CN117885853A - 一种自主浮标用海洋温差能供能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主浮标用海洋温差能供能装置，包括浮力单元、发电单元和壳体，浮力单元、发电单元置于壳体中，发电单元除涡轮扇叶置于壳体底部外其余部件置于壳体中；浮力单元通过外油囊体积变化改变浮标浮力实现上浮和下潜；充压油囊通过外部相变材料膨胀收缩过程给压力储能器充压，为浮力单元工质流动提供动力；发电单元通过海水冲击涡轮扇叶带动发电机转动发电，通过蓄电池储存电能，为浮标内部电子器件供电。本发明通过相变材料与内外油囊的配合实现了利用海洋温差能为海洋剖面浮标提供上浮下潜的自主驱动，并且还能将通过发电单元将海水的一部分动能转化为电能，为浮标中的电子器件供电，可实现浮标在海洋中的自主供能。

Description

一种自主浮标用海洋温差能供能装置

技术领域

本发明属于自主浮标领域，具体涉及一种自主浮标用海洋温差能供能装置。

背景技术

海洋是一个巨大的资源宝库，为人类生存和发展提供了许多必需的资源，其中包括丰富的矿物、油气和海洋生物等。为了更好地探索和利用这些资源，人们开发了海洋剖面浮标。海洋剖面浮标是一种先进的海洋观测平台，它能够自主实现上浮下潜运动，并同时完成准实时数据监测与传输。这种浮标能够在预先设定深度的海洋水体之间进行上浮下潜运动，利用所携带的各类传感器监测并记录海洋剖面参数。

海洋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。传统的海洋剖面浮标采用自身携带的电源进行供电。然而，一旦电源电量耗尽，必须为其更换电源，否则无法继续工作。而且，在电量用完时，大多数海洋剖面浮标难以回收，导致丢失在茫茫的大海中，给海洋造成污染。

为了解决这个问题，目前研究的重点是采用温差能供电的新型浮标。表层海水和深层海水之间以温度差形式储存着丰富的热能，而浮标的运动形式恰好是在表层海水与深层海水中往返。因此，利用温差能供电可以为新型浮标提供持续的能源供应，延长其工作寿命，同时避免了对环境的污染。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种自主浮标用海洋温差能供能装置，并且该装置通过螺旋导流管使浮标在上浮和下潜过程旋转产生水平角动量，可以在抵抗由洋流引起的晃动。

一种自主浮标用海洋温差能供能装置，包括浮力单元、发电单元和壳体；所述浮力单元和发电单元置于壳体中；所述浮力单元包括充压油囊、内油囊、外油囊、压力储能器和电磁阀；所述壳体包括外壳体、内壳体、螺旋导流管、外油囊护网和圆形盖板；所述外油囊置于外油囊护网中，所述内油囊、压力储能器置于内壳体中，所述充压油囊置于外壳体与内壳体之间；所述内油囊连接外油囊；所述外油囊连接压力储能器；所述压力储能器连接充压油囊；所述充压油囊连接外油囊；所述内壳体上设有空洞；所述内油囊、外油囊和压力储能器上均设有电磁阀。

进一步地，所述充压油囊、内油囊、外油囊、压力储能器均通过刚性管道连接。

进一步地，所述内油囊和外油囊为环形结构；所述充压油囊、内油囊、外油囊和压力储能器中充有液压油。

进一步地，所述内壳体置于外壳体中；所述外壳体和内壳体上下面均与圆形盖板连接。

进一步地，所述下底面圆形盖板中心位置还设有3个圆孔；所述外油囊护网与下底面圆形盖板连接；所述外油囊护网底面圆心处设有圆孔；所述圆形盖板边缘有8个圆孔；所述螺旋导流管连接上下盖板的圆孔。

进一步地，所述充压油囊、外壳体、螺旋导流管和圆形盖板形成封闭空间，填充有相变材料；所述螺旋导流管可增大相变材料与海水的换热面积，螺旋导流管可使浮标在上浮下潜过程旋转减小晃动。

进一步地，所述发电单元包括涡轮扇叶、发电机和蓄电池；所述发电机置于内壳体底部；所述蓄电池位于发电机上方，蓄电池连接发电机；所述涡轮扇叶位于外油囊护网下方，通过传动轴经外油囊护网与下底面圆形盖板圆心处圆孔连接发电机，所述下底面圆形盖板与传动轴交接处用密封圈密封。

进一步地，所述发电机为双向发电机，正向转动和反向转动均可产生电能。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过相变材料的压缩膨胀为压力储能器充压，以此作为内外油囊中工质的循环动力，实现了海洋剖面浮标无电驱的上浮和下潜控制。

2.本发明将相变材料包裹在海洋剖面浮标壳体外部，并设有螺旋型导流管。一方面螺旋型导流管使海水可以在上浮和下潜的过程中流过导流管与相变材料换热，增大了相变材料和海水间的传热系数和传热面积。另一方面，在上浮和下潜的过程中螺旋型导流管可以使浮标旋转产生一个水平方向的角动量，从而减小海洋剖面浮标被洋流冲击的晃动。

3.本发明在海洋剖面浮标上设有涡轮扇叶、双向发电机以及温差发电片。在上浮和下潜过程中，涡轮扇叶、双向发电机可以将海洋剖面浮标一部分动能转化为电能，温差发电片可以将相变材料相变过程中与海水产生的温差转化为电能。两部分电能通过蓄电池储存，为海洋剖面浮标内部电子元件供电。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明螺旋导流管示意图；

图3为本发明充压油囊示意图；

图4为本发明外油囊护网及涡轮扇叶示意图；

图5为本发明内油囊/外油囊示意图；

图6为本发明内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1-图6所示，一种自主浮标用海洋温差能供能装置，包括浮力单元、发电单元、壳体；浮力单元包括充压油囊101、内油囊102、外油囊103、压力储能器104和电磁阀105；发电单元包括涡轮扇叶201、发电机202和蓄电池203；壳体包括外壳体301、内壳体302、螺旋导流管303、外油囊护网304和圆形盖板305；浮力单元件置于壳体中，发电单元除涡轮扇叶201置于壳体底部外，其余部件置于壳体中，壳体作为浮标的结构支持并有相变材料作为填充物；浮力单元可通过相变材料膨胀收缩将海洋温差能转化为压力能，再通过气囊实现浮标上浮和下潜；发电单元可将海水动能转化为电能储存，为浮标内部电子器件供电。

外油囊103置于外油囊护网304中，内油囊102、压力储能器104置于内壳体302中，充压油囊101置于外壳体301与内壳体302之间；内油囊102连接外油囊103，外油囊103连接压力储能器104，压力储能器104连接充压油囊101，充压油囊101连接外油囊103，内壳体302上设有空洞，用于将压力储能器104、内油囊102与充压油囊101连接；充压油囊101、内油囊102、外油囊103、压力储能器104均通过刚性管道连接，并设有电磁阀105。

内油囊102、外油囊103为环形结构，充压油囊101、内油囊102、外油囊103、压力储能器104中充有液压油。

内壳体302置于外壳体301中，外壳体301和内壳体302上下面均与圆形盖板305连接，下底面圆形盖板305中心位置还设有3个圆孔，外油囊护网304与下底面圆形盖板305连接，外油囊护网304底面圆心处设有圆孔，圆形盖板305边缘有8个圆孔，螺旋导流管303连接上下盖板305的圆孔。

充压油囊101、外壳体301、螺旋导流管304和圆形盖板305形成封闭空间，填充有相变材料。

发电机202置于内壳体302底部，蓄电池203位于发电机202上方，蓄电池203连接发电机202，涡轮扇叶201位于外油囊护网304下方，通过传动轴经外油囊护网304与下底面圆形盖板305圆心处圆孔连接发电机202，下底面圆形盖板305与传动轴交接处用密封圈密封。

发电机202为双向发电机。

下面具体描述本发明的工作过程：

当浮标位于海表时，外油囊103中充满液压油，压力储能器104中充满液压油并处于高压状态；当浮标需要下潜时，打开连接内油囊102和外油囊103的电磁阀105，外油囊103中液压油被压入内油囊102后关闭，浮标体积减小，浮力减小，此时浮力小于重力，浮标开始下潜，当达到预定深度后，打开连接压力储能器104与外油囊103的电磁阀105，使压力储能器104中部分液压油进入外油囊103直至浮力与重力平衡后关闭，浮标在海水的减速作用下逐渐停止下潜；此时，海水温度低于相变材料凝固点，相变材料开始凝固，体积收缩，打开连接充压油囊101和内油囊102的电磁阀105，与相变材料紧密贴合的充压油囊开始膨胀，将内油囊102中液压油吸入充压油囊101后关闭；此时浮标开始漂流作业。

当浮标位于海底时，充压油囊101中充满液压油，当需要上浮时，打开连接压力储能器104与外油囊103的电磁阀105，压力储能器104将液压油压入外油囊102后关闭，此时，浮标体积变大，浮力增大，开始上浮；当浮标到大海表后，此时，海水温度高于相变材料凝固点，相变材料开始融化，体积膨胀，打开连接充压油囊101与压力储能器104的电磁阀105，与相变材料紧密贴合的充压油囊101开始收缩，将中液压油压入充压力储能器104后关闭，完成对压力储能器104的重新充压，浮标回到初始状态。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，包括浮力单元、发电单元和壳体；所述浮力单元和发电单元置于壳体中；所述浮力单元包括充压油囊(101)、内油囊(102)、外油囊(103)、压力储能器(104)和电磁阀(105)；所述壳体包括外壳体(301)、内壳体(302)、螺旋导流管(303)、外油囊护网(304)和圆形盖板(305)；所述外油囊(103)置于外油囊护网(304)中，所述内油囊(102)、压力储能器(104)置于内壳体(302)中，所述充压油囊(101)置于外壳体(301)与内壳体(302)之间；所述内油囊(102)连接外油囊(103)；所述外油囊(103)连接压力储能器(104)；所述压力储能器(104)连接充压油囊(101)；所述充压油囊(101)连接外油囊(103)；所述内壳体(302)上设有空洞；所述内油囊(102)、外油囊(103)和压力储能器(104)上均设有电磁阀(105)。

2.根据权利要求1所述的一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，所述充压油囊(101)、内油囊(102)、外油囊(103)、压力储能器(104)均通过刚性管道连接。

3.根据权利要求1所述的一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，所述内油囊(102)和外油囊(103)为环形结构；所述充压油囊(101)、内油囊(102)、外油囊(103)和压力储能器(104)中充有液压油。

4.根据权利要求1所述的一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，所述内壳体(302)置于外壳体(301)中；所述外壳体(301)和内壳体(302)上下面均与圆形盖板(305)连接。

5.根据权利要求4所述的一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，所述下底面圆形盖板(305)中心位置还设有3个圆孔；所述外油囊护网(304)与下底面圆形盖板(305)连接；所述外油囊护网(304)底面圆心处设有圆孔；所述圆形盖板(305)边缘有8个圆孔；所述螺旋导流管(303)连接上下盖板(305)的圆孔。

6.根据权利要求5所述的一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，所述充压油囊(101)、外壳体(301)、螺旋导流管(304)和圆形盖板(305)形成封闭空间，填充有相变材料；所述螺旋导流管(304)可增大相变材料与海水的换热面积，螺旋导流管(304)可使浮标在上浮下潜过程旋转减小晃动。

7.根据权利要求6所述的一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，所述发电单元包括涡轮扇叶(201)、发电机(202)和蓄电池(203)；所述发电机(202)置于内壳体(302)底部；所述蓄电池(203)位于发电机(202)上方，蓄电池(203)连接发电机(202)；所述涡轮扇叶(201)位于外油囊护网(304)下方，通过传动轴经外油囊护网(304)与下底面圆形盖板(305)圆心处圆孔连接发电机(202)，所述下底面圆形盖板(305)与传动轴交接处用密封圈密封。

8.根据权利要求7所述的一种自主浮标用海洋温差能供能装置，其特征在于，所述发电机(202)为双向发电机，正向转动和反向转动均可产生电能。