樊萬柏 張曉君

摘 要：利用能量守恒定律和磁生電原理，巧妙地將水龍頭中水流的動能轉(zhuǎn)化為我們可以利用的電能，由此設(shè)計出了一款體積小構(gòu)造簡單、成本低的小型雙葉輪水力發(fā)電機，該發(fā)電機由機械能產(chǎn)生機構(gòu)、加速機構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換及儲存機構(gòu)組成。通過理論計算與實驗測試，該發(fā)電裝置能夠使節(jié)能燈亮起并能實現(xiàn)電能的儲存以達到能量多級利用的目的。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機 葉輪 水力發(fā)電 節(jié)能減排

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0048-02

1 研制背景意義

目前，我國電力生產(chǎn)言要靠火力發(fā)電和水力發(fā)電，火力發(fā)電污染、利用率低等缺點已逐漸被人們所發(fā)現(xiàn)。而水力發(fā)電對環(huán)境幾乎水存在污染，月成本低，利用率高等優(yōu)點，所以，水力發(fā)電越來越受到國家的重視和支持[1]。

水力發(fā)電是清潔能源和可再生能源的一個重要組成部分，對水利開發(fā)建設(shè)具有多層次的能源建設(shè)功能，是對水資源的綜合利用，進一步發(fā)展的可再生能源[2]。通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)日常生活中，尤其在公共場所，人們都是擰開水龍頭用流水洗手，洗手時，無形中大量的水都白白浪費了。家庭中洗衣洗菜放水時，管道中壓力水流能量也沒有很好地被利用。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，充分利用管道中壓力水流的動能和勢能，我們設(shè)計出一臺小型雙葉輪水力發(fā)電機。它可將管道中的流水二次利用，通過水力發(fā)電實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，并且該裝置存儲的電能又可用于照明、充電等功能服務(wù)于大眾，進而達到能量多級利用的目的。

2 工作原理

利用自來水管中的水流經(jīng)該裝置實現(xiàn)水對裝置中葉輪的沖刷，在水流的沖刷下，葉輪開始轉(zhuǎn)動，將轉(zhuǎn)矩和運動通過中心軸傳遞給與其同軸的大同步帶輪，從而帶動大同步帶輪轉(zhuǎn)動。通過同步齒形帶與帶輪間的嚙合，將運動和和轉(zhuǎn)矩傳遞給小同步帶輪，利用帶傳動的傳動比達到增速的目的。在小同步帶輪的帶動下，驅(qū)動無刷發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電流，電流通過導線經(jīng)充放電保護裝置儲存在蓄電池中，通過USB口輸出供所需電器使用。

3 裝置結(jié)構(gòu)

小型雙葉輪水力發(fā)電機由外殼、葉輪、中心軸、軸承、大同步帶輪、小同步帶輪、同步齒形帶、550無刷發(fā)電機、沖放電保護裝置、蓄電池、電流顯示器、穩(wěn)壓USB輸出等零部件組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。小型雙葉輪水力發(fā)電機的設(shè)計整體上分為三大部分：機械能產(chǎn)生機構(gòu)、加速機構(gòu)和電能產(chǎn)生以及存儲機構(gòu)。

3.1 機械能產(chǎn)生機構(gòu)的設(shè)計

如圖2所示，每個葉輪是由8片矩形葉片（40mm×90mm）固定在直徑為100mm的兩片帶有中心孔（直徑為6mm，與中心軸相配合）的圓形亞克力板上。成型葉輪直徑為200mm，其中心軸與大同步帶輪連接。如圖2所示，水管中的水通過水流入口進入小型雙葉輪水力發(fā)電機中，在水流的沖刷下，帶動葉片旋轉(zhuǎn)將水流的能量收集起來并轉(zhuǎn)化成機械能。隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，水又由出水口流出殼體外。

3.2 加速機構(gòu)的設(shè)計

加速機構(gòu)采用一種撓性傳動，如圖3所示，其基本組成零件為同步帶輪（40齒同步輪和20齒同步輪）和200mm閉環(huán)同步齒形帶，傳動比為1∶2。當葉輪轉(zhuǎn)動時帶動40齒同步輪轉(zhuǎn)動，利用200mm閉環(huán)同步帶和同步輪間的嚙合作用，將運動和動力通過200mm閉環(huán)同步帶傳遞給20齒同步輪。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比準確、傳動平穩(wěn)、緩沖吸振等特點[3]。

3.3 電能產(chǎn)生及存儲機構(gòu)的設(shè)計

電能產(chǎn)生及存儲機構(gòu)如圖4所示，由USB穩(wěn)壓輸出、電流顯示器、充放電保護裝置、無刷發(fā)電機、蓄電池等組成。該機構(gòu)是將葉輪收集的能量通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電機輸出的電能經(jīng)過充放電保護裝置改善為平穩(wěn)的電流，并儲存在蓄電池中，電流顯示器能實時顯示電量存儲值，USB穩(wěn)壓輸出口可輸出電能供電器使用。

4 裝置理論效果與測試

（1）理論。一般家庭的接水水龍頭出水口直徑為10mm，水龍頭的正常水壓為0.05～0.9MPa之間，我們?nèi)∷堫^水壓為0.7MPa，出水口流速為1m/s。則根據(jù)能量公式可得發(fā)電機的功率為：

其中P為發(fā)電機的功率；為水的密度，S為葉輪迎水面積，V為流經(jīng)葉輪的水流速度，CP為利用系數(shù)。

考慮到傳動系統(tǒng)的效率損失，增速機構(gòu)效率，各處軸承效率，則發(fā)電機的實際功率為

（2）測試。將一個0.5W的LED燈插入發(fā)電裝置的USB輸出接口上，打開水龍頭2s后，LED燈被成功點亮，電能轉(zhuǎn)化率達到88%，然后在1min內(nèi)依次累加點亮個數(shù)由1個增加到13個，由此可見此裝置完全可以實現(xiàn)發(fā)電，達到設(shè)計使用要求。

5 結(jié)語

本項目所研制的小型水力發(fā)電機采用雙葉輪大速比驅(qū)動實現(xiàn)水能向電能的高效率轉(zhuǎn)化。其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，該裝置與水接觸部分為耐腐蝕無污染材料，使用時對水質(zhì)無影響，具有低碳環(huán)保的特點。

該裝置集發(fā)電、儲能、電能輸出功能于一體，試驗測試表明它能夠在短時間內(nèi)點亮LED燈，實現(xiàn)發(fā)電的作用，并且該裝置還能實現(xiàn)為多種小型電器設(shè)備供電，如手機、MP3、公共場所安全指示燈等，從而實現(xiàn)水能的再利用，并且節(jié)約了電能，還到節(jié)能減排的目的。

參考文獻

[1] 劉世浩，朱浩通，豐子躍，等.小型水龍頭發(fā)電機的研究與制作[J].科技世界，2016（18）：50.

[2] 孟維文.小型水流能發(fā)電裝置的設(shè)計與仿真[D].武漢理工大學，2012.

[3] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設(shè)計[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[4] 李式林.小型水力發(fā)電機的設(shè)計[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2016（1）：30-32.