CN102418649A - 无水工工程的水力开发方法及其发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明无水工工程的水力开发方法，是将水轮发电机组悬浮安装于自然河川中，由水轮发电机组中的水轮直接将自然水流动能截获转换为机械能供水轮发电机组发电。本发明还提供了无水工 工 程的水力开发发电设备。本发明投资小，占地面积小，工程维修费用低，能充分利用自然河川流水动能。

Description

无水工工程的水力开发方法及其发电设备

技术领域：

本发明属于水力能开发利用方式及其发电技术领域。是一种无需通过现有水能开发必经的筑坝、建库、引水等水工工程，将水流动能聚集为势能（水头），集中截获转换的水能开发利用的无水工工程的水利开发方法及其发电设备。

背景技术：

人类利用水能的历史已有数千年了。从早期的农业生产加工、工业水力机械，到现代的水力能发电工程，水能利用技术对人类文明和发展做出了巨大贡献。随着人类对能源需求量的日益增长，能源危机日益加深，因此人类加大了对可再生的水力能源开发和争夺力度。但由于现行河川水力能的基本和主要开发利用方式及其技术，是通过筑坝、建库、引水等水工工程来将流动的水力能量聚集起来，形成高低差（水头）的势能，集中冲击水轮机带动发电机将水力能经机械能转化为电能，因此就必然会出现和存在下列问题和不足（科学出版社《可再生能源及其发电技术》第5章、第289页、5.1.1(8)、(9)）：

1、现行水电开发项目的水工工程建设周期长、投资大、项目效益低下。

由于现行水力发电都是通过上述筑坝、建库、引水等水工工程方法来实现聚集势能（水头），再由水轮机将水能转化为机械能带动发电机将机械能转化为电能。而水工工程投资及其费用比重却占了现行水电项目总投资的约70%。因此，不仅会造成工程投资量大、能效比差，还直接导致了现行一般水电项目建造周期长和投资回收期较长，以及水电项目效益低下的问题。

2、现行水电开发项目占地面积大、淹没损失、移民搬迁和环境负面影响大，且工程维修费用高。

由于筑坝、建库、引水等水工工程必然占用或淹没大量土地，同时还会产生淹没损失和移民搬迁的负面效应，和影响野生动植物的生存环境以及改变原有水文情况，对生态环境产生负面影响。而且现有技术开发方法不仅工程量大，占地面积大，还由于水工工程是水电项目主体工程，每年还将会产生大量工程维护费用。

3、现行水能发电项目开发方法和技术受水头和地域条件限制性大，且可开发资源已近枯竭。

由于现行水能发电项目开发方法决定了其项目开发不仅工程量大且质量和安全的要求也高，因而其项目选址不仅受水头、地域环境和地质条件等诸多因素限制，同时还会直接影响项目成本。特别是近年来，随着世界能源危机加剧，各国均加大了对水能资源的争夺和开发力度。截至目前，我国及主要水能资源国家，利用现行水能资源开发方法和技术，可开发修建水力发电站的环境条件和水头选址资源已基本被开发和规划、分割完毕。即采用现行方法和技术可开发利用的河川水能资源已近枯竭。

4、现行水能开发方法和技术不能简便而直接的开发和利用自然河川流水的动能，必然造成大量河川动能白白流失的巨大资源损失。

据统计我国河川水能资源量占世界首位。资源蕴藏量为59222万亿千瓦时/年，而现行技术可开发量仅为19233万亿千瓦时/年（科学出版社《可再生能源及其发电技术》第5章、第229页）。而我国现行的水能开发利用方式和技术已属世界先进水平，但由于现有水能开发都是通过筑坝、建库、引水等水工工程方法，将河川水流的动能聚集还原为势能（高低差的水头），再集中截获转换为机械能和电能。假如未来我国能够将其具备现行技术可开发性的19233万亿千瓦时/年水能资源全部开发利用了，还尚有65%左右的自然河川流域流动的水能资源，由于现行水能开发方法和技术无法利用，而在终年不息的向下流经过程中白白流失掉。若不设法开发利用，这将也是非常巨大的自然资源流失损失。

综上所述，现行水力能发电的开发利用方式和技术方面存在的下述不足和问题：

1、项目开发周期长、投资大、效益低下的问题和不足。

2、项目占地面积大、淹没损失大、移民负担重和环境负面影响大，且工程维修费用高的问题和不足。

3、项目选址受水头和地域条件限制性大，而且现行技术可开发资源已近枯竭的问题和不足。

4、现行技术不能简便经济和直接地开发和利用自然河川流水动能，造成大量动能白白流失的巨大资源流失损失的问题和不足。

发明内容：

本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种投资小，占地面积小，工程维修费用低，能充分利用自然河川流水功能的无水工工程的水力开发方法。本发明的另一个目的是为了提供无水工工程的水力开发发电设备。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明无水工工程的水力开发方法，该方法是将水轮发电机组悬浮安装于自然河川中，由水轮发电机组中的水轮直接将自然水流动能截获转换为机械能供水轮发电机组发电。

本发明无水工工程的水力开发发电设备，包括固定在河岸和/或水中的支撑，通过固定悬浮件固定悬浮在支撑上的带浮体的水轮发电机组。

上述的支撑为至少二对对称设置在河道两侧岸边上的岸基钢架基础和多根斜拉钢索，跨河钢架的两端固定在河道两侧岸边上的岸基钢架基础上，多根斜拉钢索的两端分别固定在跨河钢架和相对应的岸基钢架基础上，带滑轨的悬浮支架吊装在跨河钢架上且下部支座中装有带浮体的水轮发电机组。

上述的支撑为设置在河道一侧岸边上的岸基钢架基础和多根斜拉钢索，跨河钢架的一端固定在河道一侧岸边上的岸基钢架基础上，多根斜拉钢索的两端分别固定在跨河钢架和相对应的岸基钢架基础上，带滑轨的悬浮支架吊装在跨河钢架另一端上且下部支座中装有带浮体的水轮发电机组。

上述的支撑为设置在河道两侧岸边上的岸基钢索基础和多根斜拉钢索，钢索承力梁两端固定在河道两侧岸边上的岸基钢索基础上，多根钢索一端固定在钢索承力梁上而另一端悬挂有伸入河面中的带浮体的水轮发电机组。

上述的支撑为沿河道横向设置在河床上的至少一个带垂直滑轨的水泥基桩或锚固件，至少一个带浮体的水轮发电机组通过钢索与相对应的带垂直滑轨的水泥基桩或锚固件连接。

上述的水轮发电机组中有带前部扩压增速入口段和后部扩压增速出口段的扩压增速流体通道，与扩压增速流体通道壳体连接为一体的浮体，扩压增速入口段扩开角上部有呈45°缺口，机组防水壳体位于流水通道中且支承在支承架上，发电机、与发电机连接的传动系统位于机组防水壳体中，传动轴伸出机组防水壳体的一端上装有水轮，导水静叶轮装在机组防水外壳上，在浮体上装有连接支座，扩压增速入口段中装有拦污栅，自然河流水经排污栅及扩压增速入口段，水流速度得以提升并进入流体通道，推动水轮旋转，再流经扩压增速出口段，使水的能量进一部提升，水轮旋转动力经传动轴传入机组防水外壳内，经传动系统并带动发电机运转，产生的电经电缆输出到岸基上的变电站，扩压增速流体通道上的浮体使得发电机组能随河水的涨落自由上下，不影响发电机的工作。视自然河流的宽度情况，位于浮体两侧的连接支座可用于横向组合发电机组。

上述的水轮发电机组中有含扩压增速入口段和扩压增速出口段的扩压增速流体通道，与扩压增速流体通道壳体连接为一体的浮体，发电机位于浮体内且通过机座装在浮体上，位于扩压增速流体通道内的传动系统与发电机连接且其传动轴上装有水轮，扩压增速入口段中装有拦污栅。

上述的水轮发电机组中有含扩压增速入口段和扩压增速出口段的流体通道，与流体通道壳体连接为一体的浮体，发电机装于浮体内且传动轴入扩压增速入口段后部上装有水轮，扩压增速入口段中装有拦污栅。

上述水轮发电机组中有浮船，发电机装于浮船内而传动轴直接伸出浮船外的一端上装有水轮。

理论依据：水（风）含功率=1/2×流体密度×横截面积×流体速度³

E=½ρfv³

水的能量密度是空气的800倍。而现行风力发电技术是，当风速达到3m/s时，便能工作发电。此时，横截面积为1㎡的风含功率仅为16.9W，而水流达到3m/s时，横截面积1㎡就有13.5KW的水含功率。假定流速仅为2m/s的水流，其横截面积1㎡的功率也能达到4KW。而事实上，在我国水能资源丰富的长江上游和金沙江、雅砻江、大渡河、乌江等主要河川的多数流域平均水流速度均超过2m/s。即此类资源不仅应善加开发利用，而且其能效比也会远高于现行风电和火电行业。

利用现行水能开发方法和技术的发电成本，远低于风力和火力发电成本。由于本发明不通过现行水能发电站开发建设必需的筑坝、建库、引水等水工工程方法，而是直接通过水轮发电机组在自然河川水域直接对自然水流的动能实现截获转换的方法。因而节省了现行水电开发项目三分之二的水工工程投资费用，其发电成本仅为现行水电站的三分之一左右。不仅能效比大幅提高，又无任何环境负面影响，而且对限于现行技术经济和环保条件无法开发利用的自然河川中，主要流域白白流失的约65%的流域动能资源，均可纳入本发明开发利用范围。

本发明无水工工程的水能开发方法及其发电设备解决了前述现行水力能资源开发方法和技术方面存在的问题和不足：

1、本发明多种不再需通过现有水能开发必经的筑坝、建库、引水等水工工程方法，来将自然水流动能聚集为势能（水头），集中截获转换的开发利用方式。它是采用支撑如岸基钢架基础、水中承力基桩、水中锚挂系统、斜拉索、吊索、岸基塔架等拉撑，承力和稳固条件，将配有承重浮船（体）、托架或支撑物的带扩压增速通道的水能发电机组，顺流拉、撑、稳固（安装）于自然河川流水中，由其水轮直接将自然水流的动能截获转换为机械能和电能的方法。从而实现了无需经过水工工程投资和设计建设，便能开发利用自然河川水能发电的投资省、周期短、效益高的水能开发方法和技术，因此也较好的解决和克服了现行水能开发利用方式和技术在水力能发电项目开发实践中普遍存在的投资大、周期长、效益低下的问题和不足。

2、由于本发明是通过采用支撑如岸基钢架、水中承力基桩、水中锚挂系统、斜拉索、吊索、岸基塔架等拉撑，承力和稳固条件，将带扩压增速通道的水能发电机组，顺流悬浮，拉、撑、稳固（安装）于自然河川流水中，由其水轮直接将自然水流的动能截获转换为机械能和电能的水能截获利用工程方法。因而减省了现行水能发电项目开发所必需的筑坝、建库、引水等水工工程，同时对伴随于现行技术在水能开发利用方面的土地占用面积大、淹没损失大、移民负担大、动植物生存环境以及地质地貌、气候等诸多方面的负面影响，也因本发明的新型开发利用方式一并得到了完善和解决。

3、由于本发明是不再通过水工工程，将自然河川水流动能聚集为势能（水头），来集中截获开发，而是直接对自然河川动能进行截获转换为机械能和电能的开发方法。而现行水能开发方法利用方式，因一则需选择自然水头和地质条件较好的项目地址，同时还必须通过水工工程来实现其聚集水头和集中截获转换水能。因此，其项目选址不仅受水头和地域条件限制大，而且随着现行水电开发力度的加大，截至目前，现行技术可开发的项目选址资源已近枯竭。由于本发明基本能够在自然河川任意流域和地段实施项目开发，且不会对生态环境、水文地质构成破坏和产生负面影响。因而，现行水能开发技术存在的项目选址条件受限和项目资源已近枯竭的不足和问题，便在本发明中得到较好的完善和解决。

4、由于本发明水能开发方法，是可以在自然河川流域任意河段水流中直接安装水轮发电机组，截获转换流水动能，而不受现行开发技术所必需的水工工程建设、水头及地域环境等诸多条件限制，也无需将流水动能聚集为势能（水头）的条件，因而，凡是达到设计流速条件的河川自然水能资源，均可在本发明设计的开发利用范围。因此，现行技术不能简便直接开发利用自然河川动能而导致的大量自然河川动能资源白白流失的现状和问题在本发明中便得以完善和解决。

本发明具有如下优点：

1、由于本发明实现了前述无需经过水工工程建设投资，便能开发利用自然河川水力能发电的方法及其，从而较好的避免和解决了现行技术在水能开发实践中普遍存在的项目投资大、水工工程设计建设和投资回收周期长，导致水电项目普遍存在的效益低下的问题。因此，本发明在河川水能资源发电项目开发方面可大幅度减省项目投资规模、缩短项目投资建设和回收周期、提高经济效益的有益效果。

2、由于本发明不再采用现行水能发电项目开发的水工工程方法和技术，因此减省了现行在自然河川水能发电项目开发所必须的筑坝、建库、引水等水工工程，同时对伴随其水工工程的土地占用面积大、淹没损失大、移民负担重、阻断流域对动植物生存环境以及地质地貌、气候等诸多方面的负面影响，也因本发明开发利用方式一并得到解决。由此，本发明在河川水能发电开发项目方面起到了大幅度减少土地资源占用，消除了淹没损失、移民负担以及对动植物生存环境和地质、气候等方面负面影响的积极有益效果。

3、由于本发明不再采用现行水能开发项目必需的，用水工工程聚集势能（水头）集中截获转换水能的方法和技术，而是直接对自然河川动能进行截获、转换为机械能和电能的开发方法。从而达到了对自然河川水能开发利用项目不再受水头和地域、地质条件限制，项目开发不会对生态环境、水文地质构成破坏和负面影响，还能够在达到设计流速的自然河川任何流域和地段实施水电项目选址开发的积极有益效果。

4、由于本发明可直接对自然河川任何流域和地段达到设计流速的水流动能资源进行截获转换为机械能和电能，因此本发明在解决现行水能开发技术不能简便经济和直接开发利用自然河川水流动能资源，以致大量的自然河川动能资源白白流失方面起到了积极有益效果。

附图说明：

图1为本发明跨河式发电设备示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1中所示发电设备使用示意图。

图4为非跨河式发电设备示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为斜拉索式发电设备示意图。

图7为图6的俯视图。

图8为河道中建基桩的发电设备示意图。

图9为图8的俯视图。

图10为锚固系统的发电设备示意图。

图11为图10的俯视图。

图12为锚固系统的发电设备另一示意图。

图13为图12的俯视图。

图14为贯流式扩压增速发电机组示意图。

图15为图14的俯视图。

图16为分体变向式扩压增速发电机组示意图。

图17为轴伸式扩压增速发电机组示意图。

图18为浮船式发电机组示意图。

具体实施方式：

实施例1：

图1图2给出了本实施例1跨河式电设备图。参见图1、图2，本实施例支撑为三对对称设置在河道两侧岸边上的岸基钢架基础1和多根斜拉钢索3。跨河钢架2的两端固定在河道两侧岸边上的岸基钢架基础上。多根斜拉钢索3的两端分别固定在跨河钢架和相对应的岸基钢架基础上。带滑轨的悬浮支架4吊装在跨河钢架上且下部支座5中装有带浮体的水轮发电机组6。

图3为本实施例安装示意图。在河岸上安装有变压器室、值班室的机房7，系统集成及维修车间8，与维修车间连通的入水滑轨9。

实施例2：

图4、图5给出了本实施例2非跨河式发电设备图。参见图4、图5，本实施例2中支撑为设置在河道一侧岸边上的岸基钢架基础1和多根斜拉钢索3。跨河钢架2的一端固定在河道一侧岸边上的岸基钢架基础上。多根斜拉钢索3的两端分别固定在跨河钢架和相对应的岸基钢架基础上。带滑轨的悬浮支架4吊装在跨河钢架另一端上且其下部支座5中装有带浮体的水轮发电机组6。

实施例3：

图6、图7给出了本实施例3斜拉索式发电设备图。参见图6、图7，本实施例

3中支撑为设置在河道两侧岸边上的岸基钢索基础1和多根斜拉钢索3。钢索承力梁10两端固定在河道两侧岸边上的岸基钢索基础上。多根钢索11一端固定在钢索承力梁上而另一端悬挂有伸入河面中的带浮体的水轮发电机组6。

实施例4：

图8、图9给出了本实施例4河床中设置水泥基桩的发电设备图。参见图8、9，本实施例4中支撑为沿河道横向设置在河床12上的多个带垂直滑轨的水泥基桩13，带浮体的水轮发电机组14通过多根钢索11与相对应的带垂直滑轨的水泥基桩连接。

实施例5：

图10、图11给出了本实施例5锚式发电机组示意图。参见图10、图11，本实施例5基本与实施例4同，不同处未采用带垂直滑轨的水泥基桩，而是在河床上设置了固锚15。

实施例6：

图12、13给出了本实例6有带水泥配重的三角锚发电示意图。本实施例6基本与实施例5同，不同处是在固锚而是采用带水泥配重的三角锚16。

图14、图15是贯流式扩压增速发电机组示意图。参见图14、图15，水轮发电机组中有带前部扩压增速入口段17和后部扩压增速出口段18的扩压增速流体通道19，与扩压增速流体通道壳体连接为一体的浮体20，扩压增速入口段扩开角上部有呈45°缺口32。机组防水壳体21位于流水通道中且支承在支承架上22。发电机23、与发电机连接的传动系统24位于机组防水壳体中。传动轴25伸出机组防水壳体的一端上装有水轮26。导水静叶轮27装在机组防水外壳上。在浮体上装有连接支座28。扩压增速入口段中装有拦污栅29。各零部件采用玻璃钢或其它耐用防水材料加工。

图16是分体变向式扩压增速发电机组示意图。参见图16，水轮发电机组6中有含扩压增速入口段17和扩压增速出口段18的扩压增速流体通道19，与扩压增速流体通道壳体连接为一体的浮体20。发电机23位于浮体内且通过机座30装在浮体上。位于扩压增速流体通道内的传动系统24与发电机23连接且传动轴25上装有水轮26。扩压增速入口段中装有拦污栅29。

图17是轴伸式扩压增速发电机组示意图。参见图17，水轮发电机组6中有含扩压增速入口段17和扩压增速出口段18的扩压增速流体通道19，与流体通道壳体连接为一体的浮体20。发电机23装于浮体内且传动轴25伸入扩压增速入口段后部上装有水轮26。扩压增速入口段中装有拦污栅29。

图18是浮船式水轮发电机组示意图。参见图18，水轮发电机组16中有浮船31，发电机23装于浮船内而传动轴25直接伸出浮船外的一端上装有水轮26。

上述的各图中的箭头表示水流方向。

上述各实施例无水工工程的水力开发方法，是将水轮发电机组悬浮安装于自然河川中，由水轮发电机组中的水轮直接将自然水流动能截获转换为机械能供水轮发电机组发电。

水轮发电机组的稳固方式可视自然流域的环境现状单独或组合使用。本发明的水轮发电机组一般情况下，多数采用横向配置若干机组，因此不仅可横向并联为较大功率的发电机组、亦可在上、下游只要达到设计流速条件的紧邻领域位置顺流进行纵向布置。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (10)

1.无水工工程的水力开发方法，该方法是将水轮发电机组悬浮安装于自然河川中，由水轮发电机组中的水轮直接将自然水流动能截获转换为机械能供水轮发电机组发电。

2.如权利要求1所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于包括固定在河岸和/或水中的支撑，通过固定悬浮件固定悬浮在支撑上的带浮体的水轮发电机组。

3.如权利要求2所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于支撑为至少二对对称设置在河道两侧岸边上的岸基钢架基础和多根斜拉钢索，跨河钢架的两端固定在河道两侧边上的岸基钢架基础上，多根斜拉钢索的两端分别固定在跨河钢架和相对应的岸基钢架基础上，带滑轨的悬浮支架吊装在跨河钢架上且下部支座中装有带浮体的水轮发电机组。

4.如权利要求2所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于支撑为设置在河道一侧岸边上的岸基钢架基础和多根斜拉钢索，跨河钢架的一端固定在河道一侧岸边上的岸基钢架基础上，多根斜拉钢索的两端分别固定在跨河钢架和相对应的岸基钢架基础上，带滑轨的悬浮支架吊装在跨河钢架另一端上且下部支座中装有带浮体的水轮发电机组。

5.如权利要求2所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于支撑为设置在河道两侧岸边上的岸基钢索基础和多根斜拉钢索，钢索承力梁两端固定在河道两侧岸边上的岸基钢索基础上，多根钢索一端固定在钢索承力梁上而另一端悬挂有伸入河面中的带浮体的水轮发电机组。

6.如权利要求2所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于支撑为沿河道横向设置在河床上的至少一个带垂直滑轨的水泥基桩或锚固件，至少一个带浮体的水轮发电机组通过钢索与相对应的带垂直滑轨的水泥基桩或锚固件连接。

7.如权利要求2～6之一所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于水轮发电机组中有带前部扩压增速入口段和后部扩压增速出口段的扩压增速流体通道，与扩压增速流体通道壳体连接为一体的浮体，扩压增速入口段扩开角上部有呈45°的缺口，机组防水壳体位于扩压增速流水通道中且支承在支承架上，发电机、与发电机连接的传动系统位于机组防水壳体中，传动轴伸出机组防水壳体的一端上装有水轮，导水静叶轮装在机组防水外壳上，在浮体上装有连接支座，扩压增速入口段中装有拦污栅。

8.如权利要求2～6之一所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于水轮发电机组中有含扩压增速入口段和扩压增速出口段的扩压增速流体通道，与扩压增速流体通道壳体连接为一体的浮体，发电机位于浮体内且通过机座装在浮体上，位于扩压增速流体通道内的传动系统与发电机连接且其传动轴上装有水轮，扩压增速入口段中装有拦污栅。

9.如权利要求2～6之一所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于水轮发电机组中有含扩压增速入口段和扩压增速出口段的扩压增速流体通道，与扩压增速流体通道壳体连接为一体的浮体，发电机装于浮体内且传动轴伸入扩压增速入口段后部上装有水轮，扩压增速入口段中装有拦污栅。

10.如权利要求2～6之一所述的无水工工程的水力开发发电设备，其特征在于水轮发电机组中有浮船，发电机装于浮船内且传动轴直接伸出浮船外的一端上装有水轮。

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