CN101395367A - 可生产再生能源的水电设备和系统 - Google Patents

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CN101395367A CNA2006800492457A CN200680049245A CN101395367A CN 101395367 A CN101395367 A CN 101395367A CN A2006800492457 A CNA2006800492457 A CN A2006800492457A CN 200680049245 A CN200680049245 A CN 200680049245A CN 101395367 A CN101395367 A CN 101395367A
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Abstract

本发明涉及一种能够生产可再生能源的水电设备，包括至少一台发电机(3)和一根与该发电机连接的驱动轴(5)，所述驱动轴包括至少一部分伸进流水中并被流水驱动旋转的若干叶片，所述叶片各自沿驱动轴的方向偏移；本发明也涉及一种由若干所述水电设备组成的系统。

Description

可生产再生能源的水电设备和系统
技术领域
本发明涉及如权利要求1的前序所述的一种能够生产可再生能源的水电设备；本发明还涉及一种能够生产可再生能源的水电系统，它由诸多的上述设备组成。
背景技术
逾一个世纪以来，水一直被用来发电。现有的水电站均按照水流量和坡度进行设计，而Pelton(冲击式)、Francis(弗朗西斯)和Kaplan(卡普兰)涡轮机、或水轮机也具备这种应用功能。此外的知名设备还包括管道式涡轮机、液压或阿基米德式螺旋抽水机。近几年、甚至于近几十年来，这些现有的水轮机和涡轮机都未得到后续开发。
所用的涡轮机类型取决于所含水流量、坡度或蓄压。所以，诸如Pelton在内的涡轮机适用于坡度和压力较高、而所含水流量较小的应用场合；而Kaplan涡轮机则适用于坡度较低、所含水流量中等的应用场合；然而，如果坡度和所含水流量都较小，则这些现有的涡轮机都无法适用。
此外，如果所含水流量不同或发生变化，同样会给这些现有涡轮机带来麻烦一它们都被设计用于相对受限的水流量范围。如果所含水流量过高或过低，涡轮机将无法运行。
由于这些涡轮机早已达到了自身的效率上限且无后续的上升空间，所以它们无法推动相应的后续开发。
近年来，矿物燃料成本呈螺旋式上升，其可用性有限，而可再生能源不会加重温室效应，因此对可再生能源的需求激增。
水电站系统的缺点在于：它们会对周围环境产生巨大影响，且工程极其复杂，中国最近竣工的水力发电厂就是一个典型的案例。
发明内容
因此，本发明致力于提供一种可生产再生能源的水电设备，该设备的优点在于：环境兼容性好、结构简单，易于安装、能在多种水力可用性条件下高效运行。
而且，所提供的目标系统带有此类设备，能够实现对应的模块化配置。
可生产再生能源的水电设备，它包括至少一台用于发电的发电机，一条与该发电机相连的驱动轴(有多个叶片并可在水流中转动)。通过驱动轴沿线相互交错排列的叶片，可以实现通水施压的最佳利用，达到极高的驱动轴转速和较高转矩。
尤其值得一提的是，较之常规的涡轮机类型和系统，所发明的这种设备具备更为恒定的转速和转矩。
所发明的水力设备可用于生产可再生能源，优势如下：
-易于安装，无需施工；
-接近用电用户，因此可以实现地区的基本供电；
-具有良好的通用性，以及在必要时对现有流动条件的自动适应能力，以最大程度地发挥设备效率；
-环保；
-该设备具备能源供应所需的优化型规格，例如：外形尺寸组适合选址于偏远的社区等类似地区；
-设备可以适应任何水流和异流条件；
-发电过程可以实现(污染物)零排放。
这些叶片的优势在于：它们被配置为反向型—即具备一种与推进器相似的配置。推进器可被用来推进诸如飞机或船舶，而反向桨则由周围的介质流提供动力。术语“反向型”指那些可能带有两个或多个叶片的反向桨。
这项发明的优势在于：叶片节距相互可调，以实现贯穿气流的优化利用；因此，驱动轴沿线的叶片节距彼此各异。
另外一个优势在于驱动轴纵向叶片的间距可调。
而且，叶片面的节距相对于驱动轴可调，因此可以产生与入射气流压力相配、可定位的叶片面；而且驱动轴各处的压力可以不同。定位工作可由电脑控制、并由机械、机电、气动或液压工具完成。
所发明设备的独特优势在于：借助于电脑控制，它能够最佳地匹配现有的“水电图”、完成叶片装置的定位。这种水电图可以反映以下参数—水流速率(以m3/秒为单位)、坡度、水流能量和动态蓄压响应。
通过使用匹配的传感器，可以在必要时捕捉整条驱动轴的水电图；且叶片装置的节距可以适应水电图的各种变化，由此可以优化所发明设备的效率。
由于驱动轴处装配有可释放的叶片，因此可以快速更换磨破或受损的叶片。
在首选实例中，驱动轴可被直接连至为其提供动力的发电机。作为替代方案，驱动轴还可通过匹配的变速箱连接至发电机。
由于被装在矩形或其它形状的框架内，所以驱动轴的设计结构简易紧凑，便于运输安装。另外，发电机也可装在框架上。
而且，框架可被置于半/全闭槽中，以直接控制水体。
由于设备自身可被平置、斜置、甚至竖置，所以该设备得到了普遍采用。它可被用于正常的河流、溪流和坡流中，甚至还可用于垂直下落的水流中。
为了发挥优势，所发明的设备最好应被置于两个浮标中央且采用栓系。最大的优点在于：由于所发明的设备可以浮在水流上，因此它可通过水流产生电能。此外，因为随流而动，所以这种设备无水位指示，适用于高水位。通过适当的栓系，无须借助于其它工具，该设备即可适应水流方向各种变化。
上述操作可由带自动定向型舵杆组件的设备提供后续支持。
而且，为了发挥优势，该设备还带有导向管或喷射管，以便将水流导入叶片的外端，以此优化叶片的水流冲击效果。
此外，由于装有叶片的驱动轴高度可调，所以驱动轴沿线叶片的浸水深度可调。通过诸如单端安装的枢轴臂，可以转动驱动轴以调整驱动轴高度。
综上所述，所发明的发电设备具备较高的转速，可能引发振动。因此，为了发挥优势，驱动轴既可运行于两端的轴承中，又可运行于至少一个其它位置—诸如末端之间的二至五处。由此一方面可以提高整套设备的刚性、另一方面又可减少驱动轴的旋转次数、甚至可以实现零振动。
塑料或陶瓷制普通/滚珠轴承较少使用润滑油、永久密封、使用寿命较长且不易被流水冲带的泥土掩埋，因此可用作驱动轴的轴承。
驱动轴被设计为花键轴，每个叶片支架被设计为花键支架；所以，将叶片配至驱动轴的系统简单、高效、易调；而且它们可以在驱动轴处平稳运行，以将动力平稳地输至驱动轴。
水流挟带浮木、树叶等碎屑以及鱼类。因此，碎屑筛网(首选尖犁型)将被置于设备的前方，以阻止碎屑进入所发明的设备；另外，这种保护功能还可通过设备周边的网笼进行后续强化。
叶片极为有利的配置在于：每两个偏转角为180°的叶片可以构成一个通用的管状剖面—其中包括一个容纳流体的空腔。在这种布局中，流体并未完全占满空腔；此时最好基本占满一半空腔体积(两半叶片采用对称配置)。如果空腔水平放置，则基本相同数量的流体将占据空腔的两半。如果叶片转动，则流体将突然重力加速，由此叶片继续转动。借助于多个管状剖面，叶片具备恒定的转速和基本恒定的转矩。尽管所用的流体为水，但为了发挥优势起见，亦可采用任何其它适用的流体。
由于此时转动叶片仅需使用较少的驱动能量，这种配置方案尤其适用于水流较弱的应用场合。
发明的另一项内容是一种能够生产可再生能源的水电系统，它包括权利要求1至24所述的诸多设备，它们彼此前后之间放置、并排放置、和/或上下放置。
因此，此类系统可采用模块化设计，以普遍适应各种具体的应用条件—如河流宽度、工作长度、水深等。
具体情况下，这些设备的驱动轴通常可互联，用于共同驱动一台发电机。
附图说明
想要了解其它详细内容、特点和优势，请阅读所附图纸的以下参考描述。其中，
图1前透视图；左上方为首例发明设备—生产可再生能源；
图2首例所发明设备的侧视图(如图1所示)；
图3第二例所发明设备的前视图；
图4所发明的管道式设备的图解式侧视图；
图5驱动轴、以及所发明设备的叶片的图解式局部视图；
图6驱动轴(带有叶片和它们的轴承)的局部视图设计；
图7驱动轴上双叶片轴承部位的分解视图；
图8所发明设备的前视图(显示漂浮实例的原理布局)；
图9所发明设备栓系在堤岸上的视图；
图10所发明设备(含尖犁型碎屑筛网)的浮动视图；
图11其它所发明设备实例的前视图(所示的驱动轴运行于多个轴承中)；
图12其它所发明设备实例的前视图；
图13所发明设备实例(含皮带驱动器)的前视图；
图14所发明的管道式设备的透视图；
图15所发明设备的驱动轴实例(含管状叶片)的透视图；
图16图15示例的前视图；
图17图15示例的侧视图；
图18a至18c每幅均为实例的放大的图解视图(含管状叶片)；
图19a至19c每幅均为图18a至18c所示叶片的视图。
具体实施方式
通过类似的参考数字，上图所示类似组件的相关描述如下：
参考图1，其中说明了所发明的首例水电设备1并显示了它的基本布局情况，这种设备能够生产可再生能源。如图1所示，所发明的设备1带有一台发电机3；在实例中，发电机通过变速箱4和皮带6而接至驱动轴5。
驱动轴5被置于框架7(矩形配置)中央、并带有两条侧梁9和两条横梁11。此外，框架7还带有附加区域12，可被用来安装变速箱4和发电机3。
每端的驱动轴5都运行于所配横梁11上所装的轴承13中。
图1所示的框架7，位于延伸槽15上；且驱动轴6则被置于槽15所配流道17的上侧区域内。
通过图1还可发现：驱动轴5沿线排有多个反向桨19，它们的形状与推进器相同。每个反向桨19都带有两个叶片21、它们的偏转角为180°、并由水流转动(参见图2)。如前所述，反向桨19可以仅带一个叶片21、亦可带有超过两个叶片21。
叶片21和反向桨19分别排在驱动轴5的偏转沿线；换言之，一个反向桨19的叶片21和下一个反向桨19的叶片21之间的相对角度可调，以实现水流介质的最佳传输。
参考图2，其中图解说明了所发明设备1：它带有斜槽15，水体23从顶部的进水流25向下经槽流入出口27。由于该水流可以转动叶片21，所以整套驱动轴5可以通过皮带6和变速箱4可以驱动发电机3.
参考图3，其中说明了所发明设备1的图解式前视图、并显示：水体23的上游水位29位于驱动轴5下方，所以仅一些叶片21被浸于水体23中。
流道17由开口向上的圆形管道构成。
另外，图3还图解说明了上/下扫描驱动轴5的水位的方法；最低水位如图3所示。
参考图4，其中说明了所发明设备1(斜置)的图解式侧视图、并显示出水体23流经管道35的方法；该管道采用圆形配置、并最好采用铝板制成。管道35中盛有带叶片的驱动轴(未显示)。
通过图4可以清晰地发现：进水23完全填满了管道的入口截面。在该实例中，发电机3的水流可被密封。作为替代方案，可将该驱动轴置于通用连接中、而将发电机(未显示)置于外部。
管道被装在支座36上方、彼此之间的间距大体相等。管道35出口下方置有排水箱37。
如图4中的个案所示，管道进水截面已填满了水；然而，所发明的设备还可产生电能、甚至在进水截面未完全填满水流的情况下也是如此；管道截面既可在日后填满、亦可完全不填。
参考图5，其中图解说明了驱动轴5上反向桨19的叶片21的最佳定位工具。
轴承元件41中的每个叶片21都可按照双箭头39所示方向运行，所以每个叶片的叶片面22都可完成其在贯穿水流中的相对定位。
而且，这些反向桨19可以沿着驱动轴彼此相隔而置，如双箭头43所示。图5中所示的可行方案仅为个案、且独立的反向桨19的布局与它们的真实设置并不相配；例如：图1和2中的双箭头45可以指示它们的转向。
由于本发明可以实现最佳的设备设置，因此能够使驱动轴沿线水流机械响应实现最佳利用。不仅可以使用图3所示的相同叶片，而且可以使用叶片面各异的不同叶片，以此可以优化所发明的设备。
参考图6，它从设计的角度说明了驱动轴5实例的图解视图；该驱动轴带有一个花键轴40—它带有纵向排列的花键—图7更加清晰地说明了上述结构，该图将配置方案显示于分解视图中。轴承元件41采用了剖分设计、并带有两个轴承壳47，其中每个都带有一个花键内廓、并配有花键轴40的花键，以便正向卡住花键轴40。
每个轴承壳47中都插有一个安装衬套48。在这种布局中，衬套48带有内置轴，所以叶片21被精密地排列、偏转角为180°。内部的安装衬套48带有一个花键剖面；每个叶片21的正向都配有变速箱49的花键剖面。通过错开花键轴40周围的轴承壳47，这种正向花键连接既可使叶片21实现预期的定位和转动、而又易于错开与毗邻配对相向而置的一对叶片21。通过常规的紧固件51(含螺母和螺栓)，既可完成轴承壳47之间的固定、又可实现安装衬套48和轴承壳之间的固定。
参考图8，其中说明了另一例水力设备的前视图；该设备能够生产可再生能源。
与图1和2的示例不同，所发明的设备1并未被置于槽上、而是置于水面上漂浮的浮筒或浮标61上。浮标61的优点在于：它配有一条系带63(例如：以缆索的形式)，以使浮标61可以在贯
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水流的方向随意地自动定位。
图8清晰地表明：为了发挥优势，可以设定驱动轴5和其叶片21的水位，如箭头65所示。
参考图9，这体现了所发明的这种设备1的另一个优势—例如：通过使用对应的固定支架71和73，可将该设备栓系在堤岸67对应的固定轨69处；而通过使用匹配的紧固件70，则可将固定轨69固定在堤岸67。
通过图9还可了解到：叶片21仅一定程度上浸入水体23中。如果水位29发生变化，则可相应地升高/降低所发明的设备1，如双箭头75所示，以此获得所发明设备的最佳响应。
作为替代方案，所装的发明设备既可在对应的枢轴臂(未显示)转动、反过来又可枢装在堤岸处。因此，通过使用简单的方法和工具，即可设定叶片21浸入水体23中的深度；反而言之，通过浸水深度，亦可设定所期望的常数，以将整套设备调至现有、变化中的水位29。
参考图10，其中所说明的实例与与图8所示的实例类似、但其浮标61前方带有碎屑筛网81、并最好具备尖犁形。碎屑筛网将对沿水流方向(箭头83)而至的碎屑进行侧钻，以防止其进入两个浮标61之间的空间。另外，为了免受鱼类的入侵，亦可在浮标61下方放置鱼网84；必要时还可在船尾(未显示)处放置该鱼网。
为了转移漂浮碎屑，水面顶部或附近还漂有圆形导流板85—它最好沿水流方向转弯，以避开所发明设备1水面上的来袭碎屑。
参考图11，其中说明了所发明设备1的另一个实例—与图1所示相类似，该设备也带有一个框架7，它清晰地显示出独立叶片配对21之间的间距是如何被匹配提供的。尽管该指标大体保持恒定，但仍存在不同的间距。
另外驱动轴5还配有附加的轴承，以实现带有最小振动的运行；而对应的轴承87则通过横杆89接至框架7和侧梁9，
参考图12，其中说明了所发明设备1的另一个实例；该设备被套在管道77(与图4所示类似)；支座79则被用来安装整套设备；管道77可以平置；管道77下方和侧面的水流23构成了鱼道。
如果管道77被斜置，则管道77下方的空间91可被配置为鱼梯。
参考图13，其中说明了所发明设备1的其它特点—与图4所示类似、但管道35上方置有发电机3，如箭头93所示；设计有高度可调的支座79。
所用皮带可以为平带、V型带或多楔带。
参考图14—它在透视图中说明了所发明的管道式设备实例—与图12所示类似、并另外提供了轴承框95安装驱动轴5和管道77的方法、以及轴承腿97的角度大体为直角的方法。
参考图15至17，其中说明了所发明设备的备选实例；图15为透视图、图16为前视图、而图17则为侧视图。现在可以参考图18a至18c，其中以放大的比例说明了反向桨的两个叶片24—它们彼此之间的偏转角为180°，并共同构成了一个管状剖面26，其中配置有长腔28—它与周边环境相隔离，并盛有流体30；此时，水最好不要填满长腔28，而应大体占据仅一半的体积。如果构成管状剖面26的一对叶片24从水平位置(如图18a所示；其中流体30大体占有与长腔28中相同的分布空间)转至箭头32所示的一侧，则流体30将被重力突然移至较低的局部空腔(参见图18b)中，由此造成对应的叶片24被突然扭曲。图18c所示的填充空腔28已处于其的最低位、将进而转至图18a等所示的位置中。
参考图19a至19c，其中说明了图15至18c的示例。叶片24的侧面和末端都带有叶片尖端34，以实现更佳的叶片面、尤其适用于水流较弱的应用场合。
图15所示的螺旋式布局清晰地表明：这种突然运动的蔓延可以引发驱动轴5的转动。但是基于该设备自身的动态响应，仅少量必备的外部能量将被产生，以用来转动驱动轴5；所以，这种设备尤其适用于水流较弱场合的应用。
所发明的水力设备可用于生产可再生能源，优势如下：
-易于安装、无需施工，因而安装时间最短；
-接近用电用户，因此可以实现地区的基本供电；
-作为现场条件下的一种功能—通过诸多的独立设备，可完成整套模块化系统配置，以实现水流的最佳利用；
-具有良好的通用性，以及在必要时对现有流动条件的自动适应能力，以最大程度地发挥设备效率；
-环保
-该设备具备能源供应所需的优化型尺寸；例如：外形尺寸组适合选址于偏远社区或类似地区；
-设备可以适应任何水流和异流条件；
-发电过程可以实现(污染物)零排放；
-根据具体的实例，封装后的设备尤其适用于低噪运行。
该说明主要描述了一种适合用作固定发电装置的设备。然而，它还可使用对应蓄电池所存的静态发电而为浮船提供动力。如需推动船舶前进，所存能量可被用来为对应的设备提供动力，以便推动船舶前进。为了对蓄电池进行充电，船舶将重新返回水面。
作为替代方案，可以同时运行船舶的发电机和推进系统，以便将发电直接用来推动船舶。

Claims (26)

1.一种可生产再生能源的水电设备(1)，包括至少一台用于产生电能的发电机(3)、一根与发电机连接的驱动轴(5)和至少一部分伸进流水中并被流水(3)驱动旋转的若干叶片(21、24)，其特点在于：所述叶片(21、24)沿驱动轴(5)交错排列。
2.如权利要求1所述的水电设备，该设备的特点在于：叶片(21，24)是反向型配置。
3.如权利要求1或2所述的水电设备，该设备的特点在于：驱动轴(5)的纵向的叶片(21，24)可调。
4.如权利要求1至3所述的水电设备，该设备的特点在于：叶片(21，24)的间距在驱动轴(5)的纵向上可以调整。
5.如权利要求1至4所述的水电设备，该设备的特点在于：叶片面(22)和驱动轴(5)之间的相对节距可调。
6.如权利要求1至5所述的水电设备，该设备的特点在于：它借助于电脑控制、并采用机械、机电、气动或液压工具完成叶片(21，24)的调整工作。
7.如权利要求1至6所述的水电设备，该设备的特点在于：这些叶片(21，24)都能够配至驱动轴(5)并可被释放。
8.如权利要求1至7所述的水电设备，该设备的特点在于：驱动轴(5)被直接连至发电机(3)。
9.如权利要求1至8所述的水电设备，该设备的特点在于：驱动轴(5)被装在框架(7)中。
10.如权利要求9所述的水电设备，该设备的特点在于：框架被置于一个半开/闭型槽(15)中或管道(35，77)中。
11.如权利要求1至10所述的水电设备，该设备的特点在于：它采用倾斜布局或垂直布局
12.如权利要求1至11所述的水电设备，该设备的特点在于：它最好被置于两个浮体或浮标(61)中间、且带有一条系带(63)。
13.如权利要求12所述的水电设备，该设备的特点在于：它带有一个自动定向型舵杆组件。
14.如权利要求1至13所述的水电设备，该设备的特点在于：它带有定向管或喷射管，可将水流导入叶片(23)的外端。
15.如权利要求1至14所述的水电设备，该设备的特点在于：驱动轴(5)上装有叶片(21，24)、且高度可调。
16.如权利要求1至15所述的水电设备，该设备的特点在于：驱动轴(5)都采用枢轴安装。
17.如权利要求1至16所述的水电设备，该设备的特点在于：驱动轴(5)运行于两端的轴承中、以及末端之间的至少一个其它位置(87)。
18.如权利要求17所述的水电设备，该设备的特点在于：无润滑油、且永久密封的普通或滚珠轴承亦由塑料或陶瓷制成、并被供作驱动轴(5)的轴承。
19.如权利要求1至18所述的水电设备，该设备的特点在于：驱动轴(5)被设计为花键轴(40)、而每个叶片(21)的支架则被设计为花键支架(48)。
20.如权利要求1至19所述的水电设备，该设备的特点在于：它的前方带有一个碎屑筛网(81)，首选尖犁型、且顶部带有圆形导流板(85)、漂浮在水面以下的区域。
21.如权利要求1至20所述的水电设备，该设备的特点在于：其外围带有一个网笼。
22.如权利要求21所述的水电设备，该设备的特点在于：偏转角为180°的每两个叶片(24)构成了一个通用的管状剖面(26)，其中带有一个盛放流体(30)的空腔(28)。
23.如权利要求22所述的水电设备，该设备的特点在于：空腔(28)中的流体(30)为水。
24.如权利要求21或22所述的水电设备，该设备的特点在于：流体(30)占据了一半的空腔(28)体积。
25.一种能够生产可再生能源的水电系统，其特点在于：它带有权利要求1至22所述的诸多水电设备；它们彼此之间前后放置、并排放置和/或上下放置。
26.如权利要求25所述的水电系统，该系统的特点在于：它的驱动轴(5)全体彼此相连。
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