一种基于氢能源动力的海面多功能监测系统

1.本发明属于结构设计技术领域，涉及一种监测系统，尤其涉及一种基于氢能源动力的海面多功能监测系统。


背景技术：

2.海洋环境立体监测系统综合运用浮标、水下传感装备、水下摄像机、雷达等智能化设备，集海洋环境在线监测、数据采集、数据跟踪、智能组网、无线传输、智能处理、预警信息发布、决策支持、远程与自动控制等功能于一体，实现海洋生态全时、全域在线监测和大数据分析，为海洋环境实时评价、预警报警提供数据支撑。然而，高性能注定带来高能耗，如何解决相关能量供给问题，受到广泛关注。
3.氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能源应用自200年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能源研究。近年来，国家将氢能源利用开发列为重要战略目标。而我国海洋能开发利用技术在世界上还处于相对落后的状态。因此，大力开展海洋能制氢的研发创造势在必行，这将对我国海洋经济发展起到一定的促进作用。随着未来海洋环境立体监测系统执行任务的多样化，尤其是水文观测、科学实验等需要载荷笨重的仪器设备，对系统的动力设备提出了更高的要求。美国等国家正在研究通过转化太阳能、海浪能等方式为无人平台提供源源不断的电力和氢气能源供应。
4.海上制氢由近海向“大功率深远海”拓展是客观现实和必然走向，目前太阳能制氢已经取得较大进展，但相比传统的化石燃料制氢还需要在制氢效率、材料成本、规模化应用上进一步优化和提高。在此背景下，找到降本增效的有效措施是保证海上制氢可持续发展的首要任务。一方面，太阳能光电化学分解水制氢的技术难点在于制备高效率、低成本的太阳电池(包括单结和多结)。光半导体材料，不管是作成光阳极还是直接悬浮到水中，都存在可见光利用率低的问题。另一方面，节流的同时更需要注重开源，不仅体现在减少人工干预的成分，更要赋予其商业等其它可创收价值。
5.在新能源进入船只使用时，比如使用氢气作为中小型船舶的补给燃料时，需要设定船港加氢站，通过加氢站为氢燃料电池船舶加注氢气燃料。目前，加氢站多为外供氢式加氢站，氢气主要来源为工业副产氢提纯后，经氢气长管拖车高压气态运输至加氢站为氢燃料电池船舶提供加注服务。该外供氢式加氢站不仅存在氢气远距离运输成本高、氢气长管拖车运输危险性高的问题，而且存在供氢效率低、不及时的问题。鉴于此，海面上如若能有一种移动的即时补给系统并进行商业化推广，将大幅提升氢能源的利用效率、节约运营成本。最后，从海洋安全角度，赋予海洋环境立体监测系统一定的即时拦截功能，将有助于对未知威胁的防范能力，提升系统整体功能的多样性。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于氢能源动力的海面多功能监测系
统，实现太阳能转换、氢气储存、氢气补给、弹射拦截等工作模式。该系统助力于智慧海洋工程建设，以机电工程/能量转换技术为核心，采用内腔、外腔和特制电动气阀杆架为核心的机构模式，实现海洋环境的无人平台自生能源补给、水文监测与应急拦截。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种基于氢能源动力的海面多功能监测系统，包括内腔、外腔、太阳能面板、氢能源反应腔、特制电动气阀杆架、蓄电池和水文监测设备；所述的水文监测设备用于监测环境信息；所述的外腔初始充满空气，所述内腔中设有特制电动气阀杆架，所述内腔上方固定有太阳能面板，所述特制电动气阀杆架用于支撑起内腔，并可根据环境信息调整内腔的倾斜度，从而对太阳能面板的工作角度进行调整；所述太阳能面板用于将太阳能转化为电能，其中一部分电能直接存入所述蓄电池中，另一部分电能供给所述氢能源反应腔用于产生氢气。
9.上述技术方案中，进一步地，所述的特制电动气阀杆架由若干根电动气阀杆和一个连接环固定环绕组成；所有电动气阀杆上端连接氢能源反应腔，下端则各自连接一个初始状态为空的内腔气囊；
10.所述的电动气阀杆逐一连接智能控制器，所述智能控制器根据水文监测设备反馈的环境信息调整内腔气囊的阀门开合时间，控制每个内腔气囊内氢气的贮存量继而形成倾斜角，使得太阳能面板以最佳工作角度迎向日光；
11.所述特制电动气阀杆架的连接环，设计引出两根导气管；其中一根导气管与外腔通过电动气阀连接，可以将氢气导入外腔；所述导气管朝外腔端口处设计有电动可弹出式金属尖刺，可刺破外腔腔壁；另一根导气管作为外部输出接口，用于将氢气输出给过往船只；
12.每一个电动气阀杆在杆尾处均设计有弹出式金属尖刺，可刺破内腔气囊囊壁。
13.进一步地，所述外腔上还有一个用于向外排气的单向阀门，在外腔内的气体持续填充达到饱和值时所述单向阀门会自动打开排气；亦可从外侧手动打开所述单向阀门用于排气补给。
14.进一步地，所述蓄电池一方面接收太阳能转化的电能，另一方面为特制电动气阀杆架提供瞬时强电流，引发金属尖刺弹出并产生电火花。
15.所述太阳能面板由多块电板拼接组合而成，所述电板底部刻有划痕，便于被定向弹射时发生爆炸。
16.本发明的发明原理为：
17.考虑到对于海上无人平台(如浮标等)承担的监测任务日益多元化，在满足自身耗电需求的基础上，若能以电解氢技术为纽带，不断将收集的太阳能转化为氢气并加以适当的存储，势必将大幅提升往来船只续航能力。在氢气存储的过程中，利用机械结构设计，巧妙地将充气顺序与最佳光照角度相结合，大幅提升了光能转换效率；内/外腔设计，在保证自身浮力的同时，为往来船只提供一定量的氢气能源；当出现需要拦截的飞行物时，特制电动气阀杆架亦可以在智能控制器的调节下进行较为精准的爆破性定向弹射。系统各部件设计巧妙、精准贴合，并且在水文监测设备、智能控制器、通信系统的相互配合下，大幅提升了系统的智能化水平，相关数据得以有效利用与传输。
18.本发明的有益效果为：
19.本发明的一种基于氢能源动力的海面多功能监测系统，氢气存储方式更加优化；太阳能利用效率较高；功能更加多元化；智能化程度较高；当系统发现需要拦截的飞行物时，可实现快速定向弹射。
附图说明
20.图1系统总体结构设计图；
21.图2特制电动气阀杆架结构设计图；
22.图3光照角度调整示意图；
23.图4氢气能源补给示意图；
24.图5系统拦截功能示意图；
25.其中，1、内腔，2、外腔，3、太阳能，4、氢能源反应腔，5、蓄电池，6、水文监测设备，7、智能控制器，8、特制电动气阀杆架，8a、连接环，8b、电动气阀杆，9、内腔气囊。
具体实施方式
26.下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
27.整个发明可实施光能利用、智能充气、氢能补给、快速拦截等多种工作形态的运行与切换。
28.参照图1，一种基于氢能源动力的海面多功能监测系统，包括内腔1、外腔2、太阳能面板、氢能源反应腔4、特制电动气阀杆架8、蓄电池5、水文监测设备6、智能控制器7、通信系统等部件。所述的外腔2初始充满空气，内腔1内设有特制电动气阀杆架8，用于支撑起位于内腔1上方的太阳能面板。在光能利用模式下，太阳能面板将太阳能3转化为电能，一部分直接存入蓄电池5，由蓄电池5给水文监测设备6与智能控制器7等供电；一部分则用于氢能源反应腔4，产生氢气。
29.参照图2，所述的特制电动气阀杆架8，由若干根电动气阀杆8b和一个连接环8a固定环绕组成。所有气阀杆上端连接氢能源反应腔4，每根气阀杆下端各自连接一个内腔气囊9。
30.参照图3，智能充气模式下，电动气阀杆8b逐一连接智能控制器7，将根据水文监测设备6反馈的环境信息，通过调整阀门的开合时间，控制每个内腔气囊9内氢气的贮存量，继而形成倾斜角，使得架立其上的太阳能面板以最佳工作角度迎向日光。智能控制器7将根据水文监测设备6，推算出最佳的太阳能面板朝向，继而推算出最优的内腔气囊9充气顺序、时长，向电动气阀杆8b逐一发出指令。当内腔1角度设定满足需求或内腔气囊9已满时，特制电动气阀杆架8亦可以通过导气管将氢气注入外腔2。
31.参照图4，智能充气模式下，所述特制电动气阀杆架8的连接环8a上设计有导气管通向外腔2上层，当内腔气囊9充满氢气或者太阳能面板处于最佳光照角度时不宜向内腔气囊9充气时，导气管将氢气通向外腔2上层。在外腔2下方设计有一个单向阀门，单位面积受到1/2空气密度气压力挤压后开始打开向外放气，从而使外腔2吸纳更多氢气气体。亦可从外侧手动打开所述单向阀门用于排气补给过往船只。
32.参照图4，氢能补给模式下，所述特制电动气阀杆架8的连接环8a上设计有另1根导气管，可用于氢气的输出以补给过往船只。首先将内腔气囊9内氢气全部抽出，之后将外腔2
上部(因为氢气密度远小于空气)氢气抽出，随后被补给船只输出空气给外腔2，直至发现单向阀门出冒出气泡，目的是为了保证监测系统能够正常漂浮于海面。
33.参照图5，所述太阳能面板，由多块电板拼接组合而成，基底下方刻有划痕，便于快速爆炸。快速拦截模式下，蓄电池5为特制电动气阀杆架8提供瞬时强电流，引发金属尖刺弹出并产生电火花。当水文监测系统发现拦截目标，将使对应杆架先刺穿垂直正下方的外腔2腔壁，使之在气体喷射作用下升高；同时刺穿对应角度内腔气囊9，使之产生斜向上的爆破力，从而快速迎向欲拦截目标。
34.本发明材料的关键在于充分针对了海上无人平台补给困难问题，引入了氢气能源的同时，更将机械结构优化技术巧妙的融合于无人平台内部空间，使其功能性得到了显著拓展。最后从应用化的角度来说，该发明相比于现有海上无人平台，更加智能便捷、运行参数明确、续航/补给能力较强，适合于在海洋环境下大规模推广。

技术特征：
1.一种基于氢能源动力的海面多功能监测系统，其特征在于，包括内腔、外腔、太阳能面板、氢能源反应腔、特制电动气阀杆架、蓄电池和水文监测设备；所述的水文监测设备用于监测环境信息；所述的外腔初始充满空气，所述内腔中设有特制电动气阀杆架，所述内腔上方固定有太阳能面板，所述特制电动气阀杆架用于支撑起内腔，并可根据环境信息调整内腔的倾斜度，从而对太阳能面板的工作角度进行调整；所述太阳能面板用于将太阳能转化为电能，其中一部分电能直接存入所述蓄电池中，另一部分电能供给所述氢能源反应腔用于产生氢气。2.根据权利要求1所述的基于氢能源动力的海面多功能监测系统，其特征在于，所述的特制电动气阀杆架由若干根电动气阀杆和一个连接环固定环绕组成；所有电动气阀杆上端连接氢能源反应腔，下端则各自连接一个初始状态为空的内腔气囊；所述的电动气阀杆逐一连接智能控制器，所述智能控制器根据水文监测设备反馈的环境信息调整内腔气囊的阀门开合时间，控制每个内腔气囊内氢气的贮存量继而形成倾斜角，使得太阳能面板以最佳工作角度迎向日光；所述特制电动气阀杆架的连接环，设计引出两根导气管；其中一根导气管与外腔通过电动气阀连接，可以将氢气导入外腔；所述导气管朝外腔端口处设计有电动可弹出式金属尖刺，可刺破外腔腔壁；另一根导气管作为外部输出接口，用于将氢气输出给过往船只；每一个电动气阀杆在杆尾处均设计有弹出式金属尖刺，可刺破内腔气囊囊壁。3.根据权利要求1所述的基于氢能源动力的海面多功能监测系统，其特征在于，所述外腔上还有一个用于向外排气的单向阀门，在外腔内的气体持续填充达到饱和值时所述单向阀门会自动打开排气；亦可从外侧手动打开所述单向阀门用于排气补给。4.根据权利要求1所述的基于氢能源动力的海面多功能监测系统，其特征在于，所述蓄电池一方面接收太阳能转化的电能，另一方面为特制电动气阀杆架提供瞬时强电流，引发金属尖刺弹出并产生电火花。5.根据权利要求1所述的基于氢能源动力的海面多功能监测系统，其特征在于，所述太阳能面板由多块电板拼接组合而成，所述电板底部刻有划痕。

技术总结
本发明公开一种基于氢能源动力的海面多功能监测系统，所述系统包括内腔、外腔、太阳能面板、氢能源反应腔、特制电动气阀杆架、蓄电池、水文监测设备；所述水文监测设备用于监测环境信息；所述外腔初始充满空气，所述内腔中设有特制电动气阀杆架，所述特制电动气阀杆架用于支撑起位于内腔上方的太阳能面板，并可根据环境信息对太阳能面板的工作角度进行调整；所述太阳能面板用于将太阳能转化为电能，其中一部分电能直接存入所述蓄电池中，另一部分电能供给所述氢能源反应腔用于产生氢气。该系统可以为往来中小型船舶提供氢气能源。当系统发现需要拦截的飞行物时，特制电动气阀杆架在智能控制器的调节下进行较为精准的爆破性定向弹射。弹射。弹射。


技术研发人员：李文欣 吴俊义 邵中魁 董源 褚长勇 张巨勇 陆志平 龚友平 陈昌 王万强 陈国金
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/6/27