一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构、应用方法及其仿真方法

1.一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，所述发电结构包括海洋温差能换热器、第一区域和第二区域，所述第一区域包括蓄能器、液压马达和内皮囊，所述第二区域包括蓄电池、电池管理模块、发电机和外皮囊，其中，所述海洋温差能换热器分别联通所述蓄能器、内皮囊和外皮囊，且所述蓄能器、内皮囊和外皮囊均彼此联通，所述蓄能器和海洋温差能换热器的通路上设有第一单向阀，所述内皮囊和海洋温差能换热器的通路上设有第二单向阀，与所述外皮囊连接的两个通路分别设有第二电磁阀门和第三电磁阀门，所述第一区域和第二区域间的通路上设有第一电磁阀门和液压马达，所述液压马达的输出端与所述发电机的输入端传动连接，所述发电机、电池管理模块和蓄电池依次电连接；所述海洋温差能换热器内设有相变材料，所述相变材料内储存有工作介质；所述海洋温差能换热器，用于储存相变材料，从而捕获海水温度变化；所述蓄能器，用于存储和释放相变材料体积变化所产生的能量；所述第一单向阀和第二单向阀，用于控制液压油的流向；所述第一电磁阀门、第二电磁阀门和第三电磁阀门，用于控制发电及正负浮力运动过程的调节；所述液压马达，用于将蓄能器中存储的能量转化为机械能；所述发电机，用于将液压马达的机械能转化成电能；所述电池管理模块，用于处理所述发电机产生的电能，然后将所述电能存入所述蓄电池中；所述外皮囊，用于通过体积改变导致浮标的浮力变化来驱动浮标运动；所述内皮囊，用于储存和释放液压油；其特征在于，步骤一、根据设计要求以及技术指标，完成海洋环境特性分析，选取合适参数；步骤二、进行海洋温差能驱动系统设计；步骤三、根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型；步骤四、进行海洋温差能驱动系统仿真，包括相变过程仿真、温差能发电过程仿真以及浮力驱动过程仿真；在步骤四中，所述相变过程仿真具体为：所述相变材料为正十六烷，相变材料在浮标上浮到一定深度后，吸收海水的热量融化，在浮标下潜到一定深度后释放热量相变材料凝固；采用线性拟合的方法给出海水压力与海水深度的关系，具体公式如下：P＝ρgh+P 0 (1)其中P为海水压力，ρ为海水密度，与海水深度、海水温度和海水盐度有关，g为重力加速度，h为海水深度，P 0 为标准大气压，根据ARGO数据中心数据，进行海水温度与深度拟合，采用反比例关系式进行拟合，拟合关系式为：T为海水温度，T 0 为表面海水温度，a为拟合系数，取为0.005，根据海水温度、海水盐度、海水压力的关系计算出海水密度，根据ARGO测量数据，计算得到海水密度拟合方程如下：其中ρ为海水密度，ρ 0 为表面海水密度，系数α i (i＝1,2,3)分别等于7.0297、0.0035、0.0040，将相变传热问题简化为一维相变传热问题，一半无限大的相变材料液体PCM初始处于温度T i ，当时间t大于零时刻，边界x＝0处被立刻降温冷却并一直保持一个低于相变材料熔点T m 的温度T w ，固相和液相的界面为s(t)，这是一个双区域问题，固相区域和液相区域的温度分布分别满足以下控制方程：其中α＝k/ρc，k为物质的导热系数，ρ为物质的密度，c为物质的比热容，下标s代表物质固相，下标l代表物质液相，初始和边界条件表示为T s (x,0)＝T l (x,0)＝T i t≤0               (6)T s (0,t)＝T w x＝0 t＞0                (7)T l (x,t)→T i x→∞                 (8)界面s(t)的条件表示为：T s (s,t)＝T l (s,t)＝T m x＝s(t)               (9)由满足公式(4)至(8)构造出无相变的大平板热传导问题的解，由该解构造出固相区域和液相区域的温度分布规律分别满足以下公式：T s (x,t)＝T w +Aerf[x/2(α s t) 1/2 ]               (11)T l (x,t)＝T i +Berfc[x/2(α l t) 1/2 ]               (12)其中A、B为待定常数，erf高斯误差函数，将式(11)和式(12)代入到界面温度条件公式(9)中，得到其中λ＝s(t)/2(α s t) 1/2 ，由公式(13)得知，λ应为常数，进而求得：将A、B代入式(11)和式(12)中得到：将式(16)和式(17)代入到界面能量条件式(10)中，得到λ满足的条件为：其中 凝固过程相变界面位置随时间变化的关系为：s(t)＝2λ(α s t) 1/2 (19)凝固过程相变界面移动速度随时间变化的关系为：上述相变过程的逆过程即为固体的溶解，忽略液相自然对流，固体溶解过程的解法同上，此时相变过程的相变界面的位置表示为：s(t)＝2λ(α l t) 1/2 (21)常数λ仍由公式(18)确定，需要将固、液相的热物性参数互换，将温度比(T i -T m )(T m -T w )换成(T m -T w )(T i -T m )，将Ste数改写成Ste＝c l (T w -T m )/Δh m ，假设T w ＝25℃，T i ＝5℃，将正十六烷的物理数据代入到(22)中，求解该方程，得到λ的值。 2.根据权利要求1所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，其特征在于，在步骤二中，具体包括以下步骤：步骤二一、进行相变材料选取及相变过程参数分析；步骤二二、进行海洋温差能驱动系统组成及驱动原理设计；步骤二三、进行海洋温差能换热器设计；步骤二四、进行蓄能器建模。 3.根据权利要求2所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电结构的仿真方法，其特征在于，在步骤三中，具体的，根据海洋温差能驱动的剖面浮标运动特点，建立海洋温差能驱动系统数学模型，包括发电过程数学建模和浮力驱动过程数学模型。