專利名稱：一種水下滑翔器能源系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下滑翔器，尤其涉及一種水下滑翔器能源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水下滑翔器通過改變自身凈浮力，在正或負(fù)凈浮力作用下，在海水中上升或下沉； 同時(shí)，由于可控俯仰姿態(tài)機(jī)翼的作用，產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)。由此，水下滑翔器在海洋縱深剖面內(nèi) 產(chǎn)生鋸齒狀滑翔運(yùn)動(dòng)。
由于采用浮力驅(qū)動(dòng)，水下滑翔器具有能耗低、航程大的優(yōu)點(diǎn)，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域 具有良好的應(yīng)用前景。
根據(jù)驅(qū)動(dòng)能源獲取方式的不同，水下滑翔器一般分為電能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器和溫差 能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器。溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器以海洋溫差能作為浮力驅(qū)動(dòng)的能源，在巡航范 圍和作業(yè)時(shí)間上，更具優(yōu)勢(shì)，成為水下滑翔器技術(shù)發(fā)展方向之一。但是，受海洋溫差品質(zhì)與 海洋熱源不穩(wěn)定的限制，溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器不能實(shí)現(xiàn)全海域工作。此外，水下滑翔器在 航行過程中，需間歇地切換下潛與上浮作業(yè)，導(dǎo)致電負(fù)載功率變化大，呈低均值、脈沖波動(dòng) 特性，不得不采用較大功率的電源；這又致使水下滑翔器體積、重量及滑翔阻力增加，進(jìn)而 惡化水下滑翔器性能。因此，有必要發(fā)明一種即為溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器電負(fù)載提供高效 電源，又為其溫差熱機(jī)提供穩(wěn)定的油優(yōu)質(zhì)熱源的能源系統(tǒng)，使溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器具備 全海域、低能耗、大航程作業(yè)能力。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種水下滑翔器能源系統(tǒng)。該能源系統(tǒng)即為溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器電 負(fù)載提供高效電源，又為其溫差熱機(jī)提供穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)熱源，使溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器具備 全海域、低能耗、大航程作業(yè)能力。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種水下滑翔器能源系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案 是包括質(zhì)子交換膜燃料電池、超級(jí)電容器、溫差熱機(jī)和熱交換器A、熱交換器B ;所述溫差 熱機(jī)包括由管路連接的換能器、蓄能器、內(nèi)皮囊和外皮囊；換能器由圓筒形內(nèi)、外耐壓殼體 構(gòu)成，外殼體與內(nèi)殼體之間為循環(huán)水，內(nèi)殼體內(nèi)裝有熱敏材料和液壓油，熱敏材料和液壓油 之間由密封隔板隔開，密封隔板隨熱敏材料體積變化在內(nèi)殼體內(nèi)軸向滑動(dòng)；在內(nèi)皮囊與換 能器的內(nèi)殼體之間設(shè)有單向閥A，在換能器的內(nèi)殼體和蓄能器之間設(shè)有單向閥B ;所述熱交 換器A和熱交換器B均位于水下滑翔器殼體的外部的機(jī)翼上；所述換能器的位置低于所述 熱交換器A ;所述蓄能器、內(nèi)皮囊和外皮囊之間連接有三通電磁閥A ;所述換能器的循環(huán)水 出口通過三通電磁閥B、三通電磁閥C和泵連接至所述質(zhì)子交換膜燃料電池的冷卻循環(huán)水 入口 ；所述換能器的循環(huán)水入口通過三通電磁閥D、三通電磁閥E和露點(diǎn)加濕器連接至所述 質(zhì)子交換膜燃料電池的冷卻循環(huán)水出口 ；所述換能器循環(huán)水出口通過所述三通電磁閥B連 接至熱交換器A的一端，所述換能器的循環(huán)水入口通過所述三通電磁閥D連接至熱交換器 A的另一端；所述質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的冷卻循環(huán)水入口通過泵和三通電磁閥C連接至熱交換器B的一端，所述質(zhì)子交換膜燃料電池的冷卻循環(huán)水出口通過所述露點(diǎn)加濕器 和所述三通電磁閥E連接至熱交換器B的另一端；水下滑翔器的小功率持續(xù)負(fù)載直接由所 述質(zhì)子交換膜燃料電池供電；所述質(zhì)子交換膜燃料電池通過開關(guān)P給一超級(jí)電容器充電， 所述超級(jí)電容器通過開關(guān)Q向水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載供電。
本發(fā)明水下滑翔器能源系統(tǒng)的控制方法是，所述質(zhì)子交換膜燃料電池為水下滑翔 器的小功率持續(xù)負(fù)載持續(xù)地提供電能；同時(shí)，其額外的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中，發(fā)電所產(chǎn) 生的余熱驅(qū)動(dòng)溫差熱機(jī)；所述超級(jí)電容器利用其儲(chǔ)存的電能，向水下滑翔器的大功率間歇 負(fù)載供電；所述溫差熱機(jī)在質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電余熱與冷海水間溫差作用下，溫差熱 機(jī)的熱敏材料發(fā)生固液或液固相變，并產(chǎn)生體積膨脹或收縮，將溫差能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而 驅(qū)動(dòng)水下滑翔器產(chǎn)生滑翔運(yùn)動(dòng)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明的能源系統(tǒng)利用質(zhì)子交換膜燃料電池為水下滑翔器的電負(fù)載供電，同時(shí)利 用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的熱驅(qū)動(dòng)溫差熱機(jī)，為水下滑翔器的溫差熱機(jī)提供穩(wěn)定的 優(yōu)質(zhì)熱源，突破海洋溫差品質(zhì)與海洋熱源不穩(wěn)定的限制，使水下滑翔器具備全海域作業(yè)能 力；此外，利用水下滑翔器的小功率電負(fù)載的持續(xù)性和大功率電負(fù)載的間歇性，用質(zhì)子交換 膜燃料電池直接為水下滑翔器的小功率持續(xù)電負(fù)載供電，同時(shí)向超級(jí)電容器充電儲(chǔ)能，用 超級(jí)電容器儲(chǔ)存的電能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載，與質(zhì)子交換膜燃料電池向水下 滑翔器的小功率持續(xù)電負(fù)載與大功率間歇負(fù)載直接供電相比，顯著地減小了質(zhì)子交換膜燃 料電池的功率、尺寸及燃料消耗，改善水下滑翔器的續(xù)航能力。


圖I是水下滑翔器從海洋表面準(zhǔn)備下潛過程中的狀態(tài)示意圖2是水下滑翔器以穩(wěn)定的姿態(tài)下潛直至預(yù)定深度過程中的狀態(tài)示意圖3是水下滑翔器從預(yù)定深度準(zhǔn)備上浮過程中的狀態(tài)示意圖4是水下滑翔器以穩(wěn)定的姿態(tài)從預(yù)定深度上浮至海洋表面過程中的狀態(tài)示意 圖。
圖中
I-三通電磁閥C，2-三通電磁閥E，3-三通電磁閥A，4-三通電磁閥B，5_三通電 磁閥D，6-熱交換器B，7-熱交換器A，8-換能器，9-蓄能器，10-單向閥A，11-單向閥B， 12-露點(diǎn)加濕器，13-內(nèi)皮囊，14-外皮囊，15-泵，16-小功率持續(xù)負(fù)載，17-大功率間歇負(fù) 載，PEMFC-質(zhì)子交換膜燃料電池，18-超級(jí)電容，19-滑翔器殼體，Q、P-開關(guān)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
如圖I、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明一種水下滑翔器能源系統(tǒng)，主要由質(zhì)子交換 膜燃料電池PEMFC、超級(jí)電容器18、溫差熱機(jī)和熱交換器A7、熱交換器B6構(gòu)成。
所述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為水下滑翔器的傳感器、通訊與控制系統(tǒng)等小 功率持續(xù)負(fù)載提供電能，其額外的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器18中，發(fā)電產(chǎn)生的余熱驅(qū)動(dòng)溫差 熱機(jī)。所述超級(jí)電容器18儲(chǔ)存質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的額外電能，向水下滑翔器的電機(jī)、液壓閥等大功率間歇負(fù)載提供電能。所述溫差熱機(jī)在質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC發(fā)電 余熱與冷海水間溫差作用下，溫差熱機(jī)的熱敏材料發(fā)生固液或液固相變，并產(chǎn)生體積膨脹 或收縮，將溫差能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)水下滑翔器。
所述溫差熱機(jī)包括由管路連接的換能器8、蓄能器9、內(nèi)皮囊13和外皮囊14 ;換能 器8由圓筒形內(nèi)、外耐壓殼體構(gòu)成，外殼體與內(nèi)殼體之間為循環(huán)水，內(nèi)殼體內(nèi)裝有熱敏材料 和液壓油，熱敏材料和液壓油之間由密封隔板隔開，密封隔板隨熱敏材料體積變化在內(nèi)殼 體內(nèi)軸向滑動(dòng)；在內(nèi)皮囊13與換能器8的內(nèi)殼體之間設(shè)有單向閥A10，在換能器8的內(nèi)殼 體和蓄能器9之間設(shè)有單向閥BI I。所述熱交換器A7和熱交換器B6均位于水下滑翔器殼 體的外部的機(jī)翼上；所述換能器8的位置低于所述熱交換器A7，從而在滑翔器下潛過程中 實(shí)現(xiàn)溫差熱機(jī)自然對(duì)流冷卻。除熱交換器A7和熱交換器B6及與之連接的管路，能源系統(tǒng) 的其余部分均密封在水下滑翔器的殼體19內(nèi)。
所述蓄能器9、內(nèi)皮囊13和外皮囊14之間連接有三通電磁閥A3 ;所述換能器8 的循環(huán)水出口通過三通電磁閥B4、三通電磁閥Cl和泵15連接至所述質(zhì)子交換膜燃料電池 PEMFC的冷卻循環(huán)水入口 ；所述換能器8的循環(huán)水入口通過三通電磁閥D5、三通電磁閥E2 和露點(diǎn)加濕器12連接至所述質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的冷卻循環(huán)水出口 ；所述換能器8 循環(huán)水出口通過所述三通電磁閥B4連接至熱交換器A7的一端，所述換能器8的循環(huán)水入 口通過所述三通電磁閥D5連接至熱交換器A7的另一端；所述質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的冷卻循環(huán)水入口通過泵15和三通電磁閥Cl連接至熱交換器B6的一端，所述質(zhì)子交換膜 燃料電池PEMFC的冷卻循環(huán)水出口通過所述露點(diǎn)加濕器12和所述三通電磁閥E2連接至 熱交換器B6的另一端；水下滑翔器的小功率持續(xù)負(fù)載16直接由所述質(zhì)子交換膜燃料電池 PEMFC供電；所述質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC與超級(jí)電容器18之間設(shè)有開關(guān)P，所述超級(jí)電 容器與水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載17之間設(shè)有開關(guān)Q，所述質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 通過開關(guān)P給超級(jí)電容器18充電，所述超級(jí)電容器18通過開關(guān)Q向水下滑翔器的大功率 間歇負(fù)載17供電。
本發(fā)明中位于水下滑翔器殼體19內(nèi)的質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC及其露點(diǎn)加濕 器12、溫差熱機(jī)的換能器8、質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC和換能器8冷卻/加熱循環(huán)的管路 及泵、電磁閥閥等，需用隔熱材料包裹，阻止熱量散發(fā)到水下滑翔器殼體內(nèi)。
本發(fā)明水下滑翔器能源系統(tǒng)中，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的額定發(fā)電功率應(yīng)大 于其自身耗電功率與水下滑翔器電負(fù)載平均功率之和，同時(shí)其輸出熱量要滿足水下滑翔器 的溫差熱機(jī)需要。
本發(fā)明水下滑翔器能源系統(tǒng)的控制方法是所述質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC為水 下滑翔器的小功率持續(xù)負(fù)載16持續(xù)地提供電能；同時(shí)，其額外的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器18 中，發(fā)電所產(chǎn)生的余熱驅(qū)動(dòng)溫差熱機(jī)；所述超級(jí)電容器18利用其儲(chǔ)存的電能，向水下滑翔 器的大功率間歇負(fù)載供電；所述溫差熱機(jī)在質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC發(fā)電余熱與冷海水 間溫差作用下，溫差熱機(jī)的熱敏材料發(fā)生固液或液固相變，并產(chǎn)生體積膨脹或收縮，將溫差 能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)水下滑翔器產(chǎn)生滑翔運(yùn)動(dòng)。
如圖I所示，當(dāng)水下滑翔器從海洋表面準(zhǔn)備下潛過程中，本發(fā)明能源系統(tǒng)的工作 狀態(tài)。在此期間，三通電磁閥A3開啟，使得外皮囊14與內(nèi)皮囊13之間的管路導(dǎo)通，外皮囊 14內(nèi)的液壓油在環(huán)境壓力作用下，流入內(nèi)皮囊13，直至達(dá)到水下滑翔器下潛需要的體積浮力變化量，關(guān)閉三通電磁閥A3 ;開啟三通電磁閥Cl和三通電磁閥E2，導(dǎo)通質(zhì)子交換膜燃料 電池PEMFC的冷卻循環(huán)與熱交換器B6之間的管路，使冷卻水經(jīng)過熱交換器B6將質(zhì)子交換 膜燃料電池PEMFC發(fā)電產(chǎn)生的熱量散發(fā)到海水中；關(guān)閉三通電磁閥D5和三通電磁閥B4，使 換能器8處于無熱交換狀態(tài)。水下滑翔器準(zhǔn)備下潛時(shí)，需要改變其俯仰姿態(tài)，同時(shí)根據(jù)預(yù)定 航行軌跡進(jìn)行橫滾姿態(tài)的調(diào)節(jié)，因此需控制俯仰姿態(tài)調(diào)整電機(jī)與橫滾姿態(tài)調(diào)整電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)水下滑翔器的姿態(tài)調(diào)整。電磁閥和電機(jī)具有功率大、每次開啟工作時(shí)間短的特點(diǎn)，可以 視其為大功率間歇負(fù)載。除非必要，應(yīng)避免這些大功率間歇負(fù)載同時(shí)運(yùn)行。水下滑翔器準(zhǔn) 備下潛期間，斷開開關(guān)P，超級(jí)電容器18的充電電路，使得質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC停止 向超級(jí)電容器18充電，但依然給滑翔器小功率持續(xù)負(fù)載16供電；然后，閉合開關(guān)Q，將放電 回路導(dǎo)通，超級(jí)電容器18向水下滑翔器內(nèi)大功率間歇負(fù)載17放電釋能，滿足滑翔器中電磁 閥、俯仰電機(jī)和橫滾電機(jī)等大負(fù)載正常工作的功率需求；當(dāng)上述電器負(fù)載停止工作時(shí)，斷開 開關(guān)Q，閉合開關(guān)P，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC恢復(fù)向超級(jí)電容器18充電。
如圖2所示，當(dāng)水下滑翔器以穩(wěn)定的姿態(tài)開始下潛直至預(yù)定深度過程中，本發(fā)明 能源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在此期間，使三通電磁閥D5和三通電磁閥B4處于開啟狀態(tài)，導(dǎo)通換 能器8的熱交換與熱交換器A7之間的管路，換能器8中的熱量通過熱交換器A7散發(fā)到海 水中，換能器8中的溫敏材料實(shí)現(xiàn)液固相變，產(chǎn)生體積收縮，從而將內(nèi)皮囊13中的液壓油吸 入換能器8的內(nèi)殼體中。在此過程中，三通電磁閥Cl和三通電磁閥E2保持開啟狀態(tài)，質(zhì)子 交換膜燃料電池PEMFC的冷卻循環(huán)與熱交換器B6之間的管路維持導(dǎo)通，使冷卻水經(jīng)過熱交 換器B6將質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC發(fā)電產(chǎn)生的熱量散發(fā)到海水中。在此期間，由于大功 率間歇負(fù)載17處于非工作狀態(tài)，開關(guān)P保持閉合，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC向超級(jí)電容 器18充電。
如圖3所示，當(dāng)水下滑翔器從預(yù)定深度準(zhǔn)備上浮過程中，本發(fā)明能源系統(tǒng)的工作 狀態(tài)。在此期間，三通電磁閥A3開啟，導(dǎo)通蓄能器9與外皮囊14之間的回路，蓄能器9內(nèi) 的液壓油在蓄能器內(nèi)已被壓縮的N2壓力的作用下，流入外皮囊14，達(dá)到水下滑翔器上浮需 要的浮力變化量后，關(guān)閉三通電磁閥A3 ;此時(shí)，三通電磁閥Cl和三通電磁閥E2仍保持開啟 狀態(tài)，冷卻水繼續(xù)經(jīng)過熱交換器B6將質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC發(fā)電產(chǎn)生的熱量散發(fā)到海 水中；關(guān)閉三通電磁閥D5和三通電磁閥B4，切斷換能器8的熱交換；除此之外，水下滑翔器 準(zhǔn)備上浮時(shí)，需要再次改變其俯仰姿態(tài)，同時(shí)進(jìn)行橫滾姿態(tài)的調(diào)節(jié)，因此滑翔器的俯仰電機(jī) 與橫滾電機(jī)再次運(yùn)轉(zhuǎn)，共同實(shí)現(xiàn)水下滑翔器的姿態(tài)調(diào)整。此時(shí)，斷開開關(guān)P，將充電回路切 斷，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC停止向超級(jí)電容器18充電，然后，閉合開關(guān)Q，將放電回路導(dǎo) 通，超級(jí)電容器18釋放電能，驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載17工作；大功率間歇負(fù)載 17完成工作后，斷開開關(guān)Q，閉合開關(guān)P，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC向超級(jí)電容器18充電 的回路重新導(dǎo)通，超級(jí)電容器18恢復(fù)至充電狀態(tài)。
如圖4所示，當(dāng)水下滑翔器以穩(wěn)定的姿態(tài)上浮至海洋表面過程中，本發(fā)明能源系 統(tǒng)的工作狀態(tài)。在此期間，首先開啟三通電磁閥D5和三通電磁閥B4，然后切換三通電磁閥 E2和三通電磁閥Cl，導(dǎo)通質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC與換能器8之間的管路，使質(zhì)子交換 膜燃料電池PEMFC的冷卻水通過換能器8，加熱換能器8中的溫敏材料，使溫敏材料實(shí)現(xiàn)固 液相變，產(chǎn)生體積膨脹，將換能器8的內(nèi)殼體中的液壓油壓入蓄能器9內(nèi)，壓縮其中的N2,存 儲(chǔ)能量；與此同時(shí)，開關(guān)P保持閉合，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC向超級(jí)電容器18充電。
綜上，本發(fā)明的能源系統(tǒng)即為水下滑翔器的電負(fù)載提供高效供電，又為水下滑翔 器的溫差熱機(jī)提供穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)熱源，消除海洋溫差品質(zhì)與海洋熱源不穩(wěn)定的限制，使水下 滑翔器具備全海域、低能耗、大航程作業(yè)能力。
盡管上面結(jié)合圖示對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施 方式，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本 發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的 保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種水下滑翔器能源系統(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、超級(jí)電容器(18)、溫差熱機(jī)和熱交換器A (7)、熱交換器B (6);所述溫差熱機(jī)包括由管路連接的換能器(8)、蓄能器(9)、內(nèi)皮囊(13)和外皮囊(14);換能器(8)由圓筒形內(nèi)、外耐壓殼體構(gòu)成，外殼體與內(nèi)殼體之間為循環(huán)水，內(nèi)殼體內(nèi)裝有熱敏材料和液壓油，熱敏材料和液壓油之間由密封隔板隔開，密封隔板隨熱敏材料體積變化在內(nèi)殼體內(nèi)軸向滑動(dòng)；在內(nèi)皮囊(13)與換能器(8)的內(nèi)殼體之間設(shè)有單向閥A (10)，在換能器(8)的內(nèi)殼體和蓄能器(9)之間設(shè)有單向閥B(11);其特征在于 所述熱交換器A (7)和熱交換器B (6)均位于水下滑翔器殼體的外部的機(jī)翼上； 所述換能器(8)的位置低于所述熱交換器A (7)； 所述蓄能器(9)、內(nèi)皮囊(13)和外皮囊(14)之間連接有三通電磁閥A (3); 所述換能器(8)的循環(huán)水出口通過三通電磁閥B (4)、三通電磁閥C (I)和泵(15)連接至所述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的冷卻循環(huán)水入口 ；所述換能器(8)的循環(huán)水入口通過三通電磁閥D (5)、三通電磁閥E (2)和露點(diǎn)加濕器(12)連接至所述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的冷卻循環(huán)水出口 ；所述換能器(8)循環(huán)水出口通過所述三通電磁閥B (4)連接至熱交換器A (7)的一端，所述換能器(8)的循環(huán)水入口通過所述三通電磁閥D (5)連接至熱交換器A (7)的另一端；所述質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的冷卻循環(huán)水入口通過泵(15)和三通電磁閥C (I)連接至熱交換器B (6)的一端，所述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的冷卻循環(huán)水出口通過所述露點(diǎn)加濕器(12)和所述三通電磁閥E (2)連接至熱交換器B(6)的另一端； 水下滑翔器的小功率持續(xù)負(fù)載(16)直接由所述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)供電；所述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)通過開關(guān)P給一超級(jí)電容器(18 )充電，所述超級(jí)電容器(18)通過開關(guān)Q向水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載(17)供電。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述水下滑翔器能源系統(tǒng)的控制方法，其特征在于 所述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為水下滑翔器的小功率持續(xù)負(fù)載(16)持續(xù)地提供電能；同時(shí)，其額外的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器(18)中，發(fā)電所產(chǎn)生的余熱驅(qū)動(dòng)溫差熱機(jī)； 所述超級(jí)電容器(18)利用其儲(chǔ)存的電能，向水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載供電； 所述溫差熱機(jī)在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電余熱與冷海水間溫差作用下，溫差熱機(jī)的熱敏材料發(fā)生固液或液固相變，并產(chǎn)生體積膨脹或收縮，將溫差能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)水下滑翔器產(chǎn)生滑翔運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述水下滑翔器能源系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下過程 當(dāng)水下滑翔器從海洋表面準(zhǔn)備下潛時(shí)，開啟三通電磁閥A (3)，導(dǎo)通外皮囊(14)與內(nèi)皮囊(13)之間的管路，外皮囊(14)內(nèi)的液壓油在環(huán)境壓力作用下，流入內(nèi)皮囊(13)，達(dá)到水下滑翔器下潛需要的浮力變化量后，關(guān)閉三通電磁閥A (3);開啟三通電磁閥C (I)和三通電磁閥E (2)，導(dǎo)通質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)與熱交換器B (6)之間的管路，使冷卻水經(jīng)過熱交換器B (6)將質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電產(chǎn)生的熱量散發(fā)到海水中；關(guān)閉三通電磁閥D (5)和三通電磁閥B (4)，換能器(8)處于無熱交換狀態(tài)；此時(shí)，斷開開關(guān)P，切斷超級(jí)電容器(18)的充電電路，使得質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)停止向超級(jí)電容器(18)充電；然后，閉合開關(guān)Q，將放電回路導(dǎo)通，超級(jí)電容器(18)向水下滑翔器內(nèi)大功率間歇負(fù)載(17)放電釋能，滿足滑翔器中電磁閥、俯仰電機(jī)和橫滾電機(jī)正常工作的功率需求；當(dāng)上述電器負(fù)載完成工作時(shí)，斷開開關(guān)Q，閉合開關(guān)P，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)恢復(fù)向超級(jí)電容器(18)充電； 在水下滑翔器以穩(wěn)定的姿態(tài)開始下潛直至預(yù)定深度過程中，使三通電磁閥D (5)和三通電磁閥B (4)處 于開啟狀態(tài)，導(dǎo)通換能器(8)的熱交換與熱交換器A (7)之間的管路，換能器(8)中的熱量通過熱交換器A (7)散發(fā)到海水中，換能器(8)中的溫敏材料實(shí)現(xiàn)液固相變，產(chǎn)生體積收縮，從而將內(nèi)皮囊(13)中的液壓油吸入換能器(8)的內(nèi)殼體中；在此過程中，三通電磁閥C (I)和三通電磁閥E (2)保持開啟狀態(tài)，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的冷卻循環(huán)與熱交換器B (6)之間的管路維持導(dǎo)通，使冷卻水經(jīng)過熱交換器B (6)將質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電產(chǎn)生的熱量散發(fā)到海水中；保持開關(guān)P閉合，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)向超級(jí)電容器(18)充電； 當(dāng)水下滑翔器從預(yù)定深度準(zhǔn)備上浮時(shí)，三通電磁閥A (3)開啟，導(dǎo)通蓄能器(9)與外皮囊(14)之間的回路，蓄能器(9)內(nèi)的液壓油在蓄能器內(nèi)已被壓縮的N2壓力的作用下，流入外皮囊(14)，達(dá)到水下滑翔器上浮需要的浮力變化量后，關(guān)閉三通電磁閥A (3);此時(shí)，三通電磁閥C (I)和三通電磁閥E (2)仍保持開啟狀態(tài)，冷卻水繼續(xù)經(jīng)過熱交換器B (6)將質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電產(chǎn)生的熱量散發(fā)到海水中；關(guān)閉三通電磁閥D (5)和三通電磁閥B (4)，切斷換能器(8)的熱交換；除此之外，水下滑翔器準(zhǔn)備上浮時(shí)，需要再次改變其俯仰姿態(tài)，同時(shí)進(jìn)行橫滾姿態(tài)的調(diào)節(jié)，因此滑翔器的俯仰電機(jī)與橫滾電機(jī)再次運(yùn)轉(zhuǎn)，共同實(shí)現(xiàn)水下滑翔器的姿態(tài)調(diào)整；此時(shí)，斷開開關(guān)P，將充電回路切斷，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)停止向超級(jí)電容器(19)充電，然后，閉合開關(guān)Q，將放電回路導(dǎo)通，超級(jí)電容器(18)釋放電能，驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載(17)工作；大功率間歇負(fù)載(17)完成工作后，斷開開關(guān)Q，閉合開關(guān)P，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)向超級(jí)電容器(18)充電的回路重新導(dǎo)通，超級(jí)電容器(18)恢復(fù)至充電狀態(tài)； 在水下滑翔器以穩(wěn)定的姿態(tài)上浮至海洋表面過程中，首先開啟三通電磁閥D (5)和三通電磁閥B (4)，然后切換三通電磁閥E (2)和三通電磁閥C (1)，導(dǎo)通質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)與換能器(8)之間的管路，使質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的冷卻水通過換能器(8)，加熱換能器(8)中的溫敏材料，使溫敏材料實(shí)現(xiàn)固液相變，產(chǎn)生體積膨脹，將換能器(8)的內(nèi)殼體中的液壓油壓入蓄能器(9)內(nèi)，壓縮其中的N2，存儲(chǔ)能量；與此同時(shí)，開關(guān)P保持閉合，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)向超級(jí)電容器(18 )充電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水下滑翔器能源系統(tǒng)及其控制方法。所述能源系統(tǒng)主要由質(zhì)子交換膜燃料電池、超級(jí)電容器和溫差熱機(jī)構(gòu)成；所述質(zhì)子交換膜燃料電池為水下滑翔器的小功率持續(xù)負(fù)載持續(xù)地供電，其額外的電能通過開關(guān)P儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中；所述超級(jí)電容器利用其儲(chǔ)存的電能，通過開關(guān)Q向水下滑翔器的大功率間歇負(fù)載供電；所述質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電余熱與冷海水協(xié)同驅(qū)動(dòng)所述溫差熱機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)水下滑翔器產(chǎn)生滑翔運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明既為水下滑翔器電負(fù)載提供緊湊、高效電源，又為其溫差熱機(jī)提供優(yōu)質(zhì)熱源，使水下滑翔器具備全海域、低能耗、大航程作業(yè)能力。
文檔編號(hào)B63G8/08GK102975836SQ20121055718
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者張連洪, 王樂萍, 王延輝, 謝春剛, 王樹新 申請(qǐng)人:天津大學(xué)