废水发电项目说明书文档格式.docx
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2.研究内容及创新点
2.1研究重点与内容
本作品利用高楼层生活废水排放时所蕴含的势能进行管道式水力发电，并存储所产生的零散电能，在需要时，控制电能输出供电，从而实现生活废水能源的二次利用。
为此，需要在电能产生、电能存储和电能输出三个方面深入研究。
具体研究内容如下：
（1）集水与杂质分离系统的研究
排放的生活废水，将经由管道发电机进行发电，实现电能的产生。
但是生活废水中含有的较大杂质，会对管道发电机造成严重影响，因此需要分离较大杂质；
同时，为了使得发电机满负荷运转，保证发电效率，需要加入储水系统。
本部分的研究内容如下：
●集水与杂质分离方法的研究;
●排污与放水的方案设计;
●过滤器与集水箱的结构设计。
（2）充电电路与控制
生活废水的排放不能保证发电机处在长期运行的状态，因此，需要将发电机产生的零散电能储存在蓄电池组中。
同时，实时监测蓄电池组电压，当电压足够时，蓄电池组对外部用电设备提供电能；
当电压不足时，切换至电网对外部用电设备供电。
●高效充电电路的研究设计；
●电压监控模块的设计。
（3）逆变电路的实现
用蓄电池存储的电量并不能直接供给用电器使用的，需要通过逆变升压成220V、50Hz市电才能让用电器正常工作，因此需要设计逆变系统。
●单片机控制与驱动模块的设计；
●逆变桥电路的设计与优化；
●升压模块的设计与优化。
2.2创新点
①设计独特。
系统专门设计了水箱集水器，该集水器一方面能储存一定的废水量，化零为整，使废水势能得到最大限度利用；
另一方面，水箱内部有浮球同步开关，通过与轻硬质杆相连，自动控制放水和排污，实现了系统的自动高效工作。
②投资小，效益明显。
与传统的火力发电相比，这种发电模式投资小并且属于可再生能源，对环境无污染；
相比与水力发电站和风力发电，这种发电模式对地理位置要求更小，适合许多高楼大厦。
运用这种发电模式可以变废为宝，普及使用可节约巨大能量，达到节能的目的。
③稳定性好，最大限度利用资源。
相对于水力发电，这种模式的建立不会对环境造成污染，且稳定性高，不存在丰水或枯水期，不易受天气及地理位置的影响，在一些小规模的用电上能自给自足。
④易实现。
本系统利用现有技术，实现恒流充电、单片机智能控制和电能的实时显示功能，采用桥式逆变电路将直流电压逆变为市电220V/50HZ。
整个系统设计方案简洁可行，易于实现。
⑤应用前景广阔。
当今社会，城内高楼耸立，从高楼排下的废水具有大量能量。
日常生活中，大楼平均日人均用水量[有卫生设备59～79升/（日•人）;
无卫生设备55～67升/（日•人）]，而随着城市里的大楼越来越多，这些能量无疑是巨大的。
因此，将生活废水转变为电能的生活废污水发电系统具有广阔的应用前景。
3．技术路线及可行性分析
3.1研究方案
本作品设计的生活废水发电系统的原理图，如图1所示。
本系统由四个部分构成：
集水与杂质分离器、管道发电机与储电模块、控制模块、逆变模块。
集水与杂质分离器用于滤除废水中的杂质，并储存废水，当废水收集到一定量时，将自动排水，经排水管道送入发电机发电，电能由蓄电池组进行存储，控制模块在需要时，将电能通过逆变模块输出供电，电能不足时控制模块则切换成电网供电。
图1生活废水发电系统原理图
3.2技术路线
针对本项目所提出的研究内容，根据以上研究方案，我们拟采用下述研究方法进行整体方案的研究与测试。
（1）集水及杂质分离系统的设计
经过小组研究讨论，我们拟采用图2所示的水箱设计方案，进行废水收集与杂质分离系统的设计。
图中1为废水流入管道，废水流入分离器后，杂质在分离器中沉淀，废水经过过滤网2后通过管道5流入集水箱；
开关3、7是两个浮球同步开关，通过轻硬质杆8相连，可同时开闭。
开关由集水箱水位自动控制，当水箱集满水后，浮球把开关7拉开，同时通过连杆把开关3打开，此时集水箱放水通过管道9进入管道发电机发电，过滤箱放水排出杂质通过管道4流入废水管道，废水收集及杂质分离一次循环完毕，系统进入下一次循环。
此设计每收集一箱废水发一次电并排一次污，实现了系统的自动高效率工作。
图2集水与杂质分离
（2）管道发电与高效充电电路的设计
①管道发电机的选型：
在对比几种发电机性能与适用环境后，本作品模型拟采用小型高效的电感式管道发电机。
该发电机部分性能参数如表1所示：
表1发电机技术参数
水压
流量
转速
负载电压
空载电压
0.05MPa
4.8L/min
3000/min
AC10V
AC24V
0.1MPa
6.3L/min
4000/min
AC15V
AC31V
0.2MPa
8L/min
5000/min
AC20V
AC39V
0.3MPa
9.3L/min
6000/min
AC45V
0.4MPa
10.5L/min
7000/min
AV28V
AC52V
②高效充电电路的设计：
我们将采用恒流充电方式对蓄电池进行充电，充电系统框图如图3所示：
图3系统框图
图中整流滤波电路为全波桥式整流和电容滤波电路，它能把发电机输送过来的交流电变成直流电；
高效充电电路由单片机控制，通过检测电池电量改变充电模式，实现高效节能的充电，同时也能防止蓄电池过充和过放；
如果电路发生故障，过流保护电路还能自动切断充电回路，防止损伤电池；
单片机的电源则由开关稳压芯片提供。
（3）电压监控模块的设计
电监控模块用于对蓄电池电量进行实时监控，并能智能控制蓄电池的充电与放电，保证电池不会过充和过放，实现系统的安全高效工作。
本模块需要对蓄电池电压信号进行采集，因此设计中利用单片机的其中一路ADC定时采集蓄电池电压信号，并经过单片机分析处理，做出响应。
当电池电压持续高于某个值（由实验测得）时，认为电池充电完毕，给出前级充电电路一个信号，停止充电。
当电池电压持续低于测定的某个值时，认为放电完毕，给后面供电切换电路一个信号，让输出电源来自220V电网，从而保护电池。
电池的电压和充放电状态由1602液晶显示出来。
程序设计框图如图4所示：
图4控制程序框图
（4）逆变系统
逆变方案设计如图5所示，蓄电池输出12V电压到桥式逆变电路中，由STM32控制桥式逆变电路，将送入的12V直流电变成幅值略低于12V的有较强输出能力的SPWM波，然后通过一个低通滤波器得到50Hz正弦交流电，再由变压器升压至220V/50Hz市电供给用电器。
图5逆变总图
双极性SPWM调制法:
SPWM是在逆变器交流输出电能的一个周期内，将直流电能斩成幅值相等而宽度根据正弦规律变化的脉冲序列。
该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲，经过滤波后得到正弦波交流电能。
SPWM调制分为单极性调制和双极性调制，单极性调制中的三角载波是单极性的，即只有正半轴部分；
而双极性调制中的三角载波是双极性的，如图6所示。
相对于单极性调制，双极性调制的电路更加简单。
图6调制图
在该方案中，逆变电路所产生的SPWM波包含了两个频率成分，一个低频正弦波，一个高频三角波，因此只需在逆变输出后加一个低通滤波器就可以得到我们想要的低频正弦波。
STM32可以非常方便且标准地产生SPWM波，所以方案容易实现。
由于STM32的输出带负载能力差，无法驱动逆变电路中的大功率MOS管，因此在STM32后面要设计一个驱动电路，通过驱动电路间接控制桥式逆变电路。
在逆变过程中，容易产生过流现象和尖脉冲，因此必须对电路进行保护，方案设计中在电路里加了保护二极管和缓冲电容，可以有效的对电路进行保护。
此外，MOS管的通断存在一定的延时，容易造成桥电路中同一侧的两个MOS管同时导通，致使蓄电池短路烧毁。
要解决这个问题，我们拟在STM32程序中设置死区，死区的时间长短由MOS管的关断时间决定，这样的信号延缓可以有效的解决短路问题。
3.3可行性分析
（1）经济可行性分析
表二是一张在全国七个城市（北京，长沙，西安，武汉，成都，沈阳，南京）的居民人均生活用水量的调查表，其调查结果可以代表一般的大城市的人均用水量，通过对表二数据的分析，可以估算出本作品的发电量和带来的经济效益。
表2居民人均生活用水量
分类
拘谨型（L）
所占比例（%）
节约型（L）
一般型（L）
冲厕
30
34.8
35
32.1
40
29.1
淋浴
21.8
25.3
32.4
29.7
39.6
28.8
洗衣
7.23
8.4
8.55
7.8
9.32
6.8
厨用
21.38
24.8
25
23
29.6
21.5
饮用
1.8
2.1
2
3
2.2
浇花
2.3
2.8
8
5.8
卫生
合计
L/人*天
86.21
100
108.95
137.52
合计M³
/户*月
7.86
9.94
12.54
①发电量计算
由表二数据可计算出淋浴、洗衣和厨用三项用水分别占拘谨型、节约型、一般型三种家庭生活用水量的58.5%、60.5%和57.1%，平均每天每户排放的淋浴、洗衣和厨用三项用水量为：
发电量计算公式为：
E=KQTH/3600（kw·
h）……………………………………………………
（1）
其中E为发电量，Q为通过发电机的水流量，H为高度，K为不同发电机的发电系数，T为发电机工作的时间。
按楼层为30层计算，每十层安装一套发电系统，系数K取6.0，每层有10个住户，由上面可知每住户每日能利用的水量用约为
，计算得每十层每日用水19.5m³
，即
。
水从20层（高度H=60m）到底层，则
；
水从10层（高度H=30m）到底层,则
故一栋30层的大楼，一天利用生活废水的发电量约为
据网上数据统计，武汉市目前有3000多栋高楼，若在武汉市大规模推广应用本作品，按照每栋楼30层来计算，那么武汉市在一天内利用废水所产生的电量至少为
由此可见，推广应用本作品可产生可观的电能，大大减少了能源的浪费。
②效益分析：
由上述可得在武汉安装该装置每天可发电8767500KW·
h，每月发电263025000KW·
h，按武汉每度电0.573元，每月可节省150713325元，约1.5亿元。
依此类推，全国共有约660座城市，若在全国各大城市高楼安装废水发电装置，则会带来多么庞大的经济效益。
综上1、2所述，本作品具有经济可行性。
当高楼成为了发达城市的象征时，每年人均用水量之大令我们吃惊，然而其中可利用的生活废水又占总用水量的一半以上，因此将这些生活废水用来发电，所产生的电量将是巨大的财富。
本作品不仅充分利用了能源，也带来了显著的经济效益，响应了国家建设节约型社会的号召。
（2）制作能力分析
小组成员有能力独立设计出该作品，并且能达到节能减排的目的。
首先，小组成员具备基本的专业知识和技能来设计并制作本作品。
小组成员均在武汉理工大学电工电子实验中心学习，多次参加实验中心开放实验等软硬件培训活动，掌握了基本模拟电路和数字电路的分析和设计能力。
成员中有学习过51单片机、MSP430单片机、STM32单片机和FPGA技术，有参加过武汉理工大学机器人设计大赛，有熟悉基于单片机的控制系统设计方法。
其次，本作品设计合理，制作较简单，通过实验证明效果明显。
作品中设计了巧妙的集水及杂志分离装置，能使系统安全稳定工作，降低了作品实现和制作难度。
我们通过实验证明，利用小型发电机发电效果明显，如果在实际生活中，在更高的楼层上使用大型的发电机，将会得到更多的电能，必将大大减少现有火力发电厂对环境的污染，达到了节能减排的目的。
（3）系统能耗分析
系统整体功耗低、效率高。
若推广使用，还有很大的提升空间。
本作品采用的控制芯片STC12C5A60S2属于低功耗型单片机，工作电压5~3.5V，时钟频率0~35MHz，内部可2~128分频。
正常工作模式下典型功耗为2~7mA，掉电模式下的典型功耗<
0.1uA，空闲模式下典型功耗<
1.3mA。
在设计中对单片机时钟进行128分频，以降低功耗。
由程序控制在一个循环周期中，活动模式占20%的时间，空闲模式占80%的时间，则平均电流为I=2*20%+1*80%=1.2mA。
功率为P=UI=5*1.2=6mW=0.006W。
高效控制电路功耗约为0.05W，液晶显示模块功耗为0.05W，其他元器件功耗为0.09W，所以整体功耗约为0.196W。
发电机实测发电功率1.2W，所以可用功率约为1.004W。
充电效率为80%，逆变效率为85%，则最终在可用功率中能供给的电量占68%。
由于本设计模型采用微型发电机，发电量小，发电效率收限制，但在现实设计中采用更大的发电机，控制电路还是原来的功耗，那么发电效益是相当可观的。
4.项目实施分阶段计划安排
根据项目复杂程度以及小组的实力，我们作出了如下的研究计划，以保证项目能够在短时间内高质量完成。
时间
阶段研究计划
阶段成果
2012．01
设计系统优化架构，分成两个方面：
1、文献调研，及时掌握国内外相关科研动态。
2、结合现有技术，设计“生活废水发电系统”整体架构，以及具体方案的探讨。
资料收集完毕，确立设计方案。
2012．02
完成方案的设计，并对具体模块进行仿真测试。
方案可行，仿真成功。
2012．03
采购元器件，完成模块的实物制作，并进行测试。
模型成型，测试达标。
2012．04
整理文档，结题报告。
实物制作完成，报告完成。
5项目经费预算
开支类别
金额
发电机
800
水箱
600
蓄电池
500
对排水管的改造费用
电路制作组装成本
1000
3700
参考文献
[1]康华光、陈大钦等.电子技术基础（模拟部分）（第五版）[M].高等教育出版社，2006.01
[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术（第三版）[M].清华大学出版社，2010.05
[3]（日）小水力利用推进协议会.小水力发电技术[M].科学出版社，2009.01
[4]刘凤君.现代逆变技术及应用[M].电子工业出版社，2006.09
[5]周文良.电子电路设计与实践[M].国防工业出版社，2011.01
[6]刘军.例说STM32[M].北京航天航空大学出版社，2011.04
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[8]何晓帆、彭琼、刘丽.实用电源电路与充电电路分析[M].中国电力出版社，2009.08
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