基于波浪发电的水下制氧救生设备构想

吴坤华，张小青

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安366000）

0 引言

2017年4月13日—全球唯一潜水保险组织DAN统计，2010～2013年全球561人死于潜水，也就是说平均每个月16名潜水员死于潜水工作或探险。而潜水事故的主要原因有：（1）生理方面：比如身体不适、疲劳、呕吐、眩晕及其他定向障碍等；（2）、心理方面：个性因素、潜水前不良行为、专业知识和经验及能力不足、技术不熟练、反应迟钝等；（3）潜水装具、装备和设备故障：头盔或面罩等佩戴设备脱落、脐带损伤或断裂、供气调节器故障、水面气源不足、管路不畅，腰节阀失灵，导致供气不足或中断、测氧仪失灵或自动配气系统故障，导致舱内氧分压过高或过低、生命保障系统故障等；（4）环境方面：温度过低，水面结冰、风浪大，水流湍急、能见度低、深潜水等；（5）组织与管理等方面因素。而潜水器材可以分为轻装备和重装备两类。轻装备指的是潜水镜、呼吸管和脚蹼——潜水三宝，你在浮潜时有这三件装备就可以了。而水肺潜水则还需要有呼吸调节器、浮力调整器、潜水仪表、气瓶等重装备，以及其它辅助装备[1]。

1 波浪发电原理

波浪发电主要是通过波浪或者浪涌带动动能转换装置，将波浪能转化为机械动能，之后通过发电机，再由动能转化为电能，从而实现了由波浪能到电能的转化。主要可分为三个阶段，第一阶段主要是波浪能的收集阶段，通常有聚波和共振两种方法；第二阶段主要是能量转换过程，目前常用的转换方式有机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动等；第三阶段则是通过发电机将机械能转化为电能[2]。

2 电解水原理及电解速度

电解水是指水溶液中的水在电解的情况下，分解成O2和H2的过程，且要使得电解过程顺利进行，其最小电解电流不小于200 mA，其电解方程式如下：

而电解水的速度决定着电解产气量的大小及速度的快慢，在某种情况下直接影响工作效率和安全因素主要原因，它的大小不仅跟含水量成正比，还和总电量及所通过的电流有着直接的关系，具体公式如下：

式中：W为水分含量，单位mg，Q为电量，单位mc。

电解速度主要是水电解的快慢，其公式如下：

式中I为电流，单位mA，v为电解速度，单位mg/mim。

由（2）（3）（4）可以推导出电解速度为：

由公式（2）及（5）就可以很清楚的计算出电解水产气量的多少及快慢程度[3，4]。

3 运动量与耗氧量关系

众所周知，潜水运动人员其耗氧量随运动的剧烈程度不同而不同，同时还跟气源的浓度及流速有关，具体公式见式（6）：

可知潜水员耗氧量范围为0.33 L/min～4 L/mim[6，7]。

4 水下制氧救生设备构想

4.1 设计思路

由波浪发电原理，可以知道，当流量中产生波浪时可以带动波浪发动机进行发电，而人体在水中运动时，其水流情况与浪涌相似，这种情况下，就可以引用波浪发动机进行水下发电。而所发的电通过控制器来控制电流的大小进行水解制氧，从而达到波浪发电制氧的效果，如图1。

图1 波浪发电制氧原理图

4.2 结构设计

结构设计主要从两方面入手：（1）结构框架原理图及各部分参数指标；（2）实验结果。

（1）结构框架原理图

由于考虑到人体水下运动特性可知，人体在水下运动主要于手脚运动最为激烈，产生的动能最大，因此，水流在手脚部位浪涌最大，可利用的波浪能也最大，基于这种情况波浪发动机可设置在手脚部位，也就是说最少可以设置4台波浪发动机，其结构如图2所示。由人体协调一般性可以知道，双手或者双脚的运动频率基本是相同的，因此，可以对4台发动机进行并串联组合，这样可以保证输出电压与电流的大小，从而保证产氧量的大小；对于气体的收集，将采用负压抽取的方式进行收集；导线采用S型附着导线，这样可以不影响运动的伸缩性；为了增加供电的稳定性，可以加入储电设备--蓄电池，为减轻负重量，可以采用锂电池；然后通过控制器控制电源的输入、输出；并通过压力测试装置，实现自动或手动加水，如图3所示。综上所述，可以得出该设备的整体框架图及结构图，（图中所标数据单位为mm）如图4所示。

图2 手腕波浪发电系统示意图

图3 制氧及控制系统示意图

图4 波浪发电制氧设备示意图

（2）实验结果

由人体一般运动手脚划动的弧度与发电机叶轮的尺寸以及正常潜水划动频率可以计算出：正常潜水频率为每分钟划动6次时，手臂方面，当发电机位于运动轴点距离为40 cm，腿部方面，当发电机位于运动轴点距离为75 cm，那么4台波浪发电机具体发电情况如下图5。

图5 人体运动幅度示意图

发电机转速与功率成正比关系，若发电量性能参数为见表1、表2。

表1 发电量性能参数

表2 控制器参数

当潜水员在水深大于1 m情况下进行潜水工作时，取发电机叶片直径6.3 cm，周长19.782 cm；手腕有效摆动长度40 cm，手臂划动弧长125.68 cm，叶片转动6.35圈（划动范围半圈）；脚有效摆动长度75 cm，划动弧长235.5 cm，，叶片转动5.95圈（划动范围90°）；齿轮变比 1∶10；划动返回取周长一半，由表 1 发电机转速与发电量关系及W=Pt，可以得出如下表3手脚划动频率与发电量关系。

表3 运动频率与发电量关系

由表3，可以看出波浪发电机发电量完全符合电解水电解要求，如果控制输出电压位于10～12 V之间，加入适当的催化剂或者电解质（比如催化剂钌、NaOH、H2SO4等），将有利于电解水的完成。而根据目前一般导线、蓄电池及控制器的损耗及转换效率，可知一般线路损耗不大于5%，蓄电池效率目前可达到85%以上，控制器的转换效率可达到95%，甚至以上。根据上述系数，设定控制器输出电压为12 V，为保证潜水过程的安全性，采用离子交换膜电解水制氧技术-SPE电解槽，加入催化剂（如催化剂钌等），则根据电机发电量代入公式（1）（2）（5）可以计算出电解产气量具体情况见表4。

表4 电解水产气量

5 结论

由上述推导及论述可以得出以下结论：（1）由潜水员耗氧量范围为，以及表3推导产气量可知，该套设备基本满足潜水运动人员的耗氧量需求，该设备对于潜水运动及工作有极大的帮助及便利；（2）由表3产热量可以看出，只要能够将电解产生的热量合理的引导出来，那么将极大地解决了潜水过程中人体热量流失的问题，为潜水运动及工作人员的人身安全提供极大的帮助；（3）由（1）可知，氢气的产量是氧气体积的2倍，关键时候可以通过释放压缩的氢气，从而达到自动上浮的救生效果；（4）该设备为便携式潜水设计款型，方便潜水运动人员携带及安装，可为背包型，也可以为附属携带装置，样式可以多样化，甚至发电机可以改为风力发电机、震动发电机等等，从而为野外运动、生活及保健带来极大的便利。