屋檐雨水自動(dòng)發(fā)電循環(huán)收集一體化裝置設(shè)計(jì)

韋洋洋 蔣傳富 殷 飛

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 吉林 吉林 132101）

由于我國幅員遼闊，跨緯度較廣，各地區(qū)距海遠(yuǎn)近差距較大，加之地勢(shì)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(qū)，南方大部分地區(qū)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(shí)因降雨量大的緣由導(dǎo)致了農(nóng)村地區(qū)供電設(shè)備的損壞，造成了農(nóng)村地區(qū)暫時(shí)性停電。在遭遇突然停電問題時(shí)，傳統(tǒng)家用發(fā)電設(shè)備使用的是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，但這樣的發(fā)電方式具有很多缺點(diǎn)，第一是它的噪音大，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中會(huì)發(fā)出巨大的聲響，嚴(yán)重影響居民的生活；第二是它的污染大，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中會(huì)排放一股濃烈的油氣混合味，味道刺鼻；第三是它的發(fā)電原料購買困難，目前國內(nèi)的現(xiàn)狀是用汽油桶不能直接購買汽油，因?yàn)橛屯耙兹家仔孤?，使用既不方便也不安全。在深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于抓好安全生產(chǎn)、做好電力保供、扎實(shí)穩(wěn)住經(jīng)濟(jì)等一系列重要講話和指示精神的背景下，我們?cè)O(shè)計(jì)出一款利用收集到的屋檐雨水沖刷發(fā)電機(jī)，將其發(fā)出的電儲(chǔ)存到蓄電池中，為農(nóng)村家庭用電提供了簡(jiǎn)單(備用)電源。

1 裝置的工作原理

根據(jù)浮力原理，設(shè)計(jì)出一款靠水浮力實(shí)現(xiàn)水閥開關(guān)的水閥浮球水位開關(guān)自動(dòng)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(dá)到指定值時(shí)，水流可以進(jìn)入管道中。依據(jù)階梯式水利發(fā)電系統(tǒng)的制作方法，利用水落差發(fā)電原理，設(shè)計(jì)出裝置的階梯式發(fā)電部分[3]，當(dāng)水流流入管道沖刷發(fā)電機(jī)的扇葉時(shí)，使其發(fā)電，實(shí)現(xiàn)雨水的更大利用率[4]。

依據(jù)水車工作原理，設(shè)計(jì)出近地面渦輪水車，當(dāng)水流流出管道末端時(shí)，沖刷近地面渦輪水車的扇葉，使扇葉旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作發(fā)電[5]。同時(shí)利用水的壓力差原理，當(dāng)水管的出水口處壓力大于水管進(jìn)水口處壓力時(shí)，水會(huì)流出水管，從而實(shí)現(xiàn)抽水的效果，設(shè)計(jì)出無動(dòng)力抽水裝置。當(dāng)沖刷近地面渦輪水車的水流流入蓄水池中并且水量達(dá)到指定水位時(shí)[6]，可通過無動(dòng)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(fā)電[7]。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屋檐雨水自動(dòng)發(fā)電循環(huán)收集一體化裝置主要分為收集裝置、發(fā)電裝置以及循環(huán)裝置3 部分。

2.1 收集裝置。本結(jié)構(gòu)為裝置的上體部分，當(dāng)?shù)氐貐^(qū)降雨時(shí)，雨水沿著屋檐設(shè)計(jì)好的水槽，通過初步的過濾作用流入雨水收集箱中，當(dāng)雨水收集箱中的水位達(dá)到指定值時(shí)[8]，收集箱中的水閥浮球水位開關(guān)自動(dòng)控制器就會(huì)打開，水流就會(huì)順著管道流入裝置的第二部分。

2.2 發(fā)電裝置。發(fā)電裝置分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)，一是階梯式管道發(fā)電組，當(dāng)水流從收集裝置流入管道時(shí)，水流沖擊發(fā)電機(jī)的扇葉，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生電；二是近地面渦輪發(fā)電機(jī)，當(dāng)水流從管道末端流時(shí)沖擊渦輪機(jī)扇葉使其發(fā)電。

2.3 水流自動(dòng)循環(huán)裝置。當(dāng)沖刷近地面渦輪水車的水流匯入蓄水池中時(shí)，蓄水箱中的水位到達(dá)一定高度，水流便會(huì)沿著管道流入無動(dòng)力抽水裝置中，使蓄水箱中的水流入雨水收集箱中，實(shí)現(xiàn)水流自動(dòng)循環(huán)。裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)的特色之處

3.1 水閥浮球水位開關(guān)自動(dòng)控制器。只要雨水收集箱中的水位達(dá)到指定值，該控制器便會(huì)打開，省工，不用再手動(dòng)打開水閥開關(guān)。

3.2 無動(dòng)力抽水裝置。當(dāng)蓄水池中的水位到達(dá)指定高度時(shí)，水流便會(huì)沿著管道流入無動(dòng)力抽水裝置中，使蓄水箱中的水流入雨水收集箱中，實(shí)現(xiàn)水流自動(dòng)循環(huán)。

3.3 綠色環(huán)保。農(nóng)村地區(qū)因降雨量大導(dǎo)致暫時(shí)性停電時(shí)，當(dāng)?shù)鼐用駟螒艏彝ケ憧梢岳迷撗b置進(jìn)行暫時(shí)性的供電，告別了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)噪聲大、污染大、原料購買困難的問題。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)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(guān)自動(dòng)控制器、階梯式發(fā)電裝置近地面渦輪水車、無動(dòng)力抽水裝置等組成裝置運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)為簡(jiǎn)單用電器提供供電來源，實(shí)現(xiàn)雨水資源化，節(jié)約用水，提高雨水利用開發(fā)的效率[9]。

4.2 討論。在模型設(shè)計(jì)制作過程中，遇到水閥浮球水位開關(guān)自動(dòng)控制器負(fù)重過輕時(shí)，可能發(fā)生水位未達(dá)到發(fā)電所需水位時(shí)開關(guān)便開啟的情況。因此，在設(shè)計(jì)該裝置時(shí)，需要多次試驗(yàn)測(cè)定水閥浮球水位開關(guān)自動(dòng)控制器的負(fù)重是否達(dá)到該裝置正常運(yùn)作的要求，以確保裝置能正常運(yùn)作。

4.3 展望。①農(nóng)村地區(qū)因雷雨天氣造成的停電是不可避免也無法提前預(yù)知的，因而農(nóng)村當(dāng)?shù)鼐用褚矝]有提前做好停電的準(zhǔn)備，突然停電給他們的生活帶來了影響。面對(duì)這樣的雷雨天氣，國家各部門會(huì)積極進(jìn)行搶修和維護(hù)，在搶修和維護(hù)期間部分居民會(huì)選擇傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)供電，但傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生濃烈的油氣混合味，味道刺鼻，且其發(fā)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(huì)發(fā)展最為主要的問題之一，給人類的生活環(huán)境帶來的負(fù)面影響也逐漸顯現(xiàn)出來。在此背景下，充分合理地開發(fā)利用天然降水給人類帶來利益的同時(shí)也符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。③屋檐雨水自動(dòng)收集一體化裝置是一款收集降落于屋檐雨水的發(fā)電裝置，是一種新型的發(fā)電方式。其通過收集的屋檐雨水作為原料帶動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電原料豐富且綠色環(huán)保，可以給居民在電路搶修的階段提供照明條件和手機(jī)充電需求[10]，為農(nóng)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(fā)電裝置不僅在未來市場(chǎng)的前景開闊，還可為鄉(xiāng)村振興貢獻(xiàn)一份力量。