一种水下滑翔器能源系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水下滑翔器能源系统及其控制方法。所述能源系统主要由质子交换膜燃料电池、超级电容器和温差热机构成；所述质子交换膜燃料电池为水下滑翔器的小功率持续负载持续地供电，其额外的电能通过开关P储存在超级电容器中；所述超级电容器利用其储存的电能，通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载供电；所述质子交换膜燃料电池的发电余热与冷海水协同驱动所述温差热机，从而驱动水下滑翔器产生滑翔运动。本发明专利技术既为水下滑翔器电负载提供紧凑、高效电源，又为其温差热机提供优质热源，使水下滑翔器具备全海域、低能耗、大航程作业能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水下滑翔器，尤其涉及一种水下滑翔器能源系统。
技术介绍
水下滑翔器通过改变自身净浮力，在正或负净浮力作用下，在海水中上升或下沉； 同时，由于可控俯仰姿态机翼的作用，产生水平运动。由此，水下滑翔器在海洋纵深剖面内 产生锯齿状滑翔运动。由于采用浮力驱动，水下滑翔器具有能耗低、航程大的优点，在海洋环境监测领域 具有良好的应用前景。根据驱动能源获取方式的不同，水下滑翔器一般分为电能驱动水下滑翔器和温差 能驱动水下滑翔器。温差能驱动水下滑翔器以海洋温差能作为浮力驱动的能源，在巡航范 围和作业时间上，更具优势，成为水下滑翔器技术发展方向之一。但是，受海洋温差品质与 海洋热源不稳定的限制，温差能驱动水下滑翔器不能实现全海域工作。此外，水下滑翔器在 航行过程中，需间歇地切换下潜与上浮作业，导致电负载功率变化大，呈低均值、脉冲波动 特性，不得不采用较大功率的电源；这又致使水下滑翔器体积、重量及滑翔阻力增加，进而 恶化水下滑翔器性能。因此，有必要专利技术一种即为温差能驱动水下滑翔器电负载提供高效 电源，又为其温差热机提供稳定的油优质热源的能源系统，使温差能驱动水下滑翔器具备 全海域、低能耗、大航程作业能力。
技术实现思路
本专利技术提供一种水下滑翔器能源系统。该能源系统即为温差能驱动水下滑翔器电 负载提供高效电源，又为其温差热机提供稳定的优质热源，使温差能驱动水下滑翔器具备 全海域、低能耗、大航程作业能力。为了解决上述技术问题，本专利技术一种水下滑翔器能源系统予以实现的技术方案 是包括质子交换膜燃料电池、超级电容器、温差热机和热交换器A、热交换器B ;所述温差 热机包括由管路连接的换能器、蓄能器、内皮囊和外皮囊；换能器由圆筒形内、外耐压壳体 构成，外壳体与内壳体之间为循环水，内壳体内装有热敏材料和液压油，热敏材料和液压油 之间由密封隔板隔开，密封隔板随热敏材料体积变化在内壳体内轴向滑动；在内皮囊与换 能器的内壳体之间设有单向阀A，在换能器的内壳体和蓄能器之间设有单向阀B ;所述热交 换器A和热交换器B均位于水下滑翔器壳体的外部的机翼上；所述换能器的位置低于所述 热交换器A ;所述蓄能器、内皮囊和外皮囊之间连接有三通电磁阀A ;所述换能器的循环水 出口通过三通电磁阀B、三通电磁阀C和泵连接至所述质子交换膜燃料电池的冷却循环水 入口 ；所述换能器的循环水入口通过三通电磁阀D、三通电磁阀E和露点加湿器连接至所述 质子交换膜燃料电池的冷却循环水出口 ；所述换能器循环水出口通过所述三通电磁阀B连 接至热交换器A的一端，所述换能器的循环水入口通过所述三通电磁阀D连接至热交换器 A的另一端；所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水入口通过泵和三通电磁阀C连接至热交换器B的一端，所述质子交换膜燃料电池的冷却循环水出口通过所述露点加湿器 和所述三通电磁阀E连接至热交换器B的另一端；水下滑翔器的小功率持续负载直接由所 述质子交换膜燃料电池供电；所述质子交换膜燃料电池通过开关P给一超级电容器充电， 所述超级电容器通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载供电。本专利技术水下滑翔器能源系统的控制方法是，所述质子交换膜燃料电池为水下滑翔 器的小功率持续负载持续地提供电能；同时，其额外的电能储存在超级电容器中，发电所产 生的余热驱动温差热机；所述超级电容器利用其储存的电能，向水下滑翔器的大功率间歇 负载供电；所述温差热机在质子交换膜燃料电池发电余热与冷海水间温差作用下，温差热 机的热敏材料发生固液或液固相变，并产生体积膨胀或收缩，将温差能转化为机械能，从而 驱动水下滑翔器产生滑翔运动。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是本专利技术的能源系统利用质子交换膜燃料电池为水下滑翔器的电负载供电，同时利 用质子交换膜燃料电池发电产生的热驱动温差热机，为水下滑翔器的温差热机提供稳定的 优质热源，突破海洋温差品质与海洋热源不稳定的限制，使水下滑翔器具备全海域作业能 力；此外，利用水下滑翔器的小功率电负载的持续性和大功率电负载的间歇性，用质子交换 膜燃料电池直接为水下滑翔器的小功率持续电负载供电，同时向超级电容器充电储能，用 超级电容器储存的电能驱动水下滑翔器的大功率间歇负载，与质子交换膜燃料电池向水下 滑翔器的小功率持续电负载与大功率间歇负载直接供电相比，显著地减小了质子交换膜燃 料电池的功率、尺寸及燃料消耗，改善水下滑翔器的续航能力。附图说明图I是水下滑翔器从海洋表面准备下潜过程中的状态示意图2是水下滑翔器以稳定的姿态下潜直至预定深度过程中的状态示意图3是水下滑翔器从预定深度准备上浮过程中的状态示意图4是水下滑翔器以稳定的姿态从预定深度上浮至海洋表面过程中的状态示意 图。图中I-三通电磁阀C，2-三通电磁阀E，3-三通电磁阀A，4-三通电磁阀B，5_三通电 磁阀D，6-热交换器B，7-热交换器A，8-换能器，9-蓄能器，10-单向阀A，11-单向阀B， 12-露点加湿器，13-内皮囊，14-外皮囊，15-泵，16-小功率持续负载，17-大功率间歇负 载，PEMFC-质子交换膜燃料电池，18-超级电容，19-滑翔器壳体，Q、P-开关。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细地描述。如图I、图2、图3和图4所示，本专利技术一种水下滑翔器能源系统，主要由质子交换 膜燃料电池PEMFC、超级电容器18、温差热机和热交换器A7、热交换器B6构成。所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)为水下滑翔器的传感器、通讯与控制系统等小 功率持续负载提供电能，其额外的电能储存在超级电容器18中，发电产生的余热驱动温差 热机。所述超级电容器18储存质子交换膜燃料电池PEMFC的额外电能，向水下滑翔器的电机、液压阀等大功率间歇负载提供电能。所述温差热机在质子交换膜燃料电池PEMFC发电 余热与冷海水间温差作用下，温差热机的热敏材料发生固液或液固相变，并产生体积膨胀 或收缩，将温差能转化为机械能，驱动水下滑翔器。所述温差热机包括由管路连接的换能器8、蓄能器9、内皮囊13和外皮囊14 ;换能 器8由圆筒形内、外耐压壳体构成，外壳体与内壳体之间为循环水，内壳体内装有热敏材料 和液压油，热敏材料和液压油之间由密封隔板隔开，密封隔板随热敏材料体积变化在内壳 体内轴向滑动；在内皮囊13与换能器8的内壳体之间设有单向阀A10，在换能器8的内壳 体和蓄能器9之间设有单向阀BI I。所述热交换器A7和热交换器B6均位于水下滑翔器壳 体的外部的机翼上；所述换能器8的位置低于所述热交换器A7，从而在滑翔器下潜过程中 实现温差热机自然对流冷却。除热交换器A7和热交换器B6及与之连接的管路，能源系统 的其余部分均密封在水下滑翔器的壳体19内。所述蓄能器9、内皮囊13和外皮囊14之间连接有三通电磁阀A3 ;所述换能器8 的循环水出口通过三通电磁阀B4、三通电磁阀Cl和泵15连接至所述质子交换膜燃料电池 PEMFC的冷却循环水入口 ；所述换能器8的循环水入口通过三通电磁阀D5、三通电磁阀E2 和露点加湿器12连接至所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水出口 ；所述换能器8 循环水出口通过所述三通电磁阀B4连接至热交换器A7的一端，所述换能器8的循环水入 口通过所述三通电磁阀D5连接至热交换器A7的另一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下滑翔器能源系统，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、超级电容器（18）、温差热机和热交换器A（7）、热交换器B（6）；所述温差热机包括由管路连接的换能器（8）、蓄能器（9）、内皮囊（13）和外皮囊（14）；换能器（8）由圆筒形内、外耐压壳体构成，外壳体与内壳体之间为循环水，内壳体内装有热敏材料和液压油，热敏材料和液压油之间由密封隔板隔开，密封隔板随热敏材料体积变化在内壳体内轴向滑动；在内皮囊（13）与换能器（8）的内壳体之间设有单向阀A（10），在换能器（8）的内壳体和蓄能器（9）之间设有单向阀B（11）；其特征在于：所述热交换器A（7）和热交换器B（6）均位于水下滑翔器壳体的外部的机翼上；所述换能器（8）的位置低于所述热交换器A（7）；所述蓄能器（9）、内皮囊（13）和外皮囊（14）之间连接有三通电磁阀A（3）；所述换能器（8）的循环水出口通过三通电磁阀B（4）、三通电磁阀C（1）和泵（15）连接至所述质子交换膜燃料电池（PEMFC）的冷却循环水入口；所述换能器（8）的循环水入口通过三通电磁阀D（5）、三通电磁阀E（2）和露点加湿器（12）连接至所述质子交换膜燃料电池（PEMFC）的冷却循环水出口；所述换能器（8）循环水出口通过所述三通电磁阀B（4）连接至热交换器A（7）的一端，所述换能器（8）的循环水入口通过所述三通电磁阀D（5）连接至热交换器A（7）的另一端；所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水入口通过泵（15）和三通电磁阀C（1）连接至热交换器B（6）的一端，所述质子交换膜燃料电池（PEMFC）的冷却循环水出口通过所述露点加湿器（12）和所述三通电磁阀E（2）连接至热交换器B（6）的另一端；水下滑翔器的小功率持续负载（16）直接由所述质子交换膜燃料电池（PEMFC）供电；所述质子交换膜燃料电池（PEMFC）通过开关P给一超级电容器（18）充电，所述超级电容器（18）通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载（17）供电。...

【技术特征摘要】
1.一种水下滑翔器能源系统，包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、超级电容器(18)、温差热机和热交换器A (7)、热交换器B (6);所述温差热机包括由管路连接的换能器(8)、蓄能器(9)、内皮囊(13)和外皮囊(14);换能器(8)由圆筒形内、外耐压壳体构成，外壳体与内壳体之间为循环水，内壳体内装有热敏材料和液压油，热敏材料和液压油之间由密封隔板隔开，密封隔板随热敏材料体积变化在内壳体内轴向滑动；在内皮囊(13)与换能器(8)的内壳体之间设有单向阀A (10)，在换能器(8)的内壳体和蓄能器(9)之间设有单向阀B(11);其特征在于 所述热交换器A (7)和热交换器B (6)均位于水下滑翔器壳体的外部的机翼上； 所述换能器(8)的位置低于所述热交换器A (7)； 所述蓄能器(9)、内皮囊(13)和外皮囊(14)之间连接有三通电磁阀A (3); 所述换能器(8)的循环水出口通过三通电磁阀B (4)、三通电磁阀C (I)和泵(15)连接至所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却循环水入口 ；所述换能器(8)的循环水入口通过三通电磁阀D (5)、三通电磁阀E (2)和露点加湿器(12)连接至所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却循环水出口 ；所述换能器(8)循环水出口通过所述三通电磁阀B (4)连接至热交换器A (7)的一端，所述换能器(8)的循环水入口通过所述三通电磁阀D (5)连接至热交换器A (7)的另一端；所述质子交换膜燃料电池PEMFC的冷却循环水入口通过泵(15)和三通电磁阀C (I)连接至热交换器B (6)的一端，所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却循环水出口通过所述露点加湿器(12)和所述三通电磁阀E (2)连接至热交换器B(6)的另一端； 水下滑翔器的小功率持续负载(16)直接由所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)供电；所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)通过开关P给一超级电容器(18 )充电，所述超级电容器(18)通过开关Q向水下滑翔器的大功率间歇负载(17)供电。2.一种根据权利要求I所述水下滑翔器能源系统的控制方法，其特征在于 所述质子交换膜燃料电池(PEMFC)为水下滑翔器的小功率持续负载(16)持续地提供电能；同时，其额外的电能储存在超级电容器(18)中，发电所产生的余热驱动温差热机； 所述超级电容器(18)利用其储存的电能，向水下滑翔器的大功率间歇负载供电； 所述温差热机在质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电余热与冷海水间温差作用下，温差热机的热敏材料发生固液或液固相变，并产生体积膨胀或收缩，将温差能转化为机械能，从而驱动水下滑翔器产生滑翔运动。3.根据权利要求2所述水下滑翔器能源系统的控制方法，其特征在于包括以下过程 当水下滑翔器从海洋表面准备下潜时，开启三通电磁阀A (3)，导通外皮囊(14)与内皮囊(13)之间的管路，外皮囊(14)内的液压油在环境压力作用下，流入内皮囊(13)，达到水下滑翔器下潜需要的浮力变化量后，关闭三通电磁阀A (3);开启三通电磁阀C (I)和三通电磁阀E (2)，导通质子交换膜燃料电池(PEMFC)与热交换器B (6)之间的管路，使冷却水经过热交换器B (...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连洪，王乐萍，王延辉，谢春刚，王树新，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：