CN104595137A - 一种海洋监测设备的供电、驱动装置及其方法 - Google Patents

一种海洋监测设备的供电、驱动装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海洋监测设备的供电、驱动装置及其方法。使用本发明能够为海洋监测设备供电，同时还可以为海洋监测设备提供驱动力，且设备简便、可靠性高、成本低、无污染、寿命长。本发明利用固液相变材料随温度变化而进行相变变化的特点，将装有固液相变材料的相变筒与海水直接接触，使得其在设备上浮下潜的过程中反复地凝固与融化，将海洋温差能转化为体积变化，为蓄能器充能，然后通过一系列管道与阀门，控制蓄能器释放能量改变外部油囊的体积来驱动设备竖直运动，并驱动液压马达转动来带动发电机发电，为设备的控制***和测量设备供电。

Description

一种海洋监测设备的供电、驱动装置及其方法
技术领域
本发明涉及海洋环境监测技术领域，具体涉及一种海洋监测设备的供电、驱动装置及其方法。
背景技术
当前，来自海洋方向的多种安全威胁日益严重。我国在南海问题上存在着主权被侵犯、岛礁被侵占、海域被分割、资源遭掠夺、开发被阻挠、安全受威胁的严重局面，南海危机步步升级。为更好的对海洋环境进行探测和观察，收集海洋相关数据与资料，各类应用于海洋环境监测的设备与装置相继研发成功并投入使用。
对于这些需要长期持续地在海洋中工作的监测设备，供能成为一个难题，目前国内外产品都采用锂电池供电，虽然能够维持设备工作3～5年，但是存在以下不足：
1)设备能够携带的锂电池数量有限，设备的工作寿命有限。同时，这些电池使得设备重量和体积较大。
2)由于投放位置远，工作位置不固定，电池耗尽后海洋监测设备就被抛弃了，然后需要重新投放监测设备，耗资巨大。又或者是定期上浮人工补充能量，这样又大大的限制了其工作深度和广度。
3)对于抛弃的设备，锂电池会污染海洋环境。
4)电池容易发生故障，使设备达不到设计寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种海洋监测设备的供电、驱动装置，能够利用海洋温差为海洋监测设备供电，同时还可以为海洋监测设备提供驱动力，且设备简便、可靠性高、成本低、无污染、寿命长。
本发明的海洋监测设备的供电、驱动装置，包括：相变筒，活塞，单向阀I，蓄能器，三位三通阀，液压马达，发电机，内部油囊，单向阀II，两位两通阀和外部油囊；其中，相变筒通过单向阀II与内部油囊连接，蓄能器通过单向阀I与相变筒连接；蓄能器通过三位三通阀分别与外部油囊和液压马达连接，液压马达与内部油囊、发电机连接；外部油囊通过两位两通阀与内部油囊连接；
其中，单向阀II的流通方向为内部油囊流向相变筒；单向阀I的流通方向为相变筒流向蓄能器；相变筒暴露在海水中，其内部空间被活塞分为上、下两个部分，相变筒上部空间充装固液相变材料，所述固液相变材料的液态密度大于固态密度，且熔点介于表层海水和深层海水之间；外部油囊暴露在海水中，其内部充满液压油；蓄能器内充装液压油和一定压力的氮气；内部油囊装有与发电阶段蓄能器流向内部油囊等量的液压油。
本发明的海洋监测设备的供电、驱动装置的供电、驱动方法，包括如下步骤：
步骤1，初始状态时，所述供电、驱动装置安装在海洋监测设备上，所述相变筒和外部油囊暴露在海水中，单向阀I、单向阀II、三位三通阀、两位两通阀均处于非导通状态；
步骤2，将两位两通阀设置为导通状态，外部油囊内的液压油流入内部油囊，海洋监测设备下潜；在下潜的同时，内部油囊内的液压油流向相变筒；
步骤3，下潜完成后，将两位两通阀切换为非导通状态；控制三位三通阀，使得蓄能器与外部油囊之间处于导通状态、蓄能器与液压马达之间处于阻断状态，液压油由蓄能器流向外部油囊，海洋监测设备上浮，外部油囊内充满液压油后，将三位三通阀切换为非导通状态；在上浮的同时，相变筒中的液压油流向蓄能器；
步骤4，当海洋监测设备上浮至海面时，控制三位三通阀，使得蓄能器与液压马达之间处于导通状态、蓄能器与外部油囊之间处于阻断状态，液压马达在液压油的冲击下转动，并带动发电机发电，发电完成后，供电、驱动装置回到初始状态。
有益效果：
本发明利用固液相变材料随温度变化而进行相变变化的特点，将装有固液相变材料的相变筒与海水直接接触，感受海水的温度变化，使得相变筒中的固液相变材料在设备上浮下潜的过程中反复地凝固与融化，将海洋温差能转化为体积变化，为高压蓄能器充能。然后通过一系列管道与阀门，控制蓄能器释放能量改变外部油囊的体积来驱动设备竖直运动(加入偏心装置可转化为水平锯齿形运动)，并驱动液压马达转动来带动发电机发电，为设备的控制***和测量设备供电。本发明大大提高了海洋监测设备的工作寿命，降低了投放成本，减少了对海洋环境的污染，提高了其的工作可靠性。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
其中，1-相变筒，2-固液相变材料，3-活塞，4-单向阀I，5-蓄能器，6-三位三通阀，7-液压马达，8-发电机，9-内部油囊，10-单向阀II，11-两位两通阀，12-外部油囊，13-液压油。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种海洋监测设备的供电、驱动装置，所述装置安装在海洋检测设备上，其结构示意如图1所示，包括相变筒1，活塞3，单向阀I4，蓄能器5，三位三通阀6，液压马达7，发电机8，内部油囊9，单向阀II10，两位两通阀11和外部油囊12；其中，相变筒1通过单向阀II10与内部油囊9连接，蓄能器5通过单向阀I4与相变筒1连接，蓄能器5同时还与一个三位三通阀6的输入端连接，三位三通阀的输出端分别与外部油囊12和液压马达7的液体输入端连接，液压马达7的液体输出端与内部油囊9连接，外部油囊还与一个两位两通阀11的输入端连接，两位两通阀11的输出端与内部油囊9连接；液压马达7与发电机8连接。其中，相变筒1和外部油囊12暴露在海水中，其与设备置于耐压壳体内；单向阀II10的流通方向为内部油囊9流向相变筒1；单向阀I4的流通方向为相变筒1流向蓄能器5。
其中，相变筒1的内部空间被活塞3分为上、下两个部分，相变筒1上部空间充装固液相变材料2，其中，固液相变材料2的液态密度大于固态密度，且熔点介于表层海水和深层海水之间；外部油囊12充满液压油13，蓄能器5内充装液压油和一定压力的氮气，内部油囊9装有与发电阶段蓄能器5流向内部油囊9等量的液压油。
初始时，本发明装置随海洋检测设备悬浮在海水表面，海洋检测设备的重力等于浮力，相变筒1和外部油囊12暴露在海水中，单向阀I4、单向阀II10、三位三通阀6和两位两通阀11均处于非导通状态。当设备需要下潜时，两位两通阀11置左位，外部油囊12与内部油囊9导通。外部油囊12内的液压油海水压力的作用下，流向内部油囊9，设备体积减小，浮力减小，在重力的作用下设备下潜。随着深度的增加，海水密度增大，设备所受的浮力逐渐增大，当设备受到的浮力等于重力时，设备在预定深度保持悬浮状态。两位两通阀11回右位，外部油囊12与内部油囊9处于非导通状态；同时，随着设备的下潜，海水温度降低直至固液相变材料2熔点以下，固液相变材料2凝固，体积减小，相变筒内的压力减小。当相变筒内的压力小于内部油囊9的压力时，单向阀10导通。内部油囊9内的液压油13流向相变筒1，直至固液相变材料2体积不再变化。
当设备需要上浮时，三位三通阀6置左位，蓄能器5与外部油囊12之间处于导通状态，此时蓄能器5中氮气压力大于外部油囊12外海水压力，液压油13由蓄能器5流向外部油囊12，设备体积增大，浮力大于重力，开始上浮。外部油囊12充满后，三位三通阀6回中位，处于非导通状态。设备到达水面时其浮力等于重力，设备保持悬浮状态；同时，随着设备的上浮，海水温度升高直至超过固液相变材料2融点，固液相变材料2融化，体积增大，压力增大，直至大于蓄能器5中压力，单向阀I4导通，液压油13由相变筒1流向蓄能器5，直至固液相变材料2体积不再变化。
当设备上浮到海面时，三位三通阀6置右位，蓄能器5与液压马达7之间处于导通状态，由于蓄能器5中压力高于内部油囊9压力，液压油13由蓄能器5流向内部油囊9，驱动液压马达7转动，液压马达7带动发电机8发电。当蓄能器5压力下降到初始值时，三位三通阀6回中位，处于非导通状态，发电完成。此时设备回到初始状态，完成了一个工作循环。
其中，液压马达也可以是其他叶轮机。
也可以通过加入固定翼板及偏心装置(通过相应机械机构来改变设备内部部件的位置从而改变整个设备重心位置的装置)，或者可自动调节攻角的翼板改变设备运动姿态，使得设备的上浮下潜垂直运动转化为水平锯齿形运动。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种海洋监测设备的供电、驱动装置，其特征在于，包括：相变筒(1)，活塞(3)，单向阀I(4)，蓄能器(5)，三位三通阀(6)，液压马达(7)，发电机(8)，内部油囊(9)，单向阀II(10)，两位两通阀(11)和外部油囊(12)；其中，相变筒(1)通过单向阀II(10)与内部油囊(9)连接，蓄能器(5)通过单向阀I(4)与相变筒(1)连接；蓄能器(5)通过三位三通阀(6)分别与外部油囊(12)和液压马达(7)连接，液压马达(7)与内部油囊(9)、发电机(8)连接；外部油囊(12)通过两位两通阀(11)与内部油囊(9)连接；
其中，单向阀II(10)的流通方向为内部油囊(9)流向相变筒(1)；单向阀I(4)的流通方向为相变筒(1)流向蓄能器(5)；相变筒(1)暴露在海水中，其内部空间被活塞(3)分为上、下两个部分，相变筒(1)上部空间充装固液相变材料(2)，所述固液相变材料(2)的液态密度大于固态密度，且熔点介于表层海水和深层海水之间；外部油囊(12)充满液压油(13)，蓄能器(5)内充装液压油和一定压力的氮气，内部油囊(9)装有与发电阶段蓄能器(5)流向内部油囊(9)等量的液压油。
2.一种采用如权利要求1所述的海洋监测设备的供电、驱动装置的供电、驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，初始状态时，所述供电、驱动装置安装在海洋监测设备上，所述相变筒(1)和外部油囊(12)暴露在海水中，单向阀I(4)、单向阀II(10)、三位三通阀(6)、两位两通阀(11)均处于非导通状态；
步骤2，将两位两通阀设置为导通状态，外部油囊(12)内的液压油流入内部油囊(9)，海洋监测设备下潜；在下潜的同时，内部油囊(9)内的液压油流向相变筒(1)；
步骤3，下潜完成后，将两位两通阀切换为非导通状态；控制三位三通阀，使得蓄能器(5)与外部油囊(12)之间处于导通状态、蓄能器(5)与液压马达(7)之间处于阻断状态，液压油由蓄能器(5)流向外部油囊(12)，海洋监测设备上浮，外部油囊(12)内充满液压油后，将三位三通阀切换为非导通状态；在上浮的同时，相变筒(1)中的液压油(13)流向蓄能器(5)；
步骤4，当海洋监测设备上浮至海面时，控制三位三通阀，使得蓄能器(5)与液压马达(7)之间处于导通状态、蓄能器(5)与外部油囊(12)之间处于阻断状态，液压马达(7)在液压油的冲击下转动，并带动发电机(8)发电，发电完成后，供电、驱动装置回到初始状态。
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