配備小型波浪俘能機構(gòu)的自發(fā)熱救生衣設(shè)計

田婧嫻

摘 要：配備小型波浪俘能機構(gòu)的自發(fā)熱救生衣，采用模塊化設(shè)計，由俘能整流模塊、電能轉(zhuǎn)換模塊和功能模塊組成，具有發(fā)熱、保溫、發(fā)送求救定位信號等功能。該救生衣可維持落水人體正常生命體征的相對穩(wěn)定，可減少因低溫或無法得到及時救援造成的死亡，具有較好的應(yīng)用價值和重要的社會意義。

關(guān)鍵詞：救生衣；波浪發(fā)電；保溫供暖；海上救援

中圖分類號：U698.6 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.095

全球海難事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。人體在海水中的存活時間受海水溫度的影響較大。在此背景下，有研究人員提出在救生衣上配備能量供給的技術(shù)方案，提高落水人員的獲救概率。海洋波浪能具有分布范圍廣、能量密度高、清潔可再生等優(yōu)勢?？紤]直接從落水人員附近的波浪中收集能量，其技術(shù)關(guān)鍵是如何將波浪能高效地轉(zhuǎn)化為電能。針對上述情況，本文提出了配備小型波浪俘能機構(gòu)的自發(fā)熱救生衣，能夠收集人體附近的波浪能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，為救生衣上的碳纖維發(fā)熱片、求救定位裝置等持續(xù)供能，延長落水人員的生存時間，提高獲救概率。

1 模塊化設(shè)計方案

本作品采用模塊化設(shè)計，由俘能整流模塊、電能轉(zhuǎn)換模塊以及功能模塊組成，具有良好的互換性，便于對傳統(tǒng)救生衣低成本改造升級和批量化生產(chǎn)。

1.1 俘能整流模塊設(shè)計

方向輸出扭矩。整流齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 電能轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

電能轉(zhuǎn)換模塊由發(fā)電機、DC-DC電路、控制器以及鋰電池等組成，可為功能模塊提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

電能轉(zhuǎn)換模塊電路如圖4所示。該模塊通過發(fā)電機實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，并通過DC-DC電路實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。電能轉(zhuǎn)換模塊實物如圖5所示。

針對海浪狀態(tài)不斷變化的特點，系統(tǒng)采用爬山法實現(xiàn)發(fā)電裝置的最大功率點跟蹤（MTTP），通過檢測功率的變化狀況，實時調(diào)節(jié)DC-DC電路MOS管T的占空比，使DC-DC電路輸出功率達到該波浪激勵下的最大值，充分利用波浪能量。

1.3 功能模塊設(shè)計

功能模塊由半身型抗浸發(fā)熱內(nèi)膽、求救定位裝置和示位燈組成，其工作所需電能全部由本裝置提供，無需配備外接電源。功能模塊布置如圖6所示。

圖6 功能模塊布置

內(nèi)膽的款式借鑒于沖鋒衣和其內(nèi)膽，結(jié)合兩者的優(yōu)點，選擇沖鋒衣表面面料起到防水隔熱的效果，其為抗浸層?？菇觾?nèi)部面料為潛水布料（氯丁橡膠），其為保溫層，具有保溫、隔熱的功能，具有彈性。將該救生衣內(nèi)膽穿上身更加貼合人體，既可以減少冰冷的海水過多地接觸皮膚，又可以使發(fā)熱片與心肺貼合得更緊密，保溫效果更好。

袖口處做橡筋扎口，防止過多海水滲進袖口。在領(lǐng)口和下擺處也做好扎緊措施，用可調(diào)節(jié)松緊帶防止過多的海水穿透內(nèi)膽，使人體上半部被內(nèi)膽緊密地貼合，同時也可以根據(jù)人的胖瘦情況作相應(yīng)的調(diào)節(jié)。拉鏈?zhǔn)褂玫氖菍I(yè)的防水拉鏈，在拉鏈的兩側(cè)是內(nèi)膽與救生衣之間的固定拉鏈，內(nèi)膽背部安有魔術(shù)貼，前后都有固定裝置，使救生衣與內(nèi)膽之間的固定和拆下變得簡單、快捷?？紤]到使用者的舒適性，內(nèi)膽前面的固定方式是用拉鏈固定，后面的固定方式是用魔術(shù)貼固定，拉鏈固定更加穩(wěn)固，魔術(shù)貼的固定在人背部更加舒適無感。

抗浸層和保溫層按《船用救生衣國標(biāo)GB 4303—2008》設(shè)計，滿足IMO《SOLAS公約》。內(nèi)膽內(nèi)部安上碳纖維發(fā)熱片，為了使人感受到更高的溫度，發(fā)熱片直接貼合人體心肺部位，利用裝置所發(fā)電能供熱，有效減少機體的熱損，可維持落水者核心溫度不低于正常體溫2 ℃。內(nèi)膽里層是潛水面料，具有保溫作用。

求救定位裝置布置在電機盒內(nèi)部，可向救援人員發(fā)送求救定位信號。

示位燈布置于救生衣胸前部位，可增強落水者辨識度，從而有效縮短搜救時間。

1.4 實物效果

本作品設(shè)計兼顧實用性、安全性和舒適性，將各子模塊與救生衣有機結(jié)合，整體效果如圖7所示。在收納狀態(tài)時，俘能整流模塊和發(fā)電儲能模塊附在救生衣背部，考慮到人在實際穿著狀態(tài)下的美觀度和裝置的安全，由一塊彈性布料覆蓋保護。當(dāng)落水人員身著救生衣下水后，打開肩部2個旁開扣，彈性布料解除對背后機構(gòu)的固定，背部機構(gòu)在浮力作用下自動展開，俘獲波浪能進行自發(fā)電供熱，工作狀態(tài)如圖8所示。

各裝置均按照密封標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，具有良好的密閉性。裝置設(shè)計考慮到安全性，不會因大浪或人體運動對落水者造成傷害，且電機盒設(shè)計參照人體工程學(xué)并輔以緩沖材料，可保證人體漂浮時頭部的舒適。整套裝置結(jié)構(gòu)合理，收納和展開較為便捷，能量轉(zhuǎn)換效率高。

2 實驗

2.1 硬件在環(huán)臺架試驗

臺架試驗原理如圖9所示，硬件在環(huán)試驗臺架如圖10所示。

通過搭建硬件在環(huán)試驗臺架測試，模擬裝置在海浪中的發(fā)電效果。通過臺架試驗驗證了本裝置設(shè)計原理的合理性，接下來進行下水實測試驗，測試其在實際使用工況下的發(fā)電效果。

2.2 實驗室下水試驗

為測試試驗效果，在武漢理工大學(xué)船舶與水動力實驗室對本作品進行了相關(guān)試驗。實驗室下水試驗和造波機參數(shù)設(shè)置界

面如圖11和圖12所示。

由下水試驗數(shù)據(jù)可得，本作品的發(fā)電功率在1.87～6.69 W之間?；谂w假人模型測試，在20 ℃海水溫度下，滿足IMO《SOLAS公約》的具有發(fā)熱、保溫、抗浸功能的恒溫內(nèi)膽，保溫性能優(yōu)良，僅需額外提供4.5 W的發(fā)熱功率維持人體生命體征的穩(wěn)定。由于本設(shè)計符合IMO《SOLAS公約》，因此由試驗結(jié)果可得，在近半數(shù)工況下能滿足裝置能耗需求，在其他工況下能滿足裝置部分能耗需求。因此，本作品可有效延長落水人員在海水中等待救援的時間。

3 結(jié)論

本設(shè)計是利用海上廣泛存在的波浪能實現(xiàn)能量自供給的供熱救生衣，采用一種新型的節(jié)能減排技術(shù)方案，在海洋能利用技術(shù)領(lǐng)域具有較大發(fā)展?jié)摿?。?yōu)點如下：①本作品由俘能整流模塊、電能轉(zhuǎn)換模塊和功能模塊組成，可將不規(guī)則的海洋表面波浪激勵轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機發(fā)電的單向轉(zhuǎn)動，將波浪能轉(zhuǎn)換為功能模塊所需電能，滿足人體的供熱需求；②本作品簡單緊湊、裝卸便捷、使用方便，可長時間維持落水人員在海洋環(huán)境中生命體征的相對穩(wěn)定，是能量回收技術(shù)在海上救援技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，大大提高海上救援的成功率，具有重要的社會意義和廣闊的市場前景。

致謝：十分感謝武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院、武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院、武漢理工大學(xué)船舶與水動力實驗室對本項目的支持。

參考文獻

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