CN114313166B - 温差能水下装备动力系统、水下装备及自持运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及温差能水下装备动力系统、水下装备及自持运行方法。温差能水下装备动力系统包括相变换能器、体积/能量变换器、发电单元及浮力控制单元，体积/能量变换器包括高压初级能量腔、发电回路高压油腔、浮力调节回路油腔。相变换能器通过体积/能量变换器与发电单元和浮力控制单元相互作用。本发明发电与浮力调节共用体积/能量变换器，利用温差相变材料完成浮力调节的同时兼顾温差发电，可降低系统复杂度，提高总体空间利用率；通过将体积/能量变换器设计为小截面高压活塞推动大截面低压活塞，相同体积相变材料可获得更大浮力调节体积变化能力，获取更高的能量转换利用效率；达到水下装备无限自持运行。
Description
技术领域
本发明涉及温差能动力系统技术领域，特别是一种温差能水下装备动力系统、水下装备及自持运行方法。
背景技术
水下装备包括水下滑翔机、水下浮潜标等。由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、工作时间长、续航能力强等特点。虽然水下装备的运行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点，满足了长时间、大范围海洋探索的需要。
水下装备的动力系统一般采用电池供电，受水下装备装填电池容量限制一般循环工作周期较少，工作时间有限；在地球赤道南北纬±30°范围内广阔的海洋上，海洋上层与下层常年存在较大温度差，其中蕴含巨大的能量，如果采用就地取能，利用海洋温差能为水下装备航行、控制、通讯提供能源，将取之不尽用之不竭，由此可以大大增加水下装备的循环周期数，可实现无限自持运行。海洋温差能应用就是利用海洋上层的薄暖海水(约为25℃～30℃)和下层的厚冷海水(约为5℃)之间的温差，使相变材料在某一温度以上时会融化成液态，在该温度以下时会凝固成固态，固液两态存在密度差，进而会造成相变材料体积的变化，利用该特性进行发电、调节浮力。由于海洋温差能存储量巨大，能源分布广泛，故而利用海洋温差能发电、调节浮力可大大增加水下装备在水中的工作时间，提高海洋观测频率，实现目标区域的持续观测，同时降低由于一次电池所带来的海洋环境污染问题。
现有温差能技术的水下装备动力系统一般包括相变单元、发电单元及浮力控制单元，普遍存在如下缺陷：
1)由于大多能量转换相变材料其固液体积转换体积变化量不超过相变材料本身体积的10％，再加上完成能量吸收转换循环需要多个部件配合，因此实际实施的相关设备体积相当庞大，因此最终浮力调节体积与构成能量收集转换的设备体积比很小，浮力调节控制能力非常有限，浮力调节有效体积比低；
2)系统结构复杂，不紧凑，总体空间利用率低；
3)能量利用率低，受控制、通讯系统等电池供电能力限制，循环周期较少，最大航程或下潜往复周期数量受限。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种温差能水下装备动力系统、水下装备及自持运行方法，利用温差相变材料完成浮力调节的同时兼顾温差发电，通过共用某些功能部件提高总体空间利用率和能量利用转换效率，实现控制、导航、通讯供电、浮力调节持续自持，增加水下装备的循环周期数，提高水下装备工作时间，提高浮力调节控制能力，达到水下装备无限自持运行。
本发明采用如下技术方案：
温差能水下装备动力系统，包括有：
相变换能器，包括相变腔体，相变腔体分隔设置为两个体积可变腔体，两个体积可变腔体内分别装填有能量转换相变材料和能量传递转换液体；
体积/能量变换器，包括高压初级能量腔、发电回路高压油腔、浮力调节回路油腔，装填有能量传递转换液体的体积可变腔体通过液压管路与高压初级能量腔相连通，高压初级能量腔一侧与发电回路高压油腔通过活塞活动密封连接，另一侧与浮力调节回路油腔通过活塞活动密封连接；
发电单元，包括自发电低压油腔、液压发电装置，自发电低压油腔与发电回路高压油腔之间设置有发电液压通路和回油液压通路，液压发电装置设置于发电液压通路上，发电液压通路和回油液压通路上分别设置有单向阀；
以及浮力控制单元，包括浮力调节低压暂存油腔、浮力调节高压储能油腔、浮力调节外油囊，浮力调节回路油腔通过液压管路及设置于液压管路上的单向阀分别与浮力调节低压暂存油腔和浮力调节高压储能油腔相连通，浮力调节外油囊通过液压管路及浮力调节控制阀分别与浮力调节低压暂存油腔和浮力调节高压储能油腔相连通，浮力调节控制阀用于控制浮力调节外油囊与浮力调节低压暂存油腔和浮力调节高压储能油腔之间液压管路的通断。
进一步地，所述高压初级能量腔内一侧活动设置浮力调节初级活塞，浮力调节回路油腔中活动设置浮力调节次级活塞，浮力调节初级活塞和浮力调节次级活塞通过连接杆相对固定连接并同步移动，浮力调节次级活塞横截面积大于浮力调节初级活塞。
进一步地，所述高压初级能量腔内一侧活动设置发电初级活塞，发电回路高压油腔中活动设置发电次级活塞，发电初级活塞和发电次级活塞通过连接杆相对固定连接并同步移动，发电次级活塞横截面积大于发电初级活塞。
进一步地，所述液压发电装置包括有液压马达、发电机及蓄电池，液压马达设置于发电液压通路上，液压马达输出端电连接发电机，发电机输出端电连接蓄电池。
进一步地，所述温差能水下装备动力系统还包括压力传感器、控制器，控制器通信连接压力传感器并控制所述浮力调节控制阀。
进一步地，所述浮力调节低压暂存油腔包括低压油囊和与低压油囊相邻设置的低压气囊。
进一步地，所述浮力调节高压储能油腔包括高压油囊和与高压油囊相邻设置的高压气囊。
进一步地，所述自发电低压油腔包括自发电低压油囊和与自发电低压油囊相邻设置的自发电低压气囊。
水下装备，包括上述的温差能水下装备动力系统。
基于上述的温差能水下装备动力系统的自持运行方法，包括以下步骤：
步骤1，当水下装备处于温跃层以上时，外界环境水体温度高于能量转换相变材料的熔点温度时，相变换能器内的能量转换相变材料吸热融化，逐步转换为液体，能量转换相变材料的体积膨胀，装填有能量传递转换液体的体积可变腔体压力升高，连同与其通过液压管路连接的高压初级能量腔压力也同步升高，此时高压初级能量腔内部压力高于自发电低压油腔以及浮力调节低压暂存油腔的压力，推动活塞向两侧移动；发电回路高压油腔内部液压油经液压发电装置和发电液压通路上的单向阀流入自发电低压油腔中，液压发电装置发电；浮力调节回路油腔内液压油经单向阀进入浮力调节高压储能油腔中；完成能量吸收蓄积过程，此过程从能量转换相变材料开始融化到其完全融化结束；
步骤2，当水下装备完成能量吸收后，并且水下装备上浮到达设定深度上限，此时打开浮力调节控制阀接通浮力调节外油囊与浮力调节低压暂存油腔之间的液压管路，浮力调节外油囊中的液压油回流到浮力调节低压暂存油腔中，水下装备浮力减小开始下潜；当水下装备下潜到一定深度达到能量转换相变材料固液转换临界温度时，外界环境水体温度低于能量转换相变材料的凝固点温度时，相变换能器内的能量转换相变材料放热凝固，逐步转换为固体，能量转换相变材料的体积收缩，装填有能量传递转换液体的体积可变腔体压力降低，连同与其通过液压管路连接的高压初级能量腔压力也降低，此时高压初级能量腔内部压力低于自发电低压油腔以及浮力调节低压暂存油腔的压力，自发电低压油腔内的液压油通过回油液压通路上的单向阀回流到发电回路高压油腔，浮力调节低压暂存油腔内的液压油通过单向阀回流到浮力调节回路油腔，推动活塞向中间移动，推动高压初级能量腔内的液压油回流至相变换能器的装填有能量传递转换液体的体积可变腔体中；完成放热相变转换过程，此过程从能量转换相变材料开始凝固到其完全凝固结束；
步骤3，当能量转换相变材料完全凝固后，并且水下装备下潜到达设定深度下限，此时打开浮力调节控制阀接通浮力调节外油囊与浮力调节高压储能油腔之间的液压管路，浮力调节高压储能油腔中的液压油向浮力调节外油囊中流动，水下装备浮力增大，开始上浮；即完成一次完整的能量吸收与转换循环过程；循环往复，即实现水下装备的自持运行。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
第一，本发明的温差能水下装备动力系统，发电与浮力调节共用体积/能量变换器，实现了高效温差能浮力调节与温差能发电的有机结合，利用温差相变材料完成浮力调节控制的同时兼顾温差发电，降低了系统复杂度，提高了总体空间利用率，可提升供电能力，增加水下装备的循环周期数，在水下装备零件无故障情况下可实现无限循环自持，解决了实际实施中面临的空间紧张问题，同时，发电与浮力调节灵活共用能量转换器，可获得灵活宽泛可调的浮力调节能力。
第二，本发明采用变体积技术方案，通过将体积/能量变换器设计为小截面高压活塞推动大截面低压活塞，相比现有温差能动力系统，相同体积相变材料可获得更大浮力调节体积变化能力，获取更高的能量转换利用效率，解决了现有温差能动力系统浮力调节体积变化不足、能量转换效率低下的问题，提高了浮力调节控制能力；同时，活塞的移动距离空间受总行程限制，可保证系统功能控制不发生错乱。
第三，通过设置体积/能量变换器，增加了一级能量传递环节，在相变材料吸收能量的过程，发电机同步发电蓄电，补充或代替水下装备原有电池供电，综合兼顾，通过获取海洋温差能驱动浮力调节和控制、通讯供电，实现水下装备能量持续自持，达到超长时间水下作业的目的。
附图说明
图1是本发明实施例1的温差能水下装备动力系统的整体结构示意图；
图2是本发明实施例1的控制原理框图。
图中：1.相变换能器，11.能量转换相变材料，12.能量传递转换液体，2.体积/能量变换器，21.高压初级能量腔，22.发电回路高压油腔，23.浮力调节回路油腔，24.浮力调节初级活塞，25.浮力调节次级活塞，26.第一连接杆，27.发电初级活塞，28.发电次级活塞，29.第二连接杆，3.发电单元，31.自发电低压油腔，311.自发电低压油囊，312.自发电低压气囊，32.液压发电装置，321.液压马达，322.发电机，323.蓄电池，33.第一单向阀，34.第二单向阀，4.浮力控制单元，41.浮力调节低压暂存油腔，411.低压油囊，412.低压气囊，42.浮力调节高压储能油腔，421.高压油囊，422.高压气囊，43.浮力调节外油囊，44.第三单向阀，45.第四单向阀，46.浮力调节控制阀，5.压力传感器，6.控制器，7.发电液压通路，8.回油液压通路。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
参照图1和图2，本发明的温差能水下装备动力系统，包括有相变换能器1、体积/能量变换器2、发电单元3、浮力控制单元4、压力传感器5及控制器6，控制器6通信连接压力传感器5。控制器6采用STM32F0单片机。
相变换能器1，包括相变腔体，相变腔体分隔为两个上下相邻设置的体积可变腔体，两个体积可变腔体内分别装填有能量转换相变材料11和能量传递转换液体12，能量传递转换液体12为液压油。
体积/能量变换器2，包括高压初级能量腔21、发电回路高压油腔22、浮力调节回路油腔23，装填有能量传递转换液体12的体积可变腔体通过液压管路与高压初级能量腔21相连通，高压初级能量腔21一侧与发电回路高压油腔22通过活塞活动密封连接，另一侧与浮力调节回路油腔23通过活塞活动密封连接。所述高压初级能量腔21内一侧活动设置浮力调节初级活塞24，另一侧活动设置发电初级活塞27。浮力调节回路油腔23中活动设置浮力调节次级活塞25，浮力调节初级活塞24和浮力调节次级活塞25通过第一连接杆26相对固定连接并同步移动，浮力调节次级活塞25横截面积大于浮力调节初级活塞24。发电回路高压油腔22中活动设置发电次级活塞28，发电初级活塞27和发电次级活塞28通过第二连接杆29相对固定连接并同步移动，发电次级活塞28横截面积大于发电初级活塞27。
发电单元3，包括自发电低压油腔31、液压发电装置32，自发电低压油腔31与发电回路高压油腔22之间设置有发电液压通路7和回油液压通路8，液压发电装置32设置于发电液压通路7上，发电液压通路7上设置有第一单向阀33，回油液压通路8上设置有第二单向阀34。所述自发电低压油腔31包括自发电低压油囊311和与自发电低压油囊311相邻设置的自发电低压气囊312。所述液压发电装置32包括有液压马达321、发电机322及蓄电池323，液压马达321设置于发电液压通路7上，液压马达321输出端电连接发电机322，发电机322输出端电连接蓄电池323，蓄电池323采用电池组。
浮力控制单元4，包括浮力调节低压暂存油腔41、浮力调节高压储能油腔42、浮力调节外油囊43，浮力调节回路油腔23通过液压管路及设置于液压管路上的第三单向阀44与浮力调节低压暂存油腔41相连通，浮力调节回路油腔23通过液压管路及设置于液压管路上的第四单向阀45与浮力调节高压储能油腔42相连通，浮力调节外油囊43通过液压管路及浮力调节控制阀46分别与浮力调节低压暂存油腔41和浮力调节高压储能油腔42相连通，所述控制器6连接控制所述浮力调节控制阀46，浮力调节控制阀46用于控制浮力调节外油囊43与浮力调节低压暂存油腔41和浮力调节高压储能油腔42之间液压管路的通断，浮力调节控制阀46采用三通电磁阀。所述浮力调节低压暂存油腔41包括低压油囊411和与低压油囊411相邻设置的低压气囊412。所述浮力调节高压储能油腔42包括高压油囊421和与高压油囊421相邻设置的高压气囊422。
本发明的水下装备，包括上述的温差能水下装备动力系统。温差能水下装备动力系统以补充或代替原有电池的方式为水下装备供电，可实现水下装备控制供电的持续自持需求。
参照图1和图2，本发明基于上述的温差能水下装备动力系统的自持运行方法，包括以下步骤：
步骤1，当水下装备处于温跃层以上时，外界环境水体温度高于能量转换相变材料11的熔点温度时，相变换能器1内的能量转换相变材料11吸热融化，逐步转换为液体，能量转换相变材料11的体积膨胀，装填有能量传递转换液体12的体积可变腔体压力升高，连同与其通过液压管路连接的高压初级能量腔21压力也同步升高，此时高压初级能量腔21内部压力高于自发电低压油囊311以及低压油囊411的压力；浮力调节初级活塞24和发电初级活塞27分别推动浮力调节次级活塞25和发电次级活塞28向两侧移动；发电回路高压油腔22内部液压油在发电次级活塞28推动下经液压马达321和发电液压通路7上的第一单向阀33流入自发电低压油囊311中；液压马达321带动发电机322发电并给蓄电池323充电；浮力调节回路油腔23内液压油在浮力调节次级活塞25推动下经第四单向阀45进入高压油囊421中，完成能量吸收蓄积过程，此过程从能量转换相变材料11开始融化到其完全融化结束；
步骤2，当水下装备完成能量吸收后，并且压力传感器5监测到水下装备上浮到达设定深度上限，此时控制器6打开浮力调节控制阀46接通浮力调节外油囊43与低压油囊411之间的液压管路，浮力调节外油囊43中的液压油回流到低压油囊411中，水下装备浮力减小开始下潜；当水下装备下潜到一定深度达到能量转换相变材料11固液转换临界温度时，外界环境水体温度低于能量转换相变材料11的凝固点温度时，相变换能器1内的能量转换相变材料11放热凝固，逐步转换为固体，能量转换相变材料11的体积收缩，装填有能量传递转换液体12的体积可变腔体压力降低，连同与其通过液压管路连接的高压初级能量腔21压力也降低，此时高压初级能量腔21内部压力低于自发电低压油囊311以及低压油囊411的压力；自发电低压油囊311、低压油囊411内的液压油分别在自发电低压气囊312及低压气囊412的压力作用下，分别打开第二单向阀34、第三单向阀44回流到发电回路高压油腔22及浮力调节回路油腔23，推动发电次级活塞28及浮力调节次级活塞25带动发电初级活塞27及浮力调节初级活塞24向中间移动，推动高压初级能量腔21内的液压油回流至相变换能器的装填有能量传递转换液体12的体积可变腔体中，完成放热相变转换过程，此过程从能量转换相变材料11开始凝固到其完全凝固结束；
步骤3，当能量转换相变材料11完全凝固后，并且压力传感器5监测到水下装备下潜到达设定深度下限，此时控制器6打开浮力调节控制阀46接通浮力调节外油囊43与高压油囊421之间的液压管路，高压油囊421中的液压油在高压气囊422高压气体推动下向浮力调节外油囊43中流动，水下装备浮力增大，开始上浮；即完成一次完整的能量吸收与转换循环过程；循环往复，即实现水下装备的自持持续运行。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：浮力调节外油囊43通过液压管路及设置于该液压管路上的第一浮力调节控制阀与浮力调节低压暂存油腔41相连通，通过液压管路及设置于该液压管路上的第二浮力调节控制阀与浮力调节高压储能油腔42相连通，所述控制器6连接控制第一浮力调节控制阀和第二浮力调节控制阀，第一、第二浮力调节控制阀采用二通电磁阀。
上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，所有基于体积/能量变换器原理以及发电与浮力调节共用体积/能量变换器的形式演绎的温差能动力系统方案均在本发明保护范围，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (8)
1.温差能水下装备动力系统，其特征在于，包括有：
相变换能器，包括相变腔体，相变腔体分隔设置为两个体积可变腔体，两个体积可变腔体内分别装填有能量转换相变材料和能量传递转换液体；
体积/能量变换器，包括高压初级能量腔、发电回路高压油腔、浮力调节回路油腔，装填有能量传递转换液体的体积可变腔体通过液压管路与高压初级能量腔相连通，高压初级能量腔一侧与发电回路高压油腔通过活塞活动密封连接，另一侧与浮力调节回路油腔通过活塞活动密封连接；
发电单元，包括自发电低压油腔、液压发电装置，自发电低压油腔与发电回路高压油腔之间设置有发电液压通路和回油液压通路，液压发电装置设置于发电液压通路上，发电液压通路和回油液压通路上分别设置有单向阀；
以及浮力控制单元，包括浮力调节低压暂存油腔、浮力调节高压储能油腔、浮力调节外油囊，浮力调节回路油腔通过液压管路及设置于液压管路上的单向阀分别与浮力调节低压暂存油腔和浮力调节高压储能油腔相连通，浮力调节外油囊通过液压管路及浮力调节控制阀分别与浮力调节低压暂存油腔和浮力调节高压储能油腔相连通，浮力调节控制阀用于控制浮力调节外油囊与浮力调节低压暂存油腔和浮力调节高压储能油腔之间液压管路的通断；
所述高压初级能量腔内一侧活动设置浮力调节初级活塞，浮力调节回路油腔中活动设置浮力调节次级活塞，浮力调节初级活塞和浮力调节次级活塞通过连接杆相对固定连接并同步移动，所述浮力调节次级活塞横截面积大于浮力调节初级活塞；
所述高压初级能量腔内另一侧活动设置发电初级活塞，发电回路高压油腔中活动设置发电次级活塞，发电初级活塞和发电次级活塞通过连接杆相对固定连接并同步移动，所述发电次级活塞横截面积大于发电初级活塞。
2.如权利要求1所述的温差能水下装备动力系统，其特征在于，所述液压发电装置包括有液压马达、发电机及蓄电池，液压马达设置于发电液压通路上，液压马达输出端电连接发电机，发电机输出端电连接蓄电池。
3.如权利要求1所述的温差能水下装备动力系统，其特征在于，还包括压力传感器、控制器，控制器通信连接压力传感器并控制所述浮力调节控制阀。
4.如权利要求1所述的温差能水下装备动力系统，其特征在于，所述浮力调节低压暂存油腔包括低压油囊和与低压油囊相邻设置的低压气囊。
5.如权利要求1所述的温差能水下装备动力系统，其特征在于，所述浮力调节高压储能油腔包括高压油囊和与高压油囊相邻设置的高压气囊。
6.如权利要求1所述的温差能水下装备动力系统，其特征在于，所述自发电低压油腔包括自发电低压油囊和与自发电低压油囊相邻设置的自发电低压气囊。
7.水下装备，其特征在于，包括如权利要求1至6任一所述的温差能水下装备动力系统。
8.基于权利要求1至6任一所述的温差能水下装备动力系统的自持运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，当水下装备处于温跃层以上时，外界环境水体温度高于能量转换相变材料的熔点温度时，相变换能器内的能量转换相变材料吸热融化，逐步转换为液体，能量转换相变材料的体积膨胀，装填有能量传递转换液体的体积可变腔体压力升高，连同与其通过液压管路连接的高压初级能量腔压力也同步升高，此时高压初级能量腔内部压力高于自发电低压油腔以及浮力调节低压暂存油腔的压力，推动活塞向两侧移动；发电回路高压油腔内部液压油经液压发电装置和发电液压通路上的单向阀流入自发电低压油腔中，液压发电装置发电；浮力调节回路油腔内液压油经单向阀进入浮力调节高压储能油腔中；完成能量吸收蓄积过程，此过程从能量转换相变材料开始融化到其完全融化结束；
步骤2，当水下装备完成能量吸收后，并且水下装备上浮到达设定深度上限，此时打开浮力调节控制阀接通浮力调节外油囊与浮力调节低压暂存油腔之间的液压管路，浮力调节外油囊中的液压油回流到浮力调节低压暂存油腔中，水下装备浮力减小开始下潜；当水下装备下潜到一定深度达到能量转换相变材料固液转换临界温度时，外界环境水体温度低于能量转换相变材料的凝固点温度时，相变换能器内的能量转换相变材料放热凝固，逐步转换为固体，能量转换相变材料的体积收缩，装填有能量传递转换液体的体积可变腔体压力降低，连同与其通过液压管路连接的高压初级能量腔压力也降低，此时高压初级能量腔内部压力低于自发电低压油腔以及浮力调节低压暂存油腔的压力，自发电低压油腔内的液压油通过回油液压通路上的单向阀回流到发电回路高压油腔，浮力调节低压暂存油腔内的液压油通过单向阀回流到浮力调节回路油腔，推动活塞向中间移动，推动高压初级能量腔内的液压油回流至相变换能器的装填有能量传递转换液体的体积可变腔体中；完成放热相变转换过程，此过程从能量转换相变材料开始凝固到其完全凝固结束；
步骤3，当能量转换相变材料完全凝固后，并且水下装备下潜到达设定深度下限，此时打开浮力调节控制阀接通浮力调节外油囊与浮力调节高压储能油腔之间的液压管路，浮力调节高压储能油腔中的液压油向浮力调节外油囊中流动，水下装备浮力增大，开始上浮；即完成一次完整的能量吸收与转换循环过程；循环往复，即实现水下装备的自持沉浮运行。
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