一种海底采矿车海泥发电应急行驶装备及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程深海采矿装备技术领域，具体涉及一种海底采矿车应急海泥发电应急行驶装备及方法。

背景技术

深海中多金属结核的赋存环境远远不同于陆上以及近海环境，深海海底多为4000米到6000米深的高压环境，目前最常用的采矿技术为由海底采矿车收集相应的矿物资源，然后利用海底输送技术将矿物提升至采矿船上，并在途中由采矿船供电，而海面环境多变，常常有海上极端天气如台风，当发生海上极端天气时，海上采矿船需要离开所属海域到附近港口躲避，所以当采矿船离开后，采矿车应急发电就是十分重要的问题。因此急需一种可以在采矿船离开之后应急供电的装置，该发电装置可以在采矿车作业途中积蓄电力，将电力存储于备用电源中，当发生突发状况的时候可以供给采矿车作业。

现有研究及专利主要存在以下问题：

1. 现有研究多忽视海上环境的多变性，仅停留在海泥发电对电能供给方面研究，没有考虑到采矿船主电源停止供电后，如何持续供给采矿车电能等问题；

2. 现有海泥发电实验原理仅停留在实验室方面，对于发电装置在深海环境下如何发电，以及在深海中采矿车实现海泥发电所用的装置、搭载的位置仍无人明确；

3. 海泥发电电流收集缓慢，现有研究多集中在改良阳极和阴极的材料，未对集电装置和储电装置的设计和装配进行研究；

4. 现有研究只针对单个海泥发电装置，对于深海采矿车电能供给的整体系统，整个集电、供电流程的实现方式未有学者进行研究；

5. 现有研究未考虑有关海泥发电装置安装在深海采矿车时，位于深海高压环境下深海压力及海水腐蚀等问题，现有研究未对防水和防压等问题进行研究；

发明内容

基于上述，本发明为克服现有技术的不足，提供一种海底采矿车海泥发电应急行驶装备，本装备不仅能够在必要时提供备用电能，而且能够在行进的过程中积蓄电力。

为实现上述目的，其技术方案如下：

一种海底采矿车海泥发电应急行驶装备，包括位于履带的碳材料阳极和位于车体后部的碳材料阴极组成的集电装置，锂电池储电装置，智能电压传感器检测装置和与车体主电路相连的放电装置。所述储电装置、检测装置、放电装置位于车体内部，集电装置则部分暴露在外部环境里。所述各个装置由铝芯绝缘外壳电路相连。

所述的集电装置中，碳材料阳极为四个均匀分布的碳板，插入海泥中进行电能交换，通过伸缩杆与电源相连。碳材料阴极为位于车后的一整块碳板，与海水进行电能交换，并通过车内的电路与电源相连。

所述集电装置中，碳材料阳极附着在履齿上，分布在四个履带上，总共16个阳极碳板。

所述集电装置中包括碳材料阳极，碳材料阳极底部与能够360°旋转且能自由伸缩的伸缩杆顶部相连。

所述集电装置包括伸缩杆，伸缩杆内部有用于传输电能的铝芯绝缘电路，电路一端连接在电源，一端链接在碳材料阳极。

所述储电装置为锂电池，为正方形电池组，有四个对外连接头，其中两个与集电结构相连，两个与放电结构相连。

所述放电结构一端与外电路相连另一端与储电结构相连，主要负责控制电流从储电结构传输到外电路中。

所述检测装置为电压传感器，其附着在放电结构中用于检测外电路电压，控制放电结构的开关来为主电路提供电能。

一种海底采矿车海泥发电应急行驶装备及方法，包括如下步骤：

步骤(1) 海底采矿车在海底沉积物上行驶作业时，履带上的碳材料阳极伸入海泥中，采矿车后部的碳材料阴极延伸入海水中，通过海底厌氧微生物的化学反应收集电能，集电装置开始工作；

步骤(2) 当集电装置在海泥和海水中进行化学反应、收集电能时，海泥中厌氧微生物通过氧化有机物产生电子，电子通过外电路到达阴极，同时阴极捕获由阳极产生的质子，完成生物产电和能量转换的过程。集电装置收集的电能沿着与阳极相连的伸缩杆和与阴极连着的电路传导，最后将电能储存在储电装置电源中；

步骤(3) 智能检测装置检测到储电装置上监测数据的改变，智能检测装置开始检测外电路的电压情况，控制放电装置准备向外电路供能；

步骤(4) 集电装置收集的电能在采矿车平时作业时，将电能供给到耗电少的定位装置，其余电能蓄积到储电装置电源中，以便实现极端情况下海底采矿车的应急供电；

步骤(5) 当海上突发恶劣天气情况时，位于海面上的采矿船驶离作业区域，同时位于海上采矿船的供电中心停止供给采矿车电能，海底采矿车主电路电能供给中断，当主电路电能耗尽，智能检测装置检测到主电路电压降低；

步骤(6) 智能检测装置中的电压传感器检测到主电路电压降低后，智能检测装置开始工作，检测装置向储电装置发送信号，储电装置向放电装置开始供给电能，同时检测装置向放电装置发送信号，放电装置开始工作，将位于储电装置电源中的电能供给主电路使用；

步骤(7) 放电装置打开后，放电装置控制储电装置电源，逐渐替代主电路电源工作，在此期间，放电装置控制储电装置的供电与主电路电源的平稳，使采矿车保持行驶状态，防止采矿车停止后发生沉降；

步骤(8) 当海上极端天气消失，海上采矿船回到作业区域后，位于采矿船上的供电中心恢复工作，重新给深海采矿车供给电能，海底采矿车恢复电能供给后，智能检测装置检测到主电路恢复供电；

步骤(9) 智能检测装置检测到供电后，向储电装置和放电装置发送信号，放电装置逐渐关闭并停止供电，恢复由主电路电源供电的状态，储电装置停止供电后，集电装置继续在行进途中积蓄电能，随时准备再次出现的需要供电情况。

1. 本发明填补了海底采矿车海泥发电应急行驶装备的空白，充分考虑了海底采矿过程中海上天气的多变性，采用海泥发电备用电源的方式保证了采集过程的连续性和持久性，使海底采矿车能够在采矿船驶离海面的情况下，延长采集过程的持续时间，当主电路电池耗尽的时候代替其为主电路供电，有效提高了整体的采集效率。

2. 本发明充分利用了海底海泥富集的厌氧微生物，实现原理为微生物燃料电池，其中阳极安装于履齿上，在行进过程中埋在厌氧海泥中，阴极安装于采矿车尾部，放置在海水中。阳极放置在海泥中，表面海泥细菌降解沉积物有机质并释放质子和电子，质子和电子分别从电解液和外电路传递到阴极，并与阴极附近溶解氧发生反应生成水，产生电能。海泥发电是一种清洁无污染，可长期提供电流的装置。阳极和阴极的电流交换均来自于海洋内部环境，不需要提前充电准备，提高了采集的效率。

3. 本发明充分考虑到电流收集缓慢的问题，采矿车在平时作业行进的过程中收集电能，其阳极陷入海泥中，阴极延伸入海水中收集电能，最后集电装置将收集的电能储存在储电装置锂电池中。保证了集电装置能够在平时作业的过程中持续为储电装置充能，解决了海泥发电在短时间内发电量较低的问题。

4. 本发明的检测装置检测主电路电流，以及控制放电装置放电的工作实现全自动，实施方便快捷，对于主电路断电供电过程能够快速高效的进行反应，同时能够协调海泥发电的各个装置，保证其各个装置运行过程中互不干扰，保证了海底采矿车在进行深海采矿作业过程的连续和高效。

5. 本发明解决了深海环境下的防水和防压等问题，储电装置、放电装置和检测装置均置于采矿车箱体内部，由采矿车箱体隔绝海水压力和防止海水渗透。暴露在海洋高压环境中的传动杆、伸缩杆、环形板、闭合约束装置、固定螺栓和履带板，均采用防水和高强度材料，保证能够承受海底的高压并防止海水的渗入。

本发明有益之处：

1. 本发明填补了海底采矿车海泥发电应急行驶装备的空白，充分考虑了海底采矿过程中海上天气的多变性，采用海泥发电备用电源的方式保证了采集过程的连续性和持久性，使海底采矿车能够在采矿船驶离海面的情况下，延长采集过程的持续时间，当主电路电池耗尽的时候代替其为主电路供电，有效提高了整体的采集效率；

2. 本发明充分利用了海底海泥富集的厌氧微生物，实现原理为微生物燃料电池，其中阳极安装于履齿上，在行进过程中埋在厌氧海泥中，阴极安装于采矿车尾部，放置在海水中。阳极放置在海泥中，表面海泥细菌降解沉积物有机质并释放质子和电子，质子和电子分别从电解液和外电路传递到阴极，并与阴极附近溶解氧发生反应生成水，产生电能。海泥发电是一种清洁无污染，可长期提供电流的装置。阳极和阴极的电流交换均来自于海洋内部环境，不需要提前充电准备，提高了采集的效率；

3. 本发明充分考虑到电流收集缓慢的问题，采矿车在平时作业行进的过程中收集电能，其阳极陷入海泥中，阴极延伸入海水中收集电能，最后集电装置将收集的电能储存在储电装置锂电池中。保证了集电装置能够在平时作业的过程中持续为储电装置充能，解决了海泥发电在短时间内发电量较低的问题；

4. 本发明的检测装置检测主电路电流，以及控制放电装置放电的工作实现全自动，实施方便快捷，对于主电路断电供电过程能够快速高效的进行反应，同时能够协调海泥发电的各个装置，保证其各个装置运行过程中互不干扰，保证了海底采矿车在进行深海采矿作业过程的连续和高效；

5. 本发明解决了深海环境下的防水和防压等问题，储电装置、放电装置和检测装置均置于采矿车箱体内部，由采矿车箱体隔绝海水压力和防止海水渗透。暴露在海洋高压环境中的传动杆、伸缩杆、环形板、闭合约束装置、固定螺栓和履带板，均采用防水和高强度材料，保证能够承受海底的高压并防止海水的渗入。

附图说明

图1为本发明所述的海泥发电装置的总体结构示意图；

图2为本发明俯视图；

图3为本发明伸缩杆侧视图；

图4为本发明原理图；

图5为本发明集电结构工作示意图；

图6为本发明履齿阳极结构图；

图7为本发明集电装置细部链接构造图；

图8为本发明储电装置正视图和后视图。

图中：1.石墨烯碳材料阳极、2.石墨烯碳材料阴极、3.储电装置、4.智能检测装置、5.放电装置、6.铝芯绝缘电路、7.伸缩杆、101.闭合约束装置、102.防水绝缘环形板、103.采矿车绝缘传动杆、104.履带板、105.绝缘防水圆片、106固定螺栓、201.车尾线路连接口、202分散矩形板、301.集电连接头阳极、302.集电连接头阴极、303.放电连接头阳极、304.放电连接头阴极、305.锂电池

实施方式

下面将结结合本申请实施实例中的附图，对本申请实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本申请保护范围。

本说明书所附图中的结构，大小，比例等。均是用于配合本说明书所示的内容，用来提供给熟悉本技术的有关人士了解并阅读，而非用以规定发明的各种限定条件，所以并不具备实际上的意义，任何的结构调整，大小改变，比例关系变化，只要不影响本发明所能产生的功效，均应该涵盖在本发明的范围内。同时本说明书中所运用的各种限定位置的词语“车内”“尾部”“上”等，均为了叙述方便，而非固定其相应位置和实施范围，对其相对关系进行调整，在没有对实质技术进行改变的情况下，就应当看作是本发明的范畴，同时电极材料的选用也不做以规定。

如图1—8所示，一种海底采矿车海泥发电应急行驶装备，包括集电装置安装在履带履齿上的碳材料阳极1和安装在采矿车尾部的碳材料阴极2，储电装置3，检测装置电压传感器4，放电装置5，其中碳材料阳极通过链接伸缩杆7来传输电能，伸缩杆与车前后部圆柱腔体相连，电压传感器4紧靠着放电结构5，与储电结构3用铝芯绝缘线路6相连。

应急海泥发电集电装置中碳材料阳极1分布于履带上，每个碳材料阳极1均与一个伸缩杆7相连，一个履带共设有四个碳材料阳极1，同样每个履带有四个伸缩杆7与阳极相连，二者为一一对应的关系，伸缩杆7中包含铝芯绝缘电路6，所述二者应保证碳材料阳极1与包裹在伸缩杆7内部的铝芯绝缘电路6相连。

如图1所示，应急海泥发电装置中，集电装置、储电装置、检测装置和放电装置，均放置在深海采矿车内部，采矿车共有四个履带，四个履带上均匀的分布碳材料阳极1。

如图8，为保证储电装置3能够充分储存电能，且保证放电与充电能够相互分离，储电结构3由多组锂电池305集合而成，设置四个外置连接头301、302、303、304，其中301、302与集电装置相连，集电装置收集的电流经由铝芯绝缘电路6传送到储电装置3中，303、304与放电结构相连，当智能检测装置打开放电装置3后，储电装置3通过铝芯绝缘电路6将电能传送到放电装置中。

为保证集电装置电流的传输，链接储电装置3和碳结构阳极1的铝芯绝缘电路6，在车前端链接车下部杆件103的中心设置可闭合装置101，用来分割车内和连接碳材料阳极1与储电装置3。同时为保证储电装置3与碳材料阴极2能够传输电流，在车体后部设置矩形板202，用于将铝芯绝缘电路6扩散开，其中线路通过连接口201延伸入矩形板202内部，与碳材料阴极2相连。

如图6所示，碳材料阳极1嵌固在履带板104上，固定螺栓106用于固定防水绝缘圆片105，防水绝缘圆片105保证履带板104和伸缩杆7之间的连接不会有海水渗入。

为使检测装置4能够灵敏的收集采矿车主电路电流，控制放电装置5开关。所述检测装置放置在放电装置5的旁边，而放电装置5与主电路相连，保证电流能够传输到主电路中。

考虑深海压力及海水腐蚀等因素，为了防止储电装置3、放电装置5、检测装置4来自深海环境的破坏，三者均安装在采矿车内部。

为保证集电装置碳材料阳极1能够嵌合在履带板104且能够稳定传输电能，由固定螺栓106将线路压紧集合，由在传输口102内部的线路沿着伸缩杆7，在伸缩杆7顶端与阳极连接口105相连，用于传输阳极收集的电能。

为保证海泥发电整体系统的运转，各个结构之间用铝芯绝缘电路6相连，用于传输电能和防止海水渗入短路。

图4为海泥发电装备集电装置原理示意图，碳材料阴极2放置在海水中，碳材料阳极1放置在海泥中，表面海泥细菌降解沉积物有机质并释放质子和电子，质子和电子分别从电解液和外电路传递到碳材料阴极2，并与碳材料阴极2附近溶解氧发生反应生成水，产生电能。

如图1、2所示，一种海底采矿车海泥发电应急行驶装备及方法，采用本发明所述的深海复杂环境下采矿车利用海泥、海水化学反应，用于应急发电试验装置，该方法包括如下步骤：

步骤一：海底采矿车在海底沉积物上行驶作业时，履带上的碳材料阳极1伸入海泥中，采矿车后部的碳材料阴极2延伸入海水中，通过海底厌氧微生物的化学反应收集电能，集电装置开始工作；

步骤二：当集电装置在海泥和海水中进行化学反应、收集电能时，海泥中厌氧微生物通过氧化有机物产生电子，电子通过外电路到达阴极，同时阴极捕获由阳极产生的质子，完成生物产电和能量转换过程。电能沿着与阳极相连的伸缩杆2和与阴极连着的铝芯绝缘电路6传导，最后将电能储存在储电装置电源3中；

步骤三：智能检测装置4检测到集电装置上监测数据的改变，智能检测装置4开始工作，并开始检测外电路电压情况，控制放电装置5准备向外电路供能；

步骤四：集电装置收集的电能在采矿车平时作业时，将电能供给到耗电少的定位装置中，其余电能蓄积到储电装置电源3中，以便实现极端情况下海底采矿车的应急供电；

步骤五：海上突发恶劣天气情况时，位于海面上的采矿船驶离作业区域，同时位于海上采矿船的供电中心停止供给采矿车电能，海底采矿车主电路电能供给中断，当主电路电能耗尽，智能检测装置4检测到主电路电压降低；

步骤六：智能检测装置4中的电压传感器检测到主电路电压降低后，智能检测装置4开始工作，检测装置4向储电装置3发送信号，储电装置3向放电装置5开始供给电能，同时智能检测装置4向放电装置5发送信号，放电装置5开始工作，将位于储电装置3电源中的电能供给主电路使用；

步骤七：放电装置5打开后，放电装置5控制储电装置电源3逐渐替代主电路电源工作，在此期间，放电装置5控制储电装置3的供电与主电路电源的平稳，使采矿车保持行驶状态，防止采矿车停止后发生沉降；

步骤八：当海上极端天气消失，海上采矿船回到作业区域后，位于采矿船上的供电中心恢复工作，重新给深海采矿车供给电能，海底采矿车恢复电能供给后，智能检测装置4检测到主电路恢复供电；

步骤九：智能检测装置4检测到供电后，向储电装置3和放电装置5发送信号，放电装置5逐渐关闭并停止供电，恢复由主电路电源供电的状态，储电装置3停止供电后，集电装置继续在行进途中积蓄电能，随时准备可能再次出现的需要供电情况。

以上所陈述的专利实例，虽然结合了附图对其具体实施方式进行了叙述，但是此非本专利的保护范围限制，对本领域的专业技术人员应当明白，在本发明方案的基础上，相关技术人员不需要付出时间与精力，在不脱离本专利构思的前提下，进行的若干改进和变形，这些都是属于本专利的保护范围。本专利的保护范围应该以所附权书为准。