基于自來水管的微型水力發(fā)電儲能裝置設(shè)計(jì)*

周巧儀，張智靚，俞昌亨

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州311231）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，能源需求及環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，國家需要以新能源和可再生能源為主體的安全、可靠和可持續(xù)的能源體系支撐[1]，目前可廣泛利用的可再生能源主要是水能、風(fēng)能和太陽能。水力發(fā)電作為一種具有良好經(jīng)濟(jì)性的無污染可再生能源，已經(jīng)有一百多年的歷史[2]，國內(nèi)外都有這方面的設(shè)計(jì)和發(fā)明，但是家庭自來水發(fā)電的應(yīng)用還比較少見。本文立足生活用水自來水管網(wǎng)，設(shè)計(jì)一款可用于自來水管的微型水力發(fā)電及儲能裝置，可滿足應(yīng)用于水資源運(yùn)維管理終端的微電子低功耗設(shè)備的供能需求。

1 微型水力發(fā)電儲能模塊組成

如圖1所示，本設(shè)計(jì)主要由微型水輪發(fā)電機(jī)、穩(wěn)壓模塊、儲能模塊組成。微型水輪發(fā)電機(jī)安裝在自來水供水管中，供水管中的水流流動(dòng)帶動(dòng)微型水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，微型水輪發(fā)電機(jī)的輸出端與穩(wěn)壓單元的輸入端連接，穩(wěn)壓單元的輸出端與儲能單元的輸入端連接，共同組成了本設(shè)計(jì)的微型水力發(fā)電儲能模塊[2]。

圖1 微型水力發(fā)電儲能裝置組成框圖

1.1 微型水輪發(fā)電機(jī)

如圖2、圖3所示，微型水輪發(fā)電機(jī)采用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行發(fā)電，主要由微型水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，利用自來水管中的水流，帶動(dòng)微型水輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)切割磁力線從而產(chǎn)生電力。也就是利用微型水輪機(jī)將自來水的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為水輪的機(jī)械能，再通過機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)從而獲得電能。經(jīng)測試，微型水輪發(fā)電機(jī)在正常工作期間能提供的電壓范圍：2.0V～18.8V。

圖2 微型水輪發(fā)電機(jī)示意圖

圖3 水輪發(fā)電機(jī)輸出電壓與進(jìn)水水壓關(guān)系

1.2 穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊由全波橋式整流電路和穩(wěn)壓電路兩部分組成。

1.2.1 整流電路

穩(wěn)壓單元采用全波橋式整流電路，如圖4所示。其主要作用就是將微型水輪發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)化為直流電源。該電路由4個(gè)二極管組成，利用二極管的單向?qū)üδ軐⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成直流脈動(dòng)電壓，再利用濾波電容C1和C2，平緩直流脈動(dòng)電壓的波紋部分[3]。

圖4 全波橋式整流電路

1.2.2 穩(wěn)壓電路

由于水流流速會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，整流電路輸出的電能電壓不穩(wěn)無法直接使用，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)采用LM2587-ADJ可調(diào)集成穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓電路，如圖5所示。LM2587-ADJ是一種寬輸入范圍、高效率的升壓芯片，具有過熱、過壓和低壓失步保護(hù)等功能。LM2587-ADJ的輸入電壓范圍為4～40V，最大輸出電壓為60V，振蕩器的固定頻率為100kHz，NPN開關(guān)晶體管的耐壓值為65V，額定電流為5A[4]。

圖5 穩(wěn)壓電路

通過控制LM2587-ADJ的Switch引腳導(dǎo)通和截止的狀態(tài)，可以控制電感L1充放電狀態(tài)；通過控制Switch引腳的導(dǎo)通和截止時(shí)間比例，可以控制輸出電壓的大小；通過控制反饋回路中的R1和R2的比值，可以調(diào)節(jié)占空比。電路輸出電壓UOUT可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

本設(shè)計(jì)VREF為1.23V，通過調(diào)節(jié)電位器R1，使R1/R2等于3.06，可將VOUT穩(wěn)定在5V。

1.3 儲能模塊

儲能模塊由電源管理模塊和鋰電池組成。穩(wěn)壓模塊輸出的直流電通過電源管理模塊對鋰電池進(jìn)行充電儲能。

目前市場上有很多電源管理IC，本設(shè)計(jì)從穩(wěn)定性和性價(jià)比的角度綜合考慮，選擇采用TP4056電源管理模塊電路。該電路利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對鋰電池進(jìn)行恒流恒壓充電，其電源輸入電壓有較寬的動(dòng)態(tài)工作范圍，在DC4.0～8.0V之間均可可靠工作，采用較少的外部元件數(shù)目即可實(shí)現(xiàn)對鋰電池的電源管理。電源管理模塊電路如圖6所示。

圖6 電源管理模塊電路

當(dāng)CE使能輸入端接入高電平時(shí)，電源管理模塊開始對鋰電池充電。當(dāng)鋰電池的電壓低于3V時(shí)，電源管理模塊采用小電流對鋰電池進(jìn)行預(yù)充電；當(dāng)鋰電池電壓超過3V時(shí)，則采用恒流模式對鋰電池進(jìn)行充電。恒流充電電流的大小可以通過調(diào)節(jié)電阻R4設(shè)定，其計(jì)算公式：

本設(shè)計(jì)鋰電池充電電流為1000mA，根據(jù)公式計(jì)算，其充電電阻為：1.2KΩ。

2 測試

根據(jù)對本設(shè)計(jì)裝置的試驗(yàn)測試，水壓在0.05～0.6MPa之間變化時(shí)，整流電路的輸出電壓為DC 1.2～17.6V，輸出功率為3～12W，經(jīng)全波橋式整流和LM2587-ADJ穩(wěn)壓電路，能為鋰電池提供DC 5V的穩(wěn)定輸出充電電壓，再經(jīng)過電源管理模塊對鋰電池進(jìn)行充電，其充電平均電流可達(dá)890mA。試驗(yàn)測量所得充電參數(shù)如表1所示。

表1 運(yùn)行參數(shù)測試值

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)從環(huán)保與能源利用方面著手，設(shè)計(jì)了一款可用于自來水管的微型水力發(fā)電裝置，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）利用自來水供水管水流，采用微型水輪機(jī)帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)發(fā)電，能夠有效利用供水管中亢余水頭轉(zhuǎn)化為電能，符合國家節(jié)能減排政策導(dǎo)向，有利于環(huán)保節(jié)能。

（2）受自來水供水水壓和流量的波動(dòng)影響，發(fā)電量不穩(wěn)定，因此本設(shè)計(jì)采用了具有低壓預(yù)充保護(hù)功能的電源管理模塊，從而保證安全高效地對鋰電池進(jìn)行充電。

（3）該裝置受限于發(fā)電量和電池容量的影響，目前僅能為水資源運(yùn)維管理系統(tǒng)低能耗終端設(shè)備提供電能，如智能水表、數(shù)據(jù)采集器、感應(yīng)水龍頭等。

綜上，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，使用雖受局限，但在末端小功率負(fù)載供電系統(tǒng)中能有效減少布線量，降低了智能建筑運(yùn)維成本，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢鮮明，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。