大学生课题研究-挑战杯参赛范文-自发电式水龙头的研究

大学生课题研究-挑战杯参赛范文-自发电式水龙头的研究 自发电式水龙头的研究 1.前言 我们每天的生活都离不开电。有了电，机器可以转动，能织布，能灌溉;有了电，电灯会亮，收音机会响，电视机屏幕能出现图像;有了电， 电的用处这么大,那你知道电是从哪儿来的吗?电是就能通电话、发电报…… 发电机发出来的.就拿火力发电来说,煤矿工人把煤从地下采掘出来,火车\轮船把它运到发电厂,发电厂的工人把煤块磨成煤粉,再把煤粉送到高大的锅炉,把锅炉里的水烧成蒸气,蒸汽推动汽轮机,汽轮机带动发电机,才能发出强大的电。你们看，每度电凝结着多少工人叔叔的辛勤劳动啊～电能既是最重要的能源，又是消耗其他能源生产的能源产品。有资料显示，中国电力消耗量仅次于美国，已居世界第二位，而由于节能、节电意识薄弱造成的电能浪费占相当的比重。节约用电是国家发展经济的一项长期战略方针，是一项利国利民的事业，有利于提高资源利用率，减少环境污染，符合环保和社会可持续发展的原则，有利于减轻我市电网的负载压力，缓解能源短缺状况，有利于提高经济增长的质量和取得较好的经济效益和社会效益。 我国是一个拥有13亿人口的大国，用电需求量很大，而且我国一直是世界上用水最多的国家，同时也是水资源浪费最严重的国家之一。特别是城市生活中的用水更为严重，城市生活用水的数量虽远远低于农业用水和工业用水量，但生活用水中人们对水资源的毫不吝惜和肆无忌惮的浪费却与农业用水和工业用水相差不大。 据报道广东2007年全省人均综合用水量493立方米，而2007年全国人均综合用水量只有438立方米。在一般人的心目中，广东处于中国大陆 1 最南端，雨量充沛，水资源充足。因此，广东人长期以来形成了用水不用愁，想怎么用就怎么用的习惯。不论农业、工业，还是城镇生活用水都存在严重的浪费现象。各行业用水定额普遍高于其他省份。但实际水资源拥有量并不高。据介绍，目前广东水资源人均占有量为2118立方米，还不到全国人均2200立方米的水平，仅相当于世界人均水资源占有量的四分之一。有一个浪费水动作是我们大家经常做的。现在，我们看到许多店家都是用消毒好、并用塑料包好的餐具给顾客使用，但还是有食客习惯性地用热茶涮一下才用。这就是对水的浪费。对于这个习惯，我们如果从节约用水的角度看，那就是非常大的浪费。如果按一杯水1/8升计算，8位顾客就要用掉1升，8000位顾客就是1吨水，也就是1立方米水，8万顾客就是10立方米水。按去年初广州市常住加流动人口统计，已经达到1200万人。粗算一下，如果每人每天一次到餐馆吃饭，光涮餐具的水就浪费掉1500立方米，一年下来，就是54.75万立方米的水。 水和电不是取之不尽用之不竭的能源。所以我们必须要节能。节约电能是我们每人必须做到的，更重要的是我们是否能用上自己造出来的电呢。为工人叔叔减轻一点微微的压力吧。水龙头哗哗地流着水，人却不知去向;洗澡时倒上上一大缸水，泡个十来分钟后又任其哗哗流走„„一次在洗澡时我感到自来水打在身上非常疼，这么大的力让我想到了水力发电机，如果让这些水力为大家做点贡献的话，那是一个可想而知的经济效益。 现在我们研究了一种利用水龙头的水流来发电的装置即自发电式水龙头，又叫水力发电式水龙头。本装置由水动涡轮和微型发电机组成.包括管体，在管体内设置着具有水流通道的支撑架，支撑架与管体轴线相垂直，在支撑架上安装着叶轮，叶轮叶片的外周缘上分别设置着磁铁块，在叶轮 2 四周的管体内壁上嵌装着封闭线圈，线圈通过导线与安装在管体内壁中的整流器相连，整流器外接用电器。水动涡轮机的主体部分为圆锥(或类似)形状，分隔装有一系列车叶。每一车叶与主体连接，上端装于主体中部，其径向尺寸由上至下递增，而倾斜度递减。相邻车叶间有一由上至下越来越大的凹槽，向主体中轴区域提供一较低的压力，即可获得较高的效率。使用时，将其安装在水龙头出口处，水流就电并通过整流器供外接用电器使用。会冲刷叶轮可将出水的压力有效地转换为电能，是一种可利用流水为自身提供能量的新型感应式水龙头。利用管道自身水压力(?0.1—0.6MPa)资源将水能转化成电能，储存在储电器中。把这些电能转化为现在卫生间洗手台等地方使用的自动感的水龙头的电源装置，就可以解决电源问题，并节省不少的费用。 附 录 微型水动蜗旋机 示意图 2.该装置的优点 2.1、无污染，安全性高。 这种方法不污染环境，不需要使用及其或化学制剂，只需简单的让水流通过管道，而常规发电方式，煤的燃烧过程中排放出大量的有害物质使大气环境受到严重污染，引发酸雨和“温室效应”等多方面的环境问题。 3 而核能发电有很大的潜在危险性，一旦泄漏造成污染，对环境的破坏作用是不可估量的。利用水流发电不排放有害的气体、烟尘和灰渣，又没有核辐射污染，是一种清洁的电力生产，具有明显的优势。 2(2、设备简单，发电成本低。 常规发电一般使用的燃料是煤，其成本占发电总成本的60%，所占比例非常大。近年来煤炭又价格大幅上涨。常规发电必定制约国家经济的发展。核能发电需要相当的技术和人力，规模浩大，在加上污染的处理，成本更是重中之重。所以发展新能源有着相当的必要性。新型水流发电装载设备简便，不需要大的人力，大大的节约了能源，而且成本较低。 2.3、发展前景可观。 电力是现代化工业生产和生活不可或缺的动力能量，水力发电是电力工业的一个门类。建国50多年来，我国的水电事业有了长足的发展，取得了令人瞩目的成绩。水电在我国的兴起是有其深刻的背景的。我国有大规模利用水能资源的条件和必要性。我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，在世界各国中均居第一位。但是目前我国水能的利用率仅为13,，水力发电前景广阔。随着我国经济的快速增长，能源消耗总量也大幅度增长，煤炭、石油和天然气这些常规能源的消耗量越来越大，甚至需要依靠进口。预计到2010年我国大约需要进口1亿t石油，并且其进口依存度将达40,左右，甚至更高。在这样的情势下，发展新能源就显得非凡重要而紧迫。而水能就是一种可再生的新能源，它取之不尽用之不竭。 2.4、应用广泛。 种新型水流发电可广泛应用到各个领域，最受益的就是我们现实生活， 4 比如家庭的各个水龙头都有这种装置，我们用水的同时水流发的电再慢慢积累，它有效的节约了我们的电能。还可应用到感应式水龙头，提供感应开关的供电，不必担心感应器断电而麻烦的拆卸龙头而更换电池。还有电子水表仪的应用，同样提供不间断电源，对于地下难以处理的管道出电子仪表有着举足轻重的用途，而水流发电设备就它工作的根本之处。 3.高科技手段的介绍 发电机的监测包括温度测量、振动测量、对地绝缘电阻测量、漏水测量、氢气湿度测量和机内放电无线电射频监测和发电机局部过热监测等。 测温元件是发电机运行中一个重要的耳目。监测发电机内部温度的测温元件分两大类即电阻测温元件及热电偶。通过电液调速装置 DEH 自动监测或监控发电机运行情况。此外，励磁系统的一些开关量参数也通过 DEH 显示或报警。 1 监测定子铁芯温度 在定子边段铁心的齿顶和扼中、压指及磁屏蔽上设置热电偶，汽励两端各 6 个，两端共 12 个热电偶元件。铁芯中部两个热风区的齿部和辆部各埋置 2 个热电偶，两个热风区共 4 个热电偶元件。总共 16 个铜一康铜T分度热电偶监测铁芯温度。 监测定子绕组、主引线及出线瓷套端子温度 在近汽端定子槽部上下层线棒之间埋置电阻测 Cu5O 铜电阻或 Pt100 铂电阻测温元件、温元件，每槽 1 个，共 4 二个 监测线棒层间温度。 在汽端总出水汇流管的上下层线棒出水接头上各装有测温热电偶 l 个，共有 84 个铜一康铜T分度热电偶监测回水温度。 在出线盒内出水汇流管的水接头上各装 1 个热电偶，共有 6 个铜一康铜 T 分度热电偶元件监测主引线及六个出线瓷套端子的回水温度。 2 监测定子绕组冷却水总进出水管水温 在励端总进水管和汽端总 5 出水管上各设 1 个双支式镍铬一康铜 E 分度热电偶元件(共 2 个)，其中各有 1 支接 ATC 。 3 监测轴承温度 在汽励两端的下半轴承可倾瓦块内各设 1 个双支式热电偶，其中 1 支是接到 ATC 去的。两端轴承共有 2 个双支式镍铬一康铜 E 分度热电偶测温元件。 在汽、励两端的轴承回油管及无刷励磁机轴承(或滑环端轴承)回油管上各设 l 个双支式镍铬一康铜 E 分度热电偶监测回油温度，其中 l 支接 ATC 。 4 监测轴系振动 在汽励两端和励磁机的轴承外挡油盖上各设一个非接触式拾振器，测量转子轴颈振动，两端共 3 只均接至 ATC 。 5 监测轴承座、轴承止动销、上半轴瓦绝缘垫块、下半轴瓦绝缘衬块、密封支座、中间环、高压进油管及外档油盖的绝缘电阻 在发电机励端轴承座、轴承止动销、上半轴瓦绝缘垫块、下半轴瓦绝缘衬块、密封支座、中间环、高压进油管及外挡油盖处均设双重绝缘，在这些部件上均接有引出到机外的测量引线，供在发电机运行期间监测其绝缘电阻:这些测量引线先接到励端下半外档油盖上的接线端子板上。 6发电机漏水监测 在发电机出线盒、机座中部、下部、机座顶部冷却器外置的底部及中性当外罩处，均装设法兰或螺孔，用管道与装设在机外的浮子式液位控制器即发电机漏水探测器相连接，以便检测漏水情况，也可从那里排污.. 7 监测机内放电无线射频该装置 通过设置在发电机中心点接地线上的频率变送器来监视发电机线圈或其它带电部件的机内局部电弧放电事故。 6 7 4.发电机的具体原理介绍: 发电机有直流发电机和交流发电机分，有两部分组成，其一是用于提供磁场的磁铁，多数是采用电磁铁，叫做“激磁线圈”或“励磁线圈”，又叫感应器。其二是获得电动势的线圈叫做电枢。为了获得较强和均匀的磁场，这两种线圈都是绕再铁芯上的，两个绕组中有一个是固定不动的，叫做“定子”。另一个时刻转动的叫“转子”。 工作原理:利用水流下来的能量是转子转动起来，定子和转子之间的相互运动使电枢线圈包围的磁通发生着变化，感应出电动势来，如果线圈的两端是接在同轴的两个滑环上，每个滑环上都压着碳刷通过碳刷把电力输送出去，如此得到是交流电。如果以“转换器”代替滑环，输出的是直流电。如图 8 实际的电枢绕组匝数很多，图中只画出一匝示意，如果匝数是N,每一区的面积都为S,线圈平面的法向与磁场之间的夹角为( ωt+φ )，那么线圈内的磁通链就为 ψ=NSBcos(ωt+φ) B是磁铁提供的磁感应强度，W是线圈转动角速度。根据法拉第电磁感应定律得电动势: E=ωNSBsin(ωt+φ)=Emsin(ωt+φ) 这样我们就把发出来的电储存在铅蓄电池中，来为卫生间感应水龙头工作供电，增设水力发电机构以后，改变了以往感应水龙头工作时全部依赖干电池或交流电供电的状态，改造后的感应水龙头工作用电由储存在电容器中的电能提供，提高了产品高频率使用下的电源稳定性和实用性。有效降低了感应水龙头日常所需的更换电池的麻烦，又起到保护生态环境，节省商业成本的目的，实现了节能目标。 5.铅蓄电池的优点和原理介绍 铅蓄电池的特点: 铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量(单位重量所蓄电能)小，对环境腐蚀性强。铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好(尤其适于干式荷电贮 9 存)、造价较低，因而应用广泛。 铅蓄电池的工作原理: 铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。充电后的正极板是棕褐色的二氧化铅(PbO2)，负极板是灰色的绒状铅(Pb)，当两极板放置在浓度为27,,37,的硫酸(H2SO4)水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，二价的铅正离子(Pb2+)转移到电解液中，在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围，而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅(PbO2)渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质——氢氧化铅〔Pb(OH4〕)。氢氧化铅由4价的铅正离子(Pb4+)和4个氢氧根〔4(OH)-〕组成。4价的铅正离子(Pb4+)留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子(H+)和硫酸根负离子(SO42-)，在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO4)。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子(Pb4+)化合成2价的铅正离子(Pb2+)，并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。 随着蓄电池的放电，正负极板都受到硫化，同时电解液中的硫酸逐渐减少，而水分增多，从而导致电解液的比重下降在实际使用中，可以通过测定电解液的比重来确定蓄电池的放电程度。在正常使用情况下，铅蓄电池不宜放电过度，否则将使和活性物质混在一起的细小硫酸铅晶体结成较 10 大的体，这不仅增加了极板的电阻，而且在充电时很难使它再还原，直接影响蓄池的容量和寿命。铅蓄电池充电是放电的逆过程。 铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下: 正极:PbO2 + 2e + HSO4- + 3H+ == PbSO4 + 2H2O 负极:Pb + HSO4-==PbSO4+H+ + 2e 作品实物参考图 参考文献 11 ,1,:Jin Woo Han 《微力学及微工程学杂志》， ,2,:英国《泰晤士报》 12