自發電感應式節水控制系統

蘭建軍 蔡曉霞 姜楚盈 馬驚宵

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

隨著傳統能源的緊缺，社會對節能的要求不斷提高，光伏、風力和水力發電技術得以廣泛發展[1,2]。為了節約用水，許多公共場合都安裝有感應式節水器，其相關技術也得到持續關注與發展。陳煉森等提出基于單片機和紅外感應雙重控制的智能節水系統[3]；周曉偉等提出基于熱釋電紅外感應的節水沐浴器[4]；司玉娜等在建立了感應式水龍頭的節水模型后，實現了出水時間和出水速度的控制[5]；王晴和王建華利用熱釋電紅外傳感器設計智能型嵌入式節水系統[6]。但上述節水控制系統通常采用堿性電池或者市電供電，雖然實現了節水功能，但是感應式節水器的使用也額外增加了電能的消耗，同時堿性電池的大量使用也給電池回收和污染防治帶來了巨大壓力，無法滿足國家構建資源節約、環境友好型社會的戰略要求。為此，雷德穎等提出利用自來水管網進行發電的研究和探索[7,8]，也取得一定研究成果。

筆者提出一種可自行發電的自動感應式節水器設計方案，采用微型水輪機和發電機將管道中的水流動能轉換成電能后為感應式節水器供電。在節水的同時，解決了節約電能消耗的問題。

自發電感應式節水控制系統主要包含管式水流發電單元、感應節水控制單元和蓄電池充電控制單元3個部分，如圖1所示。管式水流發電單元主要包含旋翼式水輪機和小型直流發電機，將管路中的水流動能轉換成電能；紅外感應節水控制單元主要包括紅外感應器、電磁閥和電磁閥控制驅動器；蓄電池充電控制單元將發電機輸出的電壓轉換成蓄電池充電所需電壓，完成蓄電池的充電控制。

圖1 自發電感應式節水控制系統結構框圖

1.1 發電裝置結構

自發電感應式節水控制系統的核心部分是水流動能到電能的轉換單元，該部分利用旋翼式水輪機帶動小型發電機發電，產生感應電動勢經整流、濾波及穩壓等處理后進行直流信號輸出。為了方便機械傳動，將水輪機和發電機設置為一體化結構，并在3D MAX上進行建模[9,10]，機械結構3D效果如圖2所示。

a. 蝸殼和葉輪結構

b. 水輪機和發電機結構

1.2 發電功率計算

依據能量守恒原理，理想狀態下，水輪機輸出功率即發電機輸入功率，由于水流勢能和動能損失不能全部轉換為機械輸出，因此需要通過轉換效率進行修正，水輪機輸出功率P1的數學模型為：

(1)

式中g——重力加速度，m/s2；

h——落差，m；

m——水質量，kg；

v1——入口水流速度，m/s；

v2——出口水流速度，m/s；

η1——水輪機轉換效率，%。

同樣，發電機的輸出功率也存在損失，經過修正后發電機輸出功率Pi的數學模型為：

Pi=P1·η1·η2

(2)

式中η2——發電機效率，%。

聯合式(1)、(2)，可將發電機輸出功率的數學模型演算為：

(3)

2 系統設計

2.1 感應節水控制器

紅外感應裝置主要包括紅外發射、紅外接收、信號比較和控制驅動3個部分，如圖3所示。紅外發射信號經信號調制后，產生特定頻率的紅外光，有人靠近時，紅外光波受到人體的反射，反射回來的紅外光波由紅外接收部分接收，經比較器比較后輸出控制電磁閥開關，感應距離可通過電位器調節，調節范圍0.0～0.6m。

圖3 紅外感應裝置電路

2.2 充電控制裝置

圖4 充電控制電路原理

3 實驗與數據測試

為了驗證該方案的實際效果，在THPCAT-I型過程控制裝備安裝調試技能實訓裝置中對的自發電感應式節水系統進行驗證。裝置中使用的相關設備有16CQ-8P型磁力驅動循環水泵(揚程0～10m)、TGLDBE-15S型電磁流量計(壓力范圍0.0～1.6MPa)、KYB-800型壓力變送器(壓力范圍0～2MPa)、2W-250-25型電磁閥(0.1～1.6MPa)。分別進行管道流量-壓強關系、電壓-壓強關系和電壓-流量關系測試，測試曲線如圖5所示，圖5a為流量-壓強曲線，當水壓增加至1.5MPa后，流量基本維持不變；圖5b為電壓-壓強曲線趨勢，與流量-壓強曲線趨勢一致，依據上述兩條曲線，可以繪制如圖5c所示的電壓-流量曲線，可以看出，電壓和流量近似線性關系。

a. 流量-壓強曲線

b. 電壓-壓強曲線

c. 電壓-流量曲線

4 結束語

筆者利用微型水輪機和發電機將管道中的水流動能轉換成電能，針對永磁發電機的輸出電壓特點，分別設計了紅外感應檢測和鉛酸電池充電控制電路。為了研究發電電壓和管道水流量關系，在THPCAT-I型過程控制裝備實訓裝置上進行了發電機發電效果測試，分別獲取了流量-壓強、電壓-壓強和電壓-流量關系曲線，實驗數據表明：利用管道水流發電的發電量完全可以滿足感應節水控制系統的電能消耗，該系統結構簡單，成本低，安裝方便，可同時實現節水和節能要求，可以被推廣應用。

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