自動水閘門穩(wěn)壓輸出水輪發(fā)電機

王枝

目的與思路

我二哥在福建長汀與江西瑞金交界處承包了一片800多畝的竹林，為了要管理這片竹林，就在那里建造了一座房子。由于當?shù)夭还╇?，只好在附近山溝自已安裝了一臺小型300瓦特水輪發(fā)電機，利用水能發(fā)電。由于水一直往下沖，白天、黑夜都要一直開著多盞電燈，因為要是沒有負載，輸出電壓會超過300伏特。要是有燈泡燒毀，輸出電壓就會超高，手機充電器燒毀是經(jīng)常發(fā)生的事。因此我就想發(fā)明一個輸出電壓穩(wěn)定的“自動水閘門穩(wěn)壓水輪發(fā)電機”。

工作原理

根據(jù)負載功率大小，自動控制水輪發(fā)電機閘門大小，使輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

◇當負載減少（如有燈泡燒毀），輸出電壓超過220伏特時，通過取樣、控制器、步進電機、水輪機閘門等各環(huán)節(jié)，最終慢慢減小閥門流水量，從而降低發(fā)電機的輸出電壓。

◇當增加用電器（如手機充電、使用電腦等）導致負載增大、輸出電壓低于180伏特時，通過取樣、控制器、步進電機、水輪機閘門等各環(huán)節(jié)，最終慢慢增大閥門流水量，使輸出電壓穩(wěn)定在180～220伏特范圍之間。

制作方法與過程

原料與器材

水輪發(fā)電機（300瓦）、單片機控制器、步進電機、齒輪、導線、電燈若干、水管（直徑11厘米）、內(nèi)牙法蘭盤、各種接頭膠水等。

機械加工

◇內(nèi)牙法蘭盤鉆孔加工，把水輪發(fā)電機水管入口與法蘭盤對齊對正，根據(jù)水管入口接口的3個螺絲孔做記號，打3個7毫米直徑圓孔。

◇購買3套螺栓、螺母，把水輪發(fā)電機水管接口與法蘭盤鎖緊固定。

◇用鐵鋸子把頂住螺栓閥門的法蘭盤鋸掉一小部分并用砂輪機磨平，使螺栓閥門能夠自由上下移動，不會頂住法蘭盤，閥門上下移動范圍不會超過4厘米（閥門全閉狀態(tài)至閥門全開狀態(tài)）。

◇定做加工齒輪2個。一個工作半徑2.5厘米，將其固定在閥門螺栓的適當位置；另一個齒輪工作半徑1.5厘米，把它固定在步進電機軸上。把步進電機用AB膠粘在水輪發(fā)電機外殼適當位置，步進電機轉(zhuǎn)動時能夠使閥門在全閉狀態(tài)與全開狀態(tài)間來回移動，閥門螺栓上的齒輪上下移動距離不超過4厘米。實現(xiàn)用步進電機控制閥門大小，從而控制進水量。

單片機控制器電路

◇取樣電壓為180～220伏特。

◇當水輪發(fā)電機輸出電壓小于或等于180伏特時，單片機控制器輸出正驅(qū)動電壓，步進電機順時針轉(zhuǎn)動，閥門螺栓逆時針轉(zhuǎn)動，加大進水量。

◇當輸出電壓大于等于220伏特時，控制器輸出負驅(qū)動電壓，步進電機逆時針轉(zhuǎn)動，閥門螺栓順時轉(zhuǎn)動，減小進水量。

◇當閥門達到全開狀態(tài)后，延時5秒鐘，控制器輸出驅(qū)動電壓為零，步進電機停止工作，回到初始狀態(tài)。

◇當水輪發(fā)電機輸出電壓始終小于180伏特，而閥門已經(jīng)最大時，延時5秒鐘后，控制器輸出電壓也為零。

◇當水輪發(fā)電機輸出負載大于300瓦，且閥門已經(jīng)最大時，延時5秒鐘后控制器輸出負驅(qū)動電壓，使步進電機逆時針轉(zhuǎn)動，將閥門變小，減小進水量，電壓可能低于180伏特，確保電機不燒毀。

創(chuàng)新點

本項目對傳統(tǒng)水輪發(fā)電機進行研究，把固定式水閘門改變?yōu)樽詣涌刂扑l門。電需求量大時，水閘門自動變大；反之，電需求量小時，水閘門自動變小，目的是水電供需協(xié)調(diào)，不造成浪費。通過自動控制水閘門，達到自動控制水流量大小，進而穩(wěn)定水輪發(fā)電機的輸出電壓。

自動閘門水輪發(fā)電機如果在大型水電部門得到推廣應用，將會緩和電價不均衡問題。電價有峰、谷、平3種電價之別，產(chǎn)生電價不均的原因主要就是固定發(fā)電量的情況下，用電量需求的不同：煮飯時間段是用電量高峰期，電價最高；休息時間段是用電低峰期，電價最低。在福建省德化縣，峰、谷電價值相差2倍多。德化縣境內(nèi)的用電來源是水電，一天內(nèi)水閘門固定不變，水輪發(fā)電機發(fā)電功率固定，而一天內(nèi)用電量卻不斷變化，因此造成水資源白白浪費。如果采用自動控制水閘門，根據(jù)一天內(nèi)不同時間段用電量情況，自動調(diào)節(jié)水電發(fā)電量，就不會造成浪費。

該項目利用水閘控制水流量產(chǎn)生穩(wěn)壓的電能，可稱為是頗為聰明的構(gòu)思。缺點在于上游水源不足時，未必能達到此理想狀態(tài)。建議在上下游各建一個水庫蓄水，利用水流產(chǎn)生的電能將下游儲存的水抽回上游水庫。當用電量較少時，這個方法可節(jié)省很多水源。