潮汐能与风能结合的涡轮式航标灯

【摘要】潮汐能发电这项技术已经在全世界研究都相对比较成熟了，也是主要发电方式之一，但是对于航标灯上的应用很少，而风能是十分丰富的，这两者结合运用于航标灯上是一种全新的尝试。简要地介绍了潮汐能与风能结合的航标灯的应用背景，及其原理，为具体的研究提出了方向。

【关键词】潮汐能;风能;涡轮式;航标灯

一、引言

目前，国内外航道水域的航标灯大多数都采用蓄电池供电，还有一部分采用太阳能来提供航标灯所需能量，或者采用其他的供电方式如利用海水化学发电等。利用潮汐能发电的航标灯就目前而言，是一种新的尝试。而潮汐能发电的航标灯是一种创新和改进，并且同时利用风能发电，形成互补。相比之前的航标灯，更好的实现了可持续发展，能源更清洁，相对太阳能发电而言经济效益可能更好，更节约能源。在布可再生能源极度匮乏的时代，这种航标灯市场前景还是可观的。做这个项目也十分有意义，可以弥补对于这方面研究的不足。随着不可再生能源的减少，新兴能源必将替代不可再生能源，以后甚至可以把这项研究推广到更多的领域。它符合绿色能源发展模式，这一设想在替代不可再生能源的同时，也保护了环境。潮汐能以前都是大规模的发电现在用于航标灯的供能，所以必须要权衡，怎样实现的效益最大化，同时，这也是一个新思路，大型化向小型向普遍化方向发展。

二、潮汐能与风能结合的涡轮式航标灯的分析

1.原理

潮汐能发电是利用涨潮和落潮时所形成水的动能和势能转换为机械能，即水流经水轮机时带动水轮机转动从而将水能转换成机械能，水轮机的转轴带动发电机的转子，将机械能转换为电能输出。然后把电能储存起来供航标灯使用。储存时，就是把多余的电能给蓄电池充电从而储存在蓄电池中。设备在输出电流时采用交变电流输出，因为储存的功率较大，所以使用时要使用小型的降压变压器降低电压，满足航标灯使用的电压。在航标灯的水上部分安装一个风力发电装置，风力发电的装置可以把风能转化为电能供航标灯使用，风力发电的扇叶采用后弯叶片。从而良种发电方式综合使用，可以保证持续高效安全地输出电能。

2.具体方案

所设想的航标灯其水下部分主要是利用潮汐发电，水上安装风力发电设备，立上一个杆在航标灯的水面部分，上面装上四个方向的叶轮，叶轮上装上风力发电机，叶轮本身是可以朝各个方向旋转的。具体初步设计了三个方案：

方案一：

利用特殊材料做一个包箱外壳（具体材料必须考虑使用年限、经济效益、材料的性能需求和经费成本），做成一定的弧线型，下端呈喇叭口（涨潮时海水主要呈现的是横向域宽，而不是纵向的落差且是间歇性的，因此水轮机的装置应该要做到水头低流量大以及尽量捕获能量），使它足以安装4个直径1.2米的叶轮（选取轻质材料以便获得更多能量），这一部分在发电时，要安装在水下，用以收集并获取涨潮时的动能，同时在潮落的时候从势能转换成动能的水流中，，再次吸收部分能量，利用涡轮将这部分能量转化为机械能用来发电。喇叭口面对冲来的潮水，在水下叶轮后1.5米左右的位置开始呈45°左右的弧线型上升，随着弧线型向上，收缩口会越来越小，直至达到3米左右高的口径1.5米的圆形的缩口，缩口上装离心式风轮，用以获得潮水涨落压缩或者吸引空气所带来的气流变化而形成的风能，并将它转化成电能。考虑到潮汐所带来的泥沙必须要按时时清除，则需维护人员保证发电装置的正常运行，需在弧形的外壳后开一个高1.5宽1.4米左右的舱口，并有相关防护材料。此外对于发电机的安装，要用钢质圆环，套在弧形缩口颈部，并用三根钢材作为支撑，为防止潮来时候带入垃圾绞坏叶轮，则在喇叭口前面要加三根直径1cm的钢筋焊接。在同一个航标灯上，可以在多方向上安装，效率会更大。

方案二：

在航标灯的水下面部分安装发电的装置，并用特殊材料做成圆筒，在圆筒里安装若干个叶轮，做成水轮装置，每个叶轮有四片扇叶。再由若干个水轮装置并排放置在固定的槽里，进行发电，在边上安装流向标，使其水轮圆筒的开口迎着水流的方向，并且可以灵活的调整水轮机的开口的方向。整个水轮机的总装置是平放着，和水平面平行放置。以便水流更好的导入管中，从而产生更多的电能。

方案三：

与方案二有小的方面的差别，即是水下的水轮机装在一个两边都开喇叭状的管中间，管的两边较大，中间管径相对细小，中间只装一个水轮，在整个水下装置中，并排若干个这样的喇叭状的管平行水平面放置于固定的槽中。同时在旁边安装流向标。这个方案优势在于，根据流体动力学原理，水在管的中间的速度大，冲力大，所以转化的能量大，两边都是喇叭口，水流出管的时间短，有利于减小水冲力对航标灯的影响。

三、前景分析

太阳能，化学电池给航标灯供能，这些技术都是比较成熟，就各个国家而言应用是相当广泛的，但是依然存在一些弊端。太阳能会受时间限制，而且它的效益低，化学电池尽管能行，但是消耗太大了，并且对环境而言不友好，不是一种经济的方式。潮汐能发电，能更好节约能源，对环境比较好。潮汐能发电，利用双向的发电装置就能够在潮涨和潮落时发电，且效益高。该项研究是小型化产物，它的研制成功是可以为今后潮汐能用于其它领域奠定基础，同时也解决了航标灯耗能多度多经济效用不高的问题。这项技术的推广，可以使其产业化，推动潮汐能的发展，也为航行在海上的船员提供安全保障，而且，产品的前景较好，可以扩大它的适用范围。以后可以推广到小型船只，经济前景比较可观。我国是个能源消耗大国，伴随着经济的飞速发展，对能源的需求日益加大，经济的发展对于化石能源的依赖特别严重，石油、天然气和煤炭等不可再生资源在不久的未来会枯竭，而且随之而来的是环境污染，为了解决能源的紧缺问题，以及经济可持续发展的发展，就必须找到新能源，而潮流能是一种储量大的可再生能源，对环境影响小，且这种自然能源是利用海水涨落潮而带来能量的变化，这项技术的发展无论是对经济还是环境保护都有促进作用。

参考文献

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