海洋溫差能供電水下滑翔機(jī)的液電轉(zhuǎn)換過程建模與效率分析

王國暉,楊亞楠,2*,王延輝,2,王樹新,2

海洋溫差能供電水下滑翔機(jī)的液電轉(zhuǎn)換過程建模與效率分析

王國暉1,楊亞楠1,2*,王延輝1,2,王樹新1,2

(1. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津,300072; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家試驗(yàn)室 海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合試驗(yàn)室,山東 青島,266237)

海洋溫差能供電是提高水下滑翔機(jī)的續(xù)航里程和在位工作時(shí)長的有效技術(shù)手段。其能量傳遞路徑的優(yōu)化與能量轉(zhuǎn)化效率提升對(duì)于保證水下滑翔機(jī)正常工作至關(guān)重要?；谒禄铏C(jī)海洋溫差能供電系統(tǒng)中機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換過程的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理與損耗機(jī)理,建立了液壓馬達(dá)以及發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵器件的參數(shù)化能量平衡方程、機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換模型以及轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式,開展了能量轉(zhuǎn)換過程的效率分析。通過平臺(tái)試驗(yàn)與模型求解結(jié)果對(duì)比可知,壓力能-動(dòng)能、動(dòng)能-電能的能量轉(zhuǎn)化效率的相對(duì)誤差較小,分別僅為6.37%、5.12%。驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)模型的效率分析,對(duì)海洋溫差能供電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與試制。在后續(xù)的海試試驗(yàn)中,試驗(yàn)樣機(jī)可以收集6701 J的電能,壓力能-電能轉(zhuǎn)化過程的能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)38.86%,驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

水下滑翔機(jī); 海洋溫差能; 液電轉(zhuǎn)換; 轉(zhuǎn)換效率

0 引言

人類目前對(duì)海洋的探索僅有5%左右,尚有95%的海洋尤其是深遠(yuǎn)海區(qū)域是未知的[1]。對(duì)海洋的科學(xué)認(rèn)知程度取決于海洋觀測(cè)裝備的技術(shù)水平,提高海洋認(rèn)知能力,走向深遠(yuǎn)海必須裝備先行[2]。

水下滑翔機(jī)有別于采用螺旋槳推進(jìn)的無人水下航行器,其通過改變自身浮力實(shí)現(xiàn)往復(fù)剖面的升沉運(yùn)動(dòng),具有能耗水平低、效費(fèi)比高、自持力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),是開展大范圍、長時(shí)序自主觀測(cè)的重要工具[3-4]。當(dāng)前,我國“走向深藍(lán)”重大部署的實(shí)施對(duì)國產(chǎn)水下滑翔機(jī)的續(xù)航力與自持力提出了更高要求。而商用水下滑翔機(jī)一般依靠自身攜帶的電池獲得能量補(bǔ)充,因攜帶的電池能量有限,其續(xù)航能力、自持力受到制約,無法滿足未來深遠(yuǎn)海長期在位任務(wù)的需求?，F(xiàn)有國產(chǎn)水下滑翔機(jī)的續(xù)航力、自持力水平與未來5～10年長期在位觀測(cè)需求存在顯著差距。

利用外界海洋環(huán)境能源是破解水下滑翔機(jī)長期能源供給問題、提升其續(xù)航力與自持力的潛在技術(shù)途徑之一,對(duì)提高水下滑翔機(jī)的“能量自給”水平具有重要價(jià)值。自上世紀(jì)90年代起,基于固-液相變的海洋溫差能利用技術(shù)開始被廣泛采用[5]。水下滑翔機(jī)在往復(fù)穿越冷、熱水層過程中利用固-液相變材料(phase change material,PCM)周期性熱脹冷縮特性實(shí)現(xiàn)熱能-液壓能轉(zhuǎn)化,液壓能經(jīng)蓄能器與液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組件(或外油囊),實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)溫差發(fā)電(或溫差浮力驅(qū)動(dòng))[6-7]。海洋溫差能是海洋表層溫水與深層冷水溫度差之間存在的熱能,具有穩(wěn)定性強(qiáng)、晝夜波動(dòng)小、不受氣象與海況因素影響、只稍隨季節(jié)性變化的特點(diǎn)[8],此外俘獲海洋溫差能的熱交換過程與水下滑翔機(jī)剖面航行過程同步進(jìn)行,因此該技術(shù)適于為采用往復(fù)剖面形式運(yùn)動(dòng)的水下滑翔機(jī)提供能量補(bǔ)給。

針對(duì)海洋溫差能固-液相變、收集、轉(zhuǎn)換的能量過程的研究不斷深入: Kong等[9-10]基于焓法模型并采用液相分?jǐn)?shù)場(chǎng)與溫度場(chǎng)解耦的方法建立了相變傳熱數(shù)學(xué)模型,基于相變液相分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布提出了固-液相變體積變化量計(jì)算方法; 田振華等[11]建立了海洋溫差能固-液相變液壓轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)液壓系統(tǒng)的初選部件開展了仿真計(jì)算,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性; Wang等[12]基于熱力學(xué)方法建立了溫差能相變驅(qū)動(dòng)循環(huán)過程數(shù)學(xué)模型,得出循環(huán)過程理論極限熱效率; 此外,Wang等[13]還建立了溫差相變發(fā)電過程的熱-機(jī)械耦合模型,實(shí)現(xiàn)相變材料與液壓機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)聯(lián),研究了系統(tǒng)油壓與輸出效率、單位輸出能量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了蓄能器對(duì)提升系統(tǒng)性能有重要作用。

綜上所述,海洋溫差能利用過程是包含了熱相變、熱能-壓力能、壓力能-電能多個(gè)能量轉(zhuǎn)換階段,涉及眾多器件及特征參數(shù)的復(fù)雜過程。由于海洋溫差能固-液相變輸出油液體積有限,導(dǎo)致發(fā)電時(shí)長短暫、發(fā)電扭矩小以及器件參數(shù)耦合等現(xiàn)象存在,而針對(duì)液壓能-電能的液電轉(zhuǎn)換過程研究尚未深入,對(duì)影響液電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素也未有清晰認(rèn)識(shí)。文中針對(duì)水下滑翔機(jī)海洋溫差能供電系統(tǒng)的液電轉(zhuǎn)換過程開展建模與效率分析,研究成果可為水下滑翔機(jī)溫差能供電系統(tǒng)研制提供依據(jù)。

1 液電轉(zhuǎn)換過程建模

海洋溫差能供電系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示,其組成主要包括: 1-相變材料; 2-換熱管; 3-電磁閥; 4-蓄能器; 5-發(fā)電機(jī); 6-液壓馬達(dá); 7-蓄電池; 8-皮囊(油液充滿為膨脹狀態(tài),如圖1(a),(d)所示; 無液壓油時(shí)為收縮狀態(tài),如圖1(b),(c)所示)。

初始狀態(tài)如圖1(a)所示,溫差能供電系統(tǒng)漂浮在海面上,皮囊內(nèi)保持有最大油量。當(dāng)滑翔機(jī)下潛至深海時(shí),由于海水溫度較低,換熱管內(nèi)的相變材料凝固收縮,皮囊內(nèi)液壓油逐漸流向換熱管,如圖1(b)所示。而后,隨著供電系統(tǒng)上浮至海洋表面,由于海水溫度較高,換熱管內(nèi)的相變材料融化膨脹,并將換熱管內(nèi)的液壓油注入蓄能器中進(jìn)行存儲(chǔ)。在這個(gè)過程中,蓄能器的壓力不斷上升,當(dāng)蓄能器的壓力達(dá)到其設(shè)定的最大壓力時(shí),電磁閥開啟,蓄能器中的液壓油經(jīng)液壓馬達(dá)流入皮囊之中。與此同時(shí),液壓馬達(dá)在液壓油的作用下帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而產(chǎn)生電能,并經(jīng)整流電路存儲(chǔ)于蓄電池中,如圖1(c)和圖1(d)所示。

圖1 海洋溫差能供電水下滑翔機(jī)工作原理

由上述海洋溫差能供電系統(tǒng)工作過程分析可知,液電轉(zhuǎn)換過程涉及了壓力能(初始蓄能器內(nèi)存儲(chǔ))—?jiǎng)幽?液壓馬達(dá))—?jiǎng)幽?變速器)—?jiǎng)幽?發(fā)電機(jī))—電能(發(fā)電機(jī)輸出)多個(gè)步驟,其中液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)完成了能量形式的轉(zhuǎn)變,在能量形式轉(zhuǎn)變過程中既獲得有用能量,同時(shí)伴隨著多種形式的能量損耗與流失。文中基于液壓馬達(dá)以及發(fā)電機(jī)的工作原理,研究能量轉(zhuǎn)換與損耗機(jī)理,揭示出不同形式能量間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的機(jī)制。

1.1 液壓馬達(dá)效率模型

液壓馬達(dá)作為將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能的核心組件,其性能的好壞直接影響著海洋溫差能供電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。能量轉(zhuǎn)化效率可以分為容積效率和機(jī)械效率,容積效率為

式中:h為液壓馬達(dá)的排量;m為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度;in為內(nèi)泄露系數(shù);em為外泄露系數(shù);h為液壓馬達(dá)的進(jìn)油口壓強(qiáng);tk為液壓馬達(dá)的泄油口壓強(qiáng);e為有效體積彈性模量;0為蓄能器充氣壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的氣囊體積。

由式(1)可知,在馬達(dá)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下,液壓馬達(dá)容積效率與工作壓力、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速以及彈性模量等有關(guān)。

由液壓馬達(dá)和負(fù)載之間的力矩平衡方程可以推出液壓馬達(dá)的機(jī)械效率

式中:t為液壓馬達(dá)和負(fù)載折算到液壓馬達(dá)軸上的總慣量;m為黏性阻尼系數(shù);為彈性阻尼系數(shù); 由式(2)可以看出,液壓馬達(dá)機(jī)械損耗主要與液壓馬達(dá)兩端壓差、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速相關(guān)。

根據(jù)式(1)和式(2)可知液壓馬達(dá)的效率

1.2 發(fā)電機(jī)效率模型

發(fā)電機(jī)是將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)電能的核心組件。永磁無刷直流發(fā)電機(jī)因其功率密度大、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)等。發(fā)電機(jī)的效率為

式中,hm為發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率,也為液壓馬達(dá)的輸出功率。根據(jù)液壓馬達(dá)液壓功率的定義可知,液壓馬達(dá)的輸出功率為

發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的損耗主要包括銅損、鐵損、磁滯損耗以及雜散損耗4部分。其中,銅損和鐵損是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的主要損耗,約占總體損耗的80%左右。一般情況下,采用等效電路的方式對(duì)電機(jī)效率進(jìn)行分析[15]。其在0坐標(biāo)系下的發(fā)電機(jī)等效電路如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)等效電路模型

對(duì)上述等效電路進(jìn)行分析,可以得到發(fā)電機(jī)的銅損cu和鐵損fe分別為

式中:為軸電流;為軸電流;L為軸電感;L為軸電感;fe為發(fā)電機(jī)的等效鐵阻;s為發(fā)電機(jī)的等效內(nèi)阻;f為基波磁鏈;r為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度;e為發(fā)電機(jī)的電磁力矩;p為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

故總損耗

將式(5)～式(8)代入式(4),則可得發(fā)電機(jī)的效率模型

利用式(3)和式(9)系統(tǒng)的液電轉(zhuǎn)化效率

2 模型驗(yàn)證與液電轉(zhuǎn)換過程效率分析

2.1 模型驗(yàn)證

文中采用海洋溫差能供電系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試裝置開展液電轉(zhuǎn)換過程模型與效率計(jì)算公式的驗(yàn)證。如圖3和圖4所示,室內(nèi)測(cè)試裝置包括換熱單元、液壓?jiǎn)卧鲃?dòng)單元、儲(chǔ)電單元和數(shù)據(jù)采集器,其中換熱單元由冷熱交換機(jī)、恒溫水槽、溫度傳感器及固-液相變換熱器組成; 液壓?jiǎn)卧蓡蜗蜷y、蓄能器、壓力傳感器、電磁閥、可調(diào)節(jié)流閥、液壓馬達(dá)、調(diào)壓閥、液位傳感器、油箱及各液壓器件之間的液壓管組成; 傳動(dòng)單元由聯(lián)軸器、速度傳感器、扭矩傳感器、減速器及發(fā)電機(jī)組成; 儲(chǔ)電單元由整流橋模塊、蓄電池、電流傳感器及電壓傳感器組成。相關(guān)元器件參數(shù)如表1所示。

在試驗(yàn)中,分別由壓力傳感器記錄蓄能器壓力值h; 電流傳感器記錄充電電流charge; 電壓傳感器記錄充電電壓charge; 紅外線速度傳感器記錄發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)速h; 扭矩傳感器記錄液壓馬達(dá)輸出軸扭矩h; 油箱的液位傳感器記錄液壓油外泄量out。此外,液壓油內(nèi)泄量leak由液壓馬達(dá)旁通口的試管記錄,發(fā)電時(shí)長由數(shù)據(jù)采集器生成。

圖3 海洋溫差能供電系統(tǒng)室內(nèi)模擬測(cè)試裝置構(gòu)成示意圖

圖4 海洋溫差能供電系統(tǒng)室內(nèi)模擬測(cè)試裝置

表1 相關(guān)元器件參數(shù)列表

為與溫差能-電能轉(zhuǎn)化效率模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)各能量轉(zhuǎn)化過程中的試驗(yàn)效率及全過程能量轉(zhuǎn)化效率定義如下

式中:h_Exp為試驗(yàn)測(cè)定的液壓馬達(dá)效率;e_Exp為試驗(yàn)測(cè)定的發(fā)電機(jī)效率;k為液壓馬達(dá)輸出的機(jī)械功率;h為輸入液壓馬達(dá)的液壓功率;e為發(fā)電機(jī)的輸出電功率。

為了驗(yàn)證液壓系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性,選取了10個(gè)工作點(diǎn)對(duì)液壓馬達(dá)的總效率進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定和仿真分析,結(jié)果如圖5所示。其中代表了仿真值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差。測(cè)定點(diǎn)的壓力和轉(zhuǎn)速值如表2所示。由圖可知,仿真值和試驗(yàn)測(cè)定值之間的吻合度較高,相對(duì)誤差較小,平均誤差僅為6.37%,證明了液壓馬達(dá)效率模型的準(zhǔn)確性。

圖5 不同測(cè)定點(diǎn)液壓馬達(dá)效率值的仿真值、試驗(yàn)測(cè)定值及相對(duì)誤差

表2 液壓馬達(dá)效率測(cè)定點(diǎn)

圖6是隨機(jī)選取10個(gè)工作點(diǎn)的情況下,發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)測(cè)定值和仿真值。測(cè)定點(diǎn)的發(fā)電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速值如表3所示。由圖可知,仿真值和試驗(yàn)測(cè)定值間的吻合度較高,相對(duì)誤差較小,平均誤差僅為5.12%。展示了試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果良好的一致性,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖6 不同測(cè)定點(diǎn)發(fā)電機(jī)效率值的仿真值、試驗(yàn)測(cè)定值及相對(duì)誤差

表3 發(fā)電機(jī)效率測(cè)定點(diǎn)

2.2 液電轉(zhuǎn)換過程效率分析

針對(duì)文中選用的液壓馬達(dá),通過對(duì)其工作效率、工作壓力及轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析得到最佳的工作區(qū)間。由式(1)～式(9)可得選定的液壓馬達(dá)的容積效率、機(jī)械效率隨壓力及轉(zhuǎn)速的變化情況分別如圖7(a)與圖7(b)所示。

由圖7(a)可知,液壓馬達(dá)的容積效率隨著壓力的升高而降低,這是由于隨著壓力的升高,液壓馬達(dá)高低壓兩側(cè)的壓差增大,使其內(nèi)漏量增加; 相同壓力條件下,容積效率隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高,這是由于轉(zhuǎn)速高意味著理論流量大,而泄漏量和轉(zhuǎn)速無關(guān)。由圖7(b)可知,液壓馬達(dá)的機(jī)械效率隨壓力的升高呈上升趨勢(shì),這是由于隨著壓力的增大,根據(jù)式(2)可知,液壓馬達(dá)高低壓兩側(cè)的壓差增大,液壓功率增大,但是其在轉(zhuǎn)速不變的前提下機(jī)械能量損耗基本不變,從而造成機(jī)械效率隨之增大。在相同壓力條件下,機(jī)械效率隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低。

圖7 液壓馬達(dá)效率隨壓力和轉(zhuǎn)速變化曲線圖

由式(4)可得液壓馬達(dá)的效率與工作壓力、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,如圖7(c)所示。由圖可知,當(dāng)液壓馬達(dá)處于低速、小扭矩情況下時(shí),該液壓馬達(dá)可以處于較高的效率工作區(qū)間。但是,為了保證能量存儲(chǔ)量,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)壓力h范圍在15～21 MPa之間。在此區(qū)間內(nèi),該液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速h在800～ 1 000 r/min之間,液壓馬達(dá)的能量轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高,最大效率hmax為50%。根據(jù)液壓馬達(dá)輸出的機(jī)械功率的定義,液壓馬達(dá)的輸出功率

式中:h為液壓馬達(dá)排量,由表1得h=0.14 mL/r;h為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,其與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度m之間的關(guān)系為

發(fā)電機(jī)的輸入功率受限于液壓馬達(dá)的輸出功率。當(dāng)液壓馬達(dá)工作在文中設(shè)置的最優(yōu)工作狀態(tài)時(shí),根據(jù)式(13)以及對(duì)圖7的分析可知,液壓馬達(dá)輸出的最大機(jī)械功率為25 W。因此,發(fā)電機(jī)僅可能在如圖8中的紫色區(qū)域內(nèi)工作(≤25 W)。此外,當(dāng)發(fā)電機(jī)在如圖8中紫色區(qū)域和高效率區(qū)間的交匯區(qū)域內(nèi)工作時(shí),發(fā)電機(jī)的效率較高。此時(shí),對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為5000 ～7000 r/min。

圖8 發(fā)電機(jī)效率隨扭矩和轉(zhuǎn)速變化情況.

分析可知,液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速存在差異。為了使液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)均可在其各自最優(yōu)的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)工作,采用了1個(gè)增速機(jī)構(gòu)將液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速(800～1000 r/min)增至發(fā)電機(jī)的理想工作轉(zhuǎn)速(5000 ～7 000 r/min),增速比為6∶1。

3 海域試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

在上述分析的基礎(chǔ)上,研制了面向水下滑翔機(jī)的溫差能供電裝置。2018年6月,在中國南海海域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行發(fā)電性能測(cè)試。在試驗(yàn)中,首先將該溫差能供電系統(tǒng)放置于1000 m水深3 h,該深度水溫約為4℃; 而后樣機(jī)浮至海洋表面,并在水面停留3 h。表層海水的溫度約為30℃。樣機(jī)如圖9(a)所示,海試現(xiàn)場(chǎng)如圖9(b)所示。

圖9 海洋溫差能供電系統(tǒng)原型樣機(jī)及海試現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中的下潛深度dive及蓄能器壓力h隨時(shí)間的變化情況如圖10所示。當(dāng)樣機(jī)漂浮至海洋表面時(shí),蓄能器入口的壓力快速升至預(yù)充壓力16.5 MPa,在經(jīng)過30 min之后達(dá)到設(shè)定的壓力上限20.5 MPa。而后電磁閥開啟,蓄能器中液壓油帶動(dòng)液壓馬達(dá),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而為電池充電。當(dāng)蓄能器入口壓力降低至16.5 MPa時(shí),電磁閥關(guān)閉,至此完成了第1個(gè)發(fā)電循環(huán)。在1次剖面運(yùn)動(dòng)中,該樣機(jī)可完成4次上述循環(huán)。

圖10 海試中樣機(jī)下潛深度和蓄能器壓力隨時(shí)間變化曲線

考慮到蓄能階段并非文中研究重點(diǎn),因而在后續(xù)的討論中僅對(duì)發(fā)電階段進(jìn)行討論。圖11為海試中發(fā)電階段電池的充電功率與電池存儲(chǔ)電量。由圖可知,在4個(gè)發(fā)電循環(huán)中,發(fā)電機(jī)最大輸出功率可達(dá)30 W,平均功率25 W,1個(gè)潛水剖面的累積發(fā)電時(shí)長為300 s,累積發(fā)電量可達(dá)6701 kJ。

圖11 海試中電池充電功率和存儲(chǔ)能量曲線

為了便于計(jì)算樣機(jī)的電液轉(zhuǎn)化效率,對(duì)液電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)效率定義如下

式中:e為電池存儲(chǔ)能量;ha為蓄能器輸出的壓力能,且

根據(jù)圖12的蓄能器輸出壓力和流量曲線,利用式(16)可得樣機(jī)所收集壓力能ha=17244 J,而電池存儲(chǔ)電能e=6 701J,利用式(15)得樣機(jī)在海試中液電轉(zhuǎn)化過程的能量轉(zhuǎn)化效率為38.86%。

圖12 海試中發(fā)電時(shí)蓄能器出口端壓力和流量曲線

由圖13可知,利用模型估算的液壓馬達(dá)能量轉(zhuǎn)化效率h為49%～45%,平均能量轉(zhuǎn)化效率為47%。由圖14可知,利用模型估算的發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率e為77%～75%; 平均能量轉(zhuǎn)化效率為76%; 利用式(10)可得通過模型估算的樣機(jī)液電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率為35.72%。能量轉(zhuǎn)化效率與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖13 海試中樣機(jī)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液壓馬達(dá)總效率仿真值

圖14 海試中樣機(jī)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)效率仿真值

4 結(jié)束語

文中基于水下滑翔機(jī)海洋溫差能供電系統(tǒng)中液壓能-電能轉(zhuǎn)換過程的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理與損耗機(jī)理,建立了關(guān)鍵器件的參數(shù)化能量平衡方程以及液電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式,開展了液電轉(zhuǎn)換過程的效率分析計(jì)算。通過室內(nèi)模擬測(cè)試與海試驗(yàn)證了理論模型的正確性與樣機(jī)的有效性。得到如下結(jié)論。1) 通過室內(nèi)測(cè)試裝置驗(yàn)證了理論模型可準(zhǔn)確對(duì)液電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行預(yù)測(cè)。壓力能-動(dòng)能、動(dòng)能-電能的能量轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)值和仿真值之間的相對(duì)誤差分別為6.37%,5.12%。2) 當(dāng)液壓馬達(dá)的工作條件處于低速小扭矩狀態(tài)時(shí),其能量轉(zhuǎn)化效率較高; 發(fā)電機(jī)處于高速大扭矩狀態(tài)時(shí),其能量轉(zhuǎn)化效率較高。3) 海試結(jié)果表明,在一個(gè)工作剖面內(nèi)海洋溫差能供電系統(tǒng)可累計(jì)發(fā)電6701J,平均液電能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)38.85%,滿足水下航行器的能量需求,驗(yàn)證了樣機(jī)的有效性。

文中結(jié)論可為水下滑翔機(jī)溫差能供電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與商業(yè)化選型提供參考。下一步的工作將對(duì)能量傳遞過程可控參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)控制,以延長系統(tǒng)在高效率工作區(qū)間的工作時(shí)間。

[1] 唐國建,崔鳳. 海洋開發(fā)對(duì)中國未來發(fā)展的戰(zhàn)略意義初探[J]. 上海行政學(xué)院學(xué)報(bào),2013,14(5): 56-61.

Tang Guo-jian,Cui Feng. The Strategic Significance of Marine Development for Chinese Future Development[J]. The Journal of Shanghai Administration Institute,2013,14(5): 56-61.

[2] 李乃勝. 聚焦海洋裝備國產(chǎn)化,為建設(shè)海洋強(qiáng)國提供強(qiáng)有力的工具性支撐[N]. 中國科學(xué)報(bào),2017-8-9.

[3] 俞建成,孫朝陽,張艾群. 海洋機(jī)器人環(huán)境能源收集利用技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 機(jī)器人,2018,40(1): 89-101.

Yu Jian-cheng,Sun Chao-yang,Zhang Ai-qun. The Present Status of Environmental Energy Harvesting and Utilization Technology of Marine Robots[J]. Robot,2017,40(1): 89-101.

[4] 沈新蕊,王延輝,楊紹瓊,等. 水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2018,26(2): 89-106.

Shen Xin-lei,Wang Yan-hui,Yang Shao-qiong,et al. Development of Underwater Gliders: An Overview and Prospect[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems,2018,26(2): 89-106.

[5] Webb D,Simonetti P,Jones C. SLOCUM: An Underwater Glider Propelled by Environmental Energy[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,2001,26(4): 447-452.

[6] Yang Y,Wang Y,Ma Z,et al. A Thermal Engine for Underwater Glider Driven by Ocean Thermal Energy[J]. Applied Thermal Engineering,2016,99: 455-464.

[7] Ma Z,Wang Y,Wang S,et al. Ocean Thermal Energy Harvesting with Phase Change Material for Underwater Glider[J]. Applied Energy,2016,178(15): 557-566.

[8] Wang M,Jing R,Zhang H,et al. An Innovative Organic Rankine Cycle(ORC) Based Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) System with Performance Simulation and Multi-objective Optimization[J]. Applied Thermal Engineering,2018,145: 743-754.

[9] Kong Q,Ma J,Che C. Numerical Simulation and Experimental Study of Volumetric Change Rate During Phase Change Process[J]. International Journal of Energy Research,2009,33(5): 513-525.

[10] Kong Q,Ma J,Xia D. Numerical Simulation and OptimiZation of Underwater Glider Operating Process[J]. Rene- wable Energy,2010,35: 771-779.

[11] 田振華,周友援,柳軍飛. 海洋溫差能發(fā)電自升降平臺(tái)系統(tǒng)建模與仿真[J]. 四川兵工學(xué)報(bào),2014,35(1): 31-33,52.

Tian Zhen-hua,Zhou You-yuan,Liu Jun-fei. Modeling and Simulating of Thermal Recharging(TREC) and Power Unit[J]. Journal of Sichuan Ordnance,2014,35(1): 31-33,52.

[12] Wang G,Ha D,Wang K. Harvesting Environmental Thermal Energy Using Solid/liquid Phase Change Materials[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2018,29(8): 1632-1648.

[13] Wang G,Ha D,Wang K. A Scalable Environmental Thermal Energy Harvester Based on Solid/liquid Phase-change Materials[J]. Applied Energy,2019,250: 1468-1480.

[14] 桑勇,邵利來,趙健龍,等. 基于 AMESim 蓄能器組的動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 液壓氣動(dòng)與密封,2018,38(1): 20-24.

Sang Yong,Shao Li-lai,Zhao Jian-long,et al. Study on Multiple Accumulator in Hydraulic System Based on AMESim[J]. Hydraulics Pneumatics and Seals,2018,38 (1): 20-24.

[15] 林添良．工程機(jī)械節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2017: 101-105．

Modeling and Efficiency Analysis of the Hydro-electric Conversion Process of Underwater Glider Powered by Ocean Thermal Energy

1,1,2*,1,2,1,2

(1. School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China; 2. The Joint Laboratory of Ocean Observing and Detection,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266237,China)

Ocean thermal energy power supply is an effective technique to increase the duration and range of underwater gliders. The optimization of the energy transfer path and improvement of the energy conversion efficiency are crucial for improving the operation of underwater gliders. Based on the energy conversion mechanism and loss mechanism of the mechanical energy-electric energy conversion process in the ocean thermal energy power supply system of underwater gliders,this study establishes the parametric energy balance equation,mechanical energy-electric energy conversion model,and conversion efficiency calculation equation of the hydraulic motor and generator and other key devices as well as performs an efficiency analysis of the energy conversion process. The relative error in the conversion efficiency of pressure-kinetic energy and kinetic-electric energy conversions,when comparing the results of the platform test and the model simulation,are 6.37% and 5.12%,respectively. The accuracy of the model is therefore verified,as these relative errors are small. As a result,the optimal design and prototyping of the ocean thermal energy power supply are performed. In the sea trial,the test prototype can harvest 6 701 J of electrical energy,and the energy conversion efficiency of the pressure-electric energy conversion process can reach 38.86%,validating the accuracy and effectiveness of the proposed model.

underwater glider; ocean thermal energy; hydro-electric conversion; conversion efficiency

TJ630; TP242

A

2096-3920(2021)04-0451-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.012

王國暉,楊亞楠,王延輝,等. 海洋溫差能供電水下滑翔機(jī)的液電轉(zhuǎn)換過程建模與效率分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2021,29(4): 451-458.

2020-07-28;

2020-11-11.

國家自然科學(xué)基金(52006155).

通信作者簡(jiǎn)介:楊亞楠(1988-),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境能源水下航行器研制及其應(yīng)用.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)