屋檐雨水自动发电循环收集一体化装置设计

韦洋洋 蒋传富 殷 飞

（吉林农业科技学院 吉林 吉林 132101）

由于我国幅员辽阔，跨纬度较广，各地区距海远近差距较大，加之地势高低不同，地形类型及山脉走向多样，因而气温降水的组合多种多样。相较于我国北方地区，南方大部分地区的降雨量偏多，但是降落于屋檐的雨水没有得到充分地利用[1]，同时因降雨量大的缘由导致了农村地区供电设备的损坏，造成了农村地区暂时性停电。在遭遇突然停电问题时，传统家用发电设备使用的是传统发电机，但这样的发电方式具有很多缺点，第一是它的噪音大，传统的发电机在发电过程中会发出巨大的声响，严重影响居民的生活；第二是它的污染大，传统的发电机在发电过程中会排放一股浓烈的油气混合味，味道刺鼻；第三是它的发电原料购买困难，目前国内的现状是用汽油桶不能直接购买汽油，因为油桶易燃易泄漏，使用既不方便也不安全。在深入学习贯彻习近平总书记关于抓好安全生产、做好电力保供、扎实稳住经济等一系列重要讲话和指示精神的背景下，我们设计出一款利用收集到的屋檐雨水冲刷发电机，将其发出的电储存到蓄电池中，为农村家庭用电提供了简单(备用)电源。

1 装置的工作原理

根据浮力原理，设计出一款靠水浮力实现水阀开关的水阀浮球水位开关自动控制器，将其安置在雨水收集箱中[2]，雨水收集箱中的水位达到指定值时，水流可以进入管道中。依据阶梯式水利发电系统的制作方法，利用水落差发电原理，设计出装置的阶梯式发电部分[3]，当水流流入管道冲刷发电机的扇叶时，使其发电，实现雨水的更大利用率[4]。

依据水车工作原理，设计出近地面涡轮水车，当水流流出管道末端时，冲刷近地面涡轮水车的扇叶，使扇叶旋转带动发电机工作发电[5]。同时利用水的压力差原理，当水管的出水口处压力大于水管进水口处压力时，水会流出水管，从而实现抽水的效果，设计出无动力抽水装置。当冲刷近地面涡轮水车的水流流入蓄水池中并且水量达到指定水位时[6]，可通过无动力抽水装置将雨水从蓄水池抽入雨水收集箱中，使装置再次发电[7]。

2 系统的结构设计

屋檐雨水自动发电循环收集一体化装置主要分为收集装置、发电装置以及循环装置3 部分。

2.1 收集装置。本结构为装置的上体部分，当地地区降雨时，雨水沿着屋檐设计好的水槽，通过初步的过滤作用流入雨水收集箱中，当雨水收集箱中的水位达到指定值时[8]，收集箱中的水阀浮球水位开关自动控制器就会打开，水流就会顺着管道流入装置的第二部分。

2.2 发电装置。发电装置分为两个结构，一是阶梯式管道发电组，当水流从收集装置流入管道时，水流冲击发电机的扇叶，使发电机转轴转动切割磁感线产生电；二是近地面涡轮发电机，当水流从管道末端流时冲击涡轮机扇叶使其发电。

2.3 水流自动循环装置。当冲刷近地面涡轮水车的水流汇入蓄水池中时，蓄水箱中的水位到达一定高度，水流便会沿着管道流入无动力抽水装置中，使蓄水箱中的水流入雨水收集箱中，实现水流自动循环。装置的具体结构如图1 所示。

图1 装置结构示意图

3 结构的特色之处

3.1 水阀浮球水位开关自动控制器。只要雨水收集箱中的水位达到指定值，该控制器便会打开，省工，不用再手动打开水阀开关。

3.2 无动力抽水装置。当蓄水池中的水位到达指定高度时，水流便会沿着管道流入无动力抽水装置中，使蓄水箱中的水流入雨水收集箱中，实现水流自动循环。

3.3 绿色环保。农村地区因降雨量大导致暂时性停电时，当地居民单户家庭便可以利用该装置进行暂时性的供电，告别了传统发电机噪声大、污染大、原料购买困难的问题。

4 结论与展望

4.1 结论。通过收集降落于屋檐上的雨水可使收集箱中的水阀浮球水位开关自动控制器、阶梯式发电装置近地面涡轮水车、无动力抽水装置等组成装置运作，实现为简单用电器提供供电来源，实现雨水资源化，节约用水，提高雨水利用开发的效率[9]。

4.2 讨论。在模型设计制作过程中，遇到水阀浮球水位开关自动控制器负重过轻时，可能发生水位未达到发电所需水位时开关便开启的情况。因此，在设计该装置时，需要多次试验测定水阀浮球水位开关自动控制器的负重是否达到该装置正常运作的要求，以确保装置能正常运作。

4.3 展望。①农村地区因雷雨天气造成的停电是不可避免也无法提前预知的，因而农村当地居民也没有提前做好停电的准备，突然停电给他们的生活带来了影响。面对这样的雷雨天气，国家各部门会积极进行抢修和维护，在抢修和维护期间部分居民会选择传统的发电机供电，但传统发电机发电过程中会产生浓烈的油气混合味，味道刺鼻，且其发电原料购买困难，油桶易燃易泄漏，使用既不方便也不安全。②能源问题一直都是困扰人类社会发展最为主要的问题之一，给人类的生活环境带来的负面影响也逐渐显现出来。在此背景下，充分合理地开发利用天然降水给人类带来利益的同时也符合我国可持续发展战略的要求。③屋檐雨水自动收集一体化装置是一款收集降落于屋檐雨水的发电装置，是一种新型的发电方式。其通过收集的屋檐雨水作为原料带动装置运转，发电原料丰富且绿色环保，可以给居民在电路抢修的阶段提供照明条件和手机充电需求[10]，为农村单户家庭提供备用电源，让居民可以保持获取外界信息的条件。该发电装置不仅在未来市场的前景开阔，还可为乡村振兴贡献一份力量。