[发明专利]一种水下滑翔器能源系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下滑翔器，尤其涉及一种水下滑翔器能源系统。

背景技术

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，有必要发明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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明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，本发明的有益效果是：

本发明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1是水下滑翔器从海洋表面准备下潜过程中的状态示意图；

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；