一种供无人水下航行器搭载的海洋温差能相变发电装置的制作方法

本发明属于水下无人航行器工程技术领域，具体涉及一种面向中小型无人水下航行器搭载使用的紧凑化、模块化的海洋温差能相变发电装置。

背景技术：

目前，无人水下航行器主要依靠自身携带的电池为所载电器件提供能量。但是由于携带的电池能量有限，无人水下航行器的续航力、自持力受到了很大的制约。随着海洋观测、探测任务不断向深远海方向发展，对提升无人水下航行器续航力、自持力的相关技术研究日益受到关注。

利用原位海洋环境能源获取电能补充是破解无人水下航行器能量供应不足，提高续航力、自持力的潜在技术途径。目前可用来发电的海洋环境能源包括海洋温差能、波浪能等多种形式。海洋温差能是指海洋表层温水与深层冷水之间由于温度差而存在的热能，因具有稳定性强、昼夜波动小、不受海况因素影响、只稍随季节性变化的特点，具备为无人水下航行器提供稳定、连续能量供应的潜力。

海洋温差能相变发电技术通过设备在海水冷热层之间的往复穿越，利用固-液相变材料周期性热胀冷缩特性俘获海洋温差能并转换为液压能，进而经发电部件获取电能。基于海洋温差能相变发电技术，solo-trec温差发电剖面浮标、slocume-twin温差发电水下滑翔机相继问世，然而上述装置均采用航行器本体与温差能相变发电系统一体化融合技术方案，此方案导致航行器系统庞杂，温差能相变发电系统对航行器其它子系统的布局结构产生明显改变，导致了研发技术难度增大、研发成本与周期增长，样机可靠性较差，性能仍有待提升，与同类由电池供能的航行器相比技术成熟度差距明显。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，破解海洋温差能相变发电航行器研发技术难度大、系统复杂、研发成本高、技术成熟度低的难题；提供一种供无人水下航行器搭载的海洋温差能相变发电装置，本发明作为一个独立模块化温差能相变发电装置可供成熟的现有水下航行器平台以外置方式搭载使用，在随同水下航行器潜浮过程中，利用海洋温差环境获取可供航行器电器件使用的电能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种供无人水下航行器搭载的海洋温差能相变发电装置，搭载于无人水下航行器机体外部并进行连接固定，能够随无人水下航行器在水下进行潜浮运动并实现收集转换海洋温差能为航行器所需电能，由海洋温差能俘获装置和能量转换装置两部分组成，所述海洋温差能俘获装置和能量转换装置之间通过第一液压钢管相连通；所述海洋温差能俘获装置内部通过轴向移动的活塞隔离液压油与相变材料；所述能量转换装置的耐压封闭腔由前盖、皮囊、油舱、前舱、肋环、后舱、后盖依次连接组成；所述能量转换装置的内部设有相互连接的液压系统和发电储能系统，所述液压系统包括油舱、蓄能器、过滤器、电磁阀、压力传感器、液压马达、液压马达转换接头、第一单向阀、节流阀和第二单向阀；所述发电储能系统由电池组支架、电路板、锂电池组、电路板支架、弹性联轴器、齿轮增速机、发电机组成；

所述液压系统包括蓄能油路、释能发电油路、回油油路三条功能油路；所述蓄能油路由海洋温差能俘获装置、第一液压钢管、第一单向阀、肋环、蓄能器依次连接组成；所述释能发电油路由蓄能器、肋环、节流阀、电磁阀、第二液压钢管、过滤器、第三液压钢管、液压马达、液压马达转换接头、第四液压钢管、第五液压钢管、第六液压钢管、油舱、皮囊依次连接组成；所述回油油路由皮囊、油舱、第六液压钢管、第二单向阀、肋环、第一液压钢管、海洋温差能俘获装置依次连接组成。

进一步的，所述耐压封闭腔的油舱、前舱、肋环由长拉杆轴向锁紧，肋环、后舱由短拉杆轴向锁紧，所述长拉杆、短拉杆均通过螺母紧固；所述前盖、皮囊、油舱组成了液压系统的内油腔，油舱底部安装有堵头防止液压油泄露至前舱；所述前盖、肋环、后盖的外圆面均设置有沟槽，所述内安装有密封圈实现轴向密封；所述耐压封闭腔两端呈圆周均布有螺纹孔用以将前盖紧固在油舱端口，将后盖紧固在后舱端口。

进一步的，所述发电储能系统的齿轮增速机与液压马达通过弹性联轴器连接；所述发电机与齿轮增速机同轴固连在支撑架上，所述支撑架固连在支架底板末端，支架底板根部与肋环紧固；所述电路板支架、电路板、电池组支架依次通过螺栓逐层连接安装在后盖内侧的凸台上；所述电路板上设置有整流滤波稳压电路，能够将发电机产生的交流电转化为稳定的直流电为锂电池组充电。

进一步的，所述肋环上设置有第一螺纹孔、第一油孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔、第四螺纹孔；第一螺纹孔、第一油孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔、第四螺纹孔通过第一油路连通；

所述第一单向阀安装于第一油路中，第一单向阀用于防止蓄能器中的液压油反向流入海洋温差能俘获装置；所述第二单向阀安装于第四螺纹孔中，用于防止海洋温差能俘获装置中的液压油反向流入油舱中；所述节流阀安装于第二螺纹孔的中，用于调整释能发电油路的液压油流量；所述压力传感器安装于第三螺纹孔中，用于检测蓄能器的蓄能压力；

第一螺纹孔与第一油孔相通，实现了海洋温差能俘获装置通过蓄能油路向蓄能器注油；第一油孔与第二螺纹孔相通，实现了蓄能器通过释能发电油路向油舱注油，并带动液压马达旋转；第一螺纹孔与第四螺纹孔相通实现了油舱通过回油油路向海洋温差能俘获装置注油。

进一步的，所述电磁阀为两位两通常闭电磁阀，在释能发电油路中，电磁阀上电可以导通蓄能器与油舱之间的油路；电磁阀断电，释能发电油路中断，蓄能油路工作。

进一步的，所述后盖的端面设置有螺纹孔，并安装水密穿舱件；所述水密穿舱件作为电气接口与无人水下航行器连接。

进一步的，所述皮囊接口安装在油舱中心沉孔处，并由皮囊安装法兰扣压固定；皮囊的接口处设置有沟槽并通过密封圈实现轴向密封，防止皮囊中的气体进入油舱；皮囊初始安装时预充有1bar气压的空气。

在无人水下航行器的潜浮运动循环过程包括三个阶段：下潜准备阶段、下潜阶段、上浮阶段。在这三个阶段中，本发明的液压系统的三条液压油路分阶段工作：

在下潜准备阶段，无人水下航行器初始漂浮在水面，本发明的海洋温差能俘获装置浸泡在表层温海水中。在此阶段，海洋温差能俘获装置内部的相变材料为液态，油舱中充满液压油，皮囊受到液压油挤压作用处于压缩状态，压力大于1bar。

在下潜阶段，随着无人水下航行器下潜深度不断增加，温度逐渐降低。当水温低于相变材料的融点后，相变材料开始逐渐凝固收缩，同时在皮囊的空气压力作用下，回油油路开始工作，液压油自油舱依次经过第六液压钢管、第二单向阀、肋环、第一液压钢管注入海洋温差能俘获装置，在海洋温差能俘获装置内部液压油推动密封活塞向相变材料侧移动。

在上浮阶段，无人水下航行器逐渐上升，水温逐渐升高。当水温高于相变材料的融点后，相变材料开始逐渐融化膨胀，在海洋温差能俘获装置内部，相变材料推动密封活塞向液压油侧移动，蓄能油路开始工作，液压油自海洋温差能俘获装置依次经第一液压钢管、第一单向阀、肋环注入蓄能器。在此过程中，海洋温差能转变为液压势能，并通过压力传感器检测蓄能器的压力。

当蓄能器的压力达到设定值时，释能发电油路开始工作，电磁阀打开，蓄能器中的高压油依次经过肋环、节流阀、电磁阀、第二液压钢管、过滤器、第三液压钢管、液压马达、液压马达转换接头、第四液压钢管、第五液压钢管、第六液压钢管注入油舱。在这个过程中液压马达被高压油驱动旋转，液压马达输出转矩通过弹性联轴器、齿轮增速机带动发电机旋转并发电；电流经过电路板上的整流滤波稳压电路转化输送至锂电池组。当蓄能器的压力下降到零时，电磁阀关闭。随后蓄能器可继续充能与释能发电，直至相变材料完全融化。

无人水下航行器返回至海面后，完成一个完整循环，准备进行下一个循环。存储在锂电池组的电能可经水密穿舱件供给至无人水下航行器的电器件使用。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明由三根柱状外形部件构成，包括两根海洋温差能俘获装置与一根能量转换装置，海洋温差能俘获装置外径70mm，能量转换装置外径160mm，具有长径比大的特点，适合沿轴线方向搭载至鱼雷体外形的无人水下航行器上。此种设计方式不需要对原有的水下航行器结构进行大的改动，能够最大限度降低对水下航行器水动力特性的影响。

2.本发明将海洋温差能俘获装置与能量转换装置集合在一起作为一个独立功能模块，通过电气接口可与现有成熟的无人水下航行器实现电气连接，具有通用性。可以搭载在目前已经技术成熟的往复潜浮的水下滑翔机平台、剖面浮标平台，为其进行能量补充。该发明避免了对水下航行器内部结构的改动，降低了研发的技术复杂度、研发周期、研发成本。

3.本发明采用阀件共用设计方案，肋环内部设置有液压油路，将液压管路的导通功能与肋环的舱体连接功能结合在一起；同时油路中安装有插装式节流阀和单向阀，实现了阀件共用设计，显著降低了液压油路在耐压封闭腔内部的占用空间，提升了能量转换装置的紧凑程度，实现了紧凑化，小型化设计。

4.本发明采用锂电池组存储由海洋温差能获取的电能，并进而由锂电池组向水下航行器电器件供电的方案。此方案避免了因温差能相变发电装置瞬时发电量与水下航行器瞬时用电量不一致而导致的发电能量浪费，锂电池组实现了“削峰填谷”作用，提升了发电能量的有效利用率。

5.本发明在液压马达与发电机之间增设了齿轮增速机。齿轮增速机对液压马达输出轴完成增速、减矩转换，实现了液压马达与发电机的转速、扭矩相匹配，实现了液压马达、发电机同时在高效率区间运行，提升了发电过程的能量转换效率。

6.本发明采用隔膜式蓄能器，相比等容积的活塞式与皮囊式蓄能器，隔膜式蓄能压力高、质量轻、体积小，降低了在耐压封闭腔中的占用空间，可降低本发明装置自重，实现轻量化。

7.本发明中的能量转换装置舱体由多段拉杆实现油舱、前舱、肋环、后舱的紧固。在长期猛烈、大幅振动的海洋航行条件下，拉杆紧固方案具有耐用、可靠性高，不易松动的优势。

附图说明

图1为本发明在无人水下航行器上的搭载方式示意图；

图2a和图2b为能量转换装置结构示意图；

图3为本发明液压原理图；

图4为能量转换装置耐压封闭腔锁紧结构示意图；

图5a至图5c为肋环与阀件结构示意图；

图6为皮囊接口与油舱固连结构示意图；

图7a至图7d为本发明发电的四个过程示意图；

图8为本发明随无人水下航行器潜浮的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出了一种面向中小型无人水下航行器51搭载使用的紧凑化、模块化的海洋温差能相变发电装置，主要包括海洋温差能俘获装置48和能量转换装置49两部分。本发明安装于无人水下航行器51机体外部并进行连接固定，如图1所示；并且能够随无人水下航行器51在水下进行潜浮运动并实现收集转换海洋温差能为航行器所需电能，如图7所示。

如图2a和图2b所示，能量转换装置49由耐压封闭腔、液压系统、发电储能系统三部分组成。所述耐压封闭腔由前盖1、皮囊2、油舱3、前舱4、肋环5、后舱7、后盖9构成；所述液压系统由油舱3、蓄能器6、过滤器13、电磁阀16、压力传感器22、液压马达26、液压马达转换接头27、单向阀35、节流阀36、单向阀37以及各液压元器件之间的液压钢管与接头组成；所述发电储能系统由电池组支架8、电路板17、锂电池组19、电路板支架20、弹性联轴器28、齿轮增速机30、发电机31组成。如图3所示，海洋温差能俘获装置48内部装有液压油与相变材料，并通过可轴向移动的密封活塞33分隔开来。

如图2a和图2b所示，所述前盖1、皮囊2、油舱3组成了液压系统的内油腔。后盖9端面设计有螺纹孔，并安装水密穿舱件18。水密穿舱件18为本发明的电气接口并与无人水下航行器51连接。在耐压封闭腔内部，蓄能器6、过滤器13、电磁阀16、液压马达26、液压马达转换接头27、单向阀35、节流阀36、单向阀37及各液压器件之间的液压钢管、接头组成了本发明的液压系统。

如图3所示，液压系统的液压油路包括蓄能油路、释能发电油路、回油油路三条功能油路。如图1至3、6所示，蓄能油路由海洋温差能俘获装置48、液压钢管50、螺纹孔40、单向阀35、肋环5、油孔41、蓄能器6依次连接组成；释能发电油路由蓄能器6、油孔41、肋环5、节流阀36、螺纹孔43、电磁阀16、液压钢管14、过滤器13、液压钢管12、液压马达26、液压马达转换接头27、液压钢管25、液压钢管23、液压钢管24、油舱3、皮囊2依次连接组成；回油油路由皮囊2、油舱3、液压钢管24、螺纹孔45、单向阀37、肋环5、螺纹孔40、液压钢管50、海洋温差能俘获装置48依次连接组成。

如图2a和图2b所示，发电储能系统的齿轮增速机30、液压马达26通过弹性联轴器28连接，发电机31与齿轮增速机30同轴固连在支撑架29上，支撑架29固连在支架底板15末端，支架底板15根部与肋环5紧固。所述电路板支架20、电路板17、电池组支架8依次通过螺栓逐层连接安装在后盖9内侧的凸台上。电路板17上设计有整流滤波稳压电路34，可以将发电机31产生的交流电转化为稳定的直流电并为锂电池组19充电。

如图4所示，油舱3、前舱4、肋环5由长拉杆11轴向锁紧，肋环5、后舱7由短拉杆21轴向锁紧，长拉杆11、短拉杆21通过螺母紧固，油舱3底部安装堵头32防止油舱3内部的液压油泄露至前舱4。前盖1、肋环5、后盖9外圆面设计有沟槽，安装有密封圈38实现舱体连接处的轴向密封。如图2、图4所示，耐压封闭腔两端圆周均布多个螺纹孔，前盖1安装在油舱3端口，后盖9安装在后舱7端口，均由内六角圆柱头螺钉39紧固。

如图5a至图5c所示，肋环5设置有螺纹孔40、油孔41、螺纹孔43、螺纹孔44、螺纹孔45。螺纹孔40、油孔41、螺纹孔43、螺纹孔44、螺纹孔45通过油路42连通。螺纹孔40与油孔41相通，实现了海洋温差能俘获装置48通过蓄能油路向蓄能器6注油；油孔41与螺纹孔43相通，实现了蓄能器6通过释能发电油路向油舱3注油，同时带动液压马达26旋转；螺纹孔40与螺纹孔45相通实现了油箱通过回油油路向海洋温差能俘获装置48注油。肋环5采用阀件共用设计方案，显著降低油路布局复杂程度，提升本发明结构紧凑程度，有助于实现能量转换装置49的小型化、紧凑化。

如图5a至图5c所示，单向阀35安装于油路42中，可防止蓄能器6中的液压油反向流入海洋温差能俘获装置48；单向阀37安装于螺纹孔45中，可以防止海洋温差能俘获装置48中的液压油反向流入油舱3中；节流阀36安装于螺纹孔43的内部，可以调整释能发电油路的液压油流量；压力传感器22安装于螺纹孔44中，用于检测蓄能器6的蓄能压力。

电磁阀16为两位两通常闭电磁阀。在释能发电油路中，电磁阀16上电可以导通蓄能器6与油舱3之间的油路；电磁阀16断电，释能发电油路中断，蓄能油路工作。电磁阀16是提升式零泄漏电磁阀，采用直动式工作原理，流速快，工作时无抖动与噪音。

如图6所示，皮囊2接口安装在油舱3中心沉孔处，由皮囊安装法兰10扣压固定，并由六角头螺栓46紧固。皮囊2的接口处设计有沟槽，通过密封圈47实现轴向密封，防止皮囊2中的气体进入油舱3。皮囊2初始安装时预充1bar气压(绝对压力)的空气。

本发明的具体工作过程如下：

无人水下航行器51的潜浮运动循环过程包括三个阶段：下潜准备阶段、下潜阶段、上浮阶段。能量转换装置49的液压油路包括蓄能油路、释能发电油路、回油油路三条功能油路。见图8所示，图8中示出的7a-7d分别指图7a至图7d的各个阶段发电过程。本发明安装于无人水下航行器51外部，随同无人水下航行器51进行潜浮循环。在循环剖面中，蓄能油路工作，将海洋温差能转换为液压能并储存在蓄能器6中；当蓄能器6的压力值达到设定值时，释能发电油路工作，电磁阀16打开，液压马达26带动发电机31旋转并实现发电。

如图7a所示，在下潜准备阶段，无人水下航行器51初始漂浮在水面，本发明的海洋温差能俘获装置48浸泡在表层温海水中。在此阶段，海洋温差能俘获装置48内部的相变材料为液态，油舱3中充满液压油，皮囊2受到液压油挤压作用处于压缩状态，压力大于1bar。

如图7b所示，在下潜阶段，随着无人水下航行器51下潜深度不断增加，温度逐渐降低。当水温低于相变材料的融点后，相变材料开始逐渐凝固收缩，同时在皮囊2的空气压力作用下，回油油路开始工作，液压油自油舱3依次经过液压钢管24、单向阀37、肋环5、液压钢管50注入海洋温差能俘获装置48，在海洋温差能俘获装置48内部液压油推动密封活塞33向相变材料侧移动。

如图7c所示，在上浮阶段，无人水下航行器51逐渐上升，水温逐渐升高。当水温高于相变材料融点后，相变材料逐渐融化膨胀，在海洋温差能俘获装置48内部，相变材料推动密封活塞33向液压油侧移动，蓄能油路开始工作，液压油自海洋温差能俘获装置48依次经液压钢管50、单向阀35、肋环5注入蓄能器6。在此过程中，海洋温差能转变为液压势能。

如图7d所示，通过压力传感器22检测蓄能器6的压力，当蓄能器6的压力达到设定值时，释能发电油路开始工作，电磁阀16打开，蓄能器6中的高压油依次经过肋环5、节流阀36、电磁阀16、液压钢管14、过滤器13、液压钢管12、液压马达26、液压马达转换接头27、液压钢管25、液压钢管23、液压钢管24注入油舱3。在这个过程中液压马达26被高压油驱动旋转，液压马达26输出转矩通过弹性联轴器28、齿轮增速机30带动发电机31旋转并发电；电流经过电路板17的整流滤波稳压电路34转化输送至锂电池组19。当蓄能器6的压力下降到零时，电磁阀16关闭。随后蓄能器6可继续充能与释能发电，直至相变材料完全融化。

无人水下航行器51返回至海面后，本发明完成一个完整循环。存储在锂电池组19的电能可经水密穿舱件18供给至无人水下航行器51的电器件使用。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。