配備小型波浪俘能機構的自發熱救生衣設計

田婧嫻

摘 要：配備小型波浪俘能機構的自發熱救生衣，采用模塊化設計，由俘能整流模塊、電能轉換模塊和功能模塊組成，具有發熱、保溫、發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，具有較好的應用價值和重要的社會意義。

關鍵詞：救生衣；波浪發電；保溫供暖；海上救援

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

全球海難事故頻發，造成嚴重的財產損失和人員傷亡。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、清潔可再生等優勢?？紤]直接從落水人員附近的波浪中收集能量，其技術關鍵是如何將波浪能高效地轉化為電能。針對上述情況，本文提出了配備小型波浪俘能機構的自發熱救生衣，能夠收集人體附近的波浪能，并將其轉化為電能，為救生衣上的碳纖維發熱片、求救定位裝置等持續供能，延長落水人員的生存時間，提高獲救概率。

1 模塊化設計方案

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

1.1 俘能整流模塊設計

方向輸出扭矩。整流齒輪箱結構如圖3所示。

1.2 電能轉換模塊設計

電能轉換模塊由發電機、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穩定的電能。

電能轉換模塊電路如圖4所示。該模塊通過發電機實現機械能到電能的轉換，并通過DC-DC電路實現輸出功率的調節。電能轉換模塊實物如圖5所示。

針對海浪狀態不斷變化的特點，系統采用爬山法實現發電裝置的最大功率點跟蹤（MTTP），通過檢測功率的變化狀況，實時調節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 功能模塊設計

功能模塊由半身型抗浸發熱內膽、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

內膽的款式借鑒于沖鋒衣和其內膽，結合兩者的優點，選擇沖鋒衣表面面料起到防水隔熱的效果，其為抗浸層?？菇觾炔棵媪蠟闈撍剂希榷∠鹉z），其為保溫層，具有保溫、隔熱的功能，具有彈性。將該救生衣內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。在領口和下擺處也做好扎緊措施，用可調節松緊帶防止過多的海水穿透內膽，使人體上半部被內膽緊密地貼合，同時也可以根據人的胖瘦情況作相應的調節。拉鏈使用的是專業的防水拉鏈，在拉鏈的兩側是內膽與救生衣之間的固定拉鏈，內膽背部安有魔術貼，前后都有固定裝置，使救生衣與內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貼固定，拉鏈固定更加穩固，魔術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GB 4303—2008》設計，滿足IMO《SOLAS公約》。內膽內部安上碳纖維發熱片，為了使人感受到更高的溫度，發熱片直接貼合人體心肺部位，利用裝置所發電能供熱，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部，可向救援人員發送求救定位信號。

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合，整體效果如圖7所示。在收納狀態時，俘能整流模塊和發電儲能模塊附在救生衣背部，考慮到人在實際穿著狀態下的美觀度和裝置的安全，由一塊彈性布料覆蓋保護。當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的固定，背部機構在浮力作用下自動展開，俘獲波浪能進行自發電供熱，工作狀態如圖8所示。

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

2 實驗

2.1 硬件在環臺架試驗

臺架試驗原理如圖9所示，硬件在環試驗臺架如圖10所示。

通過搭建硬件在環試驗臺架測試，模擬裝置在海浪中的發電效果。通過臺架試驗驗證了本裝置設計原理的合理性，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，在武漢理工大學船舶與水動力實驗室對本作品進行了相關試驗。實驗室下水試驗和造波機參數設置界

面如圖11和圖12所示。

由下水試驗數據可得，本作品的發電功率在1.87～6.69 W之間。基于暖體假人模型測試，在20 ℃海水溫度下，滿足IMO《SOLAS公約》的具有發熱、保溫、抗浸功能的恒溫內膽，保溫性能優良，僅需額外提供4.5 W的發熱功率維持人體生命體征的穩定。由于本設計符合IMO《SOLAS公約》，因此由試驗結果可得，在近半數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 結論

本設計是利用海上廣泛存在的波浪能實現能量自供給的供熱救生衣，采用一種新型的節能減排技術方案，在海洋能利用技術領域具有較大發展潛力。優點如下：①本作品由俘能整流模塊、電能轉換模塊和功能模塊組成，可將不規則的海洋表面波浪激勵轉化為驅動電機發電的單向轉動，將波浪能轉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境中生命體征的相對穩定，是能量回收技術在海上救援技術領域的創新應用，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藝術與設計學院、武漢理工大學汽車工程學院、武漢理工大學船舶與水動力實驗室對本項目的支持。

參考文獻

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