智能化海豚動(dòng)力電源設(shè)計(jì)

摘要：為解決對(duì)海洋探測和海洋環(huán)境污染實(shí)時(shí)監(jiān)測的電源問題，通過把微型水力發(fā)電機(jī)系于海豚身上，隨著海豚運(yùn)動(dòng)時(shí)海水的反作用力驅(qū)動(dòng)水力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后給鋰電池板充電，從而海洋探測和海洋環(huán)境污染監(jiān)測時(shí)可以使儀器獲得穩(wěn)定的電源。利用壓力傳感器、單片機(jī)、電磁控制和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，增加該智能化海豚動(dòng)力電源的可靠性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的回收和避免儀器對(duì)海洋環(huán)境的污染。
關(guān)鍵詞：海豚；微型水力發(fā)電機(jī)；壓力傳感器；電源設(shè)計(jì)

人們一直都在不斷地探索海底世界，保護(hù)海洋珍稀動(dòng)物和人類賴以生存的海洋環(huán)境。由潛水員攜帶攝像潛入水下對(duì)海底世界進(jìn)行拍攝。但潛水員在水下的活動(dòng)時(shí)間和深度非常有限，對(duì)極為豐富的海豚和遼闊的海底世界獲取的資料是微不足道的。另外由于海洋面積占地球面積的79％，開發(fā)利用海洋為人類經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，使海洋的經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用和保護(hù)海洋動(dòng)物與海洋環(huán)境和諧發(fā)展，必須對(duì)海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，儀器的長期供電成為一個(gè)極大的難題。把監(jiān)測儀器與海豚動(dòng)力電源集成于一體，一同系于海洋動(dòng)物身上，利用海豚的運(yùn)動(dòng)和海水的反作用力，使系在海豚身上的微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，經(jīng)DC—AC轉(zhuǎn)換和給電池板BH充電，獲得穩(wěn)恒直流電源。實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)加強(qiáng)保護(hù)海豚動(dòng)物和海洋環(huán)境，對(duì)海洋的持續(xù)開發(fā)利用都具有極其重大意義。

1 海豚動(dòng)力電源
1．1 海豚動(dòng)力電源的組成
為了使海豚原地不動(dòng)時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)能照樣有電能供給儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而不遺漏關(guān)鍵數(shù)據(jù)和關(guān)鍵的圖片采集。因此，海豚動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)是由水力機(jī)、發(fā)電機(jī)、開關(guān)電源、充電器、電池板和防水附件等組成，其組成框圖，如圖1所示。

1．2 海豚動(dòng)力水力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)
由于發(fā)電機(jī)組是系在海豚身上，利用它們的運(yùn)動(dòng)，由海水的反作用力驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，水力機(jī)再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。由于海豚的運(yùn)動(dòng)速度范圍為0～70 km，沒有固定速度值，而發(fā)電機(jī)不得超過額定值工作。因此發(fā)電機(jī)上安裝有一個(gè)限速電路，保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行；由于海豚的運(yùn)動(dòng)范圍離水面為0～450 m。因此，防水密封的性能要求比較高，必須增加防海水滲漏，以免產(chǎn)生繞組線圈短路燒毀電機(jī)。為了使運(yùn)載電源的海豚一感受到有外加重物系于它身上，產(chǎn)生不適的負(fù)擔(dān)，增加一平衡艙，通過調(diào)節(jié)其體積，使浮力等于重力。整個(gè)海豚動(dòng)力水力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

1．3 水力機(jī)工作基本原理
該研究的水力機(jī)不同于傳統(tǒng)的水輪機(jī)，也不同于輪船上的螺旋槳，而是象風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)機(jī)。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)是依靠風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，該水力機(jī)是利用海水產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使水力機(jī)獲得海水的反作用力而轉(zhuǎn)動(dòng)的。設(shè)帶水力機(jī)的海豚前進(jìn)速率為v(單位：ms-1)，水力機(jī)葉片的長為L，距水力機(jī)一定距離的上游相對(duì)海水流速為V1(單位：ms-1)，距水力機(jī)遠(yuǎn)處的下游海水相對(duì)速度為V2(單位：ms-1)，海水通過水力機(jī)水輪時(shí)的實(shí)際相對(duì)速度為V(單位：ms-1)，由文獻(xiàn)的方法推導(dǎo)得，作用在水輪上的力和提供的功率分別為：

式中：ρ為海水密度(單位：kg／m3)；V=(V1+V2)／2。