水能發(fā)電機說明書-(2)

1、Hefei University2014年11月24日題目：水管水能發(fā)電系別：機械工程系專業(yè)：機械設計制造及其自動化學制：全日制本科四年組長：陳兵手機號：組 員： 孫宏劉鵬儲朱濤指導老師：張春鵬1 設計背景32 產(chǎn)品說明32.1 基本原理32.2 工作分析;43 產(chǎn)品說明43.1 產(chǎn)品簡介43.11 產(chǎn)品總結(jié)構(gòu)外觀輪廓圖43.12 電磁感應機構(gòu)53.13 3 渦輪機結(jié)構(gòu)61.2 、集成電路（超級電容）71.3 電路圖 84 參數(shù)設計84.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)速84.2 發(fā)電機的輸出功率 94.3 超級電容的充電時間 94.4 超級電容的工作時間 95 作品設計分析95.1 產(chǎn)品應用95.2 動力裝置分

2、析 105.3 電路部分原理 106 產(chǎn)品項目設計創(chuàng)新點及優(yōu)勢107 產(chǎn)品經(jīng)費預算 118 產(chǎn)品市場前景分 129 內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件展示 1310作品設計總結(jié) 161. 設計背景建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會是全民族的共同事業(yè)，是中國走科學發(fā)展道路中必不可少的的奠基石。然而，我國資源短缺、 匱乏的現(xiàn)象日益突出，特別是電力資源。鼓勵創(chuàng)建綠色學校、綠色教室已是當今社會的發(fā)展趨勢，我團隊多方面采集資料，通過不斷地探討和研究，確定了水管水能發(fā)電這一獨具特色的創(chuàng)新作品。一方面通過機械電子技術(shù)實現(xiàn)資源的節(jié)約與有效利用，另一方面，通過這一創(chuàng)新，可使莘莘學子樹立資源節(jié)約意識和主動培養(yǎng)創(chuàng)新能力。地球是太陽系八大行星

3、之中唯一被液態(tài)水所覆蓋的星球，水占據(jù)了地球71%以上的表面，水不僅是我們生命不可或缺的物質(zhì)，水更是帶給我們帶來無窮的電能自愿。然而最普遍的水管中的水能卻被我們所忽略，每天我們都在不停的利用著水管中的誰，這個被忽視的過程中造成了一定的能源浪費。如果經(jīng)過經(jīng)過普遍長期的積累，這些一度被忽略的水將帶給我們有一筆豐厚的資源。如果能將這些不經(jīng)意從我們身邊流出動能儲存起來加以利用，我想將會有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益，也符合我們當今時代的主題，節(jié)能與環(huán)保！節(jié)約從小事做起。2、產(chǎn)品說明2.1、 基本原理自來水管中的水由于自來水廠的加壓裝置而具有一定的壓力能，用水時，水管中流動的水便具有了一定的動能，當水管中的

4、水噴出水管時，水流沖擊到渦輪機構(gòu)中的葉片從而將水所含有的動能轉(zhuǎn)化成葉片的機械能，葉片的轉(zhuǎn)動通過軸的轉(zhuǎn)動帶動電磁感應的線圈轉(zhuǎn)動，線圈切割磁感線從而產(chǎn)生電能2.2、 工作分析裝置的進水口與水管連接，中間設置一個開關(guān)控制裝置，打開開關(guān)后水管中的水進入發(fā)電裝置通過能量的轉(zhuǎn)換進行發(fā)電。發(fā)出的電能通過集成電路轉(zhuǎn)化裝置存儲到兩個串聯(lián)的電容電池中， 可用于普通的照明及其他作用。發(fā)電裝置可以懸掛在水管上或是固定在墻壁上。另外發(fā)電裝置也是一個良好的緩沖裝置，能夠減 緩水的流速，不會讓其濺的到處都是， 也體現(xiàn)了我們的節(jié)約主旨。 3、產(chǎn)品說明3.1 產(chǎn)品簡介3.1.1 產(chǎn)品總結(jié)構(gòu)外觀輪廓圖、渦輪機構(gòu)、電磁感應發(fā)電機構(gòu)

5、、主軸渦輪機構(gòu)和電磁感應機構(gòu)通過各自的主軸之間的連接后處于同一軸線上，渦輪機構(gòu)在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動從而通過主軸帶動電磁感應發(fā)電機構(gòu)發(fā)電。3.1.2 、電磁感應機構(gòu)、定子鐵芯、定子線圈、轉(zhuǎn)子磁鈍、轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)軸內(nèi)部設計支架，一方面減少鐵芯的使用，節(jié)約材料，另一方面使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。鐵芯設計12對磁極，每個磁極上面饒有勵磁線圈。磁極寬度計算公式T=兀Di/2PDi 直徑p磁極數(shù) T磁極寬度帶入得T=140兀/48所以設計磁極寬度為140兀/48=9定子鐵芯的梢數(shù) 140兀=440所以設計定子鐵芯的梢數(shù)為440個，定子線圈的梢數(shù)為440個軸柄是用來連接渦輪，設計4個M2沉頭孔，使用4個M2的螺栓進行連

6、接，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，連接軸的頭部有兩個集電環(huán)。3.1.3渦輪機結(jié)構(gòu)、自來水噴頭機構(gòu)（噴頭機構(gòu)的設計是通過漸變使水流從四個小噴口中噴出，四個噴口規(guī)律的排列在一個正方形的四個角，從而使噴出的水從四個不同的方位對葉片進行沖擊，使葉片組受到多個對稱的作用力，使葉片得到更有效的沖擊力，減少了水能的損失，同時也因受力的平衡性減少了系統(tǒng)的震動和不穩(wěn)定性）、勺形葉片（將葉片設計成勺形使噴出的水流可以更高效的作用在葉片上，減少能量的損失）、密封框水流通過沖擊葉片從而帶動主軸轉(zhuǎn)動，此裝置是實現(xiàn)了水的機械能向裝置轉(zhuǎn)動動能的轉(zhuǎn)變。3.2 、集成電路（超級電容）采用了集成電路，簡化了整機電路的設計、調(diào)試和安裝，集 成

7、化的設計節(jié)省空間，性能可靠。蓄電裝置選用兩個串聯(lián)的超級 電容，充電速度快，環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達150萬次，沒有“記憶效應”，大電流放電能力超強，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率A 90%功率密度高，相當于電池的 510倍；產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護；超低溫特性好，溫度范圍寬-40C+70C;很小的體積下達到法拉級的電容量；無須特別的充電電路和控制放電電路；超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題。3.3 電路圖M 發(fā)電機D1-D4

8、二極管，DC/DC 模塊D5為二極管，C1和C2為超級電容，DC/DC模塊（*）K 為光敏開關(guān)，D6為發(fā)光二極管*DC-DC 模塊：DC-DC模塊電源是一種定壓產(chǎn)品，其電路為開環(huán)，它的輸出電壓不會隨著輸入電壓及輸出負載的變化而變化，主要被當作二次電源使用。4、參數(shù)計算4.1發(fā)電機轉(zhuǎn)速通過測量，學校宿舍的水龍頭流量約為q=0.4L/S水速V1=q/A （噴頭直徑d=20mm由V=3 r 可知角速度=V/r（r=20mm為水流作用在勺形葉片上的力矩對應的力臂）3 =2兀n （ n為轉(zhuǎn)速）聯(lián)立以上各式可得水輪機的轉(zhuǎn)速約為n=3400r/min4.2 發(fā)電機的輸出功率由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可得的發(fā)電機的功率：

9、P=6.1 W4.3 超級電容的充電時間電路中是兩個"2.7V 100F"的超級電容串聯(lián)，所以串聯(lián)后等 效為"5.4V 50F" 的超級電容所以可以調(diào)節(jié)充電電路中的DC/DC模塊，使其輸出電壓 U=5.4V,輸出電流I =2A超級電容的初始充電 電壓Ui=3.0V,超級電容的終止充電電壓U2 =5.4V,超級電容的充電時間,Cdv 50 （5.4 3.0）”t -s 60s1 24.4 超級電容的工作時間放電初始電壓U4 5.4V放電截止電壓U5 3.0V在負載中接入 20只“ 3V 20mA ”的LED燈放電時間：T=5min 5、作品設計分析5.1

10、產(chǎn)品應用蓄電池所儲存的電能可以用來點亮過道燈，免去了我們找不到主燈開關(guān)，摸黑換鞋的苦惱；同時利用一部分電能為門鈴供電， 使門鈴不再使用鋰電池或干電池，減少對環(huán)境的污染，讓我們擁 有更美好的生活環(huán)境；整個裝置便于拆卸，所以可以取下當應急 能源使用；加上手柄可以變成手搖發(fā)電機。由于超級電容的輸出端加了 DC/DC 模塊，可以使之輸出穩(wěn)定連續(xù)的電壓和電流，為移動設備等進行充電或保障運行提供條件。5.2 動力裝置分析要想設計出一個可用的水能發(fā)電機，水輪機和發(fā)電機的的設計使用是十分重要的，水輪機的好壞不但影響著水能的利用效率，同時也影響著發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。為了提高水能的利用率，我們采用的是沖擊式水輪機，其工

11、作過程水流壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換其最高效率能夠高達91%。5.3 電路部分原理發(fā)電機產(chǎn)生的電能通過D1 D4 四個二極管整流，通過DC-DC 模塊輸出恒壓穩(wěn)流，對兩個串聯(lián)的超級的電容充電，在超級電容的輸出端加入DC-DC 模塊輸出穩(wěn)定的電壓，可以為多種設備供電，其中二極管D5 保證充電電路的單向充電，避免超級電容對發(fā)電機做功，D1-D4的作用使發(fā)電機的正反轉(zhuǎn)都能對電容充電。6、產(chǎn)品項目設計創(chuàng)新點及優(yōu)勢高效和快速的能量轉(zhuǎn)換。應用超級電容，充電速度快，環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達150 萬次，沒有“記憶效應” ， 大電流放電能力超強，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率A

12、 90% 功率密度高，相當于電池的510倍;產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護；超低溫特性好，溫度范圍寬-40C+70C;很小的體積下達到法拉級的電容量；無須 特別的充電電路和控制放電電路；超級電容器可焊接，因而不存 在像電池接觸不牢固等問題。能源高效轉(zhuǎn)換。渦輪發(fā)電機構(gòu)中的環(huán)形噴口設計可以實現(xiàn)水 動能向機械能的高效轉(zhuǎn)換，葉片設計成勺形也是極大程度的減少 了沖擊過程中能量的損失。突破創(chuàng)新。利用水管中水能的設計理念比較具有創(chuàng)新性，機 構(gòu)的設計更是在原有的極少水能發(fā)電裝置的基礎上實現(xiàn)了突

13、破?？蔀槎喾N設備供電。 由于采用變壓器裝置，使得本產(chǎn)品可以 根據(jù)用電需要，給手機、電腦等小功率用電設備進行充電，實現(xiàn) 了真正的移動電源作用，可做應急能源使用。設備簡單，易于工廠化生產(chǎn)。本設計產(chǎn)品實用性強，適用范圍廣。結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本低廉，易于工廠化批量生產(chǎn), 能夠在我國各個學校廣泛投入使用。綠色環(huán)保，推動節(jié)能發(fā)展。利用機械電子技術(shù)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn) 化，充分利用資源，實現(xiàn)了能源綠色發(fā)展，對于建設資源集約型 社會具有十分重要的意義。7、產(chǎn)品經(jīng)費預算物品名稱數(shù)量市場價超級電容225 元水輪機130 元發(fā)電機140 元其它20元合計115元8、產(chǎn)品市場前景分析在國內(nèi)市場上，我國是全世界人口最多的國

14、家，每天消耗的水資源也位居全球前幾位，隨著我國經(jīng)濟條件的提升，人們的物質(zhì)生活也越來越高， 電力消耗巨大，而水里蘊藏著巨大的能源，如何更好地利用水能越來越受到人們的重視，水龍頭的水能發(fā)電將是一大創(chuàng)新，人們對電力的需求在不斷地上升，物美價廉也是我們選擇物品的一大參考因素，我們設計出的水能發(fā)電機不但有較強的實用性，而且價格低廉，是人們可承受能力之內(nèi)。相信在倡導節(jié)約環(huán)保，綠色能源的今天，會受到人們的熱捧！9、內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件展示環(huán)形噴頭傳動軸定子鐵芯定子線圈集電環(huán)集電環(huán)內(nèi)套10 、作品設計總結(jié)通過此次機械創(chuàng)新大賽水管水能發(fā)電裝置， 我們將課堂上學習的只是運用到實踐中來。因為一個好的創(chuàng)意，不僅可以讓我們確定

15、我們的方向，還可以調(diào)動我們團隊中每個人的積極性。我們團隊分工明確、目標堅定，不僅在設計過程中熟悉和了解了機制專業(yè)的相關(guān)知識，而且也運用了很多非本專業(yè)的知識，為后期的學習打下了一個良好的基礎。獨特的創(chuàng)意可以讓我找的我們所要研究的方向，同時，使我們不在那樣漫無目的的亂想，使我們的精力不再分散，讓我們可以更集中精力來對我們的創(chuàng)意進行改進和完善。與此同時，好的創(chuàng)意還可以調(diào)動我們團隊的積極性，因為創(chuàng)意使我們團隊的人想出來，經(jīng)過商議得來的，只有你的創(chuàng)意讓每個人都讓同才能讓別人同意。所以，好的創(chuàng)意是經(jīng)過團隊的人經(jīng)過討論得來的，而且得到了團隊人的認可，所以好的創(chuàng)意可以調(diào)動團隊的積極性。此外，通過此次機械創(chuàng)新設計，我