潮汐能與風能結合的渦輪式航標燈

【摘要】潮汐能發電這項技術已經在全世界研究都相對比較成熟了，也是主要發電方式之一，但是對于航標燈上的應用很少，而風能是十分豐富的，這兩者結合運用于航標燈上是一種全新的嘗試。簡要地介紹了潮汐能與風能結合的航標燈的應用背景，及其原理，為具體的研究提出了方向。

【關鍵詞】潮汐能;風能;渦輪式;航標燈

一、引言

目前，國內外航道水域的航標燈大多數都采用蓄電池供電，還有一部分采用太陽能來提供航標燈所需能量，或者采用其他的供電方式如利用海水化學發電等。利用潮汐能發電的航標燈就目前而言，是一種新的嘗試。而潮汐能發電的航標燈是一種創新和改進，并且同時利用風能發電，形成互補。相比之前的航標燈，更好的實現了可持續發展，能源更清潔，相對太陽能發電而言經濟效益可能更好，更節約能源。在布可再生能源極度匱乏的時代，這種航標燈市場前景還是可觀的。做這個項目也十分有意義，可以彌補對于這方面研究的不足。隨著不可再生能源的減少，新興能源必將替代不可再生能源，以后甚至可以把這項研究推廣到更多的領域。它符合綠色能源發展模式，這一設想在替代不可再生能源的同時，也保護了環境。潮汐能以前都是大規模的發電現在用于航標燈的供能，所以必須要權衡，怎樣實現的效益最大化，同時，這也是一個新思路，大型化向小型向普遍化方向發展。

二、潮汐能與風能結合的渦輪式航標燈的分析

1.原理

潮汐能發電是利用漲潮和落潮時所形成水的動能和勢能轉換為機械能，即水流經水輪機時帶動水輪機轉動從而將水能轉換成機械能，水輪機的轉軸帶動發電機的轉子，將機械能轉換為電能輸出。然后把電能儲存起來供航標燈使用。儲存時，就是把多余的電能給蓄電池充電從而儲存在蓄電池中。設備在輸出電流時采用交變電流輸出，因為儲存的功率較大，所以使用時要使用小型的降壓變壓器降低電壓，滿足航標燈使用的電壓。在航標燈的水上部分安裝一個風力發電裝置，風力發電的裝置可以把風能轉化為電能供航標燈使用，風力發電的扇葉采用后彎葉片。從而良種發電方式綜合使用，可以保證持續高效安全地輸出電能。

2.具體方案

所設想的航標燈其水下部分主要是利用潮汐發電，水上安裝風力發電設備，立上一個桿在航標燈的水面部分，上面裝上四個方向的葉輪，葉輪上裝上風力發電機，葉輪本身是可以朝各個方向旋轉的。具體初步設計了三個方案：

方案一：

利用特殊材料做一個包箱外殼（具體材料必須考慮使用年限、經濟效益、材料的性能需求和經費成本），做成一定的弧線型，下端呈喇叭口（漲潮時海水主要呈現的是橫向域寬，而不是縱向的落差且是間歇性的，因此水輪機的裝置應該要做到水頭低流量大以及盡量捕獲能量），使它足以安裝4個直徑1.2米的葉輪（選取輕質材料以便獲得更多能量），這一部分在發電時，要安裝在水下，用以收集并獲取漲潮時的動能，同時在潮落的時候從勢能轉換成動能的水流中，，再次吸收部分能量，利用渦輪將這部分能量轉化為機械能用來發電。喇叭口面對沖來的潮水，在水下葉輪后1.5米左右的位置開始呈45°左右的弧線型上升，隨著弧線型向上，收縮口會越來越小，直至達到3米左右高的口徑1.5米的圓形的縮口，縮口上裝離心式風輪，用以獲得潮水漲落壓縮或者吸引空氣所帶來的氣流變化而形成的風能，并將它轉化成電能。考慮到潮汐所帶來的泥沙必須要按時時清除，則需維護人員保證發電裝置的正常運行，需在弧形的外殼后開一個高1.5寬1.4米左右的艙口，并有相關防護材料。此外對于發電機的安裝，要用鋼質圓環，套在弧形縮口頸部，并用三根鋼材作為支撐，為防止潮來時候帶入垃圾絞壞葉輪，則在喇叭口前面要加三根直徑1cm的鋼筋焊接。在同一個航標燈上，可以在多方向上安裝，效率會更大。

方案二：

在航標燈的水下面部分安裝發電的裝置，并用特殊材料做成圓筒，在圓筒里安裝若干個葉輪，做成水輪裝置，每個葉輪有四片扇葉。再由若干個水輪裝置并排放置在固定的槽里，進行發電，在邊上安裝流向標，使其水輪圓筒的開口迎著水流的方向，并且可以靈活的調整水輪機的開口的方向。整個水輪機的總裝置是平放著，和水平面平行放置。以便水流更好的導入管中，從而產生更多的電能。

方案三：

與方案二有小的方面的差別，即是水下的水輪機裝在一個兩邊都開喇叭狀的管中間，管的兩邊較大，中間管徑相對細小，中間只裝一個水輪，在整個水下裝置中，并排若干個這樣的喇叭狀的管平行水平面放置于固定的槽中。同時在旁邊安裝流向標。這個方案優勢在于，根據流體動力學原理，水在管的中間的速度大，沖力大，所以轉化的能量大，兩邊都是喇叭口，水流出管的時間短，有利于減小水沖力對航標燈的影響。

三、前景分析

太陽能，化學電池給航標燈供能，這些技術都是比較成熟，就各個國家而言應用是相當廣泛的，但是依然存在一些弊端。太陽能會受時間限制，而且它的效益低，化學電池盡管能行，但是消耗太大了，并且對環境而言不友好，不是一種經濟的方式。潮汐能發電，能更好節約能源，對環境比較好。潮汐能發電，利用雙向的發電裝置就能夠在潮漲和潮落時發電，且效益高。該項研究是小型化產物，它的研制成功是可以為今后潮汐能用于其它領域奠定基礎，同時也解決了航標燈耗能多度多經濟效用不高的問題。這項技術的推廣，可以使其產業化，推動潮汐能的發展，也為航行在海上的船員提供安全保障，而且，產品的前景較好，可以擴大它的適用范圍。以后可以推廣到小型船只，經濟前景比較可觀。我國是個能源消耗大國，伴隨著經濟的飛速發展，對能源的需求日益加大，經濟的發展對于化石能源的依賴特別嚴重，石油、天然氣和煤炭等不可再生資源在不久的未來會枯竭，而且隨之而來的是環境污染，為了解決能源的緊缺問題，以及經濟可持續發展的發展，就必須找到新能源，而潮流能是一種儲量大的可再生能源，對環境影響小，且這種自然能源是利用海水漲落潮而帶來能量的變化，這項技術的發展無論是對經濟還是環境保護都有促進作用。

參考文獻

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