算相同尺寸条件下的不同金属材料与相变材料的组合情况下温差能换热器的热阻，

通过计算两种材料制成相同尺寸的换热器的热阻，两种金属材料制成的换热器热阻相差极小，耐压壳金属材料对换热器的换热性能影响极小，所以金属导热性能不作为换热器耐压壳金属材料选择的约束条件，

由海洋温差能换热器的热阻公式得知，换热器热阻与换热器长度成反比，得到在换热器内相变材料一定的情况下，增加换热器的长度有效减小换热器的热阻，提高换热器的导热效率，忽略温差能换热器橡胶软管的厚度，相变材料体积和液压油体积满足如下关系：

其中V_PCM为相变材料体积，V_o为液压油体积，κ_PCM为相变材料体积改变率，

综合考虑选取铝合金6061-T6作为海洋温差能换热器耐压壳的材料；

当海洋温差能驱动的剖面浮标启动上浮时，蓄能器内的气体推动液压油流入到外皮囊中，外皮囊体积增大，蓄能器内气体对外做功，外皮囊的体积变化量为0.3L，蓄能器内的初始压力应大于海洋温差能驱动的剖面浮标最大潜深时海水的压力，最大潜深时海水的压力为5MPa，蓄能器内气体预充压力为7MPa，蓄能器内气体满足如下方程：

其中P₀为蓄能器内气体初始压力，V₀为蓄能器内气体初始体积，k₁为绝热指数，P₁为蓄能器对外做功后气体压力，V₁为蓄能器对外做功后气体体积，且满足V₁＝0.5+V₀，P₁不小于5MPa，经过计算V₀的体积不小于3.6L，

浮标上浮过程中，温差能换热器中的相变材料熔化，将换热器中的液压油挤压到蓄能器中，蓄能器中气体体积减小，压力增大，蓄能器内气体满足如下方程：

其中k₂为绝热指数，P₂为蓄能器气体受到压缩后的压力，V₂为蓄能器气体受到压缩后的体积，且满足V₂＝V₁-V_PCM,V_PCM为相变材料熔化时产生的体积变化，P₂小于20MPa，经过计算V₀的体积为4L，此时P₂为17.3MPa，P₁为5.9MPa并且大于5MPa满足深度约束条件，

发电过程中，蓄能器中的液压油流入到内皮囊中，蓄能器中气体体积增加，压力减小，蓄能器内气体满足如下方程：

其中k₃为绝热指数，

液压马达输出转矩T_m与液压马达进出口压力差值ΔP和排量V_m有关，满足以下方程：

T_m＝ΔPV_mη_m/2π (31)

其中ΔP＝P_i-P_o，P_i为液压马达进口处的压力，P_o为液压马达出口处的压力，η_m为马达的机械效率，

液压马达输出功率G与液压马达输出转矩T_m和液压马达转速n满足：

G＝2πnT_m (32)

液压马达转速n与液压马达的排量V_m与系统管道内的流量q之间的关系满足：

n＝q/V_m (33)

发电机电磁转矩T_e与发电机固有参数K_e、线圈中的电流I、发电机线圈的磁通量Φ_e之间的关系满足：

T_e＝K_eΦ_eI (34)

发电机电动势E与发电机的转速n_e之间的关系满足：

E＝K_EΦ_en_e (35)

其中K_E为常数，与电机结构有关，K_e＝9.55K_E，

液压马达带动发电机旋转，发电机转矩与液压马达转矩两者之间满足：

T_m＝T_E (36)

T_E＝T₀+T_e+Jα (37)

其中T₀为发电机空载时的转矩，J为发电机轴系的转动惯量，α为发电机轴系的角加速度，

假设发电机所发电量全部被电阻R吸收，关系满足：

E＝IR (38)

系统管道内流量q与蓄能器内气体体积V_a之间的关系满足：

整理式(31)-(39)得到液压马达进出口压力与蓄能器中氮气体积之间满足：

其中

发电系统管道内液压油存在粘滞性而具有的两种流动形态，当管道内流体质点平稳的沿管道轴线方向运动，彼此不相混掺的形态称为层流，当管道内流体质点不仅有纵向，而且彼此混掺，处于杂乱无章的运动状态时称为湍流，管道内流动形态由雷诺数R_e决定，雷诺数R_e定义为：

其中ρ为管道内液压油的密度，v为管道内液压油的流速，d为管道内径，μ为管道内液压油的动力粘滞系数，当R_e＜2320时为层流，当R_e＞13800时为湍流，R_e处于两者之间时为过渡状态，

管道内液压油在管道内流动时与管壁产生摩擦，这样会消耗液体一部分机械能，产生能量损失，液体在管道内的沿程阻力损失：

其中l为管道长度，λ为沿程阻力系数，假设管道内液体流动状态为层流(如果不是层流，通过阀门开度调节流速，使液体流动状态为层流)，层流的沿程阻力只与雷诺数有关，层流的沿程阻力系数表达式为：

结合式(41)至式(43)，得到沿程阻力如下：

流体通过阀门时，液体流量与阀门开度A_v和阀门进出口压力差ΔP_d之间关系满足：

其中C_d为节流系数，

节流系数C_d与流量系数χ和流体密度ρ之间的关系满足：

液体流经阀门的阻力为：

其中A_p为管路的横截面积，管道内流速v满足v＝q/A_p，A_v为阀门开度，

蓄能器出口到液压马达前满足力平衡方程：

其中m₁＝ρA_pL₁为管道内液压油，

将f_f和f_d的表达式代入得到：

其中B₁＝8πμL₁为沿程阻力系数，

为阀门阻力系数，

将v代入式(49)得：

液压马达出口至内皮囊的运动负载平衡方程：

其中P_n为内皮囊的压力，m₂＝ρA_pL₂为输送管道内液压油的质量，C₁＝8πμL₂为沿程阻力系数，

将v代入式(51)得到：

结合式(48)、式(50)、式(52)，得到：

将

代入上式，发电过程的数学模型：

其中

所述浮力驱动过程仿真具体为：

上浮驱动时，打开阀门，蓄能器内气体对外做功，将挤压液压油，将液压油排入到外皮囊中，这个过程满足的运动负载平衡方程：

其中：m₃＝ρA_pL₃为输送管道内液压油的质量，D₁＝8πμL₃为沿程阻力系数，

为阀门阻力系数，P_w为外皮囊的压力，

将v代入，得到：

其中：

下潜驱动时，打开阀门，在外界海水压力的作用下，将外皮囊中的液压油排入到内皮囊中，这个过程满足的运动负载平衡方程：

其中：m₄＝ρA_pL₄为输送管道内传递液压油的质量；E₁＝8πμL₄为输送管道的沿程阻力系数，

为阀门阻力系数，

将v代入，得到：

其中：

K＝P_w-P_n，

在相变材料熔化过程仿真中，将相变材料的初始温度设为5℃，保持其他基本条件不变，将外界海水的温度分别设为30℃、28℃、25℃、23℃和20℃开展仿真分析，计算相变材料全部熔化时间，同时监测蓄能器内压力的变化情况，

外界海水温度越高相变材料熔化速度越快，当外界海水温度为20℃时，相变材料全部熔化需要4.85小时，而当外界海水温度为30℃时，相变材料全部熔化需要0.68小时，当温度超过28℃时，相变材料的熔化速率变化减小，外界海水温度越高，蓄能器内气体的压力增长越快，

在相变材料凝固过程仿真中，将相变材料的初始温度设为25℃，保持其他基本条件不变，将外界海水的温度分别设为5℃、7℃、9℃、11℃开展仿真分析，计算相变材料全部凝固所需时间，外界海水温度越低相变材料凝固速度越快，当外界海水温度为5℃时，相变材料全部凝固需要8.9小时，而当外界海水温度为11℃时，相变材料全部熔化需要21小时，

正十六烷的相变温度为18.2℃，将相变温度作为凝固海水温度与熔化海水温度平均值，分别设置20.2℃和16.2℃、23.2℃和13.2℃、26.2℃和10.2℃、29.2℃和7.2℃四组温度条件，温度差分别为4℃、10℃、16℃、22℃，进行相变材料熔化和凝固的仿真分析，得到了不同温度差的条件下熔化过程和凝固过程的变化，温度差越大相变材料熔化的速度越快，温度差从4℃升高至22℃，熔化的速率提升了6倍，

温度差越大蓄能器内压力升高的速度越快，温度差越大相变材料凝固的速度越快，温度差从4℃升高至22℃，凝固的速率提升了3倍，得到：温度差大小对于相变材料融化过程的影响大于对相变材料凝固过程的影响，

设置三种温度组合，分别是29.2℃和13.2℃、26.2℃和10.2℃、23.2℃和7.2℃，三组温度组合的温度差值为16℃，三组温度组合的平均值分别与相变材料的相变温度18.2℃相差3℃、0℃、－3℃，开展三组温度组合情况下，相变材料熔化和凝固的仿真，得到如下仿真结果，

在温度差值一定的情况下，温度组合平均值正偏置时相变材料熔化速度快，在温度差值一定的情况下，温度组合平均值正偏置时蓄能器内气体压力升高的速度快，在温度差值一定的情况下，温度组合平均值负偏置时相变材料凝固速度快，

依据建立的温差能发电数学模型搭建温差能仿真系统，通过仿真分析各个设备参数对温差能发电过程的影响，

通过改变阀门开度大小，得到如下仿真结果：阀门开度越大，蓄能器内气体的压力下降的越快，流经液压马达的液压油流速越快，导致液压马达转速越快，液压马达输出的转矩越大，发电的电压越大，同时发电量越大，用于发电的液压油体积一定，阀门开度越大导致发电过程持续时间越短，阀门处的能量损失是导致不同阀门开度时发电量不同的主要因素，要提高温差能驱动系统的发电量就要尽可能增大阀门开度，但阀门开度过大，会导致电压过高、发电时间过短，不利于电能的储存，

通过设置发电机不同参数，得到如下仿真结果，K值越大，代表发电机越大，需要的马达提供的转矩越大，马达的转速降低，液压油流动的速度降低，发电时间增加，发电电压降低，发电总量受k值影响不大，

设置不同马达排量，保持其他条件不变，得到仿真结果如下所示，液压马达排量越大，液压马达转速越大，液压马达转矩变化不大，整个发电过程时间减少，发电电压升高，发电量也随之增加，

启动上浮阶段，打开第一电磁阀门，蓄能器内液压油在蓄能器内气体作用下流向外皮囊，此时外皮囊所受外部海水压力为5MPa，蓄能器内初始压力为7MPa，改变阀门的开度，得到不同阀门开度下外皮囊体积随时间的变化关系，阀门开度越大，完成上浮驱动过程的时间越短，但阀门开度过大不利于控制上浮驱动过程，综合考虑上浮驱动过程的阀门开度设为10^-6m²，完成上浮驱动需要约5秒的时间，

启动下潜阶段，打开第二电磁阀门，外皮囊内液压油在外界压力的作用下流向内皮囊，此时外皮囊所受外部海水压力为0.18MPa，改变阀门的开度，得到不同阀门开度下外皮囊体积随时间的变化关系，阀门开度越大，完成下潜驱动过程的时间越短，但阀门开度过大不利于控制下潜驱动过程，综合考虑下潜驱动过程的阀门开度设为10^-6m²。

本发明的有以下有益效果：本发明通过分析海水压力、温度、密度等海洋环境的分布规律，依据海洋环境特性选取合适的相变材料，并对相变过程进行建模分析，得到相关参数。然后给出海洋温差能驱动系统的组成以及工作原理，完成温差能换热器的设计，建立温差能驱动系统的数学模型。最后开展海洋温差能驱动系统的仿真分析，包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真，可以减少外场试验次数，节约成本，保证试验安全。解决了传统的海洋环境观测范围不足问题，同时也解决了水下机器人续航力不足的问题。

附图说明

图1为温差能发电驱动的剖面浮标的发电仿真图；

图2为半无限大一维凝固过程示意图；

图3为海洋温差能驱动系统示意图；

图4为温差能换热器截面图；

图5为换热器热阻与耐压壳金属材料的关系；

图6为相变材料熔化体积随时间变化曲线；

图7为蓄能器内压力随时间变化情况；

图8为相变材料凝固体积变化量随时间变化曲线；

图9为不同温差下相变材料融化过程中体积变化与时间的关系；

图10为不同温差下相变材料融化过程中蓄能器压力变化与时间的关系；

图11为不同温差下相变材料凝固过程中体积变化与时间的关系；

图12为不同温度偏置下相变材料融化过程中体积变化与时间的关系；

图13为不同温度偏置下相变材料融化过程中蓄能器压力变化与时间的关系；

图14为不同温度偏置下相变材料融化过程中体积变化与时间的关系；

图15为改变阀门开度大小情况下的发电电压示意图；

图16为改变阀门开度大小情况下的发电量示意图；

图17为改变阀门开度大小情况下的参与发电液压油体积示意图；

图18为改变阀门开度大小情况下的液压马达转速示意图；

图19为设置发电机不同参数情况下的发电电压示意图；

图20为设置发电机不同参数情况下的发电量示意图；

图21为设置发电机不同参数情况下的参与发电液压油体积示意图；

图22为设置发电机不同参数情况下的液压马达转速示意图；

图23为设置不同马达排量情况下的发电电压示意图；

图24为设置不同马达排量情况下的发电量示意图；

图25为设置不同马达排量情况下的参与发电液压油体积示意图；

图26为设置不同马达排量情况下的液压马达转速示意图；

图27为上浮驱动过程外皮囊体积随时间变化图；

图28为下潜驱动过程外皮囊体积随时间变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了本发明的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法及其仿真方法，本发明解决了传统的海洋环境观测范围不足问题，同时也解决了水下机器人续航力不足的问题。一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法及其仿真方法，其特征在于，所述发电结构及其控制方法包括以下步骤：

参照图1所示，步骤一、根据设计要求以及技术指标，完成海洋环境特性分析，选取合适参数；

步骤二、进行海洋温差能驱动系统设计；

步骤三、根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型；

步骤四、海洋温差能驱动系统仿真包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真。

进一步的，在步骤一中，所述根据设计要求以及技术指标，完成海洋环境特性分析，选取合适参数，其特征在于，在步骤一中，所述海洋环境特性分析包括海水压力、海水温度、海水密度等关于仿真的参数选择。

进一步的，在步骤二中，在进行海洋温差能驱动系统设计中，包括以下步骤：

步骤二一：相变材料选取及相变过程参数分析

步骤二二：海洋温差能驱动系统组成及驱动原理设计

步骤二三：海洋温差能换热器设计

步骤二四：蓄能器建模

进一步的，在步骤三中，根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型；其特征在于,包括发电过程数学建模和浮力驱动过程数学模型。

进一步的，在步骤四中，正十六烷的相变潜热高，体积变化率大，采用正十六烷作为相变材料。

相变材料在浮标上浮到一定深度后中吸收海水的热量融化，在浮标下潜到一定深度后释放热量相变材料凝固，这个凝固融化过程循环涉及到了相变传热学知识。海洋温差能驱动系统仿真包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真；其特征在于,包括相变材料熔化过程仿真、相变材料凝固过程仿真、温度差对相变过程影响仿真、温度偏置仿真、温差能发电过程仿真、浮力驱动过程仿真。

海水压力随着海水的密度、深度和重力加速度变化而变化，海水压力直接作用于海洋温差能驱动的剖面浮标的表面，对于海洋温差能驱动的剖面浮标的耐压壳体以及海洋温差能驱动系统的外皮囊产生相应的影响。在工程上常用的方法为线性关系拟合方法，通过对比四种方法的计算精度，发现线性拟合的方法误差在可接受范围内，本文故采用线性拟合的方法给出海水压力与海水深度的关系，具体公式如下：

P＝ρgh+P₀ (1)

其中P为海水压力，ρ为海水密度，与海水深度、海水温度和海水盐度有关，g为重力加速度，h为海水深度，P₀为标准大气压。

海水温度随纬度和深度变化明显，在同一纬度，海水深度越大温度越低，当深度超过500米时，海水温度随深度变化率减小，根据ARGO数据中心数据，进行海水温度与深度拟合。采用反比例关系式进行拟合，拟合关系式为：

T为海水温度，T₀为表面海水温度，a为拟合系数，取为0.005。

该剖面浮标主要工作海域为中国南海，南海海域表面海水温度常年变化范围为18-30℃。

ARGO浮标只能测量得到海水的温盐压数据，没有相应的传感器测量海水密度，可以根据海水温度、海水盐度、海水压力的关系可以计算出海水密度根据ARGO测量数据，计算得到海水密度拟合方程如下：

其中ρ为海水密度，ρ₀为表面海水密度，系数α_i(i＝1,2,3)分别等于7.0297、0.0035、0.0040。

参照图2所示，气–液相变过程，在外界存在较大压力时，相变产生的体积变化不是足够大，无法满足相应的设计指标。固–液相变在外界存在较大压力时，相变产生的体积变化足够大。在相变储能领域，石蜡类相变材料使用范围广泛，石蜡类材料物理、化学性质稳定，没有腐蚀性，无毒，且容易获取，价格低，石蜡类相变材料在相变时体积变化量大，可以较好地满足海洋温差能驱动系统的要求相变对相变温度在5-20℃，且相变产生物质体积变化大的物质中挑选，正十五烷、正十六烷满足要求。经过综合对比，正十六烷的相变潜热高，体积变忽略周边热量损失以及液相自然对流，将相变传热问题简化为一维相变传热问题。一半无限大的相变材料液体(PCM)初始处于温度T_i，当时间t大于零时刻，边界x＝0处被立刻降温冷却并一直保持一个低于相变材料熔点T_m的温度T_w，固相和液相的界面为s(t)。这是一个双区域问题，固相区域和液相区域的温度分布分别满足以下控制方程：

其中α＝k/ρc，k为物质的导热系数，ρ为物质的密度，c为物质的比热容，下标s代表物质固相，下标l代表物质液相。

初始和边界条件可以表示为

T_s(x,0)＝T_l(x,0)＝T_i t≤0 (6)

T_s(0,t)＝T_w x＝0 t＞0 (7)

T_l(x,t)→T_i x→∞ (8)

界面s(t)的条件可以表示为：

T_s(s,t)＝T_l(s,t)＝T_m x＝s(t) (9)

由满足公式(4)至(8)构造出无相变的大平板热传导问题的解，由该解可以构造出固相区域和液相区域的温度分布规律分别满足以下公式：

T_s(x,t)＝T_w+Aerf[x/2(α_st)^1/2] (11)

T_l(x,t)＝T_i+Berfc[x/2(α_lt)^1/2] (12)

其中A、B为待定常数，erf高斯误差函数。将式(11)和式(12)代入到界面温度条件公式(9)中，可以得到

其中λ＝s(t)/2(α_st)^1/2。由公式(13)可知，λ应为常数。进而求得：

将A、B代入式(11)和式(12)中可以得到：

将式(16)和式(17)代入到界面能量条件式(10)中，得到λ满足的条件为：

其中

正十六烷的物理性质如表1所示：

表1正十六烷的物理性质

假设T_w＝5℃，T_i＝25℃，将表中正十六烷的物理数据代入到(18)中，求解该方程，可以得到λ的值为0.1607，凝固过程相变界面位置随时间变化的关系为：

s(t)＝2λ(α_st)^1/2 (19)

凝固过程相变界面移动速度随时间变化的关系为：

上述相变过程的逆过程即为固体的溶解，忽略液相自然对流，固体溶解过程的解法同上，此时相变过程的相变界面的位置可以表示为：

s(t)＝2λ(α_lt)^1/2 (21)

常数λ仍可由公式(18)确定。需要将固、液相的热物性参数互换，将温度比(T_i-T_m)(T_m-T_w)换成(T_m-T_w)(T_i-T_m)，将Ste数改写成Ste＝c_l(T_w-T_m)/Δh_m。

假设T_w＝25℃，T_i＝5℃，将表中正十六烷的物理数据代入到(22)中，求解该方程，可以得到λ的值为0.1876。

参照图3所示，海洋温差能驱动系统实现驱动浮标潜浮运动及发电两个功能，该系统具体组成如下：海洋温差能换热器一个，蓄能器一个，单向阀两个，电磁阀门三个，液压马达一个，发电机一个，内皮囊一个，外皮囊一个，电池管理模块一个，蓄电池一个。海洋温差能换热器中储存相变材料，该材料用于捕获海水温度变化，蓄能器用于存储和释放相变材料体积变化所产生的能量。单向阀用于控制液压油的流向。电磁阀门用于控制发电及正负浮力运动过程的调节。液压马达将蓄能器中存储的能量转化为机械能。发电机将液压马达的机械能转化成电能，通过电源管理模块处理后存入蓄电池中。外皮囊体积改变导致浮标的浮力变化来驱动浮标运动。内皮囊用于储存和释放液压油。

初始时平台悬浮在水面附近，控制模块打开阀门2，外皮囊的压力大于内皮囊的压力，液压油从外皮囊流向内皮囊，外皮囊体积变小，所受的浮力变小，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变小，液压油通过单向阀2从内皮囊流入温差能换热器中。

打开阀门1，蓄能器内的压力大于外皮囊所受海水压力，液压油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，控制模块关闭阀门1。

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，单向阀1导通，液压油从换热器流向蓄能器。完成了一个完整的工作过程。

打开阀1，蓄能器中压力高于内皮囊压力，传递工质由蓄能器流向内皮囊，驱动液压马达转动，液压马达带动发电机发电。当蓄能器压力下降到初始值时，关闭阀1。发电完成。此时内皮囊的传递工质体积刚好等于初始体积，完成了一个工作循环。

海洋温差能换热器既需要承受外部海水压力又需要承受相变材料熔化后体积变化产生的内部压力。金属耐压壳壳体厚度是海洋温差能换热器一个关键性参数，在满足耐压壳体稳定性和强度的要求下，尽可能降低耐压壳的厚度，从而减少整个温婵能换热器的重量，达到海洋温差能换热器轻量化的设计要求。由结构力学知识可知，薄壁圆筒在受到内部压力和外部压力作用时，薄壁圆筒的失效形式是不同的。在承受相变材料熔化后体积变化产生的内部压力时，换热器耐压壳内产生环向的拉应力，当环向应力大于耐压壳体材料的强度极限时，耐压壳体发生塑性变形或者直接被破坏，导致换热器耐压壳体失去作用，这是耐压壳承受内压时最主要的破坏形式。海洋温差能换热器耐压壳承受外部海水压力时，换热器耐压壳内产生环向的压应力，有两种主要的破坏形式：一种破坏形式是同承受内压时相同，当压应力超过于耐压壳体材料的强度极限时，耐压壳体发生塑性变形或者直接被破坏；另一种破坏形式是当压应力未达到耐压壳体材料的强度极限时，在外部压力的作用下，换热器耐压壳体失去了原有的形状，产生了弹性失稳，这是换热器耐压壳体在承受外压时主要的破坏形式。海洋温差能换热器最大工作水深与海洋温差能驱动的剖面浮标主体的工作水深相同，均为500米，所承受的海水最大外部压力约为5MPa。在设计时需要取一个大于1的安全系数，这里取安全系数为1.2，所以温差能换热器耐压壳的设计外压为6MPa。承受外压时，换热器耐压壳最小厚度满足的公式为：

承受内压时，换热器耐压壳最小厚度为：

海洋温差能换热器耐压壳的厚度取满足承受外压和内压作用时，两者计算得到的最大厚度值t：

t＝max{t_e，t_i} (25)

参照图4所示，温差能换热器的耐压壳材料和尺寸直接影响其换热性能，故开展换热器耐压壳材料和尺寸的研究，目的是在满足其他约束条件时尽可能使温差能换热器的换热性能达到最优。由传热学知识可知，热量会从高温物体流向低温物体，类比于电流会从高电压的区域流向低电压区域，电流在流动的过程中会受到电路中电阻的阻碍作用。假设换热器外部的海水温度高于换热器内部温度，即海水与换热器之前存在温度差，在温度差的作用下，热量从海水流向换热器内部，热量在从海水流向换热器内部的路径上会遇到阻力，称为热阻R，这个温差能换热器表征换热性能的重要参数，定义如下公式：

其中D₀为换热器外径，D_i为换热器内径，D_m为橡胶管直径，k_m为金属导热系数，k_PCM为相变材料导热系数。

海洋温差能换热器长期与海水接触，需要选取耐海水腐蚀的材料作为耐压壳材料，初步选择金属铝合金6061-T6、钛合金TA2两种材料作为耐压壳材料，通过计算相同尺寸条件下的不同金属材料与相变材料的组合情况下温差能换热器的热阻。

表2耐压壳金属材料属性表

参照图5所示，通过计算两种材料制成相同尺寸的换热器的热阻如图所示，两种金属材料制成的换热器热阻相差极小，耐压壳金属材料对换热器的换热性能影响极小，所以金属导热性能不作为换热器耐压壳金属材料选择的约束条件。

由海洋温差能换热器的热阻公式可知，换热器热阻与换热器长度成反比，这样可以得到在换热器内相变材料一定的情况下，增加换热器的长度可以有效减小换热器的热阻，提高换热器的导热效率。由于实际设计中需要考虑总体设计的约束条件以及制造的工艺性，海洋温差能换热器的长度确定为1.7米。忽略温差能换热器橡胶软管的厚度，相变材料体积和液压油体积满足如下关系：

其中V_PCM为相变材料体积，V_o为液压油体积，κ_PCM为相变材料体积改变率。

正十六烷发生相变时，体积改变率为9％左右，根据设计要求相变材料的体积改变需要达到1.8L以上，所以需要装载20L相变材料,采用两个温差能换热器装载相变材料，根据上述公式计算得到橡胶管的直径为0.027米，温差能换热器内径为0.091米。海洋温差能换热器耐压壳承受海水外压为6MPa，承受相变材料溶化体积增大后的内压为20MPa，通过公式(23)公式(24)和公式(25)计算得到换热器采用铝合金6061-T6最小厚度为3.5mm，采用钛合金TA2最小厚度为3mm，计算采用铝合金6061-T6换热器耐压壳的质量为2.3kg，计算采用钛合金TA2换热器耐压壳的质量为3.3kg，综合考虑选取铝合金6061-T6作为海洋温差能换热器耐压壳的材料。

蓄能器用于存储和释放相变材料体积变化所产生的能量，是该海洋温差能驱动系统的重要组成部分。蓄能器内充有氮气，蓄能器位于主耐压舱内，可视为绝热过程。在海洋温差能驱动系统整个工作循环中，蓄能器内的气体经历一个多变过程。当海洋温差能驱动的剖面浮标启动上浮时，蓄能器内的气体推动液压油流入到外皮囊中，外皮囊体积增大，蓄能器内气体对外做功，外皮囊的体积变化量为0.3L，蓄能器内的初始压力应大于海洋温差能驱动的剖面浮标最大潜深时海水的压力，最大潜深时海水的压力为5MPa，蓄能器内气体预充压力为7MPa。蓄能器内气体满足如下方程：

其中P₀为蓄能器内气体初始压力，V₀为蓄能器内气体初始体积，k₁为绝热指数，P₁为蓄能器对外做功后气体压力，V₁为蓄能器对外做功后气体体积，且满足V₁＝0.5+V₀，P₁不小于5MPa，经过计算V₀的体积不小于3.6L。

浮标上浮过程中，温差能换热器中的相变材料熔化，将换热器中的液压油挤压到蓄能器中，蓄能器中气体体积减小，压力增大，蓄能器内气体满足如下方程：

其中k₂为绝热指数，P₂为蓄能器气体受到压缩后的压力，V₂为蓄能器气体受到压缩后的体积，且满足V₂＝V₁-V_PCM,V_PCM为相变材料熔化时产生的体积变化，P₂应该小于20MPa，经过计算V₀的体积为4L，此时P₂为17.3MPa，P₁为5.9MPa并且大于5MPa满足深度约束条件。

发电过程中，蓄能器中的液压油流入到内皮囊中，蓄能器中气体体积增加，压力减小，蓄能器内气体满足如下方程：

其中k₃为绝热指数。

海洋温差能驱动系统的发电过程涉及到主要设备由蓄能器、液压马达、发电机、内皮囊、阀门和管路。液压马达输出转矩T_m与液压马达进出口压力差值ΔP和排量V_m有关，满足以下方程：

T_m＝ΔPV_mη_m/2π (31)

其中ΔP＝P_i-P_o，P_i为液压马达进口处的压力，P_o为液压马达出口处的压力，η_m为马达的机械效率。

液压马达输出功率G与液压马达输出转矩T_m和液压马达转速n满足：

G＝2πnT_m (32)

液压马达转速n与液压马达的排量V_m与系统管道内的流量q之间的关系满足：

n＝q/V_m (33)

发电机电磁转矩T_e与发电机固有参数K_e、线圈中的电流I、发电机线圈的磁通量Φ_e之间的关系满足：

T_e＝K_eΦ_eI (34)

发电机电动势E与发电机的转速n_e之间的关系满足：

E＝K_EΦ_en_e (35)

其中K_E为常数，与电机结构有关，K_e＝9.55K_E。

液压马达带动发电机旋转，发电机转矩与液压马达转矩两者之间满足：

T_m＝T_E (36)

T_E＝T₀+T_e+Jα (37)

其中T₀为发电机空载时的转矩，J为发电机轴系的转动惯量，α为发电机轴系的角加速度。

假设发电机所发电量全部被电阻R吸收，关系满足：

E＝IR (38)

系统管道内流量q与蓄能器内气体体积V_a之间的关系满足：

整理式(31)-(39)得到液压马达进出口压力与蓄能器中氮气体积之间满足：

其中

发电系统管道内液压油存在粘滞性而具有的两种流动形态。当管道内流体质点平稳的沿管道轴线方向运动，彼此不相混掺的形态称为层流。当管道内流体质点不仅有纵向，而且彼此混掺，处于杂乱无章的运动状态时称为湍流。管道内流动形态由雷诺数R_e决定，雷诺数R_e定义为：

其中ρ为管道内液压油的密度，v为管道内液压油的流速，d为管道内径，μ为管道内液压油的动力粘滞系数。当R_e＜2320时为层流，当R_e＞13800时为湍流，R_e处于两者之间时为过渡状态。

管道内液压油在管道内流动时与管壁产生摩擦，这样会消耗液体一部分机械能，产生能量损失。液体在管道内的沿程阻力损失：

其中l为管道长度，λ为沿程阻力系数，假设管道内液体流动状态为层流(如果不是层流，通过阀门开度调节流速，使液体流动状态为层流)，层流的沿程阻力只与雷诺数有关，层流的沿程阻力系数表达式为：

结合式(41)至式(43)，得到沿程阻力如下：

流体通过阀门时，液体流量与阀门开度A_v和阀门进出口压力差ΔP_d之间关系满足：

其中C_d为节流系数。

节流系数C_d与流量系数χ和流体密度ρ之间的关系满足：

液体流经阀门的阻力为：

其中A_p为管路的横截面积，管道内流速v满足v＝q/A_p，A_v为阀门开度。蓄能器出口到液压马达前满足力平衡方程：

其中m₁＝ρA_pL₁为管道内液压油。

将f_f和f_d的表达式代入得到：

其中B₁＝8πμL₁为沿程阻力系数，

为阀门阻力系数。

将v代入式(49)可得：

液压马达出口至内皮囊的运动负载平衡方程：

其中P_n为内皮囊的压力，m₂＝ρA_pL₂为输送管道内液压油的质量，C₁＝8πμL₂为沿程阻力系数。

将v代入式(51)得到：

结合式(48)、式(50)、式(52)，可得到：

将

代入上式，发电过程的数学模型：

其中

上浮驱动时，打开阀门，蓄能器内气体对外做功，将挤压液压油，将液压油排入到外皮囊中，这个过程满足的运动负载平衡方程：

其中：m₃＝ρA_pL₃为输送管道内液压油的质量，D₁＝8πμL₃为沿程阻力系数，

为阀门阻力系数，P_w为外皮囊的压力。

将v代入，得到：

其中：

下潜驱动时，打开阀门，在外界海水压力的作用下，将外皮囊中的液压油排入到内皮囊中，这个过程满足的运动负载平衡方程：

其中：m₄＝ρA_pL₄为输送管道内传递液压油的质量；E₁＝8πμL₄为输送管道的沿程阻力系数，

为阀门阻力系数。

将v代入，得到：

其中：

K＝P_w-P_n，

参照图6-图7所示，在相变材料熔化过程仿真中，将相变材料的初始温度设为5℃，保持其他基本条件不变，将外界海水的温度分别设为30℃、28℃、25℃、23℃和20℃开展仿真分析，计算相变材料全部熔化时间，同时监测蓄能器内压力的变化情况。

图6为不同外界海水温度下相变材料熔化体积随时间的变化情况，从图中可知，外界海水温度越高相变材料熔化速度越快，当外界海水温度为20℃时，相变材料全部熔化需要4.85小时，而当外界海水温度为30℃时，相变材料全部熔化需要0.68小时，当温度超过28℃时，相变材料的熔化速率变化减小。图7为不同外界海水温度下蓄能器压力随时间的变化情况，从图中可知，外界海水温度越高，蓄能器内气体的压力增长越快。

参照图8所示，在相变材料凝固过程仿真中，将相变材料的初始温度设为25℃，保持其他基本条件不变，将外界海水的温度分别设为5℃、7℃、9℃、11℃开展仿真分析，计算相变材料全部凝固所需时间。图为不同外界海水温度下相变材料凝固时体积变化随时间的变化情况，从图中可知，外界海水温度越低相变材料凝固速度越快，当外界海水温度为5℃时，相变材料全部凝固需要8.9小时，而当外界海水温度为11℃时，相变材料全部熔化需要21小时。

参照图9-图11所示，正十六烷的相变温度为18.2℃，将相变温度作为凝固海水温度与熔化海水温度平均值，分别设置20.2℃和16.2℃、23.2℃和13.2℃、26.2℃和10.2℃、29.2℃和7.2℃四组温度条件，温度差分别为4℃、10℃、16℃、22℃，进行相变材料熔化和凝固的仿真分析，得到了不同温度差的条件下熔化过程和凝固过程的变化，图9表示在不同温差条件下，融化过程中相变材料体积变化随时间的变化关系，从图中可以看出，温度差越大相变材料熔化的速度越快，温度差从4℃升高至22℃，熔化的速率提升了6倍。

图10表示在不同温差条件下，融化过程中蓄能器内压力随时间的变化关系，从图中可以看出，温度差越大蓄能器内压力升高的速度越快。图11表示在不同温差条件下，凝固过程中相变材料体积变化随时间的变化关系，从图中可以看出，温度差越大相变材料凝固的速度越快，温度差从4℃升高至22℃，凝固的速率提升了3倍。由此可见，温度差大小对于相变材料融化过程的影响大于对相变材料凝固过程的影响。

设置三种温度组合，分别是29.2℃和13.2℃、26.2℃和10.2℃、23.2℃和7.2℃，三组温度组合的温度差值为16℃，三组温度组合的平均值分别与相变材料的相变温度18.2℃相差3℃、0℃、－3℃。开展三组温度组合情况下，相变材料熔化和凝固的仿真，得到如下仿真结果。

图12为三组温度组合情况下相变材料熔化过程中熔化体积随时间的变化关系，在温度差值一定的情况下，温度组合平均值正偏置时相变材料熔化速度快。图13为三组温度组合情况下相变材料熔化过程中蓄能器内压力随时间的变化关系，在温度差值一定的情况下，温度组合平均值正偏置时蓄能器内气体压力升高的速度快。图14为三组温度组合情况下相变材料凝固过程中体积随时间的变化关系，在温度差值一定的情况下，温度组合平均值负偏置时相变材料凝固速度快。

依据建立的温差能发电数学模型搭建温差能仿真系统，通过仿真分析各个设备参数对温差能发电过程的影响。

参照图15-图18，通过改变阀门开度大小，得到如下仿真结果：阀门开度越大，蓄能器内气体的压力下降的越快，流经液压马达的液压油流速越快，导致液压马达转速越快，液压马达输出的转矩越大，发电的电压越大，同时发电量越大。用于发电的液压油体积一定，阀门开度越大导致发电过程持续时间越短。阀门处的能量损失是导致不同阀门开度时发电量不同的主要因素，要提高温差能驱动系统的发电量就要尽可能增大阀门开度，但阀门开度过大，如图21所示，会导致电压过高、发电时间过短，不利于电能的储存。

参照图19-图22所示，通过设置发电机不同参数，得到如下仿真结果。K值越大，代表发电机越大，需要的马达提供的转矩越大，马达的转速降低，液压油流动的速度降低，发电时间增加，发电电压降低，发电总量受k值影响不大。

参照图23-图26所示，设置不同马达排量，保持其他条件不变，得到仿真结果如下所示。液压马达排量越大，液压马达转速越大，液压马达转矩变化不大，整个发电过程时间减少，发电电压升高，发电量也随之增加。

参照图27所示，启动上浮阶段，打开阀门1，蓄能器内液压油在蓄能器内气体作用下流向外皮囊，此时外皮囊所受外部海水压力为5MPa，蓄能器内初始压力为7MPa，改变阀门的开度，得到不同阀门开度下外皮囊体积随时间的变化关系，阀门开度越大，完成上浮驱动过程的时间越短，但阀门开度过大不利于控制上浮驱动过程，综合考虑上浮驱动过程的阀门开度设为10^-6m²，完成上浮驱动需要约5秒的时间。

参照图28所示，启动下潜阶段，打开阀门2，外皮囊内液压油在外界压力的作用下流向内皮囊，此时外皮囊所受外部海水压力为0.18MPa，改变阀门的开度，得到不同阀门开度下外皮囊体积随时间的变化关系，阀门开度越大，完成下潜驱动过程的时间越短，但阀门开度过大不利于控制下潜驱动过程，综合考虑下潜驱动过程的阀门开度设为10^-6m²。

以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，其特征在于，所述发电结构包括海洋温差能换热器、第一区域和第二区域，所述第一区域包括蓄能器、液压马达和内皮囊，所述第二区域包括蓄电池、电池管理模块、发电机和外皮囊，其中，所述海洋温差能换热器分别联通所述蓄能器、内皮囊和外皮囊，且所述蓄能器、内皮囊和外皮囊均彼此联通，所述蓄能器和海洋温差能换热器的通路上设有第一单向阀，所述内皮囊和海洋温差能换热器的通路上设有第二单向阀，与所述外皮囊连接的两个通路分别设有第二电磁阀门和第三电磁阀门，所述第一区域和第二区域间的通路上设有第一电磁阀门和液压马达，所述液压马达的输出端与所述发电机的输入端传动连接，所述发电机、电池管理模块和电池依次电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，其特征在于，所述海洋温差能换热器内设有相变材料，所述相变材料内储存有工作介质，所述工作介质为相变材料。

3.根据权利要求2所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，其特征在于，

所述海洋温差能换热器，用于储存相变材料，从而捕获海水温度变化；

所述蓄能器，用于存储和释放相变材料体积变化所产生的能量；

所述第一单向阀和第二单向阀，用于控制液压油的流向；

所述第一电磁阀门、第二电磁阀门和第三电磁阀门，用于控制发电及正负浮力运动过程的调节；

所述液压马达，用于将蓄能器中存储的能量转化为机械能；

所述发电机，用于将液压马达的机械能转化成电能；

所述电源管理模块，用于处理所述发电机产生的电能，然后将所述电能存入所述蓄电池中；

所述外皮囊，用于通过体积改变导致浮标的浮力变化来驱动浮标运动；

所述内皮囊，用于储存和释放液压油。

4.一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的应用方法，基于权利要求1-3任一项所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，其特征在于，所述应用方法包括以下步骤：

步骤一、打开第一单向阀，蓄能器中压力高于内皮囊压力，传递工质由蓄能器流向内皮囊，驱动液压马达转动，液压马达带动发电机发电；

步骤三、当蓄能器压力下降到初始值时，关闭第一单向阀，发电完成，此时内皮囊的传递工质体积刚好等于初始体积，完成了一个工作循环。

5.一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，基于权利要求1-3任一项所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构，其特征在于，

步骤一、根据设计要求以及技术指标，完成海洋环境特性分析，选取合适参数；

步骤二、进行海洋温差能驱动系统设计；

步骤三、根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型；

步骤四、进行海洋温差能驱动系统仿真，包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真。

6.根据权利要求5所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，其特征在于，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、进行相变材料选取及相变过程参数分析；

步骤二二、进行海洋温差能驱动系统组成及驱动原理设计；

步骤二三、进行海洋温差能换热器设计；

步骤二四、进行蓄能器建模。

7.根据权利要求5所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，其特征在于，在步骤三中，具体的，根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型，包括发电过程数学建模和浮力驱动过程数学模型。

8.根据权利要求5所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，其特征在于，在步骤四中，所述海洋温差能驱动系统仿真包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真和浮力驱动过程仿真。

9.根据权利要求5所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，其特征在于，所述相变过程仿真具体为：

所述相变材料为正十六烷，相变材料在浮标上浮到一定深度后，吸收海水的热量融化，在浮标下潜到一定深度后释放热量相变材料凝固，海洋温差能驱动系统仿真包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真；

采用线性拟合的方法给出海水压力与海水深度的关系，具体公式如下：

P＝ρgh+P₀ (1)

其中P为海水压力，ρ为海水密度，与海水深度、海水温度和海水盐度有关，g为重力加速度，h为海水深度，P₀为标准大气压，

根据ARGO数据中心数据，进行海水温度与深度拟合，采用反比例关系式进行拟合，拟合关系式为：

T为海水温度，T₀为表面海水温度，a为拟合系数，取为0.005，

根据海水温度、海水盐度、海水压力的关系计算出海水密度根据ARGO测量数据，计算得到海水密度拟合方程如下：

其中ρ为海水密度，ρ₀为表面海水密度，系数α_i(i＝1,2,3)分别等于7.0297、0.0035、0.0040，

将相变传热问题简化为一维相变传热问题，一半无限大的相变材料液体PCM初始处于温度T_i，当时间t大于零时刻，边界x＝0处被立刻降温冷却并一直保持一个低于相变材料熔点T_m的温度T_w，固相和液相的界面为s(t)，这是一个双区域问题，固相区域和液相区域的温度分布分别满足以下控制方程：

其中α＝k/ρc，k为物质的导热系数，ρ为物质的密度，c为物质的比热容，下标s代表物质固相，下标l代表物质液相，

初始和边界条件表示为

T_s(x,0)＝T_l(x,0)＝T_i t≤0 (6)

T_s(0,t)＝T_w x＝0 t＞0 (7)

T_l(x,t)→T_i x→∞ (8)

界面s(t)的条件表示为：

T_s(s,t)＝T_l(s,t)＝T_m x＝s(t) (9)

由满足公式(4)至(8)构造出无相变的大平板热传导问题的解，由该解构造出固相区域和液相区域的温度分布规律分别满足以下公式：

T_s(x,t)＝T_w+Aerf[x/2(α_st)^1/2] (11)

T_l(x,t)＝T_i+Berfc[x/2(α_lt)^1/2] (12)

其中A、B为待定常数，erf高斯误差函数，将式(11)和式(12)代入到界面温度条件公式(9)中，得到

其中λ＝s(t)/2(α_st)^1/2，由公式(13)得知，λ应为常数，进而求得：

将A、B代入式(11)和式(12)中得到：

将式(16)和式(17)代入到界面能量条件式(10)中，得到λ满足的条件为：

其中

凝固过程相变界面位置随时间变化的关系为：

s(t)＝2λ(α_st)^1/2 (19)

凝固过程相变界面移动速度随时间变化的关系为：

上述相变过程的逆过程即为固体的溶解，忽略液相自然对流，固体溶解过程的解法同上，此时相变过程的相变界面的位置表示为：

s(t)＝2λ(α_lt)^1/2 (21)

常数λ仍由公式(18)确定，需要将固、液相的热物性参数互换，将温度比(T_i-T_m)(T_m-T_w)换成(T_m-T_w)(T_i-T_m)，将Ste数改写成Ste＝c_l(T_w-T_m)/Δh_m，

假设T_w＝25℃，T_i＝5℃，将表中正十六烷的物理数据代入到(22)中，求解该方程，得到λ的值；

所述温差能发电过程仿真具体为：

海洋温差能驱动系统实现驱动浮标潜浮运动及发电两个功能，初始时平台悬浮在水面附近，控制模块打开第二电磁阀门，外皮囊的压力大于内皮囊的压力，液压油从外皮囊流向内皮囊，外皮囊体积变小，所受的浮力变小，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，控制模块关闭第二电磁阀门，

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变小，液压油通过第二单向阀从内皮囊流入温差能换热器中，

打开第一电磁阀门，蓄能器内的压力大于外皮囊所受海水压力，液压油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，控制模块关闭第一电磁阀门；

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，液压油从换热器流向蓄能器，完成了一个完整的工作过程，

打开第一电磁阀，蓄能器中压力高于内皮囊压力，传递工质由蓄能器流向内皮囊，驱动液压马达转动，液压马达带动发电机发电，当蓄能器压力下降到初始值时，关闭第一电磁阀，发电完成，此时内皮囊的传递工质体积刚好等于初始体积，完成了一个工作循环，

取安全系数为1.2，温差能换热器耐压壳的设计外压即为6MPa，承受外压时，换热器耐压壳最小厚度满足的公式为：

承受内压时，换热器耐压壳最小厚度为：

海洋温差能换热器耐压壳的厚度取满足承受外压和内压作用时，两者计算得到的最大厚度值t：

t＝max{t_e，t_i} (25)

假设换热器外部的海水温度高于换热器内部温度，即海水与换热器之前存在温度差，在温度差的作用下，热量从海水流向换热器内部，热量在从海水流向换热器内部的路径上会遇到阻力，称为热阻R，这个温差能换热器表征换热性能的重要参数，定义如下公式：

其中D₀为换热器外径，D_i为换热器内径，D_m为橡胶管直径，k_m为金属导热系数，k_PCM为相变材料导热系数，

海洋温差能换热器长期与海水接触，需要选取耐海水腐蚀的材料作为耐压壳材料，初步选择金属铝合金6061-T6、钛合金TA2两种材料作为耐压壳材料，通过计算相同尺寸条件下的不同金属材料与相变材料的组合情况下温差能换热器的热阻，

通过计算两种材料制成相同尺寸的换热器的热阻，两种金属材料制成的换热器热阻相差极小，耐压壳金属材料对换热器的换热性能影响极小，所以金属导热性能不作为换热器耐压壳金属材料选择的约束条件，

由海洋温差能换热器的热阻公式得知，换热器热阻与换热器长度成反比，得到在换热器内相变材料一定的情况下，增加换热器的长度有效减小换热器的热阻，提高换热器的导热效率，忽略温差能换热器橡胶软管的厚度，相变材料体积和液压油体积满足如下关系：

其中V_PCM为相变材料体积，V_o为液压油体积，κ_PCM为相变材料体积改变率，

综合考虑选取铝合金6061-T6作为海洋温差能换热器耐压壳的材料；

当海洋温差能驱动的剖面浮标启动上浮时，蓄能器内的气体推动液压油流入到外皮囊中，外皮囊体积增大，蓄能器内气体对外做功，外皮囊的体积变化量为0.3L，蓄能器内的初始压力应大于海洋温差能驱动的剖面浮标最大潜深时海水的压力，最大潜深时海水的压力为5MPa，蓄能器内气体预充压力为7MPa，蓄能器内气体满足如下方程：

其中P₀为蓄能器内气体初始压力，V₀为蓄能器内气体初始体积，k₁为绝热指数，P₁为蓄能器对外做功后气体压力，V₁为蓄能器对外做功后气体体积，且满足V₁＝0.5+V₀，P₁不小于5MPa，经过计算V₀的体积不小于3.6L，

浮标上浮过程中，温差能换热器中的相变材料熔化，将换热器中的液压油挤压到蓄能器中，蓄能器中气体体积减小，压力增大，蓄能器内气体满足如下方程：

其中k₂为绝热指数，P₂为蓄能器气体受到压缩后的压力，V₂为蓄能器气体受到压缩后的体积，且满足V₂＝V₁-V_PCM,V_PCM为相变材料熔化时产生的体积变化，P₂小于20MPa，经过计算V₀的体积为4L，此时P₂为17.3MPa，P₁为5.9MPa并且大于5MPa满足深度约束条件，

发电过程中，蓄能器中的液压油流入到内皮囊中，蓄能器中气体体积增加，压力减小，蓄能器内气体满足如下方程：

其中k₃为绝热指数，

液压马达输出转矩T_m与液压马达进出口压力差值ΔP和排量V_m有关，满足以下方程：

T_m＝ΔPV_mη_m/2π (31)

其中ΔP＝P_i-P_o，P_i为液压马达进口处的压力，P_o为液压马达出口处的压力，η_m为马达的机械效率，

液压马达输出功率G与液压马达输出转矩T_m和液压马达转速n满足：

G＝2πnT_m (32)

液压马达转速n与液压马达的排量V_m与系统管道内的流量q之间的关系满足：

n＝q/V_m (33)

发电机电磁转矩T_e与发电机固有参数K_e、线圈中的电流I、发电机线圈的磁通量Φ_e之间的关系满足：

T_e＝K_eΦ_eI (34)

发电机电动势E与发电机的转速n_e之间的关系满足：

E＝K_EΦ_en_e (35)

其中K_E为常数，与电机结构有关，K_e＝9.55K_E，

液压马达带动发电机旋转，发电机转矩与液压马达转矩两者之间满足：

T_m＝T_E (36)

T_E＝T₀+T_e+Jα (37)

其中T₀为发电机空载时的转矩，J为发电机轴系的转动惯量，α为发电机轴系的角加速度，

假设发电机所发电量全部被电阻R吸收，关系满足：

E＝IR (38)

系统管道内流量q与蓄能器内气体体积V_a之间的关系满足：

整理式(31)-(39)得到液压马达进出口压力与蓄能器中氮气体积之间满足：

其中

发电系统管道内液压油存在粘滞性而具有的两种流动形态，当管道内流体质点平稳的沿管道轴线方向运动，彼此不相混掺的形态称为层流，当管道内流体质点不仅有纵向，而且彼此混掺，处于杂乱无章的运动状态时称为湍流，管道内流动形态由雷诺数R_e决定，雷诺数R_e定义为：

其中ρ为管道内液压油的密度，v为管道内液压油的流速，d为管道内径，μ为管道内液压油的动力粘滞系数，当R_e＜2320时为层流，当R_e＞13800时为湍流，R_e处于两者之间时为过渡状态，

管道内液压油在管道内流动时与管壁产生摩擦，这样会消耗液体一部分机械能，产生能量损失，液体在管道内的沿程阻力损失：

其中l为管道长度，λ为沿程阻力系数，假设管道内液体流动状态为层流(如果不是层流，通过阀门开度调节流速，使液体流动状态为层流)，层流的沿程阻力只与雷诺数有关，层流的沿程阻力系数表达式为：

结合式(41)至式(43)，得到沿程阻力如下：

流体通过阀门时，液体流量与阀门开度A_v和阀门进出口压力差ΔP_d之间关系满足：

其中C_d为节流系数，

节流系数C_d与流量系数χ和流体密度ρ之间的关系满足：

液体流经阀门的阻力为：

其中A_p为管路的横截面积，管道内流速v满足v＝q/A_p，A_v为阀门开度，

蓄能器出口到液压马达前满足力平衡方程：

其中m₁＝ρA_pL₁为管道内液压油，

将f_f和f_d的表达式代入得到：

其中B₁＝8πμL₁为沿程阻力系数，

为阀门阻力系数，

将v代入式(49)得：

液压马达出口至内皮囊的运动负载平衡方程：

其中P_n为内皮囊的压力，m₂＝ρA_pL₂为输送管道内液压油的质量，C₁＝8πμL₂为沿程阻力系数，

将v代入式(51)得到：

结合式(48)、式(50)、式(52)，得到：

将

代入上式，发电过程的数学模型：

其中

所述浮力驱动过程仿真具体为：

上浮驱动时，打开阀门，蓄能器内气体对外做功，将挤压液压油，将液压油排入到外皮囊中，这个过程满足的运动负载平衡方程：

其中：m₃＝ρA_pL₃为输送管道内液压油的质量，D₁＝8πμL₃为沿程阻力系数，

为阀门阻力系数，P_w为外皮囊的压力，

将v代入，得到：

其中：

下潜驱动时，打开阀门，在外界海水压力的作用下，将外皮囊中的液压油排入到内皮囊中，这个过程满足的运动负载平衡方程：

其中：m₄＝ρA_pL₄为输送管道内传递液压油的质量；E₁＝8πμL₄为输送管道的沿程阻力系数，

为阀门阻力系数，

将v代入，得到：

其中：

K＝P_w-P_n，

在相变材料熔化过程仿真中，将相变材料的初始温度设为5℃，保持其他基本条件不变，将外界海水的温度分别设为30℃、28℃、25℃、23℃和20℃开展仿真分析，计算相变材料全部熔化时间，同时监测蓄能器内压力的变化情况，

外界海水温度越高相变材料熔化速度越快，当外界海水温度为20℃时，相变材料全部熔化需要4.85小时，而当外界海水温度为30℃时，相变材料全部熔化需要0.68小时，当温度超过28℃时，相变材料的熔化速率变化减小，外界海水温度越高，蓄能器内气体的压力增长越快，

在相变材料凝固过程仿真中，将相变材料的初始温度设为25℃，保持其他基本条件不变，将外界海水的温度分别设为5℃、7℃、9℃、11℃开展仿真分析，计算相变材料全部凝固所需时间，外界海水温度越低相变材料凝固速度越快，当外界海水温度为5℃时，相变材料全部凝固需要8.9小时，而当外界海水温度为11℃时，相变材料全部熔化需要21小时，

正十六烷的相变温度为18.2℃，将相变温度作为凝固海水温度与熔化海水温度平均值，分别设置20.2℃和16.2℃、23.2℃和13.2℃、26.2℃和10.2℃、29.2℃和7.2℃四组温度条件，温度差分别为4℃、10℃、16℃、22℃，进行相变材料熔化和凝固的仿真分析，得到了不同温度差的条件下熔化过程和凝固过程的变化，温度差越大相变材料熔化的速度越快，温度差从4℃升高至22℃，熔化的速率提升了6倍，

温度差越大蓄能器内压力升高的速度越快，温度差越大相变材料凝固的速度越快，温度差从4℃升高至22℃，凝固的速率提升了3倍，得到：温度差大小对于相变材料融化过程的影响大于对相变材料凝固过程的影响，

设置三种温度组合，分别是29.2℃和13.2℃、26.2℃和10.2℃、23.2℃和7.2℃，三组温度组合的温度差值为16℃，三组温度组合的平均值分别与相变材料的相变温度18.2℃相差3℃、0℃、－3℃，开展三组温度组合情况下，相变材料熔化和凝固的仿真，得到如下仿真结果，

在温度差值一定的情况下，温度组合平均值正偏置时相变材料熔化速度快，在温度差值一定的情况下，温度组合平均值正偏置时蓄能器内气体压力升高的速度快，在温度差值一定的情况下，温度组合平均值负偏置时相变材料凝固速度快，

依据建立的温差能发电数学模型搭建温差能仿真系统，通过仿真分析各个设备参数对温差能发电过程的影响，

通过改变阀门开度大小，得到如下仿真结果：阀门开度越大，蓄能器内气体的压力下降的越快，流经液压马达的液压油流速越快，导致液压马达转速越快，液压马达输出的转矩越大，发电的电压越大，同时发电量越大，用于发电的液压油体积一定，阀门开度越大导致发电过程持续时间越短，阀门处的能量损失是导致不同阀门开度时发电量不同的主要因素，要提高温差能驱动系统的发电量就要尽可能增大阀门开度，但阀门开度过大，会导致电压过高、发电时间过短，不利于电能的储存，

通过设置发电机不同参数，得到如下仿真结果，K值越大，代表发电机越大，需要的马达提供的转矩越大，马达的转速降低，液压油流动的速度降低，发电时间增加，发电电压降低，发电总量受k值影响不大，

设置不同马达排量，保持其他条件不变，得到仿真结果如下所示，液压马达排量越大，液压马达转速越大，液压马达转矩变化不大，整个发电过程时间减少，发电电压升高，发电量也随之增加，

启动上浮阶段，打开第一电磁阀门，蓄能器内液压油在蓄能器内气体作用下流向外皮囊，此时外皮囊所受外部海水压力为5MPa，蓄能器内初始压力为7MPa，改变阀门的开度，得到不同阀门开度下外皮囊体积随时间的变化关系，阀门开度越大，完成上浮驱动过程的时间越短，但阀门开度过大不利于控制上浮驱动过程，综合考虑上浮驱动过程的阀门开度设为10^-6m²，完成上浮驱动需要约5秒的时间，

启动下潜阶段，打开第二电磁阀门，外皮囊内液压油在外界压力的作用下流向内皮囊，此时外皮囊所受外部海水压力为0.18MPa，改变阀门的开度，得到不同阀门开度下外皮囊体积随时间的变化关系，阀门开度越大，完成下潜驱动过程的时间越短，但阀门开度过大不利于控制下潜驱动过程，综合考虑下潜驱动过程的阀门开度设为10^-6m²。

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