基于波浪發電的水下制氧救生設備構想

吳坤華，張小青

（福建水利電力職業技術學院，福建 永安366000）

0 引言

2017年4月13日—全球唯一潛水保險組織DAN統計，2010～2013年全球561人死于潛水，也就是說平均每個月16名潛水員死于潛水工作或探險。而潛水事故的主要原因有：（1）生理方面：比如身體不適、疲勞、嘔吐、眩暈及其他定向障礙等；（2）、心理方面：個性因素、潛水前不良行為、專業知識和經驗及能力不足、技術不熟練、反應遲鈍等；（3）潛水裝具、裝備和設備故障：頭盔或面罩等佩戴設備脫落、臍帶損傷或斷裂、供氣調節器故障、水面氣源不足、管路不暢，腰節閥失靈，導致供氣不足或中斷、測氧儀失靈或自動配氣系統故障，導致艙內氧分壓過高或過低、生命保障系統故障等；（4）環境方面：溫度過低，水面結冰、風浪大，水流湍急、能見度低、深潛水等；（5）組織與管理等方面因素。而潛水器材可以分為輕裝備和重裝備兩類。輕裝備指的是潛水鏡、呼吸管和腳蹼——潛水三寶，你在浮潛時有這三件裝備就可以了。而水肺潛水則還需要有呼吸調節器、浮力調整器、潛水儀表、氣瓶等重裝備，以及其它輔助裝備[1]。

1 波浪發電原理

波浪發電主要是通過波浪或者浪涌帶動動能轉換裝置，將波浪能轉化為機械動能，之后通過發電機，再由動能轉化為電能，從而實現了由波浪能到電能的轉化。主要可分為三個階段，第一階段主要是波浪能的收集階段，通常有聚波和共振兩種方法；第二階段主要是能量轉換過程，目前常用的轉換方式有機械傳動、低壓水力傳動、高壓液壓傳動、氣動傳動等；第三階段則是通過發電機將機械能轉化為電能[2]。

2 電解水原理及電解速度

電解水是指水溶液中的水在電解的情況下，分解成O2和H2的過程，且要使得電解過程順利進行，其最小電解電流不小于200 mA，其電解方程式如下：

而電解水的速度決定著電解產氣量的大小及速度的快慢，在某種情況下直接影響工作效率和安全因素主要原因，它的大小不僅跟含水量成正比，還和總電量及所通過的電流有著直接的關系，具體公式如下：

式中：W為水分含量，單位mg，Q為電量，單位mc。

電解速度主要是水電解的快慢，其公式如下：

式中I為電流，單位mA，v為電解速度，單位mg/mim。

由（2）（3）（4）可以推導出電解速度為：

由公式（2）及（5）就可以很清楚的計算出電解水產氣量的多少及快慢程度[3，4]。

3 運動量與耗氧量關系

眾所周知，潛水運動人員其耗氧量隨運動的劇烈程度不同而不同，同時還跟氣源的濃度及流速有關，具體公式見式（6）：

可知潛水員耗氧量范圍為0.33 L/min～4 L/mim[6，7]。

4 水下制氧救生設備構想

4.1 設計思路

由波浪發電原理，可以知道，當流量中產生波浪時可以帶動波浪發動機進行發電，而人體在水中運動時，其水流情況與浪涌相似，這種情況下，就可以引用波浪發動機進行水下發電。而所發的電通過控制器來控制電流的大小進行水解制氧，從而達到波浪發電制氧的效果，如圖1。

圖1 波浪發電制氧原理圖

4.2 結構設計

結構設計主要從兩方面入手：（1）結構框架原理圖及各部分參數指標；（2）實驗結果。

（1）結構框架原理圖

由于考慮到人體水下運動特性可知，人體在水下運動主要于手腳運動最為激烈，產生的動能最大，因此，水流在手腳部位浪涌最大，可利用的波浪能也最大，基于這種情況波浪發動機可設置在手腳部位，也就是說最少可以設置4臺波浪發動機，其結構如圖2所示。由人體協調一般性可以知道，雙手或者雙腳的運動頻率基本是相同的，因此，可以對4臺發動機進行并串聯組合，這樣可以保證輸出電壓與電流的大小，從而保證產氧量的大小；對于氣體的收集，將采用負壓抽取的方式進行收集；導線采用S型附著導線，這樣可以不影響運動的伸縮性；為了增加供電的穩定性，可以加入儲電設備--蓄電池，為減輕負重量，可以采用鋰電池；然后通過控制器控制電源的輸入、輸出；并通過壓力測試裝置，實現自動或手動加水，如圖3所示。綜上所述，可以得出該設備的整體框架圖及結構圖，（圖中所標數據單位為mm）如圖4所示。

圖2 手腕波浪發電系統示意圖

圖3 制氧及控制系統示意圖

圖4 波浪發電制氧設備示意圖

（2）實驗結果

由人體一般運動手腳劃動的弧度與發電機葉輪的尺寸以及正常潛水劃動頻率可以計算出：正常潛水頻率為每分鐘劃動6次時，手臂方面，當發電機位于運動軸點距離為40 cm，腿部方面，當發電機位于運動軸點距離為75 cm，那么4臺波浪發電機具體發電情況如下圖5。

圖5 人體運動幅度示意圖

發電機轉速與功率成正比關系，若發電量性能參數為見表1、表2。

表1 發電量性能參數

表2 控制器參數

當潛水員在水深大于1 m情況下進行潛水工作時，取發電機葉片直徑6.3 cm，周長19.782 cm；手腕有效擺動長度40 cm，手臂劃動弧長125.68 cm，葉片轉動6.35圈（劃動范圍半圈）；腳有效擺動長度75 cm，劃動弧長235.5 cm，，葉片轉動5.95圈（劃動范圍90°）；齒輪變比 1∶10；劃動返回取周長一半，由表 1 發電機轉速與發電量關系及W=Pt，可以得出如下表3手腳劃動頻率與發電量關系。

表3 運動頻率與發電量關系

由表3，可以看出波浪發電機發電量完全符合電解水電解要求，如果控制輸出電壓位于10～12 V之間，加入適當的催化劑或者電解質（比如催化劑釕、NaOH、H2SO4等），將有利于電解水的完成。而根據目前一般導線、蓄電池及控制器的損耗及轉換效率，可知一般線路損耗不大于5%，蓄電池效率目前可達到85%以上，控制器的轉換效率可達到95%，甚至以上。根據上述系數，設定控制器輸出電壓為12 V，為保證潛水過程的安全性，采用離子交換膜電解水制氧技術-SPE電解槽，加入催化劑（如催化劑釕等），則根據電機發電量代入公式（1）（2）（5）可以計算出電解產氣量具體情況見表4。

表4 電解水產氣量

5 結論

由上述推導及論述可以得出以下結論：（1）由潛水員耗氧量范圍為，以及表3推導產氣量可知，該套設備基本滿足潛水運動人員的耗氧量需求，該設備對于潛水運動及工作有極大的幫助及便利；（2）由表3產熱量可以看出，只要能夠將電解產生的熱量合理的引導出來，那么將極大地解決了潛水過程中人體熱量流失的問題，為潛水運動及工作人員的人身安全提供極大的幫助；（3）由（1）可知，氫氣的產量是氧氣體積的2倍，關鍵時候可以通過釋放壓縮的氫氣，從而達到自動上浮的救生效果；（4）該設備為便攜式潛水設計款型，方便潛水運動人員攜帶及安裝，可為背包型，也可以為附屬攜帶裝置，樣式可以多樣化，甚至發電機可以改為風力發電機、震動發電機等等，從而為野外運動、生活及保健帶來極大的便利。