◎湖南省株洲市田心中學(xué) 黃安然

研究背景：

有一次，我去海邊玩，看到海面上有很多波浪，心想：這些波浪可以用來發(fā)電嗎？波浪能是一種清潔能源，可以將它們利用起來。于是，我決定利用所學(xué)的物理知識(shí)設(shè)計(jì)一種新型的波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置。這種裝置不僅可以用來建立水上波浪發(fā)電場，還適用于輪船在水上航行時(shí)發(fā)電，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

設(shè)計(jì)思路：

利用振動(dòng)發(fā)電的設(shè)計(jì)和專利有很多，一種是利用壓電片受到壓力沖擊發(fā)電，另一種是利用永久磁鐵在空心電磁線圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)切割磁感線發(fā)電，發(fā)電效率都不高，最后都沒有轉(zhuǎn)化成實(shí)用的產(chǎn)品。

我嘗試對(duì)直流電磁繼電器進(jìn)行逆向應(yīng)用，利用振動(dòng)讓動(dòng)鐵片與線圈芯軸閉合或斷開，發(fā)明一種在單位時(shí)間內(nèi)磁通量變化率大的波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置。

作品結(jié)構(gòu)：

我根據(jù)設(shè)計(jì)思路繪制了波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖。波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置由浮漂、固定支架、軸承、連接帶、拉桿、振動(dòng)發(fā)電機(jī)和發(fā)光二極管等構(gòu)成，浮漂在水面沉浮，可以左右擺動(dòng)。

振動(dòng)發(fā)電機(jī)是波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置的主要部件，由線圈、軟鐵框架、彈簧、動(dòng)鐵片和永久磁鐵等構(gòu)成。

圖1 波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 振動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

基本原理：

方形塑料水槽中的水模擬水面波浪，“波浪”出現(xiàn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)固定支架、浮漂、連接帶和拉桿運(yùn)動(dòng)，拉桿運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)動(dòng)鐵片運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)處于靜態(tài)時(shí)，永久磁鐵產(chǎn)生的磁力使動(dòng)鐵片與軟鐵框架接觸產(chǎn)生閉合磁路，線圈內(nèi)磁通量最大；當(dāng)受到拉桿傳遞過來的外力時(shí)，動(dòng)鐵片與軟鐵框架分開，磁路斷開，此時(shí)磁通量非常小；當(dāng)外力消失時(shí)，動(dòng)鐵片又與軟鐵框架形成閉合磁路。這樣反復(fù)通斷的磁路在線圈上產(chǎn)生正負(fù)變化的交流電壓，使得發(fā)光二極管發(fā)光。

制作過程：

1.制作模擬波浪發(fā)生裝置。我往方形塑料水槽中倒入適量的水，在方形塑料水槽下安裝滑輪、彈簧，用熱熔膠連接固定。

2.制作振動(dòng)發(fā)電機(jī)。我拆開一個(gè)直流電磁繼電器，將觸點(diǎn)部分拆卸下來，利用其中的動(dòng)鐵片、軟鐵框架和線圈。在動(dòng)鐵片上粘接幾片永久磁鐵，讓永久磁鐵、動(dòng)鐵片和軟鐵框架形成一個(gè)磁力較大的固定磁場。接著，在線圈上焊接兩根導(dǎo)線，并焊上兩個(gè)發(fā)光二極管。手動(dòng)斷開和閉合動(dòng)鐵片和軟鐵框架，發(fā)光二極管發(fā)光，說明振動(dòng)發(fā)電機(jī)可以正常工作。

3.找來一個(gè)空心塑料盒用作浮漂，將振動(dòng)發(fā)電機(jī)固定在空心塑料盒里。再在振動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)鐵片上粘接一根塑料管作為拉桿，并使塑料管延伸到空心塑料盒外面。

4.用塑料管制作固定支架，固定支架通過軸承連接“浮漂”，這樣，“浮漂”在固定支架內(nèi)可以隨“波浪”運(yùn)動(dòng)。

5.將兩根連接帶的兩端分別連接固定支架和拉桿，這樣，當(dāng)“浮漂”擺動(dòng)時(shí)，可以通過固定支架、連接帶帶動(dòng)動(dòng)鐵片運(yùn)動(dòng)，使振動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置制作完成后，我進(jìn)行效果測試。我搖晃方形塑料水槽，模擬波浪發(fā)生，可以看到發(fā)光二極管發(fā)光閃爍，說明裝置效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖3 作品實(shí)物圖

創(chuàng)新點(diǎn)：

波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置利用磁通量突變?cè)戆l(fā)電，對(duì)振動(dòng)幅度要求很低，毫米級(jí)振動(dòng)就能發(fā)電，而且效率很高，為實(shí)現(xiàn)波浪振動(dòng)式發(fā)電的廣泛普及提供了新思路。這種裝置還能當(dāng)作物理教具，演示潮汐發(fā)電，設(shè)計(jì)巧妙，效果明顯。

圖4 演示測試

進(jìn)一步完善的設(shè)想：

合理設(shè)計(jì)浮漂形狀，將浮漂沉在水中的部分設(shè)計(jì)成圓形，制作大型浮漂和固定支架；選用磁導(dǎo)率更高的材料制作軟鐵框架和動(dòng)鐵片；研制大功率專用振動(dòng)發(fā)電機(jī)，提高發(fā)電效率。同時(shí)，添加整流調(diào)節(jié)裝置，與電網(wǎng)并網(wǎng)，為我國新能源事業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

研究體會(huì)：

在前期準(zhǔn)備時(shí)，我自學(xué)了很多電磁學(xué)知識(shí)，通過文獻(xiàn)了解了很多利用振動(dòng)發(fā)電的產(chǎn)品，也實(shí)地考察了發(fā)電廠，請(qǐng)教了老師和咨詢相關(guān)專家。在制作作品過程中，我學(xué)會(huì)了電路連接、電路焊接、熱熔膠槍的使用等。這次發(fā)明制作，我收獲滿滿，感受到了無窮的樂趣，更加堅(jiān)定了為建設(shè)科技強(qiáng)國而努力學(xué)習(xí)的決心。

（指導(dǎo)老師：羅玉林）

專家點(diǎn)評(píng)

黃安然同學(xué)的波浪振動(dòng)式發(fā)電裝置是一件創(chuàng)新實(shí)踐作品。這件作品的完成，主要體現(xiàn)了：其一，黃安然同學(xué)具有清潔能源利用與創(chuàng)新實(shí)踐意識(shí)。她從內(nèi)地來到海邊，看到海面上有很多波浪，就想到波浪能是一種清潔能源，可以將它利用起來發(fā)電，于是便開啟了創(chuàng)新實(shí)踐之旅。其二，黃安然同學(xué)具有較好的知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用能力。雖然這個(gè)作品并不復(fù)雜，但是要把它做出來，裝配好，產(chǎn)生實(shí)際效果，對(duì)于一個(gè)初中生來說，也是有一定難度的。

希望同學(xué)們都能夠像黃安然同學(xué)一樣，關(guān)注和發(fā)現(xiàn)生活中的問題，同時(shí)善于動(dòng)手實(shí)踐來解決問題，走向像科學(xué)家工作似的學(xué)習(xí)場景，創(chuàng)新成長。

要告訴大家的是，目前國際上比較成熟的波浪發(fā)電裝置已有三種類型：第一種是振蕩水柱型，利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)葉輪帶動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)電；第二種是機(jī)械型，通過中間介質(zhì)推動(dòng)轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置發(fā)電；第三種是水流型，利用收縮水道將波浪引入高位水庫形成水位差，驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。