[发明专利]一种水下滑翔器能源系统及其控制方法

权利要求书

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（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。

2.一种根据权利要求1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（1）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（6）将质子交换膜燃料电池（PEMFC）发电产生的热量散发到海水中；关闭三通电磁阀D（5）和三通电磁阀B（4），换能器（8）处于无热交换状态；此时，断开开关P，切断超级电容器（18）的充电电路，使得质子交换膜燃料电池（PEMFC）停止向超级电容器（18）充电；然后，闭合开关Q，将放电回路导通，超级电容器（18）向水下滑翔器内大功率间歇负载（17）放电释能，满足滑翔器中电磁阀、俯仰电机和横滚电机正常工作的功率需求；当上述电器负载完成工作时，断开开关Q，闭合开关P，质子交换膜燃料电池（PEMFC）恢复向超级电容器（18）充电；

在水下滑翔器以稳定的姿态开始下潜直至预定深度过程中，使三通电磁阀D（5）和三通电磁阀B（4）处于开启状态，导通换能器（8）的热交换与热交换器A（7）之间的管路，换能器（8）中的热量通过热交换器A（7）散发到海水中，换能器（8）中的温敏材料实现液固相变，产生体积收缩，从而将内皮囊（13）中的液压油吸入换能器（8）的内壳体中；在此过程中，三通电磁阀C（1）和三通电磁阀E（2）保持开启状态，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的冷却循环与热交换器B（6）之间的管路维持导通，使冷却水经过热交换器B（6）将质子交换膜燃料电池（PEMFC）发电产生的热量散发到海水中；保持开关P闭合，质子交换膜燃料电池（PEMFC）向超级电容器（18）充电；

当水下滑翔器从预定深度准备上浮时，三通电磁阀A（3）开启，导通蓄能器（9）与外皮囊（14）之间的回路，蓄能器（9）内的液压油在蓄能器内已被压缩的N2压力的作用下，流入外皮囊（14），达到水下滑翔器上浮需要的浮力变化量后，关闭三通电磁阀A（3）；此时，三通电磁阀C（1）和三通电磁阀E（2）仍保持开启状态，冷却水继续经过热交换器B（6）将质子交换膜燃料电池（PEMFC）发电产生的热量散发到海水中；关闭三通电磁阀D（5）和三通电磁阀B（4），切断换能器（8）的热交换；除此之外，水下滑翔器准备上浮时，需要再次改变其俯仰姿态，同时进行横滚姿态的调节，因此滑翔器的俯仰电机与横滚电机再次运转，共同实现水下滑翔器的姿态调整；此时，断开开关P，将充电回路切断，质子交换膜燃料电池（PEMFC）停止向超级电容器（19）充电，然后，闭合开关Q，将放电回路导通，超级电容器（18）释放电能，驱动水下滑翔器的大功率间歇负载（17）工作；大功率间歇负载（17）完成工作后，断开开关Q，闭合开关P，质子交换膜燃料电池（PEMFC）向超级电容器（18）充电的回路重新导通，超级电容器（18）恢复至充电状态；

在水下滑翔器以稳定的姿态上浮至海洋表面过程中，首先开启三通电磁阀D（5）和三通电磁阀B（4），然后切换三通电磁阀E（2）和三通电磁阀C（1），导通质子交换膜燃料电池（PEMFC）与换能器（8）之间的管路，使质子交换膜燃料电池（PEMFC）的冷却水通过换能器（8），加热换能器（8）中的温敏材料，使温敏材料实现固液相变，产生体积膨胀，将换能器（8）的内壳体中的液压油压入蓄能器（9）内，压缩其中的N2，存储能量；与此同时，开关P保持闭合，质子交换膜燃料电池（PEMFC）向超级电容器（18）充电。