CN105041552B - 一种垂直轴水力发电机 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴水力发电机，包括桩基础、塔柱、叶轮、轴承和发电机组，塔柱设置在桩基础上，塔柱包括水下平台、支撑柱和水上平台；叶轮设于水里，叶轮的上端和下端均通过轴承连接使叶轮枢接在塔柱外；轴承包括圆环形的轨道、圆环形的安装座和设于安装座上的若干滚轮；发电机组包括液压控制系统、发电机和动力转换机构，动力转换机构包括设于水上平台下方的齿轮盘，齿轮盘环抱支撑住柱，齿轮盘与叶片连接，齿轮盘与若干小齿轮啮合；液压控制系统包括液压马达、恒压储液桶和若干液压缸，液压缸的活塞端部与小齿轮铰接，小齿轮的旋转带动液压缸的活塞杆来回伸缩运动，液压缸的输出端与恒压储液桶连接，恒压储液桶的输出端与液压马达连接，液压马达与发电机联动。采用液压控制系统的方式进行能量的转换，可以设置多个液压缸来提高能量的转换效率。

Description

一种垂直轴水力发电机

技术领域

本发明涉及洋流能发电，尤其是将洋流能转换垂直轴机械转动进而进行发电的装置。

背景技术

海流能能量密度高、清洁、可预测性强，海流能发电不占用宝贵的土地资源。因此，海流能的开发利用具有深远的意义。目前也存在许多利用洋流能来发电的装置，如中国专利，公开号为103206334A的一种低速直驱液压型海流发电装置及，包括叶轮、与叶轮主轴相连的定量液压泵、与定量液压泵并联且与定量液压泵出口相连的变量液压泵和变量液压马达、发电机；定量液压泵的入口、变量液压泵的出口和变量液压马达的出口均连接油箱；变量液压泵和变量液压马达的主轴刚性连接；变量液压马达主轴另一端与发电机主轴相连；控制方法，步骤包括：1、通过叶轮将海流能转换为机械能；2、通过定量液压泵将机械能转换为液压能，并且通过调整变量液压泵排量大小调整液压系统压力，进而调整叶轮捕获功率大小；3、通过变量液压马达将液压能转换为机械能；4、将得到的机械能通过发电机将机械能转换为电能。又如中国专利公开号为102493922A的一种风水力综合发电系统，包括发电机和安装在海床上并伸出海面的塔架，其特征在于：所述塔架顶部安装有风力叶片和第一液压泵，风力叶片的心轴联接第一液压泵的动力输入端；所述塔架浸于海水中的立柱上安装有水轮叶片和第二液压泵，水轮叶片的心轴联接第二液压泵的动力输入端；所述第一液压泵、第二液压泵通过液压管路和单向阀联接到安装在塔架上的同一个液压马达，所述液压马达的动力输出端联接发电机的输入轴。目前利用洋流能发电的装置一般是通过水平轴的风轮进行能量的第一次转换，然后通过风轮驱动液压泵进行第二次能量转换，最后通过液压泵带动发电机来进行第三次能量转换；该种形式的洋流能发电装置由于其使用的是水平轴风轮，每个风轮只能驱动一个液压泵，而每个液压泵只能驱动一个发电机，导致这类发电装置的发电效率低，并没有将洋流能的巨大能量最大限度的利用起来。从发电领域来说，该类洋流能发电装置仅仅是人们理想的装置，并不具备商业价值，因为其发出来的电能价格已经高于目前风力发电的价格。所以寻找一种更具有商业价值的洋流能发电装置是今后发展的一个方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供垂直轴水力发电机，洋流能转换为电能的效率高，发电成本更低，适合商业使用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种垂直轴水力发电机，包括：

桩基础，所述桩基础深入海床内；

塔柱，所述塔柱设置在桩基础上，所述塔柱包括水下平台、支撑柱和水上平台，水下平台与桩基础顶部固定连接，支撑柱向水面延伸并与水上平台连接固定，水上平台高出水面；

叶轮，所述叶轮设于水里，所述叶轮包括若干升力型叶片，叶轮的上端和下端均通过轴承连接使叶轮枢接在塔柱外；

轴承，所述轴承包括圆环形的轨道、圆环形的安装座和设于所述安装座上的若干滚轮，所述滚轮在轨道上行走，所述叶轮与安装座连接；

发电机组，所述发电机组包括液压控制系统、发电机和动力转换机构，所述动力转换机构包括设于水上平台下方的齿轮盘，所述齿轮盘环抱所述支撑柱，齿轮盘与叶片连接，所述齿轮盘周边设有若干与其啮合的小齿轮；所述液压控制系统包括液压马达、恒压储液桶和若干液压缸，所述液压缸的活塞杆的端部与小齿轮铰接，小齿轮的旋转带动液压缸的活塞杆来回伸缩运动，所述液压缸的输出端与恒压储液桶连接，所述恒压储液桶的输出端与液压马达连接，所述液压马达与发电机联动。

本发明发电原理：本发明相对传统的水轮机发电是一个重大的突破，首次将垂直轴发电的概念应用在水里，由于升力型叶片能够在无方向性的风流下单向转动，那么对于同样无方向性的水流来说也一样的，因此该种垂直轴的升力型叶片也能在水里单向的转动，以此为基础，将垂直轴升力型叶片深入水下，依靠水流或洋流的冲刷即可使叶轮转动；叶轮转动后带动齿轮盘转动，使齿轮盘具有巨大的动能，由于齿轮盘与周边的小齿轮啮合带动小齿轮转动，小齿轮的转动带动液压缸的活塞杆来回伸缩运动，从而推动液压缸内的活塞，使液压缸内的液压油输送至恒压储液桶内；齿轮盘不停的旋转，就能使液压缸内的液压油源源不断的送入恒压储液桶内，使恒压储液桶内的压力得到提升；齿轮盘由于具有强大的动能，以至于能够同时驱动多个液压缸负载，多个液压缸共同向恒压储液桶输送液压油，使恒压储液桶内的压力迅速上升；当需要进行发电时，恒压储液桶向液压泵释放液压油以驱动液压泵旋转，由于液压泵与发电机的转轴联动，使发电机与液压泵同步旋转，从而发电。

作为改进，所述支撑柱为中空结构，支撑柱内设有升降电梯。所述支撑柱上设有若干观察口，观察口处设有耐压玻璃。水上的人可以通过升降电梯进入到支撑柱的内部，通过支撑柱上的观察口可以看到叶片的状态，方便以后的检修。另外，该发电机项目也可以发展成为旅游业，游客可以通过支撑柱上的观察口观看水里的海洋世界。

作为改进，所述水下平台、支撑柱和水上平台由钢筋混凝土一体灌注成型。一体灌注的塔柱强大更大，使其能够支撑巨大的叶轮在水里旋转。

作为改进，所述叶片包括内骨架和包裹在所述内骨架外的外蒙皮，所述外蒙皮由若干固定板和活动板拼接而成，内骨架上对应所述活动板处设有窗口，内骨架内设有使活动板遮蔽或敞开所述窗口的驱动机构。叶片上的活动板相当于刹车装置，在刹车装置不启动时，叶片形态没有发生改变，叶片表面符合水流动力学，水流阻力达到最佳状态，使叶片能够在水流的推动下快速转动；当需要限制或降低叶片的旋转速度，启动驱动机构，使活动板绕着一侧进行旋转，该活动板形态的改变改变了整个叶片的形态，破坏了叶片原本符合水流动力学的形态设计，此时的叶片表面水流阻力较大，在水流的阻力下，从而限制或降低叶片的旋转速度；另外，当窗口被打开后，叶片表面水流通过所述窗口进入叶片内而无法推动叶片，一部分洋流能丧失了对叶片的能量转换，从而降低叶片的旋转速度；本发明通过简单的叶片设计即可实现叶片速度的改变。

作为改进，所述叶片内填充有发泡材料。发泡材料能够增加叶片整体强度；发泡材料具有防水性能，即使叶片浸入水里，海水也不会侵入叶片内；发泡材料具有浮力，以增大叶片在水里的浮力，减少叶片对轴承的压力，减少轴承的磨损。

作为改进，所述叶片的两侧均设有活动板，两侧活动板对应的窗口之间通过水管连通。

作为改进，位于叶轮下端的轴承的轨道安装在水下平台的顶部，位于叶轮上端的轴承的轨道安装在水上平台的底部。

作为改进，所述轨道的截面呈工字型，所述滚轮的内侧边缘设有凸缘，所述凸缘位于轨道的内侧。

作为改进，所述液压缸通过弹簧复位，液压缸复位后，缸内形成负压使恒压储液桶内的液压油能够回流到液压缸内。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

1、 塔柱为钢筋混凝土结构，在水里的建造简单，而且能够耐腐蚀，是目前最好的水上垂直发电机的支撑结构；

2、 钢筋混凝土结构的塔柱具有强大的支撑力，能够支撑巨大的叶轮，这也是洋流能发电设备大型化的重要手段，大型化的洋流能发电设备发电量更大，发电成本更低；

3、 由于塔柱和叶轮设于水里，水里的环境相对较为稳定，不会受到台风的影响，所以发电机的发电环境也相对稳定；由于水流和洋流的稳定性好，能够连续安全的发电；

4、 由于水流和洋流的资源丰富而且不占用陆地空间，有巨大的发展前景；

5、 采用液压控制系统的方式进行能量的转换，可以设置多个液压缸来提高能量的转换效率；

6、 液压系统输出的液压油恒定，保证液压泵的转速恒定，从而实现发电机恒定转速发电，该液压控制系统也作为发电机的变频系统，取代了现有发电机组需要变频柜来控制发电机转速的问题，大大降低了整个发电设备的成本；

7、 以液压控制系统作为发电机转速的调整装置，其操作方式简单，容易实现。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为齿轮盘结构示意图。

图3为轴承结构示意图。

图4为滚轮与轨道配合的剖面图。

图5为液压控制系统结构框图。

图6为叶片截面示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种垂直轴水力发电机，其主要是利用水流或洋流进行发电的设备，可应用于江河或者海洋。垂直轴水力发电机包括：桩基础1、塔柱、叶轮8、轴承6和发电机组。

所述桩基础1通过打桩设备深入海床内15，桩基础1使巨大的塔柱能够稳定的矗立在海里，抗击洋流的冲刷。

如图1所示，所述塔柱设置在桩基础1上，所述塔柱包括水下平台5、支撑柱2和水上平台4。所述水下平台5、支撑柱2和水上平台4由钢筋混凝土一体灌注成型，一体灌注的塔柱强大更大，使其能够支撑巨大的叶轮8在水里旋转。水下平台5与桩基础1顶部固定连接，支撑柱2向水面延伸并与水上平台4连接固定，水上平台4高出水面。水上平台4空间面积较大，可以用于安装发电机组、房屋等，该平台便于操作人员对发电机组的维护。所述支撑柱2为中空结构，支撑柱2内设有升降电梯，所述支撑柱2上设有若干观察口3，观察口3处设有耐压玻璃，水上的人可以通过升降电梯进入到支撑柱2的内部，通过支撑柱2上的观察口3可以看到叶片的状态，方便以后的检修；另外，该发电机项目也可以发展成为旅游业，游客可以通过支撑柱2上的观察口观看水里的海洋世界。

如图1所示，所述叶轮8的上端和下端均通过轴承6连接使叶轮8枢接在塔柱外，所述叶轮8大部分设于水里，设于水里的部分能够接收洋流的推力使其转动，从而实现能量转换。高出水面的叶轮8上端与轴承6连接，处于上端的轴承6不需要进行海水腐蚀处理。如图6所示，所述叶轮8呈H型或Φ型，所述叶轮8包括若干升力型叶片81，所述叶片81包括内骨架811和包裹在所述内骨架外的外蒙皮，所述外蒙皮由若干固定板812和活动板813拼接而成，内骨架811上对应所述活动板813处设有窗口814，内骨架内设有使活动板遮蔽或敞开所述窗口的驱动机构。所述叶片的两侧均设有活动板813，两侧活动板对应的窗口814之间通过水管815连通。叶片81上的活动板相当于刹车装置，在刹车装置不启动时，叶片81形态没有发生改变，叶片81表面符合水流动力学，水流阻力达到最佳状态，使叶片81能够在水流的推动下快速转动；当需要限制或降低叶片81的旋转速度，启动驱动机构，使活动板绕着一侧进行旋转，该活动板形态的改变改变了整个叶片81的形态，破坏了叶片81原本符合水流动力学的形态设计，此时的叶片81表面水流阻力较大，在水流的阻力下，从而限制或降低叶片81的旋转速度；另外，当窗口被打开后，叶片81表面水流通过所述窗口进入叶片81内而无法推动叶片81，一部分洋流能丧失了对叶片81的能量转换，从而降低叶片81的旋转速度。所述叶片81内填充有发泡材料；发泡材料能够增加叶片81整体强度；发泡材料具有防水性能，即使叶片81浸入水里，海水也不会侵入叶片81内；发泡材料具有浮力，以增大叶片81在水里的浮力，减少叶片81对轴承6的压力，减少轴承6的磨损。

如图1、3、4所示，所述轴承6包括圆环形的轨道61、圆环形的安装座62和设于所述安装座62上的若干滚轮63。安装座62环抱支撑柱2，安装座62通过滚轮63在轨道61行走实现旋转，所述叶轮8与安装座62连接，叶轮8通过安装座62带动滚轮63在轨道61上行走。所述轨道61的截面可以是工字型或凹字型，本实施例的轨道61选用工字型结构，安装时，直接将轨道61固定在水下平台5顶部和水上平台4的底部。所述滚轮63的内侧边缘设有凸缘64，所述凸缘64位于轨道61的内侧，凸缘64卡在轨道61内侧，以防止滚轮63因离心力推力轨道61。可以在支撑柱2的上端设置轴承安装平台，上端轴承6可以安装在轴承安装平台的底部或顶部。本发明采用滚轮63与轨道61的配合作为叶轮8的枢接结构来代替轴承6，取消传统的滚珠轴承6，大大降低轴承6的制造成本，而且简化了轴承6的安装。另外，由于下轴承6浸入水里，需要轴承6具有密封和耐腐蚀的性能，传统的滚珠轴承6体积大，难以做到密封和耐腐蚀性能，这个也是目前在水下建造大型洋流能发电设备的技术瓶颈，本发明巧妙的采用滚轮63代替轴承6，由于滚轮63体积小，安装方便，密封和防腐蚀做起来相对简单，另外叶轮8为低转速，因此滚轮63能够作为轴承6使用在水里。总而言之，本发明的轴承6是大型洋流能发电设备建造的重要因素。

如图1、5所示，所述发电机组包括液压控制系统、发电机14和动力转换机构。如图2所示，所述动力转换机构包括设于水上平台4下方的齿轮盘7，所述齿轮盘7环抱所述支撑柱2，齿轮盘7与叶片81连接；所述齿轮盘7周边设有若干圆周均匀分布且与其啮合的小齿轮16，小齿轮16的数量根据齿轮盘7的大小以及设置的液压缸的数量而设。所述液压控制系统包括液压马达13、恒压储液桶12和若干液压缸9；液压马达13和发电机14安装在水上平台4上；液压缸9呈圆周均匀分布在齿轮盘周边，其固定在水上平台4的底部，所述液压缸9的活塞杆10的端部与小齿轮16表面铰接，小齿轮16的旋转带动液压缸9的活塞杆10来回伸缩运动，并将液压油输送至恒压储液桶12内。液压缸9复位后，缸内形成负压使恒压储液桶12内的液压油能够回流到液压缸9内。液压缸9的输出端与恒压储液桶12连接，恒压储液桶12能够储存各个液压缸9输送的液压油，带有液压能的液压油储存在恒压储液桶12内。所述恒压储液桶12的输出端与液压马达13连接，所述液压马达13与发电机14联动。

本发明发电原理：本发明相对传统的水轮机发电是一个重大的突破，首次将垂直轴发电的概念应用在水里，由于升力型叶片81能够在无方向性的风流下单向转动，那么对于同样无方向性的水流来说也一样的，因此该种垂直轴的升力型叶片81也能在水里单向的转动，以此为基础，将垂直轴升力型叶片81深入水下，依靠水流或洋流的冲刷即可使叶轮8转动；叶轮8转动后带动齿轮盘7转动，使齿轮盘7具有巨大的动能，齿轮盘通过小齿轮16驱动活塞杆来回伸缩运动，从而使液压缸9内的液压油源源不断的送入恒压储液桶12内，使恒压储液桶12内的压力得到提升；由于水上平台4具有足够的空间面积，在水上平台4上可以设置多个液压缸9，齿轮盘7由于具有强大的动能，以至于能够同时驱动多个液压缸9负载，多个液压缸9共同向恒压储液桶12输送液压油，使恒压储液桶12内的压力迅速上升；当需要进行发电时，恒压储液桶12向液压泵释放液压油以驱动液压泵旋转，由于液压泵与发电机14的转轴联动，使发电机与液压泵同步旋转，从而发电。

Claims (10)

1.一种垂直轴水力发电机，其特征在于，包括：

桩基础，所述桩基础深入海床内；

塔柱，所述塔柱设置在桩基础上，所述塔柱包括水下平台、支撑柱和水上平台，水下平台与桩基础顶部固定连接，支撑柱向水面延伸并与水上平台连接固定，水上平台高出水面；

叶轮，所述叶轮设于水里，所述叶轮包括若干升力型叶片，叶轮的上端和下端均通过轴承连接使叶轮枢接在塔柱外；

轴承，所述轴承包括圆环形的轨道、圆环形的安装座和设于所述安装座上的若干滚轮，所述滚轮在轨道上行走，所述叶轮与安装座连接；

发电机组，所述发电机组包括液压控制系统、发电机和动力转换机构，所述动力转换机构包括设于水上平台下方的齿轮盘，所述齿轮盘环抱所述支撑柱，齿轮盘与叶片连接，所述齿轮盘周边设有若干与其啮合的小齿轮；所述液压控制系统包括液压马达、恒压储液桶和若干液压缸，所述液压缸的活塞杆的端部与小齿轮铰接，小齿轮的旋转带动液压缸的活塞杆来回伸缩运动，所述液压缸的输出端与恒压储液桶连接，所述恒压储液桶的输出端与液压马达连接，所述液压马达与发电机联动。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：所述支撑柱为中空结构，支撑柱内设有升降电梯。

3.根据权利要求1所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：所述支撑柱上设有若干观察口，观察口处设有耐压玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：所述水下平台、支撑柱和水上平台由钢筋混凝土一体灌注成型。

5.根据权利要求1所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：所述叶片包括内骨架和包裹在所述内骨架外的外蒙皮，所述外蒙皮由若干固定板和活动板拼接而成，内骨架上对应所述活动板处设有窗口，内骨架内设有使活动板遮蔽或敞开所述窗口的驱动机构。

6.根据权利要求5所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：所述叶片内填充有发泡材料。

7.根据权利要求5所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：所述叶片的两侧均设有活动板，两侧活动板对应的窗口之间通过水管连通。

8.根据权利要求1所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：位于叶轮下端的轴承的轨道安装在水下平台的顶部，位于叶轮上端的轴承的轨道安装在水上平台的底部。

9.根据权利要求1所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：所述轨道的截面呈工字型，所述滚轮的内侧边缘设有凸缘，所述凸缘位于轨道的内侧。

10.根据权利要求1所述的一种垂直轴水力发电机，其特征在于：液压缸复位后，缸内形成负压使恒压储液桶内的液压油能够回流到液压缸内。