一種基于波浪能發(fā)電的新型筒式燈浮標

傅嘉豪

摘 要：浮標對于航運安全有著相當重要的作用。然而自從浮標誕生到如今，雖然發(fā)揮出了相當重要的作用，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進行介紹。

關(guān)鍵詞：新型浮標；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，支架上安裝浮標燈泡，浮標燈泡外設(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燈泡發(fā)亮，也能儲蓄到蓄電中。相比于其他形式燈浮標，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燈與這盞新型燈浮標相比，都有光耀射距短、耗電量大、易損壞、維護工作量大的缺點，歷史上因航標導(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，而燈浮標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 外接電源式浮標燈

在燈浮標下面架設(shè)一根電纜線，通到外接電源上，以供浮標燈發(fā)亮。由于航標燈長年工作惡劣，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

在燈浮標整體上面架設(shè)一個電池倉，該電池倉放置蓄電池，供浮標燈發(fā)亮使用。缺點：（1）維護成本較高；（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

在航標表面安裝太陽能電池板，利用太陽能發(fā)電供浮標燈發(fā)亮使用。我國使用最多的燈浮標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械式。通過某種傳動機構(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)電機發(fā)電的方式。缺點：（1）機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燈泡。當其在江河、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，相當于節(jié)約了40950000元的電費支出和的使用。而該燈浮標的使用每年可節(jié)省維護燈浮標的費用75843000元，間接產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。并且該燈浮標使用壽命長，節(jié)省了燈浮標維護時所需的人力與物力。將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

綜上，該設(shè)計有以下效益：（1）經(jīng)濟效益：節(jié)省116793000元/年。（2）能源效益：節(jié)約42000000kW·h電量和14000噸標準煤每年。（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。該設(shè)計是利用水流的波浪能轉(zhuǎn)化為電能直接使浮標燈發(fā)亮，也能儲蓄到蓄電池中。若全國大部分浮標燈可以替換成該設(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前的能源危機和環(huán)境問題。

在國內(nèi)沿海城市，航標燈的數(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

[1]蘇毅，張濤，張鎮(zhèn)，等.漂浮式微型波力發(fā)電裝置原理與結(jié)構(gòu)[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報，2013，（3）：79-82.

[2]韓冰峰，褚金奎，熊葉勝，等.海洋波浪能發(fā)電研究進展[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，（2）：61-66.

（作者單位：南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院）