水能发电机说明指导书.docx

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水能发电机说明指导书

HefeiUniversity

题目：

水管水能发电

系别：

机械工程系

专业：

机械设计制造及其自动化

学制：

全日制本科四年

组长：

陈兵

手机号：

组员：

孙宏刘鹏储朱涛陈志杨

指导老师：

张春鹏

11月24日

1设计背景.............................................................................3

2产品说明.............................................................................3

2.1基础原理......................................................................3

2.2工作分析....................................................;.................4

3产品说明.............................................................................4

3.1产品介绍......................................................................4

3.11产品总结构外观轮廓图..........................................4

3.12电磁感应机构.........................................................5

3.1.3涡轮机结构............................................................6

3.2、集成电路（超级电容）.............................................7

3.3电路图..........................................................................8

4参数设计.............................................................................8

4.1发电机转速...................................................................8

4.2发电机输出功率........................................................9

4.3超级电容充电时间....................................................9

4.4超级电容工作时间...................................................9

5作品设计分析......................................................................9

5.1产品应用.......................................................................9

5.2动力装置分析..............................................................10

5.3电路部分原理.............................................................10

6产品项目设计创新点及优势...............................................10

7产品经费预算......................................................................11

8产品市场前景分..................................................................12

9内部结构构件展示..............................................................13

10作品设计总结....................................................................16

1.设计背景

建设资源节省型、环境友好型社会是全民族共同事业，是中国走科学发展道路中必不可少奠基石。

然而，中国资源短缺、匮乏现象日益突出，尤其是电力资源。

激励创建绿色学校、绿色教室已是当今社会发展趋势，我团体多方面采集资料，经过不停地探讨和研究，确定了水管水能发电这一独具特色创新作品。

首先经过机械电子技术实现资源节省和有效利用，其次，经过这一创新，可使莘莘学子树立资源节省意识和主动培养创新能力。

地球是太阳系八大行星之中唯一被液态水所覆盖星球，水占据了地球71%以上表面，水不仅是我们生命不可或缺物质，水更是带给我们带来无穷电能自愿。

然而最普遍水管中水能却被我们所忽略，天天我们全部在不停利用着水管中谁，这个被忽略过程中造成了一定能源浪费。

假如经过经过普遍长久积累，这些一度被忽略水将带给我们有一笔丰厚资源。

假如能将这些不经意从我们身边流出动能储存起来加以利用，我想将会有很大经济效益和社会效益，也符合我们当今时代专题，节能和环境保护！

节省从小事做起。

2、产品说明

2.1、基础原理

自来水管中水因为自来水厂加压装置而含有一定压力能，用水时，水管中流动水便含有了一定动能，当水管中水喷出水管时，水流冲击到涡轮机构中叶片从而将水所含有动能转化成叶片机械能，叶片转动经过轴转动带动电磁感应线圈转动，线圈切割磁感线从而产生电能.

2.2、工作分析

装置进水口和水管连接，中间设置一个开关控制装置，打开开关后水管中水进入发电装置经过能量转换进行发电。

发出电能经过集成电路转化装置存放到两个串联电容电池中，可用于一般照明及其它作用。

发电装置能够悬挂在水管上或是固定在墙壁上。

另外发电装置也是一个良好缓冲装置，能够减缓水流速，不会让其溅四处全部是，也表现了我们节省主旨。

3、产品说明

3.1产品介绍

3.1.1产品总结构外观轮廓图

①、涡轮机构②、电磁感应发电机构③、主轴

涡轮机构和电磁感应机构经过各自主轴之间连接后处于同一轴线上，涡轮机构在水流冲击下转动从而经过主轴带动电磁感应发电机构发电。

3.1.2、电磁感应机构

①、定子铁芯②、定子线圈③、转子磁轭

④、转子支架⑤、转轴

内部设计支架，首先降低铁芯使用，节省材料，其次使得结构愈加稳定。

铁芯设计12对磁极，每个磁极上面饶有励磁线圈。

磁极宽度计算公式T=πDi/2p

Di——直径p——磁极数T——磁极宽度

带入得T=140π/48

所以设计磁极宽度为140π/48=9

定子铁芯槽数140π=440

所以设计定子铁芯槽数为440个，定子线圈槽数为440个

轴柄是用来连接涡轮，设计4个M2沉头孔，使用4个M2螺栓进行连接，确保结构稳定性，连接轴头部有两个集电环。

3.1.3涡轮机结构

①

②

①、自来水喷头机构（喷头机构设计是经过渐变使水流从四个小喷口中喷出，四个喷口规律排列在一个正方形四个角，从而使喷出水从四个不一样方位对叶片进行冲击，使叶片组受到多个对称作用力，使叶片得到更有效冲击力，降低了水能损失，同时也因受力平衡性降低了系统震动和不稳定性）②、勺形叶片（将叶片设计成勺形使喷出水流能够更高效作用在叶片上，降低能量损失）③、密封框

水流经过冲击叶片从而带动主轴转动，此装置是实现了水机械能向装置转动动能转变。

3.2、集成电路（超级电容）

采取了集成电路，简化了整机电路设计、调试和安装，集成化设计节省空间，性能可靠。

蓄电装置选择两个串联超级电容，充电速度快，环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”，大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；功率密度高，相当于电池5~10倍；产品原材料组成、生产、使用、储存和拆解过程均没有污染，是理想绿色环境保护电源；充放电线路简单，无需充电电池那样充电电路，安全系数高，长久使用免维护；超低温特征好，温度范围宽-40℃～+70℃；很小体积下达成法拉级电容量；无须尤其充电电路和控制放电电路；超级电容器可焊接，所以不存在像电池接触不牢靠等问题。

3.3电路图

M——发电机

D1-D4——二极管，DC/DC模块

D5为二极管，C1和C2为超级电容，DC/DC模块（*）

K为光敏开关，D6为发光二极管

*DC-DC模块：

DC-DC模块电源是一个定压产品，其电路为开环，它输出电压不会伴随输入电压及输出负载改变而改变，关键被看成二次电源使用。

4、参数计算

4.1发电机转速

经过测量，学校宿舍水龙头流量约为q=0.4L/S

水速V1=q/A（喷头直径d=20mm）

由V=ωr可知角速度ω=V/r（r=20mm为水流作用在勺形叶片上力矩对应力臂）

ω=2πn（n为转速）

联立以上各式可得水轮机转速约为n=3400r/min

4.2发电机输出功率

由发电机转速可得发电机功率：

P=6.1W

4.3超级电容充电时间

电路中是两个"2.7V100F"超级电容串联，所以串联后等效为"5.4V50F"超级电容所以能够调整充电电路中DC/DC模块,使其输出电压U=5.4V，输出电流

=2A超级电容初始充电电压

=3.0V,超级电容终止充电电压

=5.4V,超级电容充电时间

4.4超级电容工作时间

放电初始电压

放电截止电压

在负载中接入20只“3V20mA”LED灯放电时间：

T=5min

5、作品设计分析

5.1产品应用

蓄电池所储存电能能够用来点亮过道灯，免去了我们找不到主灯开关，摸黑换鞋苦恼；同时利用一部分电能为门铃供电，使门铃不再使用锂电池或干电池，降低对环境污染，让我们拥有更美好生活环境；整个装置便于拆卸，所以能够取下当应急能源使用；加上手柄能够变成手摇发电机。

因为超级电容输出端加了DC/DC模块，能够使之输出稳定连续电压和电流，为移动设备等进行充电或保障运行提供条件。

5.2动力装置分析

要想设计出一个可用水能发电机，水轮机和发电机设计使用是十分关键，水轮机好坏不仅影响着水能利用效率，同时也影响着发电机转速。

为了提升水能利用率，我们采取是冲击式水轮机，其工作过程水流压力不变，关键是动能转换其最高效率能够高达91%。

5.3电路部分原理

发电机产生电能经过D1—D4四个二极管整流，经过DC-DC模块输出恒压稳流，对两个串联超级电容充电，在超级电容输出端加入DC-DC模块输出稳定电压，能够为多个设备供电，其中二极管D5确保充电电路单向充电，避免超级电容对发电机做功，D1—D4作用使发电机正反转全部能对电容充电。

6、产品项目设计创新点及优势

高效和快速能量转换。

应用超级电容，充电速度快，环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”，大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；功率密度高，相当于电池5~10倍；产品原材料组成、生产、使用、储存和拆解过程均没有污染，是理想绿色环境保护电源；充放电线路简单，无需充电电池那样充电电路，安全系数高，长久使用免维护；超低温特征好，温度范围宽-40℃～+70℃；很小体积下达成法拉级电容量；无须尤其充电电路和控制放电电路；超级电容器可焊接，所以不存在像电池接触不牢靠等问题。

能源高效转换。

涡轮发电机构中环形喷口设计能够实现水动能向机械能高效转换，叶片设计成勺形也是极大程度降低了冲击过程中能量损失。

突破创新。

利用水管中水能设计理念比较含有创新性，机构设计更是在原有极少水能发电装置基础上实现了突破。

可为多个设备供电。

因为采取变压器装置，使得本产品能够依据用电需要，给手机、电脑等小功率用电设备进行充电，实现了真正移动电源作用，可做应急能源使用。

设备简单，易于工厂化生产。

本设计产品实用性强，适用范围广。

结构简单，易于实现，成本低廉，易于工厂化批量生产，能够在中国各个学校广泛投入使用。

绿色环境保护，推进节能发展。

利用机械电子技术实现能量转化，充足利用资源，实现了能源绿色发展，对于建设资源集约型社会含有十分关键意义。

7、产品经费预算

物品名称

数量

市场价

超级电容

2

25元

水轮机

1

30元

发电机

1

40元

其它

20元

累计

115元

8、产品市场前景分析

在中国市场上，中国是全世界人口最多国家，天天消耗水资源也位居全球前几位，伴随中国经济条件提升，大家物质生活也越来越高，电力消耗巨大，而水里蕴藏着巨大能源，怎样愈加好地利用水能越来越受到大家重视，水龙头水能发电将是一大创新，大家对电力需求在不停地上升，物美价廉也是我们选择物品一大参考原因，我们设计出水能发电机不仅有较强实用性，而且价格低廉，是大家可承受能力之内。

相信在提倡节省环境保护，绿色能源今天，会受到大家热捧！

9、内部结构构件展示

环形喷头

涡轮盖子

传动轴

定子铁芯定子线圈

转子磁轭转子支架

集电环集电环内套

10、作品设计总结

经过此次机械创新大赛——水管水能发电装置，我们将课堂上学习只是利用到实践中来。

因为一个好创意，不仅能够让我们确定我们方向，还能够调动我们团体中每个人主动性。

我们团体分工明确、目标坚定，不仅在设计过程中熟悉和了解了机制专业相关知识，而且也利用了很多非本专业知识，为后期学习打下了一个良好基础。

独特创意能够让我找我们所要研究方向，同时，使我们不在那样漫无目标乱想，使我们精力不再分散，让我们能够更集中精力来对我们创意进行改善和完善。

和此同时，好创意还能够调动我们团体主动性，因为创意使我们团体人想出来，经过商议得来，只有你创意让每个人全部让同才能让她人同意。

所以，好创意是经过团体人经过讨论得来，而且得到了团体人认可，所以好创意能够调动团体主动性。

另外，经过此次机械创新设计，我们深深明白了，平时所学知识和实际设计过程有着很大差异，我们会继续努力，学好专业知识。

同时，我们要感谢我们指导老师张春鹏，感谢她指导和支持，因为我们知识有限，有些问题看不到或看不通透，在她指导下，让我们能愈加好发觉我们作品缺点，让我们能够愈加好完善我们作品。

此次机械创新设计，是我们逐步认识到要重视培养自己创新设计能力、综合设计能力和协作精神；在日常学习工作中，加强动手能力培养和工程实践训练，提升针对实际需求进行机械创新、设计、制作实践工作能力。