【摘 要】
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海洋占据了地球75%以上的面积,蕴含着极其丰富的生物和自然资源,如今越来越多的国家十分关注海洋环境的观测,包括对温盐深、叶绿素、氧饱和量等等海洋参量观测。对海洋进行观测有利于提高人类对海洋生态系统的认识。而海洋生态环境处于高度变化中,存在很大的不确定性,因此对其研究观测的难度很大,目前传统的观测手段有通过科考船、卫星遥感技术、海底观测网络等。但对于环境特殊、难以观测或者观测成本高的水域环境(如秋冬季两极海域、漩涡和上升流海域等),传统的观测手段很难被应用。以海洋动物为载体的遥测技术提供了一种重要的途径,搭
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海洋占据了地球75%以上的面积,蕴含着极其丰富的生物和自然资源,如今越来越多的国家十分关注海洋环境的观测,包括对温盐深、叶绿素、氧饱和量等等海洋参量观测。对海洋进行观测有利于提高人类对海洋生态系统的认识。而海洋生态环境处于高度变化中,存在很大的不确定性,因此对其研究观测的难度很大,目前传统的观测手段有通过科考船、卫星遥感技术、海底观测网络等。但对于环境特殊、难以观测或者观测成本高的水域环境(如秋冬季两极海域、漩涡和上升流海域等),传统的观测手段很难被应用。以海洋动物为载体的遥测技术提供了一种重要的途径,搭载在遥测标签上的各种传感器采集多种海洋参量数据,实现准实时观测。海洋动物携带的遥测标签安装各种传感器和数据通信传输设备,传感器和通信设备需要供电才能正常工作,目前绝大部分的遥测标签采用的都是锂电池供电。如果锂电池体积过大会显著增加标签的水阻力,从而严重影响海洋动物日常生理活动,所以电池的体积受到严格限制。如今随着海洋观测的发展,对遥测标签也提出了更多的要求,如标签上携带更多种类的传感器,获得更多种类的海洋学数据;通过提高标签的数据采集频率,提高观测数据的时空精度;延长装置的使用寿命,收集更长时间的观测数据,这些需求都需要更多的电能供应才能满足,而目前遥测标签上使用的一次性锂电池越来越难满足观测需求,因此寻找一种供电更多、供电时间更长的供能方案是目前海洋动物遥测标签发展的一个重要方向。
辽阔的海洋内部蕴含着巨大的海水压力能,许多海洋动物为了寻找食物会定期潜水,如果海洋动物下潜与上浮的压力变化产生的压力能能被遥测标签所利用,那么可以极大提升遥测标签的能量供应,使之支持更多传感器并显著延长标签寿命,全面提升其数据采集能力。
本论文提出了一种利用海洋动物反复潜水产生的压力能作为能量来源的微型发电装置,替换遥测标签上的一次性锂电池,达到为海洋动物遥测标签持续供电的目的。
论文首先介绍了研究的目的与意义、遥测标签技术的国内外现状、遥测标签能量来源的研究现状,及对比国内外海水压力能研究现状。
其次,提出一种基于海水压力能的微型发电装置,介绍其结构和工作原理,并分析微型发电装置随着海洋动物潜水的过程中可收集的海水压力能的能量以及该微型发电装置替代目前标签上使用的一次性电池的可行性。
然后,建立发电系统的数学模型,在Matlab/Simulink软件中建立整个压力能发电系统的仿真模型,后续搭建实验室试验平台,测量和分析相关试验数据,通过对比仿真模型的仿真结果和试验结果,验证整个压力能发电系统的数学模型和仿真模型。
最后,利用AnsoftMaxwell软件建立本论文提出的微型压力能发电装置的发电模块的有限元模型,对发电模块的磁场进行有限元仿真分析,得到微型压力能发电装置的磁链等参数。利用已验证的仿真模型,分析微型压力能发电装置的发电量与发电效率等性能。
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