微型水龙头水流发电机的设计与开发

姚 斌

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528305）

前言

随着经济的发展以及市场竞争愈发激烈，部分家电研发人员希望在部分用水使用终端位置（如水管、花洒等位置）安装一个小型部件，特别是智能部件来提高产品的竞争力。这些装置一般功率比较小，但若采用市电来供电，一则布线麻烦，二则漏电风险会变大；若采用电池来供电，则需经常更换电池，会引起不便。若能利用这些装置安装处的水流来发电，则可解决上述烦恼。因此，开发一款微型水龙头水流发电机是很有必要的。同时，目前国家高度重视节能减排，合理用电，节约用电，以及将一些废弃能源转化为电能已经成为节能减排工作中的重中之重。在日常生活中的节能也已经引起了社会各阶层的普遍关注。利用家庭中的水龙头流水进行发电就是将一些废弃能源转化为电能就是一种非常有意义的生活实例。

利用家庭中的水龙头流水进行发电的发电机安装于水龙头内部或者与水管类似的水流通道内，通过管道中水流冲击固定于转轴上的水轮，水轮转动带动发电机磁性转子转动，进而定子绕组切割磁力线，达到磁生电。此原理与普通的水力发电机基本相同，大量学者对水力发电机做了研究[1-4]，但这些研究针对的发电机的功率均较大，对于微型或超微型发电机的资料较少。

目前市场也有小型的水流发电机，但由于体积过大，功能设计及体积等方面都与安装于水龙头内不匹配，本项目基于水力发电机的原理开发了一种能安装于水龙头内部的水流发电机。

1 设计方案

发电机是根据电磁感应原理来发电的，即闭合电路的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；水龙头水流发电机是利用管道中水流的流动，配合水流发电机产生电力，也就是利用水的动能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。微型水龙头水流发电机通常由定子、转子、轴与轴承、机架等部件组成。

对水流发电装置有影响的，除了安装于管道中的微型水龙头水流发电机的磁铁、转轴等因素，还包括水轮等因素。下面主要针对水流发电装置的水轮及磁铁进行设计及选型说明。

1.1 水轮设计

根据使用环境，本方案水轮采用冲击式水轮。水轮的主要设计参数有：水轮的最大半径r，叶片的数目Z，叶片的出口角β，水轮工作时的水流量QS，水轮工作时的转速ω等。同时由于本方案的水轮属于冲击式水轮，需要有高速射流冲击水轮的叶片产生转矩，而水管内的水流速度一般较低，因此需要设计一个小的引流截面，提高水管内的水轮速度并将其引射到水轮上，此引流截面的最小截面面积SA也是一个需要确定的参数。

一般来说，水轮的最大半径越大，能产生的功率越大。但由于本方案设计的水龙头发电机要配合水管来使用，所以其水轮的最大半径、水流量等参数受使用环境的限制，这里取水轮的最大半径取为r=9 mm，取水流量QV=6 L/min，根据经验，适用于本方案体积大小要求的发电机工作时转速一般能达到ω=5 000 rpm。

下面分析如何选取引流截面的最小截面面积S，为此先分析水流流速与其对水轮所产生的转矩T和功率P的关系。很明显，在不同的时刻射流冲击的叶片的数目是不同的，因此转矩是随时间变化的。但这种变化不是很大，为方便估算这里忽略这个变化，并只计算转子的平均转矩，同时认为它与一定常射流冲击在一最低位置（此最低位置相对射流而言）的叶片产出的转矩相同。需要指出的是，采取了这种简化，虽然可能会使计算得到的功率值误差增大，但并不影响转矩T和功率P与各几何参数或运动参数的定性关系。

用ρ表示水的密度，V1表示射流的速度，射流的体积流量与水流量相同，均是QV，不失一般性，假设v1的方向沿水平方向，r为水轮转轴到叶片外缘的距离（也即上述水轮最大半径），水轮的定常转速（角速度）为ω，当射流撞击叶片后的速度记为v2，v2与v1的反方向的夹角为θ，由动量定理可得转轴作用于水轮的转矩T1为：

式中v2θ为v2在v1向上的分量，考虑到水轮的转速以及v1、v2的关系，可得到关系式（2）：

将式（2）代入式（1）可得式（3）：

射流作用水轮所产生的转矩T与转轴作用于水轮机的转矩T1大小相等，方向相反，因此可得式（4）：

分析式（5），我们得出两个结论：

1）当θ与ρQV一定时，当v1=2ωr时，功率P有最大值，这也说明水轮的转速不是越大越好。

2）随着θ的增大，功率P将减少，当θ=0时，功率P有最大值，即v2的方向与v1的反方向越接近越好；

由上述的结论1可以看出，v1不是越大越好，其最优值受ω与r的约束。v1跟水流量有关系式（6）。

将v1=2ωr代入上式，可解得公式（7）。

这样就可以根据已确定的参数QV、ω与r来确定引流截面的最小截面面积S。为了使转动更加平稳，本方案将在圆周上均布放置n=3个引流截面，这样每个引流截面的最小横截面面积SA为：

经计算可得，SA=3.54 mm2

由结论2可以看出，θ=0时效率最高，这就要求水流在冲击叶片时叶片的出口角β的切线方向尽量与射流方向相反。但考虑到出水方便的因素，β将做适当的调整。同时根据经验以及考虑到加工的方便性，叶片数目Z取为9。

表1 N52钕铁硼磁铁性能参数表

图1 整体安装图

图2 发电装置分解图

图3 为水流路径示意图

1.2 磁路结构选型

考虑到实际的运用及结构等特点，发电机采用同步永磁发电机[5-6]。同步永磁发电机的励磁磁场是由永磁体产生的，永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁发电机具有结构简单、可靠性高、体积小、重量轻和比功率大等特点。

在永磁转子磁铁选择方面有铁氧体磁铁、铝镍钴磁铁和钕铁硼可选择，通过对比磁能积（BH）、矫顽力（Hcb、Hcj）、通用性和使用环境等因素，本方案最终永磁转子选择牌号为N52的钕铁硼磁铁。

N52钕铁硼磁铁性能参数如表1。

1.3 设计结果

为了验证理论的可行性，最终设计了如图1～图3所示的水流发电装置。此水流发电装置主要包括有进水盖、水轮、机架、发电机和连接线等部件。进水盖有三个进水口，这些进水口能引导上游水管的水流加速射击水轮，带动水轮高速转动，通过转轴连接在水轮另一端的钕铁硼磁铁转子也随着高速转动，因磁场运动而产生切割磁感线的现象，进而产生了电动势，通过连接线引出，接在回路中，进行电流输出。

2 实验验证

为验证设计的微型水龙头水流发电机是否有效，对其进行了实物样机的制作和测试。测试样机实物图如图4所示，图中实物还包括了一些测试用的连接件。

测试得到的结果如表2所示。

图4 测试样机实物图

表2 测试结果

由测试结果可以看出，随着水流量的增大，微型发电机的输出的电压与功率均增大，当水流量达到6 L/min时，功率也达到0.09 W以上，能满足一些低耗电设备的要求。

3 总结

利用流体力学中的动量定理并配合适合的磁路选型，本文设计并开发了一种微型水龙头水流发电机，该水流发电机能安装在水龙头内部或者与水管类似的水流通道内，能将水流的机械能转换为电能进行供电。经实验测试证明，本文提出的方法是可行且有效的。为更好地对水流发电机进行优化，下一步工作可针对水轮叶片的曲面形状以及叶片的数目对发电效率的影响进行更深入的研究。