屋檐雨水自動發電循環收集一體化裝置設計

韋洋洋 蔣傳富 殷 飛

（吉林農業科技學院 吉林 吉林 132101）

由于我國幅員遼闊，跨緯度較廣，各地區距海遠近差距較大，加之地勢高低不同，地形類型及山脈走向多樣，因而氣溫降水的組合多種多樣。相較于我國北方地區，南方大部分地區的降雨量偏多，但是降落于屋檐的雨水沒有得到充分地利用[1]，同時因降雨量大的緣由導致了農村地區供電設備的損壞，造成了農村地區暫時性停電。在遭遇突然停電問題時，傳統家用發電設備使用的是傳統發電機，但這樣的發電方式具有很多缺點，第一是它的噪音大，傳統的發電機在發電過程中會發出巨大的聲響，嚴重影響居民的生活；第二是它的污染大，傳統的發電機在發電過程中會排放一股濃烈的油氣混合味，味道刺鼻；第三是它的發電原料購買困難，目前國內的現狀是用汽油桶不能直接購買汽油，因為油桶易燃易泄漏，使用既不方便也不安全。在深入學習貫徹習近平總書記關于抓好安全生產、做好電力保供、扎實穩住經濟等一系列重要講話和指示精神的背景下，我們設計出一款利用收集到的屋檐雨水沖刷發電機，將其發出的電儲存到蓄電池中，為農村家庭用電提供了簡單(備用)電源。

1 裝置的工作原理

根據浮力原理，設計出一款靠水浮力實現水閥開關的水閥浮球水位開關自動控制器，將其安置在雨水收集箱中[2]，雨水收集箱中的水位達到指定值時，水流可以進入管道中。依據階梯式水利發電系統的制作方法，利用水落差發電原理，設計出裝置的階梯式發電部分[3]，當水流流入管道沖刷發電機的扇葉時，使其發電，實現雨水的更大利用率[4]。

依據水車工作原理，設計出近地面渦輪水車，當水流流出管道末端時，沖刷近地面渦輪水車的扇葉，使扇葉旋轉帶動發電機工作發電[5]。同時利用水的壓力差原理，當水管的出水口處壓力大于水管進水口處壓力時，水會流出水管，從而實現抽水的效果，設計出無動力抽水裝置。當沖刷近地面渦輪水車的水流流入蓄水池中并且水量達到指定水位時[6]，可通過無動力抽水裝置將雨水從蓄水池抽入雨水收集箱中，使裝置再次發電[7]。

2 系統的結構設計

屋檐雨水自動發電循環收集一體化裝置主要分為收集裝置、發電裝置以及循環裝置3 部分。

2.1 收集裝置。本結構為裝置的上體部分，當地地區降雨時，雨水沿著屋檐設計好的水槽，通過初步的過濾作用流入雨水收集箱中，當雨水收集箱中的水位達到指定值時[8]，收集箱中的水閥浮球水位開關自動控制器就會打開，水流就會順著管道流入裝置的第二部分。

2.2 發電裝置。發電裝置分為兩個結構，一是階梯式管道發電組，當水流從收集裝置流入管道時，水流沖擊發電機的扇葉，使發電機轉軸轉動切割磁感線產生電；二是近地面渦輪發電機，當水流從管道末端流時沖擊渦輪機扇葉使其發電。

2.3 水流自動循環裝置。當沖刷近地面渦輪水車的水流匯入蓄水池中時，蓄水箱中的水位到達一定高度，水流便會沿著管道流入無動力抽水裝置中，使蓄水箱中的水流入雨水收集箱中，實現水流自動循環。裝置的具體結構如圖1 所示。

圖1 裝置結構示意圖

3 結構的特色之處

3.1 水閥浮球水位開關自動控制器。只要雨水收集箱中的水位達到指定值，該控制器便會打開，省工，不用再手動打開水閥開關。

3.2 無動力抽水裝置。當蓄水池中的水位到達指定高度時，水流便會沿著管道流入無動力抽水裝置中，使蓄水箱中的水流入雨水收集箱中，實現水流自動循環。

3.3 綠色環保。農村地區因降雨量大導致暫時性停電時，當地居民單戶家庭便可以利用該裝置進行暫時性的供電，告別了傳統發電機噪聲大、污染大、原料購買困難的問題。

4 結論與展望

4.1 結論。通過收集降落于屋檐上的雨水可使收集箱中的水閥浮球水位開關自動控制器、階梯式發電裝置近地面渦輪水車、無動力抽水裝置等組成裝置運作，實現為簡單用電器提供供電來源，實現雨水資源化，節約用水，提高雨水利用開發的效率[9]。

4.2 討論。在模型設計制作過程中，遇到水閥浮球水位開關自動控制器負重過輕時，可能發生水位未達到發電所需水位時開關便開啟的情況。因此，在設計該裝置時，需要多次試驗測定水閥浮球水位開關自動控制器的負重是否達到該裝置正常運作的要求，以確保裝置能正常運作。

4.3 展望。①農村地區因雷雨天氣造成的停電是不可避免也無法提前預知的，因而農村當地居民也沒有提前做好停電的準備，突然停電給他們的生活帶來了影響。面對這樣的雷雨天氣，國家各部門會積極進行搶修和維護，在搶修和維護期間部分居民會選擇傳統的發電機供電，但傳統發電機發電過程中會產生濃烈的油氣混合味，味道刺鼻，且其發電原料購買困難，油桶易燃易泄漏，使用既不方便也不安全。②能源問題一直都是困擾人類社會發展最為主要的問題之一，給人類的生活環境帶來的負面影響也逐漸顯現出來。在此背景下，充分合理地開發利用天然降水給人類帶來利益的同時也符合我國可持續發展戰略的要求。③屋檐雨水自動收集一體化裝置是一款收集降落于屋檐雨水的發電裝置，是一種新型的發電方式。其通過收集的屋檐雨水作為原料帶動裝置運轉，發電原料豐富且綠色環保，可以給居民在電路搶修的階段提供照明條件和手機充電需求[10]，為農村單戶家庭提供備用電源，讓居民可以保持獲取外界信息的條件。該發電裝置不僅在未來市場的前景開闊，還可為鄉村振興貢獻一份力量。