無人水下航行器擺式發(fā)電裝置設(shè)計與研究

方子帆 葛旭甫 何孔德 馬增武 方 婧

1.三峽大學(xué)水電機械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點實驗室，宜昌，443002

2.三峽大學(xué)新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，宜昌，443002

3.三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院，宜昌，443002

0 引言

無人水下航行器（unmanned underwater vehicle，UUV）是一種能夠自主航行到指定區(qū)域進(jìn)行水下觀測、數(shù)據(jù)采集、遙控作戰(zhàn)等任務(wù)的小型智能裝備。目前UUV使用蓄電池動力，需要定期進(jìn)行充電或更換電池組，不能滿足長航時、遠(yuǎn)航程的工作需求［1］，因此，開發(fā)UUV持續(xù)能量供給系統(tǒng)，提高UUV的續(xù)航能力，是一項極其重要的研究工作。

海洋能是一種蘊藏在海洋中的可再生清潔能源，主要包括潮汐能、潮流能、海流能、波浪能和鹽差能［2-3］。UUV探測作業(yè)時錨系于海底，受波浪、海流、潮汐等海洋動能的影響，處于擺動狀態(tài)。目前，開發(fā)利用海洋動能為海洋裝備提供能源供給技術(shù)已成為熱點，國內(nèi)外科研機構(gòu)相繼開展了這方面的研究工作。MITCHESON等［4］研究了應(yīng)用于水面航行器的擺式慣性波能收集裝置；日本三菱重工研制的AUV-EX1型UUV，可進(jìn)行深?？茖W(xué)探測［5］；美國海軍主持設(shè)計的“飛行”1型UUV于2007年裝備部隊［6］。王延輝等［7］研究了基于溫差能的水下滑翔器；宋保維等［8］設(shè)計了一套基于波浪能的海洋浮標(biāo)發(fā)電系統(tǒng)；丁文俊等［9-10］針對淺水域探測型無人航行器能源供給問題，設(shè)計了一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)；方子帆等［11］研制了一套多節(jié)漂浮型機械式波浪能發(fā)電裝置，在理論上進(jìn)行了有益探索。

在前期研究的基礎(chǔ)上，針對海洋UUV能源供給需求，本文設(shè)計了一款小型擺式發(fā)電裝置。該裝置搭載在UUV內(nèi)部，受波浪、海流、潮汐等影響，航行器產(chǎn)生擺動，飛輪獲取動能，通過二級行星齒輪增速機構(gòu)傳動，將不連續(xù)的定軸擺動變?yōu)閳A周運動并傳遞給永磁發(fā)電機，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)處理后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電能。

1 擺式發(fā)電裝置功能創(chuàng)成

1.1 能量獲取原理及其系統(tǒng)

海洋動能的轉(zhuǎn)換利用機構(gòu)一般分為三級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)：第一級為波浪能俘獲機構(gòu)，主要是將海浪中動能或勢能轉(zhuǎn)化為獲能機構(gòu)的動能或某種介質(zhì)的壓力能等初級不穩(wěn)定機械能；第二級為能量轉(zhuǎn)換與傳遞機構(gòu)，起中間紐帶作用，將第一級機構(gòu)中的不穩(wěn)定機械能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的機械能；第三級為發(fā)電機構(gòu)，將第二級機構(gòu)中穩(wěn)定的機械能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)波浪能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換，其能量轉(zhuǎn)換原理見圖1。

圖1 能量轉(zhuǎn)換工作原理Fig.1 Principle schematic of energy conversion

基于海洋動能利用原理與技術(shù)研究，設(shè)計一款擺式發(fā)電裝置，由獲能飛輪、行星齒輪增速器、安全離合器、永磁同步發(fā)電機、整流模塊、工作負(fù)載模塊、逆變器、充電蓄能模塊等部分組成，其系統(tǒng)設(shè)計方案見圖2。

該裝置安裝在水下航行器內(nèi)部，安裝示意圖見圖3?？紤]工作空間限制，采用飛輪作為波浪能俘獲機構(gòu)，其左飛輪和右飛輪通過螺栓連接，左飛輪端面開有鍵槽，通過鍵槽連接行星齒輪增速器的輸入軸；右飛輪開有圓孔，通過軸套固定在增速器的輸出軸上。能量轉(zhuǎn)換與傳遞機構(gòu)采用兩級行星齒輪增速器，低速級行星架連接輸入軸，高速級行星架連接低速級的太陽輪。發(fā)電機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)發(fā)電機和內(nèi)置整流濾波穩(wěn)壓電路板組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4。

圖2 擺式發(fā)電裝置系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.2 Schematic design of the pendulum power generation device

圖3 擺式發(fā)電裝置安裝及航行器系泊圖Fig.3 Installation of pendulum power generation device and mooring diagram of aircraft

圖4 擺式發(fā)電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal structure of pendulum power generation device

擺式發(fā)電裝置工作原理如下：無人水下航行器在海洋中受波浪作用產(chǎn)生橫搖、縱搖、垂蕩等運動，破壞了飛輪的動態(tài)平衡，使其發(fā)生一定角度的擺動，從而捕獲波浪的動能和勢能；飛輪的運動通過行星齒輪增速器實現(xiàn)增速，不連續(xù)的定軸擺動變?yōu)閳A周運動，再經(jīng)安全聯(lián)軸器傳遞給永磁發(fā)電機，發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生不穩(wěn)定的交流電能。為滿足工作負(fù)載模塊供電和電池蓄能模塊充電，實現(xiàn)海洋中水下無人觀測設(shè)備長期工作能量供給，需要進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)處理，以獲得穩(wěn)定的電能。

1.2 整流濾波穩(wěn)壓電路

為實現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出，設(shè)計了小功率整流濾波穩(wěn)壓電路，其工作原理見圖5。

圖5 電路系統(tǒng)工作原理Fig.5 Principle schematic of circuit system

電路工作過程：發(fā)電機輸出不穩(wěn)定的交流電，經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換為具有直流電成分的脈動直流電，再經(jīng)穩(wěn)壓電路中電容進(jìn)行電路紋波減小處理，過濾掉直流電中的交流成分。同時進(jìn)行直流輸出電壓的自動調(diào)整，實現(xiàn)直流輸出電壓的穩(wěn)定，再通過電阻和穩(wěn)壓管將直流電壓連接到外部負(fù)載。內(nèi)部可調(diào)電阻有分壓限流作用，其電阻阻值根據(jù)外部負(fù)載的需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。電路設(shè)置了兩種工況：一種工況是通過USB接口給監(jiān)測設(shè)備的蓄電池充電，同時設(shè)有過充過載保護(hù)環(huán)節(jié)；另一種工況是直接給UUV外部電子設(shè)備供電。

基于Altium Design軟件PCB面板設(shè)計了擺式發(fā)電裝置實驗電路圖（圖6）。圖6中，4個具有單向?qū)щ娦阅艿亩O管組成整流橋，通過整流橋交流電轉(zhuǎn)化成直流電，經(jīng)電容（C）過濾掉整流輸出電壓中的紋波，電阻（R23）和穩(wěn)壓管（D27）將直流電壓連接到外部負(fù)載，進(jìn)行直流輸出電壓的自動調(diào)整，實現(xiàn)直流輸出電壓的穩(wěn)定。22個發(fā)光二極管和電阻組成工作負(fù)載，每個發(fā)光二極管都串聯(lián)1個電阻，電阻起限流保護(hù)作用，控制二極管發(fā)光亮度，防止電壓過高時二極管被燒壞。

圖6 擺式發(fā)電裝置實驗電路Fig.6 Experimental circuit of pendulum power generation device

2 擺式發(fā)電裝置仿真研究

2.1 仿真系統(tǒng)

根據(jù)擺式發(fā)電裝置的系統(tǒng)組成及參數(shù)，在PRO/E中建立發(fā)電裝置三維模型，將模型導(dǎo)入ADAMS中，在運動部件之間施加約束關(guān)系和驅(qū)動方式，建立擺式發(fā)電裝置機械動力學(xué)模型。利用ADAMS/Machinery Motor模塊，輸入發(fā)電機的關(guān)鍵參數(shù)，建立發(fā)電機模型。由機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，搭建擺式發(fā)電裝置機電耦合動力學(xué)仿真平臺，其仿真原理見圖7。

圖7 擺式發(fā)電裝置機電耦合動力學(xué)仿真原理Fig.7 Schematic of electromechanical coupled dynamic simulation of pendulum power generation device

為比較真實地模擬發(fā)電機的驅(qū)動效果，分析發(fā)電機輸出電壓和輸出功率的變化，在ADAMS/Machinery Motor模塊參數(shù)設(shè)置界面中輸入發(fā)電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。

表1 永磁直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of permanentmagnet DC generator

最后，在ADAMS環(huán)境下搭建擺式發(fā)電裝置虛擬樣機，見圖8。

圖8 擺式發(fā)電裝置虛擬樣機Fig.8 Virtual prototype for pendulum power generation device in ADAMS

2.2 擺動角度對發(fā)電性能影響

擺式發(fā)電裝置的發(fā)電性能與許多因素有關(guān)，如不同級海況下波浪參數(shù)、擺的質(zhì)量、擺長、擺動角度、增速器的增速比以及發(fā)電機相關(guān)參數(shù)等，這些參數(shù)的改變都會影響發(fā)電機的發(fā)電功率和輸出電壓。本文著重研究擺動角度對發(fā)電性能的影響。參考我國某沿海地區(qū)波浪浮標(biāo)的觀測值，假設(shè)波浪周期為 3s，輸入擺角分別為 15°、20°、25°、30°條件下，利用仿真平臺進(jìn)行分析，提取發(fā)電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線、功率曲線、電壓曲線、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線。當(dāng)輸入擺角為30°時，發(fā)電機輸出電壓曲線和輸出功率曲線分別見圖9和圖10。

圖9 輸入擺角30°時發(fā)電機輸出電壓Fig.9 Voltage output of generator when input angle is 30°

圖10 輸入擺角30°時發(fā)電機輸出功率Fig.10 Power output of generator when input angle is 30°

通過給定不同輸入擺動角度，發(fā)電機的輸出功率和發(fā)電效率的仿真結(jié)果見表2。由表2可知，在給定海況波浪條件下，飛輪輸入擺角為30°時，輸出功率為2.51 W，發(fā)電效率為24.70%。

表2 不同擺角條件下發(fā)電機的輸出功率及效率Tab.2 Output power and efficiency of generatorunder different swing angles

3 擺式發(fā)電裝置試驗研究

3.1 試驗樣機

擺式發(fā)電裝置試驗樣機平臺由擺式發(fā)電裝置機械結(jié)構(gòu)和測試電路兩部分組成，見圖11。

圖11 擺式發(fā)電裝置試驗樣機Fig.11 Test prototype of pendulum power generation device

發(fā)電機外接有測試電路板，并聯(lián)的發(fā)光二極管和電阻焊接在電路板上，試驗時將飛輪調(diào)整至一定角度，自由釋放，發(fā)電裝置產(chǎn)生電能，二極管發(fā)光，測試電路板結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 擺式發(fā)電裝置樣機測試電路板Fig.12 Prototype test circuit board for pendulum power generation device

由樣機試驗可知，通過整流濾波穩(wěn)壓電路，隨機交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)直流電，發(fā)光二極管正常發(fā)光，實現(xiàn)了電能穩(wěn)定輸出。

3.2 試驗數(shù)據(jù)

由于波浪發(fā)電試驗的復(fù)雜性，同時受水槽實驗條件的限制，因此在實驗室中采用模擬擺動實驗的方法，利用圖11中的試驗平臺進(jìn)行試驗。將飛輪輸入擺角分別調(diào)整至15°、20°、25°、30°后自由釋放，并進(jìn)行試驗測量分析，發(fā)電機輸出電壓測量結(jié)果見圖13。

圖13 不同擺角下發(fā)電機輸出電壓Fig.13 The output voltage curve of the generator under different swing angles

將仿真電壓幅值和試驗測量電壓幅值進(jìn)行比較分析，對比曲線見圖14，分析數(shù)據(jù)見表3。結(jié)果表明：在給定海況波浪條件下，飛輪輸入擺角越大，輸出電壓幅值越大，且兩者結(jié)果偏差小。

圖14 試驗和仿真條件下輸出電壓幅值對比Fig.14 Voltage output amplitude comparison under test and simulation conditions

表3 試驗條件下和仿真條件下輸出電壓幅值Tab.3 Data of output voltage amplitude under test and simulation conditions

3.3 發(fā)電效率計算

當(dāng)輸入擺角為30°時，發(fā)光二極管兩端平均電壓U=1.7 V，平均電流I=0.009 A，電路板共外接22只二極管，1只二極管串聯(lián)1個阻值R=1 000 Ω電阻，則電路板負(fù)載功率為

發(fā)電裝置的發(fā)電功率Pd由電路板負(fù)載功率P0和整流濾波穩(wěn)壓電子元件消耗功率Pc構(gòu)成。試驗樣機的整流穩(wěn)壓濾波電路中電子元件消耗的平均功率總和Pc=0.36 W，計算出發(fā)電功率

當(dāng)飛輪輸入擺角為30°時，飛輪的擺吸收功率Pi=10.16 W，計算出發(fā)電效率

將仿真和試驗測量的發(fā)電功率進(jìn)行對比，見圖15。試驗發(fā)電功率和效率的數(shù)據(jù)見表4。從對比分析看，發(fā)電功率變化趨勢一致，且隨著輸入擺角的增大，發(fā)電機輸出功率有一定幅度的增大。

圖15 試驗條件下和仿真條件下發(fā)電功率Fig.15 Comparison of power generation between test and simulation

表4 試驗發(fā)電功率及效率Tab.4 Power and efficiency of test power generation

4 結(jié)論

（1）基于波浪能利用基本原理，提出了一種搭載在無人水下航行器內(nèi)部的擺式發(fā)電裝置的設(shè)計方案，該擺式發(fā)電裝置不與海水直接接觸，避免了海水腐蝕，延長了裝置壽命。

（2）基于虛擬樣機技術(shù)，在ADAMS環(huán)境中建立發(fā)電裝置機電耦合系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行了仿真分析，提取了發(fā)電機輸出性能參數(shù)。

（3）研制了擺式發(fā)電裝置試驗樣機，搭建了試驗平臺，進(jìn)行了不同擺角條件下的發(fā)電性能試驗，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

（4）研究表明，研制的擺式發(fā)電裝置可以實現(xiàn)穩(wěn)定電能輸出，采用的分析模型正確，方案得到了仿真與試驗驗證。研究成果為海洋動能發(fā)電系統(tǒng)的研制提供了一定的參考。