內(nèi)河水波能量轉(zhuǎn)換式航標(biāo)

研究過(guò)程

去年暑假某晚，我們同學(xué)幾人相約在河邊散步，偶然發(fā)現(xiàn)航道管理人員在更換航標(biāo)的蓄電池。我們之中有人提出：能否開(kāi)發(fā)出不用蓄電池的航標(biāo)呢?我們3個(gè)人一拍即合，決定以此為課題開(kāi)發(fā)研制出一種能量自給、節(jié)能環(huán)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(biāo)。于是，我們共同確定了這個(gè)研究課題。設(shè)計(jì)出一種不需蓄電池、不需外電供電的能量自給式航標(biāo)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。

研究過(guò)程

我們了解到有的航標(biāo)使用煤油作能源，有的航標(biāo)使用蓄電池作能源。這些航標(biāo)燈不僅耗費(fèi)了大量的不可再生能源，在實(shí)際使用過(guò)程中，還存在著諸如點(diǎn)燃不便、必須經(jīng)常更換以及污染環(huán)境等缺點(diǎn)。

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?yàn)榇谒嫔虾叫信c車(chē)輛在公路上行駛存在很大區(qū)別。車(chē)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(biāo)都在運(yùn)動(dòng)，無(wú)法獲得理想效果。

利用風(fēng)能。局限是必須有一定風(fēng)速，受環(huán)境影響太大。

利用太陽(yáng)能。太陽(yáng)能的利用一是受制于太陽(yáng)能模板泡不得水；二是成本太高。

利用水流推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。這也是目前水力發(fā)電的主要形式，但我們?cè)诔醪窖芯窟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)河和湖泊的水體中常有大量的漂泊物或水草。這些物體會(huì)纏繞在水輪機(jī)上，影響水輪機(jī)正常工作。這種技術(shù)也達(dá)不到項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的。

利用水波自身的能量發(fā)電。我們通過(guò)反復(fù)觀察河道中的航標(biāo)燈船，發(fā)現(xiàn)燈船在水波的作用下，總是處于不停的上下起伏運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果把這種波動(dòng)的勢(shì)能變成動(dòng)能，再把動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能，這樣可省去水輪機(jī)，又可避開(kāi)水輪機(jī)被纏繞的問(wèn)題。

我們通過(guò)對(duì)比分析，權(quán)衡利弊，最終確定了利用水波進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，從而設(shè)計(jì)出一種新型航標(biāo)。

我們的設(shè)計(jì)

在初步方案確定后，我們開(kāi)始著手對(duì)整體方案進(jìn)行具體研究、設(shè)計(jì)。首先，我們想到必須找到1個(gè)合適的固定點(diǎn)，才有可能使機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)。最初我們?cè)跔恳裏舸睦|繩上接入1個(gè)彈簧秤，想利用彈簧的伸縮來(lái)拉動(dòng)齒條，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這根牽引繩只表現(xiàn)出浮力給它的張力，對(duì)彈簧的拉力基本不變，無(wú)拉動(dòng)作用而失敗。

后來(lái)，我們?cè)跓舸膊吭O(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。我們帶著這個(gè)方案向航道處的工程技術(shù)人員請(qǐng)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(shè)定長(zhǎng)度的纜繩牽引下，會(huì)發(fā)生順著水流方向和垂直方面的位移，固定的齒條只能適應(yīng)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(yīng)變化，才能與齒輪正常配合運(yùn)轉(zhuǎn)。

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(dǎo)老師及時(shí)給我們提供了幫助。他讓我們了解機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，可去玩具市場(chǎng)調(diào)研，有可能會(huì)獲得相當(dāng)?shù)膯l(fā)。

我的發(fā)現(xiàn)

我們到玩具市場(chǎng)進(jìn)行了兩天的調(diào)研，買(mǎi)回了慣性小車(chē)、旋轉(zhuǎn)式上發(fā)條的小車(chē)、拉繩拉動(dòng)式上發(fā)條的小車(chē)等玩具分別進(jìn)行比較研究。我們發(fā)現(xiàn)拉繩、拉動(dòng)式上發(fā)條的小車(chē)傳動(dòng)方式可以借鑒。但是，拉動(dòng)繩子的過(guò)程不能使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，只能上緊發(fā)條；松開(kāi)繩子，才能釋放發(fā)條貯存的能量使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此發(fā)電機(jī)不能持續(xù)工作。

我們拿著拉繩拉動(dòng)式上發(fā)條的小車(chē)反復(fù)進(jìn)行拉動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的方法是：讓小車(chē)不動(dòng)，拉動(dòng)繩子的自由端來(lái)上緊發(fā)條。如果反過(guò)來(lái)讓繩子的自由端不動(dòng)，拉動(dòng)小車(chē)，也可以做到上緊發(fā)條。這種運(yùn)用作用力與反作用力原理的逆向應(yīng)用使我們的思維豁然開(kāi)朗。

我的結(jié)論

我們通過(guò)制作模型和整體組裝模型試驗(yàn)，終于把這個(gè)項(xiàng)目實(shí)施完成了。

該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)內(nèi)河航標(biāo)的研究，設(shè)計(jì)了由水波自身能量解決能源來(lái)源問(wèn)題的新型航標(biāo)。應(yīng)用了能量轉(zhuǎn)換原理，機(jī)械傳動(dòng)巧妙的軟性聯(lián)接設(shè)計(jì)把水波運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成齒條水平運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，在能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)上是一種簡(jiǎn)易而實(shí)用的方法創(chuàng)新。