CN101012799A - 无坝水能发电系统 - Google Patents

Abstract

一种无坝水能发电系统，属于一种发电系统，解决了目前不适宜筑坝安装发电机的江河、湖泊的水力不能利用及拦河筑坝发电投资大、建设周期长的问题，在河流或瀑布上设置可被水流冲击旋转的水轮机，并将水轮机的转轴通过机械传动方式与发电机的转轴活动连接，或是直接在具有落差的河流或瀑布上游端开设沿其流向延伸至其下游端的引流装置(密闭的引流槽或引流管)，将水轮机与发电机一体化的水轮发电机设置在引流装置的出水口处，并可根据需要，沿河流宽度和长度方向上并列设置多个水轮机，或是设置多个引流管构成的引流装置，形成阵列形式的发电机组，以提高发电机的输出功率，更有效地利用能源。可适用各种具有落差的可以流动的河流中。

Description

无坝水能发电系统

技术领域

本发明属于一种发电系统，特别涉及适用于利用自然水流发电的无坝水能发电系统。

背景技术

在我国经济迅速发展的进程中，能源问题已成为我国经济能否保持可持续发展的重要问题。因此，在燃料能源日益缺少的现在，开发和利用多种能源就显得越发重要。

在我国成千上万公里漫长的江河湖泊中，能够拦河筑坝安装水力发电机发电的长度还不到江河、湖泊总长度的1％，这就意味着99％以上的江河、湖泊是不能实现筑坝安装发电机来发电的。

而且传统的拦河筑坝水利发电，不仅投资大，建设周期长，造成一定的生态破坏，更重要的是把绝大多数不能拦河筑坝发电的水利资源白白浪费了，使人类使用能源过度地依赖矿石能源，如石油、煤炭等，不仅给人类带来资源枯竭的压力，更重要的是破坏了人类耐以生存的环境。

发明内容

本发明的目的是：解决目前不适宜筑坝安装发电机的江河、湖泊的水力不能利用及拦河筑坝发电投资大、周期长、影响生态的问题，提供一种可不用筑坝、利用自然水流发电，投资小、周期短、对生态影响小的无坝水能发电系统。

为实现本发明的目的，在河流或瀑布上设置可被水流冲击旋转的水轮机，并将水轮机的转轴通过机械传动方式(如皮带轮、齿轮、角齿齿轮等)与发电机的转轴活动连接，或是直接在具有落差的河流或瀑布上游端开设沿其流向延伸至其下游端的引流装置(密闭的引流槽或引流管)，将水轮机与发电机一体化的水轮发电机设置在引流装置的出水口处，则将水流冲击使水轮机旋转的动能传递给发电机，由发电机将动能转化为电能，供用电设备使用，实现无需筑坝即可发电的目的。

具体技术方案如下：

无坝水能发电系统，包括水轮机和与之转动连接的发电机，或水轮机与发电机一体化的水轮发电机，所述水轮机或水轮发电机设置在河流内，或设置在沿河流或瀑布流向开设的引流装置的出水口处。这包括几种符合上述发明总体构思的技术方案，即水轮机设置在河流中，发电机设置在河岸或河流上的浮船上，由水流冲击带动水轮机，水轮机再带动发电机输出电能；或是直接将水轮机与发电机一体化的水轮发电机设置在河流里；或是将水轮机设置在沿河流或瀑布流向开设的引流装置的出水口处的河岸，与水轮机转动连接的发电机设置在河岸上；或是在引流装置的出水口处的河岸直接设置水轮发电机。也包括设置在现有大坝发电站的大坝下游端的上述无坝发电系统，由大坝出水口处的水流冲击力带动水轮机再带动发电机输出电能。

所述水轮机的叶轮轴向与河流的水流方向一致，支架由竖直固定在河底上的立柱和与河面平行的横杆构成，水轮机固定在横杆之间，横杆与立柱为活动连接，水轮机可随横杆沿立柱上下移动，水轮机转轴通过皮带轮或齿轮与发电机转轴转动连接。

所述水轮机的叶轮径向与河流的水流方向一致，水轮机转轴通过轴承与支架转动连接，并通过齿轮或皮带轮与发电机转轴转动连接。

所述水轮机的叶轮轴向与河流的水流方向一致，水轮机固定设置在两个浮船之间，浮船的一端通过连接架分别与竖直固定在河岸上的支架的立柱连接，浮船的另一端分别与支架横杆上的竖杆活动连接，水轮机随浮船可沿竖杆上下移动，发电机设置在浮船上或其船体内，发电机转轴与水轮机转轴通过齿轮或皮带轮或链轮转动连接。

所述水轮机的叶轮径向与河流的水流方向一致，水轮机固定设置在两个浮船之间，浮船的一端通过连接架分别与竖直固定在河岸上的支架的立柱连接，浮船的另一端分别与支架横杆上的竖杆活动连接，水轮机随浮船可沿竖杆上下移动，发电机设置在浮船上或其船体内，发电机转轴与水轮机转轴通过齿轮或角齿齿轮或链轮转动连接。

所述浮船之间固定设置有多个水轮机，每个水轮机转轴都分别通过齿轮或皮带轮或链轮或角齿齿轮与发电机转轴转动连接。

所述水轮机可沿河流宽度和长度方向上设置至少两个，形成阵列式的发电机组，以提高发电机的输出功率，更好地有效利用能源。

所述浮船之间通过万向节活动连接，以提高浮船之间的可活动性。

所述发电装置还包括设置在水轮机前方河流中的钢结构过滤网。

所述的引流装置是引流管，其入水口开设在河流或瀑布的上游端，并在入水口处设置有过滤网；其出水口开设在河流或瀑布的下游端，出水口与水轮发电机连接。

所述的引流装置是引流管，其入水口开设在河流或瀑布的上游端，并在入水口处设置有过滤网；其出水口开设在河流或瀑布的下游端，并在河流或瀑布的下游端设置有集水塔，集水塔的上端低于引流装置入水口的高度，引流装置出水口与集水塔上端连通，形成倒虹管，集水塔下部开设有放水口，该放水口与水轮发电机连接。

所述无坝水能发电系统设置在现有大坝发电站的大坝下游端，水轮机设置在漏斗型水池的底部，并通过皮带或链条或齿轮或角齿齿轮与设置在浮船上的发电机转动连接，浮船设置在漏斗型水池的两侧，漏斗型水池的入水端设置有导流装置，导流装置与现有大坝发电站的出水口及泄洪口连通，导流装置、浮船通过固定在河底的立柱及与立柱活动连接的横杆构成的支架支撑固定，漏斗型水池与导流装置的接合处设置有闸门装置，闸门装置由闸门滑槽和闸门构成，闸门上端与导流装置下端固定连接，闸门滑槽与浮船固定连接。可设置在远离大坝处，以避免对大坝的影响，大坝及其泄洪口的出水可用软管或沟槽引入无坝水能发电系统的导流装置。

本发明通过在河流里设置径向或轴向与河流的水流方向一致的水轮机，并将水轮机的转轴和发电机的转轴通过机械传动方式转动连接，特别是通过支架将水轮机支撑在河流中，或是通过支架与浮船的结合将水轮机支撑在河流中，或是沿河流或瀑布流向开设引流装置将处于海拔高的水流引向处于海拔低的下游端，使水流冲击水轮机的能量转化为水轮机旋转的机械动能，再由水轮机的转轴将动能传递给发电机，由发电机将此动能转化为电能，供用电设备使用。

可见，采用上述结构的本发明，不用筑坝就能将河流因落差产生的势能经水流的冲击转化为发电机的动能加以利用，投资小，几千元、几万元都可建成发电，传统的拦河筑坝每千瓦投资在五千至一万元以上，而无坝水能发电系统每千瓦投资可降至两千元左右；而且建设周期短，传统的拦河筑坝建设周期需要几年到几十年，而无坝水能发电系统最快可在一个小时以内建成发电。因此，无坝水能发电系统不仅可以避免传统拦河筑坝水力发电的投资大、建设周期长、破坏生态的问题，而且可以广泛应用于不能拦河筑坝的河流，将其蕴含的能源开发出来加以利用，以减轻人类对矿石能源的过度依赖，同时又保证人类的可持续发展，具有较好的社会效益、经济效益，更重要的是将产生很好的环境效益。可适用于各种具有落差、可以流动的河流中，特别适用于具有落差的瀑布中。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

图5是本发明实施例5的结构示意图；

图6是本发明实施例6的结构示意图；

图7是本发明水轮机转轴和发电机转轴转动连接的示意图；

图8是本发明实施例7的结构示意图；

图9是本发明实施例9的结构示意图；

图10是本发明实施例10的结构示意图；

图11是本发明实施例11的结构示意图；

图12是本发明实施例12的结构示意图；

图13是图12中闸门装置的结构示意图；

图14是本发明实施例13的结构示意图；

图15是本发明实施例14的结构示意图；

图中标号，1是河岸，2是河流，2a是引流装置，3是发电机，3a是发电机转轴，4是支架，4a是支架的立柱，4b是支架的横杆，4c是支架的竖杆，5是水轮机，5a是水轮机转轴，6是浮船，7是连接架，8是水轮发电机，9是过滤网，10是集水塔，11是漏斗型水池，12是闸门，13是闸门滑槽，14是引洪管道，15是导流装置，16是闸门装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：如图1所示，在河岸1之间的河流2内，在其河底固定设置了竖直向上的四根立柱4a，顺着河流2的水流方向上的两根立柱4a之间分别连接有横杆4b，横杆4b平行于河流2的水面，横杆4b之间固定连接有水轮机5的笼罩，笼罩为两端开口、周边为栅格状的圆柱形，其内部设置有螺旋浆式的叶轮，叶轮的轴向与河流2的水流方向一致。横杆4b与立柱4a为松配合的可活动连接，水轮机5可随横杆4b在沿立柱4a上下移动，以适应河流2不同水位的变化。立柱4a、横杆4b，以及在河流2宽度方向上连接在立柱4a之间、与水轮机5的笼罩固定连接的固定杆构成支架4，该固定杆也可沿立柱4a上下移动。

水轮机转轴5a通过皮带轮与设置在河岸1上的发电机3的发电机转轴3a转动连接。

实施例2：基本结构如实施例1，其中水轮机的笼罩改为如图2所示的漏斗型，可进一步节约材料、节约成本。

实施例3：如图3所示，支架4的三根立柱4a固定安装在河流2的河底上，依次相邻的两根立柱4a之间设置有一个水轮机5，水轮机5为水车式，在其圆周上设有沿其轴向布置的叶片构成叶轮，叶轮的径向与河流2的水流方向一致。

水轮机转轴5a穿过立柱4a，并通过轴承与立柱4a活动连接，其一端通过齿轮与设置在河岸1上的发电机3的发电机转轴3a转动连接，也可以通过皮带轮与发电机转轴3a转动连接。

实施例4：如图4所示，支架4包括竖直设立在河岸1上的四根立柱4a，两岸分别对称分布有2根立柱4a，位于上游的两根立柱4a上设置有连接架7，连接架7可以是钢架，也可以钢缆或钢丝绳。在河流2的河面上设置有两艘浮船6，浮船6之间固定有如实施例1所述的水轮机5。连接架7与浮船6的前端固定连接。下游方向的两根立柱4a之间设置有两根横杆4b，两根横杆4b之间设置有两根竖杆4c。竖杆4c上设置有可沿其上下移动的活套，该活套与浮船6的尾端固定连接，以满足浮船6随河流2的水位变化而上下移动的要求，也可以固定浮船6尾部防止左右摆动。浮船6的主要作用是适应水面涨跌的要求，做到水涨船高，能升能降，并保证水轮机5在任何情况下都保持固定的吃水深度，不会因水流面的高度变化而影响发电的运行。浮船6的制作既可像造船那样做成船型具有轮船的功能，也可用木材、塑料、橡胶、钢材等制作成其它几何形状的浮标，以满足大小河流的不同需要。

发电机3设置在浮船6的船体内或船面上，发电机转轴5a通过皮带轮或链轮与水轮机5的水轮机转轴5a转动连接。发电机3可用风力发电机，也可用传统的发电机。

实施例5：基本结构如实施例4，其中水轮机5的笼罩改为如图5所示的漏斗型，水轮机5安装在笼罩的尾部，进水口尺寸大于出水口尺寸，是为了聚集水的能量，以进一步提高发电机3的输出功率。

实施例6：如图6所示，基本结构如实施例4，其中水轮机5为水车式，在其圆周上设有沿其轴向布置的叶片，水轮机5的径向与河流2的水流方向一致。

发电机3设置在浮船6的船体内，发电机转轴3a竖直向下，与水轮机转轴5a通过如图7所示的角齿齿轮转动连接。

实施例7：基本结构如实施例5，浮船6之间沿其长度方向上设置有前后排列的两个水轮机5，两个水轮机5的水轮机转轴5a分别通过皮带轮或链轮与设置在浮船6上的发电机3的发电机转轴3a转动连接，以增大驱动发电机3的动力，提高发电机的输出功率。在浮船6前方的河流2中设置有钢结构过滤网，以过滤河流2中的垃圾、沙石，避免这些杂物对水轮机造成影响，保证发电安全。

实施例8：基本结构如实施例7，在河流2的宽度方向上设置有多个通过万向节活动连接的浮船6，相邻浮船6之间都固定设置有水轮机5，水轮机5的水轮机转轴5a分别通过皮带轮或链轮与发电机转轴3a转动连接，并且水轮机5对发电机的驱动方向一致。也可以在浮船6上设置多个发电机3，形成发电机组，提高发电机输出功率，更好地有效利用能源。

实施例9：如图9所示，支架4为开设在河流2的上下游河岸1之间的导管，该导管上端与河流2上游相通，将河水引流至河流2的下游。导管为周边封闭结构，可任意延长沿河岸1埋设，其上游的进水口尺寸大于下游的出水口尺寸，这样保持足够的落差压力，驱动水车式的水冲转轮、螺旋浆式或涡轮式的水轮机5，以带动发电机3发电。水轮机5可设置在导管出水口处的导管内或导管外。发电机3可与水轮机5一样设置在导管内，也可设置在河岸1上，水轮机5与发电机3之间可通过皮带轮或齿轮或角齿齿轮或链轮进行传动。导管设置在河流2上游处的进水口内可以设置钢结构过滤网，以过滤河流2中的沙石等杂物。

上述各实施例中，水轮机5和发电机3可根据需要，设计成整体结构，构成水轮发电机。

实施例10：如图10所示，在具有高落差的河流2的河岸1或高落差的瀑布的岸上，沿河流2或瀑布的流向开设引流装置2a，引流装置2a可以是封闭的引流槽或引流管。引流装置2a的入水口开设在河流2或瀑布的上游端，并在入水口内设置有钢结构的过滤网9，以过滤河流2中的垃圾、沙石，避免这些杂物对水轮机造成影响，保证发电安全。引流装置2a的出水口位于河流2下游端或瀑布的下端，并与水轮发电机8连接。

在重力的作用下，水流自河流2的上游端进入沿其流向的河岸1铺设的引流装置2a经过一定长度后产生较大落差，其工作原理就是利用密封液体能把外力加在它上面的压强大小不变地向各个方向传递(如万吨液压机和城市水塔管网供水)。根据需要，可设置若干根引流槽或引流管作为引流装置2a，通过设置在引流装置2a出水口处的水压感应器，检测河流2上游入水口枯水期和洪水期的水流量变化，以调节入水口和出水口水流量控制闸门开关，实现自动调节。由于入水口流量始终大于出水口流量，并保持引流装置2a处于密封状态，这时候就能够获得足够的落差压力，然后可使安装在河岸1上的水轮发电机输出电能。

实施例11：如图11所示，基本结构如实施例10。在位于河流2下游端的引流装置2a出水口高于河岸1所在地面，但高度低于引流装置2a的入水口海拔高度，形成倒虹管。在河流2的下游端设置有集水塔10，集水塔10的上端与引流装置2a的出水口相通，可将引流装置2a引入的河水排入集水塔10内。集水塔10的下部开设有放水口，该放水口与水轮发电机8连接。

可沿河流2铺设若干根引流槽或引流管作为引流装置2a，集水塔10内由若干根引流槽或引流管供水，并集中作用在一个水轮发电机8上，便于控制、调节和发电。

通过集水塔10的蓄水效应，可获得足够的水压驱动水轮发电机8旋转输出电能。

本实施例和实施例10的主要特点就是将以前建设巨型大坝水库发电的结构简化为铺设管道(或是再加上集水塔)，而获得同等高度的落差，在水流量相等的情况下，发电效果相同。

实施例12：如图12所示，无坝水能发电系统设置在现有的大坝发电站的大坝下游方。

在大坝、河流、河岸上设置若干根立柱4a，在立柱4a上松配合安装可沿其上下活动的横杆4b。水轮机5设置在漏斗型水池11的底部，并通过皮带或链条或齿轮或角齿齿轮与设置在浮船6上的发电机3转动连接，两艘浮船6设置在漏斗型水池11的两侧，漏斗型水池11的入水端设置有导流装置15，导流装置15可以是导流槽，也可以导流管。

导流装置15与现有大坝发电站的出水口连通，并通过引洪管道14与大坝发电站的泄洪口相通。导流装置15、浮船6通过固定在河底的立柱4a及与立柱4a活动连接的横杆4b构成的支架4支撑固定，漏斗型水池11与导流装置15的接合处设置有闸门装置16。如图13所示，闸门装置16由闸门滑槽13和闸门12构成，闸门12上端与导流装置15下端固定连接，闸门滑槽13与浮船6固定连接。这样，浮船6就能适应下游河流水面涨跌的变化，能升能降。

当河流处于枯水期时，大坝下游河流水位降低，由于大坝及水轮机5处于固定高度并与下游水面产生较大落差，这时候启用导流装置15与漏斗型水池11连接，带动水轮机5旋转，进而带动发电机3转动输出电能；当河流处于洪水期时，大坝下游河流水位升高与原水轮机5出水口落差变小，甚至可能为零或负数，但大坝上游需要泄洪，这时候启用引洪管道14将洪水期泄洪的水引入漏斗型水池11进行发电。

实施例13：如图14所示，基本结构如实施例12。其中的水轮机5为水车式，大坝出水口或泄洪口的水流冲击使水轮机5旋转，带动发电机输出电能。

实施例14：如图15所示，基本结构如实施例12。其中的浮船6被取消，由立柱4a和横杆4b构成的支架4固定支撑漏斗型水池11。支架4的结构与前述实施例中的支架同样结构，横杆4b可沿立柱4a上下活动。

上述实施例9～14中的引流装置2a、引洪管道14的制作安装，可用钢材，如天然气管道、输油管道一样安装，也可以用钢筋混凝土制作安装，如城市管网供水一样安装，既可现浇筑，也可以预制，既可以采用圆管，也可以采用方管，特别是预制钢筋混凝土方管，比较适合交通不便的河流使用。同样，也可以采用塑料、橡胶、布料以及其它合成材料制作上述装置，安装管道，以降低成本，以满足不同场合的合理需要。

上述各实施例中，水轮机5和发电机3或水轮发电机8、浮船6、支架4、导流装置15、闸门装置16、漏斗型水池11等可组合成阵列式、排列式、群体式或其它组合形式，构成如实施例8所表述的组合发电系统。

Claims (10)

1、无坝水能发电系统，包括水轮机(5)和与之转动连接的发电机(3)，或水轮机与发电机一体化的水轮发电机(8)，其特征在于：所述水轮机(5)或水轮发电机(8)设置在河流(2)内，或设置在沿河流或瀑布流向开设的引流装置(2a)的出水口处。

2、如权利要求1所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述水轮机(5)的叶轮轴向与河流(2)的水流方向一致，支架(4)由竖直固定在河底上的立柱(4a)和与河面平行的横杆(4b)构成，水轮机(5)固定在横杆(4b)之间，横杆(4b)与立柱(4a)为活动连接，水轮机(5)可随横杆(4b)沿立柱(4a)上下移动，水轮机转轴(5a)通过皮带轮或齿轮与发电机转轴(3a)转动连接。

3、如权利要求1所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述水轮机(5)的叶轮径向与河流(2)的水流方向一致，水轮机转轴(5a)通过轴承与支架(4)转动连接，并通过齿轮或皮带轮与发电机转轴(3a)转动连接。

4、如权利要求1所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述水轮机(5)的叶轮轴向与河流(2)的水流方向一致，水轮机(5)固定设置在两个浮船(6)之间，浮船(6)的一端通过连接架(7)分别与竖直固定在河岸(1)上的支架(4)的立柱(4a)连接，浮船(6)的另一端分别与支架(4)横杆(4b)上的竖杆(4c)活动连接，水轮机(5)随浮船(6)可沿竖杆(4c)上下移动，发电机(3)设置在浮船(6)上或其船体内，发电机转轴(3a)与水轮机转轴(5a)通过齿轮或皮带轮或链轮转动连接。

5、如权利要求1所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述水轮机(5)的叶轮径向与河流(2)的水流方向一致，水轮机(5)固定设置在两个浮船(6)之间，浮船(6)的一端通过连接架(7)分别与竖直固定在河岸(1)上的支架(4)的立柱(4a)连接，浮船(6)的另一端分别与支架(4)横杆(4b)上的竖杆(4c)活动连接，水轮机(5)随浮船(6)可沿竖杆(4c)上下移动，发电机(3)设置在浮船(6)上或其船体内，发电机转轴(3a)与水轮机转轴(5a)通过齿轮或角齿齿轮或链轮转动连接。

6、如权利要求4或5所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述浮船(6)之间固定设置有多个水轮机(5)，每个水轮机转轴(5a)都分别通过齿轮或皮带轮或链轮或角齿齿轮与发电机转轴(3a)转动连接。

7、如权利要求6所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述水轮机(5)可沿河流(2)宽度设置多个，所述浮船(6)之间通过万向节活动连接。

8、如权利要求1所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述的引流装置(2a)是引流管，其入水口开设在河流或瀑布的上游端，并在入水口处设置有过滤网(9)；其出水口开设在河流或瀑布的下游端，出水口与水轮发电机(8)连接。

9、如权利要求1所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述的引流装置(2a)是引流管，其其入水口开设在河流或瀑布的上游端，并在入水口处设置有过滤网(9)；其出水口开设在河流或瀑布的下游端，并在河流或瀑布的下游端设置有集水塔(10)，集水塔(10)的上端低于引流装置(2a)入水口的高度，引流装置(2a)出水口与集水塔(10)上端连通，形成倒虹管，集水塔(10)下部开设有放水口，该放水口与水轮发电机(8)连接。

10、如权利要求1所述无坝水能发电系统，其特征在于：所述无坝水能发电系统设置在现有大坝发电站的大坝下游端，水轮机(5)设置在漏斗型水池(11)的底部，并通过皮带或链条或齿轮或角齿齿轮与设置在浮船(6)上的发电机(3)转动连接，浮船(6)设置在漏斗型水池(11)的两侧，漏斗型水池(11)的入水端设置有导流装置(15)，导流装置(15)与现有大坝发电站的出水口及泄洪口连通，导流装置(15)、浮船(6)通过固定在河底的立柱(4a)及与立柱(4a)活动连接的横杆(4b)构成的支架(4)支撑固定，漏斗型水池(11)与导流装置(15)的接合处设置有闸门装置(16)，闸门装置(16)由闸门滑槽(13)和闸门(12)构成，闸门(12)上端与导流装置(15)下端固定连接，闸门滑槽(13)与浮船(6)固定连接。

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