小型水龙头发电机的研究与制作

刘世浩　朱浩通　丰子跃　张磊　杨耀东

【摘 要】本文介绍小型水龙头发电机模型装置，该装置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，使节能灯亮起来。

【关键词】电磁；节约；绿色环保

0 引言

目前，我国电力生产主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，慢慢淘汰；而且我国人均水资源占有比较匮乏，在世界能源日益紧缺的大背景下，如何充分利用水能，同时更好地保护环境，显得尤为重要，对实现可持续发展有着重要意义，并且水力发电对环境几乎不存在污染，有成本较低，利用率高等优点，所以水力发电越来越受国家的重视和支持。

为响应国家节能减排政策的号召，本课题从身边着手，利用水龙头中流出的水带动发电机叶片，在水龙头打开的时候源源不断的产生电能，为电灯供电，进而达到能量多级利用的目的。

1 立项背景

自2012年2月国家发改委会同财政部等17部委共同制定《“十二五”节能减排全民行动实施方案》以来，广泛动员全社会参与节能减排，通过社区带动全社会参与节能减排，宣传节能环保理念，倡导绿色生活，形成节约风尚，可以改变当前家庭生活中与节能减排不相适应的观念、行为已成为社会发展的新风尚。

如何能在生活点滴中厉行勤俭之风，提倡合理使用能源，已经引起了全社会各个阶层的普遍关注。生活中的节能无处不在，勤俭节约之风，反对食品浪费，减少使用塑料购物袋，减少一次性用品使用，推广新能源车等都是节能减排从我做起的有效举措。

每天，一个水龙头开开关关达数十次，每次我们打开水龙头短则十几秒，长则几十分 钟，甚至更长。工厂和自来水厂的水龙头更长年累月地开着，开着的水龙头水不断流出， 这些从水龙头流出来的水短时间内虽然不多，流速较慢，动能较小，但长年累月的积累下 来，这些流出水龙头的水的动能将是一个很大的数目。如果能将这些不经意从我们身边流 出的动能储存起来加以利用，那将有多大经济效益和社会效益啊！

笔者通过随机走访不同地区不同小区居民住户，从而了解日常生活能源使用现状以期可以提出有效的节能减排措施。调查中发现在一些较偏远的郊区、新建小区、夏季沿海地区常有停电现象出现，为当地居民生活带来很多不便。因而，笔者认为，通过简单便捷的方式在停电时保证最基本的照明或充电是一个有现实意义的研究课题。

目前市面上也有许多的小发电机包括家用小型水利发电机，在功能设计上都不能做到轻巧易操作，推广试用方面有一定难度。本项目拟研制的小型水力发电机，具有便携的显著优势，可以安装在水龙头上在日常使用过程中实现发电功用。

本项目受到手压式手电灯的启发，其工作原理为导体切割磁力场产生感应电流，然后输出电力到LED灯泡，使LED灯泡转动进而发光。手压电筒都有一按柄，通过塑料齿轮带动铜丝线圈内磁性飞轮高速旋转，从而实现切割磁力场的磁感线的效果。

2 模型概述

2.1 发电机的选择

发电机的工作原理是电磁感应，即闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生感应电流；微型发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成；定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成；转子由圆柱型磁铁组成。

由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。主要适用于对充电宝电池进行充电，因此用该电机时需要将交流电转化为直流电，需要对其整流和滤波。

发电机需要和水管紧密相连，对于电压也不需要特别大，本项目选用了24V金属外壳的发电机，重量略轻，在转轴的接口处加了一个紧密贴合的塑料片，并且在发电机外部贴了一张膜作为防水措施。

2.2 演示模型

1）控制电路的制作

为了更好更直观的展示我们研制的小型水力发电机，我们决定将整个装置全部镶嵌在一个面积大约1平方米的泡沫板里，并通过适当的处理，使得所做的水力发电模型能够更好地为受众演示。泡沫板上镶嵌着小灯泡和控制开关，在生活中各个灯泡是并联的，所以我们连接了一个并联电路，每个开关控制一个灯泡，一个总开关控制着所有的电路。

2）为了保证水流带动扇叶而产生的发电效率，经过反复的筛选，利用3D打印技术打印合适大小，合适型号的扇叶。同时，通过初步的调查和研究，小组选择了在灯光亮度和经济性方面都比较符合项目要求的LED灯。利用并联电路，在干路和两个支路都设置一个开关，两个LED灯都在支路，这样既可以总的控制全部灯，又可以分别控制每一个灯。同时为了进一步开发和运用，小组还计划安装一个USB接口，这样不用照明的时候可以将发电机发的电通过USB接口给手机充电，或者储存下来。丰富了装置的用途，形成了一套既可以照明又可以储能的装置。

3 技术手段、原理

水能是自然能源之一，是水利资源的一部分。水体中能量大小决定于水位落差和径流量的大小。通过水力发电的装置可以将水能开发利用，把水流体中含有的天然资源能量，转化为成可用能源为人类所利用。

水力发电的基本原理以水具有的重力势能转变成动能的水冲水轮机，水轮机即开始转动，若我们将发电机连接到水轮机，则发电机即可开始发电。如果我们将水位提高来冲水轮机，可发现水轮机转速增加。因此可知水位差愈大则水轮机所得动能愈大，可转换之电能愈高。

本装置在水流较大的情况下冲击水轮的叶扇，进而带动水轮运动，使水的位能转换成水轮转动的机械能，所以与水轮同轴连接的发电机转子开始转动进而机械能转换成电能，电能经过处理加工得到输出和利用。本装置的优点是：（1）水力发电属于可再生能源，对环境的污染破坏小，属于绿色生电的方式之一；（2）低成本灵活运用，小型水力发电机安装灵活，可定量的输出电能。

4 发展前景

1）环保友好型、可持续发展的水力发电技术是未来水电利用技术的关键；

2）科技技术的更新，影响并发展着水力发电技术进步创新；

3）抽水蓄能技术在未来发电行业起到重要作用；

4）在保护生态前提之下上，对水力发电技术进行科学规划和应用，对实现国家的可持续发展政策有着重要意义。

5 结语

这款水龙头发电装置从绿色环保角度出发，通过利用水龙头水流来发电，既节约了电能的消耗，丰富了电能源的来源，也在低污染、绿色环保的前提下，对水资源中水能进行重复利用。

这款装置可以轻松的装在水龙头上，安装便利，用途广泛，利用水流发电，既可以连接灯泡，在厕所走廊等地方起到照明作用，也可以连接蓄电池，将发出的电能储存下来，在一定程度上缓解用电压力，节能低碳，环保绿色。

这款水龙头发电装置的研发仍在继续完善改进当中，期待其为我国节约用电，能源产生和利用方面做出贡献。

【参考文献】

[1]久保大次郎.小型风力发电机设计与制作[M].科学出版社，2012.

[责任编辑：杨玉洁]