水能发电机说明书 (2)

1、机械创新大赛 水管水能发电Hefei University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 2014年11月24日 目 录1设计背景.32产品说明.3 2.1基本原理.3 2.2工作分析.;.43产品说明.4 3.1产品简介.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.84参数设计.8 4.1发电机转速.8 4.2发电机

2、的输出功率.9 4.3超级电容的充电时间.9 4.4 超级电容的工作时间.95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.106产品项目设计创新点及优势.107产品经费预算.118产品市场前景分.129内部结构构件展示.1310作品设计总结.161.设计背景 建设资源节约型、环境友好型社会是全民族的共同事业，是中国走科学发展道路中必不可少的的奠基石。然而，我国资源短缺、匮乏的现象日益突出，特别是电力资源。鼓励创建绿色学校、绿色教室已是当今社会的发展趋势，我团队多方面采集资料，通过不断地探讨和研究，确定了水管水能发电这一独具特色的创新作品。一方面通过机械

3、电子技术实现资源的节约与有效利用，另一方面，通过这一创新，可使莘莘学子树立资源节约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的星球，水占据了地球71%以上的表面，水不仅是我们生命不可或缺的物质，水更是带给我们带来无穷的电能自愿。然而最普遍的水管中的水能却被我们所忽略，每天我们都在不停的利用着水管中的谁，这个被忽视的过程中造成了一定的能源浪费。如果经过经过普遍长期的积累，这些一度被忽略的水将带给我们有一笔丰厚的资源。如果能将这些不经意从我们身边流出动能储存起来加以利用，我想将会有非常大的经济效益和社会效益，也符合我们当今时代的主题，节能与环保！节约从小事做起。2、产品说

4、明 2.1、基本原理自来水管中的水由于自来水厂的加压装置而具有一定的压力能，用水时，水管中流动的水便具有了一定的动能，当水管中的水喷出水管时，水流冲击到涡轮机构中的叶片从而将水所含有的动能转化成叶片的机械能，叶片的转动通过轴的转动带动电磁感应的线圈转动，线圈切割磁感线从而产生电能. 2.2、工作分析 装置的进水口与水管连接，中间设置一个开关控制装置，打开开关后水管中的水进入发电装置通过能量的转换进行发电。发出的电能通过集成电路转化装置存储到两个串联的电容电池中，可用于普通的照明及其他作用。发电装置可以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的缓冲装置，能够减缓水的流速，不会让其溅

5、的到处都是，也体现了我们的节约主旨。3、产品说明 3.1产品简介 3.1.1产品总结构外观轮廓图、涡轮机构 、电磁感应发电机构 、主轴 涡轮机构和电磁感应机构通过各自的主轴之间的连接后处于同一轴线上，涡轮机构在水流的冲击下转动从而通过主轴带动电磁感应发电机构发电。 3.1.2、电磁感应机构、定子铁芯 、定子线圈 、转子磁轭 、转子支架 、转轴 内部设计支架，一方面减少铁芯的使用，节约材料，另一方面使得结构更加稳定。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=Di/2pDi直径 p磁极数 T磁极宽度 带入得T=140/48所以设计磁极宽度为140/48=9定子铁芯的槽数14

6、0=440所以设计定子铁芯的槽数为440个，定子线圈的槽数为440个轴柄是用来连接涡轮，设计4个M2沉头孔，使用4个M2的螺栓进行连接，保证结构的稳定性，连接轴的头部有两个集电环。 3.1.3涡轮机结构、自来水喷头机构（喷头机构的设计是通过渐变使水流从四个小喷口中喷出，四个喷口规律的排列在一个正方形的四个角，从而使喷出的水从四个不同的方位对叶片进行冲击，使叶片组受到多个对称的作用力，使叶片得到更有效的冲击力，减少了水能的损失，同时也因受力的平衡性减少了系统的震动和不稳定性） 、勺形叶片（将叶片设计成勺形使喷出的水流可以更高效的作用在叶片上，减少能量的损失） 、密封框 水流通过冲击叶片从而带动主

7、轴转动，此装置是实现了水的机械能向装置转动动能的转变。 3.2、集成电路（超级电容） 采用了集成电路，简化了整机电路的设计、调试和安装，集成化的设计节省空间，性能可靠。蓄电装置选用两个串联的超级电容，充电速度快，环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达150万次，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，相当于电池的510倍；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好，温度范围宽-40+70；很小的体积下达到法拉级

8、的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题。 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 模块电源是一种定压产品，其电路为开环，它的输出电压不会随着输入电压及输出负载的变化而变化，主要被当作二次电源使用。4、参数计算 4.1发电机转速通过测量，学校宿舍的水龙头流量约为q=0.4L/S水速V1=q/A （喷头直径d=20mm）由V=r 可知角速度=V/r （r=20mm为水流作用在勺形叶片上的力矩对应的

9、力臂）=2n （n为转速） 联立以上各式可得水轮机的转速约为n=3400r/min 4.2发电机的输出功率 由发电机的转速可得的发电机的功率：P=6.1 W 4.3超级电容的充电时间 电路中是两个"2.7V 100F"的超级电容串联，所以串联后等效为"5.4V 50F"的超级电容所以可以调节充电电路中的 DC/DC 模块,使其输出电压U=5.4V，输出电流=2A超级电容的初始充电电压=3.0V,超级电容的终止充电电压 =5.4V,超级电容的充电时间 4.4 超级电容的工作时间放电初始电压 放电截止电压 在负载中接入20只“ 3V 20mA ”的LED 灯

10、放电时间：T=5min5、作品设计分析 5.1产品应用 蓄电池所储存的电能可以用来点亮过道灯，免去了我们找不到主灯开关，摸黑换鞋的苦恼；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，减少对环境的污染，让我们拥有更美好的生活环境；整个装置便于拆卸，所以可以取下当应急能源使用；加上手柄可以变成手摇发电机。由于超级电容的输出端加了 DC/DC 模块，可以使之输出稳定连续的电压和电流，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的水能发电机，水轮机和发电机的的设计使用是十分重要的，水轮机的好坏不但影响着水能的利用效率，同时也影响着发电机的转速。为了提高

11、水能的利用率，我们采用的是冲击式水轮机，其工作过程水流压力不变，主要是动能的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的电能通过 D1D4 四个二极管整流，通过 DC-DC 模块输出恒压稳流，对两个串联的超级的电容充电，在超级电容的输出端加入 DC-DC 模块输出稳定的电压，可以为多种设备供电，其中二极管 D5 保证充电电路的单向充电，避免超级电容对发电机做功，D1D4的作用使发电机的正反转都能对电容充电。6、产品项目设计创新点及优势高效和快速的能量转换。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150万次，没有“记忆效应”，大电流放电能力超强，能量

12、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，相当于电池的510倍；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好，温度范围宽-40+70；很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题。能源高效转换。涡轮发电机构中的环形喷口设计可以实现水动能向机械能的高效转换，叶片设计成勺形也是极大程度的减少了冲击过程中能量的损失。突破创新。利用水管中水能的设计理念比较具有创新性，机构的设计更是在原有的极少水

13、能发电装置的基础上实现了突破。可为多种设备供电。由于采用变压器装置，使得本产品可以根据用电需要，给手机、电脑等小功率用电设备进行充电，实现了真正的移动电源作用，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，能够在我国各个学校广泛投入使用。 绿色环保，推动节能发展。利用机械电子技术实现能量的转化，充分利用资源，实现了能源绿色发展，对于建设资源集约型社会具有十分重要的意义。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 合计 115元8、产品市场前

14、景分析 在国内市场上，我国是全世界人口最多的国家，每天消耗的水资源也位居全球前几位，随着我国经济条件的提升，人们的物质生活也越来越高，电力消耗巨大，而水里蕴藏着巨大的能源，如何更好地利用水能越来越受到人们的重视，水龙头的水能发电将是一大创新，人们对电力的需求在不断地上升，物美价廉也是我们选择物品的一大参考因素，我们设计出的水能发电机不但有较强的实用性，而且价格低廉，是人们可承受能力之内。相信在倡导节约环保，绿色能源的今天，会受到人们的热捧！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、作品设计总结通过此次机械创新大赛水管水能

15、发电装置，我们将课堂上学习的只是运用到实践中来。因为一个好的创意，不仅可以让我们确定我们的方向，还可以调动我们团队中每个人的积极性。我们团队分工明确、目标坚定，不仅在设计过程中熟悉和了解了机制专业的相关知识，而且也运用了很多非本专业的知识，为后期的学习打下了一个良好的基础。独特的创意可以让我找的我们所要研究的方向，同时，使我们不在那样漫无目的的乱想，使我们的精力不再分散，让我们可以更集中精力来对我们的创意进行改进和完善。与此同时，好的创意还可以调动我们团队的积极性，因为创意使我们团队的人想出来，经过商议得来的，只有你的创意让每个人都让同才能让别人同意。所以，好的创意是经过团队的人经过讨论得来的，而且得到了团队人的认可，所以好的创意可以调动团队的积极性。此外，通过此次机械创新设计，我们深深明白