一種零能量消耗型衣物脫水裝置設計*

石 娟

（西華師范大學環(huán)境科學與工程學院，四川 南充 637000）

0 引言

得益于20多年的快速發(fā)展和較好的銷售市場，我國洗衣機行業(yè)已經(jīng)成長為一個十分成熟的產業(yè)。但是，洗衣機主要以電力作為驅動方式，而對于當代大學來說，為保障用電安全，吹風機等大功率電器是禁止在宿舍使用的，更何況是功率更大的洗衣機[1]。另外，洗衣機機械式的清洗模式會使部分面料材質特殊的衣服硬化、拉伸，甚至直接損壞，如靜電性的植絨纖維面料服裝、裝飾品較多且不可拆卸的服裝、羽絨皮草類服裝、彈性較大的針織毛絨面料服裝等。筆者通過調查與訪問，這類衣物在當代時尚潮流界中比較受歡迎，大學生的購買頻率也相對較高，但由于洗衣機可能對衣物產生不良影響，大部分學生都比較傾向于手洗衣物。而基于高校宿舍條件，并沒有足夠的面積進行晾曬衣服，要把濕衣服晾干不容易，那么衣物脫水變成了關鍵性一步。

太陽能資源是一種清潔型能源，其特點是可再生且無污染。據(jù)科學計算，太陽1s內所釋放出的能量就相當于燃燒1.3億t標準煤所放出的熱量，而到達地球表面的太陽能約等于目前全世界所有發(fā)電能力總和的20萬倍，這樣下來，地球每天接收到的太陽能約等于全世界1年所消耗的總能量的104倍[2]。當今世界對于太陽能的運用日益廣泛，作為新型再生能源，對于可持續(xù)發(fā)展和社會技術創(chuàng)新的促進起到舉足輕重的作用。毋庸置疑，太陽能的開發(fā)與應用無疑給人們日常生活發(fā)展提供了巨大便利。本著響應國家推進節(jié)能低碳減排的戰(zhàn)略，將新型太陽能開發(fā)應用推廣到人們生活中，并針對高校學生所在宿舍的洗衣脫水困難問題，本項目組設計了一款既可以通過腳踩踏板使衣物旋轉脫水，亦可以將太陽能轉化為機械動能進行快速脫水的裝置。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

本脫水裝置是立足于大學生日常使用，為減少占地面積，將裝置設計為普通家用水桶造型，同時為避免高速旋轉脫水動力太大使桶身受損，將裝置設計得比日常水桶更厚、更矮。裝置整體主要分為外筒、內筒、踏板、傳動裝置和增速裝置幾個部分，并融入了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。內筒筒壁上有若干小孔，水分可通過這些小孔排出內筒，濾水隔板設置在內筒與外筒中間，可以防止水分影響內部機械裝置的正常功能。排水管道在外筒底部，使衣物濾出的水排出。內筒與外筒是由減震簧連接起來的，可以減緩高速旋轉引起的晃動與撞擊[3]。裝置的半徑較大，高度較矮，是為防止內筒上部擺幅過大引起噪音及損壞。外筒與內筒之間的空腔內設置了齒輪增速裝置，踩踏杠桿連接了裝置外側的踏板，由大齒輪帶動小齒輪旋轉[4]，連接到設于內筒底部的轉盤，轉盤轉動帶動內筒轉動，達到一定轉速，產生離心力，從而達到衣服脫水的效果。該裝置剖面圖如圖1所示。

圖1 裝置剖面圖

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為太陽能電池方陣、調節(jié)控制器、蓄電池組、逆變器等部分[5]。原理圖如圖2所示。

1）太陽能電池方陣。在陽光照射(太陽光或者其它發(fā)光體產生的光照)情況下，電池能夠吸收光能，讓電池兩頭異號電荷的聚積，即發(fā)生“光生電壓”的現(xiàn)象，這就是所謂的“光生伏特效應”。在這種特殊的效應作用下，太陽能電池兩頭將會產生電動勢，順利把光能轉換成電能，成為能量轉換的機件[6]。

2）調節(jié)控制器。該裝置可以自動判斷并防止蓄電池過充電或過放電的危險狀態(tài)。由于直接決定蓄電池使用壽命的重要元素是一個蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度，控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器就成為了系統(tǒng)不可缺少的配套設備。

3）蓄電池組。在太陽能電池方陣受到光照的同時，儲能蓄電池組首先自動貯存其發(fā)出的電能，然后再向負載電池供電。

4）逆變器。太陽能電池和蓄電池都是直流電源，而當負載是交流負載時，就需要逆變器來將直流電轉換成交流電。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖

1.2 工作原理

1）人工模式。使用者在使用時只需選擇人工模式，將滴水的衣服放入內筒，打開啟停裝置，腳踩踏板通過內部彈起裝置不停重復上下踩踏動作，通過高強度繩索帶動齒輪與運轉軸來提高旋轉。采用相同齒輪傳動轉速比的兩對自動增速齒輪來提高轉速的增速機構。通過帶動皮帶與軸連接，以及各種傳動部件將動力傳輸?shù)烬X輪中心旋轉軸，而齒輪中心旋轉軸則帶動內筒進行高速旋轉，這樣桶內衣物便可順利脫水，并將水排出[7]。人工模式脫水流程示意圖如圖3所示。

圖3 人工模式脫水流程示意圖

2）太陽能模式。當選擇太陽能模式工作時，陽光照射在電子半導體的Pn結上，新的空穴電子對和電子發(fā)射對形成，接著在Pn結內建電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，當接通電路后則形成了電流。太陽能的發(fā)電轉換方式可分為兩種：光—熱——電轉換，光—電——直接轉換。本設計選擇光—電——直接轉換的發(fā)電轉換方式。

光—電——直接轉換方式就是光能直接轉化為電能，通過利用光伏效應，將太陽輻射的能量轉換為電能，能夠實現(xiàn)這種轉換的基本設備就是太陽能電池。太陽能電池是一種因光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，從物理結構上說，它是一個半導體光電二極管。當太陽光照到光電二極管上時，太陽的光能將會轉換成電能，從而產生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)時，就能形成有較大的輸出功率的太陽能電池方陣[8]。太陽能光伏發(fā)電原理示意圖如圖4所示。

圖4 太陽能光伏發(fā)電原理示意圖

2 發(fā)展前景

2.1 可持續(xù)發(fā)展

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是科學發(fā)展觀的基本要求之一，也是當代社會積極推動的一種發(fā)展模式。充分利用太陽能的使用效益，可以極大地減少二氧化碳和二氧化硫的排放，這也將減少環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境、弱化溫室效應。發(fā)展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對我國的可持續(xù)發(fā)展、人口分散地區(qū)居民用電，以及保持能源供給的獨立性和安全性來說意義重大。

2.2 零消耗零排放

該設計對太陽能的應用打破了以往洗衣機行業(yè)僅限于電力驅動的弊端，無需消耗能量提供動力，該脫水裝置所需的常規(guī)能源消耗為零，全部能源均來自太陽能。發(fā)展太陽能新型能源運行成本較低，無任何廢物排放，不產生噪音污染，對生態(tài)環(huán)境不會造成危害[9]。

2.3 操作方便

與普通家用水桶形似，并可以和家用水桶疊放，以節(jié)約空間占地面積?？梢愿鶕?jù)實際情況在人工模式與太陽能模式之間隨意切換，在面臨停電的情況也可以保障衣服的正常清洗與晾曬。操作方法快捷簡單，閑置不用時便可將其放置在陽光下儲存太陽能。

3 存在問題

太陽能的使用減少了電力等能源消耗，但是其成本價格較貴，為常規(guī)電力的3～15倍。受脫水裝置體積的限制，太陽能板的面積不能過大。因此，能接收到的太陽輻射強度較低，需要較長時間才能達到所需能量。另外，太陽輻射還受地理和天氣的影響，導致太陽不能保持穩(wěn)定，從而導致脫水裝置的太陽能模式不能隨時使用[10]。

4 結語

綜上所述，該新型衣物脫水裝置主要針對于當代在校大學生，工序簡單快捷，不需要通電操作，自己動手便可以將滴水的衣服快速脫水。裝置使用太陽能電池發(fā)電，在光線充足情況下，可以吸收太陽能轉化為電能，直接進行脫水，與其他能源相比，減少了能源開發(fā)所帶來的環(huán)境問題，促進了能源的綠色應用。在停電的突發(fā)狀況下，依然可以將衣服脫水。對于只能手洗以免損壞的衣物，手洗完后脫水，既不會把衣服扯壞，又能達到脫水的目的。