自发电感应式节水控制系统

兰建军 蔡晓霞 姜楚盈 马惊宵

(东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

随着传统能源的紧缺，社会对节能的要求不断提高，光伏、风力和水力发电技术得以广泛发展[1,2]。为了节约用水，许多公共场合都安装有感应式节水器，其相关技术也得到持续关注与发展。陈炼森等提出基于单片机和红外感应双重控制的智能节水系统[3]；周晓伟等提出基于热释电红外感应的节水沐浴器[4]；司玉娜等在建立了感应式水龙头的节水模型后，实现了出水时间和出水速度的控制[5]；王晴和王建华利用热释电红外传感器设计智能型嵌入式节水系统[6]。但上述节水控制系统通常采用碱性电池或者市电供电，虽然实现了节水功能，但是感应式节水器的使用也额外增加了电能的消耗，同时碱性电池的大量使用也给电池回收和污染防治带来了巨大压力，无法满足国家构建资源节约、环境友好型社会的战略要求。为此，雷德颖等提出利用自来水管网进行发电的研究和探索[7,8]，也取得一定研究成果。

笔者提出一种可自行发电的自动感应式节水器设计方案，采用微型水轮机和发电机将管道中的水流动能转换成电能后为感应式节水器供电。在节水的同时，解决了节约电能消耗的问题。

自发电感应式节水控制系统主要包含管式水流发电单元、感应节水控制单元和蓄电池充电控制单元3个部分，如图1所示。管式水流发电单元主要包含旋翼式水轮机和小型直流发电机，将管路中的水流动能转换成电能；红外感应节水控制单元主要包括红外感应器、电磁阀和电磁阀控制驱动器；蓄电池充电控制单元将发电机输出的电压转换成蓄电池充电所需电压，完成蓄电池的充电控制。

图1 自发电感应式节水控制系统结构框图

1.1 发电装置结构

自发电感应式节水控制系统的核心部分是水流动能到电能的转换单元，该部分利用旋翼式水轮机带动小型发电机发电，产生感应电动势经整流、滤波及稳压等处理后进行直流信号输出。为了方便机械传动，将水轮机和发电机设置为一体化结构，并在3D MAX上进行建模[9,10]，机械结构3D效果如图2所示。

a. 蜗壳和叶轮结构

b. 水轮机和发电机结构

1.2 发电功率计算

依据能量守恒原理，理想状态下，水轮机输出功率即发电机输入功率，由于水流势能和动能损失不能全部转换为机械输出，因此需要通过转换效率进行修正，水轮机输出功率P1的数学模型为：

(1)

式中g——重力加速度，m/s2；

h——落差，m；

m——水质量，kg；

v1——入口水流速度，m/s；

v2——出口水流速度，m/s；

η1——水轮机转换效率，%。

同样，发电机的输出功率也存在损失，经过修正后发电机输出功率Pi的数学模型为：

Pi=P1·η1·η2

(2)

式中η2——发电机效率，%。

联合式(1)、(2)，可将发电机输出功率的数学模型演算为：

(3)

2 系统设计

2.1 感应节水控制器

红外感应装置主要包括红外发射、红外接收、信号比较和控制驱动3个部分，如图3所示。红外发射信号经信号调制后，产生特定频率的红外光，有人靠近时，红外光波受到人体的反射，反射回来的红外光波由红外接收部分接收，经比较器比较后输出控制电磁阀开关，感应距离可通过电位器调节，调节范围0.0～0.6m。

图3 红外感应装置电路

2.2 充电控制装置

图4 充电控制电路原理

3 实验与数据测试

为了验证该方案的实际效果，在THPCAT-I型过程控制装备安装调试技能实训装置中对的自发电感应式节水系统进行验证。装置中使用的相关设备有16CQ-8P型磁力驱动循环水泵(扬程0～10m)、TGLDBE-15S型电磁流量计(压力范围0.0～1.6MPa)、KYB-800型压力变送器(压力范围0～2MPa)、2W-250-25型电磁阀(0.1～1.6MPa)。分别进行管道流量-压强关系、电压-压强关系和电压-流量关系测试，测试曲线如图5所示，图5a为流量-压强曲线，当水压增加至1.5MPa后，流量基本维持不变；图5b为电压-压强曲线趋势，与流量-压强曲线趋势一致，依据上述两条曲线，可以绘制如图5c所示的电压-流量曲线，可以看出，电压和流量近似线性关系。

a. 流量-压强曲线

b. 电压-压强曲线

c. 电压-流量曲线

4 结束语

笔者利用微型水轮机和发电机将管道中的水流动能转换成电能，针对永磁发电机的输出电压特点，分别设计了红外感应检测和铅酸电池充电控制电路。为了研究发电电压和管道水流量关系，在THPCAT-I型过程控制装备实训装置上进行了发电机发电效果测试，分别获取了流量-压强、电压-压强和电压-流量关系曲线，实验数据表明：利用管道水流发电的发电量完全可以满足感应节水控制系统的电能消耗，该系统结构简单，成本低，安装方便，可同时实现节水和节能要求，可以被推广应用。

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