小型水龍頭發電機的研究與制作

劉世浩　朱浩通　豐子躍　張磊　楊耀東

【摘 要】本文介紹小型水龍頭發電機模型裝置，該裝置利用能量守恒定律和磁生電原理，巧妙地將水龍頭中水流的動能轉化為我們可以利用的電能，使節能燈亮起來。

【關鍵詞】電磁；節約；綠色環保

0 引言

目前，我國電力生產主要靠火力發電和水力發電，火力發電污染，利用率低等缺點已逐漸被人們所發現，慢慢淘汰；而且我國人均水資源占有比較匱乏，在世界能源日益緊缺的大背景下，如何充分利用水能，同時更好地保護環境，顯得尤為重要，對實現可持續發展有著重要意義，并且水力發電對環境幾乎不存在污染，有成本較低，利用率高等優點，所以水力發電越來越受國家的重視和支持。

為響應國家節能減排政策的號召，本課題從身邊著手，利用水龍頭中流出的水帶動發電機葉片，在水龍頭打開的時候源源不斷的產生電能，為電燈供電，進而達到能量多級利用的目的。

1 立項背景

自2012年2月國家發改委會同財政部等17部委共同制定《“十二五”節能減排全民行動實施方案》以來，廣泛動員全社會參與節能減排，通過社區帶動全社會參與節能減排，宣傳節能環保理念，倡導綠色生活，形成節約風尚，可以改變當前家庭生活中與節能減排不相適應的觀念、行為已成為社會發展的新風尚。

如何能在生活點滴中厲行勤儉之風，提倡合理使用能源，已經引起了全社會各個階層的普遍關注。生活中的節能無處不在，勤儉節約之風，反對食品浪費，減少使用塑料購物袋，減少一次性用品使用，推廣新能源車等都是節能減排從我做起的有效舉措。

每天，一個水龍頭開開關關達數十次，每次我們打開水龍頭短則十幾秒，長則幾十分 鐘，甚至更長。工廠和自來水廠的水龍頭更長年累月地開著，開著的水龍頭水不斷流出， 這些從水龍頭流出來的水短時間內雖然不多，流速較慢，動能較小，但長年累月的積累下 來，這些流出水龍頭的水的動能將是一個很大的數目。如果能將這些不經意從我們身邊流 出的動能儲存起來加以利用，那將有多大經濟效益和社會效益??！

筆者通過隨機走訪不同地區不同小區居民住戶，從而了解日常生活能源使用現狀以期可以提出有效的節能減排措施。調查中發現在一些較偏遠的郊區、新建小區、夏季沿海地區常有停電現象出現，為當地居民生活帶來很多不便。因而，筆者認為，通過簡單便捷的方式在停電時保證最基本的照明或充電是一個有現實意義的研究課題。

目前市面上也有許多的小發電機包括家用小型水利發電機，在功能設計上都不能做到輕巧易操作，推廣試用方面有一定難度。本項目擬研制的小型水力發電機，具有便攜的顯著優勢，可以安裝在水龍頭上在日常使用過程中實現發電功用。

本項目受到手壓式手電燈的啟發，其工作原理為導體切割磁力場產生感應電流，然后輸出電力到LED燈泡，使LED燈泡轉動進而發光。手壓電筒都有一按柄，通過塑料齒輪帶動銅絲線圈內磁性飛輪高速旋轉，從而實現切割磁力場的磁感線的效果。

2 模型概述

2.1 發電機的選擇

發電機的工作原理是電磁感應，即閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，導體中就會產生感應電流；微型發電機通常由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成；定子由定子鐵芯、線包繞組、機座以及固定這些部分的其他結構件組成；轉子由圓柱型磁鐵組成。

由軸承及端蓋將發電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁力線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流。主要適用于對充電寶電池進行充電，因此用該電機時需要將交流電轉化為直流電，需要對其整流和濾波。

發電機需要和水管緊密相連，對于電壓也不需要特別大，本項目選用了24V金屬外殼的發電機，重量略輕，在轉軸的接口處加了一個緊密貼合的塑料片，并且在發電機外部貼了一張膜作為防水措施。

2.2 演示模型

1）控制電路的制作

為了更好更直觀的展示我們研制的小型水力發電機，我們決定將整個裝置全部鑲嵌在一個面積大約1平方米的泡沫板里，并通過適當的處理，使得所做的水力發電模型能夠更好地為受眾演示。泡沫板上鑲嵌著小燈泡和控制開關，在生活中各個燈泡是并聯的，所以我們連接了一個并聯電路，每個開關控制一個燈泡，一個總開關控制著所有的電路。

2）為了保證水流帶動扇葉而產生的發電效率，經過反復的篩選，利用3D打印技術打印合適大小，合適型號的扇葉。同時，通過初步的調查和研究，小組選擇了在燈光亮度和經濟性方面都比較符合項目要求的LED燈。利用并聯電路，在干路和兩個支路都設置一個開關，兩個LED燈都在支路，這樣既可以總的控制全部燈，又可以分別控制每一個燈。同時為了進一步開發和運用，小組還計劃安裝一個USB接口，這樣不用照明的時候可以將發電機發的電通過USB接口給手機充電，或者儲存下來。豐富了裝置的用途，形成了一套既可以照明又可以儲能的裝置。

3 技術手段、原理

水能是自然能源之一，是水利資源的一部分。水體中能量大小決定于水位落差和徑流量的大小。通過水力發電的裝置可以將水能開發利用，把水流體中含有的天然資源能量，轉化為成可用能源為人類所利用。

水力發電的基本原理以水具有的重力勢能轉變成動能的水沖水輪機，水輪機即開始轉動，若我們將發電機連接到水輪機，則發電機即可開始發電。如果我們將水位提高來沖水輪機，可發現水輪機轉速增加。因此可知水位差愈大則水輪機所得動能愈大，可轉換之電能愈高。

本裝置在水流較大的情況下沖擊水輪的葉扇，進而帶動水輪運動，使水的位能轉換成水輪轉動的機械能，所以與水輪同軸連接的發電機轉子開始轉動進而機械能轉換成電能，電能經過處理加工得到輸出和利用。本裝置的優點是：（1）水力發電屬于可再生能源，對環境的污染破壞小，屬于綠色生電的方式之一；（2）低成本靈活運用，小型水力發電機安裝靈活，可定量的輸出電能。

4 發展前景

1）環保友好型、可持續發展的水力發電技術是未來水電利用技術的關鍵；

2）科技技術的更新，影響并發展著水力發電技術進步創新；

3）抽水蓄能技術在未來發電行業起到重要作用；

4）在保護生態前提之下上，對水力發電技術進行科學規劃和應用，對實現國家的可持續發展政策有著重要意義。

5 結語

這款水龍頭發電裝置從綠色環保角度出發，通過利用水龍頭水流來發電，既節約了電能的消耗，豐富了電能源的來源，也在低污染、綠色環保的前提下，對水資源中水能進行重復利用。

這款裝置可以輕松的裝在水龍頭上，安裝便利，用途廣泛，利用水流發電，既可以連接燈泡，在廁所走廊等地方起到照明作用，也可以連接蓄電池，將發出的電能儲存下來，在一定程度上緩解用電壓力，節能低碳，環保綠色。

這款水龍頭發電裝置的研發仍在繼續完善改進當中，期待其為我國節約用電，能源產生和利用方面做出貢獻。

【參考文獻】

[1]久保大次郎.小型風力發電機設計與制作[M].科學出版社，2012.

[責任編輯：楊玉潔]