小型雙葉輪水力發電機的研制

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化為我們可以利用的電能，由此設計出了一款體積小構造簡單、成本低的小型雙葉輪水力發電機，該發電機由機械能產生機構、加速機構、能量轉換及儲存機構組成。通過理論計算與實驗測試，該發電裝置能夠使節能燈亮起并能實現電能的儲存以達到能量多級利用的目的。

關鍵詞：發電機 葉輪 水力發電 節能減排

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

水力發電是清潔能源和可再生能源的一個重要組成部分，對水利開發建設具有多層次的能源建設功能，是對水資源的綜合利用，進一步發展的可再生能源[2]。通過調研，我們發現日常生活中，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。為了響應國家節能減排的號召，充分利用管道中壓力水流的動能和勢能，我們設計出一臺小型雙葉輪水力發電機。它可將管道中的流水二次利用，通過水力發電實現能量的轉換，并且該裝置存儲的電能又可用于照明、充電等功能服務于大眾，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該裝置實現水對裝置中葉輪的沖刷，在水流的沖刷下，葉輪開始轉動，將轉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動。通過同步齒形帶與帶輪間的嚙合，將運動和和轉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，驅動無刷發電機高速旋轉，從而實現機械能向電能的轉換，產生電流，電流通過導線經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 裝置結構

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

3.1 機械能產生機構的設計

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電機中，在水流的沖刷下，帶動葉片旋轉將水流的能量收集起來并轉化成機械能。隨著葉片的旋轉，水又由出水口流出殼體外。

3.2 加速機構的設計

加速機構采用一種撓性傳動，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閉環同步齒形帶，傳動比為1∶2。當葉輪轉動時帶動40齒同步輪轉動，利用200mm閉環同步帶和同步輪間的嚙合作用，將運動和動力通過200mm閉環同步帶傳遞給20齒同步輪。該裝置具有結構簡單、傳動比準確、傳動平穩、緩沖吸振等特點[3]。

3.3 電能產生及存儲機構的設計

電能產生及存儲機構如圖4所示，由USB穩壓輸出、電流顯示器、充放電保護裝置、無刷發電機、蓄電池等組成。該機構是將葉輪收集的能量通過發電機轉換為電能，發電機輸出的電能經過充放電保護裝置改善為平穩的電流，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，我們取水龍頭水壓為0.7MPa，出水口流速為1m/s。則根據能量公式可得發電機的功率為：

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

考慮到傳動系統的效率損失，增速機構效率，各處軸承效率，則發電機的實際功率為

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

5 結語

本項目所研制的小型水力發電機采用雙葉輪大速比驅動實現水能向電能的高效率轉化。其體積小，結構簡單，裝拆方便，該裝置與水接觸部分為耐腐蝕無污染材料，使用時對水質無影響，具有低碳環保的特點。

該裝置集發電、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點亮LED燈，實現發電的作用，并且該裝置還能實現為多種小型電器設備供電，如手機、MP3、公共場所安全指示燈等，從而實現水能的再利用，并且節約了電能，還到節能減排的目的。

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.小型水流能發電裝置的設計與仿真[D].武漢理工大學，2012.

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

[4] 李式林.小型水力發電機的設計[J].現代工業經濟和信息化，2016（1）：30-32.