基于波浪滑翔器的能源供給裝置設(shè)計(jì)

葉 松，呂胤墀，甘宇平，王春棟，沈奕宏，沐云飛

(國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長沙 410003)

0 引言

近年來，海洋的重要性逐漸顯現(xiàn)，國家針對海洋的探測技術(shù)也在迅猛發(fā)展。其中，波浪滑翔器作為一種新型的海面無人觀測手段，相比于傳統(tǒng)的海面探測設(shè)備具有很大的優(yōu)勢。但是，現(xiàn)在國內(nèi)外的波浪滑翔器通常以太陽能轉(zhuǎn)換成電能的方式為波浪滑翔器的搭載設(shè)備供電，存在夜間無法發(fā)電和陰雨天發(fā)電量不足的問題，限制了波浪滑翔器搭載設(shè)備的持續(xù)探測能力，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致通信中斷和水文信息采集中斷等情況。文章設(shè)計(jì)了一種基于波浪滑翔器的波—電轉(zhuǎn)換新裝置，充分利用波浪能這一綠色能源進(jìn)行波—電轉(zhuǎn)換，可以有效解決波浪滑翔器搭載設(shè)備供電不足的問題。

1 波浪滑翔器

波浪滑翔器作為一種新型的波浪能驅(qū)動(dòng)無人自主探測平臺，搭載了探測儀器、通訊設(shè)備和舵機(jī)控制，既具有氣象水文浮標(biāo)的功能，又具有大規(guī)模海洋監(jiān)測的能力[1]。

1.1 波浪滑翔器的結(jié)構(gòu)組成

波浪滑翔器主要由水面浮體、水下滑翔體和系纜3大部分構(gòu)成。

水面浮體由太陽能電池板、浮體材料包圍的密封艙體、控制系統(tǒng)、電池、各類傳感器負(fù)載以及可充電電池等組成[2]。水下滑翔體主要由可上下擺動(dòng)的翼板、尾部舵機(jī)和滑翔體組成。滑翔體在被系纜上下驅(qū)動(dòng)的過程中，其翼板可以在水的作用下上下翻轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)滑翔體向前移動(dòng)[3]。系纜連接水面浮體和水下滑翔體。系纜是具有彈性的，其中安裝有電纜，能夠?qū)⑻柲馨瀹a(chǎn)生的電能傳輸?shù)剿禄梵w，從而向傳感器提供電能[4]。

1.2 波浪滑翔器的運(yùn)動(dòng)機(jī)理

波浪滑翔器由波峰運(yùn)動(dòng)到波谷時(shí)，水面浮體和水下滑翔體隨著波浪的下降而下降。此時(shí)，水下滑翔體的翼板受到水的作用力和自身重力，這兩個(gè)力的合力會產(chǎn)生一個(gè)向前分力，使得水下滑翔體水平向前運(yùn)動(dòng)(圖1)。波浪滑翔器由波谷運(yùn)動(dòng)到波峰時(shí)，水面浮體隨著波浪的上升而上升。此時(shí)，系纜拉動(dòng)水下滑翔體做上升運(yùn)動(dòng)，翼板主要受到水的作用力和系纜拉力的作用，這兩個(gè)力的合力也會產(chǎn)生一個(gè)向前分力使得水下滑翔體水平向前運(yùn)動(dòng)(圖2)。因此，當(dāng)波浪帶著水面浮體進(jìn)行上升下降的垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，位于水下的滑翔體在水平方向上向前運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)水面浮體進(jìn)行水平方向上的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 下降時(shí)翼板受力分析

圖2 上升時(shí)翼板受力分析

1.3 波浪滑翔器的發(fā)電原理

目前，國內(nèi)外的波浪滑翔器基本上都是采用太陽能電池板進(jìn)行供電。太陽能電池是利用光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。在太陽光的照射下，半導(dǎo)體中的自由電荷發(fā)生定向移動(dòng)，使正負(fù)電荷分別累積在半導(dǎo)體兩端，形成電動(dòng)勢差。此時(shí)，閉合導(dǎo)體的兩端形成閉合回路，就會產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應(yīng)[5]。

2 波-電轉(zhuǎn)換新裝置

2.1 波-電轉(zhuǎn)換裝置新概念

波浪滑翔器作為一種新型的海洋無人航行器，在海洋探測、海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、遠(yuǎn)?？茖W(xué)研究以及國家海防建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前其搭載設(shè)備作業(yè)所需的能源均由太陽能電池板供應(yīng)。盡管太陽能電池板具有發(fā)電無污染、無噪音、無能源枯竭危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是太陽能電池板的發(fā)電情況在很大的程度上受到環(huán)境和天氣條件的制約。波—電轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)的目的就是基于現(xiàn)有波浪滑翔器的技術(shù)，將一些合理的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和發(fā)電裝置與波浪滑翔器結(jié)合起來，使其能夠利用波浪滑翔器系纜的伸縮特性，將捕獲到的波浪能通過纜繩、齒輪、齒條、齒鏈等機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐級傳遞與轉(zhuǎn)換，而后帶動(dòng)機(jī)械發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，從而把波浪能轉(zhuǎn)化為電能，為波浪滑翔器搭載設(shè)備提供全天候的能量供應(yīng)，這對海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)和開展遠(yuǎn)?？茖W(xué)研究具有重大意義。

2.2 波-電轉(zhuǎn)換新裝置的組成與結(jié)構(gòu)

基于目前已有的波浪滑翔器結(jié)構(gòu)，文章所設(shè)計(jì)的波-電轉(zhuǎn)換裝置的安裝位置如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用中，波-電轉(zhuǎn)換新裝置用以替代系纜豎直安裝于波浪滑翔器水面浮體的下方，位于波浪滑翔器水面浮體和波浪滑翔器水下滑翔體之間，裝置有纜繩的一端連接于波浪滑翔器水下滑翔體的上方，有殼體的一端連接于水面浮體的下方，整個(gè)裝置外表面處于密封狀態(tài)。

1.波浪滑翔器水面浮體；2.波浪滑翔器水下滑翔體；3.非彈性柔性纜繩；4.殼體

波—電轉(zhuǎn)換裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，裝置內(nèi)的纜繩采用非彈性柔性纜繩，便于拉伸彈性伸縮件；彈性伸縮件采用彈簧代替，彈簧的一端固定對接于基座表面設(shè)置線上，彈簧上的另一端連接于齒條上；齒條固定于滑軌上面，并可以在滑軌上來回反復(fù)移動(dòng)，用于帶動(dòng)單向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；單向齒輪固定于軸桿上，軸桿可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，單向齒輪的外周齒紋與齒條上的齒紋相咬合；隨動(dòng)齒輪固定于軸桿的另一端，隨動(dòng)齒輪隨軸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，隨動(dòng)齒輪外周上的齒紋與齒鏈上齒孔相匹配；齒鏈同時(shí)套設(shè)于隨動(dòng)齒輪外周齒紋上，以及機(jī)械發(fā)電機(jī)上齒輪外周齒紋上，齒鏈用于聯(lián)動(dòng)隨動(dòng)齒輪與機(jī)械發(fā)電機(jī)上的齒輪；限位件用于對齒條豎直向下移動(dòng)進(jìn)行限位，防止其拉伸過長，損壞彈簧；防水封帶設(shè)置于殼體的外面并包裹非彈性柔性纜繩，可以獲得有效的防水效果，避免海水侵入殼體。

1.殼體；2.基座；3.彈性伸縮件；4.齒條；5.軸桿；6.單向齒輪；7.隨動(dòng)齒輪；8.齒鏈；9.機(jī)械發(fā)電機(jī)；10.限位件；11.防水封帶

2.3 波-電轉(zhuǎn)換新裝置工作原理

搭載了波—電轉(zhuǎn)換新裝置的波浪滑翔器在實(shí)際使用的過程當(dāng)中，在海水波浪的作用下，波浪滑翔器的水面浮體與水下滑翔體隨水流進(jìn)行上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)波浪滑翔器的水面浮體隨著波浪作上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，波浪滑翔器的水面浮體與水下滑翔體之間的距離逐漸增大，由于波浪滑翔器水下滑翔體對非彈性柔性纜繩豎直向下的拉力作用，使得非彈性柔性纜繩拉動(dòng)齒條豎直向下移動(dòng)，齒條的移動(dòng)一方面會將彈簧拉伸開，另一方面會帶動(dòng)單向齒輪進(jìn)行工作；單向齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)會帶動(dòng)軸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)隨動(dòng)齒輪進(jìn)行單向轉(zhuǎn)動(dòng)，并在齒鏈的聯(lián)動(dòng)下，帶動(dòng)機(jī)械發(fā)電機(jī)上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械發(fā)電，所產(chǎn)生電能可以儲備起來，以便為波浪滑翔器所搭載設(shè)備提供電能，使搭載設(shè)備能夠更好地持續(xù)穩(wěn)定工作。

當(dāng)波浪滑翔器的水面浮體隨著波浪做下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，波浪滑翔器的水面浮體與水下滑翔體之間的距離逐漸減小，非彈性柔性纜繩處于放松狀態(tài)，由于彈簧固有的伸縮特性，因此在波浪滑翔器水面浮體上升階段被齒條拉伸的彈簧會進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)齒條作上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)非彈性柔性纜繩運(yùn)動(dòng)，也就順勢拉動(dòng)水面浮體前進(jìn)，由于單向齒輪的單向轉(zhuǎn)動(dòng)特性，齒條的來回移動(dòng)僅僅經(jīng)過單向齒輪給軸桿帶來單向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以此過程并不會帶動(dòng)機(jī)械發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

3 波-電轉(zhuǎn)換新裝置的優(yōu)勢

3.1 原理科學(xué)

波—電轉(zhuǎn)換新裝置采用全新的快速有效的能量傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量的傳遞與轉(zhuǎn)換。波浪滑翔器水下滑翔體俘獲波浪能，通過非彈性柔性纜繩帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過齒條、單向齒輪、隨動(dòng)齒輪、齒鏈等機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將機(jī)械能傳遞給內(nèi)置的機(jī)械發(fā)電機(jī)，機(jī)械發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并進(jìn)行儲能，提高波浪滑翔器的電能供給能力，使波浪滑翔器所搭載設(shè)備能夠持續(xù)穩(wěn)定工作。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

利用波—電轉(zhuǎn)換新裝置替代傳統(tǒng)波浪滑翔器中的纜繩，突破傳統(tǒng)波浪滑翔器搭載設(shè)備單純利用太陽能電池板作為發(fā)電手段的制約，將海洋波浪能作為初始轉(zhuǎn)換能量，破解了波浪滑翔器工作受晝夜和天氣條件限制的難題，使波浪滑翔器在利用波浪能航行的同時(shí)進(jìn)行波浪能到電能的轉(zhuǎn)換，為其搭載的設(shè)備提供電能儲備。對于海洋探測時(shí)空連續(xù)性的提升具有極其重要的意義。

3.3 裝置實(shí)用

波—電轉(zhuǎn)換新裝置可以方便、快捷地安裝到波浪滑翔器上并可以立即投入使用，安裝步驟簡單；耐用度很高，無需經(jīng)常對其進(jìn)行維護(hù)修理，可以節(jié)省大部分的人力物力；裝置成本低，零部件常見，主要由基座、齒輪、齒鏈、軸桿、滑軌、齒條和機(jī)械發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，在市場上均能進(jìn)行采購；動(dòng)力源環(huán)保且不會有枯竭的危險(xiǎn)，利用機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)的波浪能，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸與轉(zhuǎn)換供電，大大提升搭載設(shè)備的續(xù)航能力。

3.4 拓展性強(qiáng)

波—電轉(zhuǎn)換新裝置具有極其強(qiáng)大的可拓展性，它不僅可以在波浪滑翔器中使用，為波浪滑翔器上的設(shè)備提供電能，也可以經(jīng)過簡單的改裝之后安裝在其他的水面探測設(shè)備上，如水面浮標(biāo)、水面無人船等，只要探測設(shè)備受到波浪的作用，那么它就能利用波浪能進(jìn)行發(fā)電，為其搭載的設(shè)備提供后續(xù)儲備能量，保證了搭載設(shè)備的正常運(yùn)行以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，大大提高其水面探測設(shè)備的續(xù)航能力。

4 未來應(yīng)用前景

現(xiàn)階段的波浪滑翔器在天氣情況良好的條件下，已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了海表溫度、海水鹽度、流場及海面風(fēng)等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)測量以及采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。但是在連續(xù)的惡劣天氣條件下，電池里儲存的電能不足以提供給波浪滑翔器搭載的設(shè)備連續(xù)工作使用。波—電轉(zhuǎn)換新裝置可在很大程度上解決這一問題，可以使波浪滑翔器搭載的設(shè)備在各種情況下都能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)獲取與傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，不再受制于天氣條件的影響，波浪能到電能的能量轉(zhuǎn)換，可使搭載設(shè)備實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、全天時(shí)、全天候的遠(yuǎn)洋探測，可產(chǎn)生巨大的社會效益。另一方面，由于波—電轉(zhuǎn)換新裝置能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，在一定程度上提高了波浪滑翔器的環(huán)境適應(yīng)性，能夠獲取到時(shí)空連續(xù)性更高、代表性更強(qiáng)、準(zhǔn)確性更好的海洋水文信息，為國家海洋事業(yè)的發(fā)展提供更多的探測資料，可以極大地推進(jìn)走向海洋、認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋的進(jìn)程。同時(shí)，波—電轉(zhuǎn)換新裝置利用波浪能屬于綠色能源，具有無污染，可持續(xù)的特點(diǎn)，極大地提高其生態(tài)效益。最后，波—電轉(zhuǎn)換新裝置構(gòu)造簡單，材質(zhì)常見，成本低廉，具有很高的經(jīng)濟(jì)適用性。因此，搭載波—電轉(zhuǎn)換裝置的波浪滑翔器將在提升社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益以及推動(dòng)國家海洋事業(yè)發(fā)展建設(shè)等方面大顯身手。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，波浪滑翔器逐漸在民用和軍事領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。隨著海洋開發(fā)、海洋建設(shè)、海洋國防的不斷深入，海上無人探測技術(shù)愈發(fā)重要，世界各國都在致力研制續(xù)航能力更強(qiáng)、探測范圍更廣、成本更低的海上無人探測設(shè)備，而波浪滑翔器作為一種新興設(shè)備擁有著極其重要的地位。波—電轉(zhuǎn)換新裝置充分利用波浪能這一綠色能源進(jìn)行發(fā)電，可以有效彌補(bǔ)波浪滑翔器供電不足的短板，使得波浪滑翔器上搭載的設(shè)備克服晝夜和惡劣天氣條件的影響，更好地持續(xù)工作，大大提高了波浪滑翔器的海洋探測效率，保證了其探測以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。