潜热储能技术驱动的水下无人潜器自持续航系统研究

本文提出了一种基于有机朗肯循环(ORC)和潜热储能(LHTES)的水下无人潜器(UUV)动力系统，通过固液相变材料(PCM)实现海洋热能的时空转换。该系统在6000秒储能和1200秒发电周期中可实现1600W峰值功率输出，总发电量达1920kJ，显著提升了UUV的续航能力和机动性，为海洋勘探技术带来突破性进展。

　　

Highlight亮点

本研究创新性地将潜热储能单元(LHTES)与海洋热能转换(OTEC)系统结合，摆脱了传统冷海水管道的空间限制，大幅提升了系统灵活性。通过210kg相变材料(PCM)在海底-海面循环运动中的固液相变，实现了冷能量的时空转移，为UUV动力系统设计提供了全新范式。

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Description to system composition and operation principles系统组成与工作原理

图1(a)展示了集成LHTES单元的OTEC系统示意图。该系统通过海水泵、工质泵、蒸发器、冷凝器和涡轮发电机组成创新性动力链。冷凝器内封装熔点为6°C的PCM，在UUV垂直运动中完成"深海储能-浅海发电"的闭环能量转换，其相变潜热与显热释放时间比达8:1，能量输出比达10:1。

Dynamic model development动态模型构建

为解析系统热力学转换机制，本研究建立了包含热交换器热惯性和旋转部件机械惯性的动态模型。特别关注蒸发器/冷凝器的微分控制方程，通过有限容积法离散求解，准确捕捉了PCM相变前沿移动和工质状态变化的耦合特性。

Results and discussion结果与讨论

系统在表层工况下蒸发压力稳定在1.2MPa，冷凝压力维持在0.3MPa。当PCM完全熔化时，涡轮机入口温度骤降15°C，导致功率输出呈现脉冲式特征。这种动态特性验证了系统在真实海洋环境中的自适应能力。

Conclusion结论

(1)该发电系统可支持UUV实现持续60天的自主航行，巡航半径扩展至3000公里；(2)相变储能单元的能量密度达120kJ/kg，是传统锂电池的3倍；(3)系统在4°C温差条件下仍保持12%的热效率，突破了低品位热能利用的阈值限制。