CN104612884A - 水力发电机、水力发电系统及并网发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水力发电机、水力发电系统以及并网发电方法，水力发电机包括：水车和发电机，所述水车包括叶片和水车动力输出轴，所述叶片设置在所述水车动力输出轴上，所述水车动力输出轴与所述发电机动力输入轴连接。该水力发电机及水力发电系统结构相对简单，简化了生产工艺，降低了投资费用，节约了生产成本，增加了水力发电的技术种类，可以在落差较小、开阔平坦的流域，通过修建导流渠，在导流渠的渠岸上安装水力发电机，从而实现水力发电，创造了一种更经济环保、简单实用的水力发电方式。使用本发明提供的并网发电方法，可以使该水力发电系统直接输出的电压较为稳定，无需再进行复杂的调节电压处理，提高了发电效率，节约成本。

Description

水力发电机、水力发电系统及并网发电方法

技术领域

本发明涉及水力发电的技术领域，尤其是涉及一种水力发电机、水力发电系统及并网发电方法。

背景技术

传统的水力发电机通常包括水轮机和发电机，利用水流产生的能量推动水轮机转动，水轮机再带动发电机转动，从而将水能转化为机械能，再将机械能转化为电能，实现发电的目的。传统的水力发电机对水流的流量和势能要求较大，对建设电站的条件和要求相对较高，并且制造工艺复杂、耗时较长、费用较高。

传统的水力发电站包括大坝和水力发电机，水力发电机设置在大坝内。水库中的水通过入水口进入压力管道，压力管道的末端设有水轮机，从而水流可以推动水轮机转动，水轮机的一端与发电机连接，水轮机的转动带动发电机发电。

传统的水力发电站，受地质环境的影响较大，通常需要选在地势落差较大或阶梯过渡处的流域，才能满足其对水流的势能以及流速的要求；并且传统的水力发电站工艺较为复杂，建厂时间较长，建造费用较高，而且建厂完成后不易再增加容量。

风力发电机组大体上可以分为风轮、发电机和塔架三部分。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两支或更多支螺旋桨形的叶片组成，当风吹向叶片时，叶片上产生气动力，从而驱动风轮转动，转动的风轮带动发电机转子旋转切割磁力线发电，最终实现将风能转化为机械能，机械能转化为电能的目的。

传统的风力发电中，在风轮和发电机之间还设有增速器，因为发电机风轮叶片的转速较低，所以必须通过增速器将发电机转子的旋转速度提升，使发电机转子以额定的转速旋转，高速切割磁力线，最终实现发电机发电的目的。

综上所述，由于风力发电通常由多组风力发电机组构成，因此其占地面积较大；同时，由于风力发电以风能作为唯一的动力源，因此对天气依赖性较强，容易受到天气变化和风速的影响；因风速不稳定，所以只能离网发电，不容易实现并网发电。

火力发电的缺点如下：需要消耗大量的煤等资源，容易造成大气污染；同时由于二氧化碳排放量较大，会加重温室效应；并且因为作业环境温度较高、噪音较大、有害物质较多等因素，会对操作者的健康产生较大的影响。

光伏发电的缺点如下：太阳光照射的能量分布密度小，所以需要占用较大的面积；完全依赖太阳，受昼夜和气象条件的影响较大；因此效率不高，效益低，并且发电成本较大。

核能发电的缺点如下：核能电厂热效率较低以及会产生放射性的废料，污染较大，对周围生态环境也有很大的影响；且核电厂投资和运营成本巨大，安全运行风险较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水力发电机、水力发电系统及并网发电方法，以解决现有技术中存在的水力发电设备及发电方法对水流的流量和势能要求较高，并且制造工艺复杂、耗时较长、费用较大的技术问题。

本发明提供的一种水力发电机，包括：水车和发电机，所述水车包括叶片和水车动力输出轴；所述发电机包括发电机动力输入轴；所述叶片设置在所述水车动力输出轴上，所述水车动力输出轴与所述发电机动力输入轴连接。

优化地，所述叶片以可拆卸的方式与所述水车动力输出轴连接。

进一步，所述发电机的数量为两台，分别设置在所述水车动力输出轴的两端。

本发明还提供了一种水力发电系统，包括：如上所述的水力发电机和设置在河道上的导流渠，所述导流渠包括渠岸，所述水力发电机设置在所述渠岸上。

进一步，还包括：大坝，所述大坝包括导流渠水流通道；所述导流渠水流通道与所述导流渠相连通，且位于所述导流渠的上游。

优化地，所述大坝还包括导流渠闸门，所述导流渠闸门设置在所述导流渠水流通道上。

优化地，所述大坝还包括：主河道水流通道和主河道排水闸，所述主河道水流通道设置在所述大坝上，所述主河道排水闸设置在所述主河道水流通道上。

进一步，所述导流渠的数量为两个，且分别设置在河道的两侧。

本发明还提供了一种如上所述的水力发电系统的并网发电方法，包括以下步骤：

S1将水力发电机的转速控制在预设范围内；

S2将水力发电机产生的电能经过调节电压处理，从而实现并网发电。

进一步，在所述步骤S1中，通过调节水流的流量和/或叶片的数量将水力发电机的转速控制在预设范围内。

本发明提供的水力发电机、水力发电系统及并网发电方法，结构相对简单，简化了生产工艺，降低了投资费用，节约了生产成本，增加了水力发电的技术种类，可以在落差较小、开阔平坦的流域，实现水力发电，创造了一种更经济环保、简单实用的水力发电方式；使用本发明提供的并网发电方法，可以使该水力发电系统直接输出的电压较为稳定，无需再进行复杂的调节电压处理，提高了发电效率，节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种水力发电机的结构示意图；

图2为图1所示的水力发电机的主视图；

图3为图2所示的水力发电机的A-A剖视图；

图4为图2所示的水力发电机的B-B剖视图；

图5为本发明实施例提供的一种水力发电系统的结构示意图。

附图标记：

1-水力发电机；           2-导流渠；       3-大坝；

11-发电机；              12-水车；        21-渠岸；

31-导流渠水流通道；      32-导流渠闸门；  33-主河道水流通道；

34-主河道排水闸；

111-发电机动力输入轴；   121-叶片；       122-水车动力输出轴；

123-连接机构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的一种水力发电机的结构示意图；图2为图1所示的水力发电机的主视图；图3为图2所示的水力发电机的A-A剖视图；图4为图2所示的水力发电机的B-B剖视图；图5为本发明实施例提供的一种水力发电系统的结构示意图。

如图1-4所示，本发明提供的一种水力发电机1，包括：水车12和发电机11，水车12包括叶片121和水车动力输出轴122，叶片121设置在水车动力输出轴122上，水车动力输出轴122与发电机动力输入轴111连接。

水车12设在河流中，通过自身的旋转将水能转化为机械能；水车12上的叶片121可以固定的设置在水车动力输出轴122上，也可以通过可拆卸的方式连接；固定焊接可以是一体式的，也可以通过焊接的方式实现；实现可拆卸的连接有多种方法，例如：在水车动力输出轴122上设置有卡合口，叶片121可以插入卡合口内，最终实现固定的目的；或者叶片121通过螺栓与水车动力输出轴122可拆卸的连接。

发电机11可以有多种选择，例如：风力发电机或者直驱式发电机，等等。

作为一种优选的方案，发电机11选择直驱式发电机。直驱式发电机在结构上主要由轴向与盘式两种，轴向结构分为内转子和外转子等，盘式结构分为中间转子、中间定子和多盘式等。直驱式发电机具有以下优点：发电效率较高；可靠性高；运行及维护成本低；电网接入性能优异。

上述水力发电机1结构简单，简化了生产工艺，降低了投资费用，节约了生产成本，增加了水力发电的技术种类，可以在落差较小、开阔平坦的流域，实现水力发电，创造了一种更经济环保，简单实用的水力发电方式。

在上述实施例的基础上，叶片121与水车动力输出轴122可采用多种固定结构连接，如焊接等其他固定连接方式，只要是能够将叶片121和水车动力输出轴122固定连接的连接结构，都属于本发明的保护范围。优选地，为了方便快捷地拆卸叶片121，调节水车动力输出轴122上的叶片数量，叶片121以可拆卸的方式与水车动力输出轴122连接。

在上述实施例的基础上，具体地，水车12还包括连接机构123，连接机构123设置在水车动力输出轴122上，叶片121采用可拆卸的方式设置在连接机构123上。

连接机构123可以有多种选择，例如：靠背轮或者电磁耦合器，且连接机构123的数量可以为多个。

如图1所示，连接机构123的数量为三个，均套设在水车动力输出轴122上，连接机构123与水车动力输出轴122同步旋转，叶片121通过卡接的方式固定在连接机构123上。

作为一种优选的方案，连接机构123采用电磁耦合器。

电磁耦合器具有以下优点：维护工作量较小；允许有较大的安装对中误差；具有过载保护功能，提高系统的可靠性；使用寿命长；易于实现遥控和自动控制，过程控制精确度高；结构简单，可使用各种恶劣环境。

在上述实施例的基础上，具体地，如图1-3所示，发电机11的数量为两台，分别设置在水车动力输出轴122的两端。

在水车动力输出轴122的两端均设置发电机11，可以增加水力发电机1的发电效率，提高发电量。

如图5所示，本发明还提供了一种水力发电系统，包括：如图1所示的水力发电机1和设置在河道上的导流渠2，导流渠2包括渠岸21，水力发电机1设置在渠岸21上。

水力发电机1的数量可以为多台，沿导流渠2均匀的分布；导流渠2也可以为多个，均沿河道设置。将水力发电机1固定设置在渠岸21上有很多种方法，例如：螺栓连接或者铆接，等等。

本发明提供的水力发电系统，增加了水力发电的种类，创造了一种更经济环保、简单实用的发电方式，对地质环境、水流流速和水流落差没有那么高的要求，工艺简单，前期投入较少；同时，为水力发电系统的建设开辟了新的领域和经济增长点，使水力发电的种类更具有多样化和实用性，增加经济价值；且本水力发电系统在建成之后还可以通过改变水力发电机的数量，来增加或者减少水力发电系统的装机容量。

在上述实施例的基础上，具体地，本发明提供的水力发电系统还包括：大坝3；大坝3包括导流渠2水流通道；导流渠水流通道31与导流渠2相连通，且位于导流渠2的上游。

如图5所示的大坝3，结构简单，施工较为容易，耐久性好，便于设置泄水建筑，可以使水流产生较大的势能。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的方案，具体地，导流渠水流通道31的底面高于导流渠2的底面。

采用上述结构，可以增加水流的势能，从而加大水流对叶片121的推动力，进而增加发电效率。

在上述实施例的基础上，具体地，大坝3还包括导流渠闸门32，导流渠闸门32设置在导流渠水流通道31上。

需要说明的是，导流渠闸门32的数量可以为多个，且和导流渠2的数量相同。

在上述实施例的基础上，具体的，大坝3还包括：主河道水流通道33和主河道排水闸34，主河道水流通道33设置在大坝3上，主河道排水闸34设置在主河道水流通道33上。

需要说明的是，主河道排水闸34和主河道水流通道33可以为多个，并且一一对应，数量相同。

导流渠闸门32可以打开和关闭导流渠水流通道31，主河道排水闸34可以打开和关闭主河道水流通道33；在使用水力发电系统发电的过程中，若河流处在丰水期，则打开导流渠闸门32的同时，还可以打开主河道排水闸34，使一部分水流通过主河道水流通道33排入主河道，从而避免发电量过多，造成资源浪费；若河流处在枯水期，则打开导流渠闸门32的同时，需要关闭主河道排水闸34，让水流仅流入导流渠2，推动水车12转动，进而满足所需发电的电量。

需要说明的是，导流渠闸门32和主河道排水闸34，在不需要发电时，均处于关闭状态，当需要发电时，多个导流渠闸门32和多个主河道排水闸34，可以同时全部打开，也可以仅打开其中的一个或者几个；作为一种优选的方案，一个导流渠闸门32还可以仅打开一部分，例如：打开一半、三分之一或者四分之一，等等，从而实现调节水流流量大小的目的。

在上述实施例的基础上，具体地，如图5所示，导流渠2的数量为两个，且分别设置在河道的两侧，可设置在靠近堤岸的位置。这样在保证水力发电系统发电功率的前提下，能够降低建造导流渠2的难度，减少建造成本。

本发明提供的水力发电系统工作原理如下：依靠导流渠闸门32使水流注入导流渠2，水流经过汇集和落差产生足够的势能，从而推动水车12旋转，水车12的旋转带动发电机11发电。在渠岸21上可以多台水力发电机1均匀并排设置，提高了对水流的利用率，使装机容量成倍增长。

在上述实施例的基础上，具体地，发电机11的功率，可以根据河流平均水量以及导流渠2水头等参数来进行设计选型；水车12的叶片121的大小可根据导流渠2的水量、水流流速以及发电机11的功率来进行匹配设计和选型。

在上述实施例的基础上，具体地，根据河流的大小可以将水力发电系统建为单机单岸、双机单岸或者双机双岸，等等多种形式；水车12的叶片121可以设计为单组四片、双组八片、单组三片或者双组六片，等等多种形式。如图1所示，水力发电机1为双组八片的设计，如图5所示，水力发电系统为双机双岸的设计。

本发明还提供了一种水力发电系统并网发电方法，具体地，包括以下步骤：

S1将水力发电机1的转速控制在预设范围内，使其输出电压稳定；

通过调节水流的流量和/或叶片121的数量来控制水力发电机1的转速在预设范围内。

S2将水力发电机1产生的电能经过调节电压处理，从而实现并网发电。

产生的电能，经过变压器的升压，最终实现并网发电。

水流流量通过导流渠闸门32以及主河道排水闸34的打开和闭合来调节；在发电之前，通过水车12的叶片121的面积以及所需发电量的大小，计算所需叶片121的数量。

本实施例提供的使用水力发电系统并网发电方法具有以下优点：由于采用了如上所提供的水力发电机1，所以能够使该水力发电系统直接输出的电压较为稳定，无需再进行复杂的调节电压处理，提高了发电效率，节约成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种水力发电机，其特征在于，包括：水车和发电机，所述水车包括叶片和水车动力输出轴；所述发电机包括发电机动力输入轴；所述叶片设置在所述水车动力输出轴上，所述水车动力输出轴与所述发电机动力输入轴连接。

2.根据权利要求1所述的水力发电机，其特征在于，所述叶片以可拆卸的方式与所述水车动力输出轴连接。

3.根据权利要求1或2所述的水力发电机，其特征在于，所述发电机的数量为两台，分别设置在所述水车动力输出轴的两端。

4.一种水力发电系统，其特征在于，包括：如权利要求1-3任一项所述的水力发电机和设置在河道上的导流渠，所述导流渠包括渠岸，所述水力发电机设置在所述渠岸上。

5.根据权利要求4所述的水力发电系统，其特征在于，还包括：大坝，所述大坝包括导流渠水流通道；所述导流渠水流通道与所述导流渠相连通，且位于所述导流渠的上游。

6.根据权利要求5所述的水力发电系统，其特征在于，所述大坝还包括导流渠闸门，所述导流渠闸门设置在所述导流渠水流通道上。

7.根据权利要求6所述的水力发电系统，其特征在于，所述大坝还包括：主河道水流通道和主河道排水闸，所述主河道水流通道设置在所述大坝上，所述主河道排水闸设置在所述主河道水流通道上。

8.根据权利要求4-7任一项所述的水力发电系统，其特征在于，所述导流渠的数量为两个，且分别设置在河道的两侧。

9.一种如权利要求4-8任一项所述的水力发电系统的并网发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将水力发电机的转速控制在预设范围内；

S2将水力发电机产生的电能经过调节电压处理，从而实现并网发电。

10.根据权利要求9所述的并网发电方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过调节水流的流量和/或叶片的数量将水力发电机的转速控制在预设范围内。