[发明专利]利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型无人潜水器系统，特别是涉及一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，可作为长航时、远航程深海探索和海洋环境监测的重要手段。同时，该系统也可用于深空探测领域，在未来类行星表面深海环境探测方面发挥重要作用。

背景技术

海洋战略对国民经济和国家安全具有十分重要的战略意义。作为深海探索的必备工具之一，无人潜水器越来越受到各国的关注。与传统的螺旋桨推进无人潜水器相比，作为一类新型的无人潜水器，水下滑翔机非常安静，并通过自身浮力改变和姿态调节沿锯齿型路径航行。常规无人潜水器(包括水下滑翔机)能源能量密度低，续航能力差，要求潜水器在海下工作阶段定时浮上水面进行人工补充动力能源，极大地限制了潜水器的航行广度和深度。

海洋表层和深层水温存在明显差异性，导致其蕴藏着巨大的热力位能，称为海洋温差能，或称海洋热能。海洋水温大体上随深度的增加呈不均匀递减，暖水只限于较薄的近表层之内，其下便是温度铅直梯度较大的水层，在不太厚的深度内，水温迅速递减，此层即为主温跃层。海洋表层暖水区和深入冷水区的温差大约在20度左右。

利用海洋温差能解决长航时无人潜水器面临的动力和能源问题一直是国内外研究的热点。目前，主要应用海洋温差能为无人潜水器提供浮力或电力供应，其主要原理是利用海洋温差能实现相变工质的状态变化，产生体积变化，从而进行压缩或膨胀做功，产生浮力或发电。在提供浮力方面，最早由Webb研究公司提出，主要利用石蜡固液相变推进活塞(U.S.Patent 5,291,847)或储液胆体积变化产生浮力或利用氨水或氟利昂21汽液相变(U.S.Patent 5,303,552)促使液压油内外流动产生浮力。在利用海洋温差能无人潜水器发电方面，主要有美国JPL公司提出的利用海洋温差能实现CO₂汽液相变透平发电和石蜡固液相变推动活塞刨齿机发电概念。

然而，上述思路和概念仅考虑海洋温差能的单一用途，或单纯提供浮力，实现无人潜水器的浮潜滑翔控制；或单纯实现发电，解决无人潜水器的能源供应。对于单纯利用海洋温差能提供浮力，仅能解决无人潜水器动力推进问题，而还需40％左右的额外电能供应有效载荷；对于单纯利用海洋温差能发电，其所产生的电能还需满足无人潜水器浮潜动力推进消耗，是否能实现真正意义上的无能源推进无人潜水器目标尚需深入研究。因此，只有将基于海洋温差能的浮力、发电功能有机结合，才能从根本上解决无人潜水器浮潜滑翔的动力问题、长航时的能源供应难题，无需携带额外能源和定期补给，实现真正意义的长航时、远航程、浮潜滑翔控制能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于海洋温差能发电和浮潜滑翔控制无人潜水器系统，使无人潜水器真正摆脱外部动力和能源限制，具备长航时、远航程、浮/潜滑翔控制能力。

本发明进一步的解决问题是：能够提供机动巡航功能，实现应急快速机动。

本发明的技术解决方案是：一种利用海洋温差能发电和浮潜滑翔控制的无人潜水器系统，包括潜水器壳体、多功能翼面、蓄能腔、外胆、内胆、三通阀、单向阀、安全阀、止回阀、蓄电池；

多功能翼面对称安装在潜水器壳体两侧，多功能翼面内部存储相变工质和传输液体，相变工质采用在海洋温度梯度和深海压差变化范围内能实现固液相变的工质，通过相变过程体积的变化控制多功能翼面内传输液体的传输；多功能翼面根部安装外胆，外胆内存储传输液体；蓄能腔内存储工作气体及传输液体；三通阀控制进出外胆的传输液体的流入和流出方向；单向阀控制经内胆与多功能翼面及蓄能腔内传输液体的流入或流出；安全阀控制控制多功能翼面内的传输液体的达到预设的出口压力时流入发电机，止回阀控制发电机的进口压力；蓄电池上连发电机，下连测控设备和探测设备。

还包括尾部推进器；当无人潜水器需要快速机动时，蓄电池向尾部推进器供电，无人潜水器进入水平快速机动运行状态。

所述安全阀起蓄积压强作用，将多功能翼面内的传输液体蓄积至设定压强后流入发电机，安全阀的打开压差设定为MPa级。

所述的多功能翼面包括翼面外框体、移动活塞和导流孔；

移动活塞之间内腔存储传输液体，相变工质对称存储于移动活塞与翼面外框体之间的空间内；翼面外框体底部设置导流孔，多功能翼面内的传输液体经导流孔与传输管路连接。

内胆和外胆由柔性织物材料制成。