小型水龍頭發(fā)電機(jī)的研究與制作

劉世浩　朱浩通　豐子躍　張磊　楊耀東

【摘 要】本文介紹小型水龍頭發(fā)電機(jī)模型裝置，該裝置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(dòng)能轉(zhuǎn)化為我們可以利用的電能，使節(jié)能燈亮起來(lái)。

【關(guān)鍵詞】電磁；節(jié)約；綠色環(huán)保

0 引言

目前，我國(guó)電力生產(chǎn)主要靠火力發(fā)電和水力發(fā)電，火力發(fā)電污染，利用率低等缺點(diǎn)已逐漸被人們所發(fā)現(xiàn)，慢慢淘汰；而且我國(guó)人均水資源占有比較匱乏，在世界能源日益緊缺的大背景下，如何充分利用水能，同時(shí)更好地保護(hù)環(huán)境，顯得尤為重要，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，并且水力發(fā)電對(duì)環(huán)境幾乎不存在污染，有成本較低，利用率高等優(yōu)點(diǎn)，所以水力發(fā)電越來(lái)越受國(guó)家的重視和支持。

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策的號(hào)召，本課題從身邊著手，利用水龍頭中流出的水帶動(dòng)發(fā)電機(jī)葉片，在水龍頭打開的時(shí)候源源不斷的產(chǎn)生電能，為電燈供電，進(jìn)而達(dá)到能量多級(jí)利用的目的。

1 立項(xiàng)背景

自2012年2月國(guó)家發(fā)改委會(huì)同財(cái)政部等17部委共同制定《“十二五”節(jié)能減排全民行動(dòng)實(shí)施方案》以來(lái)，廣泛動(dòng)員全社會(huì)參與節(jié)能減排，通過社區(qū)帶動(dòng)全社會(huì)參與節(jié)能減排，宣傳節(jié)能環(huán)保理念，倡導(dǎo)綠色生活，形成節(jié)約風(fēng)尚，可以改變當(dāng)前家庭生活中與節(jié)能減排不相適應(yīng)的觀念、行為已成為社會(huì)發(fā)展的新風(fēng)尚。

如何能在生活點(diǎn)滴中厲行勤儉之風(fēng)，提倡合理使用能源，已經(jīng)引起了全社會(huì)各個(gè)階層的普遍關(guān)注。生活中的節(jié)能無(wú)處不在，勤儉節(jié)約之風(fēng)，反對(duì)食品浪費(fèi)，減少使用塑料購(gòu)物袋，減少一次性用品使用，推廣新能源車等都是節(jié)能減排從我做起的有效舉措。

每天，一個(gè)水龍頭開開關(guān)關(guān)達(dá)數(shù)十次，每次我們打開水龍頭短則十幾秒，長(zhǎng)則幾十分 鐘，甚至更長(zhǎng)。工廠和自來(lái)水廠的水龍頭更長(zhǎng)年累月地開著，開著的水龍頭水不斷流出， 這些從水龍頭流出來(lái)的水短時(shí)間內(nèi)雖然不多，流速較慢，動(dòng)能較小，但長(zhǎng)年累月的積累下 來(lái)，這些流出水龍頭的水的動(dòng)能將是一個(gè)很大的數(shù)目。如果能將這些不經(jīng)意從我們身邊流 出的動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)加以利用，那將有多大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益??！

筆者通過隨機(jī)走訪不同地區(qū)不同小區(qū)居民住戶，從而了解日常生活能源使用現(xiàn)狀以期可以提出有效的節(jié)能減排措施。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)在一些較偏遠(yuǎn)的郊區(qū)、新建小區(qū)、夏季沿海地區(qū)常有停電現(xiàn)象出現(xiàn)，為當(dāng)?shù)鼐用裆顜?lái)很多不便。因而，筆者認(rèn)為，通過簡(jiǎn)單便捷的方式在停電時(shí)保證最基本的照明或充電是一個(gè)有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。

目前市面上也有許多的小發(fā)電機(jī)包括家用小型水利發(fā)電機(jī)，在功能設(shè)計(jì)上都不能做到輕巧易操作，推廣試用方面有一定難度。本項(xiàng)目擬研制的小型水力發(fā)電機(jī)，具有便攜的顯著優(yōu)勢(shì)，可以安裝在水龍頭上在日常使用過程中實(shí)現(xiàn)發(fā)電功用。

本項(xiàng)目受到手壓式手電燈的啟發(fā)，其工作原理為導(dǎo)體切割磁力場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后輸出電力到LED燈泡，使LED燈泡轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而發(fā)光。手壓電筒都有一按柄，通過塑料齒輪帶動(dòng)銅絲線圈內(nèi)磁性飛輪高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)切割磁力場(chǎng)的磁感線的效果。

2 模型概述

2.1 發(fā)電機(jī)的選擇

發(fā)電機(jī)的工作原理是電磁感應(yīng)，即閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流；微型發(fā)電機(jī)通常由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成；定子由定子鐵芯、線包繞組、機(jī)座以及固定這些部分的其他結(jié)構(gòu)件組成；轉(zhuǎn)子由圓柱型磁鐵組成。

由軸承及端蓋將發(fā)電機(jī)的定子，轉(zhuǎn)子連接組裝起來(lái)，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流。主要適用于對(duì)充電寶電池進(jìn)行充電，因此用該電機(jī)時(shí)需要將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，需要對(duì)其整流和濾波。

發(fā)電機(jī)需要和水管緊密相連，對(duì)于電壓也不需要特別大，本項(xiàng)目選用了24V金屬外殼的發(fā)電機(jī)，重量略輕，在轉(zhuǎn)軸的接口處加了一個(gè)緊密貼合的塑料片，并且在發(fā)電機(jī)外部貼了一張膜作為防水措施。

2.2 演示模型

1）控制電路的制作

為了更好更直觀的展示我們研制的小型水力發(fā)電機(jī)，我們決定將整個(gè)裝置全部鑲嵌在一個(gè)面積大約1平方米的泡沫板里，并通過適當(dāng)?shù)奶幚?，使得所做的水力發(fā)電模型能夠更好地為受眾演示。泡沫板上鑲嵌著小燈泡和控制開關(guān)，在生活中各個(gè)燈泡是并聯(lián)的，所以我們連接了一個(gè)并聯(lián)電路，每個(gè)開關(guān)控制一個(gè)燈泡，一個(gè)總開關(guān)控制著所有的電路。

2）為了保證水流帶動(dòng)扇葉而產(chǎn)生的發(fā)電效率，經(jīng)過反復(fù)的篩選，利用3D打印技術(shù)打印合適大小，合適型號(hào)的扇葉。同時(shí)，通過初步的調(diào)查和研究，小組選擇了在燈光亮度和經(jīng)濟(jì)性方面都比較符合項(xiàng)目要求的LED燈。利用并聯(lián)電路，在干路和兩個(gè)支路都設(shè)置一個(gè)開關(guān)，兩個(gè)LED燈都在支路，這樣既可以總的控制全部燈，又可以分別控制每一個(gè)燈。同時(shí)為了進(jìn)一步開發(fā)和運(yùn)用，小組還計(jì)劃安裝一個(gè)USB接口，這樣不用照明的時(shí)候可以將發(fā)電機(jī)發(fā)的電通過USB接口給手機(jī)充電，或者儲(chǔ)存下來(lái)。豐富了裝置的用途，形成了一套既可以照明又可以儲(chǔ)能的裝置。

3 技術(shù)手段、原理

水能是自然能源之一，是水利資源的一部分。水體中能量大小決定于水位落差和徑流量的大小。通過水力發(fā)電的裝置可以將水能開發(fā)利用，把水流體中含有的天然資源能量，轉(zhuǎn)化為成可用能源為人類所利用。

水力發(fā)電的基本原理以水具有的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的水沖水輪機(jī)，水輪機(jī)即開始轉(zhuǎn)動(dòng)，若我們將發(fā)電機(jī)連接到水輪機(jī)，則發(fā)電機(jī)即可開始發(fā)電。如果我們將水位提高來(lái)沖水輪機(jī)，可發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加。因此可知水位差愈大則水輪機(jī)所得動(dòng)能愈大，可轉(zhuǎn)換之電能愈高。

本裝置在水流較大的情況下沖擊水輪的葉扇，進(jìn)而帶動(dòng)水輪運(yùn)動(dòng)，使水的位能轉(zhuǎn)換成水輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，所以與水輪同軸連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，電能經(jīng)過處理加工得到輸出和利用。本裝置的優(yōu)點(diǎn)是：（1）水力發(fā)電屬于可再生能源，對(duì)環(huán)境的污染破壞小，屬于綠色生電的方式之一；（2）低成本靈活運(yùn)用，小型水力發(fā)電機(jī)安裝靈活，可定量的輸出電能。

4 發(fā)展前景

1）環(huán)保友好型、可持續(xù)發(fā)展的水力發(fā)電技術(shù)是未來(lái)水電利用技術(shù)的關(guān)鍵；

2）科技技術(shù)的更新，影響并發(fā)展著水力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步創(chuàng)新；

3）抽水蓄能技術(shù)在未來(lái)發(fā)電行業(yè)起到重要作用；

4）在保護(hù)生態(tài)前提之下上，對(duì)水力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展政策有著重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

這款水龍頭發(fā)電裝置從綠色環(huán)保角度出發(fā)，通過利用水龍頭水流來(lái)發(fā)電，既節(jié)約了電能的消耗，豐富了電能源的來(lái)源，也在低污染、綠色環(huán)保的前提下，對(duì)水資源中水能進(jìn)行重復(fù)利用。

這款裝置可以輕松的裝在水龍頭上，安裝便利，用途廣泛，利用水流發(fā)電，既可以連接燈泡，在廁所走廊等地方起到照明作用，也可以連接蓄電池，將發(fā)出的電能儲(chǔ)存下來(lái)，在一定程度上緩解用電壓力，節(jié)能低碳，環(huán)保綠色。

這款水龍頭發(fā)電裝置的研發(fā)仍在繼續(xù)完善改進(jìn)當(dāng)中，期待其為我國(guó)節(jié)約用電，能源產(chǎn)生和利用方面做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]久保大次郎.小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與制作[M].科學(xué)出版社，2012.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]