基于自來水管的微型水力發電儲能裝置設計*

周巧儀，張智靚，俞昌亨

（浙江建設職業技術學院，浙江 杭州311231）

隨著社會經濟的蓬勃發展，能源需求及環境問題的日益嚴峻，國家需要以新能源和可再生能源為主體的安全、可靠和可持續的能源體系支撐[1]，目前可廣泛利用的可再生能源主要是水能、風能和太陽能。水力發電作為一種具有良好經濟性的無污染可再生能源，已經有一百多年的歷史[2]，國內外都有這方面的設計和發明，但是家庭自來水發電的應用還比較少見。本文立足生活用水自來水管網，設計一款可用于自來水管的微型水力發電及儲能裝置，可滿足應用于水資源運維管理終端的微電子低功耗設備的供能需求。

1 微型水力發電儲能模塊組成

如圖1所示，本設計主要由微型水輪發電機、穩壓模塊、儲能模塊組成。微型水輪發電機安裝在自來水供水管中，供水管中的水流流動帶動微型水輪發電機發電，微型水輪發電機的輸出端與穩壓單元的輸入端連接，穩壓單元的輸出端與儲能單元的輸入端連接，共同組成了本設計的微型水力發電儲能模塊[2]。

圖1 微型水力發電儲能裝置組成框圖

1.1 微型水輪發電機

如圖2、圖3所示，微型水輪發電機采用電磁感應原理進行發電，主要由微型水輪機和發電機組成，利用自來水管中的水流，帶動微型水輪機葉片旋轉切割磁力線從而產生電力。也就是利用微型水輪機將自來水的動能轉換為水輪的機械能，再通過機械能推動發電機從而獲得電能。經測試，微型水輪發電機在正常工作期間能提供的電壓范圍：2.0V～18.8V。

圖2 微型水輪發電機示意圖

圖3 水輪發電機輸出電壓與進水水壓關系

1.2 穩壓模塊

穩壓模塊由全波橋式整流電路和穩壓電路兩部分組成。

1.2.1 整流電路

穩壓單元采用全波橋式整流電路，如圖4所示。其主要作用就是將微型水輪發電機所產生的交流電能轉化為直流電源。該電路由4個二極管組成，利用二極管的單向導通功能將交流電轉換成直流脈動電壓，再利用濾波電容C1和C2，平緩直流脈動電壓的波紋部分[3]。

圖4 全波橋式整流電路

1.2.2 穩壓電路

由于水流流速會出現波動，整流電路輸出的電能電壓不穩無法直接使用，因此本文設計了一個采用LM2587-ADJ可調集成穩壓器的穩壓電路，如圖5所示。LM2587-ADJ是一種寬輸入范圍、高效率的升壓芯片，具有過熱、過壓和低壓失步保護等功能。LM2587-ADJ的輸入電壓范圍為4～40V，最大輸出電壓為60V，振蕩器的固定頻率為100kHz，NPN開關晶體管的耐壓值為65V，額定電流為5A[4]。

圖5 穩壓電路

通過控制LM2587-ADJ的Switch引腳導通和截止的狀態，可以控制電感L1充放電狀態；通過控制Switch引腳的導通和截止時間比例，可以控制輸出電壓的大小；通過控制反饋回路中的R1和R2的比值，可以調節占空比。電路輸出電壓UOUT可以用下式進行計算：

本設計VREF為1.23V，通過調節電位器R1，使R1/R2等于3.06，可將VOUT穩定在5V。

1.3 儲能模塊

儲能模塊由電源管理模塊和鋰電池組成。穩壓模塊輸出的直流電通過電源管理模塊對鋰電池進行充電儲能。

目前市場上有很多電源管理IC，本設計從穩定性和性價比的角度綜合考慮，選擇采用TP4056電源管理模塊電路。該電路利用芯片內部的功率晶體管對鋰電池進行恒流恒壓充電，其電源輸入電壓有較寬的動態工作范圍，在DC4.0～8.0V之間均可可靠工作，采用較少的外部元件數目即可實現對鋰電池的電源管理。電源管理模塊電路如圖6所示。

圖6 電源管理模塊電路

當CE使能輸入端接入高電平時，電源管理模塊開始對鋰電池充電。當鋰電池的電壓低于3V時，電源管理模塊采用小電流對鋰電池進行預充電；當鋰電池電壓超過3V時，則采用恒流模式對鋰電池進行充電。恒流充電電流的大小可以通過調節電阻R4設定，其計算公式：

本設計鋰電池充電電流為1000mA，根據公式計算，其充電電阻為：1.2KΩ。

2 測試

根據對本設計裝置的試驗測試，水壓在0.05～0.6MPa之間變化時，整流電路的輸出電壓為DC 1.2～17.6V，輸出功率為3～12W，經全波橋式整流和LM2587-ADJ穩壓電路，能為鋰電池提供DC 5V的穩定輸出充電電壓，再經過電源管理模塊對鋰電池進行充電，其充電平均電流可達890mA。試驗測量所得充電參數如表1所示。

表1 運行參數測試值

3 結束語

本項目設計從環保與能源利用方面著手，設計了一款可用于自來水管的微型水力發電裝置，其技術特點如下：

（1）利用自來水供水管水流，采用微型水輪機帶動微型發電機發電，能夠有效利用供水管中亢余水頭轉化為電能，符合國家節能減排政策導向，有利于環保節能。

（2）受自來水供水水壓和流量的波動影響，發電量不穩定，因此本設計采用了具有低壓預充保護功能的電源管理模塊，從而保證安全高效地對鋰電池進行充電。

（3）該裝置受限于發電量和電池容量的影響，目前僅能為水資源運維管理系統低能耗終端設備提供電能，如智能水表、數據采集器、感應水龍頭等。

綜上，該裝置結構簡單、成本低廉，使用雖受局限，但在末端小功率負載供電系統中能有效減少布線量，降低了智能建筑運維成本，節能環保優勢鮮明，具有廣闊的市場應用前景。