配备小型波浪俘能机构的自发热救生衣设计

田婧娴

摘 要：配备小型波浪俘能机构的自发热救生衣，采用模块化设计，由俘能整流模块、电能转换模块和功能模块组成，具有发热、保温、发送求救定位信号等功能。该救生衣可维持落水人体正常生命体征的相对稳定，可減少因低温或无法得到及时救援造成的死亡，具有较好的应用价值和重要的社会意义。

关键词：救生衣；波浪发电；保温供暖；海上救援

中图分类号：U698.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.095

全球海难事故频发，造成严重的财产损失和人员伤亡。人体在海水中的存活时间受海水温度的影响较大。在此背景下，有研究人员提出在救生衣上配备能量供给的技术方案，提高落水人员的获救概率。海洋波浪能具有分布范围广、能量密度高、清洁可再生等优势。考虑直接从落水人员附近的波浪中收集能量，其技术关键是如何将波浪能高效地转化为电能。针对上述情况，本文提出了配备小型波浪俘能机构的自发热救生衣，能够收集人体附近的波浪能，并将其转化为电能，为救生衣上的碳纤维发热片、求救定位装置等持续供能，延长落水人员的生存时间，提高获救概率。

1 模块化设计方案

本作品采用模块化设计，由俘能整流模块、电能转换模块以及功能模块组成，具有良好的互换性，便于对传统救生衣低成本改造升级和批量化生产。

1.1 俘能整流模块设计

方向输出扭矩。整流齿轮箱结构如图3所示。

1.2 电能转换模块设计

电能转换模块由发电机、DC-DC电路、控制器以及锂电池等组成，可为功能模块提供持续稳定的电能。

电能转换模块电路如图4所示。该模块通过发电机实现机械能到电能的转换，并通过DC-DC电路实现输出功率的调节。电能转换模块实物如图5所示。

针对海浪状态不断变化的特点，系统采用爬山法实现发电装置的最大功率点跟踪（MTTP），通过检测功率的变化状况，实时调节DC-DC电路MOS管T的占空比，使DC-DC电路输出功率达到该波浪激励下的最大值，充分利用波浪能量。

1.3 功能模块设计

功能模块由半身型抗浸发热内胆、求救定位装置和示位灯组成，其工作所需电能全部由本装置提供，无需配备外接电源。功能模块布置如图6所示。

图6 功能模块布置

内胆的款式借鉴于冲锋衣和其内胆，结合两者的优点，选择冲锋衣表面面料起到防水隔热的效果，其为抗浸层。抗浸层内部面料为潜水布料（氯丁橡胶），其为保温层，具有保温、隔热的功能，具有弹性。将该救生衣内胆穿上身更加贴合人体，既可以减少冰冷的海水过多地接触皮肤，又可以使发热片与心肺贴合得更紧密，保温效果更好。

袖口处做橡筋扎口，防止过多海水渗进袖口。在领口和下摆处也做好扎紧措施，用可调节松紧带防止过多的海水穿透内胆，使人体上半部被内胆紧密地贴合，同时也可以根据人的胖瘦情况作相应的调节。拉链使用的是专业的防水拉链，在拉链的两侧是内胆与救生衣之间的固定拉链，内胆背部安有魔术贴，前后都有固定装置，使救生衣与内胆之间的固定和拆下变得简单、快捷。考虑到使用者的舒适性，内胆前面的固定方式是用拉链固定，后面的固定方式是用魔术贴固定，拉链固定更加稳固，魔术贴的固定在人背部更加舒适无感。

抗浸层和保温层按《船用救生衣国标GB 4303—2008》设计，满足IMO《SOLAS公约》。内胆内部安上碳纤维发热片，为了使人感受到更高的温度，发热片直接贴合人体心肺部位，利用装置所发电能供热，有效减少机体的热损，可维持落水者核心温度不低于正常体温2 ℃。内胆里层是潜水面料，具有保温作用。

求救定位装置布置在电机盒内部，可向救援人员发送求救定位信号。

示位灯布置于救生衣胸前部位，可增强落水者辨识度，从而有效缩短搜救时间。

1.4 实物效果

本作品设计兼顾实用性、安全性和舒适性，将各子模块与救生衣有机结合，整体效果如图7所示。在收纳状态时，俘能整流模块和发电储能模块附在救生衣背部，考虑到人在实际穿着状态下的美观度和装置的安全，由一块弹性布料覆盖保护。当落水人员身着救生衣下水后，打开肩部2个旁开扣，弹性布料解除对背后机构的固定，背部机构在浮力作用下自动展开，俘获波浪能进行自发电供热，工作状态如图8所示。

各装置均按照密封标准设计，具有良好的密闭性。装置设计考虑到安全性，不会因大浪或人体运动对落水者造成伤害，且电机盒设计参照人体工程学并辅以缓冲材料，可保证人体漂浮时头部的舒适。整套装置结构合理，收纳和展开较为便捷，能量转换效率高。

2 实验

2.1 硬件在环台架试验

台架试验原理如图9所示，硬件在环试验台架如图10所示。

通过搭建硬件在环试验台架测试，模拟装置在海浪中的发电效果。通过台架试验验证了本装置设计原理的合理性，接下来进行下水实测试验，测试其在实际使用工况下的发电效果。

2.2 实验室下水试验

为测试试验效果，在武汉理工大学船舶与水动力实验室对本作品进行了相关试验。实验室下水试验和造波机参数设置界

面如图11和图12所示。

由下水试验数据可得，本作品的发电功率在1.87～6.69 W之间。基于暖体假人模型测试，在20 ℃海水温度下，满足IMO《SOLAS公约》的具有发热、保温、抗浸功能的恒温内胆，保温性能优良，仅需额外提供4.5 W的发热功率维持人体生命体征的稳定。由于本设计符合IMO《SOLAS公约》，因此由试验结果可得，在近半数工况下能满足装置能耗需求，在其他工况下能满足装置部分能耗需求。因此，本作品可有效延长落水人员在海水中等待救援的时间。

3 结论

本设计是利用海上广泛存在的波浪能实现能量自供给的供热救生衣，采用一种新型的节能减排技术方案，在海洋能利用技术领域具有较大发展潜力。优点如下：①本作品由俘能整流模块、电能转换模块和功能模块组成，可将不规则的海洋表面波浪激励转化为驱动电机发电的单向转动，将波浪能转换为功能模块所需电能，满足人体的供热需求；②本作品简单紧凑、装卸便捷、使用方便，可长时间维持落水人员在海洋环境中生命体征的相对稳定，是能量回收技术在海上救援技术领域的创新应用，大大提高海上救援的成功率，具有重要的社会意义和广阔的市场前景。

致谢：十分感谢武汉理工大学艺术与设计学院、武汉理工大学汽车工程学院、武汉理工大学船舶与水动力实验室对本项目的支持。

参考文献

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[3]中华人民共和国船舶检验局.国际海事组织救生设备试验海大决议[M].北京：人民交通出版社，1992：1-14.