自動(dòng)水閘門穩(wěn)壓輸出水輪發(fā)電機(jī)

王枝

目的與思路

我二哥在福建長汀與江西瑞金交界處承包了一片800多畝的竹林，為了要管理這片竹林，就在那里建造了一座房子。由于當(dāng)?shù)夭还╇姡缓迷诟浇綔献砸寻惭b了一臺(tái)小型300瓦特水輪發(fā)電機(jī)，利用水能發(fā)電。由于水一直往下沖，白天、黑夜都要一直開著多盞電燈，因?yàn)橐菦]有負(fù)載，輸出電壓會(huì)超過300伏特。要是有燈泡燒毀，輸出電壓就會(huì)超高，手機(jī)充電器燒毀是經(jīng)常發(fā)生的事。因此我就想發(fā)明一個(gè)輸出電壓穩(wěn)定的“自動(dòng)水閘門穩(wěn)壓水輪發(fā)電機(jī)”。

工作原理

根據(jù)負(fù)載功率大小，自動(dòng)控制水輪發(fā)電機(jī)閘門大小，使輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

◇當(dāng)負(fù)載減少（如有燈泡燒毀），輸出電壓超過220伏特時(shí)，通過取樣、控制器、步進(jìn)電機(jī)、水輪機(jī)閘門等各環(huán)節(jié)，最終慢慢減小閥門流水量，從而降低發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

◇當(dāng)增加用電器（如手機(jī)充電、使用電腦等）導(dǎo)致負(fù)載增大、輸出電壓低于180伏特時(shí)，通過取樣、控制器、步進(jìn)電機(jī)、水輪機(jī)閘門等各環(huán)節(jié)，最終慢慢增大閥門流水量，使輸出電壓穩(wěn)定在180～220伏特范圍之間。

制作方法與過程

原料與器材

水輪發(fā)電機(jī)（300瓦）、單片機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、齒輪、導(dǎo)線、電燈若干、水管（直徑11厘米）、內(nèi)牙法蘭盤、各種接頭膠水等。

機(jī)械加工

◇內(nèi)牙法蘭盤鉆孔加工，把水輪發(fā)電機(jī)水管入口與法蘭盤對(duì)齊對(duì)正，根據(jù)水管入口接口的3個(gè)螺絲孔做記號(hào)，打3個(gè)7毫米直徑圓孔。

◇購買3套螺栓、螺母，把水輪發(fā)電機(jī)水管接口與法蘭盤鎖緊固定。

◇用鐵鋸子把頂住螺栓閥門的法蘭盤鋸掉一小部分并用砂輪機(jī)磨平，使螺栓閥門能夠自由上下移動(dòng)，不會(huì)頂住法蘭盤，閥門上下移動(dòng)范圍不會(huì)超過4厘米（閥門全閉狀態(tài)至閥門全開狀態(tài)）。

◇定做加工齒輪2個(gè)。一個(gè)工作半徑2.5厘米，將其固定在閥門螺栓的適當(dāng)位置；另一個(gè)齒輪工作半徑1.5厘米，把它固定在步進(jìn)電機(jī)軸上。把步進(jìn)電機(jī)用AB膠粘在水輪發(fā)電機(jī)外殼適當(dāng)位置，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠使閥門在全閉狀態(tài)與全開狀態(tài)間來回移動(dòng)，閥門螺栓上的齒輪上下移動(dòng)距離不超過4厘米。實(shí)現(xiàn)用步進(jìn)電機(jī)控制閥門大小，從而控制進(jìn)水量。

單片機(jī)控制器電路

◇取樣電壓為180～220伏特。

◇當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)輸出電壓小于或等于180伏特時(shí)，單片機(jī)控制器輸出正驅(qū)動(dòng)電壓，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門螺栓逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，加大進(jìn)水量。

◇當(dāng)輸出電壓大于等于220伏特時(shí)，控制器輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門螺栓順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，減小進(jìn)水量。

◇當(dāng)閥門達(dá)到全開狀態(tài)后，延時(shí)5秒鐘，控制器輸出驅(qū)動(dòng)電壓為零，步進(jìn)電機(jī)停止工作，回到初始狀態(tài)。

◇當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)輸出電壓始終小于180伏特，而閥門已經(jīng)最大時(shí)，延時(shí)5秒鐘后，控制器輸出電壓也為零。

◇當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載大于300瓦，且閥門已經(jīng)最大時(shí)，延時(shí)5秒鐘后控制器輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，使步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將閥門變小，減小進(jìn)水量，電壓可能低于180伏特，確保電機(jī)不燒毀。

創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目對(duì)傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，把固定式水閘門改變?yōu)樽詣?dòng)控制水閘門。電需求量大時(shí)，水閘門自動(dòng)變大；反之，電需求量小時(shí)，水閘門自動(dòng)變小，目的是水電供需協(xié)調(diào)，不造成浪費(fèi)。通過自動(dòng)控制水閘門，達(dá)到自動(dòng)控制水流量大小，進(jìn)而穩(wěn)定水輪發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

自動(dòng)閘門水輪發(fā)電機(jī)如果在大型水電部門得到推廣應(yīng)用，將會(huì)緩和電價(jià)不均衡問題。電價(jià)有峰、谷、平3種電價(jià)之別，產(chǎn)生電價(jià)不均的原因主要就是固定發(fā)電量的情況下，用電量需求的不同：煮飯時(shí)間段是用電量高峰期，電價(jià)最高；休息時(shí)間段是用電低峰期，電價(jià)最低。在福建省德化縣，峰、谷電價(jià)值相差2倍多。德化縣境內(nèi)的用電來源是水電，一天內(nèi)水閘門固定不變，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電功率固定，而一天內(nèi)用電量卻不斷變化，因此造成水資源白白浪費(fèi)。如果采用自動(dòng)控制水閘門，根據(jù)一天內(nèi)不同時(shí)間段用電量情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)水電發(fā)電量，就不會(huì)造成浪費(fèi)。

該項(xiàng)目利用水閘控制水流量產(chǎn)生穩(wěn)壓的電能，可稱為是頗為聰明的構(gòu)思。缺點(diǎn)在于上游水源不足時(shí)，未必能達(dá)到此理想狀態(tài)。建議在上下游各建一個(gè)水庫蓄水，利用水流產(chǎn)生的電能將下游儲(chǔ)存的水抽回上游水庫。當(dāng)用電量較少時(shí)，這個(gè)方法可節(jié)省很多水源。