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        波浪振動式發(fā)電裝置

        2023-09-20 11:55:38湖南省株洲市田心中學黃安然
        發(fā)明與創(chuàng)新 2023年26期
        關鍵詞:浮漂鐵片波浪

        ◎湖南省株洲市田心中學 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,我決定利用所學的物理知識設計一種新型的波浪振動式發(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發(fā)電,具有廣泛的推廣應用價值。

        設計思路:

        利用振動發(fā)電的設計和專利有很多,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)運動切割磁感線發(fā)電,發(fā)電效率都不高,最后都沒有轉(zhuǎn)化成實用的產(chǎn)品。

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

        作品結(jié)構:

        我根據(jù)設計思路繪制了波浪振動式發(fā)電裝置結(jié)構圖。波浪振動式發(fā)電裝置由浮漂、固定支架、軸承、連接帶、拉桿、振動發(fā)電機和發(fā)光二極管等構成,浮漂在水面沉浮,可以左右擺動。

        振動發(fā)電機是波浪振動式發(fā)電裝置的主要部件,由線圈、軟鐵框架、彈簧、動鐵片和永久磁鐵等構成。

        圖1 波浪振動式發(fā)電裝置結(jié)構圖

        圖2 振動發(fā)電機結(jié)構圖

        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,會帶動固定支架、浮漂、連接帶和拉桿運動,拉桿運動從而帶動動鐵片運動。

        當處于靜態(tài)時,永久磁鐵產(chǎn)生的磁力使動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;當受到拉桿傳遞過來的外力時,動鐵片與軟鐵框架分開,磁路斷開,此時磁通量非常??;當外力消失時,動鐵片又與軟鐵框架形成閉合磁路。這樣反復通斷的磁路在線圈上產(chǎn)生正負變化的交流電壓,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.制作振動發(fā)電機。我拆開一個直流電磁繼電器,將觸點部分拆卸下來,利用其中的動鐵片、軟鐵框架和線圈。在動鐵片上粘接幾片永久磁鐵,讓永久磁鐵、動鐵片和軟鐵框架形成一個磁力較大的固定磁場。接著,在線圈上焊接兩根導線,并焊上兩個發(fā)光二極管。手動斷開和閉合動鐵片和軟鐵框架,發(fā)光二極管發(fā)光,說明振動發(fā)電機可以正常工作。

        3.找來一個空心塑料盒用作浮漂,將振動發(fā)電機固定在空心塑料盒里。再在振動發(fā)電機的動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”運動。

        5.將兩根連接帶的兩端分別連接固定支架和拉桿,這樣,當“浮漂”擺動時,可以通過固定支架、連接帶帶動動鐵片運動,使振動發(fā)電機發(fā)電。

        波浪振動式發(fā)電裝置制作完成后,我進行效果測試。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,說明裝置效果達到了預期目標。

        圖3 作品實物圖

        創(chuàng)新點:

        波浪振動式發(fā)電裝置利用磁通量突變原理發(fā)電,對振動幅度要求很低,毫米級振動就能發(fā)電,而且效率很高,為實現(xiàn)波浪振動式發(fā)電的廣泛普及提供了新思路。這種裝置還能當作物理教具,演示潮汐發(fā)電,設計巧妙,效果明顯。

        圖4 演示測試

        進一步完善的設想:

        合理設計浮漂形狀,將浮漂沉在水中的部分設計成圓形,制作大型浮漂和固定支架;選用磁導率更高的材料制作軟鐵框架和動鐵片;研制大功率專用振動發(fā)電機,提高發(fā)電效率。同時,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。

        研究體會:

        在前期準備時,我自學了很多電磁學知識,通過文獻了解了很多利用振動發(fā)電的產(chǎn)品,也實地考察了發(fā)電廠,請教了老師和咨詢相關專家。在制作作品過程中,我學會了電路連接、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,更加堅定了為建設科技強國而努力學習的決心。

        (指導老師:羅玉林)

        專家點評

        黃安然同學的波浪振動式發(fā)電裝置是一件創(chuàng)新實踐作品。這件作品的完成,主要體現(xiàn)了:其一,黃安然同學具有清潔能源利用與創(chuàng)新實踐意識。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)新實踐之旅。其二,黃安然同學具有較好的知識和技術應用能力。雖然這個作品并不復雜,但是要把它做出來,裝配好,產(chǎn)生實際效果,對于一個初中生來說,也是有一定難度的。

        希望同學們都能夠像黃安然同學一樣,關注和發(fā)現(xiàn)生活中的問題,同時善于動手實踐來解決問題,走向像科學家工作似的學習場景,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)動葉輪帶動發(fā)電裝置發(fā)電;第二種是機械型,通過中間介質(zhì)推動轉(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)動水輪發(fā)電機組發(fā)電。

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