一種零能量消耗型衣物脫水裝置設(shè)計(jì)*

石 娟

（西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(chǎng)，我國(guó)洗衣機(jī)行業(yè)已經(jīng)成長(zhǎng)為一個(gè)十分成熟的產(chǎn)業(yè)。但是，洗衣機(jī)主要以電力作為驅(qū)動(dòng)方式，而對(duì)于當(dāng)代大學(xué)來(lái)說(shuō)，為保障用電安全，吹風(fēng)機(jī)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(jī)[1]。另外，洗衣機(jī)機(jī)械式的清洗模式會(huì)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(guò)調(diào)查與訪問(wèn)，這類衣物在當(dāng)代時(shí)尚潮流界中比較受歡迎，大學(xué)生的購(gòu)買頻率也相對(duì)較高，但由于洗衣機(jī)可能對(duì)衣物產(chǎn)生不良影響，大部分學(xué)生都比較傾向于手洗衣物。而基于高校宿舍條件，并沒(méi)有足夠的面積進(jìn)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(yáng)能資源是一種清潔型能源，其特點(diǎn)是可再生且無(wú)污染。據(jù)科學(xué)計(jì)算，太陽(yáng)1s內(nèi)所釋放出的能量就相當(dāng)于燃燒1.3億t標(biāo)準(zhǔn)煤所放出的熱量，而到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能約等于目前全世界所有發(fā)電能力總和的20萬(wàn)倍，這樣下來(lái)，地球每天接收到的太陽(yáng)能約等于全世界1年所消耗的總能量的104倍[2]。當(dāng)今世界對(duì)于太陽(yáng)能的運(yùn)用日益廣泛，作為新型再生能源，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)技術(shù)創(chuàng)新的促進(jìn)起到舉足輕重的作用。毋庸置疑，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用無(wú)疑給人們?nèi)粘Ｉ畎l(fā)展提供了巨大便利。本著響應(yīng)國(guó)家推進(jìn)節(jié)能低碳減排的戰(zhàn)略，將新型太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)應(yīng)用推廣到人們生活中，并針對(duì)高校學(xué)生所在宿舍的洗衣脫水困難問(wèn)題，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一款既可以通過(guò)腳踩踏板使衣物旋轉(zhuǎn)脫水，亦可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能進(jìn)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(xué)生日常使用，為減少占地面積，將裝置設(shè)計(jì)為普通家用水桶造型，同時(shí)為避免高速旋轉(zhuǎn)脫水動(dòng)力太大使桶身受損，將裝置設(shè)計(jì)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(dòng)裝置和增速裝置幾個(gè)部分，并融入了太陽(yáng)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(guò)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(jī)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(lái)的，可以減緩高速旋轉(zhuǎn)引起的晃動(dòng)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(guò)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(dòng)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(dòng)帶動(dòng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生離心力，從而達(dá)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為太陽(yáng)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(yáng)能電池方陣。在陽(yáng)光照射(太陽(yáng)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(hào)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(yáng)能電池兩頭將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，順利把光能轉(zhuǎn)換成電能，成為能量轉(zhuǎn)換的機(jī)件[6]。

2）調(diào)節(jié)控制器。該裝置可以自動(dòng)判斷并防止蓄電池過(guò)充電或過(guò)放電的危險(xiǎn)狀態(tài)。由于直接決定蓄電池使用壽命的重要元素是一個(gè)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(guò)充電或過(guò)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(yáng)能電池方陣受到光照的同時(shí)，儲(chǔ)能蓄電池組首先自動(dòng)貯存其發(fā)出的電能，然后再向負(fù)載電池供電。

4）逆變器。太陽(yáng)能電池和蓄電池都是直流電源，而當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，就需要逆變器來(lái)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(shí)只需選擇人工模式，將滴水的衣服放入內(nèi)筒，打開(kāi)啟停裝置，腳踩踏板通過(guò)內(nèi)部彈起裝置不停重復(fù)上下踩踏動(dòng)作，通過(guò)高強(qiáng)度繩索帶動(dòng)齒輪與運(yùn)轉(zhuǎn)軸來(lái)提高旋轉(zhuǎn)。采用相同齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)速比的兩對(duì)自動(dòng)增速齒輪來(lái)提高轉(zhuǎn)速的增速機(jī)構(gòu)。通過(guò)帶動(dòng)皮帶與軸連接，以及各種傳動(dòng)部件將動(dòng)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(dòng)內(nèi)筒進(jìn)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(yáng)能模式。當(dāng)選擇太陽(yáng)能模式工作時(shí)，陽(yáng)光照射在電子半導(dǎo)體的Pn結(jié)上，新的空穴電子對(duì)和電子發(fā)射對(duì)形成，接著在Pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)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(dāng)接通電路后則形成了電流。太陽(yáng)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(jì)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(guò)利用光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)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(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種因光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，從物理結(jié)構(gòu)上說(shuō)，它是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，太陽(yáng)的光能將會(huì)轉(zhuǎn)換成電能，從而產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，就能形成有較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣[8]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理示意圖如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)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(xué)發(fā)展觀的基本要求之一，也是當(dāng)代社會(huì)積極推動(dòng)的一種發(fā)展模式。充分利用太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)我國(guó)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(dú)立性和安全性來(lái)說(shuō)意義重大。

2.2 零消耗零排放

該設(shè)計(jì)對(duì)太陽(yáng)能的應(yīng)用打破了以往洗衣機(jī)行業(yè)僅限于電力驅(qū)動(dòng)的弊端，無(wú)需消耗能量提供動(dòng)力，該脫水裝置所需的常規(guī)能源消耗為零，全部能源均來(lái)自太陽(yáng)能。發(fā)展太陽(yáng)能新型能源運(yùn)行成本較低，無(wú)任何廢物排放，不產(chǎn)生噪音污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境不會(huì)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(shí)際情況在人工模式與太陽(yáng)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(jiǎn)單，閑置不用時(shí)便可將其放置在陽(yáng)光下儲(chǔ)存太陽(yáng)能。

3 存在問(wèn)題

太陽(yáng)能的使用減少了電力等能源消耗，但是其成本價(jià)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(yáng)能板的面積不能過(guò)大。因此，能接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到所需能量。另外，太陽(yáng)輻射還受地理和天氣的影響，導(dǎo)致太陽(yáng)不能保持穩(wěn)定，從而導(dǎo)致脫水裝置的太陽(yáng)能模式不能隨時(shí)使用[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該新型衣物脫水裝置主要針對(duì)于當(dāng)代在校大學(xué)生，工序簡(jiǎn)單快捷，不需要通電操作，自己動(dòng)手便可以將滴水的衣服快速脫水。裝置使用太陽(yáng)能電池發(fā)電，在光線充足情況下，可以吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，直接進(jìn)行脫水，與其他能源相比，減少了能源開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，促進(jìn)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(duì)于只能手洗以免損壞的衣物，手洗完后脫水，既不會(huì)把衣服扯壞，又能達(dá)到脫水的目的。