傅嘉豪

摘 要：浮標(biāo)對(duì)于航運(yùn)安全有著相當(dāng)重要的作用。然而自從浮標(biāo)誕生到如今，雖然發(fā)揮出了相當(dāng)重要的作用，但是其本身的設(shè)計(jì)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(biāo)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：新型浮標(biāo)；筒式燈；航運(yùn)

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(gè)內(nèi)表面纏繞著線(xiàn)圈的浮筒，用兩個(gè)彈簧將浮筒與永久磁鐵連接起來(lái)，在浮筒上面安置一個(gè)蓄電池倉(cāng)與，線(xiàn)圈通過(guò)電線(xiàn)連接蓄電池倉(cāng)內(nèi)的蓄電池，蓄電池倉(cāng)上方設(shè)置支架，支架上安裝浮標(biāo)燈泡，浮標(biāo)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(cāng)內(nèi)的蓄電池向浮標(biāo)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(biāo)燈泡發(fā)亮，也能儲(chǔ)蓄到蓄電中。相比于其他形式燈浮標(biāo)，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(guò)程中的損耗，以及機(jī)械過(guò)程中的磨損。原理簡(jiǎn)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(guó)歷史悠久的長(zhǎng)江航運(yùn)業(yè)中，據(jù)新中國(guó)成立后對(duì)浙江河姆渡地區(qū)的考古發(fā)現(xiàn)，至少有7000年的歷史。無(wú)論哪一階段的航標(biāo)燈與這盞新型燈浮標(biāo)相比，都有光耀射距短、耗電量大、易損壞、維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)，歷史上因航標(biāo)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(jiàn)不鮮。

據(jù)調(diào)查，我國(guó)內(nèi)河有5萬(wàn)多座航標(biāo)，而燈浮標(biāo)的類(lèi)型主要有外接電源式、蓄電池式和太陽(yáng)能一體化式3種。

1.1 外接電源式浮標(biāo)燈

在燈浮標(biāo)下面架設(shè)一根電纜線(xiàn)，通到外接電源上，以供浮標(biāo)燈發(fā)亮。由于航標(biāo)燈長(zhǎng)年工作惡劣，外接電纜導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)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(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)給來(lái)往航行船舶造成不安全的隱患。

1.2 蓄電池式

在燈浮標(biāo)整體上面架設(shè)一個(gè)電池倉(cāng)，該電池倉(cāng)放置蓄電池，供浮標(biāo)燈發(fā)亮使用。缺點(diǎn)：（1）維護(hù)成本較高；（2）需要定期充電或更換電池；（3）廢舊電池對(duì)環(huán)境污染大。

1.3 太陽(yáng)能一體化式

在航標(biāo)表面安裝太陽(yáng)能電池板，利用太陽(yáng)能發(fā)電供浮標(biāo)燈發(fā)亮使用。我國(guó)使用最多的燈浮標(biāo)就是太陽(yáng)能一體化式的，因?yàn)樗膬?yōu)勢(shì)比前兩種要大得多：（1）太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，安全可靠；（2）無(wú)污染排放外，相當(dāng)環(huán)保。但是它的缺點(diǎn)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(jī)械式。通過(guò)某種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波浪能從往復(fù)運(yùn)動(dòng)到單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳遞來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的方式。缺點(diǎn)：（1）機(jī)械式裝置多是早期的設(shè)計(jì)，往往結(jié)構(gòu)笨重，可靠性差，未獲實(shí)用。（2）需要另加發(fā)電機(jī)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(biāo)利用波浪能輸出電能，運(yùn)行完全獨(dú)立，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，綠色環(huán)保，成本低廉，轉(zhuǎn)化效率高。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 組成結(jié)構(gòu)

燈罩，浮標(biāo)燈泡，支架，電池倉(cāng)，電線(xiàn)，彈簧，線(xiàn)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(gè)內(nèi)表面纏繞著電線(xiàn)圈的浮筒，用兩個(gè)彈簧將浮筒與永久磁鐵連接起來(lái)。在浮筒上面安置一個(gè)蓄電池倉(cāng)與浮標(biāo)燈泡。當(dāng)其在江河、海面時(shí)，無(wú)處不在的波浪能推動(dòng)外浮筒上下運(yùn)動(dòng)，而永久磁鐵上下浮動(dòng)幅度很?。ɑ静粍?dòng)），兩者產(chǎn)生位移差，使得線(xiàn)圈做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，直接供燈泡發(fā)電，多余電能儲(chǔ)存在蓄電池中供電量不足時(shí)使用。

2.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（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(dòng)切割磁感線(xiàn)，直接將波浪能轉(zhuǎn)化為電能，避免了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗，以及機(jī)械過(guò)程中的磨損。（4）原理簡(jiǎn)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(jì)，每年可節(jié)約的電量，相當(dāng)于節(jié)約了40950000元的電費(fèi)支出和的使用。而該燈浮標(biāo)的使用每年可節(jié)省維護(hù)燈浮標(biāo)的費(fèi)用75843000元，間接產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。并且該燈浮標(biāo)使用壽命長(zhǎng)，節(jié)省了燈浮標(biāo)維護(hù)時(shí)所需的人力與物力。將對(duì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

綜上，該設(shè)計(jì)有以下效益：（1）經(jīng)濟(jì)效益：節(jié)省116793000元/年。（2）能源效益：節(jié)約42000000kW·h電量和14000噸標(biāo)準(zhǔn)煤每年。（3）社會(huì)效益：減少了環(huán)境污染，改善水面航行環(huán)境。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠，獨(dú)立性強(qiáng)，既可獨(dú)立運(yùn)行也可組合使用，維修方便，運(yùn)行壽命較長(zhǎng)，應(yīng)用范圍廣。（2）通過(guò)結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)大大降低了生產(chǎn)成本。

4.2 作品推廣應(yīng)用價(jià)值

如果此產(chǎn)品可以投入生產(chǎn)，可以將會(huì)給節(jié)約不可再生能源和減少?gòu)U物廢氣排放帶來(lái)不可小覷的貢獻(xiàn)。該設(shè)計(jì)是利用水流的波浪能轉(zhuǎn)化為電能直接使浮標(biāo)燈發(fā)亮，也能儲(chǔ)蓄到蓄電池中。若全國(guó)大部分浮標(biāo)燈可以替換成該設(shè)計(jì)。則每年可以節(jié)約上千萬(wàn)發(fā)電的開(kāi)銷(xiāo)，在一定情況下緩解當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題。

在國(guó)內(nèi)沿海城市，航標(biāo)燈的數(shù)量很多，且該設(shè)計(jì)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(xiàn)

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[2]韓冰峰，褚金奎，熊葉勝，等.海洋波浪能發(fā)電研究進(jìn)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）