基于自来水管的微型水力发电储能装置设计*

2021-08-03周巧仪张智靓俞昌亨

科技创新与应用 2021年20期

周巧仪，张智靓，俞昌亨

（浙江建设职业技术学院，浙江杭州311231）

随着社会经济的蓬勃发展，能源需求及环境问题的日益严峻，国家需要以新能源和可再生能源为主体的安全、可靠和可持续的能源体系支撑[1]，目前可广泛利用的可再生能源主要是水能、风能和太阳能。水力发电作为一种具有良好经济性的无污染可再生能源，已经有一百多年的历史[2]，国内外都有这方面的设计和发明，但是家庭自来水发电的应用还比较少见。本文立足生活用水自来水管网，设计一款可用于自来水管的微型水力发电及储能装置，可满足应用于水资源运维管理终端的微电子低功耗设备的供能需求。

1 微型水力发电储能模块组成

如图1所示，本设计主要由微型水轮发电机、稳压模块、储能模块组成。微型水轮发电机安装在自来水供水管中，供水管中的水流流动带动微型水轮发电机发电，微型水轮发电机的输出端与稳压单元的输入端连接，稳压单元的输出端与储能单元的输入端连接，共同组成了本设计的微型水力发电储能模块[2]。

图1 微型水力发电储能装置组成框图

1.1 微型水轮发电机

如图2、图3所示，微型水轮发电机采用电磁感应原理进行发电，主要由微型水轮机和发电机组成，利用自来水管中的水流，带动微型水轮机叶片旋转切割磁力线从而产生电力。也就是利用微型水轮机将自来水的动能转换为水轮的机械能，再通过机械能推动发电机从而获得电能。经测试，微型水轮发电机在正常工作期间能提供的电压范围：2.0V～18.8V。

图2 微型水轮发电机示意图

图3 水轮发电机输出电压与进水水压关系

1.2 稳压模块

稳压模块由全波桥式整流电路和稳压电路两部分组成。

1.2.1 整流电路

稳压单元采用全波桥式整流电路，如图4所示。其主要作用就是将微型水轮发电机所产生的交流电能转化为直流电源。该电路由4个二极管组成，利用二极管的单向导通功能将交流电转换成直流脉动电压，再利用滤波电容C1和C2，平缓直流脉动电压的波纹部分[3]。

图4 全波桥式整流电路

1.2.2 稳压电路

由于水流流速会出现波动，整流电路输出的电能电压不稳无法直接使用，因此本文设计了一个采用LM2587-ADJ可调集成稳压器的稳压电路，如图5所示。LM2587-ADJ是一种宽输入范围、高效率的升压芯片，具有过热、过压和低压失步保护等功能。LM2587-ADJ的输入电压范围为4～40V，最大输出电压为60V，振荡器的固定频率为100kHz，NPN开关晶体管的耐压值为65V，额定电流为5A[4]。

图5 稳压电路

通过控制LM2587-ADJ的Switch引脚导通和截止的状态，可以控制电感L1充放电状态；通过控制Switch引脚的导通和截止时间比例，可以控制输出电压的大小；通过控制反馈回路中的R1和R2的比值，可以调节占空比。电路输出电压UOUT可以用下式进行计算：

本设计VREF为1.23V，通过调节电位器R1，使R1/R2等于3.06，可将VOUT稳定在5V。

1.3 储能模块

储能模块由电源管理模块和锂电池组成。稳压模块输出的直流电通过电源管理模块对锂电池进行充电储能。

目前市场上有很多电源管理IC，本设计从稳定性和性价比的角度综合考虑，选择采用TP4056电源管理模块电路。该电路利用芯片内部的功率晶体管对锂电池进行恒流恒压充电，其电源输入电压有较宽的动态工作范围，在DC4.0～8.0V之间均可可靠工作，采用较少的外部元件数目即可实现对锂电池的电源管理。电源管理模块电路如图6所示。

图6 电源管理模块电路

当CE使能输入端接入高电平时，电源管理模块开始对锂电池充电。当锂电池的电压低于3V时，电源管理模块采用小电流对锂电池进行预充电；当锂电池电压超过3V时，则采用恒流模式对锂电池进行充电。恒流充电电流的大小可以通过调节电阻R4设定，其计算公式：

本设计锂电池充电电流为1000mA，根据公式计算，其充电电阻为：1.2KΩ。

2 测试

根据对本设计装置的试验测试，水压在0.05～0.6MPa之间变化时，整流电路的输出电压为DC 1.2～17.6V，输出功率为3～12W，经全波桥式整流和LM2587-ADJ稳压电路，能为锂电池提供DC 5V的稳定输出充电电压，再经过电源管理模块对锂电池进行充电，其充电平均电流可达890mA。试验测量所得充电参数如表1所示。