内河水波能量转换式航标

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  研究过程
  
  去年暑假某晚,我们同学几人相约在河边散步,偶然发现航道管理人员在更换航标的蓄电池。我们之中有人提出:能否开发出不用蓄电池的航标呢?我们3个人一拍即合,决定以此为课题开发研制出一种能量自给、节能环保且能解决目前航道管理人员在操作上存在的很多麻烦的新型航标。于是,我们共同确定了这个研究课题。设计出一种不需蓄电池、不需外电供电的能量自给式航标,节约能源,保护环境。
  
  研究过程
  
  我们了解到有的航标使用煤油作能源,有的航标使用蓄电池作能源。这些航标灯不仅耗费了大量的不可再生能源,在实际使用过程中,还存在着诸如点燃不便、必须经常更换以及污染环境等缺点。
  为了寻找一种能自给的供能方式,我们探讨了多种方案。
  首先,有人提出了使用反光材料,但很快遭到否定。因为船在水面上航行与车辆在公路上行驶存在很大区别。车辆灯光直射在反光材料上能够起到一定效果;而在水道上,船舶、航标都在运动,无法获得理想效果。
  利用风能。局限是必须有一定风速,受环境影响太大。
  利用太阳能。太阳能的利用一是受制于太阳能模板泡不得水;二是成本太高。
  利用水流推动水轮机发电。这也是目前水力发电的主要形式,但我们在初步研究过程中发现,内河和湖泊的水体中常有大量的漂泊物或水草。这些物体会缠绕在水轮机上,影响水轮机正常工作。这种技术也达不到项目设计目的。
  利用水波自身的能量发电。我们通过反复观察河道中的航标灯船,发现灯船在水波的作用下,总是处于不停的上下起伏运动状态。如果把这种波动的势能变成动能,再把动能转变成电能,这样可省去水轮机,又可避开水轮机被缠绕的问题。
  我们通过对比分析,权衡利弊,最终确定了利用水波进行能量转换,从而设计出一种新型航标。
  
  我们的设计
  
  在初步方案确定后,我们开始着手对整体方案进行具体研究、设计。首先,我们想到必须找到1个合适的固定点,才有可能使机械正常运转。最初我们在牵引灯船的缆绳上接入1个弹簧秤,想利用弹簧的伸缩来拉动齿条,实验发现这根牵引绳只表现出浮力给它的张力,对弹簧的拉力基本不变,无拉动作用而失败。
  后来,我们在灯船尾部设计了1根固定在水底的立杆,在立杆的上端固定有一定弧度的齿条。这样,装在灯船尾部的齿轮,就可以在固定的弧形齿条上实现转动。我们带着这个方案向航道处的工程技术人员请教,然而却被泼下了三瓢冷水。
  第一,在航道上不允许有与水底刚性连接的障碍物。
  第二,航道水位是多变的,灯船在设定长度的缆绳牵引下,会发生顺着水流方向和垂直方面的位移,固定的齿条只能适应于水位不变的情况。
  第三,由于水位的变化,齿条的弧度必须相应变化,才能与齿轮正常配合运转。
  至此,我们的这一方案又被否定。
  这三瓢冷水,使我们一度陷入了困境。我们的指导老师及时给我们提供了帮助。他让我们了解机械传动的设计方案,可去玩具市场调研,有可能会获得相当的启发。
  
  我的发现
  
  我们到玩具市场进行了两天的调研,买回了惯性小车、旋转式上发条的小车、拉绳拉动式上发条的小车等玩具分别进行比较研究。我们发现拉绳、拉动式上发条的小车传动方式可以借鉴。但是,拉动绳子的过程不能使齿轮转动,只能上紧发条;松开绳子,才能释放发条贮存的能量使齿轮转动,因此发电机不能持续工作。
  我们拿着拉绳拉动式上发条的小车反复进行拉动实验,发现常规的方法是:让小车不动,拉动绳子的自由端来上紧发条。如果反过来让绳子的自由端不动,拉动小车,也可以做到上紧发条。这种运用作用力与反作用力原理的逆向应用使我们的思维豁然开朗。
  
  我的结论
  
  我们通过制作模型和整体组装模型试验,终于把这个项目实施完成了。
  该项目通过对内河航标的研究,设计了由水波自身能量解决能源来源问题的新型航标。应用了能量转换原理,机械传动巧妙的软性联接设计把水波运动转换成齿条水平运动,从而带动齿轮旋转,在能量转换的技术上是一种简易而实用的方法创新。
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