自動水閘門穩壓輸出水輪發電機

王枝

目的與思路

我二哥在福建長汀與江西瑞金交界處承包了一片800多畝的竹林，為了要管理這片竹林，就在那里建造了一座房子。由于當地不供電，只好在附近山溝自已安裝了一臺小型300瓦特水輪發電機，利用水能發電。由于水一直往下沖，白天、黑夜都要一直開著多盞電燈，因為要是沒有負載，輸出電壓會超過300伏特。要是有燈泡燒毀，輸出電壓就會超高，手機充電器燒毀是經常發生的事。因此我就想發明一個輸出電壓穩定的“自動水閘門穩壓水輪發電機”。

工作原理

根據負載功率大小，自動控制水輪發電機閘門大小，使輸出電壓穩定在一定范圍內。

◇當負載減少（如有燈泡燒毀），輸出電壓超過220伏特時，通過取樣、控制器、步進電機、水輪機閘門等各環節，最終慢慢減小閥門流水量，從而降低發電機的輸出電壓。

◇當增加用電器（如手機充電、使用電腦等）導致負載增大、輸出電壓低于180伏特時，通過取樣、控制器、步進電機、水輪機閘門等各環節，最終慢慢增大閥門流水量，使輸出電壓穩定在180～220伏特范圍之間。

制作方法與過程

原料與器材

水輪發電機（300瓦）、單片機控制器、步進電機、齒輪、導線、電燈若干、水管（直徑11厘米）、內牙法蘭盤、各種接頭膠水等。

機械加工

◇內牙法蘭盤鉆孔加工，把水輪發電機水管入口與法蘭盤對齊對正，根據水管入口接口的3個螺絲孔做記號，打3個7毫米直徑圓孔。

◇購買3套螺栓、螺母，把水輪發電機水管接口與法蘭盤鎖緊固定。

◇用鐵鋸子把頂住螺栓閥門的法蘭盤鋸掉一小部分并用砂輪機磨平，使螺栓閥門能夠自由上下移動，不會頂住法蘭盤，閥門上下移動范圍不會超過4厘米（閥門全閉狀態至閥門全開狀態）。

◇定做加工齒輪2個。一個工作半徑2.5厘米，將其固定在閥門螺栓的適當位置；另一個齒輪工作半徑1.5厘米，把它固定在步進電機軸上。把步進電機用AB膠粘在水輪發電機外殼適當位置，步進電機轉動時能夠使閥門在全閉狀態與全開狀態間來回移動，閥門螺栓上的齒輪上下移動距離不超過4厘米。實現用步進電機控制閥門大小，從而控制進水量。

單片機控制器電路

◇取樣電壓為180～220伏特。

◇當水輪發電機輸出電壓小于或等于180伏特時，單片機控制器輸出正驅動電壓，步進電機順時針轉動，閥門螺栓逆時針轉動，加大進水量。

◇當輸出電壓大于等于220伏特時，控制器輸出負驅動電壓，步進電機逆時針轉動，閥門螺栓順時轉動，減小進水量。

◇當閥門達到全開狀態后，延時5秒鐘，控制器輸出驅動電壓為零，步進電機停止工作，回到初始狀態。

◇當水輪發電機輸出電壓始終小于180伏特，而閥門已經最大時，延時5秒鐘后，控制器輸出電壓也為零。

◇當水輪發電機輸出負載大于300瓦，且閥門已經最大時，延時5秒鐘后控制器輸出負驅動電壓，使步進電機逆時針轉動，將閥門變小，減小進水量，電壓可能低于180伏特，確保電機不燒毀。

創新點

本項目對傳統水輪發電機進行研究，把固定式水閘門改變為自動控制水閘門。電需求量大時，水閘門自動變大；反之，電需求量小時，水閘門自動變小，目的是水電供需協調，不造成浪費。通過自動控制水閘門，達到自動控制水流量大小，進而穩定水輪發電機的輸出電壓。

自動閘門水輪發電機如果在大型水電部門得到推廣應用，將會緩和電價不均衡問題。電價有峰、谷、平3種電價之別，產生電價不均的原因主要就是固定發電量的情況下，用電量需求的不同：煮飯時間段是用電量高峰期，電價最高；休息時間段是用電低峰期，電價最低。在福建省德化縣，峰、谷電價值相差2倍多。德化縣境內的用電來源是水電，一天內水閘門固定不變，水輪發電機發電功率固定，而一天內用電量卻不斷變化，因此造成水資源白白浪費。如果采用自動控制水閘門，根據一天內不同時間段用電量情況，自動調節水電發電量，就不會造成浪費。

該項目利用水閘控制水流量產生穩壓的電能，可稱為是頗為聰明的構思。缺點在于上游水源不足時，未必能達到此理想狀態。建議在上下游各建一個水庫蓄水，利用水流產生的電能將下游儲存的水抽回上游水庫。當用電量較少時，這個方法可節省很多水源。