CN101988460B - 悬浮式水力发电机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮式水力发电机构及带有该水力发电机构的悬浮式水力发电机构总成。所述水力发电机构包括：水力发电机构壳体、浮箱和传感器，所述发电机构壳体内置发电机，该发电机的发电机轴与一动力输入轴传动连接；所述浮箱装于所述水力发电机构壳体的上部并包括：一弹性气囊，设于所述浮箱内，将所述浮箱分隔为容纳压缩空气的容气腔体与容水空间，一注水泵，装于一连通所述容水空间与外部空间的管路上，及一控制阀，置于另一连通所述容水空间与外部空间的管路上；所述传感器，用于检测水体风浪大小并根据检测结果控制所述注水泵或控制阀动作。本发明产品能够抵抗自然灾害的侵害，发电稳定性也比较好，其结构简单、造价也比较低。

Description

悬浮式水力发电机构

技术领域

本发明有关一种水力发电设备，具体而言是涉及一种悬浮于水面下进行发电的水力发电机构以及带有该水力发电机构的悬浮式水力发电机构总成。

背景技术

水力发电设备，就是将水流所携带的能量转化为电力的装置。

现有的水力发电设备主要有四大类：一类是依靠波浪拍打水岸，使水位升高，利用水位落差驱动发电设备发电，与常见的落差发电技术类似；另一类是依靠波浪的升高和降低，带动浮子产生垂直振动或相对运动，而使发电设备发电；第三类则是在管道里加装置，利用管道随波浪的顺次移动而发电；第四类则是将发电浆叶放在水下工作，利用水流驱动桨叶旋转而带动发电机发电。

其中，第一类发电设备需要在海边或河岸等具有较高波浪的地方建筑岸堤，在岸堤内修建发电设备，其对地理位置、水文环境等都有较高的要求，不适合大范围应用。

第二类、第三类发电设备由于是利用波浪的波动产生动力，而波浪的波动是不稳定的，导致所发的电流也不稳定，发电效率比较低，而且由于海面海况瞬息万变，在遭遇狂风巨浪的情况下，极易造成发电设备的损坏，其抵抗自然灾害的能力比较差。

第四类发电设备类似于风力发电，需要在水底建造立柱，在立柱位于水面下、接近水面的位置安装桨叶，利用桨叶接收水流动能。由于水面附近水流流向、流速在一段时间内相对稳定，因此浆叶型水能接收装置接收水能相对稳定，发电效率也比较高，但其也有二个主要的缺点：一是为了收集并不太充足的海水能量(指其浆叶扫过面积的能量)，需要建造高大的海底立柱，投资高，效益差；其次，由于海水的能量最大值在海面，而到了一定深度就很平静了，即便十二级台风情况下，海面以下十米，基本很平静了。这种发电设备的桨叶，上部不超过海平面，下部不应超过距离海平面六米(毕竟刮十二级台风很少)，因此，难以实现大型化。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提供一种水力发电设备的悬浮式水力发电机构及带有该水力发电机构的悬浮式水力发电机构总成，该悬浮式水力发电机构及水力发电机构总成能漂浮于水体内任意位置，通过水能接收装置接收水面下水流的动能，因此能够抵抗自然灾害的侵害，发电稳定性也比较好，其结构简单、造价也比较低。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

一方面，本发明的悬浮式水力发电机构，其包括：

水力发电机构壳体，内置发电机，该发电机的发电机轴与一动力输入轴传动连接；

浮箱，装于所述水力发电机构壳体的上部并包括：

弹性气囊，设于所述浮箱内，将所述浮箱分隔为容纳压缩空气的容气腔体与容水空间，

注水泵，装于一连通所述容水空间与外部空间的管路上，

控制阀，置于另一连通所述容水空间与外部空间的管路上；

传感器，用于检测水体风浪大小并根据检测结果控制所述注水泵或控制阀动作。

优选地，在安装所述注水泵和/或控制阀的管路上设有单向阀。

优选地，在所述水力发电机构壳体的下方装有阻尼器。

进一步地，所述阻尼器为一沿所述水力发电机构壳体径向延伸的片状板。

更进一步，在所述阻尼器的端部设有配重。

优选地，所述水力发电机构壳体包括密闭壳体以及传动箱体，所述密闭壳体中安装所述发电机，或安装发电机与动力传动机构，所述传动箱体中安装所述动力输入轴，该密封壳体与传动箱体由一隔离件所分隔，所述动力输入轴与发电机轴或所述动力传动机构的被动输入轴之间由一非接触磁性传动器传动连接。

在本发明的一个实施例中，该非接触磁性传动器包括：

主动盘，安装于所述动力输入轴，在该主动盘沿圆周方向间隔设置极性相反的磁铁；

被动盘，安装于所述发电机轴或所述被动输入轴并与所述主动盘相对设置，在该被动盘对应所述主动盘的位置设置与主动盘极性相反的磁铁。

进一步地，所述主动盘呈圆筒形，所述磁铁安装在该主动盘的筒形内壁上，而所述被动盘呈圆柱状，所述磁铁设置在被动盘的圆柱形表面上；所述隔离件是位于所述主动盘与被动盘之间的隔离筒。

更进一步，在所述主动盘的筒形底部沿圆周方向同时间隔设有极性相反的磁铁，而在上述被动盘的端部表面对应所述主动盘位置设有与所述主动盘极性相反的磁铁。

在本发明的另一个实施例中，所述非接触磁性传动器包括：

主动盘，呈筒形，该主动盘安装于所述动力输入轴，在该主动盘内筒壁沿圆周方向间隔设置极性相反的磁铁；

被动盘，呈圆柱形，在该被动盘圆柱形表面对应磁铁的位置沿轴向嵌装有多个导体，各导体的两端分别由一短路环短接，形成一鼠笼转子；

所述隔离件是位于所述主动盘与被动盘之间的隔离筒。

优选地，所述传感器为流速传感器。

另一方面，本发明的悬浮式水力发电机构总成，其包括上述的悬浮式水力发电机构，以及一随动机构，该随动机构包括转架和缆绳，所述转架枢轴连接于所述水力发电机构壳体，而所述缆绳一端连接于所述转架，另一端锚固于水底。

优选地，所述转架为一U形转架，其U形端部枢接于所述水力发电机构壳体。

与现有技术相比，本发明的水力发电机构由于带有调节浮箱，可以根据水力发电机构安装的传感器检测的信号(即风浪的大小或水流的流速值)控制浮箱注水或排水，从而带动水力发电设备上浮或下沉，在风浪小时贴近水面，而在风浪大时沉入水中，因此能够抵抗自然灾害的侵害；使得与其连接的水能发电装置既能有效地接收水面下的水流的动能，提高接收效率及发电稳定性，又能避免因环境变化可能对水力发电设备造成的损害，提高设备的使用寿命。

而本发明的水力发电机构总成由于将水力发电机构连接于一随动机构，可以通过后者用缆绳锚固在水底，使得本发明的水力发电机构可以在水中360°旋转，适应不同的水流方向，提高水力发电机构的发电效能。同时，也不再需要建造复杂的水底建筑或堤岸构筑物，其结构简单、造价也比较低。

附图说明

图1是带有本发明水力发电机构的水力发电设备正面结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的右视图。

图4是图1所示水力发电设备在风浪小时的工作状态示意图。

图5是图1所示水力发电设备在风浪大时的工作状态示意图。

图6本发明水力发电机构的结构示意图。

图7是图6中浮箱的结构示意图。

图8是本发明水力发电机构中非接触磁力传动器一个实施例的结构示意图。

图9是图8的A-A剖视图，其中表示了磁铁分布示意图。

图10是表示图8所示实施例另一种磁铁分布结构示意图。

图11是本发明水力发电机构中非接触磁力传动器的另一个实施例结构示意图。

图12是图11的B-B剖视图。

图13是本发明水力发电机构中非接触磁力传动器的又一个实施例结构示意图。

图14是图13的C-C剖视图。

图中

100、水能接收装置        110、动力传递装置

120、驱动架

200、水力发电机构        210、浮箱

211、弹性气囊            212、注水泵

213、控制阀              214、单向阀

215、容气腔体            216、容水空间

220、阻尼器

230、非接触磁性传动器        231、主动盘

232、被动盘                  233、蹄形磁铁

234、隔离件                  235、圆柱形磁铁

236、密闭壳体                237、传动箱体

240、非接触磁性传动器        241、主动盘

242、被动盘                  243、隔离筒

244、磁铁                    245、隔离介质

246、密闭壳体                247、传动箱体

250、非接触磁性传动器        251、主动盘

252、被动盘                  253、导体

254、隔离筒                  255、磁铁

256、密闭壳体                257、传动箱体

260、动力输入轴              270、发电机轴

280、水力发电机构壳体

300、随动机构                310、转架

320、缆绳

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

本发明的水力发电机构是应用到水力发电设备，用于将水能接收装置所接收江河或海洋中水流动能转换为电能的装置。下面结合附图说明本发明水力发电设备的结构和工作原理：

图1是装有本发明水力发电机构的水力发电设备正面结构示意图。图2是图1的俯视图。图3是图1的右视图。

如图1～图3所示，水力发电设备包括：水能接收装置100和水力发电机构总成，水力发电机构总成包括水力发电机构200和随动机构300。所述水能接收装置100用于接收水中的能量并将其转化为旋转动能，传输到水力发电机构200供水力发电机构发电，而所述随动机构300则保证水能接收装置100能够顺着水流的方向接收水能。

水能接收装置100包括螺旋体120和动力传递装置110，螺旋体120的旋转动能可以通过动力传递装置传递给驱动架130，由驱动架130驱动水力发电机构200而发电。

水力发电机构200包括位于其壳体上部的浮箱210和位于其壳体下部的阻尼器220，浮箱210内设有弹性气囊，浮箱210下方设有水泵和电控阀用于向浮箱210注水，弹性气囊内装有压缩空气，可用于排水，通过在浮箱210内注水和排水可以调节水力发电机构200的整体密度，使发电设备整体上浮或下沉。发电设备的上浮或下沉可由设置在水力发电机构侧面的水流流速传感器控制，在流速超过预定值时，预示风浪较大，浮箱210注水下沉，反之上浮。

图4是图1所示水力发电设备在风浪小时的工作状态示意图。图5是图1所示水力发电设备在风浪大时的工作状态示意图。在风浪小时，水力发电设备可浮到水面附近发电，以最大限度地利用水面附近的水流动能，参见图4；而在风浪大时，风力发电设备可下沉到距水面较远的位置继续发电，以免因风浪损坏发电设备，参见图5。

随动机构300则连接到水力发电机构200，既可以在发电设备发电时提供反向的作用力，又可以保证水能接收装置100和水力发电机构200能随水流随时转换漂浮方向。该悬浮随动机构300包括转架310和缆绳320，转架310枢轴连接于水力发电机构200，可绕水力发电机构转动，缆绳320一端连接于该转架310，另一端锚固与水底。在图1～图3中所示转架310为一U形转架，该U形转架通过其U形端部枢接于水力发电机构壳体。

在图1～图5中所示的水能接收装置，采用的是具有二个水囊的柔性接收装置，因此需要连接驱动架130，对于刚性的水能接收装置，可以省略驱动架，直接用驱动轴与水力发电机构的动力输入轴连接。

图6本发明水力发电机构的结构示意图。如图6所示，本发明的悬浮式水力发电机构，其包括：水力发电机构壳体280、浮箱210和传感器(图略)。

水力发电机构壳体280，内置发电机(图未示)，该发电机的发电机轴270与一动力输入轴260传动连接。

在本实施例中动力输入轴260是通过无接触磁性传动器230与发电机轴270传动连接，采用无接触磁性传动器230可以使得发电机轴270与一动力输入轴260之间处于静密封状态，密封防水性能更好，但是二轴之间也可以采用直接接触式的传动连接，只是密封性能没有非接触磁力传动静密封好。另外，动力输入轴260除了可以与发电机轴270传动连接外，在水流流速较低，动力输入轴转速较慢的情况下，也可以通过变速机构与发电机轴连接，此时动力输入轴260是与变速机构的被动输入轴传动连接。

浮箱210，装于所述水力发电机构壳体280的上部并包括：弹性气囊211、注水泵212和控制阀213，如图7所示。

所述弹性气囊211设于所述浮箱210内，将所述浮箱210分隔为容纳压缩空气的容气腔体215与容水空间216。

所述注水泵212装于一连通所述容水空间216与外部空间的管路上，在该管路上最好是设置控制阀，在注水泵212启动后再开启控制阀，可减少注水泵的启动压力和负荷，有助于延长注水泵的使用寿命。在本实施例中，控制阀采用单向阀214，既能达到控制目的，又能简化控制系统。

所述控制阀213，置于另一连通所述容水空间216与外部空间的管路上，在该控制阀213开启时，由于受弹性气囊211内压缩空气的作用，可以将浮箱内的水排出，使浮箱210带动水力发电机构上浮。在本实施例中，管路上还装有单向阀214，可以防止水体中的水倒灌进入浮箱。

所述传感器，用于检测水体风浪大小并根据检测结果控制所述注水泵212动作注水下沉，或控制控制阀213动作，排水上浮。

在本发明中，所述传感器优选流速传感器，在水面的风浪加大时，相应地，水面下水流流速加快，利用流速传感器测量风浪大小更为直观准确。但也可采用其它的传感器，如测量水能接收装置转速的速度传感器也可间接测量计算水流流速的数据，从而检测风浪的大小。

为避免水能接收装置向水力发电机构200传送动力时，水力发电机构200可能发生的轴向旋转(实际上浮箱的浮力也可以产生阻力矩)，可以在所述水力发电机构壳体280的下方装有阻尼器220。该阻尼器220一方面是利用其在水中阻力，另一方面也是利用其自身的重量阻止水力发电机构的轴向旋转。

因此较佳地，所述阻尼器220为一沿所述水力发电机构壳体径向延伸的片状板，以尽可能的增加阻力。并且最好在所述阻尼器220的端部设有配重，以降低阻尼器220的重心，增加阻力矩。

如前所述，为增加水力发电机构200的密封性能，所述水力发电机构壳体280包括安装所述发电机或安装发电机与安装动力传动机构的密闭壳体236、246、256以及安装所述动力输入轴的传动箱体237、247、257，该密封壳体与传动箱体由一隔离件234、243、254所分隔，所述动力输入轴与发电机轴或所述动力传动机构的被动输入轴之间由一非接触磁性传动器230、240、250传动连接，参见图8、图11和图13。

图8是本发明水力发电机构中非接触磁力传动器一个实施例的结构示意图。图9是图8的A-A剖视图，其中表示了磁铁分布示意图。图10是表示图8所示实施例另一种磁铁分布结构示意图。

在该实施例中，所述非接触磁性传动器230包括：

主动盘231，安装于所述动力输入轴260，在该主动盘231沿圆周方向间隔设置极性相反的磁铁233、235，参见图9、图10。

被动盘232，安装于所述发电机轴270或所述被动输入轴并与所述主动盘231相对设置，在该被动盘232对应所述主动盘231的位置设置与主动盘231极性相反的磁铁233、235。

在图8、图9中，所述磁铁用的是蹄形磁铁233，蹄形磁铁233两端一个是N极，一个是S极，按顺序依次安装在主动盘231和被动盘232时，即可形成相邻磁极极性相反的排列方式。

在图10中，所述磁铁用的是圆柱形磁铁235，该圆柱形磁铁235也是按相邻磁铁极性相反的方式排列。这样的排列方式可以使主动盘231的磁极与被动盘232极性相反的磁极相对，彼此产生吸引力，同时主动盘231相邻的磁极又与被动盘232的磁极极性相同而产生排斥力，从而使得主动盘231对被动盘232的驱动力更大，可以传动更大的动力。

图11是本发明水力发电机构中非接触磁力传动器的另一个实施例结构示意图。图12是图11的B-B剖视图。

如图11、图12所示，本实施例的非接触磁力传动器240也包括主动盘241、被动盘242和隔离件。

所述主动盘241呈圆筒形，相邻磁铁244内侧极性相反并安装在该主动盘241的筒形内壁上，参见图12。

所述被动盘242呈圆柱状，磁铁244设置在被动盘的圆柱形表面上并与主动盘磁铁244相对设置且极性相反。

所述隔离件是位于所述主动盘241与被动盘242之间的隔离筒243。

作为上述实施例的替换，可以在上述主动盘231的筒形底部沿圆周方向同时间隔设有极性相反的磁铁244，而在上述被动盘242的端部表面对应所述主动盘位置设有与所述主动盘极性相反的磁铁244。

在该实施例中，在主动盘和被动盘的各磁铁244之间设有隔离介质245，该隔离介质245，可由低磁导率的材料如塑料、铜、铝等制成。

图13是本发明水力发电机构中非接触磁力传动器的又一个实施例结构示意图。图14是图13的C-C剖视图。

在图13、14所示的实施例中，所述非接触磁性传动器250包括：

主动盘251，呈筒形，该主动盘251安装于所述动力输入轴260，在该主动盘251内筒壁沿圆周方向间隔设置极性相反的磁铁255。

被动盘252，呈圆柱形，在该被动盘252圆柱形表面对应磁铁255的位置沿轴向嵌装有多个导体253，各导体的两端分别由一短路环短接，形成一鼠笼转子。

所述隔离件是位于所述主动盘251与被动盘252之间的隔离筒254。

在该实施例中，主动盘251旋转时，主动盘251上的磁铁255会产生一旋转磁场，该旋转磁场在被动盘252鼠笼转子的导体中产生感应电流，该感应电流使鼠笼转子在旋转磁场中受电磁力驱动产生旋转动力，从而驱动被动盘252旋转，其原理与异步电动机类似。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以将上述技术内容进行组合形成其他的技术方案，这些改进和润饰，以及形成的其他技术方案也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种悬浮式水力发电机构，其特征在于包括：

水力发电机构壳体，内置发电机，该发电机的发电机轴与一动力输入轴传动连接；

浮箱，装于所述水力发电机构壳体的上部并包括：

弹性气囊，设于所述浮箱内，将所述浮箱分隔为容纳压缩空气的容气腔

体与容水空间，

注水泵，装于一连通所述容水空间与外部空间的管路上，

控制阀，置于另一连通所述容水空间与外部空间的管路上；

传感器，用于检测水体风浪大小并根据检测结果控制所述注水泵或控制阀动作。

2.根据权利要求1所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：在安装所述注水泵和/或控制阀的管路上设有单向阀。

3.根据权利要求1所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：在所述水力发电机构壳体的下方装有阻尼器。

4.根据权利要求3所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：所述阻尼器为一沿所述水力发电机构壳体径向延伸的片状板。

5.根据权利要求4所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：在所述阻尼器的端部设有配重。

6.根据权利要求1所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：所述水力发电机构壳体包括密闭壳体以及传动箱体，所述密闭壳体中安装所述发电机，或安装发电机与动力传动机构，所述传动箱体中安装所述动力输入轴，该密封壳体与传动箱体由一隔离件所分隔，所述动力输入轴与发电机轴或所述动力传动机构的被动输入轴之间由一非接触磁性传动器传动连接。

7.根据权利要求6所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于该非接触磁性传动器包括：

主动盘，安装于所述动力输入轴，在该主动盘沿圆周方向间隔设置极性相反的磁铁；

被动盘，安装于所述发电机轴或所述被动输入轴并与所述主动盘相对设置，在该被动盘对应所述主动盘的位置设置与主动盘极性相反的磁铁。

8.根据权利要求7所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：所述主动盘呈圆筒形，所述磁铁安装在该主动盘的筒形内壁上，而所述被动盘呈圆柱状，所述磁铁设置在被动盘的圆柱形表面上；所述隔离件是位于所述主动盘与被动盘之间的隔离筒。

9.根据权利要求8所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：在所述主动盘的筒形底部沿圆周方向同时间隔设有极性相反的磁铁，而在上述被动盘的端部表面对应所述主动盘位置设有与所述主动盘极性相反的磁铁。

10.根据权利要求6所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于所述非接触磁性传动器包括：

主动盘，呈筒形，该主动盘安装于所述动力输入轴，在该主动盘内筒壁沿圆周方向间隔设置极性相反的磁铁；

被动盘，呈圆柱形，在该被动盘圆柱形表面对应磁铁的位置沿轴向嵌装有多个导体，各导体的两端分别由一短路环短接，形成一鼠笼转子；

所述隔离件是位于所述主动盘与被动盘之间的隔离筒。

11.根据权利要求1所述的悬浮式水力发电机构，其特征在于：所述传感器为流速传感器。

12.一种悬浮式水力发电机构总成，其特征在于：包括权利要求1-11中任一项所述的悬浮式水力发电机构，以及一随动机构，该随动机构包括转架和缆绳，所述转架枢轴连接于所述水力发电机构壳体，而所述缆绳一端连接于所述转架，另一端锚固于水底。

13.根据权利要求12所述的悬浮式水力发电机构总成，其特征在于：所述转架为一U形转架，其U形端部枢接于所述水力发电机构壳体。

Images