一种基于波浪能发电的新型筒式灯浮标

傅嘉豪

摘 要：浮标对于航运安全有着相当重要的作用。然而自从浮标诞生到如今，虽然发挥出了相当重要的作用，但是其本身的设计仍然有缺陷，限制了其作用的充分发挥。在文中就一种基于波浪能发电的新型筒式灯浮标进行介绍。

关键词：新型浮标；筒式灯；航运

本装置涉及一种，将一块永久磁铁固定在浮板上，在外部套上一个内表面缠绕着线圈的浮筒，用两个弹簧将浮筒与永久磁铁连接起来，在浮筒上面安置一个蓄电池仓与，线圈通过电线连接蓄电池仓内的蓄电池，蓄电池仓上方设置支架，支架上安装浮标灯泡，浮标灯泡外设灯罩，浮板下方连接锚钉，浮筒下端连接波浪形扇叶，蓄电池仓内的蓄电池向浮标灯泡供电。本发明利用水流的波浪能转化为电能直接使浮标灯泡发亮，也能储蓄到蓄电中。相比于其他形式灯浮标，其采用全波浪输出，波浪能转换效率高。并且直接将波浪能转化为电能，避免了能量转换过程中的损耗，以及机械过程中的磨损。原理简单，制作方便，成本低，安全环保，具有广泛的应用前景。

1 研制背景及意义

在我国历史悠久的长江航运业中，据新中国成立后对浙江河姆渡地区的考古发现，至少有7000年的历史。无论哪一阶段的航标灯与这盏新型灯浮标相比，都有光耀射距短、耗电量大、易损坏、维护工作量大的缺点，历史上因航标导航功能低下而屡有海损事故发生，船毁人亡事件屡见不鲜。

据调查，我国内河有5万多座航标，而灯浮标的类型主要有外接电源式、蓄电池式和太阳能一体化式3种。

1.1 外接电源式浮标灯

在灯浮标下面架设一根电缆线，通到外接电源上，以供浮标灯发亮。由于航标灯长年工作恶劣，外接电缆导线长期裸露在空气中，易老化断裂，连接部位易氧化，造成接触不良，往往因不能及时发现和修复给来往航行船舶造成不安全的隐患。

1.2 蓄电池式

在灯浮标整体上面架设一个电池仓，该电池仓放置蓄电池，供浮标灯发亮使用。缺点：（1）维护成本较高；（2）需要定期充电或更换电池；（3）废旧电池对环境污染大。

1.3 太阳能一体化式

在航标表面安装太阳能电池板，利用太阳能发电供浮标灯发亮使用。我国使用最多的灯浮标就是太阳能一体化式的，因为它的优势比前两种要大得多：（1）太阳能取之不尽用之不竭，安全可靠；（2）无污染排放外，相当环保。但是它的缺点也不可忽视：（1）受天气限制；（2）能量转化效率低；（3）制作成本高。

1.4 波力发电式

其尚处于研究阶段，现今主要有有液压式与机械式。通过某种传动机构实现波浪能从往复运动到单向旋转运动的传递来驱动发电机发电的方式。缺点：（1）机械式装置多是早期的设计，往往结构笨重，可靠性差，未获实用。（2）需要另加发电机等能量转换装置，转换效率降低[3]。而该新型筒式灯浮标利用波浪能输出电能，运行完全独立，且结构简单，绿色环保，成本低廉，转化效率高。

2 设计方案

2.1 组成结构

灯罩，浮标灯泡，支架，电池仓，电线，弹簧，线圈，永久磁铁，浮筒，浮板，波浪形扇叶，锚钉。如图1所示。

2.2 工作原理

将一块永久磁铁固定在浮板上，使其漂浮在海平面上方。在外部套上一个内表面缠绕着电线圈的浮筒，用两个弹簧将浮筒与永久磁铁连接起来。在浮筒上面安置一个蓄电池仓与浮标灯泡。当其在江河、海面时，无处不在的波浪能推动外浮筒上下运动，而永久磁铁上下浮动幅度很小（基本不动），两者产生位移差，使得线圈做切割磁感线运动，直接供灯泡发电，多余电能储存在蓄电池中供电量不足时使用。

2.3 设计特点

（1）全波浪输出，波浪能转换效率高。（2）利用弹簧将磁铁与浮筒连接，降低自身的能量损失。（3）属于半漂浮半固定式结构，由浮筒上下浮动切割磁感线，直接将波浪能转化为电能，避免了能量转换过程中的损耗，以及机械过程中的磨损。（4）原理简单，制作方便，成本低，安全环保。

3 节能效益分析

该设计，每年可节约的电量，相当于节约了40950000元的电费支出和的使用。而该灯浮标的使用每年可节省维护灯浮标的费用75843000元，间接产生了显著的经济效益。并且该灯浮标使用寿命长，节省了灯浮标维护时所需的人力与物力。将对社会的发展产生深远影响。

综上，该设计有以下效益：（1）经济效益：节省116793000元/年。（2）能源效益：节约42000000kW·h电量和14000吨标准煤每年。（3）社会效益：减少了环境污染，改善水面航行环境。

4 创新点及应用前景

4.1 创新点

（1）该设计结构简单，工作安全可靠，独立性强，既可独立运行也可组合使用，维修方便，运行寿命较长，应用范围广。（2）通过结构的巧妙设计大大降低了生产成本。

4.2 作品推广应用价值

如果此产品可以投入生产，可以将会给节约不可再生能源和减少废物废气排放带来不可小觑的贡献。该设计是利用水流的波浪能转化为电能直接使浮标灯发亮，也能储蓄到蓄电池中。若全国大部分浮标灯可以替换成该设计。则每年可以节约上千万发电的开销，在一定情况下缓解当前的能源危机和环境问题。

在国内沿海城市，航标灯的数量很多，且该设计在往节能减排的方向上靠拢，因此应用前景十分广阔。

参考文献

[1]苏毅，张涛，张镇，等.漂浮式微型波力发电装置原理与结构[J].后勤工程学院学报，2013，（3）：79-82.

[2]韩冰峰，褚金奎，熊叶胜，等.海洋波浪能发电研究进展[J].电网与清洁能源，2012，（2）：61-66.

（作者单位：南昌大学建筑工程学院）