用于海底仪器的微型热电能量原位收集装置的制作方法

本发明属于海底观测技术领域，涉及一种用于海底仪器的微型热电能量原位收集装置，尤其涉及一种采用双层中空圆柱体结构的温差发电单元微型热电能量原位收集装置，主要针对海底热液等在较小范围内存在较大温差的海底环境。

背景技术：

深海大洋中的海底热液活动是国际海洋科学研究的热点之一，通过海底科学仪器来观测热液环境是主要的研究手段。现有技术通常采用水下机器人或自容式着底器搭载科学仪器来采集海底热液环境参数，均难以长期在海底原位工作。采用最新技术的海底观测网可实现海底仪器的长期持续供电，但在海底观测网的生命周期里，随着科学仪器的种类和数量不断增加，海底负荷将会越来越重。为了维持观测网运行稳定，当海底负荷过重时，某些仪器必须被暂时切除；当观测网上的某些水密电缆损坏而接海短路时，相关仪器必须暂时断电并等待维修；当观测网接口不足或观测点距离较远时，所需仪器暂时无法直接连接至观测网。

海洋中蕴藏着丰富的能源，主要有温差能、盐差能、波浪能、潮汐能、海流能，其中温差能储量最大。利用海洋温差能可以发电，温差发电又称热电发电。通常热液温度多在50-400℃，而周围的深海海水通常只有2-4℃，因此在较小范围内存在较大的温差，能量密度大，非常适合用来收集这些能量后给海底热液仪器供电。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于海底仪器的微型热电能量原位收集装置，实现海底热液仪器的自供电，从而大大增强对海底热液的科学观测能力。

本发明的技术方案是：

用于海底仪器的微型热电能量原位收集装置，包括温差发电单元100和温差能量管理单元200，所述温差能量管理单元200与温差发电单元100之间通过水密电缆连接：

所述温差发电单元100是双层中空圆柱体结构，包括内筒110、外筒120、上端盖130、下端盖140、半导体温差发电片150、堵头160和压块170；内筒110位于外筒120内，内筒110和外筒120外壁沿横向开有若干个凹槽111，所述凹槽111用于放置半导体温差发电片150，半导体温差发电片150的热端紧贴内筒110外壁，压块170通过堵头160压紧固定于外筒120上，所述堵头160为带有密封圈的螺母结构，其螺母头与低温海水直接接触，堵头160一端穿过外筒120，与半导体温差发电片150的冷端紧贴，将半导体温差发电片150压紧固定在内筒110上，在其热端和冷端持续形成较大的温差；所述内筒110内壁与高温热液直接接触；所述内筒110和外筒120两端分别通过上端盖130和下端盖140密封；

所述温差能量管理单元200由直流变换器210、蓄电池220、继电器230、微控制器240组成，半导体温差发电片150通过水密连接器和水密电缆连接直流变换器210，直流变换器210的输出端连接蓄电池220，微控制器240分别连接蓄电池220和继电器230，直流变换器210将半导体温差发电片150获得的电能进行电压变换后，存储在蓄电池220中，微控制器240通过监测蓄电池220两端的电压来监测来监测蓄电池220中的电量：当蓄电池220中所储存的电能总量足够大时，微控制器240通过数字端口控制继电器230闭合，从而给海底热液仪器供电；当蓄电池220中所储存的电能总量过低时，微控制器240及时控制继电器230断开，从而暂时停止给海底热液仪器供电。

本发明中，所述半导体温差发电片150、堵头160和压块170的数量相同。

本发明中，所述上端盖130、下端盖140都为中空环形结构，上端盖130和下端盖140的内壁和外壁均带有两道密封圈，上端盖130或下端盖140与内筒110和外筒120连接处通过两道密封圈密封，以实现对半导体温差发电片150的防水。

本发明中，所述内筒110的外壁加工有四个平面凹槽111，每个平面凹槽111上可以放置一片半导体温差发电片150，相邻的半导体温差发电片150并联，增大输出功率。

本发明中，所述外筒120的外壁加工有四个平面凹槽，方便安装压块170和堵头160。

本发明中，所述内筒110、外筒120、上端盖130、下端盖140、堵头160和压块170均为同种材料的钛合金制作。

本发明的工作原理是：

当该装置放置在海底时，温差发电单元布放在热液喷口上，使得高温热液和低温海水分别流过温差发电单元的内筒内壁和外筒外壁，而温差能量管理单元布放在热液喷口附近的海水中，温差发电单元和温差能量管理单元之间通过水密电缆连接。通过堵头将半导体温差发电片压紧固定在装置的内筒上，使得半导体温差发电片的热端和冷端分别紧贴内筒外壁和堵头，从而在各个半导体温差发电片的冷热两端提供一个较大的温差。热端通过高温热液来提供热量，冷端通过周围低温海水来散热，利用塞贝克效应，将温差能直接转换成电能。半导体温差发电片从环境中获得电能后，通过水密连接器和水密电缆输送到温差能量管理单元，为海底仪器供电。

本发明的有益效果是：

本发明所述温差发电单元采用中空圆柱体结构和半导体温差发电片，具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声和使用寿命长等优点。本发明所述温差能量管理单元，具有低功耗、简单高效和高稳定性等优点。海洋中存在着丰富的温差能，利用高温热液和低温海水，在半导体温差发电片的冷热两端提供较大的温差，从而获得较多的电能，是一种环保的能源利用方式。

附图说明

图1是本发明涉及的温差发电单元结构示意图。

图2是本发明涉及的上端盖示意图。

图3是本发明涉及的下端盖示意图。

图4是本发明涉及的外筒示意图。

图5是本发明涉及的内筒示意图。

图6是本发明涉及的内筒径向剖面图。

图7是本发明涉及的堵头示意图。

图8是本发明涉及的压块示意图。

图9是本发明涉及的温差能量管理单元的结构图。

图中标号：100温差发电单元，110内筒，120外筒，130上端盖，140下端盖，150半导体温差发电片，160堵头，170压块，180水密连接器，111凹槽，112第一密封圈，121凹槽，122堵头孔，123水密连接器孔，124压块孔，131通孔，132密封圈，141通孔，142第二密封圈，161螺纹，162沟槽，171孔，172沟槽，200温差能量管理单元，210直流变换器，220蓄电池，230继电器，240微控制器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步的说明。

实施例１：

图1表示所述温差发电单元100，是一种双层中空圆柱体结构，包括自内向外同轴线安装的内筒110和外筒120，内筒110和外筒120的上端用环状的上端盖130进行密封，内筒110和外筒120的下端用环状的下端盖140进行密封，内筒110和上端盖130、下端盖140通过内筒上的第一密封圈112进行密封，外筒120和上端盖130通过上端盖上的密封圈132进行密封，外筒120和下端盖140通过下端盖上的第二密封圈142进行密封，这样内筒110、外筒120、上端盖130和下端盖140就构成一个密闭的腔体。在密闭的腔体内，内筒110和外筒120之间装有半导体温差发电片150，半导体温差发电片150的热端紧贴在内筒110的外壁上，冷端通过堵头160顶紧，同时还要注意密封，压块170通过堵头160压紧固定于外筒120上，通过压块170上的沟槽172和堵头160上的沟槽162，采用轴向密封和径向密封相结合的方式进行密封。外筒120的其中一个平面凹槽121上面开有水密连接器孔123，用于连接水密连接器180，半导体温差发电片150的输出端与水密连接器180连接。

图2表示所述上端盖130，上面开有六个通孔131，并且装有密封圈132，用于上端盖130和外筒120的密封。

图3表示所述下端盖140，上面开有六个通孔141，并且装有第二密封圈142，用于下端盖140和外筒120的密封。

图4表示所述外筒120，外筒120的外壁上加工了四个平面凹槽121，上面开有堵头孔122和压块孔124，用于安装堵头160和压块170。其中一个平面凹槽121上面开有水密连接器孔123，用于连接水密连接器180。

图5和图6表示所述内筒110，内筒110的外壁上加工了四个平面凹槽111，用于安装温差发电片150。内筒110的上下两端都装有第一密封圈112，用于内筒110和上端盖130、下端盖140的密封。

图7表示所述堵头160，上面有螺纹161和沟槽162，用于径向密封和将半导体温差发电片150压紧固定于内筒110上，同时用来散热。

图8表示所述压块170，上面开有通孔171和沟槽172，用于轴向密封。

图9表示所述温差能量管理单元200，主要由直流变换器210、蓄电池220、继电器230和微控制器240组成。直流变换器210将温差发电单元100输出的直流电压变换为可供蓄电池220充电的电压。微控制器240通过监测蓄电池220两端的电压来监测蓄电池220中的电量：当蓄电池220中所储存的电能总量足够大时，微控制器240通过数字端口控制继电器230闭合，从而给海底热液仪器供电；当蓄电池220中所储存的电能总量过低时，微控制器240及时控制继电器230断开，从而暂时停止给海底热液仪器供电。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。