智能化海豚動力電源設計

摘要：為解決對海洋探測和海洋環(huán)境污染實時監(jiān)測的電源問題，通過把微型水力發(fā)電機系于海豚身上，隨著海豚運動時海水的反作用力驅動水力機轉動發(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)測時可以使儀器獲得穩(wěn)定的電源。利用壓力傳感器、單片機、電磁控制和無線傳輸網(wǎng)絡，增加該智能化海豚動力電源的可靠性和實用性，實現(xiàn)對儀器的回收和避免儀器對海洋環(huán)境的污染。
關鍵詞：海豚；微型水力發(fā)電機；壓力傳感器；電源設計

人們一直都在不斷地探索海底世界，保護海洋珍稀動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海底世界進行拍攝。但潛水員在水下的活動時間和深度非常有限，對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)濟建設服務，使海洋的經(jīng)濟開發(fā)利用和保護海洋動物與海洋環(huán)境和諧發(fā)展，必須對海洋環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，儀器的長期供電成為一個極大的難題。把監(jiān)測儀器與海豚動力電源集成于一體，一同系于海洋動物身上，利用海豚的運動和海水的反作用力，使系在海豚身上的微型發(fā)電機轉動發(fā)電，經(jīng)DC—AC轉換和給電池板BH充電，獲得穩(wěn)恒直流電源。實現(xiàn)了對海洋環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，對加強保護海豚動物和海洋環(huán)境，對海洋的持續(xù)開發(fā)利用都具有極其重大意義。

1 海豚動力電源
1．1 海豚動力電源的組成
為了使海豚原地不動時，發(fā)電系統(tǒng)能照樣有電能供給儀器進行實時監(jiān)測，而不遺漏關鍵數(shù)據(jù)和關鍵的圖片采集。因此，海豚動力發(fā)電系統(tǒng)是由水力機、發(fā)電機、開關電源、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 海豚動力水力發(fā)電機組的結構
由于發(fā)電機組是系在海豚身上，利用它們的運動，由海水的反作用力驅動水輪機轉動，水力機再驅動發(fā)電機轉動發(fā)電。由于海豚的運動速度范圍為0～70 km，沒有固定速度值，而發(fā)電機不得超過額定值工作。因此發(fā)電機上安裝有一個限速電路，保證發(fā)電機安全運行；由于海豚的運動范圍離水面為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。為了使運載電源的海豚一感受到有外加重物系于它身上，產(chǎn)生不適的負擔，增加一平衡艙，通過調(diào)節(jié)其體積，使浮力等于重力。整個海豚動力水力發(fā)電機組的結構示意圖，如圖2所示。

1．3 水力機工作基本原理
該研究的水力機不同于傳統(tǒng)的水輪機，也不同于輪船上的螺旋槳，而是象風力發(fā)電的風機。傳統(tǒng)的風機是依靠風力推動風機轉動，該水力機是利用海水產(chǎn)生的相對運動，使水力機獲得海水的反作用力而轉動的。設帶水力機的海豚前進速率為v(單位：ms-1)，水力機葉片的長為L，距水力機一定距離的上游相對海水流速為V1(單位：ms-1)，距水力機遠處的下游海水相對速度為V2(單位：ms-1)，海水通過水力機水輪時的實際相對速度為V(單位：ms-1)，由文獻的方法推導得，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。