CN108488021A - 摩天轮水轮机发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摩天轮水轮机，所要解决的问题是，将风力发电机组的巨大风轮用摩天轮水轮机替代、用于水力发电，即将利用风能驱动改用水能驱动的新技术方案。提供一种低水头流量水能、利用摩天轮水轮机外沿水斗箱之部份与导流槽紧密组合获取的水能作用力，作用在摩天轮水轮机之外沿，再通过杠杆原理，使与摩天轮水轮机一体的中轴产生巨大转矩，取代风力发电机的风轮带动发电机发电。特点是：其动力机为摩天轮水轮机机构，包括摩天轮、水斗箱、导轨、导向轮、一体轮轴和支架座轴承、支架座、导流槽。

Description

摩天轮水轮机发电装置

技术领域

本发明专利涉及一种将风力发电装置应用于水力发电装置，既将现在使用的风力发电装置的风轮改用摩天轮水轮机替代的发电装置，应用于低水头发电的技术方法。

背景技术

公知的风力发电机组成：一般有风轮、发电机头(包括变速装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成；风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力生产设备；本发明是将风力发电机的动力机风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电，创造性的改为用摩天轮水轮机，在水力稳定的作用下旋转，它把水的动能转变为摩天轮水轮机轴的机械能，发电机在摩天轮水轮机轴的带动下慢速转旋转发电；由于利用水能的稳定性，又利用现有风力发电机组集成利用率高的低转速变速器装置与发电机(包括装置)，所以省掉了调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件，其发出的电能通过调压设备和装置可以直接并入现有电网。

发明内容

摩天轮水轮机是安装垂直于地直经5米至60米(尺寸根据设置处环境而定)，由钢架钢板或合金材料制成，摩天轮水轮是与中轴联为一整体，也就是说中轴是随摩天轮一起旋转的，由支架上轴承支撑，把水能转变为摩天轮水轮轴的机械能，发电机在摩天轮水轮轴旋转变速带动下发电。

摩天轮水轮机在其最外沿周上两侧设有导轨，起到稳固作用，两导轨之间设置有V型或U型抛物线状(鱼钩型)水斗箱，其作用是承接水能的动力势能(流速、冲击力等)、重力势能(水位差、重量等)合称的作用力，即利用水力冲击和水的重力对摩天轮水轮机特定位及区间产生作用力，使摩天轮水轮机失衡、偏重作用下旋转，作用力再通过杠杆原理放大后对摩天轮水轮机轴产生强大的机械能即转矩，带动发电机旋转发电。

摩天轮水轮机的外沿对应一定区域另设有与外沿弧度相同的导流槽或叫引流槽，它与引水渠或引水管道相联接，联接点形成90度至145度角度又称进水口，水流出导流槽点又称出水口，其作用是约束和承接水能在此区域对摩天轮水轮机产生的推动力即作用力，并与水斗箱在此区域形成相对闭合，充分吸收水能形成稳定向下的作用力，也稳定引导摩天轮水轮机旋转。

导流槽内底部两侧与摩天轮水轮机外沿两侧导轨对应设有相应几组导向轮及类式装置，其作用是水能冲进入水斗箱及旋转时辅助支撑、稳固摩天轮正常转动，即当摩天轮水轮机旋转到3点位至6点位(或9点位至6点位)之间，且在此进水口起至排水口之间设有导流槽，当水冲入此区域位的水斗箱中，充满水的水斗箱在作用力作用下使摩天轮失衡、偏重而飞速旋转，且在6点位出水口被排出水斗箱即离开摩天轮水轮机。这样我们在中轴上连接一台发电机，当发电机工作时，形成一个相对阻力场，当它与摩天轮转矩相匹配后，摩天轮就匀速旋转带动发电机发电，将会产生强大的电源。

摩天轮水轮机最外沿的水斗箱和导流槽的组合，使匀速旋转进水口至出水口之间进入水斗箱的水始终保持相对量，即摩天轮水轮机最外沿周的作用力大小是相对稳定的，假设摩天轮水轮机外沿有40个独立水斗箱，每个水斗箱容积500Kg即0.5立方米，导流槽占四分之一即有10个水斗箱容积10x500Kg＝50000Kg水能的恒定作用力，且与水斗箱和导流槽的组合容积相关。

其原理和类似设备的区别：现有水力发电的水轮机或类似装置都采用的小直径高转速方式方法，其水能冲击高速旋转的水轮机时也只是瞬间而过，其水能利用率很低；本摩天轮水轮机是将水轮机放大(公知称摩天轮是大的园轮)，且垂直于地面设立，创造性的将注入水的水斗箱嵌入导流槽内的组合设置并又相对低转速，不仅利用水能冲击力还利用水的重力，即水的动力势能和重力势能，延长水能通过水轮机时间，极大提高水能利用率；水能的作用力又是作用在水轮机外沿周上，通过杠杆原理后对摩天轮水轮机轴产生强大的机械能即转矩，而此转矩大于发电机切割磁力线阻力就会带动发电机发电，又因摩天轮水轮机匀速旋转时由于其自身巨大重量会产生巨大的转动惯量即又是一个蓄能盘(轮)，类似有些设备的飞轮作用。

本摩天轮水轮机所要解决的问题是：将风力发电机的动力机由风驱动的巨大风轮，改用摩天轮水轮机用水驱动，即提供一种低水头流量水能、通过全新的摩天轮水轮机和导流槽组合结构，摩天轮水轮机之部份外沿水斗箱嵌入在导流槽内移动获取水能的作用力，充分提高水能利用率。

具体的结构设计方案如下：

将风力发电机组的动力机风轮，改用水能推动的摩天轮水轮机，包括摩天轮、发电机和变速机组件、支架座、支架座轴承、导流槽：

A、所述动力机为摩天轮水轮机机构，包括外沿导轨、水斗箱、导流槽、与摩天轮一体的轮轴，支架座和支架座上轴承，摩天轮水轮机通过轮轴、轴承设于支架座上，轮轴通过联轴器连接着变速机的输入轴，变速后与发电机转子相连接；

B、所述摩天轮水轮机的最外沿轮周上依次均匀相联布置着独立的水斗箱，每个水斗箱呈抛物线鱼钩状或V型斗状，箱口位于轮正向上，这样便于吸收更多冲(注)入水能(作用力)；每个水斗箱的容积按项目需求而定，水斗箱底部与水箱口部为0.5-1米左右，宽度与水轮机的宽度相当、也按实际项目而定；

C、摩天轮水轮外沿特定区位嵌入导流槽中，在导流槽底部设有导向轮或类式装置，辅助支撑或托着摩天轮水轮机，期间的水又起润滑作用。

本发明专利的有益技术效果体现在几个方面：

1、本发明专利利用低水头、并结合导流槽使水的作用力对摩天轮水轮机失衡、偏重、离心及杠杆原理等提高水能利用率，又利用摩天轮水轮机体积庞大所产生的惯能的强大动力，使摩天轮中轴获得更大的转矩力带动发电机发电，极大提高了水能资源的利用率；

2、本发明专利的技术参数是水头在5米至20米，摩天轮水轮机转速20-300转/分钟(风力发电机组风轮转速)效果最佳，本发明水力发电站在同等流量情况下比现有水电装机容量提高3-10倍以上；

3、由于摩天轮水轮机的特性、又只需順河道修置引水渠，不需要围置大库容等优点，使本发明水力发电站建设每千瓦的造价更低；

4、本发明可实现在河道落差较大、流速较快段，采用低拦截垻甚至不要拦截埧、无淹没土地区、对周围环境影响小，水能相对要稳定可控制的梯级安装，组成新型顺河道的水力发电机群，改变风力发电受自然、环境严重影响，无法控制、听天由命，送出电力受制约的不利条件。

图1是本发明摩天轮水轮机结构示意图。

图2为摩天轮水轮机发电装置的主要构件示意图。由于两示意图是要展示其构件、功能，所以并不是同比例的，图1中两虚线圆内为其剖析图示。具体实施方式下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1：

具有摩天轮水轮机发电装置的主要构件图1、图2；包括：地面1，导流槽2(固定、钢板制作或钢筋混凝土浇筑)，摩天轮4，摩天轮中轴5，支架轴承7，支架8(钢架或钢筋混凝土台)，水斗箱10，风力发电机机头或变速器和发电机组件部份11，引水渠(管道)13，导流槽进水口14，导流槽出水口15，导向轮16，导轨17，其中3、6、9、12是我们将摩天轮看作是个计时间的钟表盘，分别代表3点钟、6点钟、9点钟、12点钟的形象理解位置符号；

位于另一平台上的风力发电机机头11(仅变速器和发电机组件部份)输入轴通过联轴器与摩天轮水轮机中轴5相联，摩天轮水轮机4在支架轴承7和支架8的支撑下悬空可整体旋转；

摩天轮水轮机4外沿两边周长有导轨17，在导流槽底部两边对应有若干组导向轮16托着导轨17，导轨之间均等紧凑分设有大小、形状、容积相等的三面(即两侧和中轴对应的底部)封闭形成的水斗箱10，外沿口与底部深在0.5米至1米左右，长和宽视摩天轮外沿而定，其水斗箱形状呈V型或抛物线鱼钩型，在3点钟位至6点钟位区间(或9点钟位至6点钟位区间)设有导流槽2与前方引水渠(管道)13相联，导流槽2略大于摩天轮水轮机外沿、且与外沿弧度一致，呈U型倒扣(反包)在外沿上使经过此区间水斗箱形成相对密封容积、且充分吸收水能和稳固摩天轮作用；

摩天轮水轮机外沿水箱大小、数量和容积将根据该项目实际需求再确定；

摩天轮外沿之部份经过导流槽2与引水渠(引水管道)13相交处14即进水口处时，导轨刚好放在导流槽底部的导向轮上，引水渠中水冲(注)进入摩天轮外沿水斗箱中，为充分利用水的冲击力(势能)引水渠也可以是管道，这时整个摩天轮在失衡、偏重情况下会往下旋转(移动)，这时引水渠中水接着冲(注)进入紧连后续的水斗箱中会加大失衡和偏重继续往下旋转(移动)，这时处在水斗箱中的水在导流槽中与导流槽U型底部形成相对闭合空间无法大量外漏，其对水斗箱的冲击力(动力势能)和水的重力形成的向下作用力，带动摩天轮此段水箱偏重向下旋转(移动)到摩天轮外沿最低点6点钟位的导流槽末端即出水口15后，水斗箱中的水在重力和摩天轮旋转离心力作用下被甩出水斗箱即离开摩天轮，据此我们会理解到：当引水渠设置在3点钟位方向来时，摩天轮外沿水斗箱进入导流槽进水口14至出水口15区间水斗箱中是冲(注)满(有)水的，从出水口15即6点钟位至9点钟位12点钟位至3点钟位前区间的摩天轮外沿水斗箱是空的；如果这样，整个摩天轮就会处于失衡和偏重状态，且水斗箱中水越多，失衡和偏重越大；进水口水流速度越大，对摩天轮冲击力也越大，其失衡和偏重也越大，其水的重力和冲击力合称作用力越大，这种充分利用水的重力和冲击力(势能)的方式的装置我们称之为摩天轮水机机。由于其作用力是作用在摩天轮外沿上，根据杠杆原理，会对摩天轮中轴产生强大的转矩力，并随着摩天轮半径越大，其作用力越大，所以我们也称之为摩天轮(杠杆式)水轮机，也可以简称为摩天轮水轮机，这也是区别于其它或类式的水轮机的特别处。如果我们将引水渠和导流槽进水口设置在摩天轮水轮机3点钟(或9点钟)位以下至6点钟位之间任一处，那么引水渠来水方向与摩天轮外沿呈90度至145度状，其优点是水头落差较低，摩天轮重心低，其稳定性也好，我们称之为低水头摩天轮水轮机发电技术。

其工作原理如下：水由引水渠(引水管道)引至进水口，由于有一定落差而产生流速，到达进水口时会产生一定的冲击力冲入水斗箱而转换成对摩天转外沿一个作用力，推动摩天轮水轮机转动，接着后续水也逐渐冲入水斗箱使摩天轮受到的作用力叠加，而此时被注满水的水斗箱又进入导流槽内形成相对闭合空间，水会从水斗箱被弹回和离心力作用下涌弹出而又被固定的导流槽底部阻档回又再次产生对摩天轮的作用力，又因水的特性也充满了导流槽与摩天轮之间的间隙而产生润滑作用，而同时水的势能并没有释放完，在冲击力和水的重量等作用力叠加驱动下，水斗箱也会顺着导流槽2向下移动，其未释放完的水势能也还在逐渐释放，当水斗箱到达出水口即导流槽未端后水在重力和离心力等作用向下释放出水箱；由于摩天轮水轮机相对低转速又相对长时间在导流槽内移动，相比现在使用的高转速的水轮机，水能瞬间通过水轮机，使用摩天轮水轮机大大提高水能的利用率；

本发明是依靠水的冲击力(动力势能)和重量(重力势能)等合称作用力对摩天轮外沿的推动力，再通过杠杆原理，这个推动力对中轴产生强大转矩力，带动发电机转动发电工作的，水斗箱越大，水量越大，摩天轮半径越大，它的输出功率就越大。

实施例2：将进水口14设置在摩天轮外沿最高处12点钟位，，如果引水渠从3点钟位方向来，那么它将冲入12点至9点至6点一侧，同理导流槽也要从12点至9点至6点设置，摩天轮水轮机将逆时针旋转；引水渠设置在9点钟位方向来，与前述相反，摩天轮水轮机将順时针旋转；

其它同实施例1。其优点是摩天轮会获得更多水能，其缺点是要求水位更高，重心偏高不稳固。

实施例3：将进水口14设置在摩天轮外沿最高处12点钟位至3点钟位(或12点钟位至9点钟位)区间，引水渠到此将设置为回头状，其利用水冲击力较复杂，效率相应较低，其它同实施例2描述相同；

其优点是摩天轮会获得较多水能，其缺点是要求水位较高，设施较复杂，效率相应较低，重心偏高不稳固。

获得专利授权书后再进一步完善各项功能和具体数据。

Claims (6)

1.所称动力机摩天轮水轮机，包括摩天轮、之外沿均匀分设独立的水斗箱、导轨、导向轮、导流槽、轮轴和支架座轴承，支架座，其特征在于：

A、所述动力机为摩天轮水轮机和轮轴为一体，通过支架座上轴承支撑，使摩天轮水轮机整体可灵活转动，轴承设于支架座上，轮轴通过联轴器连接着变速机(即类似风力发电机机头部份)的输入轴、变速后带动发电机发电；

B、所述水斗箱呈V型或抛物线鱼钩状；容积形状大小依项目即装机容量的需求而定，紧密相联、独立、均匀分设在水轮机之外沿轮周上；

C、所述摩天轮水轮机外沿对应部份设立的导流槽或叫引流槽，其弧度与水轮机外沿一致并呈U型紧密倒扣，导流槽长度占水轮机外沿周长二分之一以內、位于垂直线一边、最佳为四分之一，使转动到此区间水斗箱冲(注)有水后形成相对封闭容器并充分吸收其水的动力势能和重力势能，

D、所述摩天轮水轮机外沿两边设立导轨，对应部份导流槽底部设立有导向轮支撑或托挙着摩天轮，导轨和导向轮位置可互换，其作用是水能冲(注)进入水斗箱时辅助支撑摩天轮水轮机平稳旋转。

2.摩天轮水轮机是安装垂直于地，直经5米至60米(尺寸根据设置处环境而定)，创造性的水斗箱和导流槽组合设置，其作用是和承接水能的水斗箱在此区域形成相对闭合，不仅利用水能冲击力还利用水的重力，即水的动力势能和重力势能，并形成稳定向下的作用力，极大提高水能利用率，也稳定引导摩天轮水轮机旋转。

3.摩天轮水轮机在其最外沿两侧设有导轨，对应导流槽内底部两侧设有相应导向轮，起到稳固作用，两导轨之间设置有V型或U型抛物线状(鱼钩型)水斗箱，当水斗箱冲注有水时使摩天轮水轮机失衡、偏重下旋转，形成作用力是作用在摩天轮水轮机外沿周上，再通过杠杆原理放大后对摩天轮水轮机轴产生强大的机械能即转矩，带动发电机旋转发电。

4.摩天轮水轮机匀速旋转时由于其自身重量会产生巨大的转动惯量即又是一个蓄能盘(轮)，类似有些设备的飞轮作用。

5.通过上述描述可知，本发明专利所称摩天轮水轮机是在其最外沿周上的水斗箱和导流槽的组合，不仅利用水能冲击力还利用水的重力，即水的动力势能和重力势能，延长水能通过水轮机时间，极大提高水能利用率，水能的作用力又是作用在水轮机外沿，通过杠杆原理对摩天轮(杠杆式)水轮机轴产生强大的机械能即转矩，而此转矩大于发电机切割磁力线阻力就会带动发电机发电，又因摩天轮水轮机匀速旋转时由于其自身重量会产生巨大的转动惯量即又是一个蓄能盘(轮)，类似有些设备的飞轮作用。

6.本发明专利摩天轮水轮机所要解决的问题是：将高效的风力发电机组(即变速器与发电机组合)的动力机由风驱动的巨大风轮，改用摩天轮水轮机用水能驱动，即提供一种低水头流量水能、通过全新的摩天轮水轮机和导流槽组合結构，摩天轮水轮机之部份外沿水斗箱嵌入在导流槽内移动获取水能的作用力，充分提高水能利用率。