小型双叶轮水力发电机的研制

樊万柏 张晓君

摘 要：利用能量守恒定律和磁生电原理，巧妙地将水龙头中水流的动能转化为我们可以利用的电能，由此设计出了一款体积小构造简单、成本低的小型双叶轮水力发电机，该发电机由机械能产生机构、加速机构、能量转换及储存机构组成。通过理论计算与实验测试，该发电装置能够使节能灯亮起并能实现电能的储存以达到能量多级利用的目的。

关键词：发电机 叶轮 水力发电 节能减排

中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0048-02

1 研制背景意义

目前，我国电力生产言要靠火力发电和水力发电，火力发电污染、利用率低等缺点已逐渐被人们所发现。而水力发电对环境几乎水存在污染，月成本低，利用率高等优点，所以，水力发电越来越受到国家的重视和支持[1]。

水力发电是清洁能源和可再生能源的一个重要组成部分，对水利开发建设具有多层次的能源建设功能，是对水资源的综合利用，进一步发展的可再生能源[2]。通过调研，我们发现日常生活中，尤其在公共场所，人们都是拧开水龙头用流水洗手，洗手时，无形中大量的水都白白浪费了。家庭中洗衣洗菜放水时，管道中压力水流能量也没有很好地被利用。为了响应国家节能减排的号召，充分利用管道中压力水流的动能和势能，我们设计出一台小型双叶轮水力发电机。它可将管道中的流水二次利用，通过水力发电实现能量的转换，并且该装置存储的电能又可用于照明、充电等功能服务于大众，进而达到能量多级利用的目的。

2 工作原理

利用自来水管中的水流经该装置实现水对装置中叶轮的冲刷，在水流的冲刷下，叶轮开始转动，将转矩和运动通过中心轴传递给与其同轴的大同步带轮，从而带动大同步带轮转动。通过同步齿形带与带轮间的啮合，将运动和和转矩传递给小同步带轮，利用带传动的传动比达到增速的目的。在小同步带轮的带动下，驱动无刷发电机高速旋转，从而实现机械能向电能的转换，产生电流，电流通过导线经充放电保护装置储存在蓄电池中，通过USB口输出供所需电器使用。

3 装置结构

小型双叶轮水力发电机由外壳、叶轮、中心轴、轴承、大同步带轮、小同步带轮、同步齿形带、550无刷发电机、冲放电保护装置、蓄电池、电流显示器、稳压USB输出等零部件组成，其结构简图如图1所示。小型双叶轮水力发电机的设计整体上分为三大部分：机械能产生机构、加速机构和电能产生以及存储机构。

3.1 机械能产生机构的设计

如图2所示，每个叶轮是由8片矩形叶片（40mm×90mm）固定在直径为100mm的两片带有中心孔（直径为6mm，与中心轴相配合）的圆形亚克力板上。成型叶轮直径为200mm，其中心轴与大同步带轮连接。如图2所示，水管中的水通过水流入口进入小型双叶轮水力发电机中，在水流的冲刷下，带动叶片旋转将水流的能量收集起来并转化成机械能。随着叶片的旋转，水又由出水口流出壳体外。

3.2 加速机构的设计

加速机构采用一种挠性传动，如图3所示，其基本组成零件为同步带轮（40齿同步轮和20齿同步轮）和200mm闭环同步齿形带，传动比为1∶2。当叶轮转动时带动40齿同步轮转动，利用200mm闭环同步带和同步轮间的啮合作用，将运动和动力通过200mm闭环同步带传递给20齿同步轮。该装置具有结构简单、传动比准确、传动平稳、缓冲吸振等特点[3]。

3.3 电能产生及存储机构的设计

电能产生及存储机构如图4所示，由USB稳压输出、电流显示器、充放电保护装置、无刷发电机、蓄电池等组成。该机构是将叶轮收集的能量通过发电机转换为电能，发电机输出的电能经过充放电保护装置改善为平稳的电流，并储存在蓄电池中，电流显示器能实时显示电量存储值，USB稳压输出口可输出电能供电器使用。

4 裝置理论效果与测试

（1）理论。一般家庭的接水水龙头出水口直径为10mm，水龙头的正常水压为0.05～0.9MPa之间，我们取水龙头水压为0.7MPa，出水口流速为1m/s。则根据能量公式可得发电机的功率为：

其中P为发电机的功率；为水的密度，S为叶轮迎水面积，V为流经叶轮的水流速度，CP为利用系数。

考虑到传动系统的效率损失，增速机构效率，各处轴承效率，则发电机的实际功率为

（2）测试。将一个0.5W的LED灯插入发电装置的USB输出接口上，打开水龙头2s后，LED灯被成功点亮，电能转化率达到88%，然后在1min内依次累加点亮个数由1个增加到13个，由此可见此装置完全可以实现发电，达到设计使用要求。

5 结语

本项目所研制的小型水力发电机采用双叶轮大速比驱动实现水能向电能的高效率转化。其体积小，结构简单，装拆方便，该装置与水接触部分为耐腐蚀无污染材料，使用时对水质无影响，具有低碳环保的特点。

该装置集发电、储能、电能输出功能于一体，试验测试表明它能够在短时间内点亮LED灯，实现发电的作用，并且该装置还能实现为多种小型电器设备供电，如手机、MP3、公共场所安全指示灯等，从而实现水能的再利用，并且节约了电能，还到节能减排的目的。

参考文献

[1] 刘世浩，朱浩通，丰子跃，等.小型水龙头发电机的研究与制作[J].科技世界，2016（18）：50.

[2] 孟维文.小型水流能发电装置的设计与仿真[D].武汉理工大学，2012.

[3] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[4] 李式林.小型水力发电机的设计[J].现代工业经济和信息化，2016（1）：30-32.