傅嘉豪
摘 要:浮標(biāo)對于航運安全有著相當(dāng)重要的作用。然而自從浮標(biāo)誕生到如今,雖然發(fā)揮出了相當(dāng)重要的作用,但是其本身的設(shè)計仍然有缺陷,限制了其作用的充分發(fā)揮。在文中就一種基于波浪能發(fā)電的新型筒式燈浮標(biāo)進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞:新型浮標(biāo);筒式燈;航運
本裝置涉及一種,將一塊永久磁鐵固定在浮板上,在外部套上一個內(nèi)表面纏繞著線圈的浮筒,用兩個彈簧將浮筒與永久磁鐵連接起來,在浮筒上面安置一個蓄電池倉與,線圈通過電線連接蓄電池倉內(nèi)的蓄電池,蓄電池倉上方設(shè)置支架,支架上安裝浮標(biāo)燈泡,浮標(biāo)燈泡外設(shè)燈罩,浮板下方連接錨釘,浮筒下端連接波浪形扇葉,蓄電池倉內(nèi)的蓄電池向浮標(biāo)燈泡供電。本發(fā)明利用水流的波浪能轉(zhuǎn)化為電能直接使浮標(biāo)燈泡發(fā)亮,也能儲蓄到蓄電中。相比于其他形式燈浮標(biāo),其采用全波浪輸出,波浪能轉(zhuǎn)換效率高。并且直接將波浪能轉(zhuǎn)化為電能,避免了能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗,以及機(jī)械過程中的磨損。原理簡單,制作方便,成本低,安全環(huán)保,具有廣泛的應(yīng)用前景。
1 研制背景及意義
在我國歷史悠久的長江航運業(yè)中,據(jù)新中國成立后對浙江河姆渡地區(qū)的考古發(fā)現(xiàn),至少有7000年的歷史。無論哪一階段的航標(biāo)燈與這盞新型燈浮標(biāo)相比,都有光耀射距短、耗電量大、易損壞、維護(hù)工作量大的缺點,歷史上因航標(biāo)導(dǎo)航功能低下而屢有海損事故發(fā)生,船毀人亡事件屢見不鮮。
據(jù)調(diào)查,我國內(nèi)河有5萬多座航標(biāo),而燈浮標(biāo)的類型主要有外接電源式、蓄電池式和太陽能一體化式3種。
1.1 外接電源式浮標(biāo)燈
在燈浮標(biāo)下面架設(shè)一根電纜線,通到外接電源上,以供浮標(biāo)燈發(fā)亮。由于航標(biāo)燈長年工作惡劣,外接電纜導(dǎo)線長期裸露在空氣中,易老化斷裂,連接部位易氧化,造成接觸不良,往往因不能及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)給來往航行船舶造成不安全的隱患。
1.2 蓄電池式
在燈浮標(biāo)整體上面架設(shè)一個電池倉,該電池倉放置蓄電池,供浮標(biāo)燈發(fā)亮使用。缺點:(1)維護(hù)成本較高;(2)需要定期充電或更換電池;(3)廢舊電池對環(huán)境污染大。
1.3 太陽能一體化式
在航標(biāo)表面安裝太陽能電池板,利用太陽能發(fā)電供浮標(biāo)燈發(fā)亮使用。我國使用最多的燈浮標(biāo)就是太陽能一體化式的,因為它的優(yōu)勢比前兩種要大得多:(1)太陽能取之不盡用之不竭,安全可靠;(2)無污染排放外,相當(dāng)環(huán)保。但是它的缺點也不可忽視:(1)受天氣限制;(2)能量轉(zhuǎn)化效率低;(3)制作成本高。
1.4 波力發(fā)電式
其尚處于研究階段,現(xiàn)今主要有有液壓式與機(jī)械式。通過某種傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)波浪能從往復(fù)運動到單向旋轉(zhuǎn)運動的傳遞來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的方式。缺點:(1)機(jī)械式裝置多是早期的設(shè)計,往往結(jié)構(gòu)笨重,可靠性差,未獲實用。(2)需要另加發(fā)電機(jī)等能量轉(zhuǎn)換裝置,轉(zhuǎn)換效率降低[3]。而該新型筒式燈浮標(biāo)利用波浪能輸出電能,運行完全獨立,且結(jié)構(gòu)簡單,綠色環(huán)保,成本低廉,轉(zhuǎn)化效率高。
2 設(shè)計方案
2.1 組成結(jié)構(gòu)
燈罩,浮標(biāo)燈泡,支架,電池倉,電線,彈簧,線圈,永久磁鐵,浮筒,浮板,波浪形扇葉,錨釘。如圖1所示。
2.2 工作原理
將一塊永久磁鐵固定在浮板上,使其漂浮在海平面上方。在外部套上一個內(nèi)表面纏繞著電線圈的浮筒,用兩個彈簧將浮筒與永久磁鐵連接起來。在浮筒上面安置一個蓄電池倉與浮標(biāo)燈泡。當(dāng)其在江河、海面時,無處不在的波浪能推動外浮筒上下運動,而永久磁鐵上下浮動幅度很小(基本不動),兩者產(chǎn)生位移差,使得線圈做切割磁感線運動,直接供燈泡發(fā)電,多余電能儲存在蓄電池中供電量不足時使用。
2.3 設(shè)計特點
(1)全波浪輸出,波浪能轉(zhuǎn)換效率高。(2)利用彈簧將磁鐵與浮筒連接,降低自身的能量損失。(3)屬于半漂浮半固定式結(jié)構(gòu),由浮筒上下浮動切割磁感線,直接將波浪能轉(zhuǎn)化為電能,避免了能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗,以及機(jī)械過程中的磨損。(4)原理簡單,制作方便,成本低,安全環(huán)保。
3 節(jié)能效益分析
該設(shè)計,每年可節(jié)約的電量,相當(dāng)于節(jié)約了40950000元的電費支出和的使用。而該燈浮標(biāo)的使用每年可節(jié)省維護(hù)燈浮標(biāo)的費用75843000元,間接產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。并且該燈浮標(biāo)使用壽命長,節(jié)省了燈浮標(biāo)維護(hù)時所需的人力與物力。將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
綜上,該設(shè)計有以下效益:(1)經(jīng)濟(jì)效益:節(jié)省116793000元/年。(2)能源效益:節(jié)約42000000kW·h電量和14000噸標(biāo)準(zhǔn)煤每年。(3)社會效益:減少了環(huán)境污染,改善水面航行環(huán)境。
4 創(chuàng)新點及應(yīng)用前景
4.1 創(chuàng)新點
(1)該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,工作安全可靠,獨立性強,既可獨立運行也可組合使用,維修方便,運行壽命較長,應(yīng)用范圍廣。(2)通過結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計大大降低了生產(chǎn)成本。
4.2 作品推廣應(yīng)用價值
如果此產(chǎn)品可以投入生產(chǎn),可以將會給節(jié)約不可再生能源和減少廢物廢氣排放帶來不可小覷的貢獻(xiàn)。該設(shè)計是利用水流的波浪能轉(zhuǎn)化為電能直接使浮標(biāo)燈發(fā)亮,也能儲蓄到蓄電池中。若全國大部分浮標(biāo)燈可以替換成該設(shè)計。則每年可以節(jié)約上千萬發(fā)電的開銷,在一定情況下緩解當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境問題。
在國內(nèi)沿海城市,航標(biāo)燈的數(shù)量很多,且該設(shè)計在往節(jié)能減排的方向上靠攏,因此應(yīng)用前景十分廣闊。
參考文獻(xiàn)
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(作者單位:南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院)