基于水流蓄能的智能水龍頭設計

周巧儀 丁柳云 陳佳雨

摘 ?要：水流蓄能智能水龍頭采用在水管中加裝微型水力發電機的方式，利用水龍頭放水時的水流推動渦輪高速旋轉，從而帶動導體切割磁場產生電能，并將獲得的電能通過鋰電池儲存起來，為智能水龍頭工作提供電源;智能出水設計，采用自感應的方式判斷出水和止水，節約用水的同時避免洗手時開關水龍頭導致二次污染;設置了手動開啟按鈕，確保水龍頭失電情況下還能照常出水，能源得以循環利用，解決了感應水龍頭的供電問題。

關鍵詞：水流蓄能;水力發電;智能;水龍頭;節能

中圖分類號：TU824 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0046-02

Abstract： The water flow storage intelligent faucet adopts the method of installing a micro hydraulic generator in the water pipe， and uses the water flow of the faucet to push the turbine to rotate at a high speed， thereby driving the conductor to cut the magnetic field to generate electric energy. The obtained electric energy is stored through lithium battery to provide power supply for intelligent faucet work， intelligent effluent design， self-sensing method is used to judge effluent and water stop， save water and avoid secondary pollution caused by turning on and off faucet when washing hands. The manual opening button is set to ensure that the water can be discharged as usual when the faucet loses power， the energy can be recycled， and the power supply problem of the induction faucet is solved.

Keywords： water flow energy storage; hydropower; intelligence; faucet; energy saving

21世紀是節約型社會，節約能源的必要性早已被人們所重視。傳統的水龍頭的使用是需要手動來調節的，很容易造成水資源的浪費，加之在公共場所使用時，傳統水龍頭的開關很容易引起二次污染，不利于公共場所的衛生和疾病防控。紅外感應自動水龍頭是一項包含在建筑節能這個大概念中的科技產品，發達國家已經有經驗表明，建筑能耗總量約占社會總能耗的三分之一，最終將超越工業、交通等其它行業居于社會能源消耗的首位。[1]目前市場上的紅外感應水龍頭可以智能控制水流的開和關，很大程度的起到節水的目的，也解決了公共場所因開關水龍頭所導致的二次污染問題[2]。但大多數品牌的感應水龍頭工作時，主要依靠干電池或交流電提供電能。當干電池需要更換或者交流供電停電時，感應龍頭就無法正常使用了，給維護帶來一定的困難。

為了解決這些矛盾，本項目組設計了一種水流蓄能智能水龍頭。該項目的創新點在于巧妙地運用智能水龍頭開啟時的水流來進行發電并存儲起來，再供應給紅外感應裝置和電磁控制裝置作為電源輸入，提高了能源利用率。

1 工作原理

系統主要由紅外感應模塊、電磁閥水龍頭以及發電蓄能模塊構成，系統工作框圖如圖1所示。紅外感應模塊接收感應信號，微處理器處理并發出指令，控制電磁閥開啟，水龍頭打開閥門放水，水流推動水輪轉動，同時使鐵線圈做切割磁感線運動，從而產生隨時間作正弦變化的動生電動勢，經過穩壓模塊輸出穩定的直流電能并儲存在蓄電池中。設置一個手動開啟按鈕，確保水龍頭失電情況下還能照常出水。當有人進入感應范圍時，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，自動接通水龍頭，人不離開感應范圍，將持續接通，人離開后，延時自動關閉水龍頭。

2 電路設計

2.1 紅外感應模塊

紅外感應模塊控制電路由紅外發射電路、紅外接收電路以及信號放大與處理電路組成。該電路由紅外線發射接收管采集外界信號，當信號發生改變時，首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后用光電元件將光信號轉換成電信號。[3]平時信號輸出高電平，通過發射出一定頻率的紅外線，當有物體進入感應范圍（2-30cm）時，物體反射紅外線，接受電路接收到反射回來的紅外線并進行放大等處理后，信號線輸出低電平。模塊附設信號指示燈，當有物體進入感應范圍時，信號指示燈亮。

2.2 電磁閥水龍頭

電磁閥水龍頭通過電磁閥控制電路來實現水龍頭的自動開關控制。電磁繼電器由微型水力發電機變壓器從次級輸出12V直流電供電，是利用電磁鐵來控制工作電路的一種開關。當紅外感應模塊探測到有物體進入到探測范圍時，低電平信號輸入到電磁閥控制電路中，電磁水閥控制電路控制電磁閥開啟;反之當物體離開探測范圍時，高電平信號輸入到電磁閥控制電路中，電磁水閥控制電路控制電磁閥關閉，從而實現水龍頭的開閉。

2.3 發電儲電部分

本方案采用微型水輪發電機，直流12V穩壓輸出，可以給蓄電池充電以及紅外感應模塊和電磁閥水龍頭工作等。

儲能部分的設計為水輪機輸出端經過穩壓模塊輸出一個穩定的12V直流電壓，然后通過充電保護模塊使直流電壓穩定在蓄電池的充電電壓范圍之內，這樣可以保證蓄電池不會因為過充而損壞，保障了充電的安全。[4]儲存在蓄電池中的電能可以信號指示燈、電磁閥等負載使用。因為水龍頭的使用時間短，故通過水輪機的流量有限，所以發電量有限，鋰電池已完全適用，無需采用更大功率的儲能裝置。考慮到水流蓄能智能水龍頭有可能因為長時間未使用而導致電池耗竭的情況，設置了手動開啟按鈕，在確保水龍頭失電情況下還能照常出水的同時，利用水流蓄能為智能水龍頭提供了下次開啟所需的電能。

3 技術特點

水流蓄能智能化水龍頭是利用自來水發電的原理為智能水龍頭供電，從而實現對水龍頭開關等的智能控制，其創新點主要有：

（1）采用在水管中加裝微型水力發電機的方式，利用水龍頭放水時的水流推動渦輪高速旋轉，從而帶動導體切割磁場產生電能，并將獲得的電能通過鋰電池儲存起來。

（2）智能出水設計，超小型感應器位于出水口處，采用自感應的方式判斷出水和止水，在使用過程中防止了忘記關水龍頭而導致的浪費，同時也能夠避免洗手時開關水龍頭導致二次污染，清潔衛生。

（3）設置了手動開啟按鈕，考慮到水流蓄能智能水龍頭有可能因為長時間未使用而導致電池耗竭的情況，通過這樣的設計在確保水龍頭失電情況下還能照常出水的同時，利用水流蓄能為智能水龍頭提供了下次開啟所需的電能。

4 結束語

本方案的設計從環保與能源利用率方面著手，通過水力發電為感應器提供電能，自產自用，有很高的能源利用率。系統結構簡單、成本低廉、占用空間小，并且在應用方面非常靈活，可安裝于水龍頭、淋浴頭、自動沖洗小便池的出水口等處，廣泛適用于高檔酒店、賓館、學校集體宿舍、飛機場、地鐵站、火車站、以及其他大型購物場所等。隨著人們環保與節能意識地不斷增強，這一方案將會被人們廣泛接受與認可，該產品具有較大的經濟社會價值。

參考文獻：

[1]寧禮佳.流量可控式紅外線感應水龍頭控制模塊設計[J].節能技術，2013（03）.

[2]楊麗寰.感應式自動水龍頭的設計[J].科技展望，2016（05）.

[3]李明，徐向東.傳感器故障檢測的Poweu神經網絡方法[J].熱能動力工程，2002（17）.

[4]王書洋，楊冠魯.一種智能節能型多功能水龍頭的設計[J].科技創新導報，2017（03）.