CN114649904B - 一种具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，属于海洋电子技术领域，包括：永磁直线发电机、电磁换向阀、低压腔、弹簧和活塞；永磁直线发电机内设置有中央通道，以及两个分别连接外部空间和低压腔的连接通道，还包括定子永磁体以及环绕部分中央通道的动子线圈；电磁换向阀通电时，连通中央通道与低压腔，在海水压力和低压腔空气压力的压力差下，推动活塞连接动子线圈向趋近电磁换向阀侧运动，推动过程中压缩弹簧；断电时，连通中央通道与外部空间，在弹簧弹力作用下推动活塞连接动子线圈向远离电磁换向阀侧运动；线圈往复运动切割定子永磁体产生的磁感线以发电。线圈面积和活塞面积可解耦设计，提高系统的能量转换效率。

Description

一种具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统
技术领域
本发明属于海洋电子技术领域，更具体地，涉及一种具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统。
背景技术
海洋动物遥测标签技术利用海洋动物携带遥测标签，采集其运动过程中的各种环境数据与生物行为数据，数据通过卫星或水声网络实时或准实时传送。对于海洋动物遥测标签技术，遥测标签电池能量有限，很难支持遥测标签进行长时间多种类参数的观测。可以利用海洋动物下潜和上浮过程中的海水压力差产生的压力能为遥测标签供电，以提高标签的数据时空分辨率。
现有利用海水压力能发电的系统中，线圈面积影响了系统中往复运动切割磁感线的次数，线圈面积还影响了磁链大小，往复运动切割磁感线的次数随线圈面积增大而变小，磁链大小随线圈面积增大而增大，这一耦合特性导致无法有效提高系统的能量转换效率。
除此之外，动物遥测标签的海水压力能发电系统为电源端，其阻抗一般较大，超级电容体积小、额定电压较小，电能处理装置等效的阻抗偏低，两者之间阻抗不匹配，超级电容电压充电过程中电压的变化会导致电能处理装置等效阻抗发生变化，也会造成两者之间阻抗不匹配，从而产生能量损失，导致仅有很小的一部分电能转移到储能元件中，影响海水压力能的转换效率。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，其目的在于对具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统中线圈面积和活塞面积进行解耦设计，设计电能处理装置，以提高系统的能量转换效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，包括永磁直线发电机、电磁换向阀、低压腔、弹簧和活塞；所述永磁直线发电机内设置有中央通道和两个连接通道，两个连接通道的一端分别连接外部空间和所述低压腔，两个连接通道的另一端通过所述电磁换向阀连接所述中央通道；所述活塞的一端位于所述中央通道内且可在所述中央通道内移动；所述永磁直线发电机还包括定子永磁体以及环绕部分中央通道的动子线圈；自然状态下，所述弹簧包括位于另一部分中央通道两侧的两部分，且一端连接所述动子线圈；电磁换向阀通电时，用于将中央通道与低压腔连通，在海水压力和低压腔空气压力的压力差下，推动活塞连接动子线圈向趋近电磁换向阀侧运动，推动过程中压缩弹簧；电磁换向阀断电时，用于将中央通道与外部空间连通，在弹簧弹力作用下推动活塞连接动子线圈向远离电磁换向阀侧运动；动子线圈往复运动切割定子永磁体产生的磁感线以发电。
更进一步地，所述永磁直线发电机中磁链大小与所述动子线圈的面积有关；相同海水压力能下，所述动子线圈往复运动的次数与所述活塞的面积有关；所述动子线圈的面积与所述活塞的面积可解耦设计。
更进一步地，还包括连接所述永磁直线发电机输出端的阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元的阻抗可调节，用于与所述永磁直线发电机的阻抗相匹配。
更进一步地，所述阻抗匹配单元包括采样电路、驱动控制电路和BUCK变换电路，所述BUCK变换电路连接所述永磁直线发电机的输出端；所述采样电路用于采样获取所述BUCK变换电路的输入电压Ug和输出电流Io；所述驱动控制电路用于根据输入电压Ug、输出电流Io和所述永磁直线发电机的等效阻抗Rin-dc计算所述BUCK变换电路的占空比，并根据所述占空比驱动所述BUCK变换电路。
更进一步地，所述BUCK变换电路的占空比为：
其中，D为所述BUCK变换电路的占空比。
更进一步地，还包括连接在所述永磁直线发电机输出端与所述BUCK变换电路之间的缓冲电容；所述BUCK变换电路的开关管关闭时，所述缓冲电容用于存储所述永磁直线发电机输出的电能；所述BUCK变换电路的开关管导通时，所述缓冲电容释放其存储的电能，与所述永磁直线发电机同时为后端供电。
更进一步地，还包括超级电容，所述阻抗匹配单元连接在所述永磁直线发电机输出端与所述超级电容之间，所述超级电容用于吸收所述阻抗匹配单元输出的电能。
更进一步地，还包括连接在所述永磁直线发电机输出端与所述阻抗匹配单元之间的整流滤波电路，用于对所述永磁直线发电机输出的电能进行整流滤波处理。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)对具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统发电单元的结构进行设计，使得动子线圈面积影响磁链大小，活塞面积影响系统往复一次运动中海水进入低压腔的体积大小，系统往复一次运动中海水进入低压腔的体积大小影响系统往复运动的次数，磁链大小、系统往复运动的次数均影响系统的发电效率，由此，对动子线圈面积和活塞面积进行解耦设计，二者互不影响，可以分别优化设计动子线圈面积和活塞面积，以最大程度地提高系统的能量转换效率；
(2)根据遥测标签海水压力能发电系统的工作特点，即携带标签的海洋动物潜水深度变化导致发电系统输出电压变化较大、电窗口比较短暂、瞬时功率大等特点，采用缓冲电容、阻抗匹配单元对超级电容进行快速充电，提高了超级电容的充电效率与速度，提高了系统将海水压力能转换为电能的效率；
(3)对阻抗匹配单元进行设计，可直接基于BUCK变换电路的输入电压和输出电流计算阻抗匹配所需要的占空比，计算过程简单且结果准确，在保证控制精度的基础上降低了计算资源需求和成本，设计新颖合理，实现方便，工作稳定性和可靠性高；
(4)采用超级电容储能，使得具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统体积小、质量轻，可便于海洋动物的携带，适合为微型海水压力能发电存储使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电磁换向阀断电时具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统中发电单元的结构状态示意图；
图2为本发明实施例提供的电磁换向阀通电时具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统中发电单元的结构状态示意图；
图3为本发明实施例提供的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统的电路框图；
图4为本发明实施例提供的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统的电路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为永磁直线发电机，11为中央通道，12为定子永磁体，13为动子线圈，2为电磁换向阀，3为弹簧，4为活塞，5为阻抗匹配单元，51为采样电路，52为驱动控制电路，53为BUCK变换电路，6为缓冲电容，7为超级电容，8为整流滤波电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的电磁换向阀断电时具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统中发电单元的结构状态示意图。参阅图1，结合图2-图4，对本实施例中具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统进行详细说明。
具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统包括永磁直线发电机1、电磁换向阀2、低压腔、弹簧3和活塞4，永磁直线发电机1、电磁换向阀2、低压腔、弹簧3和活塞4组成发电单元。
永磁直线发电机1内设置有中央通道11和两个连接通道，两个连接通道的一端分别连接外部空间和低压腔，两个连接通道的另一端通过电磁换向阀2连接中央通道11。两个连接通道如图1中示出的往低压腔的通道和往外部空间的通道。
活塞4的一端位于中央通道11内且可在中央通道11内移动。永磁直线发电机1还包括定子永磁体12以及环绕部分中央通道11的动子线圈13。自然状态下，弹簧3包括位于另一部分中央通道11两侧的两部分，且一端连接动子线圈13。弹簧3包括两个直线弹簧，这两根直线弹簧分别位于中央通道11的两侧。永磁直线发电机1环绕在动子线圈13和弹簧3的外侧。
电磁换向阀2通电时，其接通中央通道11和连接低压腔的连接通道，从而将中央通道11与低压腔连通，如图1所示。此时，在海水压力和低压腔空气压力的压力差下，推动活塞4连接动子线圈13向趋近电磁换向阀2侧运动，推动过程中压缩弹簧3。
电磁换向阀2断电时，其接通中央通道11和连接外部空间的连接通道，从而将中央通道11与外部空间连通，如图2所示。此时，在处于压缩状态的弹簧3的弹力作用下，推动活塞4连接动子线圈13向远离电磁换向阀2侧运动。通过电磁换向阀2的通电断电控制，使得动子线圈13往复运动切割定子永磁体12产生的磁感线以发电。
具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统的上述单元结构中，永磁直线发电机1中磁链大小与动子线圈13的面积有关；相同海水压力能下，动子线圈13往复运动的次数与活塞4的面积有关。磁链大小、系统往复运动的次数均影响系统的发电效率，由此，对动子线圈面积和活塞面积进行解耦设计，二者互不影响，可以分别优化设计动子线圈面积和活塞面积，以最大程度地提高系统的能量转换效率。
根据本发明的实施例，具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统还包括连接永磁直线发电机1输出端的阻抗匹配单元5，如图3和图4所示。阻抗匹配单元5的阻抗可调节，用于与永磁直线发电机1的阻抗相匹配。
参阅图3，阻抗匹配单元5包括采样电路51、驱动控制电路52和BUCK变换电路53。BUCK变换电路53连接永磁直线发电机1的输出端。采样电路51用于采样获取BUCK变换电路53的输入电压Ug和输出电流Io。驱动控制电路52用于根据输入电压Ug、输出电流Io和永磁直线发电机1的等效阻抗Rin-dc计算BUCK变换电路53的占空比，并根据占空比驱动BUCK变换电路53。
根据本发明的实施例，BUCK变换电路53的占空比D为：
本发明实施例中，采样电路包括电压采样电路和电流采样电路。电压采样电路与缓冲电容的输出端连接，采集输入BUCK变换电路的电压信号。电流采样电路与BUCK变换电路的输出端连接，采集BUCK变换电路的输出电流信号。该采样电路选择BUCK变换电路的输入电压和输出电流，使得控制电路设计更加简单。
超级电容电压体积较小，额定电压较小，发电单元等效阻抗偏低，而且超级电容充电过程中电压变化会导致电能处理装置等效阻抗发生变化，阻抗匹配单元根据电压采样电路和电流采样电路采集到的装置输入电压和输出电流调整NMOS管导通控制信号的占空比，调节发电单元的等效阻抗，使之与海水压力能发电系统的阻抗匹配，从而提高系统将海水压力能转换为电能的效率。
根据本发明的实施例，具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统还包括连接在永磁直线发电机1输出端与BUCK变换电路53之间的缓冲电容6，如图3和图4所示。BUCK变换电路53的开关管(例如NMOS管)关闭时，缓冲电容6用于存储永磁直线发电机1输出的电能；BUCK变换电路53的开关管导通时，缓冲电容6释放其存储的电能，与永磁直线发电机1同时为后端供电。缓冲电容的使用极大提高了能量效率，减少了电能损失。
根据本发明的实施例，具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统还包括超级电容7，如图3和图4所示。阻抗匹配单元5连接在永磁直线发电机1输出端与超级电容7之间，超级电容7用于吸收阻抗匹配单元5输出的电能。
根据本发明的实施例，具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统还包括连接在永磁直线发电机1输出端与阻抗匹配单元5之间的整流滤波电路8，如图3和图4所示。整流滤波电路8用于对永磁直线发电机1输出的电能进行整流滤波处理。
参阅图3和图4，作为最优选的实施例，具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统同时包括永磁直线发电机1、电磁换向阀2、低压腔、弹簧3和活塞4组成的发电单元，以及阻抗匹配单元5、缓冲电容6、超级电容7和整流滤波电路8。缓冲电容6与整流滤波电路8的输出端连接，超级电容7与BUCK变换电路53的输出端连接，BUCK变换电路53与缓冲电容6和驱动控制电路52的PWM信号输出端连接。BUCK变换电路53可以将高电压、小电流转换为较低电压与大电流；超级电容7吸收BUCK变换电路53产生的大电流，提高充电效率与速度；由于标签的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统发电窗口比较短暂，瞬时功率大，因此采用超级电容7快速吸收BUCK变换电路53输出的电能。
为了验证本发明实施例中缓冲电容的效果，利用Matlab&Simulink工具，在完成预试验台验证的压力能发电系统仿真模型中，开展有无缓冲电容的对比分析。仿真中设置对6.6F的超级电容充电一定时间，其他条件不变，仿真结果如表1所示。
表1
有缓冲电容 无缓冲电容
能量转换效率 7.8％ 1.2％
从以上仿真结果可知，具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统中有缓冲电容的能量转换效率比无缓冲电容的能量转换效率大得多。无缓冲电容时，NMOS管关闭时间内，具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统所产生的能量则会被消耗掉；有缓冲电容时，这部分能量则会被存储起来，因此缓冲电容的使用极大提高了能量效率，减少了电能损失。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，其特征在于，包括永磁直线发电机(1)、电磁换向阀(2)、低压腔、弹簧(3)、活塞(4)和阻抗匹配单元(5)；
所述永磁直线发电机(1)内设置有中央通道(11)和两个连接通道，两个连接通道的一端分别连接外部空间和所述低压腔，两个连接通道的另一端通过所述电磁换向阀(2)连接所述中央通道(11)；所述活塞(4)的一端位于所述中央通道(11)内且可在所述中央通道(11)内移动；
所述永磁直线发电机(1)还包括定子永磁体(12)以及环绕部分中央通道(11)的动子线圈(13)；自然状态下，所述弹簧(3)包括位于另一部分中央通道(11)两侧的两部分，且一端连接所述动子线圈(13)；
电磁换向阀(2)通电时，用于将中央通道(11)与低压腔连通，在海水压力和低压腔空气压力的压力差下，推动活塞(4)连接动子线圈(13)向趋近电磁换向阀(2)侧运动，推动过程中压缩弹簧(3)；
电磁换向阀(2)断电时，用于将中央通道(11)与外部空间连通，在弹簧(3)弹力作用下推动活塞(4)连接动子线圈(13)向远离电磁换向阀(2)侧运动；动子线圈(13)往复运动切割定子永磁体(12)产生的磁感线以发电；
所述阻抗匹配单元(5)连接所述永磁直线发电机(1)输出端，所述阻抗匹配单元(5)的阻抗可调节，用于与所述永磁直线发电机(1)的阻抗相匹配；
所述阻抗匹配单元(5)包括采样电路(51)、驱动控制电路(52)和BUCK变换电路(53)，所述BUCK变换电路(53)连接所述永磁直线发电机(1)的输出端；
所述采样电路(51)用于采样获取所述BUCK变换电路(53)的输入电压Ug和输出电流Io；所述驱动控制电路(52)用于根据输入电压Ug、输出电流Io和所述永磁直线发电机(1)的等效阻抗Rin-dc计算所述BUCK变换电路(53)的占空比，并根据所述占空比驱动所述BUCK变换电路(53)。
2.如权利要求1所述的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，其特征在于，所述永磁直线发电机(1)中磁链大小与所述动子线圈(13)的面积有关；相同海水压力能下，所述动子线圈(13)往复运动的次数与所述活塞(4)的面积有关；所述动子线圈(13)的面积与所述活塞(4)的面积可解耦设计。
3.如权利要求1所述的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，其特征在于，所述BUCK变换电路(53)的占空比为：
其中，D为所述BUCK变换电路(53)的占空比。
4.如权利要求1所述的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，其特征在于，还包括连接在所述永磁直线发电机(1)输出端与所述BUCK变换电路(53)之间的缓冲电容(6)；
所述BUCK变换电路(53)的开关管关闭时，所述缓冲电容(6)用于存储所述永磁直线发电机(1)输出的电能；所述BUCK变换电路(53)的开关管导通时，所述缓冲电容(6)释放其存储的电能，与所述永磁直线发电机(1)同时为后端供电。
5.如权利要求1所述的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，其特征在于，还包括超级电容(7)，所述阻抗匹配单元(5)连接在所述永磁直线发电机(1)输出端与所述超级电容(7)之间，所述超级电容(7)用于吸收所述阻抗匹配单元(5)输出的电能。
6.如权利要求1所述的具备阻抗匹配电能处理功能的海水压力能发电系统，其特征在于，还包括连接在所述永磁直线发电机(1)输出端与所述阻抗匹配单元(5)之间的整流滤波电路(8)，用于对所述永磁直线发电机(1)输出的电能进行整流滤波处理。
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