一种家庭自来水发电系统.docx

一种家庭自来水发电系统CN 201372884 Y摘要本实用新型及一种家庭自来水发电系统，由室外进水管、进水电动阀、进水发电机、进水蓄水箱、用水发电机、室内给水管、排水蓄水箱、排水电动阀、排水发电机、室外排水管、蓄电池、充电器、发电控制器组成家庭自来水发电系统。由发电控制器控制，自来水从室外进水管快速流过进水发电机，推动进水发电机发电，厨房用水、洗浴用水、清衣服用水时，进水蓄水箱中储存的自来水经室内给水管流过用水发电机，推动用水发电机发电，使用后的自来水流入排水储水箱储存，流经排水发电机，推动排水发电机发电。进水发电机、用水发电机、排水发电机发出的交流电，经充电器向蓄电池充电供家庭使用。权利要求(9)1、一种家庭自来水发电系统，所述的家庭自来水发电系统包括室外进水管、室内给水管、排水发电机、室外排水管、蓄电池，其特征是还具有进水电动阀、进水发电机、用水发电机、进水蓄水箱、排水蓄水箱、排水电动阀、充电器、发电控制器；具体结构是：在家庭厨房、浴室的顶棚上安装进水蓄水箱，进入家庭的室外进水管安装进水电动阀，进水电动阀出口连接至进水发电机进水口，进水发电机出水口连接至进水蓄水箱上端，进水蓄水箱下端放水口连接至用水发电机进水口，用水发电机出水口连接至室内给水管，厨房清洗台台面下安装排水蓄水箱，清洗缸、浴盆、洗衣机的排水口经单向阀连接至排水蓄水箱的上端，厨房外安装排水发电机，排水蓄水箱出水口经排水电动阀连接至排水发电机进水口，排水发电机出水口连接至室外排水管；进水储水箱、排水储水箱设置水位检测开关，水位检测开关、进水发电机、用水发电机、排水发电机的输出信号经光电隔离后分别连接至发电控制器的输入端口，发电控制器的输出端口经光电隔离后分别连接进水电动阀、排水电动阀、充电器的固态继电器的控制端，进水电动阀、排水电动阀经固态继电器的触头连接蓄电池，进水发电机、用水发电机、排水发电机分别经固态继电器触头连接充电器输入端，充电器输出端连接蓄电池。2、 如权利要求l所述的家庭自来水发电系统，其特征是进水蓄水箱箱体采用工程塑料压 制成带翻边的长方体形状，翻边上加工连接箱盖的螺纹孔，箱体两侧面加工进水的接头螺纹 孔，箱体底部加工主出水孔，主出水孔附近加工安装用水发电机的安装孔，箱盖采用工程塑 料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装废水发电机的圆孔，圆孔边沿加工安装0形密 封圈的倒角，圆孔附近加工安装密封压盖的螺纹孔，与圆孔相配加工一个带圆孔的密封压盖， 圆孔直径和微型水轮机外壳直径相等，密封压盖边沿加工安装孔，箱盖边沿加工安装孔。3、 如权利要求1所述的家庭自来水发电系统，其特征是用水发电机由机箱、微型水轮机、 低压直流发电机一电动机组成；机箱采用工程塑料压制成带翻边的长圆柱形状，翻边上加工连接箱盖的螺纹孔，箱体一个侧面加工进水的接头螺纹孔，箱体底部偏心加工主出水孔，主 出水孔附近加工安装微型水轮机的安装孔，箱盖采用工程塑料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装排水发电机的圆孔，圆孔边沿加工安装0形密封圈的倒角；低压直流发电ITL一电动机组的定子嵌入永久磁铁构成磁场，电枢上嵌入家电机绕组和电动机绕组，在电枢的一 端安装滑环、电刷向电动机绕组引入驱动电流，在电枢另一端安装滑环、电刷引出发电机绕 组发出的电压；微型水轮机用螺栓安装在机箱的主出水孔位置，微型水轮机输出轴穿出机箱 盖，低压直流发电机一电动机组安装在机箱的机盖上，输入轴与微型水轮机输出轴连接，电 动机输出轴上安装重量轻，转动惯量较大的飞轮，飞轮采用铝合金制作。4、 如权利要求1所述的家庭自来水发电系统，其特征是排水发电机由机箱、微型水轮机、低压直流发电机组成，机箱采用工程塑料压制成带翻边的长圆柱形状，翻边上加工连接箱盖的螺纹孔，箱体一个侧面加工进水的接头螺纹孔，箱体底部偏心加工主出水孔，主出水孔附 近加工安装微型水轮机的安装孔，箱盖采用工程塑料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装排水发电机的圆孔，圆孔边沿加工安装0形密封圈的倒角，微型水轮机用螺栓安装在机箱的主出水孔位置，微型水轮机输出轴穿出机箱盖，低压直流发电机安装在机箱的机盖上， 输入轴与微型水轮机输出轴连接。5、 如权利要求1所述的家庭自来水发电系统，其特征是排水蓄水箱箱体采用工程塑料压 制成带翻边的长方体形状，翻边上加工连接箱盖的螺纹孔，箱体一个侧面加工进水孔，箱盖 采用工程塑料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装螺纹连接孔，密封压盖边沿加工安装孔， 箱盖边沿加工安装孔。6、 如权利要求l所述的家庭自来水发电系统，其特征是进水电动阀、排水电动阀具有相 同结构，由蝶阀、减速器、步进电动机组成，减速器的输出轴与蝶阀的转柄连接，输入轴与 步进电动机的输出轴连接。7、 如权利要求l所述的家庭自来水发电系统，其特征是充电器由PWM集成芯片及外围 电阻、电容、驱动放大管、逆变开关管、逆变变压器、整流二级管、滤波电容组成；PWM集 成芯片选用TL494，驱动放大管选用NPN型三极管，逆变开关管选用N沟道MOSFET开关 管，在TL494集成芯片的时基5、 6引脚外接电阻、电容组成脉宽调制电路，一个电容连接 TL494的第5脚， 一个电阻连接TL494的第6脚，TL494集成芯片的一路脉冲输出引脚9输 出的脉宽控制信号，连接一支驱动放大管NPN型三极管的基极；TL494集成芯片的另一路脉 冲输出引脚10输出的脉宽控制信号，连接另一支驱动放大管NPN型三极管的基极，两支驱 动放大管NPN型三极管的集电极连接成推挽连接形式连接发电机的负极，两支NPN型三极 管的基极与发射极之间分别正向并联二极管， 一支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的栅 极，连接一支驱动放大管NPN型三极管的发射极，另一支逆变开关管N沟道MOSFET开关 的栅极，连接另一支驱动放大管NPN型三极管的发射极，两支逆变开关管N沟道MOSFET 开关管的源极连接后接发电机的负极，两支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的漏极，分 别与逆变变压器初级线圈连接成推挽形式组成逆变主电路，初级线圈的中心抽头经供电固态 继电器的触点与发电机的正极连接，N沟道MOSFET开关管安装在散热片上，散热片安装在 充电器盒上，通过机盒散热，逆变变压器选用铁氧体磁芯绕制，容量30VA,磁芯截面30X 40平方毫米，初级绕组用直径0.6毫米漆包线，两根并绕2X60匝，逆变变压器次级绕组用 直径0.6毫米绕漆包线绕70匝，50匝、60匝处抽头，60匝、70匝引出端头分别经变压固 态继电器触点连接整流电路输入端，整流二级管连接成全桥整流电路，电容器并联在全桥整 流电路的正、负极，逆变变压器次级线圈输出的电流整流后经电容器滤波向蓄电池充电。8、 如权利要求l所述的家庭自来水发电系统，其特征是发电控制器由单片机系统、输入接口电路、输出驱动电路组成，单片机芯片选用AT89C51,输入输出接口芯片选用82C55, 输入接口电路四组，输出功率驱动电路四组，设置两只指示灯， 一只接入单片机系统，一只 接入输出功率驱动，设置启动、停止按钮控制发电控制器，将单片机系统，四组输入接口电 路，以及两组双列二十脚插座制作在主电路板上，二组步进电动机驱动电路，四组开关控制 的输出驱动电路，都分别单独制作单元电路板，主电路板、单元电路板以上下重叠的形式放 置，通过两组双列二十脚插座，并行电缆插头连接；输入输出接口芯片82C55的PA0、 PA1、 PA2、 PA3 口作为开关量输入端，PA4、 PA5、 PA6、 PA7 口作为开关量输出端，PBO、 PB1、 PB2、 PB3、 PB4、 PB5、 PB6、 PB7作为开关量输出端，PCO、 PC1、 PC2、 PC3作为输入端， PC4、 PC5、 PC6、 PC7作为输出端，输入接口电路具有相同的结构，82C55的PAO、 PA1、 PA2、 PA3 口分别接上拉电阻后再开关的一端，以一路为例，光电藕合隔离选用4N25,输入插口选 用单列三脚插座；输出功率驱动电路四组，以一组为例，光电隔离选用4N25，集成驱动选用 74LS06，开关控制管选用TIP127，继电器选用固态继电器，输出插口选用单列四脚插座，82C55 的一路输出信号接光电藕合4N25,经隔离后的信号接集成驱动74LS06的一个单元，集成驱 动74LS06的一个单元输出信号推动功率放大管TIP127,功率放大管TIP127的开关回路串接 固态继电器。9、如权利要求1所述的家庭自来水发电系统，其特征是蓄电池选用两组高性能免维护 12V蓄电池。说明一种家庭自来水发电系统 技术领域本实用新型涉及一种家庭自来水发电系统，自来水发电系统由进水蓄水箱、进水发电机、 用水发电机、排水蓄水箱、排水发电机、蓄电池、充电器、发电控制器组成。由于采用新型 电力电子器件，改变了微型发电器件的电气和机械结构，使其能利用家庭自来水发电，因此， 非常适宜在家庭中使用。背景技术自来水供应公司修建的供水水塔很高，高压水泵将自来水抽上供水水塔，再由供水水塔 向用户供水，因此，由自来水公司供应家庭使用的自来水具有很大的位能。自来水供应到家 庭后，家庭每天用于清洗食物、蔬菜、清衣服、洗澡的自来水用量比较大，但这些自来水使 用后，都直接排入下水道流走，没有回收自来水具有的位能。在楼房单元住宅区，上一层楼 住户清洗食物、蔬菜、清洗衣服、个人洗浴使用的自来水直接排入下水道流走。将使用的自 来水直接排入下水道流走，没有回收自来水具有的位能并加以利用，是一种能源浪费！回收 家庭中自来水具有的位能，最好的方法是利用自来水位能来发电。但采用现有技术的微型水 力发电器件，都不足以回收家庭使用的自来水的位能。 .由上所述，受现有微型水力发电器件的限制，以及家庭中用水管道布置、安装，造成在 家庭中使用自来水，自来水具有的位能没有充分回收，浪费了能源！发明内容针对现有微型水力发电设备，以及家庭中用水管道布置、安装，不能有效回收自来水位 能的不足。本实用新型的主要目的是：提供一种家庭自来水发电系统和微型水力发电器件， 使其能利用家庭自来水发电。本实用新型的上述目的是这样实现的：由室外进水管、进水电动阀、进水发电机、进水 蓄水箱、用水发电机、室内给水管、排水蓄水箱、排水电动阀、排水发电机、室外排水管、 蓄电池、充电器、发电控制器组成家庭自来水发电系统。在家庭厨房、浴室的顶棚上安装进 水蓄水箱，在进入家庭的室外进水管安装进水电动阀，进水电动阀出口连接至进水发电机进 水口，进水发电机出水口连接至进水蓄水箱上端。进水蓄水箱下端放水口连接至用水发电机 进水口，用水发电机出水口连接至室内给水管。在厨房清洗台台面下安装排水蓄水箱，清洗 缸、浴盆、洗衣机的排水口经单向阀连接至排水蓄水箱的上端。在厨房外安装排水发电机， 排水蓄水箱出水口经排水电动阀连接至排水发电机进水口，排水发电机出水口连接至室外排 水管。进水储水箱、排水储水箱设置水位检测开关。水位检测开关、进水发电机、用水发电 机、排水发电机的输出信号经光电隔离后分别连接至发电控制器的输入端口，发4控制器的 输出端口经光电隔离后分别连接进水电动阀、排水电动阀、充电器的固态继电器的控制端，进水电动阀、排水电动阀经固态继电器的触头连接蓄电池，进水发电机、用水发电机、排水 发电机分别经固态继电器触头连接充电器输入端，充电器输出端连接蓄电池。采用上述技术的家庭自来水发电系统，由发电控制器控制，自来水从室外进水管快速流 过进水发电机，推动进水发电机发电，自来水流入进水蓄水箱储满水。厨房用水、洗浴用水、 清衣服用水时，开启热水器、淋浴器、洗衣机的阀门，进水蓄水箱中储存的自来水经室内给 水管流过用水发电机，推动用水发电机发电，使用后的自来水流入排水储水箱储存。排水储 水箱储满水后，流经排水发电机，推动排水发电机发电。进水发电机、用水发电机、排水发 电机发出的交流电，经充电器向蓄电池充电供家庭使用。由上所述，安装家庭自来水发电系统后，家庭使用自来水时，回收自来水具有的位能发 电。随着家庭自来水使用量的增加，蓄电池储存的电量由逆变器逆变为交流电输出，可供照 明等电器使用，节省工业电能。使部分家用电器不向电网争电，缓解电网供电状态，节 约发电能源。家庭水力发电系统结构紧凑，体积小，不占用地方，利用自来水发电，不过多 增加附属设备，因此，非常适宜在家庭中使用。附图说明以下结合附图对采用本实用新型的实施例进行具体描述： 图l是采用本实用新型的家庭自来水发电系统图。图l中标号l是排水发电机、2是室外排水管、3是排水电动阀、4是排水储水箱、5是 厨房进水蓄水箱、6是蓄电池一、7是蓄电池二、 8是充电器、9是发电控制器、IO是单向 阀、ll是浴盆、12是连接水管、13是浴室进水蓄水箱、14是洗衣机、15是用水发电机、16 是室内给水管、17是进水发电机、18是进水电动阀、19是室外进水管。具体实施方式下面以实施例来说明采用本实用新型的家庭自来水发电系统。如图l所示，由室外进水管、进水电动闳、进水发电机、进水蓄水箱、用水发电机、室 内给水管、排水蓄水箱、排水电动阀、排水发电机、室外排水管、蓄电池、充电器、发电控 制器组成家庭自来水发电系统。(1) 、在家庭厨房、浴室的顶棚上安装进水蓄水箱：(2) 、在家庭的室外进水管上安装进水电动阀，进水电动阀出口连接至进水发电机进水口；(3) 、进水发电机出水口连接至进水蓄水箱上端：(4) 、进水蓄水箱下端放水口连接至用水发电机进水口，用水发电机出水口连接至室内给 水管；(5) 、在厨房清洗台台面下安装排水蓄水箱，浴盆、洗衣机的排水口经单向阀连接至排水 蓄水箱的上端；(6) 、在厨房外安装排水发电机，排水蓄水箱出水口经，水电动阀连接至排水发电机进水 口，排水发电机出水口连接至室外排水管；(7) 、在进水储水箱、排水储水箱上设置水位检测开关；水位检测开关、进水发电机、用 水发电机、排水发电机的输出信号经光电隔离后，分别连接至发电控制器的输入端口；(8) 、发电控制器的三路输出端口经光电隔离后，分别连接进水发电机、用水发电机、排 水发电机的固态继电器的控制端；(9) 、发电控制器的四路输出端口经光电隔离后，分别连接进水电动阀、排水电动阀、充 电器、用水发电机电动机绕组的固态继电器的控制端；卿、进水电动阀、排水电动阀经固态继电器的触头连接蓄电池；dl)、进水发电机、用水发电机、排水发电机的输出电压，经三路固态继电器触头分别连 接充电器输入端，充电器的输出端连接蓄电池；02)、用水发电机的电动机绕组经固态继电器触头连接蓄电池；0、进水储水箱安装的水位检测开关检测到进水储水箱水位降低到发电水位时，发出输 出信号。输出信号被发电控制器读入，输出控制信号到进水电动阀固态继电器的控制端，进 水电动阀开启，自来水推动进水发电机发电，自来水流入进水储水箱储存；04)、进水发电机发出的电，经充电器调节后向蓄电池充电。进水储水箱储存自来水一定 水位后，水位检测开关再次发出信号，发电控制器输出控制信号到进水电动阀固态继电器的 控制端，进水电动阀关闭；卿、清洗食物、蔬菜，清洗衣服，个人洗浴开启阀门时，迸水储水箱储存的自来水流过 用水发电机，推动用水发电机发出微弱电压。微弱电压信号被发电控制器读入，输出控制信 号到用水发电机的电动机绕组的固态继电器的控制端，推动用水发电机发电。用水发电机发 出的电，经充电器调节后向蓄电池充电；鹏、排水储水箱安装的水位检测开关检测到排水储水箱水位升高到发电水位时，发出输 出信号。输出信号被发电控制器读入，输出控制信号到排水电动阀固态继电器的控制端，排 水电动阀开启，自来水推动排水发电机发电，自来水流入室外排水管推动下一层楼的排水发 电机发电；仰、排水发电机发出的电，经充电器调节后向蓄电池充电。排水储水箱水位降低到一定 水位后，水位检测开关再次发出信号，发电控制器输出控制信号到排水电动阀固态继电器的 控制端，排水电动阀关闭；d8)、上一层楼的室外排水流过排水发电机时，推动排水发电机发出的电，被发电控制器 读入，输出控制信号到充电器固态继电器的控制端，调节电压后向蓄电池充电。经家庭自来水发电系统使用自来水，自来水具有的位能被回收转换为电能，储存在蓄电池中供家用电器使用。如图1所示，进水蓄水箱箱体采用工程塑料压制成带翻边的长方体形状，翻边上加工连 接箱盖的螺纹孔。箱体两侧面加工进水的接头螺纹孔，箱体底部加工主出水孔，主出水孔附 近加工安装用水发电机的安装孔。箱盖采用工程塑料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装废水发电机的圆孔，圆孔边沿加工安装o形密封圈的倒角，圆孔附近加工安装密封压盖的螺纹孔。与圆孔相配加工一个带圆孔的密封压盖，圆孔直径和微型水轮机外壳直径相等， 密封压盖边沿加工安装孔，箱盖边沿加工安装孔。如图1所示，进水发电机由径向水轮机、低压直流发电机组成。径向水轮机、低压直流 发电机选用符合国家标准的标准件，径向水轮机、低压直流发电机同轴安装。如图1所示，用水发电机由机箱、微型水轮机、低压直流发电机一电动机组成。微型水 轮机选用符合国家标准的标准件。机箱采用工程塑料压制成带翻边的长圆柱形状，翻边上加工连接箱盖的螺纹孔。箱体一 个侧面加工进水的接头螺纹孔，箱体底部偏心加工主出水孔，主出水孔附近加工安装微型水 轮机的安装孔。箱盖采用工程塑料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装排水发电机的圆孔，圆孔边沿加工安装o形密封圈的倒角，低压直流发电机一电动机组的结构和普通低压直流发电机的结构基本相同。低压直流发电机一电动机组的定子嵌入四对永久磁铁构成磁场；电枢上嵌入发电机绕组和电动机绕组，电动机绕组的匝数是发电机绕组匝数的1.6倍；在电枢的一端安装滑环、电刷向电动机绕组引入驱动电流，在电枢另一端安装滑环、电刷引出发电机绕组发出的电压。微型水轮机用螺栓安装在机箱的主出水?L位置，微型水轮机输出轴穿出机箱盖。低压直流发电机一电动机组安装在机箱的机盖上，输入轴与微型水轮机输出轴连接。电动机输出轴 上安装重量轻，转动惯量较大的飞轮，飞轮釆用铝合金制作。如图1所示，排水发电机由机箱、微型水轮机、低压直流发电机组成。微型水轮机、直 流发电机选用符合国家标准的标准件。机箱采用工程塑料压制成带翻边的长圆柱形状，翻边上加工连接箱盖的螺纹孔。箱体一 个侧面加工进水的接头螺纹孔，箱体底部偏心加工主出水孔，主出水孔附近加工安装微型水 轮机的安装孔。箱盖采用工程塑料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装排水发电机的圆孔，圆孔边沿加工安装o形密封圈的倒角，微型水轮机用螺栓安装在机箱的主出水孔位置，微型水轮机输出轴穿出机箱盖。低压直 流发电机安装在机箱的机盖上，输入轴与微型水轮机输出轴连接。如图1所示，排水蓄水箱箱体采用工程塑料压制成带翻边的长方体形状，翻边上加工连 接箱盖的螺纹孔。箱体一个侧面加工进水孔，箱盖采用工程塑料压制成带翻边的平盖，平盖上加工安装螺纹连接孔，密封压盖边沿加工安装孔，箱盖边沿加工安装孔。进水电动闳、排水电动阀具有相同结构，由蝶阀、减速器、步进电动机组成。减速器的输出轴与蝶阀的转柄连接，输入轴与步进电动机的输出轴连接。 蓄电池选用两组高性能免维护12V蓄电池。充电器的原理和硬件制作如开关电路技术、开关电源、新型稳压电源及应用实例 文中所述，其具体制作方法，本专业的技术人员对此已相当熟悉，不用赘述。实施例中，充 电控制器由PWM集成芯片及外围电阻、电容、驱动放大管、逆变开关管、逆变变压器、整 流二级管、滤波电容组成。PWM集成芯片选用TL494，驱动放大管选用NPN型三极管，逆 变开关管选用N沟道MOSFET开关管。在TL494集成芯片的时基5、 6引脚外接电阻、电容 组成脉宽调制电路。一个电容连接TL494的第5脚，一个电阻连接TL494的第6脚。TL494 集成芯片的一路脉冲输出引脚9输出的脉宽控制信号，连接一支驱动放大管NPN型三极管 的基极；TL494集成芯片的另一路脉冲输出引脚IO输出的脉宽控制信号，连接另一支驱动放 大管NPN型三极管的基极，两支驱动放大管NPN型三极管的集电极连接成推挽连接形式连 接发电机的负极，两支NPN型三极管的基极与发射极之间分别正向并联二极管。 一支逆变开 关管N沟道MOSFET开关管的栅极，连接一支驱动放大管NPN型三极管的发射极，另一支 逆变开关管N沟道MOSFET开关管的栅极，连接另一支驱动放大管NPN型三极管的发射极， 两支逆变开关管N沟道MOSFET开关管的源极连接后接发电机的负极，两支逆变开关管N 沟道MOSFET开关管的漏极，分别与逆变变压器初级线圈连接成推挽形式组成逆变主电路， 初级线圈的中心抽头经供电固态继电器的触点与发电机的正极连接。N沟道MOSFET开关管 安装在散热片上，散热片安装在充电控制器盒上，通过机盒散热。逆变变压器选用铁氧体磁 芯绕制，容量100VA，磁芯截面30X50平方毫米。初级绕组用直径0.8毫米漆包线，两根并 绕2X60匝。逆变变压器次级绕组用直径0.8毫米绕漆包线绕70匝，50匝、60匝处抽头， 60匝、70匝引出端头分别经变压固态继电器触点连接整流电路输入端。整流二级管连接成全 桥整流电路，电容器并联在全桥整流电路的正、负极，逆变变压器次级线圈输出的电流整流 后经电容器滤波向蓄电池充电。发电控制器由单片机系统、输入接口电路、输出驱动电路组成。实施例中，单片机芯片 选用AT89C51,输入输出接口芯片选用82C55，输入接口电路四组，输出功率驱动电路四组。 设置两只指示灯， 一只接入单片机系统， 一只接入输出功率驱动。设置启动、停止按钮控制 发电控制器。将单片机系统，四组输入接口电路，两组双列二十脚插座制作在主电路板上。 二组步进电动机驱动电路，四组开关控制的输出驱动电路，都分别单独制作单元电路板。主 电路板、单元电路板以上下重叠的形式放置，通过两组双列二十脚插座，并行电缆插头连接。发电控制器硬件制作如MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用、单片机原理及制作、单片机应用系统设计与实践文中所述。在选定单片机芯片、输入输出接口芯片后， 地址总线、数据总线、控制总线、片选信号可按规定连接，