CN103343725B - 基于微型水斗与pvdf膜压电技术的复合雨水发电装置 - Google Patents

基于微型水斗与pvdf膜压电技术的复合雨水发电装置 Download PDF

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Abstract

基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，属于水力发电领域，本发明为解决现有雨水发电装置成本高、安装调试过程繁琐的问题。本发明包括排雨管道的入水口设置水位自动控制单元，在水位自动控制单元的下方设置微型水斗发电单元，在排雨管道的出水口设置PVDF压电模块发电单元；水位自动控制单元包括浮球、V型连杆、具有通孔的隔板、阀门和磁铁，V型连杆固定在排雨管道的内侧壁上，V型连杆下方设置有具有通孔的隔板，阀门与具有通孔的隔板上的通孔相配合让雨水通断，微型水斗发电单元包括微型水斗轮毂、m个微型水斗叶片、主动轮、从动轮、皮带和水斗发电电路；PVDF压电模块发电单元包括PVDF压电膜和PVDF发电电路。

Description

基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置
技术领域
本发明涉及基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，属于水力发电领域。
背景技术
伴随着人类文明的进步，能源与环境已经成为21世纪人类社会发展面临的重大核心问题。目前广泛使用的煤炭、石油以及天然气等化石能源给生态环境造成了严重的影响和破坏，且其储量正在日益减少，价格也在不断攀升，由此引发的能源危机和战争也日趋增多。为了实现能源的可持续发展，我国一方面必须“开源”，即开发核电、风电等新能源和可再生能源，另一方面还要“节流”，即调整能源结构，大力实施节能减排。雨水作为清洁绿色的可再生能源，有着巨大的发展潜力。目前，城市中的高层建筑越来越多，降落到楼顶的雨水要经过排水管道排到地面，这些雨水所蕴含的重力势能是非常可观的。如果合理利用这部分雨水的势能进行发电，将产生电能用于路灯或紧急照明系统，将在一定程度上实现节能减排的目标。
现有的可供选择的雨水发电方案有三种，分别是阵列式分布发电、汇流式集中发电和混合式一体化发电系统。这些雨水发电系统的应用存在初期投入较大、安装调试过程繁琐等问题，汇流式集中发电和混合式一体化发电系统还存在过分依赖整个建筑的集水与导流系统的问题，缺乏因地制宜的灵活性。一个发电系统往往只应用在某个具体的建筑物上，普适性差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有雨水发电装置成本高、安装调试过程繁琐的问题，提供了一种基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置。
本发明所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，它包括排雨管道的入水口设置水位自动控制单元，在水位自动控制单元的下方设置微型水斗发电单元，在排雨管道的出水口设置PVDF压电模块发电单元；
水位自动控制单元包括浮球、V型连杆、具有通孔的隔板、阀门和磁铁，
V型连杆固定在排雨管道的内侧壁上，V型连杆的上分支和下分支沿固定在排雨管道的支点上下转动，V型连杆下方设置有具有通孔的隔板，
具有通孔的隔板嵌入排雨管道的内腔，阀门与具有通孔的隔板上的通孔相配合，阀门的固定端与具有通孔的隔板连接，阀门的自由端通过绳索与V型连杆的下分支连接；阀门的自由端还通过绳索与浮球的下端连接；磁铁设置在具有通孔的隔板上表面的阀门固定端位置；
微型水斗发电单元包括微型水斗轮毂、m个微型水斗叶片、主动轮、从动轮、皮带和水斗发电电路；m为大于或等20的正整数；
沿微型水斗轮毂圆周均匀设置m个微型水斗叶片，所有微型水斗叶片的凹槽朝向一致，且保证任一时刻均有位于具有通孔的隔板的通孔下方的微型水斗叶片，通孔下方的微型水斗叶片的凹槽朝上；
微型水斗轮毂的主轴上设置主动轮、从动轮设置在排雨管道的外侧壁上，主动轮和从动轮之间通过皮带配合联动；从动轮的动能输出端连接水斗发电电路的动能输入端，水斗发电电路输出电能；
PVDF压电模块发电单元包括PVDF压电膜和PVDF发电电路，PVDF压电膜设置在微型水斗发电单元下方，并嵌入排雨管道内，PVDF压电膜与具有通孔的隔板平行；PVDF压电膜的雨水震动动能输出端连接PVDF发电电路的动能输入端，PVDF发电电路输出电能。
本发明的优点：针对现有的雨水发电系统存在的问题，本发明复合雨水发电装置实现了雨水发电装置的模块化，可灵活安装在不同的建筑物的排雨系统上，提高了灵活性与普适性。装置制作简单，利用了生活中的废弃物与简易的机械零件，降低了成本，实现了废物利用、节能环保的目的。
本发明复合雨水发电装置可分为三个主要模块，分别是水位自动控制单元、微型水斗发电单元和PVDF压电模块发电单元。每个单元相互独立，可以根据建筑物的实际情况分别安装在排雨管道的不同部位；每个单元又相互联系，组成一个有机的整体，共同实现雨水能量多级利用。
附图说明
图1是本发明所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置的结构示意图；
图2是微型水斗发电模块结构示意图；
图3是PVDF膜压发电电路图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，它包括排雨管道6的入水口设置水位自动控制单元，在水位自动控制单元的下方设置微型水斗发电单元，在排雨管道6的出水口设置PVDF压电模块发电单元；
水位自动控制单元包括浮球1、V型连杆2、具有通孔的隔板5、阀门3和磁铁4，
V型连杆2固定在排雨管道6的内侧壁上，V型连杆2的上分支和下分支沿固定在排雨管道6的支点上下转动，V型连杆2下方设置有具有通孔的隔板5，
具有通孔的隔板5嵌入排雨管道6的内腔，阀门3与具有通孔的隔板5上的通孔相配合，阀门3的固定端与具有通孔的隔板5连接，阀门3的自由端通过绳索与V型连杆2的下分支连接；阀门3的自由端还通过绳索与浮球1的下端连接；磁铁4设置在具有通孔的隔板5上表面的阀门3固定端位置；
微型水斗发电单元包括微型水斗轮毂8、m个微型水斗叶片7、主动轮14、从动轮12、皮带13和水斗发电电路11；m为大于或等20的正整数；
沿微型水斗轮毂8圆周均匀设置m个微型水斗叶片7，所有微型水斗叶片7的凹槽朝向一致，且保证任一时刻均有位于具有通孔的隔板5的通孔下方的微型水斗叶片7，通孔下方的微型水斗叶片7的凹槽朝上；
微型水斗轮毂8的主轴上设置主动轮14、从动轮12设置在排雨管道6的外侧壁上，主动轮14和从动轮12之间通过皮带13配合联动；从动轮12的动能输出端连接水斗发电电路11的动能输入端，水斗发电电路11输出电能；
PVDF压电模块发电单元包括PVDF压电膜10和PVDF发电电路9，PVDF压电膜10设置在微型水斗发电单元下方，并嵌入排雨管道6内，PVDF压电膜10与具有通孔的隔板5平行；PVDF压电膜10的雨水震动动能输出端连接PVDF发电电路9的动能输入端，PVDF发电电路9输出电能。
浮球1的密度小于雨水的密度。
本实施方式复合雨水发电装置的工作过程为：降落在建筑物顶端的雨水，汇流后流入排雨管道6。经过排雨管道6入口处的过滤装置把树叶等杂物滤掉，进入水位自动控制单元。液面升高到设定值后，浮球1带动阀门3的活动端，打开阀门3，阀门3与磁铁4吸合在一起，雨水从具有通孔的隔板5的通孔竖直射出，在排雨管道6中加速后，冲击微型水斗叶片7。微型水斗高速转动，由传动装置将转动传递给从动轮12主轴，从动轮12的动能由水斗发电电路11转化成电能，进行发电。这部分电能可用于建筑物紧急照明系统或是路灯。从水斗中流出的雨水还具有相当一部分能量，这部分雨水落入排雨管道6出口附近的PVDF膜压电发电单元，为了实现能量多级利用，在出口处安装PVDF膜压电装置，出水击打在膜表面产生振动转化成电能。
当没有雨水时，浮球1下降，并由于重力，压在V型连杆2的上分支上，V型连杆2向下转动，其下分支通过绳索带动阀门3的活动端回到原始位置，盖住通孔。
本实施方式中，微型水斗轮毂8和m个微型水斗叶片7构成微型水轮机，微型水轮机既保证转轮效率，又易于制作，材料便宜易得。
根据水斗式水轮机原理模型进行水轮机主要尺寸的设计，同时用随处可见的不锈钢勺代替形状复杂的水斗。
实现对雨水的收集与流量管理，保证微型水轮机在工作时间内发电量稳定。
水位自动控制单元可安装在建筑物的排雨管道6中，拆卸方便，可摆脱整个发电装置对建筑物集水系统的依赖。同时可在无能耗的条件下，通过简单机的械原理实现阀门3的自动开启与关闭，以保证水量达到一定水位后才可以冲击水斗，同时控制水流基本恒定，使一段时间内发电量均匀稳定。水位下降到一定程度后阀门3自动关闭。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，m=24。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，具有通孔的隔板5的孔径为3cm～5cm。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，水斗发电电路11包括线圈和一对磁极，线圈设置在一对磁极之间，从动轮12的输出轴带动线圈旋转，从线圈的滑环输出电能。
具体实施方式五：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，PVDF发电电路9包括MAX1672稳压芯片、压电膜输出交流电源VS、蓄电池DS、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电解电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、线圈L1、二极管D1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、稳压二极管D4和稳压二极管D5；
压电膜输出交流电源VS的一端同时连接电容C1的一端、电阻R1的一端、电容C2的一端和二极管D1的正极相连；
电容C2的另一端同时连接二极管D2的负极和二极管D3的正极相连；二极管D1的负极同时连接二极管D2的正极管电容C3的一端；
二极管D3的负极同时连接电容C4的一端、稳压二极管D4的负极、电解电容C5的正极、电容C6的一端、电阻R2的一端、线圈L1的一端和MAX1672稳压芯片的IN管脚相连；
C1的另一端、电阻R1的另一端、电容C3的另一端、电容C4的另一端、稳压二极管D4的正极和电解电容C5的负极连接在一起，并接地；
电容C6的另一端接地；
电阻R2的另一端同时连接电阻R3的一端和MAX1672稳压芯片的PGI管脚；电阻R3的另一端接地；
线圈L1的另一端同时和MAX1672稳压芯片的LX管脚和稳压二极管D5的正极相连；
稳压二极管D5的负极同时与MAX1672稳压芯片的PS管脚和电容C8的一端相连；电容C8的另一端接地；
MAX1672稳压芯片的ONA管脚、ONB管脚、3/5管脚和ILIM管脚连接在一起，并接地；
MAX1672稳压芯片的OUT管脚同时连接电阻R4的一端、电阻R5的一端、电容C9的一端和蓄电池DS的正极电源端相连；
电阻R4的另一端和电阻R5的另一端连接在一起，并连接MAX1672稳压芯片的PGO管脚；
电容C9的另一端和蓄电池DS的负极电源端相连，并接地；
电阻R4的另一端还与电阻R6的一端和MAX1672稳压芯片的FB管脚相连；
电阻R6的另一端同时与MAX1672稳压芯片的GND管脚、PGND管脚和电容C7的一端相连；并接地；
电容C7的另一端与MAX1672稳压芯片的REF管脚相连。
本实施方式充分考虑了装置的工作环境与应用目标，设计了如图3所示的电路，最终实现了利用PVDF膜的正压电效应进行发电的目的，这部分电量可为小功率电子设备供能。
PVDF发电电路包括功率调理与能量存储电路两部分。功率调理电路为整流电路。为提高输出电压平均值，采用梯形二倍压整流电路。基于超级电容与铿电池的特点，能量存储系统采用超级电容进行前一级的初步能量聚集，当超级电容的电荷累计到一定程度即可通过稳压充电电路对可充电电池进行稳压充电。

Claims (6)

1.基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，在排雨管道(6)的入水口设置水位自动控制单元，在水位自动控制单元的下方设置微型水斗发电单元；水位自动控制单元包括浮球(1)和阀门(3)；
其特征在于，在排雨管道(6)的出水口设置PVDF压电模块发电单元；
水位自动控制单元还包括V型连杆(2)、具有通孔的隔板(5)和磁铁(4)，
V型连杆(2)固定在排雨管道(6)的内侧壁上，V型连杆(2)的上分支和下分支沿固定在排雨管道(6)的支点上下转动，V型连杆(2)下方设置有具有通孔的隔板(5)，
具有通孔的隔板(5)嵌入排雨管道(6)的内腔，阀门(3)与具有通孔的隔板(5)上的通孔相配合，阀门(3)的固定端与具有通孔的隔板(5)连接，阀门(3)的自由端通过绳索与V型连杆(2)的下分支连接；阀门(3)的自由端还通过绳索与浮球(1)的下端连接；磁铁(4)设置在具有通孔的隔板(5)上表面的阀门(3)固定端位置；
微型水斗发电单元包括微型水斗轮毂(8)、m个微型水斗叶片(7)、主动轮(14)、从动轮(12)、皮带(13)和水斗发电电路(11)；m为大于或等于20的正整数；
沿微型水斗轮毂(8)圆周均匀设置m个微型水斗叶片(7)，所有微型水斗叶片(7)的凹槽朝向一致，且保证任一时刻均有位于具有通孔的隔板(5)的通孔下方的微型水斗叶片(7)，通孔下方的微型水斗叶片(7)的凹槽朝上；
微型水斗轮毂(8)的主轴上设置主动轮(14)、从动轮(12)设置在排雨管道(6)的外侧壁上，主动轮(14)和从动轮(12)之间通过皮带(13)配合联动；从动轮(12)的动能输出端连接水斗发电电路(11)的动能输入端，水斗发电电路(11)输出电能；
PVDF压电模块发电单元包括PVDF压电膜(10)和PVDF发电电路(9)，PVDF压电膜(10)设置在微型水斗发电单元下方，并嵌入排雨管道(6)内，PVDF压电膜(10)与具有通孔的隔板(5)平行；PVDF压电膜(10)的雨水震动动能输出端连接PVDF发电电路(9)的动能输入端，PVDF发电电路(9)输出电能。
2.根据权利要求1所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，其特征在于，浮球(1)的密度小于雨水的密度。
3.根据权利要求1所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，其特征在于，m＝24。
4.根据权利要求1所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，其特征在于，具有通孔的隔板(5)的孔径为3cm～5cm。
5.根据权利要求1所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，其特征在于，水斗发电电路(11)包括线圈和一对磁极，线圈设置在一对磁极之间，从动轮(12)的输出轴带动线圈旋转，从线圈的滑环输出电能。
6.根据权利要求1所述基于微型水斗与PVDF膜压电技术的复合雨水发电装置，其特征在于，PVDF发电电路(9)包括MAX1672稳压芯片、压电膜输出交流电源VS、蓄电池DS、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电解电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、线圈L1、二极管D1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、稳压二极管D4和稳压二极管D5；
压电膜输出交流电源VS的一端同时连接电容C1的一端、电阻R1的一端、电容C2的一端和二极管D1的正极相连；
电容C2的另一端同时连接二极管D2的负极和二极管D3的正极相连；二极管D1的负极同时连接二极管D2的正极管电容C3的一端；
二极管D3的负极同时连接电容C4的一端、稳压二极管D4的负极、电解电容C5的正极、电容C6的一端、电阻R2的一端、线圈L1的一端和MAX1672稳压芯片的IN管脚相连；
C1的另一端、电阻R1的另一端、电容C3的另一端、电容C4的另一端、稳压二极管D4的正极和电解电容C5的负极连接在一起，并接地；
电容C6的另一端接地；
电阻R2的另一端同时连接电阻R3的一端和MAX1672稳压芯片的PGI管脚；电阻R3的另一端接地；
线圈L1的另一端同时和MAX1672稳压芯片的LX管脚和稳压二极管D5的正极相连；
稳压二极管D5的负极同时与MAX1672稳压芯片的PS管脚和电容C8的一端相连；电容C8的另一端接地；
MAX1672稳压芯片的ONA管脚、ONB管脚、3/5管脚和ILIM管脚连接在一起，并接地；
MAX1672稳压芯片的OUT管脚同时连接电阻R4的一端、电阻R5的一端、电容C9的一端和蓄电池DS的正极电源端相连；
电阻R4的另一端和电阻R5的另一端连接在一起，并连接MAX1672稳压芯片的PGO管脚；
电容C9的另一端和蓄电池DS的负极电源端相连，并接地；
电阻R4的另一端还与电阻R6的一端和MAX1672稳压芯片的FB管脚相连；
电阻R6的另一端同时与MAX1672稳压芯片的GND管脚、PGND管脚和电容C7的一端相连；并接地；
电容C7的另一端与MAX1672稳压芯片的REF管脚相连。
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