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CN111661288A - 一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统及基于该系统的航行器驱动方法 - Google Patents

一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统及基于该系统的航行器驱动方法 Download PDF

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CN111661288A CN202010443379.9A CN202010443379A CN111661288A CN 111661288 A CN111661288 A CN 111661288A CN 202010443379 A CN202010443379 A CN 202010443379A CN 111661288 A CN111661288 A CN 111661288A
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吴新雨
张国成
马陈飞
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Abstract

一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统及基于该系统的航行器驱动方法，涉及水下航行器领域。本发明是为了解决现有温差能浮力驱动系统适用范围受限、且不能够实现海洋温差能到电能的转换，不能供水下航行器使用的问题。本发明同时采用温差能和电能进行浮力驱动，并实现海洋温差能转化为电能，拓宽了水下航行器的工作范围，提高了其工作时长以及能源利用率。

Description

一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统及基于该 系统的航行器驱动方法
技术领域
本发明属于水下航行器领域，尤其涉及水下航行器的驱动系统。
背景技术
人类开发利用海洋以及保护海洋的前提是海洋环境观测。海洋环境观测获取到长期、连续和大范围的水下环境，包括物理学参数、海洋地质学和地球物理学参数、海洋化学参数、海洋生物学参数等。
现有能满足上述观测需求的水下潜标和水下滑翔机均采用浮力来进行驱动。这些用于水下航行器的浮力驱动系统目前主要采用水下航行器携带的电源作为能源系统。但是，这种浮力驱动系统无法长期驱动水下航行器运动。
采用温差能浮力驱动系统可以利用海洋温差能驱动水下航行器运动，摆脱水下航行器自身携带电能的限制，使水下航行器具备长期观测的能力。但是，温差能浮力驱动系统需要海水有足够的温度差，因此导致其应用范围受限。且温差能浮力驱动系统不能够实现海洋温差能到电能的转换，无法供应水下航行器的使用。
发明内容
本发明是为了解决现有温差能浮力驱动系统适用范围受限、且不能够实现海洋温差能到电能的转换，不能供水下航行器使用的问题，现提供一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统。
一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统，包括：换热器、内存储腔、外存储腔、蓄能器、液压马达、发电机、蓄电池、介质箱和电池管理模块，
所述内存储腔和外存储腔均为柔性的存储腔体，内存储腔、蓄能器、液压马达、发电机、蓄电池、介质箱和电池管理模块均位于航行器内部，换热器的换热耐压仓和外存储腔均位于航行器的外部环境中，
换热器的换热耐压仓内设有柔性的介质腔，换热耐压仓与介质腔之间填充有相变材料，内存储腔、外存储腔、介质腔、介质箱和蓄能器都用于填充介质，液压马达的液体入口、介质腔、内存储腔、外存储腔、蓄能器和介质箱之间均相互连通，液压马达的液体出口、内存储腔和外存储腔和介质箱之间均相互连通，介质箱的开口处设有泵，外存储腔与内存储腔之间的通路、蓄能器与外存储腔之间的通路、以及液压马达的液体入口处均设有阀门，介质腔与蓄能器之间通路的流向为介质腔至蓄能器，介质腔与内存储腔之间通路的流向为内存储腔至介质腔，
液压马达的动力输出端连接发电机的动力输入端，发电机的电能输出端连接电池管理模块的电能输入端，电池管理模块电能输出端连接蓄电池的电能输入端，电池管理模块的驱动信号输出端连接泵的驱动信号输入端。
上述换热器的换热耐压仓外壳为金属耐压管，介质腔为橡胶软管，橡胶软管沿金属耐压管轴向设置，相变材料充满在金属耐压管内壁与橡胶软管外壁之间。
上述内存储腔和外存储腔均为皮囊。
上述介质腔的开口、内存储腔的开口、蓄能器的开口、液压马达的液体入口和液压马达的液体出口均分为两路，外存储腔的开口分为三路，介质腔的开口一路与内存储腔的开口一路连通、且二者之间设有内存储腔至介质腔方向的单向阀，介质腔的开口二路与蓄能器的开口一路连通、且二者之间设有介质腔至蓄能器方向的单向阀，蓄能器的开口一路与液压马达的液体入口一路连通，液压马达的液体入口二路与外存储腔的开口一路连通，外存储腔的开口二路与液压马达的液体出口一路连通，液压马达的液体出口二路与内存储腔的开口二路连通，外存储腔的开口三路与介质箱连通，液压马达的液体入口处、外存储腔的开口一路和二路处均设有阀门。
基于上述一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统的航行器驱动方法，所述方法包括：温差能驱动方法和电能驱动方法，
温差能驱动方法为：
当航行器漂浮在水面时，开启内存储腔与外存储腔之间的阀门，使得介质从外存储腔流入内存储腔，航行器下沉；
当航行器悬浮在水下时，开启蓄能器与外存储腔之间的阀门，使得介质从蓄能器流入外存储腔，航行器上浮；
电能驱动方法为：
当航行器下沉到水下目标深度附近时，开启泵，将介质箱内的介质微量泵入或泵出外存储腔，使得外存储腔的体积得到微调，进而对外存储腔的浮力得到微调，最终对航行器的位置实现微调；
当紧急情况下，开启泵将介质箱内的介质大量泵入或泵出外存储腔，使得外存储腔的体积迅速改变，最终对航行器的位置实现迅速调整。
上述方法还包括温差能转换为电能的方法，所述方法为：
开启液压马达的液体入口处的阀门，使得介质从蓄能器中的介质流过液压马达、并驱动液压马达带动发电机发电。
本发明同时采用温差能和电能进行浮力驱动，并实现海洋温差能转化为电能，拓宽了水下航行器的工作范围，提高了其工作时长以及能源利用率。
附图说明
图1为一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统，包括：换热器1、内存储腔2、外存储腔3、蓄能器4、液压马达5、发电机6、蓄电池7、介质箱8和电池管理模块10。内存储腔2、外存储腔3、介质腔、介质箱8和蓄能器4都用于填充介质，所述介质在实际应用时可以采用液压油。
换热器1采用双层管式结构，换热器1的外层为换热耐压仓，其外壳为金属耐压管，方便进行导热。换热器1的外层为介质腔，介质腔为橡胶软管。橡胶软管沿金属耐压管轴向设置，相变材料11充满在金属耐压管内壁与橡胶软管外壁之间。相变材料11能够捕获海水温度变化，利用橡胶软管隔离相变材料11与介质，相变材料11体积变化后作用于橡胶软管内的介质，即：随着航行器下沉，海水变冷相变材料11凝固，体积缩小，降低对橡胶软管的压力；随着航行器上浮，海水变暖相变材料11融化，体积增大，增加对橡胶软管的压力。
所述内存储腔2和外存储腔3均为柔性的存储腔体，在实际应用中可以采用皮囊。换热器1的换热耐压仓和外存储腔3均位于航行器的外部环境中，例如海水中；内存储腔2、蓄能器4、液压马达5、发电机6、蓄电池7、介质箱8和电池管理模块10均位于航行器内部。
介质腔的开口、内存储腔2的开口、蓄能器4的开口、液压马达5的液体入口和液压马达5的液体出口均分为两路，外存储腔3的开口分为三路。介质腔的开口一路与内存储腔2的开口一路连通、且二者之间设有内存储腔2至介质腔方向的单向阀；介质腔的开口二路与蓄能器4的开口一路连通、且二者之间设有介质腔至蓄能器4方向的单向阀。蓄能器4的开口一路与液压马达5的液体入口一路连通。液压马达5的液体入口二路与外存储腔3的开口一路连通。外存储腔3的开口二路与液压马达5的液体出口一路连通。液压马达5的液体出口二路与内存储腔2的开口二路连通，外存储腔3的开口三路与介质箱8连通。液压马达5的液体入口处、外存储腔3的开口一路和二路处均设有阀门。介质箱8的开口处设有泵9。
液压马达5的动力输出端连接发电机6的动力输入端，发电机6的电能输出端连接电池管理模块10的电能输入端，电池管理模块10电能输出端连接蓄电池7的电能输入端，电池管理模块10的驱动信号输出端连接泵9的驱动信号输入端。
本实施方式所述的一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统，由温差能驱动系统和电力驱动系统构成，实现驱动水下航行器潜浮运动及发电两个功能。蓄能器4用于存储和释放相变材料11体积变化所产生的能量。单向阀用于控制液压油的流向。阀门用于控制发电机6正负浮力运动过程的调节。液压马达5将蓄能器4中存储的能量转化为机械能。发电机6将液压马达5的机械能转化成电能，通过电源管理模块10处理后存入蓄电池7中。外存储腔3体积改变导致浮标的浮力变化来驱动浮标运动。
具体实施方式二：本实施方式是基于具体实施方式一所述的一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统的航行器驱动方法，本实施方式中，包括：温差能驱动方法、电能驱动方法和温差能转换为电能的方法，以航行器位于海水中为例，对三种方法分别进行说明。
1、温差能驱动方法为：
当航行器漂浮在水面附近时，开启内存储腔2与外存储腔3之间的阀门，以下称之为三号阀门。外存储腔3的压力大于内存储腔2的压力，使得介质从外存储腔3流入内存储腔2，外存储腔3体积减小，所受浮力减小，航行器下沉。随着下沉深度增加，海水密度增大，航行器所受浮力增大，当浮力与重力相等时，关闭三号阀门，此时航行器悬浮在预定深度。
在上述下沉变化过程中，换热器1换热耐压仓中的相变材料11随着航行器下潜遇冷凝固，橡胶软管所受压力减小，使得介质通过单向阀从内存储腔2流入至介质腔内部。
当航行器悬浮在水下时，打开蓄能器4与外存储腔3之间的阀门，以下称之为二号阀门。蓄能器4内部压力大于外存储腔3所受海水的压力，使得介质从蓄能器4流向外存储腔3，外存储腔3体积增大，浮力增加，航行器上浮。随着上浮深度减小，海水密度减小，航行器所受浮力减小，当浮力与重力相等时，关闭二号阀门，此时航行器漂浮在水面附近。
在上述上浮变化过程中，换热器1换热耐压仓中的相变材料11随着航行器上浮遇热逐渐融化，橡胶软管所受压力增大，使得介质通过单向阀从介质腔流入蓄能器4中。
2、电能驱动方法实现的是航行器位置的微调和位置的迅速调整，具体为：
当航行器下沉到水下目标深度附近时，电池管理模块10控制泵9开启，将介质箱8内的介质微量泵入或泵出外存储腔3，使得外存储腔3的体积得到微调，进而对外存储腔3的浮力得到微调，最终对航行器的位置实现微调。
当紧急情况下需要迅速改变航行器的位置时，电池管理模块10控制泵9迅速开启，并将介质箱8内的介质大量泵入或泵出外存储腔3，使得外存储腔3的体积迅速改变，航行器的浮力迅速改变，使得航行器能够迅速的上浮或下潜，最终实现对航行器位置的迅速调整。
3、温差能转换为电能的方法：
开启液压马达5的液体入口处的阀门，即一号阀门。蓄能器4中的压力大于内存储腔2的压力，介质主动从蓄能器4流向内存储腔2，当介质流过液压马达5时，驱动液压马达5转动，进而带动发电机6发电，实现温差能向电能的转换。当蓄能器4压力下降到初始值时，关闭一号阀门，发电完成。此时内存储腔2内的介质体积刚好等于初始体积，完成了一个工作循环。

Claims (6)

1.一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统，其特征在于，包括：换热器(1)、内存储腔(2)、外存储腔(3)、蓄能器(4)、液压马达(5)、发电机(6)、蓄电池(7)、介质箱(8)和电池管理模块(10)，
所述内存储腔(2)和外存储腔(3)均为柔性的存储腔体，内存储腔(2)、蓄能器(4)、液压马达(5)、发电机(6)、蓄电池(7)、介质箱(8)和电池管理模块(10)均位于航行器内部，换热器(1)的换热耐压仓和外存储腔(3)均位于航行器的外部环境中，
换热器(1)的换热耐压仓内设有柔性的介质腔，换热耐压仓与介质腔之间填充有相变材料(11)，内存储腔(2)、外存储腔(3)、介质腔、介质箱(8)和蓄能器(4)都用于填充介质，
液压马达(5)的液体入口、介质腔、内存储腔(2)、外存储腔(3)、蓄能器(4)和介质箱(8)之间均相互连通，液压马达(5)的液体出口、内存储腔(2)和外存储腔(3)和介质箱(8)之间均相互连通，
介质箱(8)的开口处设有泵(9)，外存储腔(3)与内存储腔(2)之间的通路、蓄能器(4)与外存储腔(3)之间的通路、以及液压马达(5)的液体入口处均设有阀门，介质腔与蓄能器(4)之间通路的流向为介质腔至蓄能器(4)，介质腔与内存储腔(2)之间通路的流向为内存储腔(2)至介质腔，
液压马达(5)的动力输出端连接发电机(6)的动力输入端，发电机(6)的电能输出端连接电池管理模块(10)的电能输入端，电池管理模块(10)电能输出端连接蓄电池(7)的电能输入端，电池管理模块(10)的驱动信号输出端连接泵(9)的驱动信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统，其特征在于，换热器(1)的换热耐压仓外壳为金属耐压管，介质腔为橡胶软管，橡胶软管沿金属耐压管轴向设置，相变材料(11)充满在金属耐压管内壁与橡胶软管外壁之间。
3.根据权利要求1所述的一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统，其特征在于，内存储腔(2)和外存储腔(3)均为皮囊。
4.根据权利要求1所述的一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统，其特征在于，介质腔的开口、内存储腔(2)的开口、蓄能器(4)的开口、液压马达(5)的液体入口和液压马达(5)的液体出口均分为两路，外存储腔(3)的开口分为三路，
介质腔的开口一路与内存储腔(2)的开口一路连通、且二者之间设有内存储腔(2)至介质腔方向的单向阀，
介质腔的开口二路与蓄能器(4)的开口一路连通、且二者之间设有介质腔至蓄能器(4)方向的单向阀，
蓄能器(4)的开口一路与液压马达(5)的液体入口一路连通，液压马达(5)的液体入口二路与外存储腔(3)的开口一路连通，外存储腔(3)的开口二路与液压马达(5)的液体出口一路连通，液压马达(5)的液体出口二路与内存储腔(2)的开口二路连通，外存储腔(3)的开口三路与介质箱(8)连通，
液压马达(5)的液体入口处、外存储腔(3)的开口一路和二路处均设有阀门。
5.基于权利要求1所述的一种用于水下航行器的温差能、电能浮力驱动系统的航行器驱动方法，其特征在于，所述方法包括：温差能驱动方法和电能驱动方法，
温差能驱动方法为：
当航行器漂浮在水面时，开启内存储腔(2)与外存储腔(3)之间的阀门，使得介质从外存储腔(3)流入内存储腔(2)，航行器下沉；
当航行器悬浮在水下时，开启蓄能器(4)与外存储腔(3)之间的阀门，使得介质从蓄能器(4)流入外存储腔(3)，航行器上浮；
电能驱动方法为：
当航行器下沉到水下目标深度附近时，开启泵(9)，将介质箱(8)内的介质微量泵入或泵出外存储腔(3)，使得外存储腔(3)的体积得到微调，进而对外存储腔(3)的浮力得到微调，最终对航行器的位置实现微调；
当紧急情况下，开启泵(9)将介质箱(8)内的介质大量泵入或泵出外存储腔(3)，使得外存储腔(3)的体积迅速改变，最终对航行器的位置实现迅速调整。
6.根据权利要求5所述的航行器驱动方法，其特征在于，还包括温差能转换为电能的方法，所述方法为：
开启液压马达(5)的液体入口处的阀门，使得介质从蓄能器(4)中的介质流过液压马达(5)、并驱动液压马达(5)带动发电机(6)发电。
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