內河水波能量轉換式航標

研究過程

去年暑假某晚，我們同學幾人相約在河邊散步，偶然發現航道管理人員在更換航標的蓄電池。我們之中有人提出：能否開發出不用蓄電池的航標呢?我們3個人一拍即合，決定以此為課題開發研制出一種能量自給、節能環保且能解決目前航道管理人員在操作上存在的很多麻煩的新型航標。于是，我們共同確定了這個研究課題。設計出一種不需蓄電池、不需外電供電的能量自給式航標，節約能源，保護環境。

研究過程

我們了解到有的航標使用煤油作能源，有的航標使用蓄電池作能源。這些航標燈不僅耗費了大量的不可再生能源，在實際使用過程中，還存在著諸如點燃不便、必須經常更換以及污染環境等缺點。

為了尋找一種能自給的供能方式，我們探討了多種方案。

首先，有人提出了使用反光材料，但很快遭到否定。因為船在水面上航行與車輛在公路上行駛存在很大區別。車輛燈光直射在反光材料上能夠起到一定效果；而在水道上，船舶、航標都在運動，無法獲得理想效果。

利用風能。局限是必須有一定風速，受環境影響太大。

利用太陽能。太陽能的利用一是受制于太陽能模板泡不得水；二是成本太高。

利用水流推動水輪機發電。這也是目前水力發電的主要形式，但我們在初步研究過程中發現，內河和湖泊的水體中常有大量的漂泊物或水草。這些物體會纏繞在水輪機上，影響水輪機正常工作。這種技術也達不到項目設計目的。

利用水波自身的能量發電。我們通過反復觀察河道中的航標燈船，發現燈船在水波的作用下，總是處于不停的上下起伏運動狀態。如果把這種波動的勢能變成動能，再把動能轉變成電能，這樣可省去水輪機，又可避開水輪機被纏繞的問題。

我們通過對比分析，權衡利弊，最終確定了利用水波進行能量轉換，從而設計出一種新型航標。

我們的設計

在初步方案確定后，我們開始著手對整體方案進行具體研究、設計。首先，我們想到必須找到1個合適的固定點，才有可能使機械正常運轉。最初我們在牽引燈船的纜繩上接入1個彈簧秤，想利用彈簧的伸縮來拉動齒條，實驗發現這根牽引繩只表現出浮力給它的張力，對彈簧的拉力基本不變，無拉動作用而失敗。

后來，我們在燈船尾部設計了1根固定在水底的立桿，在立桿的上端固定有一定弧度的齒條。這樣，裝在燈船尾部的齒輪，就可以在固定的弧形齒條上實現轉動。我們帶著這個方案向航道處的工程技術人員請教，然而卻被潑下了三瓢冷水。

第一，在航道上不允許有與水底剛性連接的障礙物。

第二，航道水位是多變的，燈船在設定長度的纜繩牽引下，會發生順著水流方向和垂直方面的位移，固定的齒條只能適應于水位不變的情況。

第三，由于水位的變化，齒條的弧度必須相應變化，才能與齒輪正常配合運轉。

至此，我們的這一方案又被否定。

這三瓢冷水，使我們一度陷入了困境。我們的指導老師及時給我們提供了幫助。他讓我們了解機械傳動的設計方案，可去玩具市場調研，有可能會獲得相當的啟發。

我的發現

我們到玩具市場進行了兩天的調研，買回了慣性小車、旋轉式上發條的小車、拉繩拉動式上發條的小車等玩具分別進行比較研究。我們發現拉繩、拉動式上發條的小車傳動方式可以借鑒。但是，拉動繩子的過程不能使齒輪轉動，只能上緊發條；松開繩子，才能釋放發條貯存的能量使齒輪轉動，因此發電機不能持續工作。

我們拿著拉繩拉動式上發條的小車反復進行拉動實驗，發現常規的方法是：讓小車不動，拉動繩子的自由端來上緊發條。如果反過來讓繩子的自由端不動，拉動小車，也可以做到上緊發條。這種運用作用力與反作用力原理的逆向應用使我們的思維豁然開朗。

我的結論

我們通過制作模型和整體組裝模型試驗，終于把這個項目實施完成了。

該項目通過對內河航標的研究，設計了由水波自身能量解決能源來源問題的新型航標。應用了能量轉換原理，機械傳動巧妙的軟性聯接設計把水波運動轉換成齒條水平運動，從而帶動齒輪旋轉，在能量轉換的技術上是一種簡易而實用的方法創新。