CN102365451A - 用于在现有的集水区处的改进的水力发电的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于发电模块的插入的可浮动的或可移动的和/或固定的框架，以通过闸坝中的框架以及带来落差势和流动水的其他设置从拦蓄水产生电力。框架被预制并作为一个或多个模块、或作为在框架中具有用于模块化元件的插入的位置的可压载的水上船体装置移到现场，该模块化元件包括在框架内不同的位置中构成发电单元的发电机、涡轮和隔离件。位于框架上的龙门架允许各个模块容易移动就位。

Description

用于在现有的集水区处的改进的水力发电的方法和设备

技术领域

本发明涉及发电系统，更具体地涉及用于在现有的集水区处的改进的水利发电的方法和设备。

背景技术

现有的从诸如水坝和水闸系统的预先存在的蓄水提取电力的尝试包括建立临时围堰、排出围堰内的体积的水和为基础设施“在干地”中挖掘深坑，以便支撑发电站及其装备免受静态和动态负载。由于临时围堰及其他基础设施非常高的成本，所以可用低的净落差的系统为“常规的”水利发电带来边际机会。存在许多具有有效的航运闸和不使用的辅助水闸的闸坝环境。尽管不大可能，但是当可能时，对将来的航行使用辅助水闸的需求将需要常规的水力发电系统不可用的可移除的水力发电系统设计。此外，项目发展、工程设计、许可证的发给、装备制造、土木建筑和试运行的长研制周期(长达8年)的经济效果会使得一成不变的常规/传统的水利发电系统在经济上不切实际，并且有时在物理上和在操作上也不切实际。

发明内容

在存在拦蓄水的场所存在对发电模块的可配置系统和用于插入的支撑框架的需求。在其他场所中，闸坝结构具有用于将不使用的集水区用于水力发电的很大的潜能。通过在现有的水坝内工作，使得对环境的影响最小，并且当与常规的水利发电相比时降低总的安装成本和均化发电成本(LCOE)。在有些情况下，现有的辅助水坝基础设施从来未被使用(因为在有些情况下其部分地完成)，并且由于种种原因可能永远都不会使用在许多场所存在的附加的水闸。在一些实施例中，还可在存在水体并且具有使水的一部分流动通过本发明的框架的能力的任何场所使用本发明的系统。

根据本发明的优选实施例，示出一种通过蓄水用于发电的设备，具有：可选择性地漂浮和移动的框架，其设置在流动水的通道内；多个发电单元，其在框架中布置在预定位置中，各单元由安装在框架中的连结(interlock)叠置模块组成，包括发电机模块、一个或多个隔离模块和涡轮模块；可移动机构，其在框架之上，用于将模块降低和提升到框架上的预定的位置中，涡轮模块设置成从水的流动接收能量，其中涡轮模块通过每个单元内涡轮的运动将由拦蓄水产生的势能转化成机械能/动能，并且涡轮模块继而驱动将机械能转化成电能的发电机。

根据本发明的另一优选实施例，示出一种通过蓄水用于发电的设备，具有：可浮动的框架，其设置在水的通道或水体内；多个发电单元，其在框架中位于预定位置中，该单元由安装在框架中的连结叠置模块组成，包括发电机模块和涡轮模块，并且各单元设置成从通过框架的水的运动接收能量。

根据本发明的另一优选实施例，示出一种设置在水体周围具有用于发电单元的插入的预定位置的闸门，具有：至少一个可互换的涡轮，其设定在框架中的预定位置中；至少一个电力生成装置，其相对于涡轮及其在所述框架内的预定位置叠置在竖向位置中；至少一个联接构件，其用于使至少一个可互换的涡轮与电力生成装置接合，以形成发电单元，其中至少一个可互换的涡轮和至少一个电力生成装置协作，以产生电力。这样的系统包括“斜的”或其他下游支撑件，以抵消翻转力，并分布来自拦蓄水的、施加在所述框架上的水平剪切负载。

附图说明

附图构成该说明书的一部分，并包括本发明的可以各种形式体现的示例性实施例。应理解的是，在有些情形下，可夸大或放大地示出本发明各个方面，以便于对本发明的理解。

图1示出根据本发明的优选实施例的蓄水闸坝结构的示意图。

图2示出根据本发明的优选实施例的空水闸框架模块。

图3示出根据本发明的优选实施例具有涡轮、隔离件和发电机模块及龙门架的水闸框架模块。

图4示出根据本发明的优选实施例作为自持水上船体的浮动且可压载的沉箱和水闸框架。

图5示出根据本发明的优选实施例位于水闸中的空水闸框架模块。

图6示出根据本发明的优选实施例具有用于支撑基础设施的选择中的一个选择的水闸框架模块的侧视图。

图7A示出根据本发明的优选实施例具有叠置的涡轮、隔离件和发电机模块的电力组件的透视图。图7B示出根据本发明的优选实施例具有叠置的涡轮、隔离件和发电机模块的电力组件的侧视图。

图8A示出根据本发明的优选实施例的空发电机框架模块的透视图。图8B示出根据本发明的优选实施例的空发电机框架模块的平面图。图8C示出具有线A-A的空发电机框架模块的侧视图。图8D是沿图8C的线A-A的视图。

图9是根据本发明的优选实施例的隔离件框架模块的透视图。

图10A示出根据本发明的优选实施例的涡轮框架模块的透视图。图10B示出根据本发明的优选实施例的具有会聚管和分叉管(分别为涡轮的入口管和尾水管)的涡轮的示意性透视图、以及将所述管道附接至可移除内部涡轮框架的方法。

具体实施方式

传统的航运闸坝(“L&D”)为蓄水类型，其以两种方式便于河流洪水控制和航运：1)通过控制河流的流动，从而调节高于和低于水坝产生的水池的水位，以便提供洪水控制和对航运足够深的通道；和2)通过确定水闸的循环数并调节在闸门之间的水位，以便提升或降低通过闸坝的船舶。

本发明实现一种框架，其结合一组互连的水力发电涡轮发电机，并使用由现有的蓄水坝提供的“落差”(或水的竖向水位差)势能，以产生联合水力发电设施。通过给传统的闸门补充新的结合创新的水力发电涡轮系统的框架，现有的蓄水坝闸变成一种水力发电设施。该水闸框架还可在各种各样的场所得到使用，包括拦蓄水库、运河、沟渠、发电厂处的排放水的水坝及存在拦蓄水的其他场所。水闸框架模块还可通过添加装备以提升和降低航运水闸或在一个或多个铰接元件上打开航运水闸来用于航运水闸中。在该构造中，可以有效地替换闸门。还可使用可浮入和浮出水闸以允许进行航运的浮式沉箱(船体)。

在典型的航运水闸中，存在通常称为上游闸门和下游闸门的两组门。每个闸门通常由两个门组成(存在使用单个门的情形)；当闸门的门关闭时，它们横跨水闸的整个通道。根据本发明的优选实施例的设计设想的是，多个大的、模块化的、互连且可互换的涡轮将被安装在可移动的框架中，所述可移动的框架可替换航运闸中的一个或多个闸门，其中每个涡轮连接至其自己的发电机。在优选实施例中，框架可具有两个或更多个涡轮。在可浮动的框架中，可存在由发电机和涡轮的组合组成的多个发电单元，并且框架可横跨通道的宽度。根据本发明的优选实施例的设计设想的是，可由安装在组件之上的便宜的桥式起重机从涡轮/发电机的框架沿竖向移除该涡轮/发电机，以便于维护。另外，这些发电机框架或涡轮框架可重新定位到预定的位置中。

转向图1，示出具有溢洪道30的闸坝20，其中水沿箭头的方向流动。位于左侧的是用于航运用途的有效水闸22和不完整的并且未使用的水闸23。水闸22可具有使驳船36以常规方式移动通过水闸的拖船34。有效水闸22的使用不防碍根据本发明的优选实施例的发电，并且发电也不防碍水闸22的正常使用干涉。停用的水闸23可用于根据本发明的优选实施例的水闸框架模块28的插入。位于水闸23的入水点之前的上游的是碎屑网筛24，其限制大的碎屑进入水闸框架模块的流动路径。位于水闸框架模块28之前的闸门26可打开，以允许通过水闸框架模块的水的流动并发电。水闸框架模块28优选地在与其最终部署不同的位置处预先构成，然后利用以下更详细地描述的可压载的驳船或者沉箱式水上船体结构浮动就位。类似地，并且如以下更充分地描述地，用于安置在框架内的各个模块可不在现场预制，并在完成系统的位置处移动就位。这允许模块化和结构适合在现场外的不同环境被装配并且然后水闸框架在期望的位置中被安置。子框架可叠置，并具有特定的销组件，以在框架内的放置期间使内部模块自动地对准。就需要任何桩和桩帽以安装水闸框架模块的方面来说，桩和桩帽可完全浸没并低于预期用于航运的水平。这样，水闸框架的插入所需的最低限度的预设桩降低在现场的结构需求。以下结合附图6更充分地描述桩。

图2示出空水闸框架模块40，其具有用于将内部模块装载到设计成容纳涡轮框架模块44、一个或多个隔离件模块46和发电机模块48的空间中的龙门架组件42。稍后在图7A和7B中示出的叠置模块容纳在由标识43指示的空间中。水闸框架40可以在安装时由支撑件50稳定住。龙门架组件42安装在主要水闸框架模块之上，以便于本发明的各种部件的安装。龙门架组件42可定位成用于将各个模块放置在识别三个代表性的位置的多个分开的位置52中。如图3中更充分地描述地，每个模块可架空地安装在水位线上方。这些部件中的每一个(涡轮、隔离件和发电机)可通过可沿框架的长度操作的龙门起重机、桥式起重机或其他滚动类型的起重机的使用降低到框架或水闸中的位置中。

图3示出具有多个已就位的发电机63的部分装载的水闸框架60。龙门架组件42使发电机框架模块62沿龙门架组件的纵向轴线移动，并使选择的部件位于其框架位置之上以便于安装。作为说明性的示例，从浮仓90(在图5中示出)装载发电机模块62，并且该发电机模块62被提升至龙门架组件42的高度，用于在期望的位置之上沿龙门架组件42的纵向轴线移动。图3示出具有整体的发电机64的发电机框架模块62，该发电机框架模块62由龙门架移动以安置到其操作位置中。以类似的方式，涡轮框架模块68已预先移动就位，并且被降低到其合适的槽中。在某些实施例中可采用滑门66(叠粱(stop log))，以允许通过特定的涡轮(在这种情况下涡轮框架模块68中的涡轮)的选择性的水流。滑门66可由本领域众所周知的机械的、气动的或液压的机构操作，并且以阻尼方式这样做，以更加容易地打开和关闭门。滑门66还可在一个边缘上具有翼片构造，以便于在所述门的周围的流动和在移动期间对门更好地阻尼。龙门架组件42可构造成单独的模块，使得其在初始的系统安装期间可在现场或接近现场安装在框架60上。当组件的河流运输必须在高度限制结构(低桥、电力电缆等)下通过时，该选择从根本上带来了改善的物流。

图4示出具有位于漂浮隔室82、84和85上方的示意性整体的水闸框架模块86的可压载沉箱浮动结构80。主压载舱85提供浮力，以支撑由内部框架模块86带来的负载。纵倾平衡水舱82和84可用于浮力的附加控制。在沉箱浮动结构80的底部处的是提供稳定和进一步的压载的混凝土压载舱88。沉箱结构80可具有与船体等共有的任何各种船用结构。沉箱结构是用于根据本发明的优选实施例的水闸框架模块的运输和定位的可压载船体。这样的沉箱的建筑和结构在本领域为大家所熟知，并且在此不必进一步详细描述。然而，在本领域中没有描述具有用于运输的船体的便携式的并且可移除的水利发电系统。在本发明的许多实施例中，可能需要将水闸框架模块安装在更永久的结构上而不是在此描述的浮动或漂浮船体上。然而，在一些构造中，水闸框架模块优选地安装在某种浮动结构上，该浮动结构更容易由拖船或其他水上运载工具引导就位。

图5示出邻近闸门26的安装好的水闸框架60，用于通过水闸由蓄水发电。闸门26必须打开，以允许水穿过水闸框架60，从而产生能量。驳船90紧临龙门架42设置，以允许龙门起重机容易附接至例如发电机框架模块62或涡轮框架模块68。当选择每个期望的模块以进行安装时，龙门架组件42使模块离开驳船90移动，直到水闸框架60的合适的高度，并继而在期望的模块将被安装的水闸框架中的位置之上移动。驳船90和龙门架42还可用于维护操作、移除现有的模块和安装替换。发电机、隔离件和/或涡轮框架模块中的每一个可容易地并且有效地移入其在由发电机和涡轮的组合形成的发电单元的阵列中的位置。如以下更充分地描述地，用于特定的发电单元的发电机和涡轮互连，以在涡轮运动时产生电力。在图5所示的特定的实施例中，存在九个发电机/涡轮的组合。通过利用并联的多个单元，不需要可变的边闸，因为多单元构造以小的步幅提供流量降低(在附图所示的九个单元的情况下，通过关掉各个涡轮能以11.1％的步幅调节流量)。这样，涡轮/发电机的组合的各个部件是模块化的、可移除的并且可互换成多个预定的构造。这通过改变隔离件的尺寸和水闸框架模块的总高度还允许涡轮、发电机和隔离件的组合的竖向尺寸的变化。在某些条件下，即使不产生电，系统也可通过允许水穿过门然后穿过涡轮口来重新构造成用作替代性的溢洪道。这样，系统产生以前不存在的调节的溢洪能力。

图6示出具有设置成通过入口管116接收水的涡轮102的水闸框架模块100的侧视图，该入口管116可以是装配式结构或诸如管路的预制混凝土。水闸框架模块上游的水由于其表面115较高的高度而具有落差势，并通过入口管116流过涡轮102并流出尾水管114形成尾水119而产生能量，该尾水管114同样可以是装配式结构或由预制混凝土制成。涡轮102通过驱动连接至发电机106的链或皮带104的中间轴(中间动轴)117的链传动系统105而可操作地连接至发电机108，该链传动系统被从与涡轮的推进器组件一体的防护罩118外部地驱动。该系统还用作速度递增件。优选地，涡轮102在无边闸或变螺距叶片的情况下利用船用定螺距推进器。如容易显而易见地，涡轮与发电机之间操作性的机械连接由于它们低于水位线，所以不需要润滑剂，因此轴承是水润滑的。该设计是对环境较安全的，并提供机械运动部件较容易的维修。

替代性地，经由防护罩118来自涡轮102的动力可通过经由另一齿轮直接或间接连接至发电机106的小齿轮和小齿轮轴(未示出)传递至发电机。在该实施例中，动力在不需要中间皮带或链的情况下从转动的保护罩被传递，这在有些设定下可产生更优选的结果。在利用在此公开的技术的封闭式模块化系统中的具有小齿轮和轴的直接驱动系统的使用在较高的电力应用或者较高的旋转速度中具有潜在的益处。

水闸框架模块100安装在桩帽124上，该桩帽低于淤泥线107安置到桩122上，桩122已被敲入、推入或以其它合适的方式置入土壤112。桩帽124在它们的顶部低于航运水平的情况下完全被浸没。替代性地，在具有能支承水闸框架模块系统的重量的结构板的水闸中，水闸框架模块可直接安置在结构元件上，以使负载遍布宽的区域，从而避免需要穿透现有的地下结构和土壤。

图7A示出竖向叠置的单个发电机框架模块、隔离模块和涡轮框架模块的透视图，而图7B示出竖向叠置的单个发电机和涡轮的组合的立面图。在图7A和7B所示的实施例中，动力在无中间皮带或轴的情况下直接经由链传动或皮带104从涡轮102传递。这些附图示出不使用中间轴的替代性驱动构造。附图还示出两个隔离件模块的使用，其中较小的隔离件模块在较大的隔离件模块上方。涡轮102示出可操作地连接至位于发电机框架模块110中的发电机106。为了容易观察，隔离件模块120仅在图7B中示出，但优选地位于涡轮102上方和发电机框架模块110下方。在图7B中部分地示出的隔离件模块120是结构化单元，其可降低到水闸框架模块内的位置中，并可构造成满足现场特定的高度需求。还示出的是辅助隔离件模块121，其在某些构造中对于较高的净落差应用可能需要使发电机与涡轮进一步分开。可从水闸框架模块移除并在不到一天的时间中替换装备或电力模块的整个竖向列，包括涡轮102、中间驱动链104、隔离件模块120和发电机模块110。如以上更充分地描述地，单个发电机和涡轮的组合的各种部件可经由安装在水闸框架模块之上的龙门起重机被降低，并插入其在涡轮/发电机阵列中的位置内。在某些实施例中，存在由可变尺寸的隔离件分开的涡轮和相配合的发电机，该可变尺寸的隔离件全部在门中开槽以形成接纳槽。这样，涡轮/发电机组合的各个部件是模块化的、可移除的并且可互换至预定的位置。通过改变隔离件的尺寸还允许涡轮、发电机和隔离件的组合的竖向尺寸的变化，以使不同的高度适应特定位置处存在落差。在优选实施例中，发电机可以是低成本现货OEM发电机(感应、DC、AC、同步、永磁体等等)，其利用当前由风力涡轮及其他工业驱动的最新的系统技术。此外，通过利用简单的链和皮带驱动系统而不需要齿轮箱，这利用现场可替换、容易监测并维修的解决方案加快了速度。

图8A、8C和8D分别以透视图、前视图和沿图8C的截面A-A示出空发电机框架模块110。图8B示出格栅支撑件140的细节。安装在格栅支撑件140上的是用于安装发电机的发电机支撑件144。格栅支撑件140提供用于发电机的附加支撑并构成发电机框架模块110的基底。销146位于框架模块110的四个角部上，并示出位于隔离件模块120和涡轮模块102上，并为在彼此之上的不同模块的叠置提供自动定心安装点。如图8A和8C所示的突出部148为模块提供吊点。

图9示出如先前所描述的用于插入涡轮模块与发电机模块之间的隔离件模块120。在隔离件模块120的底部上的是用于如在图8A中所描述的销146可配合的接合的接纳孔或凹陷(未示出)。涡轮、发电机和隔离件模块中的每一个具有用于可配合的接合的接纳孔或凹陷。隔离件模块120可具有任何的各种高度以适应特定需求的构造，或者可以是多个隔离模块的竖向叠置。图10A示出涡轮框架模块102，以局部形式示出涡轮的入口管。图10B以示意性形式示出会聚入口管135和分叉出口管(尾水管)130。如先前在图6中所描述地，转动保护罩118连接在两管道之间，用于涡轮经由大的链轮到驱动链或皮带并因此到发电机的可转动的接合。

应理解的是，在此描述的特定的实施例作为例证示出，而不是作为本发明的限制。本发明的主要特征在不偏离本发明的范围的情况下可用于各种实施例。本领域的技术人员仅利用例行试验将认识到或能够确定在此描述的特定程序的许多等同物。这样的等同物被认为在本发明的范围内，并受权利要求的保护。

可根据本发明在没有不适当的试验的情况下作出并执行在此公开并要求保护的所有组成和/或方法。尽管已根据各种实施例描述了本发明的组成和方法，但对本领域的技术人员显而易见的是，其他的变化在不偏离本发明的概念、精神和范围的情况下可应用于在此描述的组成和/或方法和方法的步骤或步骤的序列。对本领域的技术人员显而易见的所有这些相似的替代和修改被认为在如由所附权利要求所限定的本发明的精神、范围和概念的范围内。

Claims (20)

1.一种用于通过蓄水发电的设备，包括：

可选择性地运输的框架，该框架设置在拦蓄水的蓄水区内或连接至所述蓄水区；

多个发电单元，所述发电单元在所述框架内位于多个预定位置中；

所述发电单元由安装在所述框架中的连结叠置模块构成，包括发电机模块和涡轮模块；

所述发电单元设置成从蓄水接收能量，

其中，所述发电单元借助于水通过涡轮的运动和每个所述发电单元内的涡轮的转动来转换所述能量。

2.根据权利要求1所述的用于通过蓄水发电的设备，其中，单元包括至少一个涡轮模块和用于将所述涡轮选择性地定位在所述多个预定位置中的一个位置中的至少一个隔离件模块。

3.根据权利要求2所述的用于通过蓄水发电的设备，其中，模块化安装的至少一个涡轮和模块化安装的至少一个隔离机构可选择性地以水平和竖直组合方式设置。

4.根据权利要求1所述的用于通过蓄水发电的设备，其中，所述框架选择性地漂浮。

5.根据权利要求1所述的设备，还包括在所述框架之上的可移动机构，用于将所述模块降低和提升到所述框架中的预定位置中。

6.根据权利要求4所述的用于通过蓄水发电的设备，其中，所述框架在处于有效漂浮状态时能由拖船移动。

7.根据权利要求1所述的用于通过蓄水发电的设备，其中，所述模块具有用于所述叠置模块的竖向叠置的相配合的凸形连接件和凹形连接件。

8.根据权利要求1所述的用于通过蓄水发电的设备，其中，所述发电单元沿水平方向安装在所述框架上。

9.根据权利要求1所述的用于通过蓄水发电的设备，其中，所述框架还包括用于支撑的斜支撑件。

10.一种用于通过蓄水发电的设备，包括：

可浮动的框架，该框架设置在拦蓄水的通道内；

多个发电单元，该发电单元在所述框架内位于预定位置中；

所述发电单元由安装在所述框架中的连结叠置模块组成，包括发电机模块和涡轮模块；

所述发电单元设置成通过所述框架从蓄水接收能量。

11.根据权利要求10所述的设备，还包括位于所述叠置模块中的隔离件模块。

12.根据权利要求10所述的设备，还包括用于将所述模块提升到所述框架内的位置中的滚动桥式起重机。

13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述模块在不中断另一模块中的电力的情况下能够与所述框架中的不同位置中的每个模块互换。

14.一种设置在流动水或拦蓄水的通道周围、具有用于发电单元的插入的预定位置的闸门，包括：

至少一个模块化可互换的涡轮，该涡轮设定在所述闸门上的预定位置中，

至少一个电力生成装置，该电力生成装置相对于所述涡轮叠置在竖向位置中；

至少一个联接构件，该联接构件用于使所述至少一个模块化可互换的涡轮与所述电力生成装置联接，以形成发电单元；

其中，所述至少一个模块化可互换的涡轮和所述至少一个电力生成装置协作，以产生电力。

15.根据权利要求14所述的设置在流动水或拦蓄水的通道周围的闸门，还包括设置在所述涡轮上的转动防护罩。

16.根据权利要求14所述的设置在流动水或拦蓄水的通道周围的闸门，还包括用于使所述模块移入所述闸门内的位置中的龙门架。

17.根据权利要求14所述的设置在流动水或拦蓄水的通道周围的闸门，还包括在所述涡轮中的一个或更多个涡轮前面的液压或气压驱动的门，该液压或气压驱动的门用于选择性地控制通过所述涡轮的水的流动。

18.根据权利要求14所述的设置在流动水或拦蓄水的通道周围的闸门，还包括可替换地安装至所述涡轮的小齿轮。

19.根据权利要求14所述的设置在流动水或拦蓄水的通道周围的闸门，其中所述闸门可运输至所述通道。

20.根据权利要求17所述的设置在流动水或拦蓄水的通道周围的闸门，其中所述液压或气压驱动的门在所述液压或气压驱动的门的前缘上具有翼片。

Images