一种海洋浮体新能源动力定位系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种海洋浮体新能源动力定位系统：包括光伏电池板、光伏蓄电池组、温差驱动涡轮、温差发电机、磁流体推进控制中心、磁流体推进器；光伏太阳能板经过光伏充放电控制器与光伏蓄电池组相连；光伏蓄电池组分别与磁流体推进控制中心和温差发电机相连；充放电蓄电池组分别与抽水泵和温差发电机相连，温差发电机还分别与磁流体推进控制中心和温差驱动涡轮连接；磁流体推进控制中心还分别与磁流体推进器、北斗定位系统以及水文信息采集传感器连接。本海洋浮体新能源动力定位系统采用温差能和太阳能作为主要能源、采用磁流体推进技术作为定位手段具有维护成本低、操纵灵活、噪声低、不受作业水深限制等优势。
【专利说明】
一种海洋浮体新能源动力定位系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种海洋浮体位置与方向动力定位系统，特别是涉及一种海洋浮体新能源动力定位系统。
【背景技术】
[0002]温差发电技术是一种利用海洋表面与深层之间所蕴藏的巨大的温差能来进行发电的新型能源技术。由于温差能来源于太阳辐射，温差能又是一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。将温差发电技术应用于海洋浮体位置与方向动力定位系统的能源供给，可以很好地解决海洋浮体的动力来源和日常维护问题，从而大幅降低海洋浮体的维护和使用成本。
[0003]温差发电技术采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循环基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动叶轮发电的技术，其主要构件包括蒸发器、冷凝器、涡轮机以及工作流体栗。通过高温热源加热蒸发器内的工作介质使其蒸发，蒸发后的工作介质在涡轮机内绝热膨胀，推动涡轮机的叶片而达到发电的目的，发电后的工作介质蒸汽被导入冷凝器，并将其热量传给低温热源，因而被冷却，然后经循环栗送入蒸发器，形成一个循环。传统温差发电技术选用低沸点的工质来作为蒸汽推动汽轮机进行发电，以海洋表面海水为热源，深层海水为冷源。虽然冷热源的来源广泛，但是由于海水热容大的原因使得热源的温度不是很高，使得低沸点工质受热蒸发后形成的蒸汽压力较低，限制了自身的能量转换，降低了蒸汽推动涡轮做功的效率，在一定程度上限制了温差发电向着大功率的方向发展。
[0004]磁流体推进器是在其海水喷出通道内将海水作为导电体，利用励磁线圈在通道内形成磁场，通过电极向海水导电。当海水进入通道经过电极电压作用形成电流时，海水成为载流体，载流海水在垂直于它的磁场中受到力的作用，力的方向与海水在通道内的运动一致，形成一种方向一致的水动力，这一水动力作用于推进器上则使推进器受到反作用力一一即推进力，使推进器向与海水运动相反的方向运动。磁流体推进利用了电磁力原理，其力的大小与磁感应强度和电流大小有关。因为全球不同地域的海水的导电能力相近，所以电流大小即与两电极之间的电势差成正比。由于磁流体推进器内的磁场由励磁线圈产生，因而通过调节励磁线圈的电流与两电极之间的电势差即可对推进力进行精确的调控。由此可知，与传统的动力定位装置相比，在浮式海洋工程装备中使用磁流体推进器作为其轨迹与姿态控制机构将可以达到精准控制、灵活操纵等目的。又因为所调节的物理量均为电信号，所以所有的调节工作均可以由事先设定好的程序来执行，从而大大的提高调节的速率与推进控制系统的自动化程度。
[0005]现有海洋浮体(海洋环境观测浮筒、舰船、海洋平台等海洋工程浮式结构物)锚泊定位系泊系统常用锚及锚链、锚缆将浮体系留于海上，限制由于海洋环境外力的作用而引起浮体的漂移，使其维持在预定位置上。然而，随着水深的增加，锚泊系统的抓底力减小，抛锚的困难程度增加，同时锚泊系统的锚链长度和强度都要增加，进而系留线(锚链、系缆等)重量剧增，海上布链作业也变得复杂，系泊锚链的造价和安装费用猛增，其定位能力也受到很大的限制。
[0006]传统的动力定位系统采用螺旋桨推进，这类动力定位系统通过不断检测出被定位浮体的实际位置与目标位置的偏差，再根据风、浪、流等外界扰动力的影响计算出使该被定位浮体恢复到目标位置所需推力的大小，并对作用在浮体上各推进器进行推力分配，使各推进器产生相应的推力，从而使浮体尽可能地保持在海平面上要求的位置。但是这种推进方式也存在推进效率低、控制灵活性不高和悬停不精确等缺点。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型利用温差发电系统产生的电能提供给磁流体推进器维持其正常工作，以低维护成本实现对海上浮体动力定位作用的目的。
[0008]本实用新型通过以下技术方案实现:
[0009]海洋浮体新能源动力定位系统，包括光伏太阳能板、光伏蓄电池组、光伏充放电控制器、充放电蓄电池组、温差驱动涡轮、温差发电机、磁流体推进控制中心、磁流体推进器、北斗定位系统、抽水栗以及水文信息采集传感器;所述光伏太阳能板经过光伏充放电控制器与光伏蓄电池组相连;光伏蓄电池组分别与磁流体推进控制中心和温差发电机相连;充放电蓄电池组分别与抽水栗和温差发电机相连，温差发电机还分别与磁流体推进控制中心和温差驱动涡轮连接;磁流体推进控制中心还分别与磁流体推进器、北斗定位系统以及水文信息采集传感器连接。
[0010]所述磁流体推进器主要由励磁线圈、喷水通道和电离电极三部分构成；喷水通道为一圆筒结构，电离电极布置于喷水通道内表面左右两侧，励磁线圈布置于喷水通道外表面，励磁线圈轴心与两电极所在平面垂直。
[0011]为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述温差驱动涡轮主要由压气机、低压涡轮、高压涡轮、离合器、内壳体、外壳体、压缩机、冷凝管、储存装置组成;所述外壳体为圆筒形腔体，内壳体从外壳体内伸出，在外壳体内的内壳体为圆筒形腔体，伸出段为从外到内的收缩锥形回转腔体;外壳体与内壳体之间的空间为外壳体空间；内壳体圆筒形腔体的内部空间为内壳体空间；外壳体与内壳体的圆筒形腔体部分从前向后方向依次设置有低压涡轮和高压涡轮；内壳体收缩锥形回转腔体的外端开口部分为热空气进口，内部设有压气机;压气机与低压涡轮通过压气机主轴连接，高压涡轮主轴与温差发电机连接;高压涡轮主轴通过离合器与压气机主轴连接;排气道与内壳体空间后端连通;导引管道与外壳体空间后端连通，导引管道与压缩机连接，压缩机分别与温差发电机和冷凝管连接，冷凝管与储存装置连接;储存装置通过管道与设置在外壳体空间上的多个工作介质喷嘴连通;充放电蓄电池组与温差发电机连接；
[0012]所述冷凝管包括管道和外管，管道设有多个突扩管，管道设置在外管内，外管一端设有注水口，引入深层海水，外管另一端设有泄水口，泄水口与外管连接处设有阀门；
[0013]所述低压涡轮包括低压涡轮外叶轮环、低压涡轮内盘面、凹槽、第一永磁体、第二永磁体和两个滚珠轴承;低压涡轮外叶轮环周向外表面均匀设有多个涡轮叶片，在低压涡轮外叶轮环周向内表面设有凹槽，凹槽内安装第一永磁体;低压涡轮内盘面中心与压气机主轴连接，周向上布置有多个涡轮叶片;低压涡轮内盘面上设有第二永磁体，第二永磁体的位置与第一永磁体相对应;低压涡轮内盘面外缘外侧设置的滚珠轴承，滚珠轴承与内壳7、低压涡轮内盘面形成紧配合；内壳体外周布置有另一滚珠轴承，另一滚珠轴承与外低压涡轮外叶轮环、内壳体形成紧配合；
[0014]所述高压涡轮包括高压涡轮外叶轮环、高压涡轮内盘面、凹槽、第一永磁体、第二永磁体和两个滚珠轴承;高压涡轮的结构与低压涡轮的差异是:高压涡轮外叶轮环涡轮叶片倾角较低压涡轮大，布置较低压涡轮密集，且高压涡轮内盘面中心与高压涡轮主轴连接。
[0015]所述离合器包括抱轴板、压紧弹簧、套筒和滑块;抱轴板设置在压气机主轴和高压涡轮主轴的外周，套筒通过间隔设置的多根压紧弹簧与抱轴板连接;压气机主轴设有槽道，抱轴板上设有凹槽，凹槽与压气机主轴的槽道位置相对应，滑块下端插入压气机主轴上的槽道，上端插入抱轴板上的凹槽。
[0016]优选地，所述的离合器还包括橡胶垫，橡胶垫设置在槽道底部。
[0017]优选地，所述压气机包括压气机主轴、圆台形叶片基座和压气叶片;在圆台形叶片基座上沿轴向间隔布置多排压气叶片，压气叶片尺寸由前向后逐排减小，叶片倾角为25°?30。。
[0018]优选地，所述圆台形叶片基座的圆台母线与圆台旋转轴之间的夹角为10°_15%压气叶片为8-9排，每排压气叶片的数量为20?30个。
[0019]优选地，所述的低压涡轮由两个涡轮片体组成，沿压气机主轴径向均匀设置;低压涡轮外叶轮环周向外表面均匀设有40个倾角为25°?30°涡轮叶片;在低压涡轮外叶轮环周向内表面设有四个凹槽;低压涡轮内盘面周向上布置有16个倾角为25°?30°涡轮叶片；
[0020]所述的高压涡轮由两个涡轮片体祖成，沿高压涡轮主轴径向均匀设置;高压涡轮外叶轮环周向外表面均匀设有50个倾角为35°?40°涡轮叶片;在高压涡轮外叶轮环周向内表面设有四个凹槽;高压涡轮内盘面周向上布置有16个倾角为25°?30°涡轮叶片。
[0021]优选地，所述的光伏太阳能板选用PANDA 60Cell系列YL300C_30b型光伏板，光伏充放电控制器选用LMS4820型太阳能控制器。
[0022]优选地，所述的光伏蓄电池组与充放电蓄电池组均由多个船用6-CQ_195a型蓄电池组成;所述温差发电机选用GRS-80型发电机;所述抽水栗选用HL-1HP型管道栗。
[0023]优选地，所述的磁流体推进控制中心为由K-PosDP-21动力定位系统。
[0024]优选地，所述的低压涡轮和高压涡轮以铝合金材料制成。
[0025]本实用新型由温差发电机所发出的电能由磁流体推进控制中心管理并配给与磁流体推进器，其计算与控制过程为:首先将北斗定位系统所监测的海洋浮体实际位置以及与设置在浮体水下部分的水文信息采集传感器所采集的海洋浮体周围水文信息反馈于磁流体推进控制中心；磁流体推进控制中心自动计算实际位置与期望位置的差异即位置偏移；当位置偏移超出预先设定允许的范围时，磁流体推进控制中心根据反馈而来的位置与方向信息计算出浮体归位所需要的位移和方向，而后根据浮体偏移与水文信息综合计算出推动浮体复位所需要的推进力大小及其方向；在此基础上，将所需的推进力换算为驱动磁流体推进器中施加在励磁线圈的电流、电压值;然后按照计算结果为磁流体推进器配给电能，使之满足计算所得的电流、电压值。
[0026]本实用新型采用海面热空气与深层海水之间的温差能和太阳能作为主要能源、采用磁流体推进技术作为定位手段，包括光伏电池板、光伏蓄电池组、充放电蓄电池组、温差驱动涡轮、温差发电机、磁流体推进控制中心、磁流体推进器、北斗定位系统、抽水栗以及水文信息采集传感器等;所述的磁流体推进器核心部分为一用以产生推进力的管状海水喷出通道，海水喷出通道内的海水作为磁流体推进器的导电体，管状海水喷出通道竖直两侧设置了励磁线圈，励磁线圈在海水喷出通道内形成磁场，通过海水喷出通道水平两侧布置的电极向海水导电，使带电海水在海水喷出通道内磁场中受到电磁力的作用而产生一种用于为海洋浮体动力定位的推进力；
[0027]本实用新型温差驱动涡轮以海面热空气为热源、深层海水为冷源所构成的温差作为其能源来源产生驱动温差发电机发电的转矩;温差驱动涡轮中压气机与低压涡轮同轴，高压涡轮与发电主机同轴，离合器以开关的方式将高压涡轮与低压涡轮进行机械连接或断离，涡轮低转速启动阶段，离合器将两者机械连接，达到工作转速后，将两者机械连接断离。
[0028]本实用新型光伏电池板通过光伏充放电控制器与光伏蓄电池组连接，将太阳能转化为电能储存在光伏蓄电池组内；温差驱动涡轮通过压缩热空气加热使工作介质汽化而形成高压蒸汽推动轮机转动发电；其电能大部分用于维持海洋浮体定位系统工作，其余部分用于为充放电蓄电池组充电，以备晚间为海洋浮体新能源动力定位系统供电和满足抽水栗工作时的需要;磁流推进器根据北斗定位系统检测到的浮体实际位置与方向和期望的位置与方向的误差信息，结合水文信息采集传感器采集到的工作水域的基本海况，经控制系统发出要求磁流体推进器动作的控制信号，来发出符合控制系统大小与方向要求的推进力。
[0029]本实用新型的海洋浮体为主要用于海洋环境观测的观测型浮体，浮体的功能是为海洋环境观测传感器提供工作平台。海洋浮体采用动力定位系统而不是采用常规的锚+锚链的锚泊定位系统作为浮体定位的主要技术手段。采用磁流体推进器作为海洋浮体动力定位系统中操纵浮体的推进力的产生装置。
[0030]本实用新型采用温差发电系统产生的电能作为磁流体推进器的主要电能来源以维持海洋浮体动力定位系统的正常工作，多余的电能用于为充放电蓄电池组充电，以备用电峰值期间温差发电系统供电不足时补充之需，并满足抽水栗的工作所需。所述的温差发电系统中温差驱动涡轮采用涡轮外部热空气为其热源、采用深层海水为其冷源所产生的温差能作为驱动涡轮运转的主要能源。所述的温差驱动涡轮中的压气机与低压涡轮同轴，高压涡轮则是与发电主机转轴相连。离合器以开关的方式将高压涡轮与低压涡轮进行机械连接或断离，低转速时二者通过离合器机械相连，高转速时二者机械连接断离。所述的温差驱动涡轮采用丁烷作为驱动高压涡轮与低压涡轮旋转的工作介质。
[0031]本实用新型光伏电池板用于将海洋浮体处的太阳能转化为电能，这些电能储存在光伏蓄电池组内，作为避免夜间空气温度相对较低，使得整个温差发电模块的发电效率降低，导致给磁流体推进器供电不足、设备无法正常运作等情况的发生而使用。所述的北斗定位系统和水文信息采集传感器主要功能是为了向磁流体推进控制中心提供准确的海洋浮体实时位置与方向信息，以便确定要求磁流体推进器动作的控制信号，进而发出符合维持海洋浮体定位要求的推进力。
[0032]温差驱动涡轮工作介质的选取上，根据以下标准选取:价格低廉，环境友好，便于储存和运输，沸点低，易液化。综合以上标准，并且考虑到温差发电主机已经配备了压缩、冷凝两套液化设备，故初步选定丁烷作为工作介质。冷凝管的冷源由抽水栗从浮体下沉管道抽入的温度较低的深层海水。其中冷凝抽水栗由充放电蓄电池组供电，压缩机由发电机直接供电。本实用新型选用空气而不是表层海水作为温差驱动涡轮的热源。这是考虑到在同样的海况条件下，海洋表面空气的温度比表层海水更高、也更容易获得；同时，空气的可压缩性又使得其在压缩后可以有更高的温度，从而使得热源与工质的温度差增大，进而可以更容易获得压力更高的工质蒸汽。利用压气机做功也使空气温度进一步升高。
[0033]本实用新型磁流体推进是利用海水中电流和磁场间的相互作用力使海水运动而产生的一种推进方法。具体地说，磁流体推进时把海水作为导电体，利用磁体在通道内建立磁场，通过电极向海水供电，此时载流海水就会在与它相垂直的磁场中受到电磁力(洛仑兹力)的作用，其受力方向按左手定则确定。海水受力时沿电磁力方向运动，其反作用力即推力推进浮体运动。在磁场一定的情况下，电流大，电磁力大，推力也大，浮体运动的速度就快。当电流方向改变时，电磁力与推力的方向也改变，浮体运动的方向也随之改变。这样可以通过调节电流大小的方法来控制速度，通过改变电流的方向来操纵浮体运动的方向。
[0034]磁流体推进器的工作原理与传统的螺旋桨推进器不同，传统的螺旋桨推进器由主机驱动，通过机械装置改变螺旋桨的转速来改变推进器的推力。而磁流体推进器可以通过调节电极电压的大小和电流的方向来控制推进器的推力大小和方向，并以此来控制船舶的速度和航行方向。由于螺旋桨、传动轴、变速齿轮为机械装置，机械装置的反应时间要远远小于电流的反应时间，所以与传统的螺旋桨推进器相比，磁流体推进器具有操纵性能灵活，机动性好，振动和噪声小，布局方便等的优点。
[0035]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0036]I)采用光伏发电系统和温差发电系统等新能源系统作为浮体动力定位系统的动力来源可以有效地减少其维护成本。较之采用柴油等需要定期补充的燃料为其动力来源的常规能源，采用采用光伏发电和温差发电系统可以有效地减少浮体动力定位系统的维护成本。
[0037]2)采用热空气作为温差发电系统的热源降低了消耗于系统自身工作所需要的电能。常规的温差发电系统采用表层海水作为系统的热源。这一工作方式需要将系统所发出的部分电能消耗于表层海水的抽水水栗工作耗能上。由于热空气存在于温差发电系统周围，容易获取，本实用新型分别采用热空气作为温差驱动涡轮的热源，可以有效地降低了温差发电系统自身工作所需要的电能消耗。
[0038]3)本实用新型所采用的磁流体推进技术克服了螺旋桨推进器所固有的不足。以磁流体推进器代替螺旋桨推进器具有以下优点:(I)高效、低噪声。磁流体推进器是一个静止设备，它没有螺旋桨推进器传动机械的功率损耗和振动噪声的问题。(2)布置灵活。与磁流体推进器相关的各部件，如温差发电机、磁流体推进控制中心等设备之间没有刚性的机械连接，它可以集中或分散安装在被定位浮体上任何一个位置，因此在其定位系统设计中可有效、灵活地利用被定位浮体设备空间，使浮体的总体布置设计有更多的灵活选择。(3)操纵性好。磁流体推进由磁流体推进控制中心通过控制磁流体推进器的输入电压或电流对浮体进行操纵，通常通过调节电压(电流)的大小来控制推进力的大小;通过改变电压的极性，即电流的方向，来推进力的正反方向。这一操纵方式没有机械驱动系统所常见的响应滞后问题，从而提高了对浮体定位操纵的灵活性。
[0039]4)不受浮体所在海域作业水深的限制。传统的海洋浮体锚泊定位系统通常采用锚及锚链、锚缆将浮体维持在设定的海域中。随着水深的增加，锚泊系统中锚链、锚缆的重量也急剧地增加。而这些重量均需要由浮体本身所提供的浮力来承担。显然传统的锚泊定位系统不能用于作为深海浮体定位的一种技术手段。本实用新型采用温差能和太阳能作为动力定位系统，以此达到维持海洋浮体在作业海区的位置与方向的目的，这一定位手段与水深的大小无关。采用本实用新型克服了传统的锚泊定位系泊系统不能应用于深海的缺陷。
【附图说明】
[0040]图1是本实用新型海洋浮体新能源动力定位系统图；
[0041 ]图2是本实用新型温差驱动涡轮的剖面图；
[0042]图3-1是离合器工作原理示意图
[0043]图3-2是离合器结构图
[0044]图4是低压涡轮结构示意图
[0045]图5是高压涡轮结构示意图
[0046]图6是定位系统工作流程图。
[0047]图7是磁流体推进器示意图。
[0048]图中示出:光伏太阳能板1、光伏蓄电池组2、光伏充放电控制器3、充放电蓄电池组
4、温差驱动涡轮5、温差发电机6、磁流体推进控制中心7、磁流体推进器8、北斗定位系统9、抽水栗10、水文信息采集传感器11、热空气进口 12、压气机13、工作介质喷嘴14、外壳体空间15、内壳体空间16、外壳体17、内壳体18、低压涡轮19、离合器20、高压涡轮21、导引管道22、排气管道23、压缩机24、冷凝管25、储存装置26、压气机主轴27、高压涡轮主轴28、抱轴板29、压紧弹簧30、套筒31、滑块32、橡胶垫33、低压涡轮外叶轮环34、低压涡轮内盘面35、高压涡轮外叶轮环36、高压涡轮内盘面37、凹槽38、第一永磁体39、第二永磁体40、滚珠轴承41、期望位置42、位置偏移43、浮体44、实际位置45、励磁线圈46、喷水通道47、电离电极48、带电海水49。
【具体实施方式】
[0049]为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0050]如图1所示，海洋浮体新能源动力定位系统，包括光伏太阳能板1、光伏蓄电池组2、光伏充放电控制器3、充放电蓄电池组4、温差驱动涡轮5、温差发电机6、磁流体推进控制中心7、磁流体推进器8、北斗定位系统9、抽水栗10以及水文信息采集传感器11。光伏太阳能板I经过光伏充放电控制器3与光伏蓄电池组2相连，优选地，光伏太阳能板I选用英利绿色能源控股有限公司生产的PANDA 60Cell系列YL300C-30b型光伏板，光伏充放电控制器3选用广州力牧电子科技有限公司生产的LMS4820型太阳能控制器;光伏蓄电池组2分别与磁流体推进控制中心7和温差发电机6相连，充放电蓄电池组4分别与抽水栗10和温差发电机6相连，温差发电机6还分别与磁流体推进控制中心7和温差驱动涡轮5连接。优选地，光伏蓄电池组2与充放电蓄电池组4均由多个风帆股份有限公司生产的船用6-CQ-195a型蓄电池组成，温差发电机6选用佛山格锐斯发电机有限公司生产的GRS-80型发电机，抽水栗10选用广东风度冷暖科技开发有限公司生产的HL-1HP型管道栗;磁流体推进控制中心7还分别与磁流体推进器8、北斗定位系统9以及水文信息采集传感器11连接。正常工作状态下，温差发电机6由温差驱动涡轮5驱动，它所发出的电能主要通过磁流体推进控制中心7向磁流体推进器8提供所需的电能，其多余电量可为光伏蓄电池组2和充放电蓄电池组4充电。
[0051]如图2所示，温差驱动涡轮5包括热空气进口12、压气机13、工作介质喷嘴14、外壳体空间15、内壳体空间16、外壳体17、内壳体18、低压涡轮19、离合器20、高压涡轮21、导引通道22、排气道23、压缩机24、冷凝管25和储存装置26、压气机主轴27、高压涡轮主轴28;外壳体17为圆筒形腔体，内壳体18从外壳体17内伸出，在外壳体18内的内壳体17为圆筒形腔体，伸出段为从外到内的收缩锥形回转腔体;外壳体17与内壳体18之间的空间为外壳体空间15;内壳体18圆筒形腔体的内部空间为内壳体空间16;外壳体17与内壳体18的圆筒形腔体部分从前向后方向依次设置有低压涡轮19和高压涡轮21;内壳体18收缩锥形回转腔体的外端开口部分为热空气进口 12，内部设有压气机13;压气机13与低压涡轮19通过压气机主轴27连接，高压涡轮主轴28通过高压涡轮21的轴心连接;高压涡轮主轴28通过离合器20与压气机主轴27连接。排气道23与内壳体空间16后端连通；导引通道22与外壳体空间15后端连通，导引通道22与压缩机24连接，压缩机13选用珠海凌达有限公司生产的QX-C238E030型压缩机，压缩机24分别与温差发电机6和冷凝管25连接，冷凝管25与储存装置16连接;储存装置26通过管道与设置在外壳体空间15上的多个工作介质喷嘴14连通。
[0052]离合器20的主要功能是分离或接合压气机主轴27与高压涡轮主轴28之间的机械联系，以实现在压气机主轴与高压涡轮主轴之间切断或传递转矩的目的。如图3-1和图3-2所示，离合器20包括抱轴板29、压紧弹簧30、套筒31、滑块32和橡胶垫33;抱轴板29设置在压气机主轴27和高压涡轮主轴28的外周，套筒31通过间隔设置的多根压紧弹簧30与抱轴板29连接;压气机主轴27设有槽道，槽道底部设有橡胶垫33，抱轴板29上设有凹槽，凹槽与压气机主轴27的槽道位置相对应，滑块32下端插入压气机主轴27上的槽道，上端插入抱轴板29上的凹槽。
[0053]本实用新型采用空气作为热源、深层的海水作为冷源所产生的海洋温差能来驱动低压及高压涡轮旋转，进而驱动温差发电机发电。内壳体18优选采用非磁性的铝合金材质，作为包围压气机13、低压涡轮19、高压涡轮31的空间，其作用是作为从外部吸入的热空气加压的空间，同时也作为热空气与工作介质的隔离装置，将热空气的热能通过内壳体的热传导作用，将空气热量传递给工作介质。
[0054]如图4所示，低压涡轮19包括低压涡轮外叶轮环34、低压涡轮内盘面35、凹槽38、第一永磁体39、第二永磁体40和两个滚珠轴承41。低压涡轮外叶轮环34周向外表面均匀设有多个(40个)倾角为25°?30°涡轮叶片，在低压涡轮外叶轮环34周向内表面设有四个凹槽38用于安装第一永磁体39;低压涡轮内盘面35中心叶片，用于与压气机主轴27连接，其周向上布置有多个(16个)倾角为25°?30°涡轮叶片；低压涡轮内盘面35上布置四块第二永磁体40，其位置与第一永磁体39相对应;低压涡轮内盘面35外缘外侧设置的滚珠轴承41，滚珠轴承41与内壳体18、低压涡轮内盘面35形成紧配合。内壳体18外周布置有另一滚珠轴承41，另一滚珠轴承41与外低压涡轮外叶轮环34、内壳体18形成紧配合。
[0055]低压涡轮内盘面35与压气机13共轴，其作用是利用在内外壳体之间空间的受热工作介质在此空间膨胀做功，驱动外叶轮环持续旋转，并把这一旋转动能所产生的转矩通过磁传动技术传递到低压涡轮内盘面35，驱动低压涡轮内盘面35持续旋转带动压气机13工作，以满足温差驱动涡轮可以持续吸入外部热空气，在内壳体空间16内加压的正常工作需要。低压涡轮内盘面35和低压涡轮外叶轮环34之间的间隙由内壳体18进行阻隔而没有机械上的联系，低压涡轮内盘面35和低压涡轮外叶轮环34之间的转矩传递通过磁传动技术来完成。
[0056]如图5所示，高压涡轮包括高压涡轮外叶轮环36、高压涡轮内盘面37、凹槽38、第一永磁体39、第二永磁体40和两个滚珠轴承41;高压涡轮21的结构与低压涡轮19类似。差异是，高压涡轮外叶轮环36周向外表面设置的涡轮叶片较之低压涡轮相对密集、倾角也更大。高压涡轮的叶片数量优选为50个、倾角范围为35°?40°。高压涡轮内盘面37中心开孔与高压涡轮主轴28连接，高压涡轮主轴28与温差发电机6相连。其作用是利用在内外壳体之间空间的受热工作介质通过后的膨胀做功，使高压涡轮外叶轮环36持续旋转，形成转矩，通过磁传动技术传递到高压涡轮内盘面37，通过传高压涡轮主轴28带动温差发电机6工作，进而达到发电的目的。
[0057]低压涡轮内盘面35外直径优选为450?500mm，外叶轮环的内直径优选为530?580mm。高压涡轮内盘面37外直径和高压涡轮外叶轮环36的内直径与低压涡轮19 一致。
[0058]如图1、2、3_1和3-2所示，海洋浮体新能源动力定位系统开始启动工作时，充放电蓄电池组4处于满电状态，充放电蓄电池组4为温差发电机6供电，使之以电动机状态工作来带动高压涡轮主轴28旋转。启动之初，由于转速较低，离合器20处于结合状态，将压气机主轴27和高压涡轮主轴28连接在一起，把温差发电机6发出的转矩通过高压涡轮主轴28传递给压气机主轴27。当压气机主轴27和高压涡轮主轴28转速达到工作转速时，离合器20处于断开状态，从而断开两轴之间的连接。低压涡轮19与高压涡轮21分别在外壳体空间15中接受了来自内壳体空间16热空气热量传递的工作介质驱动下，获得克服各自所受的载荷的转矩并以不同的速度旋转。当温差驱动涡轮5以工作转速进行正常运转时，低压涡轮19所发出的转矩主要用于维持将外部热空气持续吸入内壳体空间16内的压气机13的正常运转，高压涡轮21所发出的转矩则主要用于驱动温差发电机6发电。
[0059]在正常运行条件下的温差驱动涡轮5中，压气机13吸入并压缩外界高温空气至温差驱动涡轮5的内壳体空间16内，使之内能增加。工作介质喷嘴14将丁烷以雾化液滴形式喷洒至外壳体空间15内。丁烷在储存及输送至工作介质喷嘴14过程中皆处于高于大气压的环境，内壳体空间16内的压缩空气的温度大大高于丁烷的沸点。在喷入过程中，丁烷液滴由于压力降低与温度升高而发生剧烈的汽化，使得外壳体空间15内充满丁烷高压蒸汽，进而驱动高压涡轮21和低压涡轮19做功。内壳体18将内壳体空间16与外壳体空间15分隔开，使二者各自形成密闭空间而避免了丁烷高压蒸汽与高温空气在涡轮处混合。由于内壳体18作为分隔而存在，所以转矩均由磁传动技术来完成传递。做功后的丁烷蒸汽压力降低，内能减少。即在外壳体空间内形成的未做功的丁烷蒸汽其压力为PO，在涡轮处膨胀至涡轮后压力为Pl，P0>P1。丁烷蒸汽以这样一种方式对外做功从而推动高压涡轮12旋转。完成做功过程的丁烷蒸汽沿着导引通道22，经过与温差发电机6相连并由其供能的压缩机24压缩变成高压丁烷蒸汽，然后经以深层海水作为冷源的冷凝管25冷却后重新变为液态回到储存装置26，从而完成了丁烷的一个循环过程。内壳体16内的热空气释放完自身热量之后，直接从排气道23排出到大气。
[0060]温差发电机6所发出的电能大部分用于供给磁流体推进器8运转，剩余部分连同光伏太阳能板I所获得的电能一起用以给光伏蓄电池组2，并给充放电蓄电池组4充电。两个蓄电池组所储存的电能用于夜间空气温度相对较低、温差发电机6发电效率降低时提供补充电能，以维持磁流体推进器8在夜间的正常运转。其中光伏太阳能板I为光伏蓄电池组2充电过程由光伏充放电控制器3来控制完成。当光伏太阳能板I在白天正常光照条件下时，光伏充放电控制器3通过其自身的最大功率追踪技术，保证光伏太阳能板I处于最大效率工作状态为光伏蓄电池组2充电，并对光伏太阳能板1、光伏蓄电池组2、光伏充放电控制器3所构成的电路提供完善的保护。当光伏太阳能板I所接受的光照不满足其发电的最低要求时，光伏充放电控制器3断开光伏蓄电池组2与光伏太阳能板I之间的连接，停止对光伏蓄电池组2的充电过程。
[0061]如图6、图7所示，由温差发电机6所发出的电能由磁流体推进控制中心7管理并配给与磁流体推进器8 ο磁流体推进控制中心7为由挪威Kongsberg Maritime公司生产的K-Pos DP-21动力定位系统，其计算与控制过程为:首先将北斗定位系统9所监测的海洋浮体实际位置45以及与设置在浮体水下部分的水文信息采集传感器11所采集的海洋浮体周围水文信息反馈于磁流体推进控制中心7。磁流体推进控制中心7自动计算实际位置45与期望位置42的差异即位置偏移43。当位置偏移43超出预先设定允许的范围时，磁流体推进控制中心7根据反馈而来的位置与方向信息计算出浮体归位所需要的位移和方向，而后根据浮体偏移与水文信息综合计算出推动浮体复位所需要的推进力大小及其方向。在此基础上，将所需的推进力换算为驱动磁流体推进器8中施加在励磁线圈46的电流、电压值。然后按照计算结果为磁流体推进器8配给电能，使之满足计算所得的电流、电压值。
[0062]如图7所示，磁流体推进器8由励磁线圈46、喷水通道47和电离电极48三部分构成。喷水通道47为一圆筒结构，电离电极48布置于喷水通道47内表面左右两侧，励磁线圈46布置于喷水通道47外表面，励磁线圈46轴心与两电极所在平面垂直。
[0063]其工作过程为:接受根据磁流体推进控制中心7计算所得的电能，在电离电极48间产生由磁流体控制中心7计算所得电压值，在励磁线圈46内产生由磁流体控制中心7计算所得电流值。励磁线圈46通电后在喷水通道47内产生磁场，而喷水通道47内的海水在电离电极48之间的电压作用下带电成为带电海水49 ο带电海水49在通道内磁场中受到电磁力的作用，该电磁力大小和方向与磁流体推进控制中心7计算所得的推动浮体复位所需要的推进力大小和方向相同。该电磁力作为推进力来使浮体44回复至期望位置42。
[0064]如此所述，便可较好地实现本实用新型。
【主权项】
1.一种海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，包括光伏太阳能板、光伏蓄电池组、光伏充放电控制器、充放电蓄电池组、温差驱动涡轮、温差发电机、磁流体推进控制中心、磁流体推进器、北斗定位系统、抽水栗以及水文信息采集传感器;所述光伏太阳能板经过光伏充放电控制器与光伏蓄电池组相连;光伏蓄电池组分别与磁流体推进控制中心和温差发电机相连;充放电蓄电池组分别与抽水栗和温差发电机相连，温差发电机还分别与磁流体推进控制中心和温差驱动涡轮连接;磁流体推进控制中心还分别与磁流体推进器、北斗定位系统以及水文信息采集传感器连接； 所述磁流体推进器主要由励磁线圈、喷水通道和电离电极三部分构成；喷水通道为一圆筒结构，电离电极布置于喷水通道内表面左右两侧，励磁线圈布置于喷水通道外表面，励磁线圈轴心与两电极所在平面垂直。2.根据权利要求1所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述温差驱动涡轮主要由压气机、低压涡轮、高压涡轮、离合器、内壳体、外壳体、压缩机、冷凝管、储存装置组成;所述外壳体为圆筒形腔体，内壳体从外壳体内伸出，在外壳体内的内壳体为圆筒形腔体，伸出段为从外到内的收缩锥形回转腔体;外壳体与内壳体之间的空间为外壳体空间；内壳体圆筒形腔体的内部空间为内壳体空间；外壳体与内壳体的圆筒形腔体部分从前向后方向依次设置有低压涡轮和高压涡轮；内壳体收缩锥形回转腔体的外端开口部分为热空气进口，内部设有压气机;压气机与低压涡轮通过压气机主轴连接，高压涡轮主轴与温差发电机连接;高压涡轮主轴通过离合器与压气机主轴连接;排气道与内壳体空间后端连通;导引管道与外壳体空间后端连通，导引管道与压缩机连接，压缩机分别与温差发电机和冷凝管连接，冷凝管与储存装置连接;储存装置通过管道与设置在外壳体空间上的多个工作介质喷嘴连通;充放电蓄电池组与温差发电机连接； 所述冷凝管包括管道和外管，管道设有多个突扩管，管道设置在外管内，外管一端设有注水口，引入深层海水，外管另一端设有泄水口，泄水口与外管连接处设有阀门； 所述低压涡轮包括低压涡轮外叶轮环、低压涡轮内盘面、凹槽、第一永磁体、第二永磁体和两个滚珠轴承;低压涡轮外叶轮环周向外表面均匀设有多个涡轮叶片，在低压涡轮外叶轮环周向内表面设有凹槽，凹槽内安装第一永磁体;低压涡轮内盘面中心与压气机主轴连接，周向上布置有多个涡轮叶片；低压涡轮内盘面上设有第二永磁体，第二永磁体的位置与第一永磁体相对应;低压涡轮内盘面外缘外侧设置的滚珠轴承，滚珠轴承与内壳7、低压涡轮内盘面形成紧配合；内壳体外周布置有另一滚珠轴承，另一滚珠轴承与外低压涡轮外叶轮环、内壳体形成紧配合； 所述高压涡轮包括高压涡轮外叶轮环、高压涡轮内盘面、凹槽、第一永磁体、第二永磁体和两个滚珠轴承;高压涡轮的结构与低压涡轮的差异是:高压涡轮外叶轮环涡轮叶片倾角较低压涡轮大，布置较低压涡轮密集，且高压涡轮内盘面中心与高压涡轮主轴连接； 所述离合器包括抱轴板、压紧弹簧、套筒和滑块;抱轴板设置在压气机主轴和高压涡轮主轴的外周，套筒通过间隔设置的多根压紧弹簧与抱轴板连接;压气机主轴设有槽道，抱轴板上设有凹槽，凹槽与压气机主轴的槽道位置相对应，滑块下端插入压气机主轴上的槽道，上端插入抱轴板上的凹槽。3.根据权利要求2所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述的离合器还包括橡胶垫，橡胶垫设置在槽道底部。4.根据权利要求2所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述压气机包括压气机主轴、圆台形叶片基座和压气叶片;在圆台形叶片基座上沿轴向间隔布置多排压气叶片，压气叶片尺寸由前向后逐排减小，叶片倾角为25°?30°。5.根据权利要求2所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述圆台形密闭壳体的圆台母线与圆台旋转轴之间的夹角为10°-15°;压气叶片为8-9排，每排压气叶片的数量为20?30个。6.根据权利要求2所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述的低压涡轮由两个涡轮片体组成，沿压气机主轴径向均匀设置;低压涡轮外叶轮环周向外表面均匀设有40个倾角为25°?30°涡轮叶片；在低压涡轮外叶轮环周向内表面设有四个凹槽;低压涡轮内盘面周向上布置有16个倾角为25°?30°涡轮叶片； 所述的高压涡轮由两个涡轮片体祖成，沿高压涡轮主轴径向均匀设置;高压涡轮外叶轮环周向外表面均匀设有50个倾角为35°?40°涡轮叶片;在高压涡轮外叶轮环周向内表面设有四个凹槽;高压涡轮内盘面周向上布置有16个倾角为25°?30°涡轮叶片。7.根据权利要求1所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述的光伏太阳能板选用PANDA 60Cell系列YL300C-30b型光伏板，光伏充放电控制器选用LMS4820型太阳能控制器。8.根据权利要求1所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述的光伏蓄电池组与充放电蓄电池组均由多个船用6-CQ-195a型蓄电池组成;所述温差发电机选用GRS-80型发电机;所述抽水栗选用HL-1HP型管道栗。9.根据权利要求1所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述的磁流体推进控制中心为由K-Pos DP-21动力定位系统。10.根据权利要求2所述的海洋浮体新能源动力定位系统，其特征在于，所述的低压涡轮和高压涡轮以铝合金材料制成。
【文档编号】F03G7/04GK205675188SQ201620570150
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201620570150.0, CN 201620570150, CN 205675188 U, CN 205675188U, CN-U-205675188, CN201620570150, CN201620570150.0, CN205675188 U, CN205675188U
【发明人】吴家鸣, 梁严, 刘书栋, 曾嘉城, 廖华, 梁惠群
【申请人】华南理工大学, 广州市顺海造船有限公司