一种深海热液原位探测设备供能装置的设计.PDFVIP

82 海洋科学 / 2011年 / 第 35卷 / 第 2期 一种深海热液原位探测设备供能装置的设计 吴怀超1, 谭春阳2, 金 波2, 杨灿军2, 陈 鹰2 (1. 贵州大学 机械工程学院, 贵州 贵阳 550003; 2. 浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室, 浙江 杭州 310027) 摘要: 为了解决深海热液原位探测设备的能量供给问题, 设计了一种实用的供能装置。该供能装置采 用了一种定制的高能量密度电池, 电池组的容量达 31.5 Ah, 最大输出电压为 12 V。供能装置的耐压壳 体采用了压力容器的设计原则进行设计, 其最大承受压力达 70 MPa。放电实验表明该供能装置具有较 稳定的放电电压; 海试实验表明该供能装置能用于深海高压环境。 关键词: 深海热液; 原位探测; 压力容器; 供能装置 中图分类号: P751 文献标识码: A 文章编号: 1000-3096(2011)02-0082-04 深海热液喷口及其周围的独特生命形式, 是我 们认识地球内部结构与组成的一个重要窗口 [1], 也 是研究地球早期生命起源的天然实验室[2]。自 20 世 纪 80 年代以来, 人类通过各种探测方式获得了大量 有关深海热液的信息。目前, 在深海热液的几种探测 方式中 , 原位探测是很多科学家大力推崇的方法 , 一方面是因为用于原位探测的设备不仅能监测热液 区域的空间和瞬间连续变化的信息, 真实反映热液 活动演化的动态体系, 而且具有操作简便、灵敏度高 和反应速率高等优点[3]; 另一方面, 将现代数据存储 和通信技术应用于深海原位探测, 能达到在线、实时 探测的目的[4]。深海热液原位探测涉及多层面的关键 技术, 供能技术是其一。 目前, 大多数深海热液原位探测设备都是采取 自带电池的方式来供能 , 然而 , 目前市场上电池的 能量密度很难满足深海热液原位探测设备的用电需 求。另一方面, 深海热液环境是一种极端的环境, 将 陆地用电池带到此种环境下进行供电还需要解决一 些技术问题, 如耐压、可靠性和放电稳定性等。本论文 从实用的角度出发, 设计了一种面向深海热液原位探 测的供能装置, 该供能装置的电池容量达 31.5 Ah, 最 大输出电压为 12 V。整个供能装置具有结构紧凑、功 能集中、易于安装、可重复使用的特点, 可作为一般深 海热液原位探测设备的通用供能装置。 1 供能装置的电池选择 深海热液原位探测设备往往要借助于载人深潜 器运送到海底 , 在海底工作时 , 这些设备需要具备 较高的自动化和智能化以适应在海底的全自动化工 作, 这就在客观上要求深海热液原位探测设备的供 能装置的可靠性和安全性要极高 , 同时 , 要求供能 装置的比能量要尽可能大 , 否则 , 一旦系统的供电 出现问题, 则整个探测设备便处于“瘫痪”状态。另 一方面 , 从成本和环保的角度来考虑 , 深海热液原 位探测设备的供能装置应具备可重复使用的特点 , 这就要求供能装置所用电池应为充电电池。 目前, 常用的充电电池有铅酸电池、镍镉电池、 镍氢电池、锂电池。其中, 铅酸电池价格低廉, 但其 比能量较低 , 对环境腐蚀性强; 镍镉电池自放电率 较小, 价格相对便宜, 但容易产生记忆效应, 其比能 量一般; 镍氢电池的很多特性与镍镉电池相同 , 但 性能优于镍镉电池, 其优点是单体电池容量大、内阻 低、基本没有记忆效应, 缺点是自放电率较高; 锂电 池是目前比较先进的电池 , 其单体电池电压高 , 比 能量大, 且无记忆效应, 但其价格昂贵, 且存在安全 隐患。深海热液环境是一个极端的环境, 选择充电电 池时考虑的重点是安全、可靠、比能量高以及对环 境的污染小, 通过对上述各类充电电池的比较与分 析, 深海热液原位探测设备供能装置的电池选择镍 氢电池较为合适, 这是因为镍氢电池的安全系数大, 比能量较高, 对深海海底环境影响较小。 收稿日期: 2009-11-02; 修回日期: 2010-11-12 基金项目: 国家自然科学基金重点项目 作者简介: 吴怀超(1975-), 男, 湖北红安人, 副教授, 博士, 主要从事 深海机电装备技术及电液控制技术的研究 , 电话 : 0851-4119759, E-mail: magoubs@ Marine Sciences / Vol. 35, No. 2 / 2011 83 然而, 市场上目前出售的镍氢电池的容量远远 不能满足深海热液原位探测设备的用电需求, 以使 用最广泛的 5 号(AA 型)电池为例, 单节电池的容量 仅 1 000~1 300 mAh。为此, 特定制了