面向水下移动平台的模块化温差能驱动单元研制与试验

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海洋温差能具有储量大、稳定性强、昼夜波动小、不受气象与海况因素影响,只稍随季节性变化的特点,适用于为以往复潜伏形式运动的水下移动平台提供能量补给。海洋温差能俘获与转换技术是破解水下移动平台长期能源供给问题、提高水下移动平台续航力与自持力的重要途径,对提高水下移动平台“能量自给”水平具有重要价值。本文开展了小型化、模块化、集成化温差能驱动单元的研制,建立了温差能驱动单元的能量转换效率模型并进行了模型关键参数的灵敏度分析;基于故障树分析方法开展了温差能驱动单元可靠性研究,并进行了系列化的室内性能测试试验。本文主要研究成果和创新点为:(1)根据模块化温差能驱动单元的使用需求与技术指标,开展了温差能驱动单元关键部件的总体方案设计及关键参数计算分析,研制出一种紧凑化、模块化的海洋温差能驱动单元试验样机,主要包括温差能俘获装置与温差能转换装置两部分,供现有成熟的水下移动平台外置搭载使用。(2)根据海洋温差能能量转换过程建立了温差能驱动单元的能量转换效率模型,采用基于拉丁超立方抽样法的Sobol’全局灵敏度分析方法,计算了效率模型中关键参数在不同样本规模下的一阶灵敏度系数和总灵敏度系数,量化了关键参数变化对效率的影响程度,得出了蓄能器预充压力、蓄能器总容积、蓄能器流量、外皮囊所处海水压力及液压油粘度五个参数对能量转换效率有一定影响。(3)基于故障树分析法建立了温差能驱动单元故障树模型及对应的结构函数,完成了定性分析和定量分析。定性分析采用下行法获取了故障树的全部最小割集,定量分析求解了顶事件发生的概率并对故障树的基本事件做了概率重要度和关键重要度分析,确定了系统的平均寿命为1250小时,找出了系统中的关键部件,为系统的可靠性设计、故障诊断及维修策略优化提供了科学指导。(4)搭建了温差能换热系统模拟测试平台,对基于固-液相变机理的海洋温差能量转换过程开展了室内模拟测试。系列化模拟了海洋温差能变浮力驱动和电能两种转换模式并进行性能测试,验证了温差能驱动单元设计的可行性。
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