一种海洋剖面运动设备及其海洋温差能发电装置

摘要

本发明涉及一种海洋剖面运动设备及其海洋温差能发电装置，属于海洋设备技术领域。发电装置包括密封腔体、蓄能回路、发电回路及置于密封腔体内的等比减压器；蓄能回路包括相变腔桶、相变处液压油囊、蓄能器及由油管路依序串联成回路的第一单向阀、第二单向阀与控制阀；发电回路包括存储有低压油的储油囊、发电机及由油管路依序串联成回路的第三单向阀与用于驱动发电机进行发电的液压马达；等比减压器的高压油端口旁接于第一单向阀与控制阀间的油管路上，低压油端口旁接于第三单向阀与液压马达间的另一侧油管路上。通过增设等比减压器，能将高压等转化成发电转换效率更高的低压能，以提高整个发电设备的能量转换效率，可广泛应用于海洋探测领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋设备，具体地说，涉及一种利用海洋温差能进行发电的发电装置及以该发电装置构建的海洋剖面运动设备。

背景技术

海洋剖面运动设备是人们研究和探测海洋的重要工具，为了使该设备能够长期持续地在海洋中工作，通常采用锂电池供电；对锂电池的能耗中，有相当一部分用于设备的驱动与控制，极大的降低了剖面运动设备的使用寿命。

为了延长海洋剖面运动设备在海洋中的服役年限，通常利用海洋温差能进行发电，在利用所用发出的电能对锂电池进行充电，以补充锂电池中被消耗的电能。例如，公开号为CN105889144A的专利文献中公开了一种的海洋温差能发电装置；如其附图1所示，该海洋温差能发电装置包括外油囊，盛放有固液相变材料与密封液体的相变腔体，设置在相变腔体内被密封液体包覆的相变处液压油囊，通过带有第一单向阀的第一油路与相变处液压油囊连接的蓄能器，通过依次带有三个液控截止式换向阀、马达和第二单向阀的第二油路与蓄能器连接的辅助油囊，相变处液压油囊同时通过带有第三单向阀的第三油路与辅助油囊连接，以及与马达输出端连接的发电单元。其中，一个液控截止式换向阀受控于辅助油囊；其余两个液控截止式换向阀均受控于外油囊，仅在设定压力区间内两者同时导通；外油囊、相变腔体设置在一密封腔体外，其余部件和油路设置在该密封腔体内。

此外，CN104595137A也公开了一种供电装置，其与上述海洋温差能发电装置一样，均是利用海洋设备利用海水温度随深度而变化，以通过在深水低温区与浅水高温区之间升降，以利用两个区域之间的温度差进行发电。虽然达到延长了海洋剖面运动设备的服役年限，但是其将海洋温差能转换成电能的转换率仍偏低。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能量利用率高的海洋温差能发电装置；

本发明的另一目的是提供一种以上述海洋温差能发电装置构建的海洋剖面运动设备。

为了实现上述主要目的，本发明提供的海洋温差能发电装置包括密封腔体、蓄能回路、发电回路及置于密封腔体内的等比减压器；蓄能回路包括置于密封腔体外的相变腔桶与相变处液压油囊，和置于密封腔体内的蓄能器及由油管路依序串联成回路的第一单向阀、第二单向阀与控制阀；相变腔桶内盛放有固液相变材料及与固液相变材料不互溶且密度不同的密封液体材料，相变处液压油囊置于相变腔桶内并被密封液体包覆，相变处液压油囊的油端口旁接于两单向阀间的油管路上，蓄能器的油端口旁接于第二单向阀与控制阀间的油管路上；发电回路包括置于密封腔体内的存储有低压油的储油囊，发电机，及由油管路依序串联成回路的第三单向阀与用于驱动发电机进行发电的液压马达；储油囊的油端口旁接于第三单向阀与液压马达间的一侧油管路上；等比减压器的高压油端口旁接于第一单向阀与控制阀间的油管路上，低压油端口旁接于第三单向阀与液压马达间的另一侧油管路上。

通过增设等比减压器，将蓄能器的高压转化为低压，更适宜小设备的发电需求，由于压力与发电需求更加匹配，使得能量的利用率更高，效率更大。此外，使蓄能器中的油并不进入液压马达，而是通过等比减压器与液压马达隔离式相连，即只传递了等比减压之后的压力，没有油液的流通，从而可在两个回路中使用更合适该回路功能的液压油，不仅液压油的可选范围，且更能确保液压马达等设备的工作安全。

具体的方案为控制阀是常闭电磁截止阀。更便于控制，且能减少对原本就显得弥足珍贵的电能的消耗量。

优选的方案为发电机的输电端子与储电单元间配置有电流调节单元。通过电流调节单元，实现实时电流控制，从而控制电机电磁转矩，进而控制电机与马达的转速。马达的转速决定了流量的大小，简言之，通过对电流的控制实现对压力能的最大利用，即实现效率最大化。

更优选的方案为储电单元包括超级电容组。

另一个优选的方案为固液相变材料的密度小于密封液体材料，相变处液压油囊置于相变腔桶的桶容纳腔的下端部内。便于对相变腔桶结构的设计。

另一个优选的方案为固液相变材料为相变温度是18.2摄氏度的正十六烷。

另一个优选的方案为固液相变材料为正十六烷，密封液体材料为水；油管路中的液压油为低粘度液压油。

另一个优选的方案为等比减压器包括高压油缸体，与高压油缸体共中心轴线地固定连接的低压油缸体，可滑动地置于高压油缸体内的高压气密活塞，及可滑动地置于低压油缸体内的低压气密活塞；高压油缸体的油端口构成高压油端口，低压油缸体的油端口构成低压油端口；高压气密活塞与低压气密活塞通过连接件可分离地抵靠连接；低压气密活塞邻近低压油端口的端面固设有第一永磁环，低压油缸体的活塞腔邻近低压油端口的腔底面固设有与第一永磁环同极相对布置的第二永磁环，第二永磁环的内环口径大于低压油端口且与低压油端口共轴布置，两永磁环间同极排斥力迫使低压气密活塞远离低压油端口。

再一个优选的方案为等比减压器包括高压油缸体，与高压油缸体共中心轴线地固定连接的低压油缸体，可滑动地置于高压油缸体内的高压气密活塞，及可滑动地置于低压油缸体内的低压气密活塞；高压油缸体的油端口构成高压油端口，低压油缸体的油端口构成低压油端口；高压气密活塞与低压气密活塞通过连接件可分离地抵靠连接；低压油缸体内设有其弹性恢复力迫使低压气密活塞远离低压油端口的压缩弹簧。

为了实现上述另一目的，本发明提供的海洋剖面运动设备包括缆绳、固定在该缆绳上端上的浮体、固定在该缆绳下端上的锚块及可沿该缆绳上下往复移动的运动设备，运动设备包括海洋温差能发电装置，该海洋温差能发电装置为上述任一技术方案所描述的海洋温差能发电装置。

基于前述海洋温差能发电装置的结构设计，能提高发电的能量转换效率，以延长该海洋剖面运动设备在海洋中的服役年限。

附图说明

图1为本发明海洋剖面运动设备实施例的结构示意图；

图2为本发明海洋剖面运动设备实施例中海洋温差能发电装置的结构示意图；

图3为图2中A局部放大图；

图4为图2中B局部放大图。

具体实施方式

本发明主要是对海洋剖面运动设备中的海洋温差能发电装置的结构进行说明，其他功能单元的结构参照现有产品进行设计。

海洋剖面运动设备实施例

参见图1，本发明海洋剖面运动设备1包括缆绳10、固定在缆绳10上端上的浮体11、固定在缆绳10下端上的锚块12及可沿缆绳10上下往复移动的运动设备2，运动设备2包括如图2所示的海洋温差能发电装置3。

参见图2至图4，海洋温差能发电装置3包括密封腔体30、蓄能回路、发电回路及置于密封腔体30内的等比减压器6。

蓄能回路包括置于密封腔体30外而暴露于海水中的四个相变腔桶单元4和置于密封腔体30内的蓄能器36、第一单向阀31、第二单向阀32与控制阀33。其中，控制阀33为常闭电磁截止阀，其只在需进行发电时才打开。

如图3所示，相变腔桶单元4包括相变腔桶40及水密地套装在相变腔桶40内的相变处液压油囊41，在相变腔桶40内盛放有固液相变材料43及与固液相变材料43不互溶且密度不同的密封液体材料42；在本实施例中，相变处液压油囊41安装在相变腔桶40桶腔的下端部中，固液相变材料选用相变温度是18.2摄氏度的正十六烷，密封液体材料42为密度比正十六烷大且二者互不相溶的水，密封液体材料42由于密度大而分布于相变腔桶40桶腔的下端部中且完全覆盖相变处液压油囊41，即相变处液压油囊41被密封液体42所包覆。对于相变腔桶单元4的数量根据实际工况进行配置。

对于相变温度是18.2摄氏度的正十六烷，其相变温度处于上层海水与底层海水温度之间，其固相密度835千克每立方米,液相密度为770.1千克每立方米，固液相变时体积变化8％，密封液体选用水，相变材料凝固时由水填补凝固所产生的空间。

沿顺时针方向，第一单向阀31、第二单向阀32与控制阀33由油管路34、管路351、管路352依序串联成回路结构，相变处液压油囊41的油端口通过三通结构39旁接于第一单向阀31与第二单向阀32之间的油管路34上；蓄能器36的油端口通过三通结构37旁接于第二单向阀32与控制阀33之间的油管路352上。其中，第一单向阀31只允许液压油从控制阀33流向第二单向阀32，也意味着在控制阀33截止的状态下，从相变处液压油囊41挤出的液压油只被允许流向储能器36；而第二单向阀32只允许液压油从第一单向阀31流向控制阀33，在控制阀33导通的状态下，从储能器36中释放的液压油只能朝控制阀33方向流动；即在该回路中，液压油只被允许沿如图2中的顺时针方向流动。

发电回路包括置于密封腔体30内的存储有低压油的储油囊55、发电机56、第三单向阀51与用于驱动发电机56进行发电的液压马达52。液压马达52与第三单向阀51通过油管路53、54依序串联成回路结构，储油囊55的油端口通过三通结构58旁接于第三单向阀51与液压马达52间的一侧油管路53上。发电机56的输电端子与储电单元57间配置有电流调节单元56，在本实施例中选用超级电容组构建储电单元57。其中，第三单向阀51只允许回路液压油由储油囊55三通结构58通过第三单向阀51流向三通结构59。

如图4所示，等比减压器6包括高压油缸体71，与高压油缸体71共中心轴线60地固定连接的低压油缸体81，可滑动地置于高压油缸体71内的高压气密活塞72，及可滑动地置于低压油缸体81内的低压气密活塞82。高压油缸体7的油端口70构成本实施例中的高压油端口，低压油缸体8的油端口80构成本实施例中的低压油端口。高压气密活塞72与低压气密活塞82通过连接件73、连接件83可分离地抵靠连接，即连接件72与连接件73的接触端部不固定连接，且一者端面为平面，另一者的端面为球形面。在低压油缸体81内设有其弹性恢复力迫使低压气密活塞82远离油端口80的压缩弹簧84。由于低压油缸体81的活塞腔的横截面面积小于高压油缸体71的横截面面积，在两个活塞具有相同的行程下，从油端口80输出液压油的压力更小，其压力比为二者活塞腔的横截面面积之比，即达到等比减压目的。

如图2所示，等比减压器6的高压油端口通过三通结构38旁接于第一单向阀31与控制阀33间的油管路351上，低压油端口通过三通结构59旁接于第三单向阀51与液压马达52间的另一侧油管路54上。

当然了，对于等比降压器6的结构，还可利用两个同极相对布置的永磁环替代如图4所示的压缩弹簧84以为低压气密活塞82提供远离低压油端口的复位力。具体布置结构为，第一永磁环固设在低压气密活塞82邻近油端口80的端面上，第二永磁环固设在低压油缸体81的活塞腔邻近油端口80的腔底面上，且第二永磁环与第一永磁环同极相对布置，第二永磁环的内环口径大于油端口80且与油端口80共轴布置，两永磁环间的同极排斥力迫使低压气密活塞82远离油端口80。

在本实施例中，油管路中液压油选用低粘度液压油，以能更好适应深海区的低温。

海洋温差能发电装置3的工作过程如下：

在初始状态时，相变处液压油囊41中充满液压油，当运动设备2处于浅水区时，即其周围水温较高，相变腔桶40中的固液相变材料43从水中吸热，融化膨胀，相变腔桶40内压力升高，相变处液压油囊41中的压力也跟着升高。相变处液压油囊41中的高压油通过第二单向阀32进入蓄能器36中，蓄能器36中压力升高。此过程即把温水中的热能转换为压力能并储存在蓄能器36中以待利用。

当需要发电时，打开电磁截止阀，蓄能器36中的高压液压油进入等比减压器6的高压腔中。此时，在等比减压器6的低压腔产生与高压腔成比例的较低压强，但油量等比增加，低压液压油经过液压马达52，进入储油囊55中储存。在此过程中，液压油的流动推动液压马达52转动，将压力能转化为机械能。液压马达52与发电机56通过联轴器相连，发电机56将机械能转化为电能，通过电流调节单元56，将电能存储在超级电容模组中，以待使用。至此完成热能到电能的转化。

当该装置下降到深水区，即水温较低的冷水区时，相变腔桶40中的固液相变材料43与冷水进行热交换，受冷收缩，使得相变腔桶40中的压强减小，其体积变小产生的空隙，起密封作用的水将进入并填充这些空隙而使密封液水内的压力减少，使相变处液压油囊41中的压强也随之减小，导致等比减压器6高压腔中的压强大于相变处液压油囊41中的压强，在压缩弹簧84的作用下，等比减压器6高压腔中的液压油通过第一单向阀31回到相变处液压油囊41中。至此，蓄能回路完成一次循环。当等比减压器6高压腔中的液压油通过第一单向阀31回到相变处液压油囊41中时，等比减压器6低压腔中的压强随之减小，加之低压腔中弹簧的作用，储油囊55中的油通过第三单向阀31回到等比减压器6低压腔。至此，发电回路完成一次循环。蓄能回路的回路和发电回路的回油过程同时进行。

在本发明中，由于通过增设了等比减压器，将从蓄能器36中的高压能量转化为相对低压的压力能。在此种小型发电设备中，所需的压力并不高，如果输入过高的压力能，系统不能高效地利用，造成能量浪费，降低系统的效率。同样，电流调节单元的作用在于提高系统的效率，它的工作原理为，控制从发电机输出的电流，从而改变电磁转矩，进而控制发电机和马达的转速。马达的转速决定了流速，从而实现了对转化过程的控制。

海洋温差能发电装置实施例

在上述海洋剖面运动设备实施例中，已经对本发明海洋温差能发电装置实施例进行了说明，在此不再赘述。

本发明的主要构思是通过等比减压器将现有海洋温差能发电装置中的管路分隔成蓄能回路与发电回路两个回路，以能降低发电回路侧的压力至适配发电单元的效能，以提高电能转换率，根据本构思，蓄能回路与发电回路中各部件的布局及设置还有多种显而易见的变化。