基于PEMFC的温差能驱动水下滑翔器能源系统研究

发布时间：2020-06-08 18:35

【摘要】：水下滑翔器作为一种低能耗大航程水下潜器，在海洋环境监测领域具有良好的应用前景。温差能驱动水下滑翔器以海洋温差能作为驱动能源，在巡航范围和作业时间上，更具优势，成为水下滑翔器技术发展方向之一。但是，受海洋温差品质与海洋热源不稳定的限制，温差能驱动水下滑翔器不能实现全海域工作。此外，水下滑翔器在航行过程中，需间歇地切换下潜与上浮作业，导致电功率需求波动较大，对其能源系统中电源的输出功率有较高要求。针对上述问题，结合质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作特点与超级电容器(UC)的储能特性，本文提出了温差能驱动水下滑翔器PUTE (PEMFC-UC-Thermal Engine，质子交换膜燃料电池-超级电容器-温差热机)热电联供能源供给理念，对温差能驱动水下滑翔器PUTE能源系统进行了理论分析、系统设计及实验研究，以期突破海洋环境温差对温差能驱动水下滑翔器工作海域的限制，，使之具有全海域作业能力。本文的主要研究内容与成果如下：针对温差能驱动水下滑翔器对热、电能的综合需求特征，提出了温差能驱动水下滑翔器PUTE (PEMFC-UC-Thermal Engine)热电联供能源供给理念，即以质子交换膜燃料电池为测控单元提供电能；同时，将其余电能储存于超级电容器中，作为驱动各种阀与电机等大功率、间歇短时工作单元的电源；以质子交换膜燃料电池发电产生的热能驱动温差热机，从而使温差能驱动水下滑翔器具有全海域、大航程、长时间作业能力。通过分析温差热机的工作机制，建立了温差能驱动水下滑翔器的热能需求模型；根据电负载的工作模式，建立了温差能驱动水下滑翔器的电能需求模型。在此基础上，以本实验室研制的温差能驱动水下滑翔器样机THERMAL为实例，得到了在设定巡航参数下，THERMAL总能耗及电、热功率需求曲线。以THERMAL为实例，提出针对温差能驱动水下滑翔器PEMFC-UC混合电源方案适用程度的评价方法。此方法从热能与电能需求的匹配度出发，基于水下滑翔器的工作参数，得到不同航行条件下所需的热电比例，并结合PEMFC正常工作时的热电比例，得到工况区域内PEMFC-UC混合电源适用性分布情况。依据温差能驱动水下滑翔器热能与电能需求，设计了温差能驱动水下滑翔器样机THERMAL的PUTE能源系统。建立了热力学模型，对PUTE能源系统性能进行了热力学分析及优化。根据质量平衡方程与能量平衡方程，得到了PUTE能源系统的综合效率。开发了PUTE能源系统的原型样机，并对PUTE能源系统进行了实验研究。原型样机实验表明：PEMFC能够可靠地驱动温差热机运行，有效地改善了温差热机的驱动性能；UC储能单元能够为大负载提供所需功率；PUTE能源系统能够满足温差能驱动水下滑翔器的能源动力需求。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P715.5

【参考文献】