一種基于波浪能發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，雖然發揮出了相當重要的作用，但是其本身的設計仍然有缺陷，限制了其作用的充分發揮。在文中就一種基于波浪能發電的新型筒式燈浮標進行介紹。

關鍵詞：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的蓄電池，蓄電池倉上方設置支架，支架上安裝浮標燈泡，浮標燈泡外設燈罩，浮板下方連接錨釘，浮筒下端連接波浪形扇葉，蓄電池倉內的蓄電池向浮標燈泡供電。本發明利用水流的波浪能轉化為電能直接使浮標燈泡發亮，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，波浪能轉換效率高。并且直接將波浪能轉化為電能，避免了能量轉換過程中的損耗，以及機械過程中的磨損。原理簡單，制作方便，成本低，安全環保，具有廣泛的應用前景。

1 研制背景及意義

在我國歷史悠久的長江航運業中，據新中國成立后對浙江河姆渡地區的考古發現，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，歷史上因航標導航功能低下而屢有海損事故發生，船毀人亡事件屢見不鮮。

據調查，我國內河有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

在燈浮標下面架設一根電纜線，通到外接電源上，以供浮標燈發亮。由于航標燈長年工作惡劣，外接電纜導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，往往因不能及時發現和修復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一個電池倉，該電池倉放置蓄電池，供浮標燈發亮使用。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，利用太陽能發電供浮標燈發亮使用。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，相當環保。但是它的缺點也不可忽視：（1）受天氣限制；（2）能量轉化效率低；（3）制作成本高。

1.4 波力發電式

其尚處于研究階段，現今主要有有液壓式與機械式。通過某種傳動機構實現波浪能從往復運動到單向旋轉運動的傳遞來驅動發電機發電的方式。缺點：（1）機械式裝置多是早期的設計，往往結構笨重，可靠性差，未獲實用。（2）需要另加發電機等能量轉換裝置，轉換效率降低[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，且結構簡單，綠色環保，成本低廉，轉化效率高。

2 設計方案

2.1 組成結構

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），兩者產生位移差，使得線圈做切割磁感線運動，直接供燈泡發電，多余電能儲存在蓄電池中供電量不足時使用。

2.3 設計特點

（1）全波浪輸出，波浪能轉換效率高。（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構，由浮筒上下浮動切割磁感線，直接將波浪能轉化為電能，避免了能量轉換過程中的損耗，以及機械過程中的磨損。（4）原理簡單，制作方便，成本低，安全環保。

3 節能效益分析

該設計，每年可節約的電量，相當于節約了40950000元的電費支出和的使用。而該燈浮標的使用每年可節省維護燈浮標的費用75843000元，間接產生了顯著的經濟效益。并且該燈浮標使用壽命長，節省了燈浮標維護時所需的人力與物力。將對社會的發展產生深遠影響。

綜上，該設計有以下效益：（1）經濟效益：節省116793000元/年。（2）能源效益：節約42000000kW·h電量和14000噸標準煤每年。（3）社會效益：減少了環境污染，改善水面航行環境。

4 創新點及應用前景

4.1 創新點

（1）該設計結構簡單，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，應用范圍廣。（2）通過結構的巧妙設計大大降低了生產成本。

4.2 作品推廣應用價值

如果此產品可以投入生產，可以將會給節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。該設計是利用水流的波浪能轉化為電能直接使浮標燈發亮，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計。則每年可以節約上千萬發電的開銷，在一定情況下緩解當前的能源危機和環境問題。

在國內沿海城市，航標燈的數量很多，且該設計在往節能減排的方向上靠攏，因此應用前景十分廣闊。

參考文獻

[1]蘇毅，張濤，張鎮，等.漂浮式微型波力發電裝置原理與結構[J].后勤工程學院學報，2013，（3）：79-82.

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

（作者單位：南昌大學建筑工程學院）