基于波浪滑翔器的能源供給裝置設計

葉 松，呂胤墀，甘宇平，王春棟，沈奕宏，沐云飛

(國防科技大學氣象海洋學院，長沙 410003)

0 引言

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

1 波浪滑翔器

波浪滑翔器作為一種新型的波浪能驅動無人自主探測平臺，搭載了探測儀器、通訊設備和舵機控制，既具有氣象水文浮標的功能，又具有大規模海洋監測的能力[1]。

1.1 波浪滑翔器的結構組成

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、電池、各類傳感器負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的翼板、尾部舵機和滑翔體組成。滑翔體在被系纜上下驅動的過程中，其翼板可以在水的作用下上下翻轉，以驅動滑翔體向前移動[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，能夠將太陽能板產生的電能傳輸到水下滑翔體，從而向傳感器提供電能[4]。

1.2 波浪滑翔器的運動機理

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

圖1 下降時翼板受力分析

圖2 上升時翼板受力分析

1.3 波浪滑翔器的發電原理

目前，國內外的波浪滑翔器基本上都是采用太陽能電池板進行供電。太陽能電池是利用光生伏特效應將太陽能轉換成電能的器件，是一個半導體光電二極管。在太陽光的照射下，半導體中的自由電荷發生定向移動，使正負電荷分別累積在半導體兩端，形成電動勢差。此時，閉合導體的兩端形成閉合回路，就會產生穩定的電流，這種現象被稱為光生伏特效應[5]。

2 波-電轉換新裝置

2.1 波-電轉換裝置新概念

波浪滑翔器作為一種新型的海洋無人航行器，在海洋探測、海洋經濟開發、遠海科學研究以及國家海防建設領域得到了廣泛應用，目前其搭載設備作業所需的能源均由太陽能電池板供應。盡管太陽能電池板具有發電無污染、無噪音、無能源枯竭危險等優點，但是太陽能電池板的發電情況在很大的程度上受到環境和天氣條件的制約。波—電轉換裝置設計的目的就是基于現有波浪滑翔器的技術，將一些合理的機械傳動結構和發電裝置與波浪滑翔器結合起來，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、齒鏈等機械傳動結構進行逐級傳遞與轉換，而后帶動機械發電機進行發電，從而把波浪能轉化為電能，為波浪滑翔器搭載設備提供全天候的能量供應，這對海洋經濟開發和開展遠海科學研究具有重大意義。

2.2 波-電轉換新裝置的組成與結構

基于目前已有的波浪滑翔器結構，文章所設計的波-電轉換裝置的安裝位置如圖3所示。在實際應用中，波-電轉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，整個裝置外表面處于密封狀態。

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—電轉換裝置的具體結構如圖4所示，裝置內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移動，用于帶動單向齒輪轉動；單向齒輪固定于軸桿上，軸桿可自由轉動，單向齒輪的外周齒紋與齒條上的齒紋相咬合；隨動齒輪固定于軸桿的另一端，隨動齒輪隨軸桿的轉動而轉動，隨動齒輪外周上的齒紋與齒鏈上齒孔相匹配；齒鏈同時套設于隨動齒輪外周齒紋上，以及機械發電機上齒輪外周齒紋上，齒鏈用于聯動隨動齒輪與機械發電機上的齒輪；限位件用于對齒條豎直向下移動進行限位，防止其拉伸過長，損壞彈簧；防水封帶設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.隨動齒輪；8.齒鏈；9.機械發電機；10.限位件；11.防水封帶

2.3 波-電轉換新裝置工作原理

搭載了波—電轉換新裝置的波浪滑翔器在實際使用的過程當中，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行上下的往復運動，當波浪滑翔器的水面浮體隨著波浪作上升運動時，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齒條豎直向下移動，齒條的移動一方面會將彈簧拉伸開，另一方面會帶動單向齒輪進行工作；單向齒輪的轉動會帶動軸桿轉動，進而帶動隨動齒輪進行單向轉動，并在齒鏈的聯動下，帶動機械發電機上的齒輪轉動，從而實現機械發電，所產生電能可以儲備起來，以便為波浪滑翔器所搭載設備提供電能，使搭載設備能夠更好地持續穩定工作。

當波浪滑翔器的水面浮體隨著波浪做下降運動時，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，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行收縮運動，拉動齒條作上升運動，進而帶動非彈性柔性纜繩運動，也就順勢拉動水面浮體前進，由于單向齒輪的單向轉動特性，齒條的來回移動僅僅經過單向齒輪給軸桿帶來單向轉動，所以此過程并不會帶動機械發電機進行發電。

3 波-電轉換新裝置的優勢

3.1 原理科學

波—電轉換新裝置采用全新的快速有效的能量傳動結構，通過機械傳動系統與機械發電機進行能量的傳遞與轉換。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齒條運動，將波浪能轉換為機械能，通過齒條、單向齒輪、隨動齒輪、齒鏈等機械傳動結構將機械能傳遞給內置的機械發電機，機械發電機將機械能轉換為電能，并進行儲能，提高波浪滑翔器的電能供給能力，使波浪滑翔器所搭載設備能夠持續穩定工作。

3.2 技術創新

利用波—電轉換新裝置替代傳統波浪滑翔器中的纜繩，突破傳統波浪滑翔器搭載設備單純利用太陽能電池板作為發電手段的制約，將海洋波浪能作為初始轉換能量，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進行波浪能到電能的轉換，為其搭載的設備提供電能儲備。對于海洋探測時空連續性的提升具有極其重要的意義。

3.3 裝置實用

波—電轉換新裝置可以方便、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，無需經常對其進行維護修理，可以節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、齒條和機械發電機等構成，在市場上均能進行采購；動力源環保且不會有枯竭的危險，利用機械系統傳動的波浪能，實現能量的傳輸與轉換供電，大大提升搭載設備的續航能力。

3.4 拓展性強

波—電轉換新裝置具有極其強大的可拓展性，它不僅可以在波浪滑翔器中使用，為波浪滑翔器上的設備提供電能，也可以經過簡單的改裝之后安裝在其他的水面探測設備上，如水面浮標、水面無人船等，只要探測設備受到波浪的作用，那么它就能利用波浪能進行發電，為其搭載的設備提供后續儲備能量，保證了搭載設備的正常運行以及數據的實時傳輸，大大提高其水面探測設備的續航能力。

4 未來應用前景

現階段的波浪滑翔器在天氣情況良好的條件下，已經基本上實現了海表溫度、海水鹽度、流場及海面風等環境參數的實時測量以及采集數據的實時傳輸。但是在連續的惡劣天氣條件下，電池里儲存的電能不足以提供給波浪滑翔器搭載的設備連續工作使用。波—電轉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備在各種情況下都能夠保持數據獲取與傳輸的工作狀態，不再受制于天氣條件的影響，波浪能到電能的能量轉換，可使搭載設備實現長時間、全天時、全天候的遠洋探測，可產生巨大的社會效益。另一方面，由于波—電轉換新裝置能夠適應各種惡劣環境，在一定程度上提高了波浪滑翔器的環境適應性，能夠獲取到時空連續性更高、代表性更強、準確性更好的海洋水文信息，為國家海洋事業的發展提供更多的探測資料，可以極大地推進走向海洋、認識海洋、經略海洋的進程。同時，波—電轉換新裝置利用波浪能屬于綠色能源，具有無污染，可持續的特點，極大地提高其生態效益。最后，波—電轉換新裝置構造簡單，材質常見，成本低廉，具有很高的經濟適用性。因此，搭載波—電轉換裝置的波浪滑翔器將在提升社會、經濟、生態效益以及推動國家海洋事業發展建設等方面大顯身手。

5 結束語

現階段，波浪滑翔器逐漸在民用和軍事領域得到廣泛運用。隨著海洋開發、海洋建設、海洋國防的不斷深入，海上無人探測技術愈發重要，世界各國都在致力研制續航能力更強、探測范圍更廣、成本更低的海上無人探測設備，而波浪滑翔器作為一種新興設備擁有著極其重要的地位。波—電轉換新裝置充分利用波浪能這一綠色能源進行發電，可以有效彌補波浪滑翔器供電不足的短板，使得波浪滑翔器上搭載的設備克服晝夜和惡劣天氣條件的影響，更好地持續工作，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據傳輸的連續性，具有很高的實用價值和廣闊的發展前景。