发明内容

为了弥补现有技术存在的不足，本发明提出一种固液相变储热式发电测试装置及其工作方法，该发电测试装置可以通过相变材料(PCM)，利用外部水温的变化，采集环境中的热能来完成由温差能到液压能的转换，液压能驱动液压马达旋转，带动发电机转动，实现液压能向电能的转换，发电机产生的电能储存在电池当中，完成能量的转换及存储。本发明通过改变外部水温达到模拟海水温度随深度的变化，解决了海洋温差能发电测试技术的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种固液相变储热式发电测试装置，包括蓄能器、固液相变换热器、水池、油囊、电磁换向阀、液压马达、发电机和采集卡；

所述蓄能器、固液相变换热器、油囊和液压马达均与一阀块连接，所述阀块上设有多个进出油口，进出油口包括A1口、A2口、B1口、B2口和P口，所述蓄能器经一球阀a、四通管接头a与阀块的A1口连接，所述四通管接头a与阀块的A1口之间设置有流量计a，所述阀块的A1口通过单向阀a连接阀块的P口，阀块的P与固液相变换热器的出油口连接，所述单向阀a和阀块的A1口之间连接有压力传感器a；

所述油囊通过一四通管接头b与阀块的B1口连接，所述阀块的B1口通过单向阀b连接阀块的P口，所述固液相变换热器用于放置于水池中，所述水池放置在地面上，水池中盛有水，水池的外侧设有两个进出水口，分别与恒温水槽连接，实现恒温水循环；

所述四通管接头a还与阀块的A2口连接，所述阀块的A2口与电磁换向阀的进油口连接，电磁换向阀的出油口与阀块的B2口连接，所述阀块的B2口经流量计b连接液压马达的进油口，所述液压马达的输出轴通过联轴器与发电机连接，所述电磁换向阀的出油口和阀块B2口之间连接有压力传感器b，所述液压马达的出油口经一球阀b、四通管接头b与油囊连接，所述液压马达的出油口与球阀b之间连接有压力传感器c；

所述发电机的两个端点间接入一采样电阻，所述采样电阻并联有一电压传感器，用于采集采样电阻两端的电压值，电压传感器是一种输入为电压信号输出为电流信号的传感器，可采集采样电阻两端的电压值，并转换为模拟信号传输只采集卡。

所述采集卡与流量计a、流量计b、压力传感器a、压力传感器b、压力传感器c和电压传感器均连接，所述采集卡与计算机连接，压力传感器a、压力传感器b、压力传感器c均为螺纹安装式传感器，输出信号均为电流信号。

本发明所采用的电磁换向阀为电磁球阀，是一种零泄露阀，电磁球阀是电磁铁操纵的钢球式换向阀，沿关闭流动方向密封严格，可以实现零泄漏，具体型号可选用华德的M-2SEW6N30B，不存在油液流量损失，液压系统效率更高。

恒温水槽为能够提供0～100℃恒温水的水槽，是一种较为成熟的产品，此处不在赘述。

优选的，所述发电机为三相永磁交流同步发电机，三相永磁交流同步发电机的输出端通过3根电线与三相整流桥的交流输入端连接，所述三相整流桥的直流输出端的两个端点间接入所述采样电阻，采样电阻并联有电压传感器，用于采集采样电阻两端的电压值；本发明选用的发电机为三相永磁交流同步发电机，发电机发出的电为三相电，需要采用三相整流桥将三相电转换成两相电。

优选的，所述阀块的进出油口还包括A3口和B3口，所述四通管接头a与阀块的A3口连接，所述阀块的A3口与一安全阀的进油口连接，该安全阀的出油口与阀块的B3口连接，所述阀块的B3口经四通管接头b与油囊连接；

优选的，安全阀的额定压力为10MPa。

本发明的阀块也叫液压油路块，可将分散的液压油路集合在一起，可以减少液压系统的油路损失，并且相对来说体积较小，阀块的A1口、A2口、A3口、B1口、B2口、B3口和P口是阀块的进出油口，结构最外端有10-15mm的螺纹孔，再往阀块里面是通孔。

优选的，所述固液相变换热器包括一金属外壳和橡胶皮囊，所述橡胶皮囊内装满液压油，橡胶皮囊和金属外壳之间放置有相变材料，所述金属外壳放置于水池中，所述橡胶皮囊的出油口与阀块的P口连接。

优选的，所述相变材料为固液相变温度在10-20℃之间的材料，如正十五烷、正十六烷、正十七烷或三种材料的混合等。

优选的，所述安全阀和电磁换向阀均安装在阀块上；所述单向阀a和单向阀b均为插装式单向阀，放入阀块的孔中，并通过螺堵拧紧固定；所述压力传感器a和压力传感器b均为螺纹安装式传感器，并拧紧在阀块的压力口中。

所述安全阀为一种板式连接安全阀，安装在阀块上，所述电磁换向阀为一种板式连接换向阀，安装在阀块上，

优选的，采样电阻是一种高精密、低温漂电阻，由三相整流桥输出的直流电，经过采样电阻，会形成采样电流，用电压传感器可以测得采样电阻两端的电压，从而可以得知三相整流桥的输出直流电的电压值，通过功率公式可以计算发电机的直流发电功率，所述采样电阻的精度为1％以内，温漂为正负5ppm，一般电流采样需要选择低阻值的电阻，电压采样需要选择高阻值的电阻，本发明为电压采样，采样电阻的电阻值为50-200欧姆。

一种固液相变储热式发电测试装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)保证电磁换向阀处于关闭状态，球阀a、球阀b处于开启状态；

(2)将相变材料放入固液相变换热器中，密封好，将固液相变换热器放入水池中，打开恒温水槽循环模式，调节恒温水槽至相变温度以下，此时水池中的水在水池和恒温水槽之间循环流动，当水池里的水温降低到相变材料的相变温度以下后，固液相变换热器里的相变材料开始发生相变，由液态转变为固态，相变材料体积会缩小，导致固液相变换热器的橡胶皮囊内液压油压力降低，油囊内液压油的压力大于变换热器的橡胶皮囊内液压油压力，此时油囊的液压油流出，依次经阀块的B1口、单向阀b、阀块的P口流入固液相变换热器的橡胶皮囊内，直到相变材料完全凝固，油囊里的液压油不再流入固液相变换热器的橡胶皮囊中，此过程为凝固过程；

(3)重新设置恒温水槽的温度，使该温度大于相变材料的相变温度，在整个实验过程中保持水池与恒温水槽中的水持续循环，随着水池中水温逐渐升高，相变材料吸收外界热量开始融化，融化过程中伴随着相变材料的体积膨胀，挤压固液相变换热器中的橡胶皮囊，将橡胶皮囊中的液压油挤出，经阀块的P口、单向阀a、阀块的A1口、流量计a、球阀a进入蓄能器；

(4)观察流量计a的数值为0时，此时固液相变换热器中相变材料已经完全融化，蓄能器的液压油压力达到一个压力等级，且液压油全部流入蓄能器中，此时蓄能器中液压油的压力为P₁，计算公式为：

其中，P₀为蓄能器的初始充气压力，MPa；V为蓄能器的公称容积，L；ΔV为相变材料挤压出的液压油体积，其中，ΔV可通过公式(2)或公式(3)计算得到：

ΔV＝V₀*E (2)

其中，V₀为相变材料初始的体积，E为相变材料的相变体积变化率，可查；

Q为流量计a的流量，t₀、t₁分别为流量计a数值计数开始的时间和结束的时间；

(5)装置上电，电磁换向阀打开，蓄能器的液压油通过电磁换向阀、流量计b流入液压马达的进油口，带动液压马达转动，液压马达通过联轴器带动发电机转动产生电能；

观察流量计b的数值为0时，说明蓄能器中的液压油全部流完，此时电磁换向阀断电；

计算机通过采集卡采集流量计a、压力传感器a的值，实时获得固液相变换热器出口液压油的流量和压力，通过采集流量计b、压力传感器b和压力传感器c的值，分别实时获得液压马达进油口的流量、液压马达进油口和出油口的压力，通过计算机实时计算液压马达的转矩T和转速n：

其中，Δp为液压马达进油口和出油口的压力差；V_L为液压马达的排量，为定值；σ为液压马达的机械效率，为定值；

其中，q为液压马达进油口的流量，即流量计b的值；σ_MV为液压马达的容积效率，为定值；

采集卡实时采集三相永磁交流同步发电机发出电能的电压值，即电压传感器的电压值，通过计算得到发电功率P：

其中，U为电压传感器的电压值，R为采样电阻的电阻值。

优选的，所述相变材料采用正十六烷。

优选的，步骤(2)中，打开恒温水槽循环模式，调节恒温水槽至10℃；

步骤(3)中重新设置恒温水槽的温度，设置温度为25℃。

优选的，当蓄能器压力低于安全阀压力时，安全阀处于关闭状态，当蓄能器压力高于安全阀压力时，安全阀自动开启，此时蓄能器中的液压油全部经安全阀流入油囊，发电测试装置不工作，即不能正常测试发电功率。

为了考虑试验的安全性设置了安全阀，安全阀的压力设置根据用户自行选择，前提是不能超过安全阀的额定压力，安全阀的选型可以自由选择，考虑到安全因素，本发明所提供的安全阀的额定压力为10MPa，安全阀的设定压力为10MPa，安全阀本质上是一种溢流阀，只有系统压力大于或等于安全阀的调定压力时开始溢流，对系统起到过载保护的作用。

本发明的采集卡有很多采集通道，可以同时采集多组数据。

值得注意的是，为了验证不同油液压力对发电性能的影响，其具体实验方案也可以采用如下方式：

整个系统共存在3级能量转换，从热能(温差能)到机械能(液压能)再到电能，而热能到机械能的转换和从机械能到电能的转换过程可以是两个独立的过程，从原理上分析可知，热能的储存仅仅是将压力油挤压进蓄能器中，当由相变材料体积变化挤压出的油液全部流入蓄能器中，热能的转换已经结束，但是考虑到相变过程发生缓慢，可以用手动液压泵来替代固液相变换热器将油液挤压到蓄能器中，这样可以大大缩短实验时间，同时可以达到一样的实验效果。

故在验证不同油液压力对发电性能的影响时，一般采用手动液压泵对蓄能器供油，可以根据用户需求，设定一个压力步长(例如，以0.5MPa为一个步长)，用户可以改变每一次输入蓄能器油液的体积来改变蓄能器油液的压力，通过观察压力传感器a的值来判断输入油液压力的值。

本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

本发明的有益效果为：

本发明可以采用多种相变材料进行实验，验证不同材料对储热量的影响；本发明可以验证不同的液压元件对液压部分系统性能的影响，如更换液压马达，不同的液压马达效率不同可能会影响能量转换效率；

本发明可以验证不同系统压力对液压能到电能转换效率的影响，如改变蓄能器的油液压力，来验证其对电能转换效率的影响；

本发明可以验证不同系统流量对发电机发电效率的影响，如可将电磁换向阀更换为比例电磁换向阀，比例电磁换向阀可以通过控制比例电磁铁来控制阀口开度，从而控制流量大小；

本发明可以更换不同的发电机，来验证不同发电机对发电效率的影响。

综上，本发明能够针对不同负载验证发电性能，解决了海洋温差能发电测试困难的问题。