CN103334868B - 磁流体波浪能水下充电平台 - Google Patents

Abstract

一种结构紧凑的低噪音、高可靠性的磁流体波浪能水下充电平台；主要由支架、垂荡浮子、连杆、立管、限位块、主活塞、液压装置、往复式液态金属磁流体发电机、水下浮体、水下无人航行器对接基站、储能装置、通讯装置、泊系装置，以及控制***组成，垂直悬浮于海水中。本发明采用与波浪运动特性相匹配、高功率密度的往复式液态金属磁流体发电机替代现有的高速旋转发电机，将波浪能直接转换为电能，为水下无人航行器的水下对接基站提供持续的电力供应，对水下无人航行器进行能源补充。本发明除为水下无人航行器充电外，还可给多种负载供电，如海上安全监测平台，海上通信中继站以及海洋观察、测量平台等。

Description

磁流体波浪能水下充电平台

技术领域

本发明涉及一种水下充电平台，特别涉及一种为水下无人航行器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）提供能量补给和电力供应的水下充电平台。

技术背景

水下无人航行器（UUV），也称水下机器人，是一种能够在水下自主远程航行、进行综合作业的机电装置，已成为海洋开发、深海监测、海底考察的重要工具。UUV水下作业时间、有效载荷能力、采样频率以及数据传输周期受自身携带的能源限制。当UUV完成某一任务后，通常需要回收到水面支持平台，以便补充能源、回放数据和下载新的使命任务。目前UUV多采用电池作为动力源，电池的更换以及相应固定和半固定部件的重新调配增加了运行费用。在大深度海底工作时，UUV的布放与回收要花费相当长的时间。若作业海域海况较差，回收过程会增加一定的风险。为了提高UUV的水下作业时间、工作效率和降低风险，一方面，各国科学家在研制高能量密度的水下动力电池，如固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）；另一方面，在研究不同结构、形状各异的UUV水下对接***，使其主动与水下静止平台或者移动平台目标对接，完成对UUV的能源补充、数据回放并下载新的使命任务。因而，世界各国海洋能开发利用组织都十分重视高性能、新型水下供电平台的探索；就地利用可再生能源，如太阳能、海洋温差能和海洋波浪能进行经济、全天候动力供给成为UUV水下充电平台的发展方向。

目前，用于UUV水下充电平台的波浪能发电技术均采用高速旋转发电机。专利GB2453645B公开了一种能潜入水中的UUV对接基站，该***采用海流驱动的海流发电机为UUV的动力电池进行电能补给；其发电***同时还包括透平机或振动水柱装置进行中间能量转换。2002年，GeorgeHagerman提出了一种为自主水下航行器（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）充电的波浪能发电***（WaveEnergySystemsforRechargingAUVEnergySupplies，Proceedingsofthe2002WorkshoponAutonomousUnderwaterVehicles，75-84），该波浪能发电***综合了水下单锚腿系泊技术、日本海洋科学技术公司（JapanMarineScienceandTechnologyAgency）提出的人工海底技术以及瑞典垂荡浮子发电技术。瑞典垂荡浮子发电技术用两个相反的、全循环的软管泵对水流加压；定向泵水到由一个水戽式水轮机驱动转换发电机组成的能量转换***；此外，其点吸收式波能转换器除浮子外，还有一个庞大的垂直中空圆柱体加速管。海流流速较低（以流速强、流幅窄和厚度大而著称的黑潮的流速一般为0.5～1.5m/s），而波浪的运动特性是低速（0.5～2m/s）、大作用力（数吨）。因而，要将海流能或波浪能与高速旋转发电机相耦合，必须采用一系列的中间能量转换装置，如GB2453645B发电***的透平机，瑞典垂荡浮子发电***的软管泵、水轮机和中空圆柱体加速管等，增加了发电***结构的复杂程度和发电成本、降低了***的可靠性和海洋能量利用率。此外，旋转机械装置将引起振动和噪声，不利于水下平台的隐蔽。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提供了一种结构紧凑的低噪音、高可靠性的水下充电平台。本发明利用磁流体波浪能发电技术将波浪能直接转换为电能，为水下无人航行器的水下对接基站提供持续电力供应，对水下机器人进行能源补充。

本发明主要由支架、垂荡浮子、连杆、立管、限位块、主活塞、液压装置、往复式液态金属磁流体（liquidmetalmagnetohydrodynamic，LMMHD）发电机、水下浮体、水下无人航行器对接基站、储能装置、通讯装置、泊系装置，以及控制***等组成，本发明所述的水下充电平台垂直悬浮于海水中。通讯装置和限位块固定在支架上；垂荡浮子穿过支架，支架固联在立管上，立管垂直固定在水下浮体上表面的中心位置；液压装置和往复式液态金属磁流体发电机固定在立管内；主活塞同轴置于液压装置内；连杆与主活塞及垂荡浮子固联；n（n>1）个水下无人航行器对接基站沿圆周方向均布在水下浮体的上表面；泊系装置与水下浮体固联；控制***安放在支架上或水下浮体内；储能装置放在水下浮体内；往复式液态金属磁流体发电机、储能装置、控制***、通讯装置之间为电缆连接，往复式液态金属磁流体发电机直接为控制***和通讯装置以及储能装置提供电能；通讯装置通过无线网络下载指令、上传数据，控制***和通讯装置之间通过有线方式传输数据和指令。

垂荡浮子漂浮在海面上，为一圆柱体，垂荡浮子采用分块结构，沿圆周方向分割成若干中空的小室，作为压载水舱；沿周向均布两个通孔。

支架由两根立杆和一个横梁组成；两根立杆垂直均布在立管的上盖，且与立管上盖固联，立杆表面光滑，进行防腐处理；横梁位于支架的上部远离海面的位置，将两根立杆连接；每根立杆的垂直方向设有限位块，分为上限位块和下限位块，上限位块垂直位于下限位块的上方，上、下限位块之间的距离为垂荡浮子的垂直方向的位移，上限位块和下限位块均沿圆周方向均布；两根立杆垂直穿过垂荡浮子的两个通孔；横梁上固定通讯装置。

立管为一中空的圆柱体，垂直固定在水下浮体的上表面，内部布置液压装置和往复式液态金属磁流体发电机。

液压装置由一个主液压缸、m（m>1）个上液压缸、m（m>1）个上副活塞、m（m>1）个下液压缸和m（m>1）个下副活塞组成；上、下副活塞为无轴结构，上副活塞同轴置于上液压缸内，将上液压缸分成两部分；下副活塞同轴置于下液压缸内，将下液压缸分成两部分；一个上液压缸的上部空间和一个上副活塞分别与一个下液压缸的下部空间和一个下副活塞相对应，组成一个液压支路，与一台往复式液态金属磁流体发电机相连；m个液压支路沿主液压缸外侧周向均布；主液压缸为双作用双出轴液压缸，和m个液压支路连通，主液压缸和m个液压支路内充满液压油。主活塞同轴布置在主液压缸内；主液压缸、主活塞、立管及连杆同轴；连杆同轴穿过立管上盖，且在连杆穿过立管上盖之处设有密封套；密封套由套筒和端盖组成，套筒与连杆同轴且位于立管上盖的上方；端盖在套筒的一端，有一个供连杆穿过的引导孔，与立管上盖固定。

往复式液态金属磁流体发电机由发电通道、磁体、电极、负载等组成。往复式液态金属磁流体发电机的个数与液压装置的液压支路相对应，且沿圆周方向均布在主液压缸外侧的相应液压支路的上液压缸和下液压缸之间。发电通道垂直穿过磁体的磁孔，且发电通道的上、下两端分别与上液压缸和下液压缸连接，发电通道连同上液压缸的下部空间以及下液压缸的上部空间组成一密闭连通空间，该密闭连通空间充满液态金属。磁体为两极磁体，可采用两极永磁磁体或鞍型超导磁体；磁体与主液压缸或立管固联。发电通道为一矩形横截面管道。电极为平板形，对贴在发电通道内与磁场方向平行的两侧壁上，可采用紫铜电极。液态金属发电工质为低熔点金属或合金，可采用镓合金或U-47。

水下浮体为一中空的圆柱体，内部分割成若干小室，作为压载水舱以及放置储能装置、控制***等的干燥舱室；水下浮体同时又作为阻尼装置以减小立管的自振频率，应最大限度地减小水下浮体对波浪的响应，减小周围流体的干扰，为水下无人航行器对接及数据的传送提供一个友好环境。

泊系装置采用三点锚系，主要由锚碇和锚链组成。

往复式液态金属磁流体发电机与控制***、通讯装置和储能装置之间为电缆连接。往复式液态金属磁流体发电机产生的电能一部分为控制***、通讯装置等用电设备供电，另一部分存储在储能装置中。储能装置对水下无人航行器进行能源补充，可采用再生燃料电池或超级电容电池。

控制***控制垂荡浮子及水下浮体的压载水进行充放，监测海上波浪和风速。控制***放置在支架的横梁上或水下浮体的干燥舱室内。控制***主要由传感器、数据采集卡组成，通过有线方式与通讯装置进行数据传输。

通讯装置固定在支架的横梁上，通过无线网络下载指令、上传数据。

垂荡浮子在波浪的作用下，沿支架的立杆在上、下限位块之间做垂直方向的往复运动，进而带动主活塞在主液压缸内往复运动；上、下液压缸内液压油的压力发生变化，挤压相应的上、下副活塞，进而驱动液态金属在发电通道内垂直往复流动，切割磁力线，产生感应电动势；再通过负载和电力电子变换装置产生需要的电能，一方面为水下充电平台的各种用电设备提供电力供应，另一方面将电能存储在储能装置中，进而通过水下无人航行器对接基站对水下机器人的二次电池进行充电。

本发明采用与波浪运动特性相匹配、高功率密度的往复式液态金属磁流体发电机代替传统的高速旋转发电机，没有高速旋转的机械运动部件，在运行过程中噪音低、具有高可靠性。本发明就地利用清洁的可再生能源—波浪能，整个供电平台二氧化碳零排放。

本发明除为水下机器人充电外，还可给多种负载供电，如海上安全监测平台、海上通信中继站以及海洋观察/测量平台等。

附图说明

图1为本发明具体实施例的示意图，图1a为正视图，图1b为俯视图；图中：1通讯装置、2支架、3立管、4垂荡浮子、5连杆、6限位块、7液压装置、8主活塞、9往复式液态金属磁流体发电机、10水下浮体、11水下无人航行器对接基站、12泊系装置；

图2为本发明具体实施例液压装置7和往复式液态金属磁流体发电机9的示意图，图中：7-1主液压缸、7-2上液压缸、7-3下液压缸、7-4上副活塞、7-5下副活塞、9-1发电通道、9-2磁体。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明实施例主要由支架2、垂荡浮子4、连杆5、立管3、限位块6、主活塞8、液压装置7、往复式液态金属磁流体发电机9、水下浮体10、水下无人航行器对接基站11、通讯装置1、泊系装置12以及储能装置和控制***等组成，垂直悬浮于海水中。通讯装置1和限位块6固定在支架2上；垂荡浮子4穿过支架2，支架2固联在立管3上，立管3垂直固定在水下浮体10的上表面的中心位置；液压装置7和往复式液态金属磁流体发电机9固定在立管3内；主活塞8同轴置于液压装置7内；连杆5与主活塞8和垂荡浮子4固联；n（n>1）个水下无人航行器对接基站11沿圆周方向均布在水下浮体10的上表面；泊系装置12与水下浮体10固联；控制***放在支架2上或水下浮体10内；储能装置放在水下浮体10内；往复式液态金属磁流体发电机9、储能装置、控制***、通讯装置1之间为电缆连接，往复式液态金属磁流体发电机9直接为控制***和通讯装置1以及储能装置提供电能；通讯装置1通过无线网络下载指令、上传数据，控制***和通讯装置1之间通过有线方式传输数据和指令。

垂荡浮子4漂浮在海面上，为一圆柱体，采用分块结构，沿圆周方向分割成若干中空的小室，作为压载水舱；沿垂荡浮子4的周向均布两个通孔。

支架2由两根立杆和一个横梁组成；两根立杆垂直均布在立管3的上盖，且与立管3的上盖固联；立杆表面光滑，进行防腐处理；横梁位于支架2的上部远离海面的位置，将两根立杆连接；每根立杆的垂直方向设有限位块6，分为上限位块和下限位块，且上限位块垂直位于下限位块上方，上、下限位块之间的距离为垂荡浮子4的垂直方向的位移；上限位块和下限位块均沿圆周方向均布；两根立杆垂直穿过垂荡浮子4的两个通孔；横梁上固定有通讯装置1。

立管3为一中空的圆柱体，垂直固定在水下浮体10的上表面，内部布置液压装置7和往复式液态金属磁流体发电机9。

如图2所示，液压装置7由一个主液压缸7-1、m（m>1）个上液压缸7-2、m（m>1）个上副活塞7-4和m（m>1）个下液压缸7-3、m（m>1）个下副活塞7-5组成；上副活塞7-4采用无轴结构，同轴置于上液压缸7-2内，将上液压缸7-2分成两部分；下副活塞7-5采用无轴结构，同轴置于下液压缸7-3内，将下液压缸7-3分成两部分；一个上液压缸7-2的上部空间和一个上副活塞7-4分别与一个下液压缸7-3的下部空间和一个下副活塞7-5相对应，组成一个液压支路，与一台往复式液态金属磁流体发电机9相连；m个液压支路沿主液压缸7-1的外侧周向均布；主液压缸7-1为双作用双出轴液压缸，主液压缸7-1和m个液压支路连通，充满液压油。主活塞8同轴布置在液压装置7的主液压缸7-1内；主液压缸7-1、主活塞8、立管3及连杆5同轴；连杆5同轴穿过立管3的上盖，且在连杆5穿过立管3的上盖之处设有密封套；密封套由套筒和端盖组成，套筒与连杆5同轴且位于立管3的上盖的上方；端盖在套筒的一端，有一个供连杆5穿过的引导孔，端盖与立管3的上盖固定。

往复式液态金属磁流体发电机9由发电通道9-1，磁体9-2，电极和负载等组成。往复式液态金属磁流体发电机9的个数与液压装置7的液压支路相对应，且沿圆周方向均布在主液压缸7-1外侧的相应液压支路的上液压缸7-2和下液压缸7-3之间。发电通道9-1垂直穿过磁体9-2的磁孔，且其上、下两端分别与上液压缸7-2和下液压缸7-3连接，发电通道9-1连同上液压缸7-2的下部空间以及下液压缸7-3的上部空间组成一密闭连通空间，该密闭连通空间充满液态金属。磁体9-2为两极磁体，可采用两极永磁磁体或鞍型超导磁体；与主液压缸7-1或立管3固联。发电通道9-1为一矩形横截面管道。电极为平板形，对贴在发电通道9-1内与磁场方向平行的两侧壁上，可采用紫铜电极。液态金属发电工质为低熔点金属或合金，可采用镓合金或U-47。

水下浮体10为一中空的圆柱体，内部分割成若干小室，作为压载水舱以及放置储能装置、控制***等的干燥舱室；水下浮体10同时又作为阻尼装置以减小立管3的自振频率，应最大限度地减小水下浮体10对波浪的响应，减小周围流体的干扰，为水下机器人对接及数据的传送提供一个友好环境。

泊系装置12采用三点锚系，主要由锚碇和锚链组成。

往复式液态金属磁流体发电机9与控制***、通讯装置1和储能装置之间为电缆连接。往复式液态金属磁流体发电机9产生的电能一部分为控制***、通讯装置1供电，另一部分存储在储能装置中。储能装置对水下无人航行器进行能源补充，可采用再生燃料电池或超级电容电池。

控制***主要是控制垂荡浮子4及水下浮体10的压载水仓中压载水的充放，监测海上波浪和风速；控制***可放置在支架2的横梁上或水下浮体10的干燥舱室内。控制***主要由传感器、数据采集卡组成，通过有线方式与通讯装置1进行数据传输。

通讯装置1固定在支架2的横梁上，通过无线网络下载指令、上传数据。

垂荡浮子4在波浪的作用下，沿支架2的立杆在上限位块和下限位块之间做垂直方向的往复运动，进而带动主活塞8在主液压缸7-1内往复运动；上液压缸7-2和下液压缸7-3内液压油的压力发生变化，挤压相应的上副活塞7-4和下副活塞7-5，进而使液态金属在发电通道9-1内垂直往复流动，切割磁力线，产生感应电动势；再通过负载和电力电子变换装置产生需要的电能，一方面为水下充电平台的各种用电设备提供电力供应，另一方面将电能存储在储能装置中，进而通过水下无人航行器对接基站11对水下机器人的二次电池进行充电。

以康士伯海事有限公司（KongsbergMaritimeLtd）开发的水下机器人HUGIN1000为例。HUGIN1000主要进行海上油气管线的检测，其直径0.75m，长约4.5m；配备三节锂离子聚合物电池，每节可提供4.5kwh的电能；在3×4.5kwh=13.5kwh的电力供应下，可持续工作27小时（3节的航速）并为有效载荷提供200W的电能。

对于周期5.2s、波高3.2m的海况，垂荡浮子4的直径6m、行程0.7m；发电通道9-1的有效尺寸为50mm（电极间距）×4mm（电极宽度）×110mm，两极永磁磁体9-2的磁场强度1T，发电工质采用Ga合金，则每台往复式液态金属磁流体发电机9可输出9kw的平均电功率；假设有m=2个往复式液态金属磁流体发电机9，则水下充电平台可产生18kw的平均电功率。假设其中一半的电功率用于水下充电平台其他设备（如通讯装置1、控制监测装置等）的电力供应，则有9kw的能量可存储在储能装置中用于水下机器人HUGIN1000的能量补充。假设储能装置采用一体式再生燃料电池，其能量转换效率为50%，则将有4.5kw的能量用于HUGIN1000的锂离子聚合物电池的充电。

假设水下浮体10的直径为12m，有n=6个HUGIN1000对接基站11周向均布在水下浮体10的上表面。在上述发电功率分配情况下，本发明的水下充电平台一天可产生108kwh的电能用于HUGIN1000充电。假设水下能量传输效率为75%，则108×0.75=81kwh=6×13.5kwh，可同时为6个HUGIN1000充电。

Claims (9)

1.一种磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的充电平台主要由支架（2）、垂荡浮子（4）、连杆（5）、立管（3）、限位块（6）、主活塞（8）、液压装置（7）、往复式液态金属磁流体发电机（9）、水下浮体（10）、水下无人航行器对接基站（11）、通讯装置（1）、泊系装置（12）、储能装置，以及控制***组成；所述的充电平台垂直悬浮于海水中；所述的通讯装置（1）和限位块（6）固定在支架（2）上；垂荡浮子（4）穿过支架（2），支架（2）固联在立管（3）上，立管（3）垂直固定在水下浮体（10）的上表面的中心位置；液压装置（7）和往复式液态金属磁流体发电机（9）固定在立管（3）内；主活塞（8）同轴置于液压装置（7）内；连杆（5）与主活塞（8）和垂荡浮子（4）固联；n个水下无人航行器对接基站（11）沿圆周方向均布在水下浮体（10）的上表面，n>1；泊系装置（12）与水下浮体（10）固联；控制***安放在支架（2）上或水下浮体（10）内；储能装置放在水下浮体（10）内；往复式液态金属磁流体发电机（9）、储能装置、控制***、通讯装置（1）之间为电缆连接，往复式液态金属磁流体发电机（9）直接为控制***和通讯装置（1）以及储能装置提供电能；通讯装置（1）通过无线网络下载指令、上传数据，控制***和通讯装置（1）之间通过有线方式传输数据和指令。

2.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的垂荡浮子（4）漂浮在海面上，为一圆柱体；垂荡浮子（4）采用分块结构，沿圆周方向分割成若干中空的小室；垂荡浮子（4）沿周向均布两个通孔；垂荡浮子（4）沿支架（2）的立杆在上限位块和下限位块之间做垂直往复运动。

3.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的支架（2）由两根立杆和一个横梁组成，两根立杆垂直均布在立管（3）的上盖，且与立管（3）的上盖固联；立杆表面光滑，经防腐处理；横梁位于支架（2）的上部远离海面的位置，横梁将两根立杆连接；每根立杆的垂直方向设有限位块（6）；限位块（6）分为上限位块和下限位块，上限位块垂直位于下限位块的上方，上限位块和下限位块之间的距离为垂荡浮子（4）的垂直方向的位移，上限位块和下限位块均沿圆周方向均布；两根立杆垂直穿过垂荡浮子（4）的两个通孔；横梁上固定有通讯装置（1）。

4.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的液压装置（7）由一个主液压缸（7-1）、m个上液压缸（7-2）、m个上副活塞（7-4）和m个下液压缸（7-3）、m个下副活塞（7-5）组成，m>1；上副活塞（7-4）采用无轴结构，一个上副活塞（7-4）同轴置于一个上液压缸（7-2）内，将上液压缸（7-2）分成两部分；下副活塞（7-5）采用无轴结构，一个下副活塞（7-5）同轴置于一个下液压缸（7-3）内，将下液压缸（7-3）分成两部分；一个上液压缸（7-2）的上部空间和一个上副活塞（7-4）分别与一个下液压缸（7-3）的下部空间和一个下副活塞（7-5）相对应，组成一个液压支路，一个液压支路与一台往复式液态金属磁流体发电机（9）相连；液压支路沿主液压缸（7-1）的外侧周向均布；主液压缸（7-1）为双作用双出轴液压缸，主液压缸(7-1)和液压支路连通，主液压缸（7-1）和液压支路内充满液压油。

5.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的主活塞（8）同轴布置在主液压缸（7-1）内；主液压缸（7-1）、主活塞（8）、立管（3）及连杆（5）同轴布置；连杆（5）同轴穿过立管（3）的上盖且在连杆（5）穿过立管（3）的上盖之处设有密封套；密封套由套筒和端盖组成，套筒与连杆（5）同轴且位于立管（3）的上盖的上方，端盖在套筒的一端，有一个供连杆（5）穿过的引导孔，端盖与立管（3）的上盖固定。

6.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的往复式液态金属磁流体发电机（9）由发电通道（9-1）、磁体（9-2）、电极和负载组成；往复式液态金属磁流体发电机（9）的个数与液压装置（7）的液压支路数相对应；往复式液态金属磁流体发电机（9）沿圆周方向均布在主液压缸（7-1）外的相应液压支路的上液压缸（7-2）和下液压缸（7-3）之间；发电通道（9-1）垂直穿过磁体（9-2）的磁孔，且发电通道（9-1）的上、下两端分别与上液压缸（7-2）和下液压缸（7-3）固连，发电通道（9-1）连同上液压缸（7-2）的下部空间以及下液压缸（7-3）的上部空间组成一密闭连通空间，该密闭连通空间充满液态金属；磁体（9-2）为两极磁体；发电通道（9-1）的横截面为矩形；电极为平板形，对贴在发电通道（9-1）内与磁场方向平行的两侧壁上；液态金属发电工质为低熔点金属或合金。

7.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的水下浮体（10）为一中空的圆柱体，内部分割成若干压载水舱和干燥舱室；水下浮体（10）同时作为阻尼装置。

8.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的泊系装置（12）为三点锚系装置。

9.按照权利要求1所述的磁流体波浪能水下充电平台，其特征在于：所述的立管（3）为一中空的圆柱体，垂直固定在水下浮体（10）的上表面，内部布置液压装置（7）和往复式液态金属磁流体发电机（9）。