自动水闸门稳压输出水轮发电机

王枝

目的与思路

我二哥在福建长汀与江西瑞金交界处承包了一片800多亩的竹林，为了要管理这片竹林，就在那里建造了一座房子。由于当地不供电，只好在附近山沟自已安装了一台小型300瓦特水轮发电机，利用水能发电。由于水一直往下冲，白天、黑夜都要一直开着多盏电灯，因为要是没有负载，输出电压会超过300伏特。要是有灯泡烧毁，输出电压就会超高，手机充电器烧毁是经常发生的事。因此我就想发明一个输出电压稳定的“自动水闸门稳压水轮发电机”。

工作原理

根据负载功率大小，自动控制水轮发电机闸门大小，使输出电压稳定在一定范围内。

◇当负载减少（如有灯泡烧毁），输出电压超过220伏特时，通过取样、控制器、步进电机、水轮机闸门等各环节，最终慢慢减小阀门流水量，从而降低发电机的输出电压。

◇当增加用电器（如手机充电、使用电脑等）导致负载增大、输出电压低于180伏特时，通过取样、控制器、步进电机、水轮机闸门等各环节，最终慢慢增大阀门流水量，使输出电压稳定在180～220伏特范围之间。

制作方法与过程

原料与器材

水轮发电机（300瓦）、单片机控制器、步进电机、齿轮、导线、电灯若干、水管（直径11厘米）、内牙法兰盘、各种接头胶水等。

机械加工

◇内牙法兰盘钻孔加工，把水轮发电机水管入口与法兰盘对齐对正，根据水管入口接口的3个螺丝孔做记号，打3个7毫米直径圆孔。

◇购买3套螺栓、螺母，把水轮发电机水管接口与法兰盘锁紧固定。

◇用铁锯子把顶住螺栓阀门的法兰盘锯掉一小部分并用砂轮机磨平，使螺栓阀门能够自由上下移动，不会顶住法兰盘，阀门上下移动范围不会超过4厘米（阀门全闭状态至阀门全开状态）。

◇定做加工齿轮2个。一个工作半径2.5厘米，将其固定在阀门螺栓的适当位置；另一个齿轮工作半径1.5厘米，把它固定在步进电机轴上。把步进电机用AB胶粘在水轮发电机外壳适当位置，步进电机转动时能够使阀门在全闭状态与全开状态间来回移动，阀门螺栓上的齿轮上下移动距离不超过4厘米。实现用步进电机控制阀门大小，从而控制进水量。

单片机控制器电路

◇取样电压为180～220伏特。

◇当水轮发电机输出电压小于或等于180伏特时，单片机控制器输出正驱动电压，步进电机顺时针转动，阀门螺栓逆时针转动，加大进水量。

◇当输出电压大于等于220伏特时，控制器输出负驱动电压，步进电机逆时针转动，阀门螺栓顺时转动，减小进水量。

◇当阀门达到全开状态后，延时5秒钟，控制器输出驱动电压为零，步进电机停止工作，回到初始状态。

◇当水轮发电机输出电压始终小于180伏特，而阀门已经最大时，延时5秒钟后，控制器输出电压也为零。

◇当水轮发电机输出负载大于300瓦，且阀门已经最大时，延时5秒钟后控制器输出负驱动电压，使步进电机逆时针转动，将阀门变小，减小进水量，电压可能低于180伏特，确保电机不烧毁。

创新点

本项目对传统水轮发电机进行研究，把固定式水闸门改变为自动控制水闸门。电需求量大时，水闸门自动变大；反之，电需求量小时，水闸门自动变小，目的是水电供需协调，不造成浪费。通过自动控制水闸门，达到自动控制水流量大小，进而稳定水轮发电机的输出电压。

自动闸门水轮发电机如果在大型水电部门得到推广应用，将会缓和电价不均衡问题。电价有峰、谷、平3种电价之别，产生电价不均的原因主要就是固定发电量的情况下，用电量需求的不同：煮饭时间段是用电量高峰期，电价最高；休息时间段是用电低峰期，电价最低。在福建省德化县，峰、谷电价值相差2倍多。德化县境内的用电来源是水电，一天内水闸门固定不变，水轮发电机发电功率固定，而一天内用电量却不断变化，因此造成水资源白白浪费。如果采用自动控制水闸门，根据一天内不同时间段用电量情况，自动调节水电发电量，就不会造成浪费。

该项目利用水闸控制水流量产生稳压的电能，可称为是颇为聪明的构思。缺点在于上游水源不足时，未必能达到此理想状态。建议在上下游各建一个水库蓄水，利用水流产生的电能将下游储存的水抽回上游水库。当用电量较少时，这个方法可节省很多水源。