复合能源的自持式水下剖面浮标及其驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种复合能源的自持式水下剖面浮标，含有外皮囊、内皮囊、电磁阀、液压柱塞泵、质子交换膜燃料电池、直流伺服电机、主体外壳等。由密封底盘、热机工作腔、热机冷却腔、燃料电池冷却腔以及导流罩构成密封腔。通过质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）的热电联供系统可以实现自持式水下剖面浮标在近海和深海时的温差能驱动和电驱动两种工作驱动模式，以适应在不同深度下的工作要求，克服了自持式水下剖面浮标单一驱动模式的缺点，本发明专利技术采用ＰＥＭＦＣ作为温差热机的内热源，提高了ＰＥＭＦＣ的燃料利用率，改善了温差热机的工作性能，扩大了自持式水下剖面浮标的应用范围，增强了工作的可靠性。同时，本发明专利技术中还公开了利用上述复合能源的自持式水下剖面浮标的驱动方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用来测量水域剖面参数的仪器，尤其是涉及一种利用质子交换膜燃料电池的热电联供系统作为综合动力源的新型自持式水下剖面浮标。
技术介绍
自持式水下剖面浮标是一种通过改变自身浮力来进行剖面运动的新型水下监测设备。它可携带各种传感器进行大范围长时序地海洋参数测量，并且可以通过卫星定期将所获数据送回基站，因此它已成为了海洋环境监测的重要工具。目前，国外已成功研制了多种自持式水下剖面浮标，如由美国Webb Research、Falmoth Scientific公司和法国的Martec海洋研究所联合研制和发展的自持式拉格朗日自动循环剖面浮标ALACE，在ALACE浮标的基础上又先后成功研制了自持式拉格朗日剖面自动循环探测浮标PALACE、自持式剖面探测浮标APEX，基于MARVOR技术的自动液压剖面浮标PROVOR以及拉格朗日海洋声纳探测浮标SOLO。上述这些浮标不仅能实现自主沉浮，而且可携带更多的传感器、工作的时间更持久，浮在水面上时还可以直接与卫星通讯，实现双向的数据传输，最终发展成为Argo这样全球性的海洋浮标观测系统。目前，自持式水下剖面浮标的浮力驱动系统主要还是采用电能驱动，诸如利用锂电池或碱性电池驱动，电驱动浮力系统虽然具有较高的工作可靠性，但也具有如下非常明显的缺点：航行时间和距离均要受到电池容量的约束；工作在深海环境下，有时会因工作介质由于压力变化而析出气泡而发生柱塞泵“气锁”失效；电池的功率密度低；相对更换电池的成本较高。
技术实现思路
本专利技术要解决现有技术中自持式水下剖面浮标的浮力驱动系统的航行时间和距离受到电池容量的限制、系统中注塞泵出现“气锁”失效、电池功率密度底、成本高的技术问题，提供一种复合能源的自持式水下剖面浮标，它是将质子交换膜燃料电池(以下简称为PEMFC)作为自持式水下剖面浮标的综合动力源，从而能够实现既可以通过PEMFC提供电能驱动液压柱塞泵实现在近海的电驱动剖面运动模式，也可以通过PEMFC热电联供系统，在PEMFC为浮标内的用电器提供电能的同时，通过增加余热回收设备将PEMFC产生的热量供给温差热机，依靠PEMFC的余热来驱动浮标实现温差工作模式，这样不仅提高了PEMFC燃料的利用率，而且由于PEMFC的余热温度高于自然表层水温，因此使温差热机的工作性能也得到了明显地改善，从根本上解决了自持式水下剖面浮标工作海域受限的制约。因此以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为复合能源的自持式水下剖面浮标克服了电能或温差能单一驱动模式的缺点，扩大了自持式水下剖面浮标的应用范围，增强了工作的可-->靠性。本专利技术通过以下技术方案予以实现的。本专利技术复合能源的自持式水下剖面浮标包括设置在总密封腔内的压力传感器、控制电路板和液压柱塞泵，所述总密封腔由依次联结的密封头盖、燃料电池冷却腔、热机冷却腔、热机工作腔和密封底盘组成；所述总密封腔的后端联结有外皮囊保护罩，从而构成主体；所述燃料电池冷却腔和热机冷却腔均为带有单密封夹层的筒状壳体，夹层内灌装有冷却介质；所述热机工作腔为双密封夹层的壳体，所述外夹层中设置有保温材料，所述内夹层中设置有温敏材料和换热器；所述总密封腔内固定有方型支架，所述控制电路板固定在方型支架的前端，所述方型支架上依次用螺钉分别安装有燃料电池控制板、氢气瓶、氧气瓶、质子交换膜燃料电池、直流伺服电机、液压柱塞泵以及柱塞泵二通电磁阀；所述氢气瓶和氧气瓶通过夹板由螺栓固定在一起并为质子交换膜燃料电池提供燃料和氧化剂；所述柱塞泵二通电磁阀上连接有蓄能器，在所述热机工作腔内设置有内皮囊，在外皮囊保护罩内设置有外皮囊；在所述燃料电池冷却腔、质子交换膜燃料电池、换热器、内皮囊和外皮囊之间的管道上设置有二通电磁阀和三通电磁阀，由所述二通电磁阀和所述三通电磁阀控制，具有下述三种情形之一：使质子交换膜燃料电池通过燃料电池冷却腔形成冷却回路；或使所述温敏材料的热量通过换热器中的冷却介质带入到所述热机冷却腔；或所述质子交换膜燃料电池的余热通过换热器传导给温敏材料，保温材料可以防止燃料电池的余热流失到外界环境中去，温敏材料因受热而融化膨胀。本专利技术复合能源的自持式水下剖面浮标，其中，所述热机工作腔连接有二通管接头，并通过橡胶管连接三通管接头的一个端口，所述三通管接头的另外两个端口，一路接于正向导通的第一单向阀的输入端，另一路接于反向导通的第二单向阀的输出端；所述第一单向阀的输出端分为两路：一路与蓄能器相通，另一路经第一二通电磁阀连于外皮囊，反向导通的第二单向阀的输入端亦分为两路：一路直接接于内皮囊，另一路经过第二二通电磁阀连接于外皮囊。所述质子交换膜燃料电池的电池片加工成环形，各电池片叠加成电池堆后在中央形成通孔，所述方型支架由通孔中穿过。所述液压柱塞泵由液压柱塞泵直流伺服电机驱动螺母丝杠副传动给活塞，使活塞在液压柱塞泵壳体中作往复运动。所述温敏材料为石蜡类材料，所述传递介质为纯水。本专利技术利用复合能源的自持式水下剖面浮标的驱动方法，包括以下步骤：(1-A)水下剖面浮标漂浮在水面上，并设定水下剖面浮标的浮力略大于重力，控制电路板存储预设的参数；(1-B)控制电路板控制二通电磁阀和直流伺服电机，驱动活塞向上运动，传递介质流出外皮囊，水下剖面浮标浮力减少并开始下沉，所述柱塞泵二通电磁阀关闭；所述水下剖面浮标通过携带的传感器记录数据，质子交换膜燃料电池为水下剖面浮标中的传感器、控制电路提供电能，两个冷却二通电磁阀同时打开，质子交换膜燃料电池与燃料电池冷却腔形成冷却回路，将余热散出到外界环境中去；(1-C)判断水下剖面浮标深度是否到达预定深度，否则，返回步骤(1-B)；(1-D)压力传感器将信号反馈给控制电路板，控制电路板控制柱塞泵二通电磁阀和直流伺服电机反转，驱动活塞向下运动，传递介质被推进外皮囊内，水下剖面浮标因为浮力增加而上升；所述水下剖面浮标通过携带的传感器记录数据，两个冷却二通电磁阀同时打开，质子交换膜燃料电池与燃料电池冷却腔形成冷却回路，将-->余热散出到外界环境中去；(1-E)当水下剖面浮标上浮至水表面便完成一个工作循环。本专利技术利用复合能源的水下滑翔器的另一种驱动方法，包括以下步骤：(2-A)控制电路板预设参数，蓄能器内预充压力、总密封腔内部分真空、温敏材料完全融化到液态；(2-B)打开外皮囊与内皮囊之间的第二二通电磁阀，外皮囊内的传递介质进入内皮囊，此时水下剖面浮标整体浮力减小，开始下沉；此时所述两个冷却二通电磁阀同时打开，质子交换膜燃料电池与燃料电池冷却腔形成冷却回路，将余热散出到外界环境中去；(2-C)两个三通电磁阀，其中一个的2、3位，和另外一个的1、3位接通，使热机工作腔中的换热器与热机冷却腔接通；当前水位的海水温度小于温敏材料的相变温度时，温敏材料的热量通过换热器中的冷却介质带入热机冷却腔，最终释放到外部环境中；(2-D)随着温敏材料的放热降温，温敏材料相变为固态，此时内皮囊中的传递介质经过蓄能器与换热器之间的单向阀流入热机工作腔；(2-E)当水下剖面浮标下沉到预定深度时，由压力传感器将信号传送给控制电路板，控制电路板控制发出控制蓄能器与外皮囊之间的第一二通电磁阀打开，蓄能器中的传递介质流入外皮囊，水下剖面浮标开始上升；此时，两个冷却二通电磁阀同时关闭，一个三通电磁阀的1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合能源的自持式水下剖面浮标，包括设置在总密封腔内的压力传感器、控制电路板和液压柱塞泵，其特征在于：所述总密封腔由依次联结的密封头盖、燃料电池冷却腔、热机冷却腔、热机工作腔和密封底盘组成；所述总密封腔的后端联结有外皮囊保护罩，从 而构成主体；所述燃料电池冷却腔和热机冷却腔均为带有单密封夹层的筒状壳体，夹层内灌装有冷却介质；所述热机工作腔为双密封夹层的壳体，所述外夹层中设置有保温材料，所述内夹层中设置有温敏材料和换热器；所述总密封腔内固定有方型支架，所 述控制电路板固定在方型支架的前端，所述方型支架上依次用螺钉分别安装有燃料电池控制板、氢气瓶、氧气瓶、质子交换膜燃料电池、直流伺服电机、液压柱塞泵以及柱塞泵二通电磁阀；所述氢气瓶和氧气瓶通过夹板由螺栓固定在一起并为质子交换膜燃料电池提供燃料和氧化剂；所述柱塞泵二通电磁阀上连接有蓄能器，在所述热机工作腔内设置有内皮囊，在外皮囊保护罩内设置有外皮囊；在所述燃料电池冷却腔、质子交换膜燃料电池、换热器、内皮囊和外皮囊之间的管道上设置有二通电磁阀和三通电磁阀，由所述二通电磁阀和所 述三通电磁阀控制，具有下述三种情形之一：使质子交换膜燃料电池通过燃料电池冷却腔形成冷却回路；或使所述温敏材料的热量通过换热器中的冷却介质带入到所述热机冷却腔；或所述质子交换膜燃料电池的余热通过换热器传导给温敏材料，保 温材料可以防止燃料电池的余热流失到外界环境中去，温敏材料因受热而融化膨胀。...

【技术特征摘要】
1.一种复合能源的自持式水下剖面浮标，包括设置在总密封腔内的压力传感器、控制电路板和液压柱塞泵，其特征在于：所述总密封腔由依次联结的密封头盖、燃料电池冷却腔、热机冷却腔、热机工作腔和密封底盘组成；所述总密封腔的后端联结有外皮囊保护罩，从而构成主体；所述燃料电池冷却腔和热机冷却腔均为带有单密封夹层的筒状壳体，夹层内灌装有冷却介质；所述热机工作腔为双密封夹层的壳体，所述外夹层中设置有保温材料，所述内夹层中设置有温敏材料和换热器；所述总密封腔内固定有方型支架，所述控制电路板固定在方型支架的前端，所述方型支架上依次用螺钉分别安装有燃料电池控制板、氢气瓶、氧气瓶、质子交换膜燃料电池、直流伺服电机、液压柱塞泵以及柱塞泵二通电磁阀；所述氢气瓶和氧气瓶通过夹板由螺栓固定在一起并为质子交换膜燃料电池提供燃料和氧化剂；所述柱塞泵二通电磁阀上连接有蓄能器，在所述热机工作腔内设置有内皮囊，在外皮囊保护罩内设置有外皮囊；在所述燃料电池冷却腔、质子交换膜燃料电池、换热器、内皮囊和外皮囊之间的管道上设置有二通电磁阀和三通电磁阀，由所述二通电磁阀和所述三通电磁阀控制，具有下述三种情形之一：使质子交换膜燃料电池通过燃料电池冷却腔形成冷却回路；或使所述温敏材料的热量通过换热器中的冷却介质带入到所述热机冷却腔；或所述质子交换膜燃料电池的余热通过换热器传导给温敏材料，保温材料可以防止燃料电池的余热流失到外界环境中去，温敏材料因受热而融化膨胀。2.根据权利要求1所述复合能源的自持式水下剖面浮标，其特征在于：所述热机工作腔连接有二通管接头，并通过橡胶管连接三通管接头的一个端口，所述三通管接头的另外两个端口，一路接于正向导通的第一单向阀的输入端，另一路接于反向导通的第二单向阀的输出端；所述第一单向阀的输出端分为两路：一路与蓄能器相通，另一路经第一二通电磁阀连于外皮囊，反向导通的第二单向阀的输入端亦分为两路：一路直接接于内皮囊，另一路经过第二二通电磁阀连接于外皮囊。3.根据权利要求1所述复合能源的自持式水下剖面浮标，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池的电池片加工成环形，各电池片叠加成电池堆后在中央形成通孔，所述方型支架由通孔中穿过。4.根据权利要求1所述复合能源的自持式水下剖面浮标，其特征在于：所述液压柱塞泵由液压柱塞泵直流伺服电机驱动螺母丝杠副传动给活塞，使活塞在液压柱塞泵壳体中作往复运动。5.根据权利要求1所述复合能源的自持式水下剖面浮标，其特征在于：所述温敏材料为石蜡类材料，所述传递介质为纯水。6.一种利用如权利要求1所述复合能源的自持式水下剖面浮标的驱动方法，其特征-->在于：包括以下步骤：(1-A)水下剖面浮...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树新，谢春刚，王延辉，黄伟，王晓鸣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]