CN113790133A - 一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，太阳能电池板连接第一蓄电池，第一蓄电池连接负载，温差发电组件第二蓄电池，第二蓄电池与第一蓄电池并联，并连接负载，冷却通道的两头分别连接深层低温海水冷却通道水泵和三通阀，深层低温海水冷却通道水泵和三通阀分别连接低温海水箱，三通阀还连接冷凝器，低温海水箱通过冷凝器单向阀连接冷凝器，储液罐的两端分别连接冷凝器和换热器，动力涡轮分别连接冷凝器和换热器，发电机通过逆变装置连接第二蓄电池。本发明实现水上‑水下持续发电，保证水下动力装置在工作时有充足的电力供给，达到大幅提高水下动力装置的工作效率和长续航能力的目的。

Description

一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统
技术领域
本发明涉及的是一种发电系统，具体地说是水下发电系统。
背景技术
太阳能光伏发电技术具有环保、清洁、安全、维护简便等优点，因此近年来发展迅速，光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和蓄电池三大部分组成。太阳能电池板是光伏发电系统中的核心部分，它的作用是将光辐射中的能量直接转化为电能。海洋温差能发电技术作为一种新型能源利用方式具有安全、环保清洁等优点，由于海水温差蕴含着巨大的能量，温差发电在水下动力装置的电力供给领域应用前景广阔，但利用温差能进行发电对环境的依赖度较高。
自动控制技术的蓬勃发展为提高供电效率、降低供电损耗提供了技术支撑。由于太阳能的不稳定性和不连续性，水下动力装置在实际工作中，电力系统工况会受到海洋洋流、天气状况等影响，自动控制系统可以通过传感器反馈和负载反馈判断实际工况，调节发电系统各子模块的工作状态，实现供电分配，保证水下动力装置的正常工作和长续航能力。
专利“一种高效混合式海洋温差发电系统”(CN101737282A)提出利用太阳能对温海水进行加热以提高循环效率，并利用太阳能对相变材料蓄热以在光辐射能量不足时补充传热，但无法根据天气与负载自动控制发电模块的工作并实现供电分配，用于水下动力装置时，具有能量转化效率低、设备笨重等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供可实现水上-水下持续发电的一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，其特征是：包括太阳能电池板、第一蓄电池、第二蓄电池、冷凝器、换热器、蓄热水仓、储液罐，太阳能电池板内部设置相变蓄热器、温差发电组件、冷却通道，太阳能电池板设置光辐射传感器，太阳能电池板连接第一蓄电池，第一蓄电池通过第一蓄电池开关连接负载，温差发电组件通过整流装置连接第二蓄电池，第二蓄电池与第一蓄电池并联，并通过第二蓄电池开关连接负载，冷却通道的两头分别连接深层低温海水冷却通道水泵和三通阀，深层低温海水冷却通道水泵和三通阀分别连接低温海水箱，三通阀与低温海水箱之间设置第一温度传感器，三通阀还连接冷凝器，低温海水箱通过冷凝器单向阀连接冷凝器，储液罐的两端分别连接冷凝器和换热器，储液罐和换热器之间设置工质泵，动力涡轮与发电机同轴，动力涡轮分别连接冷凝器和换热器，发电机通过逆变装置连接第二蓄电池，蓄热水仓的上层与下层分别连接换热器形成循环，蓄热水仓的上层与换热器之间设置第二温度传感器和换热器单向阀。
本发明还可以包括：
1、还包括质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池通过氢气压力调节阀连接储氢罐，质子交换膜燃料电池通过空气压力调节阀连接储空气罐，质子交换膜燃料电池连接负载。
2、第一蓄电池开关、第二蓄电池开关、光辐射传感器、三通阀、第一温度传感器、第二温度传感器、冷凝器单向阀、换热器单向阀、工质泵、氢气压力调节阀、空气压力调节阀均连接中央控制单元。
3、太阳能电池板位于水面时，光辐射传感器检测太阳光辐射强度并将数据传至中央控制单元，中央控制单元将控制信号输出给第一蓄电池开关、第二蓄电池开关，使第一蓄电池开关闭合，第二蓄电池开关打开，太阳能电池板接受太阳辐射产生的电能储存在第一蓄电池中，第一蓄电池对负载供能，相变蓄热器吸收太阳能电池板产生的废热，中心控制单元通过收集的光辐射传感器的数据计算相变蓄热器完成相变蓄热的时间，直到第一蓄电池完成储能、相变蓄热器完成相变蓄热。
4、太阳能电池位于水下时，蓄热水仓吸收表层海水，第一温度传感器实时监测蓄热水仓的温度并传至中央控制单元，第二温度传感器实时监测海水的温度数据并传至中央控制单元，中央控制单元判断是否满足启动满足水下发电的温差，满足发电系统工作所需温差后，中央控制单元控制冷却通道单向阀打开、三通阀打开冷却通道方向，深层低温海水进入冷却通道，温差发电组件利用相变蓄热器中储存的太阳能余热作为热源，深层低温海水作为冷媒进行热电转化，温差发电组件产生的电能经整流装置储存在第二蓄电池中，中央控制单元控制工质泵打开、三通阀的冷凝器方向打开，冷凝器单向阀打开，换热器单向阀打开，换热器利用蓄热水仓作为热源，有机工质经过工质泵进入换热器吸热变成过热蒸汽，过热蒸汽进入动力涡轮膨胀做功，动力涡轮带动发电机工作产生电能，发电机产生的电能经过逆变装置后储存至第二蓄电池中，过热蒸汽在动力涡轮做功后进入冷凝器，在冷凝器中经低温海水冷凝为饱和液体后回到储液罐，参与下一次有机朗肯循环。
5、中央控制单元通过负载反馈选择供电模式，实现供电分配；工作状态一为第一蓄电池开关闭合，第二蓄电池开关打开，第二蓄电池仅存储蓄热式温差发电模块和海洋温差能-有机朗肯循环发电模块产生的电能，以第一蓄电池为负载提供电力输出；工作状态二为第一蓄电池开关闭合，第二蓄电池开关闭合，使用第一蓄电池和第二蓄电池联合供电；状态三为当第一蓄电池、第二蓄电池电能耗尽时，以氢燃料电池发电模块作为补充能量来源，中央控制单元调节氢气压力调节阀、空气压力调节阀，质子交换膜燃料电池启动。
本发明的优势在于：
1、将太阳能光伏发电技术和蓄热式温差发电技术结合，利用太阳能电池板的废热，实现水下动力装置在无光环境下持续高效发电，减小太阳能的不稳定性和不连续性对水下动力装置在实际工作中的影响，提高太阳能电池板的工作效率，提高了太阳能利用率。
2、添加海洋温差能驱动的有机朗肯循环发电模块，使用具有改变重力、储热两大功能的蓄热水仓，利用海水温差能实现发电供能，在不影响载重的前提下增加可利用能源。
3、利用自动控制系统调节发电系统的工作状态，实现水上-水下持续发电，保证水下动力装置在工作时有充足的电力供给，利用自动控制系统调节电力供给系统的工作状态，实现供电分配，保证水下动力装置在水下的正常工作，增强水下动力装置的续航能力。
4、添加质子交换膜燃料电池作为补充和应急能源，提高发电系统的可靠性，降低发生意外的风险，为水下动力装置提供了安全高效的电力供给系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的自动控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-2，本发明一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统包括太阳能光伏发电模块、蓄热式温差发电模块、海洋温差能-有机朗肯循环发电模块、质子交换膜燃料电池发电模块、自动控制系统。
太阳能光伏发电模块包括太阳能电池板1、控制器2、第一蓄电池4。太阳能电池板1经控制器2与第一蓄电池4连接。
蓄热式温差发电模块包括温差发电组件31、相变蓄热器32、相变储热材料、冷却通道30、整流装置3、第二蓄电池8。相变储热材料由相变蓄热器32存储，相变蓄热器32吸收太阳能电池板1底的余热；冷却通道30位于温差发电组件31的下方并与温差发电组件31的表面接触。温差发电组件31经过整流装置3与第二蓄电池8连接。
海洋温差能-有机朗肯循环发电模块包括储液罐22、蓄热水仓23、有机工质、换热器18、动力涡轮17、冷凝器24、工质泵20、发电机10、逆变装置9，蓄热水仓23经自动控制单元与换热器18相连、冷凝器24通过三通阀26和单向阀25与深层海水相连。有机工质从储液罐22经工质泵20进入换热器18吸热变成过热蒸汽。换热器18冷侧出口与动力涡轮17连接，经过动力涡轮的蒸汽进入冷凝器24入口，冷凝器24出口与储液罐22入口连接，有机工质完成循环。动力涡轮17与发电机10同轴布置，发电机10经过逆变装置9与第二蓄电池8连接。
质子交换膜燃料电池发电模块包括氢气罐14、压缩空气罐15、质子交换膜燃料电池压力调节阀12、13、质子交换膜燃料电池11，氢气罐14和压缩空气罐15分别通过质子交换膜燃料电池压力调节阀12、13与质子交换膜燃料电池燃料和助燃剂入口连接，质子交换膜燃料电池11直接为负载提供电力。
自动控制系统包括温度传感器21、27、光辐射传感器2、中央控制单元16、质子交换膜燃料电池压力调节阀12、13、深层低温海水冷却通道水泵29、换热器单向阀19、冷凝器单向阀25、三通阀26。光辐射传感器2内嵌于太阳能电池板1表面，第一温度传感器21(测量蓄热水仓温度)与有机朗肯循坏发电系统的蓄热水仓23连接，第二温度传感器27(测量环境温度)位于冷却通道30入口端，中央控制单元16与各传感器连接，质子交换膜燃料电池压力调节阀12、13处于质子交换膜燃料电池11两个进气口，中央控制单元16的控制信号通过电路传达至质子交换膜燃料电池压力调节阀12、13、有机朗肯循环工质泵20、换热器单向阀19、冷凝器单向阀25、三通阀26。
太阳能电池板1利用光伏效应直接将光辐射能量转化为电能。使用太阳能光伏发电模块充电的第一蓄电池4作为水下动力装置水下航行时的主要供电装置。
太阳能电池板1与相变储热材料之间进行热传导，温差发电组件31以相变储热材料吸收的余热为热源，以深层低温海水为冷媒，将温差能直接转化为电能。
海洋温差能-有机朗肯循环发电模块利用海洋温差能进行电力供给。在准备下潜时，在水面由所述蓄热水仓23存储表层海水，潜入水下后，由蓄热水仓23为换热器18提供热量，深层低温海水循环支持冷凝器24工作，进行有机朗肯循环发电。
使用蓄热式温差发电模块和海洋温差能-有机朗肯循环发电模块充电的第二蓄电池8作为水下动力装置水下航行时大功率作业的补充电源和续航电源。
质子交换膜燃料电池发电模块作为水下动力装置水下工作时的补充和应急电源。
自动控制系统根据光辐射传感器2数据判断水下动力装置位置，计算储能时间；根据温度传感器21、27数据控制冷凝器单向阀25、换热器单向阀19、深层低温海水冷却通道水泵29、三通阀26的开关，调节工质泵20的运转速率，使海洋温差能-有机朗肯循环发电模块产生最大发电收益；根据负载反馈和质子交换膜燃料电池11工作状态调节氢气、空气进入燃料电池反应组件的速率，使质子交换膜燃料电池发电模块运行高效、平稳、安全；根据负载反馈和电池数据，调整供电模式，使水下动力装置高效工作。
本发明包括太阳能电池板1，光辐射传感器2，整流装置3，第一蓄电池4，第一蓄电池开关5，负载6，第二蓄电池开关7，第二蓄电池8，逆变装置9，发电机10，质子交换膜燃料电池11，氢气压力调节阀12，空气压力调节阀13，储氢罐14，储空气罐15，中央控制单元16，动力涡轮17，换热器18，换热器单向阀19，工质泵20，温度传感器21，储液罐22，蓄热水仓23，冷凝器24，冷凝器单向阀25，三通阀26，温度传感器27，低温海水箱28，深层低温海水冷却通道水泵29，冷却通道30，温差发电组件31，相变蓄热器32。
水下动力装置在水面工作时，光辐射传感器1检测太阳光辐射强度并将数据传至中央控制单元16，中央控制单元16将控制信号输出给第一蓄电池开关5、第二蓄电池开关7，使第一蓄电池开关5闭合，第二蓄电池开关7打开。太阳能电池板1接受太阳辐射开始工作，其工作产生的电能经内置控制器调整电压、电流后储存在第一蓄电池4中，第一蓄电池4对负载6供能。太阳能电池板1工作过程中会产生大量的废热，蓄热式温差发电模块中的相变蓄热器32吸收太阳能电池板产生的废热，相变蓄热器32中使用十六烷作为固-液相变材料，中心控制单元16通过收集的光辐射传感器2的数据计算相变材料完成相变蓄热的时间，当第一蓄电池4完成储能、相变蓄热器32中的相变材料完成相变蓄热后，水下动力装置下潜。
水下动力装置的在水下发电时，水下动力装置在水面时吸收表层海水进入蓄热水仓23，温度传感器21实时监测蓄热水仓23的温度并传至中央控制单元16，随水下动力装置的下潜，垂直海水温度逐渐降低，温度传感器27实时监测海水28的温度数据并传至中央控制单元16，由中央控制单元16判断是否满足启动满足水下发电模块的工作条件，满足发电系统工作所需温差后，中央控制单元16控制冷却通道单向阀29打开、三通阀26打开冷却通道方向，深层低温海水进入冷却通道30，温差发电组件31利用相变储热器中储存的太阳能余热作为热源，深层低温海水作为冷媒进行热电转化，温差发电组件31产生的电能经整流装置3储存在第二蓄电池8中。中央控制单元16控制工质泵20打开、三通阀26的冷凝器方向打开，冷凝器单向阀29打开，换热器单向阀19打开，换热器19利用蓄热水仓23作为热源，有机工质经过工质泵20进入换热器18吸热变成过热蒸汽，过热蒸汽进入动力涡轮17膨胀做功，动力涡轮17与发电机10同轴布置，动力涡轮17带动发电机10工作产生电能，发电机10产生的电能经过逆变装置9后储存至第二蓄电池8中，过热蒸汽在动力涡轮17做功后进入冷凝器24，在冷凝器24中经低温海水28冷凝为饱和液体后回到储液罐22，参与下一次有机朗肯循环。
中央控制单元通过水下动力装置工作时的负载反馈选择供电模式，实现供电分配。工作状态一为当水下动力装置在水面以及水下低负载常规工作时，第一蓄电池开关4闭合，第二蓄电池开关7打开，第二蓄电池8仅存储蓄热式温差发电模块和海洋温差能-有机朗肯循环发电模块产生的电能，以第一蓄电池4为负载提供电力输出。工作状态二为当水下动力装置在第一蓄电池4电能不足或在水下高负载工作时，第一蓄电池开关5闭合，闭合第二蓄电池开关7，使用第一蓄电池4和第二蓄电池8联合供电，保证水下动力装置保持高效正常工作。工作状态三为当第一蓄电池4、第二蓄电池8电能耗尽时，以氢燃料电池发电模块作为补充能量来源，中央控制单元调节氢燃料电池氢气压力调节阀12、氢燃料电池空气压力调节阀13，氢燃料电池11启动。同时水下动力装置在合适时间上浮至水面开始再一次储能。

Claims (6)

1.一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，其特征是：包括太阳能电池板、第一蓄电池、第二蓄电池、冷凝器、换热器、蓄热水仓、储液罐，太阳能电池板内部设置相变蓄热器、温差发电组件、冷却通道，太阳能电池板设置光辐射传感器，太阳能电池板连接第一蓄电池，第一蓄电池通过第一蓄电池开关连接负载，温差发电组件通过整流装置连接第二蓄电池，第二蓄电池与第一蓄电池并联，并通过第二蓄电池开关连接负载，冷却通道的两头分别连接深层低温海水冷却通道水泵和三通阀，深层低温海水冷却通道水泵和三通阀分别连接低温海水箱，三通阀与低温海水箱之间设置第一温度传感器，三通阀还连接冷凝器，低温海水箱通过冷凝器单向阀连接冷凝器，储液罐的两端分别连接冷凝器和换热器，储液罐和换热器之间设置工质泵，动力涡轮与发电机同轴，动力涡轮分别连接冷凝器和换热器，发电机通过逆变装置连接第二蓄电池，蓄热水仓的上层与下层分别连接换热器形成循环，蓄热水仓的上层与换热器之间设置第二温度传感器和换热器单向阀。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，其特征是：还包括质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池通过氢气压力调节阀连接储氢罐，质子交换膜燃料电池通过空气压力调节阀连接储空气罐，质子交换膜燃料电池连接负载。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，其特征是：第一蓄电池开关、第二蓄电池开关、光辐射传感器、三通阀、第一温度传感器、第二温度传感器、冷凝器单向阀、换热器单向阀、工质泵、氢气压力调节阀、空气压力调节阀均连接中央控制单元。
4.根据权利要求3所述的一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，其特征是：太阳能电池板位于水面时，光辐射传感器检测太阳光辐射强度并将数据传至中央控制单元，中央控制单元将控制信号输出给第一蓄电池开关、第二蓄电池开关，使第一蓄电池开关闭合，第二蓄电池开关打开，太阳能电池板接受太阳辐射产生的电能储存在第一蓄电池中，第一蓄电池对负载供能，相变蓄热器吸收太阳能电池板产生的废热，中心控制单元通过收集的光辐射传感器的数据计算相变蓄热器完成相变蓄热的时间，直到第一蓄电池完成储能、相变蓄热器完成相变蓄热。
5.根据权利要求3所述的一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，其特征是：太阳能电池位于水下时，蓄热水仓吸收表层海水，第一温度传感器实时监测蓄热水仓的温度并传至中央控制单元，第二温度传感器实时监测海水的温度数据并传至中央控制单元，中央控制单元判断是否满足启动满足水下发电的温差，满足发电系统工作所需温差后，中央控制单元控制冷却通道单向阀打开、三通阀打开冷却通道方向，深层低温海水进入冷却通道，温差发电组件利用相变蓄热器中储存的太阳能余热作为热源，深层低温海水作为冷媒进行热电转化，温差发电组件产生的电能经整流装置储存在第二蓄电池中，中央控制单元控制工质泵打开、三通阀的冷凝器方向打开，冷凝器单向阀打开，换热器单向阀打开，换热器利用蓄热水仓作为热源，有机工质经过工质泵进入换热器吸热变成过热蒸汽，过热蒸汽进入动力涡轮膨胀做功，动力涡轮带动发电机工作产生电能，发电机产生的电能经过逆变装置后储存至第二蓄电池中，过热蒸汽在动力涡轮做功后进入冷凝器，在冷凝器中经低温海水冷凝为饱和液体后回到储液罐，参与下一次有机朗肯循环。
6.根据权利要求3所述的一种基于太阳能—海洋温差能的水下动力装置发电系统，其特征是：中央控制单元通过负载反馈选择供电模式，实现供电分配；工作状态一为第一蓄电池开关闭合，第二蓄电池开关打开，第二蓄电池仅存储蓄热式温差发电模块和海洋温差能-有机朗肯循环发电模块产生的电能，以第一蓄电池为负载提供电力输出；工作状态二为第一蓄电池开关闭合，第二蓄电池开关闭合，使用第一蓄电池和第二蓄电池联合供电；状态三为当第一蓄电池、第二蓄电池电能耗尽时，以氢燃料电池发电模块作为补充能量来源，中央控制单元调节氢气压力调节阀、空气压力调节阀，质子交换膜燃料电池启动。
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