一种零能量消耗型衣物脱水装置设计*

石 娟

（西华师范大学环境科学与工程学院，四川 南充 637000）

0 引言

得益于20多年的快速发展和较好的销售市场，我国洗衣机行业已经成长为一个十分成熟的产业。但是，洗衣机主要以电力作为驱动方式，而对于当代大学来说，为保障用电安全，吹风机等大功率电器是禁止在宿舍使用的，更何况是功率更大的洗衣机[1]。另外，洗衣机机械式的清洗模式会使部分面料材质特殊的衣服硬化、拉伸，甚至直接损坏，如静电性的植绒纤维面料服装、装饰品较多且不可拆卸的服装、羽绒皮草类服装、弹性较大的针织毛绒面料服装等。笔者通过调查与访问，这类衣物在当代时尚潮流界中比较受欢迎，大学生的购买频率也相对较高，但由于洗衣机可能对衣物产生不良影响，大部分学生都比较倾向于手洗衣物。而基于高校宿舍条件，并没有足够的面积进行晾晒衣服，要把湿衣服晾干不容易，那么衣物脱水变成了关键性一步。

太阳能资源是一种清洁型能源，其特点是可再生且无污染。据科学计算，太阳1s内所释放出的能量就相当于燃烧1.3亿t标准煤所放出的热量，而到达地球表面的太阳能约等于目前全世界所有发电能力总和的20万倍，这样下来，地球每天接收到的太阳能约等于全世界1年所消耗的总能量的104倍[2]。当今世界对于太阳能的运用日益广泛，作为新型再生能源，对于可持续发展和社会技术创新的促进起到举足轻重的作用。毋庸置疑，太阳能的开发与应用无疑给人们日常生活发展提供了巨大便利。本着响应国家推进节能低碳减排的战略，将新型太阳能开发应用推广到人们生活中，并针对高校学生所在宿舍的洗衣脱水困难问题，本项目组设计了一款既可以通过脚踩踏板使衣物旋转脱水，亦可以将太阳能转化为机械动能进行快速脱水的装置。

1 系统介绍

1.1 系统组成

本脱水装置是立足于大学生日常使用，为减少占地面积，将装置设计为普通家用水桶造型，同时为避免高速旋转脱水动力太大使桶身受损，将装置设计得比日常水桶更厚、更矮。装置整体主要分为外筒、内筒、踏板、传动装置和增速装置几个部分，并融入了太阳能光伏发电系统。内筒筒壁上有若干小孔，水分可通过这些小孔排出内筒，滤水隔板设置在内筒与外筒中间，可以防止水分影响内部机械装置的正常功能。排水管道在外筒底部，使衣物滤出的水排出。内筒与外筒是由减震簧连接起来的，可以减缓高速旋转引起的晃动与撞击[3]。装置的半径较大，高度较矮，是为防止内筒上部摆幅过大引起噪音及损坏。外筒与内筒之间的空腔内设置了齿轮增速装置，踩踏杠杆连接了装置外侧的踏板，由大齿轮带动小齿轮旋转[4]，连接到设于内筒底部的转盘，转盘转动带动内筒转动，达到一定转速，产生离心力，从而达到衣服脱水的效果。该装置剖面图如图1所示。

图1 装置剖面图

太阳能光伏发电系统可以分为太阳能电池方阵、调节控制器、蓄电池组、逆变器等部分[5]。原理图如图2所示。

1）太阳能电池方阵。在阳光照射(太阳光或者其它发光体产生的光照)情况下，电池能够吸收光能，让电池两头异号电荷的聚积，即发生“光生电压”的现象，这就是所谓的“光生伏特效应”。在这种特殊的效应作用下，太阳能电池两头将会产生电动势，顺利把光能转换成电能，成为能量转换的机件[6]。

2）调节控制器。该装置可以自动判断并防止蓄电池过充电或过放电的危险状态。由于直接决定蓄电池使用寿命的重要元素是一个蓄电池的循环充放电次数及放电深度，控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器就成为了系统不可缺少的配套设备。

3）蓄电池组。在太阳能电池方阵受到光照的同时，储能蓄电池组首先自动贮存其发出的电能，然后再向负载电池供电。

4）逆变器。太阳能电池和蓄电池都是直流电源，而当负载是交流负载时，就需要逆变器来将直流电转换成交流电。

图2 光伏发电系统结构示意图

1.2 工作原理

1）人工模式。使用者在使用时只需选择人工模式，将滴水的衣服放入内筒，打开启停装置，脚踩踏板通过内部弹起装置不停重复上下踩踏动作，通过高强度绳索带动齿轮与运转轴来提高旋转。采用相同齿轮传动转速比的两对自动增速齿轮来提高转速的增速机构。通过带动皮带与轴连接，以及各种传动部件将动力传输到齿轮中心旋转轴，而齿轮中心旋转轴则带动内筒进行高速旋转，这样桶内衣物便可顺利脱水，并将水排出[7]。人工模式脱水流程示意图如图3所示。

图3 人工模式脱水流程示意图

2）太阳能模式。当选择太阳能模式工作时，阳光照射在电子半导体的Pn结上，新的空穴电子对和电子发射对形成，接着在Pn结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，当接通电路后则形成了电流。太阳能的发电转换方式可分为两种：光—热——电转换，光—电——直接转换。本设计选择光—电——直接转换的发电转换方式。

光—电——直接转换方式就是光能直接转化为电能，通过利用光伏效应，将太阳辐射的能量转换为电能，能够实现这种转换的基本设备就是太阳能电池。太阳能电池是一种因光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，从物理结构上说，它是一个半导体光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时，太阳的光能将会转换成电能，从而产生电流。当许多个电池串联或并联时，就能形成有较大的输出功率的太阳能电池方阵[8]。太阳能光伏发电原理示意图如图4所示。

图4 太阳能光伏发电原理示意图

2 发展前景

2.1 可持续发展

可持续发展战略是科学发展观的基本要求之一，也是当代社会积极推动的一种发展模式。充分利用太阳能的使用效益，可以极大地减少二氧化碳和二氧化硫的排放，这也将减少环境污染、改善生态环境、弱化温室效应。发展太阳能光伏发电系统对我国的可持续发展、人口分散地区居民用电，以及保持能源供给的独立性和安全性来说意义重大。

2.2 零消耗零排放

该设计对太阳能的应用打破了以往洗衣机行业仅限于电力驱动的弊端，无需消耗能量提供动力，该脱水装置所需的常规能源消耗为零，全部能源均来自太阳能。发展太阳能新型能源运行成本较低，无任何废物排放，不产生噪音污染，对生态环境不会造成危害[9]。

2.3 操作方便

与普通家用水桶形似，并可以和家用水桶叠放，以节约空间占地面积。可以根据实际情况在人工模式与太阳能模式之间随意切换，在面临停电的情况也可以保障衣服的正常清洗与晾晒。操作方法快捷简单，闲置不用时便可将其放置在阳光下储存太阳能。

3 存在问题

太阳能的使用减少了电力等能源消耗，但是其成本价格较贵，为常规电力的3～15倍。受脱水装置体积的限制，太阳能板的面积不能过大。因此，能接收到的太阳辐射强度较低，需要较长时间才能达到所需能量。另外，太阳辐射还受地理和天气的影响，导致太阳不能保持稳定，从而导致脱水装置的太阳能模式不能随时使用[10]。

4 结语

综上所述，该新型衣物脱水装置主要针对于当代在校大学生，工序简单快捷，不需要通电操作，自己动手便可以将滴水的衣服快速脱水。装置使用太阳能电池发电，在光线充足情况下，可以吸收太阳能转化为电能，直接进行脱水，与其他能源相比，减少了能源开发所带来的环境问题，促进了能源的绿色应用。在停电的突发状况下，依然可以将衣服脱水。对于只能手洗以免损坏的衣物，手洗完后脱水，既不会把衣服扯坏，又能达到脱水的目的。