CN104791178A - 一种自动变桨的流水发电装置及其变桨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动变桨的流水发电装置，属于水力发电技术领域。该发电装置包括可漂浮于水面的浮动平台、设置于浮动平台上的发电机，以及用于固定所述浮动平台的锚固装置；浮动平台下部设置有前后贯通的流水通道，在流水通道中设置有可沿流水通道的纵向旋转的带轮，带轮的转轴通过传动机构与发电机的转轴连接；该流水发电装置还包括一组与带轮的外圈活动连接的桨片以及与各桨片一一对应的一组限位机构，限位机构可使其所对应的桨片在带轮下方处于与水流方向成一夹角的工作状态，而在带轮上方处于与水流方向基本平行的非工作状态，且浆片长度可主动调整。本发明还公开了该发电装置的变桨方法。本发明结构简单、能量转换效率高、适用范围广。

Description

一种自动变桨的流水发电装置及其变桨方法

技术领域

本发明涉及一种水力发电装置，尤其涉及一种自动变桨的流水发电装置及其变桨方法，属于水力发电技术领域。

背景技术

现代社会能源短缺和环境污染越来越严重，世界各国都在寻找新型可再生能源来代替煤和石油。目前以风能、太阳能为代表的新能源已经进入实用阶段，但是由于他们单位面积能量密度低、投资大、获取的电能不能与火电、水电价相竞争，使其推广受到限制。

水能是一种绿色可再生能源，我国水利资源丰富，如果将水利资源利用起来将会产生巨大的社会经济效益。但是目前河流的水利发电都采用水坝式发电：即高位水坝蓄水，将水集中，然后在水坝的低位安装水轮发电机，利用水流落差冲动水轮机，带动发电机发电。水坝式发电首先需要选址，尽管江河很多，但适合建坝的地段不多。再有筑坝一般都要截断河流，不可避免地破环当地的生态环境，而且成本也很大。另外对于平原地区的河流水能，由于拦河筑坝投资太大，影响面广，几乎无法开发，如水利资源丰富的珠江三角洲地区和长江三角洲地区就是如此。这样白白浪费水利资源。中国上千公里的南水北调调水线上也有不计其数的“低水头大流量”跌水渠道，由于水头低其水流能量也无法加以利用。

其次，现有的高坝水利发电厂蓄能抽水站，具有一定水位差的流水通过水轮机装置后所排出的尾水还有相当的能量，目前这种水流能量没有再次得到利用，不仅白白浪费而且对下游河床也带来很大的危害。另外，占全国80%发电量的热力发电厂在电力生产过程中需要大量电力冷却水，冷却过程结束后这种被称为“温排水”的水将直接排向大江河海，而百万千瓦火电汽轮机“温排水”的水量范围大概为35-45立方米每秒，如果够加以利用，进行二次发电，将会进一步提高发电效率和减少能源消耗。但是目前全国的热力发电厂、核能发电厂年复一年排放的“温排水”都处于白白浪费状态。除此之外，污水处理厂、大型化工企业和其它工业用水大户同样也存在这样的水资源浪费现象。如果能将这些水力资源二次利用发电，将会进一步节约发电成本，提高资源利用率。

同时，我国海洋水流资源也很丰富，但目前的海水发电主要是利用潮汐能和波浪能发电，其中技术成熟的潮汐发电也需要筑坝拦潮、建发电站，又因潮起潮落、发电机组时开时停，电力输出不稳定，电站发电效率低。波浪能发电和潮流能发电目前还处于研究之中，相对波浪能而言，潮流能变化平稳，规律性强，且储量丰富，仅我国沿海理论平均功率就高达13.9万MW。目前，潮流能发电的障碍主要在于发电成本高，发电成本高源于造价和运行成本高、发电量少造成的；造价高的原因是由于技术问题，目前没有形成批量生产。

因此，为了充分利用江河的水流、海洋的潮流能水利资源，提高现有发电厂和水利发电站的发电效率以及提高排水量大的企业的资源利用率，循环利用好人类生活生产活动中流水的能量，非常有必要研究一种高效、技术可靠、成本低廉，能够适用一切流体能量发电的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种自动变桨的流水发电装置，其具有结构简单、能量转换效率高、适用范围广的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种自动变桨的流水发电装置，包括可漂浮于水面的浮动平台、设置于浮动平台上的发电机，以及用于固定所述浮动平台的锚固装置；所述浮动平台下部设置有前后贯通的流水通道，在所述流水通道中设置有可沿流水通道的纵向旋转的带轮，所述带轮的转轴通过传动机构与所述发电机的转轴连接；所述流水发电装置还包括一组与所述带轮的外圈活动连接的桨片以及与各桨片一一对应的一组限位机构，所述限位机构可使其所对应的桨片在带轮下方处于与水流方向成一夹角的工作状态，而在带轮上方处于与水流方向基本平行的非工作状态；所述桨片包括长度可调的桨杆、设置于桨杆端部的桨叶，以及可对桨杆长度进行调节的驱动机构、与驱动机构信号连接的节点控制单元；所述流水发电装置还包括可对不同水深处的水流速度进行检测的传感装置，以及可与所述传感装置及各节点控制单元进行信息交互的主控制单元。

上述技术方案中，水流推动桨片使得带轮旋转，带动发电机发电，从而将水流能量转换为电能，并且桨片进入水中后，在重力和限位机构的共同作用下，其处于打开的工作状态，可有效进行能量转换；而在离开水后，桨片处于与水流方向基本平行的非工作状态，可有效减小气流所产生的阻力，从而有效提高了能量转换效率并减小了带轮所需的安装空间。江河水流的速度和海洋潮流的流速在不同深度处可能不同，为保证桨片在各类使用环境下均可获得最大推力，从而提高能量转换效率并扩大适应性，本发明的浆片长度可调，并根据不同水深处的水流速度对浆片长度进行调节，使得浆片获得尽可能大的推力。

一种上述流水发电装置的变桨方法，包括以下步骤：

步骤1、主控制单元根据通过所述传感装置确定水流速度最大的水深范围；

步骤2、主控制单元通过各节点控制单元对各桨片的桨杆长度进行调整，使得各桨片位于带轮下方时其桨叶处于水流速度最大的水深范围内。

进一步地，主控制单元通过各节点控制单元对各桨片的桨杆长度进行调整时，在使得各桨片位于带轮下方时其桨叶处于水流速度最大的水深范围内的同时，还使得沿水流方向的任意两个相邻桨片的桨叶高度存在高度差。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所提出的发电装置，结构简单，且浆片具有多种自动变浆功能，其一是能够在水面之上闭合,桨片与水面基本平行；位于水面之下时，桨片受重力作用自动展开，受限位机构的作用，桨面与水面基本垂直，并可以进一步调整浆杆长度使带轮获得最大推力运转，提高发电效率。这种桨杆水面下伸展水面上收缩的变桨方式可使得水面下能量转化效率最大化而水面上占用空间最小，有利于水力发电装置的大型化和大功率化 。

2、本发明所提出的发电装置，在桨片位于水面之下时，可以根据传感器检测的河流和海洋不同深度处的水流速度和水流方向，根据整个带轮机构受力最大的原则，自动调整桨杆的长度，保证能量转换效率最大。

3、本发明提出的发电装置，除桨片外的所有设备都位于水面之上，提高了发电***的可靠性和安全性，易于日常维护。

4、本发明所提出的发电装置，不需要建造堤坝，安装方便，便于移动，适用面广，可以利用河水流、工厂循环水和海洋水流进行发电，并可基于现有水坝，进行水利发电的二次发电。

附图说明

图1为具体实施方式中本发明发电装置中带轮的结构示意图；图中，1为带轮，2为桨杆，3为桨叶；

图2A、图2B分别为长度可调的桨片在收缩状态、伸张状态的一种具体结构示意图；

图3为具体实施方式中变桨控制***的结构框图；

图中各标号含义如下：

1为带轮，2为桨杆，3为桨叶，4为挡块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明流水发电装置，包括可漂浮于水面的浮动平台、设置于浮动平台上的发电机，以及用于固定所述浮动平台的锚固装置；所述浮动平台下部设置有前后贯通的流水通道，在所述流水通道中设置有可沿流水通道的纵向旋转的带轮，所述带轮的转轴通过传动机构与所述发电机的转轴连接；所述流水发电装置还包括一组与所述带轮的外圈活动连接的桨片以及与各桨片一一对应的一组限位机构，所述限位机构可使其所对应的桨片在带轮下方处于与水流方向成一夹角的工作状态，而在带轮上方处于与水流方向基本平行的非工作状态。发电机位于浮动平台之上，每个浮动平台可以安装一台或多台发电机，发电机可以通过增速传动结构与带轮转轴连接，也可以采用直驱式发电机与带轮旋转轴连接，发电机发出的电可以经过整流后给电能储存装置充电，也可以经整流逆变处理后直接供给用电设备或者与电网并网。浮动平台通过采用锚固装置进行固定，例如，在浮动平台的四个角各有一直通入河底的孔，孔中可以***固定桩，固定浮动平台不能前后移动；或者通过钢缆将浮动平台连接于其他固定物。

本发明利用带有桨片的带轮结构作为能量转换部件，将水力转换为电能，且桨片可在水中时自动打开为工作状态，而在离开水后则自动转换为与水流方向基本平行的非工作状态。本发明还可进一步采用长度可调的桨片，并利用一套控制***根据实际环境自动调节桨片的长度，从而尽可能提高能量转换效果。图1显示了作为本发明核心的带轮结构能量转换部件的一种优选结构。如图1所示，带轮1上设置有一组桨片，每个桨片均包括长度可调的桨杆2以及设置于桨杆2端部的桨叶3；桨杆2通过活动铰链与带轮1连接。对应于每个桨片均设置有一限位机构，如图1所示，该限位机构可使得桨片在带轮下方处于与水流方向成一夹角（为了保证桨片迎水面能受到水流最大的冲力，最好使得桨片与水流方向基本垂直，即所述夹角的范围最好为80°～100°）的工作状态，而在带轮上方处于与水流方向基本平行的非工作状态。限位机构的具体形式可根据实际需要选取，下面是两种较简单的实现方式：

第一种、所述限位机构为与固定于所述带轮1外圈表面的挡块，设置于桨片位于带轮下方时背向水流来向的一侧。当桨片转至带轮下方进入水中时，由于重力作用，桨片会自然下垂至与水面垂直，在其背向水流来向的挡块作用下，水流产生的冲击力通过铰链及挡块传递给带轮1，使得带轮旋转；当桨片转至离开水面时，如图1所示，同样由于重力作用桨片自然下垂，当转至带轮上方时，桨片与水流方向基本平行。这样，桨片在水面上受到风阻力的影响最小，可有效提高能量转换效率，同时，带轮与浮动平台间的安装空间也最小，整个发电装置的结构可更紧凑。

第二种、所述限位机构为两端分别与带轮和桨片连接的索链，设置于桨片位于带轮下方时朝向水流来向的一侧。该结构类似斜拉索桥，当桨片转至带轮下方进入水中时，在重力的作用下，桨片会自然下垂至与水面垂直，水流冲击力和索链所产生的拉力平衡，这样，水流产生的冲击力通过铰链及索链传递给带轮1，使得带轮旋转；当桨片转至离开水面时，如图1所示，同样由于重力作用桨片自然下垂，当转至带轮上方时，桨片与水流方向基本平行。

江河水流的速度和海洋潮流的流速在不同深度处可能不同，为保证桨片获得最大推力，本实施例中的桨片包括长度可调的桨杆2和桨叶3，并利用一套主动控制***对桨杆2的长度进行调整，从而可获得尽可能大的水流推力。图2A和图2B显示了桨片的一种具体结构，其中，图2A为收缩状态，图2B为伸张状态。桨杆2内部具有用于对桨杆长度进行调节的液压或气压驱动机构、与驱动机构信号连接的节点控制单元（图中未示出）。为了能根据实际环境对各桨片进行有效的控制，本实施例的发电装置还包括可对不同水深处的水流速度进行检测的传感装置，以及与所述传感装置及各节点控制单元信号进行信息交互的主控制单元。主控制单元、传感装置、节点控制单元就构成了一套完整的主动变桨控制***，图3显示了该控制***的基本架构。主控制单元可通过数据总线与各节点控制单元进行信息交互，本实施例中的数据总线为RS485总线。

在发电装置实际的工作过程中，可以按以下方法进行变桨控制：

步骤1、主控制单元根据通过所述传感装置确定水流速度最大的水深范围；

步骤2、主控制单元通过各节点控制单元对各桨片的桨杆长度进行调整，使得各桨片位于带轮下方时其桨叶处于水流速度最大的水深范围内，同时，使得沿水流方向的任意两个相邻桨片的桨叶高度存在高度差（例如高度差可以取1/N的桨叶高度），从而尽可能避免前方的桨片对后面的桨片的冲击水流产生影响。

    本实施例中，各桨片的桨叶上还分别设置有位置传感器，用于检测桨叶所处位置，当桨片离开水进入非工作状态时，节点控制单元控制桨片收缩至最短状态。

考虑到本发明的发电装置可以在江河、湖泊、海洋、热力电厂温排水管道等多种场合应用，因此，桨杆及桨叶的材质优选防腐材质，其中桨叶材料优选工业上大量应用的廉价的防腐油布，从而可进一步降低设备制造成本。

本发明发电装置利用可变桨的带轮结构实现水流能量的转换，其结构简单、实现成本低廉，同时具有更高的能量转换效率；可根据实际使用场合确定发电装置的具体大小，可以是小型、中型，也可以是大型、超大型，因此应用范围更广。

Claims (9)

1.一种自动变桨的流水发电装置，其特征在于，包括可漂浮于水面的浮动平台、设置于浮动平台上的发电机，以及用于固定所述浮动平台的锚固装置；所述浮动平台下部设置有前后贯通的流水通道，在所述流水通道中设置有可沿流水通道的纵向旋转的带轮，所述带轮的转轴通过传动机构与所述发电机的转轴连接；所述流水发电装置还包括一组与所述带轮的外圈活动连接的桨片以及与各桨片一一对应的一组限位机构，所述限位机构可使其所对应的桨片在带轮下方处于与水流方向成一夹角的工作状态，而在带轮上方处于与水流方向基本平行的非工作状态；所述桨片包括长度可调的桨杆、设置于桨杆端部的桨叶，以及可对桨杆长度进行调节的驱动机构、与驱动机构信号连接的节点控制单元；所述流水发电装置还包括可对不同水深处的水流速度进行检测的传感装置，以及可与所述传感装置及各节点控制单元进行信息交互的主控制单元。

2.如权利要求1所述流水发电装置，其特征在于，所述限位机构为与固定于所述带轮外圈表面的挡块，设置于桨片位于带轮下方时背向水流来向的一侧。

3.如权利要求1所述流水发电装置，其特征在于，所述限位机构为两端分别与带轮和桨片连接的索链，设置于桨片位于带轮下方时朝向水流来向的一侧。

4.如权利要求1所述流水发电装置，其特征在于，所述夹角的范围为80°～100°。

5.如权利要求1所述流水发电装置，其特征在于，所述主控制单元与各节点控制单元之间通过数据总线实现信息交互。

6.如权利要求5所述流水发电装置，其特征在于，所述数据总线为RS485总线。

7.如权利要求1所述流水发电装置，其特征在于，所述桨叶的材质为防腐油布。

8.如权利要求1～7任一项所述流水发电装置的变桨方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、主控制单元根据通过所述传感装置确定水流速度最大的水深范围；

步骤2、主控制单元通过各节点控制单元对各桨片的桨杆长度进行调整，使得各桨片位于带轮下方时其桨叶处于水流速度最大的水深范围内。

9.如权利要求8所述变桨方法，其特征在于，主控制单元通过各节点控制单元对各桨片的桨杆长度进行调整时，在使得各桨片位于带轮下方时其桨叶处于水流速度最大的水深范围内的同时，还使得沿水流方向的任意两个相邻桨片的桨叶高度存在高度差。