CN117622438B - 基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，解决了自主水下航行器动力系统续航不足且现有海洋温差能动力补给装置存在储能方式单一、膨胀机压力不稳定导致发电效率不稳定的问题。本发明的自主水下潜航器动力补给系统基于海洋表层和深层的温差，整个系统能量来源于海水，不自带燃料；本发明系统的发电依靠的是蒸发冷凝器提升或降低工质压力，不需要压缩机或压缩泵，工质增压过程采用等容蒸发实现，减少系统能耗，提高系统效率，且可降低系统噪音；本发明系统采用恒压控制装置，使得饱和工质在做功过程中始终保持恒压状态，提高了系统效率。
Description
技术领域
本发明属于自主水下潜航器领域。具体的，涉及一种基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统。
背景技术
水下无人潜航器（unmanned undersea vehicle，UUV）是水下自主航行并可回收的智能化装置，具有高度自主性和灵活性，在水下搜索、水文监测、通信、反潜等多方面有重要的应用价值。UUV根据供电方式可进一步分为缆控式与自主式两种，其中缆控式的电源由于线缆的存在限制了UUV的自由度，因此，自主水下航行器（autonomous underwatervehicle，AUV）的应用潜力更加巨大，也是该技术方向的研究重点。
动力系统是自主水下航行器的核心部件，是自主水下航行器能够完成各种任务的关键。现阶段，自主水下航行器的动力系统一种方式是采用储能电池或燃料电池方案，二者均存在电力补给或燃料补给问题，不利于自主水下航行器连续水下工作，极大地限制了自主水下航行器的续航性和水下巡航范围。另一种方式是利用海洋温差能进行发电的动力补给方式，例如CN112145384A公开的单工质海洋温差能收集发电装置。但是现有海洋温差能发电装置存在储能方式单一，膨胀机压力不稳定导致发电效率不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决自主水下航行器动力系统续航不足且现有海洋温差能动力补给装置存在储能方式单一、膨胀机压力不稳定导致发电效率不稳定的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，包括：蒸发冷凝器、等压工质容器、膨胀机、发电机和恒压控制装置；其中，所述恒压控制装置包括弹性储能装置和传动机构；所述等压工质容器包括密封活塞；传动机构分别连接弹性储能装置和密封活塞；蒸发冷凝器的工质输出端连接等压工质容器的第一工质端口，等压工质容器的第二工质端口连接膨胀机的工质输入端，膨胀机的动力输出轴连接发电机的转轴，膨胀机的工质输出端连接蒸发冷凝器的工质回馈端；储存能量时，利用海洋表层海水的高水温使工质在蒸发冷凝器内部蒸发变成饱和工质蒸汽送入等压工质容器内储存内能，同时等压工质容器内的饱和工质蒸汽推动密封活塞运动，带动传动机构压缩弹性储能装置压缩储存弹性势能；释放能量时，利用海洋深层海水的低水温使工质在蒸发冷凝器内部冷凝，同时恒压控制装置中弹性储能装置扩张释放弹性势能，通过传动机构对密封活塞施加压力，二者共同作用使等压工质容器的饱和工质蒸汽送入膨胀机，膨胀机将饱和工质蒸汽内能转换为机械能，带动发电机转动将机械能转换为电能；在储存能量和释放能量中，恒压控制装置中的弹性储能装置的弹力，经传动机构作用于等压工质容器的密封活塞上，维持等压工质容器的饱和工质蒸汽压力恒定。
第二方面，本发明提供了一种自主水下潜航器，包括动力补给系统，所述动力补给系统采用所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统。
本发明具有如下有益效果：本发明的自主水下潜航器动力补给系统基于海洋表层和深层的温差，整个系统能量来源于海水，不自带燃料；本发明系统的发电依靠的是蒸发冷凝器提升或降低工质压力，不需要压缩机或压缩泵，工质增压过程采用等容蒸发实现，减少系统能耗，提高系统效率，且可降低系统噪音；本发明系统采用恒压控制装置，使得饱和工质在做功过程中始终保持恒压状态，提高了系统效率。本发明一些具体实施方式中，利用发条弹簧刚度恒定的原理，巧妙地利用直线齿轮和齿轮副将活塞的直线运动转变为发条弹簧的曲线运动，在保证弹力恒定的同时，也节省了行程，使得装置更加紧凑。
附图说明
图1为本发明基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统的组成原理图。
图2为本发明实施例中自主水下潜航器动力补给系统的储存能量的示意图。
图3为本发明实施例中自主水下潜航器动力补给系统的释放能量的示意图。
附图标记：
100、蒸发冷凝器，101、蒸发冷凝器输出端，102、蒸发冷凝器回馈端；
200、等压工质容器，201、容器主体，202、密封活塞，203、第一工质端口，204、第二工质端口；
300、膨胀机，301、工质输入端，302、工质输出端，303、动力输出轴；
400、发电机，401、发电机转轴；
500、恒压控制装置，501、直线齿轮，502、齿轮副第一齿轮，503、齿轮副第二齿轮，504、发条弹簧；
601、第一单向阀，602、第二单向阀，603、第三单向阀。
实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
图1给出了本发明基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统的组成原理图。如图1所示，本发明的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，包括：蒸发冷凝器100、等压工质容器200、膨胀机300、发电机400和恒压控制装置500。
所述恒压控制装置包括弹性储能装置和传动机构；所述等压工质容器包括密封活塞；传动机构分别连接弹性储能装置和密封活塞；
蒸发冷凝器100的工质输出端101连接等压工质容器的第一工质端口203，等压工质容器200的第二工质端口204连接膨胀机300的工质输入端301，膨胀机的动力输出轴303连接发电机的转轴401，膨胀机300的工质输出端302连接蒸发冷凝器100的工质回馈端102。
储存能量时，利用海洋表层海水的高水温使工质在蒸发冷凝器100内部蒸发变成饱和工质蒸汽送入等压工质容器200内储存内能，同时等压工质容器内的饱和工质蒸汽推动密封活塞运动，带动传动机构压缩弹性储能装置压缩储存弹性势能。
释放能量时，利用海洋深层海水的低水温使工质在蒸发冷凝器100内部冷凝，同时恒压控制装置500中弹性储能装置扩张释放弹性势能，通过传动机构对密封活塞施加压力，二者共同作用使等压工质容器200的饱和工质蒸汽送入膨胀机300，膨胀机300将饱和工质蒸汽内能转换为机械能，带动发电机400转动将机械能转换为电能。
在储存能量和释放能量中，恒压控制装置500中的弹性储能装置的弹力，经传动机构作用于等压工质容器的密封活塞上，维持等压工质容器200的饱和工质蒸汽压力恒定。
本发明与一些具体实施例中，储存能量时，采用在蒸发冷凝器中进行工质的等容蒸发，在等压工质容器中储存内能并且在恒压控制装置中的弹性储能装置储存弹性势能；释放能量时，通过释放储存在等压工质容器中的内能和恒压控制装置中弹性储能装置的弹性势能，带动膨胀机驱动发电机发电将热能和弹性势能转变成电能。
本发明的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，利用海洋温差发电的动力补给系统的工作模式有储存能量和释放能量两种，二者配合实现相应的动力补给。本发明的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，储存能量过程采用等容蒸发及弹性变形的方式储存热能和弹性势能，释放能量发电过程则是通过释放储存的热能和弹性势能做功，转变成电能。
本发明一些实施例中，利用等压工质容器储存高温高压饱和工质蒸汽，利用发条弹簧储存弹性势能，发条弹簧具有刚度恒定的特性，能够施加恒定的压力；发电系统由膨胀机及高速电机组成。
本发明一些具体实施例中，利用单向阀来控制不同模式下工质的流动方向。
本发明一些实施例中，所述工质是在海洋表层海水的高水温会蒸发并且在海洋深层海水的低水温会冷凝的化合物、无机物和有机物。具体地，所述工质是氨气或者二氧化碳。
下面以图1为例说明本发明基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统恒压控制装置的具体实现方式。以下说明仅为了对恒压控制装置的发明构思进行说明，而不是对恒压控制装置的限定。
本发明一些具体实施例中，所述恒压控制装置包括直线齿轮501、齿轮副和发条弹簧504。直线齿轮501和齿轮副组成传动机构，发条弹簧504作为弹性储能装置。所述等压工质容器包括容器主体201和密封活塞202。其中,齿轮副分别连接发条弹簧504和直线齿轮501，直线齿轮501与密封活塞202连接。等压工质容器充入饱和工质蒸汽时，推动密封活塞向等压工质容器外运动，密封活塞带动直线齿轮正向运动，直线齿轮正向运动带动齿轮副正向运动压缩发条弹簧，发条弹簧压缩储存弹性势能；等压工质容器排放饱和工质蒸汽时，发条弹簧释放弹性势能而扩张，带动齿轮副反向运动，进而带动直线齿轮反向运动，直线齿轮反向运动推动密封活塞向等压工质容器内运动，将饱和工质蒸汽压出等压工质容器。
更具体地，本发明的上述实施例和其他一些实施例中，齿轮副由第一齿轮502和第二齿轮503组成，第一齿轮502和第二齿轮503啮合，第一齿轮502与直线齿轮501啮合，发条弹簧504的一端与第二齿轮503的转轴固连，另一端与第二齿轮的转动部分固连。
本发明上述具体实施方式中，发条弹簧504储存的弹性势能保证等压工质容器200内饱和工质蒸汽压力在容积变化时保持恒定。
下面结合图2和图3，对本发明一些实施例中的自主水下潜航器动力补给系统的储存能量和释放能量的过程进行说明。所述自主水下潜航器动力补给系统核心设备及功能如下所述：蒸发冷凝器100用于工质在高温时蒸发、在低温时冷凝；等压工质容器200用于储存高温/高压工质饱和工质蒸汽；密封活塞202用于密封等压工质容器200内的饱和工质蒸汽；膨胀机300用于将高温/高压工质饱和工质蒸汽内能转换成机械能；发电机400用于将机械能转换成电能；恒压控制装置500用于等压工质容器内的恒定压力；直线齿轮501用于引导密封活塞202上下移动；第一齿轮502与直线齿轮配合，将直线运动转变成旋转运动；第二齿轮503与第一齿轮502配合，传递扭矩；发条弹簧504与第二齿轮503固接，利用其自身弹力，施加于一恒定力于直线齿轮501上；第一单向阀601、第二单向阀602和第三单向阀603用于控制储存能量时和释放能量时工质的流动方向；
本发明的上述实施例中，蒸发冷凝器100的工质输出端101采用工质通道连接到第一单向阀601输入端，第一单向阀601输出端采用工质通道与等压工质容器200的第一工质端口203连接；等压工质容器200的第二工质端口204采用工质通道连接第二单向阀602的输入端，第二单向阀602的输出端采用工质通道连接膨胀机300的工质输入端301；膨胀机300的工质输出端302采用工质通道连接第三单向阀603的输入端，第三单向阀603的输出端采用工质通道连接蒸发冷凝器100的工质回馈端102。
储存能量的过程如图2所示，此时第一单向阀601导通，第二单向阀602和第三单向阀603关闭。当自主水下潜航器接处于近海平面位置，此处海水温度较高，海面水温度可保证蒸发冷凝器100内的工质在略低于海面水温的温度下吸热蒸发，产生的饱和工质蒸汽经第一单向阀601进入等压工质容器200内，恒压控制装置500中的直线齿轮501和密封活塞202在饱和工质蒸气压力的作用下上移，第一齿轮502被直线齿轮501驱动旋转，进而带动第二齿轮503产生旋转，并使与第二齿轮503固连的发条弹簧504产生扭转变形，储存弹性势能。当工质足量蒸发后，等压工质容器200内贮满饱和工质蒸汽，发条弹簧504也储存足够的弹性势能。
释放能量的过程如图3所示，此时第一单向阀601先关闭。当自主水下潜航器处于海平面以下位置，此处海水温度较低，使得蒸发冷凝器100内的工质在略高于深海温度的温度下放热冷凝，压力和温度降低。此时第二单向阀602和第三单向阀603导通，等压工质容器200中的高温高压饱和工质蒸汽流经第二单向阀602，在膨胀机300中膨胀，并带动发电机400发电产生电能，膨胀后的工质流入蒸发冷凝器100内，完成发电过程，等待上升至海平面时，再次蒸发。在发电过程中，等压工质容器200内饱和工质不断减少，发条弹簧504释放弹性势能，通过第二齿轮503、第一齿轮502、和直线齿轮501施加恒力于密封活塞202上，使得等压工质容器200内的压力保持不变。本发明还提供了一种自主水下潜航器，本发明一些具体实施例中，所述自主水下航行器包括动力补给系统，所述动力补给系统采用上述基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，为自主水下航行器提供动力补给。
本发明的恒压控制装置是本发明装置中重要的组成部分，其功能一是在装置蓄能过程中能够储存弹性势能，功能二是在发电过程中保持“等压工质容器”中的压力恒定，保证膨胀机的性能。
本发明的蓄能装置分别为等压工质容器及恒压控制装置，采用等压工质容器及恒压控制装置将循环工质吸收的热量以内能和弹性势能的方式进行储存。其中，等压工质容器其容积不恒定，但具有恒压控制装置，所以等压工质容器始终保持蒸发冷凝器蒸发时的压力，这样在释放内能时，膨胀机的进口压力保持恒定，保证膨胀机的性能压力恒定，进而能保证发电时的稳定性。
此外，本发明一些实施例中，恒压控制装置由发条弹簧及齿轮副组成，利用发条弹簧刚度恒定的原理，巧妙地利用直线齿轮和齿轮副将活塞的直线运动转变为发条弹簧的曲线运动，在保证弹力恒定的同时，也节省了行程，使得装置更加紧凑。
本发明为水下航行器而专门设计，发电过程只有一个阶段，即循环工质在海下放热冷却时。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统或产品，可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅是示意性的，本发明的保护范围并不限于所述的具体结构形式，其工质也不限于特定某一种，实际实现时可以有另外的划分方式，或一些特征可以忽略。
本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元上述各个附图对应的流程或结构的描述各有侧重，某个结构中没有详述的部分，可以参见其他流程或结构的相关描述。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，包括：蒸发冷凝器、等压工质容器、膨胀机、发电机和恒压控制装置；其中，
所述恒压控制装置包括弹性储能装置和传动机构；所述等压工质容器包括密封活塞；传动机构分别连接弹性储能装置和密封活塞；
蒸发冷凝器的工质输出端连接等压工质容器的第一工质端口，等压工质容器的第二工质端口连接膨胀机的工质输入端，膨胀机的动力输出轴连接发电机的转轴，膨胀机的工质输出端连接蒸发冷凝器的工质回馈端；
储存能量时，利用海洋表层海水的高水温使工质在蒸发冷凝器内部蒸发变成饱和工质蒸汽送入等压工质容器内储存内能，同时等压工质容器内的饱和工质蒸汽推动密封活塞运动，带动传动机构压缩弹性储能装置压缩储存弹性势能；
释放能量时，利用海洋深层海水的低水温使工质在蒸发冷凝器内部冷凝，同时恒压控制装置中弹性储能装置扩张释放弹性势能，通过传动机构对密封活塞施加压力，二者共同作用使等压工质容器的饱和工质蒸汽送入膨胀机，膨胀机将饱和工质蒸汽内能转换为机械能，带动发电机转动将机械能转换为电能；
在储存能量和释放能量中，恒压控制装置中的弹性储能装置的弹力，经传动机构作用于等压工质容器的密封活塞上，维持等压工质容器的饱和工质蒸汽压力恒定；
所述弹性储能装置是发条弹簧，所述传动机构包括直线齿轮、齿轮副；其中,齿轮副分别连接发条弹簧和直线齿轮，直线齿轮与密封活塞连接；
等压工质容器充入饱和工质蒸汽时，推动密封活塞向等压工质容器外运动，密封活塞带动直线齿轮正向运动，直线齿轮正向运动带动齿轮副正向运动压缩发条弹簧，发条弹簧压缩储存弹性势能；等压工质容器排放饱和工质蒸汽时，发条弹簧释放弹性势能而扩张，带动齿轮副反向运动，进而带动直线齿轮反向运动，直线齿轮反向运动推动密封活塞向等压工质容器内运动，将饱和工质蒸汽压出等压工质容器。
2.根据权利要求1所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，
储存能量时，在蒸发冷凝器中工质进行等容蒸发。
3.根据权利要求1所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，发条弹簧储存的弹性势能保证等压工质容器内饱和工质蒸汽压力在容积变化时保持恒定。
4.根据权利要求1所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，
蒸发冷凝器的工质输出端连接等压工质容器的第一工质端口，具体是：蒸发冷凝器的工质输出端采用工质通道连接到第一单向阀输入端，第一单向阀输出端采用工质通道与等压工质容器的第一工质端口连接；
等压工质容器的第二工质端口连接膨胀机的工质输入端，具体是：等压工质容器的第二工质端口采用工质通道连接第二单向阀的输入端，第二单向阀的输出端采用工质通道连接膨胀机的工质输入端；
膨胀机的工质输出端连接蒸发冷凝器的工质回馈端，具体是：膨胀机的工质输出端采用工质通道连接第三单向阀的输入端，第三单向阀的输出端采用工质通道连接蒸发冷凝器的工质回馈端。
5.根据权利要求4所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，利用第一单向阀、第二单向阀和第三单项阀控制储存能量时和释放能量时工质的流动方向。
6.根据权利要求1所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，所述工质是在海洋表层海水的高水温会蒸发并且在海洋深层海水的低水温会冷凝的化合物。
7.根据权利要求6所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，所述化合物是无机物或者有机物。
8.根据权利要求6所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统，其特征在于，所述工质是氨气或者二氧化碳。
9.一种自主水下潜航器，其特征在于，包括动力补给系统，所述动力补给系统采用如权利要求1-8任一项所述的基于海洋温差的自主水下潜航器动力补给系统。
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