石 娟

（西華師范大學環(huán)境科學與工程學院，四川 南充 637000）

0 引言

得益于20多年的快速發(fā)展和較好的銷售市場，我國洗衣機行業(yè)已經(jīng)成長為一個十分成熟的產(chǎn)業(yè)。但是，洗衣機主要以電力作為驅(qū)動方式，而對于當代大學來說，為保障用電安全，吹風機等大功率電器是禁止在宿舍使用的，更何況是功率更大的洗衣機[1]。另外，洗衣機機械式的清洗模式會使部分面料材質(zhì)特殊的衣服硬化、拉伸，甚至直接損壞，如靜電性的植絨纖維面料服裝、裝飾品較多且不可拆卸的服裝、羽絨皮草類服裝、彈性較大的針織毛絨面料服裝等。筆者通過調(diào)查與訪問，這類衣物在當代時尚潮流界中比較受歡迎，大學生的購買頻率也相對較高，但由于洗衣機可能對衣物產(chǎn)生不良影響，大部分學生都比較傾向于手洗衣物。而基于高校宿舍條件，并沒有足夠的面積進行晾曬衣服，要把濕衣服晾干不容易，那么衣物脫水變成了關(guān)鍵性一步。

太陽能資源是一種清潔型能源，其特點是可再生且無污染。據(jù)科學計算，太陽1s內(nèi)所釋放出的能量就相當于燃燒1.3億t標準煤所放出的熱量，而到達地球表面的太陽能約等于目前全世界所有發(fā)電能力總和的20萬倍，這樣下來，地球每天接收到的太陽能約等于全世界1年所消耗的總能量的104倍[2]。當今世界對于太陽能的運用日益廣泛，作為新型再生能源，對于可持續(xù)發(fā)展和社會技術(shù)創(chuàng)新的促進起到舉足輕重的作用。毋庸置疑，太陽能的開發(fā)與應(yīng)用無疑給人們?nèi)粘Ｉ畎l(fā)展提供了巨大便利。本著響應(yīng)國家推進節(jié)能低碳減排的戰(zhàn)略，將新型太陽能開發(fā)應(yīng)用推廣到人們生活中，并針對高校學生所在宿舍的洗衣脫水困難問題，本項目組設(shè)計了一款既可以通過腳踩踏板使衣物旋轉(zhuǎn)脫水，亦可以將太陽能轉(zhuǎn)化為機械動能進行快速脫水的裝置。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

本脫水裝置是立足于大學生日常使用，為減少占地面積，將裝置設(shè)計為普通家用水桶造型，同時為避免高速旋轉(zhuǎn)脫水動力太大使桶身受損，將裝置設(shè)計得比日常水桶更厚、更矮。裝置整體主要分為外筒、內(nèi)筒、踏板、傳動裝置和增速裝置幾個部分，并融入了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。內(nèi)筒筒壁上有若干小孔，水分可通過這些小孔排出內(nèi)筒，濾水隔板設(shè)置在內(nèi)筒與外筒中間，可以防止水分影響內(nèi)部機械裝置的正常功能。排水管道在外筒底部，使衣物濾出的水排出。內(nèi)筒與外筒是由減震簧連接起來的，可以減緩高速旋轉(zhuǎn)引起的晃動與撞擊[3]。裝置的半徑較大，高度較矮，是為防止內(nèi)筒上部擺幅過大引起噪音及損壞。外筒與內(nèi)筒之間的空腔內(nèi)設(shè)置了齒輪增速裝置，踩踏杠桿連接了裝置外側(cè)的踏板，由大齒輪帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)[4]，連接到設(shè)于內(nèi)筒底部的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動帶動內(nèi)筒轉(zhuǎn)動，達到一定轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生離心力，從而達到衣服脫水的效果。該裝置剖面圖如圖1所示。

圖1 裝置剖面圖

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為太陽能電池方陣、調(diào)節(jié)控制器、蓄電池組、逆變器等部分[5]。原理圖如圖2所示。

1）太陽能電池方陣。在陽光照射(太陽光或者其它發(fā)光體產(chǎn)生的光照)情況下，電池能夠吸收光能，讓電池兩頭異號電荷的聚積，即發(fā)生“光生電壓”的現(xiàn)象，這就是所謂的“光生伏特效應(yīng)”。在這種特殊的效應(yīng)作用下，太陽能電池兩頭將會產(chǎn)生電動勢，順利把光能轉(zhuǎn)換成電能，成為能量轉(zhuǎn)換的機件[6]。

2）調(diào)節(jié)控制器。該裝置可以自動判斷并防止蓄電池過充電或過放電的危險狀態(tài)。由于直接決定蓄電池使用壽命的重要元素是一個蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度，控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器就成為了系統(tǒng)不可缺少的配套設(shè)備。

3）蓄電池組。在太陽能電池方陣受到光照的同時，儲能蓄電池組首先自動貯存其發(fā)出的電能，然后再向負載電池供電。

4）逆變器。太陽能電池和蓄電池都是直流電源，而當負載是交流負載時，就需要逆變器來將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

1）人工模式。使用者在使用時只需選擇人工模式，將滴水的衣服放入內(nèi)筒，打開啟停裝置，腳踩踏板通過內(nèi)部彈起裝置不停重復上下踩踏動作，通過高強度繩索帶動齒輪與運轉(zhuǎn)軸來提高旋轉(zhuǎn)。采用相同齒輪傳動轉(zhuǎn)速比的兩對自動增速齒輪來提高轉(zhuǎn)速的增速機構(gòu)。通過帶動皮帶與軸連接，以及各種傳動部件將動力傳輸?shù)烬X輪中心旋轉(zhuǎn)軸，而齒輪中心旋轉(zhuǎn)軸則帶動內(nèi)筒進行高速旋轉(zhuǎn)，這樣桶內(nèi)衣物便可順利脫水，并將水排出[7]。人工模式脫水流程示意圖如圖3所示。

圖3 人工模式脫水流程示意圖

2）太陽能模式。當選擇太陽能模式工作時，陽光照射在電子半導體的Pn結(jié)上，新的空穴電子對和電子發(fā)射對形成，接著在Pn結(jié)內(nèi)建電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，當接通電路后則形成了電流。太陽能的發(fā)電轉(zhuǎn)換方式可分為兩種：光—熱——電轉(zhuǎn)換，光—電——直接轉(zhuǎn)換。本設(shè)計選擇光—電——直接轉(zhuǎn)換的發(fā)電轉(zhuǎn)換方式。

光—電——直接轉(zhuǎn)換方式就是光能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過利用光伏效應(yīng)，將太陽輻射的能量轉(zhuǎn)換為電能，能夠?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本設(shè)備就是太陽能電池。太陽能電池是一種因光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，從物理結(jié)構(gòu)上說，它是一個半導體光電二極管。當太陽光照到光電二極管上時，太陽的光能將會轉(zhuǎn)換成電能，從而產(chǎn)生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)時，就能形成有較大的輸出功率的太陽能電池方陣[8]。太陽能光伏發(fā)電原理示意圖如圖4所示。

圖4 太陽能光伏發(fā)電原理示意圖

2 發(fā)展前景

2.1 可持續(xù)發(fā)展

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是科學發(fā)展觀的基本要求之一，也是當代社會積極推動的一種發(fā)展模式。充分利用太陽能的使用效益，可以極大地減少二氧化碳和二氧化硫的排放，這也將減少環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境、弱化溫室效應(yīng)。發(fā)展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對我國的可持續(xù)發(fā)展、人口分散地區(qū)居民用電，以及保持能源供給的獨立性和安全性來說意義重大。

2.2 零消耗零排放

該設(shè)計對太陽能的應(yīng)用打破了以往洗衣機行業(yè)僅限于電力驅(qū)動的弊端，無需消耗能量提供動力，該脫水裝置所需的常規(guī)能源消耗為零，全部能源均來自太陽能。發(fā)展太陽能新型能源運行成本較低，無任何廢物排放，不產(chǎn)生噪音污染，對生態(tài)環(huán)境不會造成危害[9]。

2.3 操作方便

與普通家用水桶形似，并可以和家用水桶疊放，以節(jié)約空間占地面積?？梢愿鶕?jù)實際情況在人工模式與太陽能模式之間隨意切換，在面臨停電的情況也可以保障衣服的正常清洗與晾曬。操作方法快捷簡單，閑置不用時便可將其放置在陽光下儲存太陽能。

3 存在問題

太陽能的使用減少了電力等能源消耗，但是其成本價格較貴，為常規(guī)電力的3～15倍。受脫水裝置體積的限制，太陽能板的面積不能過大。因此，能接收到的太陽輻射強度較低，需要較長時間才能達到所需能量。另外，太陽輻射還受地理和天氣的影響，導致太陽不能保持穩(wěn)定，從而導致脫水裝置的太陽能模式不能隨時使用[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，該新型衣物脫水裝置主要針對于當代在校大學生，工序簡單快捷，不需要通電操作，自己動手便可以將滴水的衣服快速脫水。裝置使用太陽能電池發(fā)電，在光線充足情況下，可以吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，直接進行脫水，與其他能源相比，減少了能源開發(fā)所帶來的環(huán)境問題，促進了能源的綠色應(yīng)用。在停電的突發(fā)狀況下，依然可以將衣服脫水。對于只能手洗以免損壞的衣物，手洗完后脫水，既不會把衣服扯壞，又能達到脫水的目的。