吳坤華，張小青

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安366000）

0 引言

2017年4月13日—全球唯一潛水保險(xiǎn)組織DAN統(tǒng)計(jì)，2010～2013年全球561人死于潛水，也就是說(shuō)平均每個(gè)月16名潛水員死于潛水工作或探險(xiǎn)。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(gè)性因素、潛水前不良行為、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)及能力不足、技術(shù)不熟練、反應(yīng)遲鈍等；（3）潛水裝具、裝備和設(shè)備故障：頭盔或面罩等佩戴設(shè)備脫落、臍帶損傷或斷裂、供氣調(diào)節(jié)器故障、水面氣源不足、管路不暢，腰節(jié)閥失靈，導(dǎo)致供氣不足或中斷、測(cè)氧儀失靈或自動(dòng)配氣系統(tǒng)故障，導(dǎo)致艙內(nèi)氧分壓過(guò)高或過(guò)低、生命保障系統(tǒng)故障等；（4）環(huán)境方面：溫度過(guò)低，水面結(jié)冰、風(fēng)浪大，水流湍急、能見(jiàn)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(lèi)。輕裝備指的是潛水鏡、呼吸管和腳蹼——潛水三寶，你在浮潛時(shí)有這三件裝備就可以了。而水肺潛水則還需要有呼吸調(diào)節(jié)器、浮力調(diào)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(fā)電原理

波浪發(fā)電主要是通過(guò)波浪或者浪涌帶動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置，將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，之后通過(guò)發(fā)電機(jī)，再由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)了由波浪能到電能的轉(zhuǎn)化。主要可分為三個(gè)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(zhuǎn)換過(guò)程，目前常用的轉(zhuǎn)換方式有機(jī)械傳動(dòng)、低壓水力傳動(dòng)、高壓液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)等；第三階段則是通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(guò)程，且要使得電解過(guò)程順利進(jìn)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(chǎn)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(guò)的電流有著直接的關(guān)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(dǎo)出電解速度為：

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

3 運(yùn)動(dòng)量與耗氧量關(guān)系

眾所周知，潛水運(yùn)動(dòng)人員其耗氧量隨運(yùn)動(dòng)的劇烈程度不同而不同，同時(shí)還跟氣源的濃度及流速有關(guān)，具體公式見(jiàn)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(shè)備構(gòu)想

4.1 設(shè)計(jì)思路

由波浪發(fā)電原理，可以知道，當(dāng)流量中產(chǎn)生波浪時(shí)可以帶動(dòng)波浪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而人體在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其水流情況與浪涌相似，這種情況下，就可以引用波浪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行水下發(fā)電。而所發(fā)的電通過(guò)控制器來(lái)控制電流的大小進(jìn)行水解制氧，從而達(dá)到波浪發(fā)電制氧的效果，如圖1。

圖1 波浪發(fā)電制氧原理圖

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從兩方面入手：（1）結(jié)構(gòu)框架原理圖及各部分參數(shù)指標(biāo)；（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（1）結(jié)構(gòu)框架原理圖

由于考慮到人體水下運(yùn)動(dòng)特性可知，人體在水下運(yùn)動(dòng)主要于手腳運(yùn)動(dòng)最為激烈，產(chǎn)生的動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)可設(shè)置在手腳部位，也就是說(shuō)最少可以設(shè)置4臺(tái)波浪發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由人體協(xié)調(diào)一般性可以知道，雙手或者雙腳的運(yùn)動(dòng)頻率基本是相同的，因此，可以對(duì)4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行并串聯(lián)組合，這樣可以保證輸出電壓與電流的大小，從而保證產(chǎn)氧量的大??；對(duì)于氣體的收集，將采用負(fù)壓抽取的方式進(jìn)行收集；導(dǎo)線采用S型附著導(dǎo)線，這樣可以不影響運(yùn)動(dòng)的伸縮性；為了增加供電的穩(wěn)定性，可以加入儲(chǔ)電設(shè)備--蓄電池，為減輕負(fù)重量，可以采用鋰電池；然后通過(guò)控制器控制電源的輸入、輸出；并通過(guò)壓力測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)加水，如圖3所示。綜上所述，可以得出該設(shè)備的整體框架圖及結(jié)構(gòu)圖，（圖中所標(biāo)數(shù)據(jù)單位為mm）如圖4所示。

圖2 手腕波浪發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖3 制氧及控制系統(tǒng)示意圖

圖4 波浪發(fā)電制氧設(shè)備示意圖

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由人體一般運(yùn)動(dòng)手腳劃動(dòng)的弧度與發(fā)電機(jī)葉輪的尺寸以及正常潛水劃動(dòng)頻率可以計(jì)算出：正常潛水頻率為每分鐘劃動(dòng)6次時(shí)，手臂方面，當(dāng)發(fā)電機(jī)位于運(yùn)動(dòng)軸點(diǎn)距離為40 cm，腿部方面，當(dāng)發(fā)電機(jī)位于運(yùn)動(dòng)軸點(diǎn)距離為75 cm，那么4臺(tái)波浪發(fā)電機(jī)具體發(fā)電情況如下圖5。

圖5 人體運(yùn)動(dòng)幅度示意圖

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率成正比關(guān)系，若發(fā)電量性能參數(shù)為見(jiàn)表1、表2。

表1 發(fā)電量性能參數(shù)

表2 控制器參數(shù)

當(dāng)潛水員在水深大于1 m情況下進(jìn)行潛水工作時(shí)，取發(fā)電機(jī)葉片直徑6.3 cm，周長(zhǎng)19.782 cm；手腕有效擺動(dòng)長(zhǎng)度40 cm，手臂劃動(dòng)弧長(zhǎng)125.68 cm，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)6.35圈（劃動(dòng)范圍半圈）；腳有效擺動(dòng)長(zhǎng)度75 cm，劃動(dòng)弧長(zhǎng)235.5 cm，，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)5.95圈（劃動(dòng)范圍90°）；齒輪變比 1∶10；劃動(dòng)返回取周長(zhǎng)一半，由表 1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電量關(guān)系及W=Pt，可以得出如下表3手腳劃動(dòng)頻率與發(fā)電量關(guān)系。

表3 運(yùn)動(dòng)頻率與發(fā)電量關(guān)系

由表3，可以看出波浪發(fā)電機(jī)發(fā)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(dāng)?shù)拇呋瘎┗蛘唠娊赓|(zhì)（比如催化劑釕、NaOH、H2SO4等），將有利于電解水的完成。而根據(jù)目前一般導(dǎo)線、蓄電池及控制器的損耗及轉(zhuǎn)換效率，可知一般線路損耗不大于5%，蓄電池效率目前可達(dá)到85%以上，控制器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到95%，甚至以上。根據(jù)上述系數(shù)，設(shè)定控制器輸出電壓為12 V，為保證潛水過(guò)程的安全性，采用離子交換膜電解水制氧技術(shù)-SPE電解槽，加入催化劑（如催化劑釕等），則根據(jù)電機(jī)發(fā)電量代入公式（1）（2）（5）可以計(jì)算出電解產(chǎn)氣量具體情況見(jiàn)表4。

表4 電解水產(chǎn)氣量

5 結(jié)論

由上述推導(dǎo)及論述可以得出以下結(jié)論：（1）由潛水員耗氧量范圍為，以及表3推導(dǎo)產(chǎn)氣量可知，該套設(shè)備基本滿(mǎn)足潛水運(yùn)動(dòng)人員的耗氧量需求，該設(shè)備對(duì)于潛水運(yùn)動(dòng)及工作有極大的幫助及便利；（2）由表3產(chǎn)熱量可以看出，只要能夠?qū)㈦娊猱a(chǎn)生的熱量合理的引導(dǎo)出來(lái)，那么將極大地解決了潛水過(guò)程中人體熱量流失的問(wèn)題，為潛水運(yùn)動(dòng)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(chǎn)量是氧氣體積的2倍，關(guān)鍵時(shí)候可以通過(guò)釋放壓縮的氫氣，從而達(dá)到自動(dòng)上浮的救生效果；（4）該設(shè)備為便攜式潛水設(shè)計(jì)款型，方便潛水運(yùn)動(dòng)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(fā)電機(jī)可以改為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、震動(dòng)發(fā)電機(jī)等等，從而為野外運(yùn)動(dòng)、生活及保健帶來(lái)極大的便利。