CN108412670A - 发电用漂浮式水车 - Google Patents

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Abstract

发电用漂浮式水车，属于河流发电的改进创新技术。发明一种不需要人工建设或改造水渠，不需要在河流中人工建设水车支柱，不需要动力传递通过传动轴到齿轮变速器再到发电机发电原理，同样的设备可以在不同流速的河流使用，在宽阔的河流可以组阵布置的发电用漂浮式水车。本发明采用宽体自漂浮自平衡式水车车轮主体(宽体封闭式漂浮圆筒上安装叶片，两侧加装空芯旋转轴)和自漂浮式水车支架用轴承连接，在用空中拉索至两岸固定，在自漂浮自平衡式水车车轮主体的宽体封闭式漂浮圆筒内部安装轮毂永磁发电机发电。

Description

发电用漂浮式水车
技术领域：
本发明的目的在于提供一种发电用漂浮式水车，属于河流发电的改进创新技术。
背景技术：
水能是绿色可再生资源，将其开发利用具有重大意义。目前开发水能的方式一般是建设水电站，利用高效率的水轮机来转换水能，但它对选址有一定的要求，例如一些零散低水头的河流就无法利用。如果在零散的河流上建设水坝提高水头，则经济性较差(建设水坝存在破坏环境、投资成本较大、建设工期较长等缺点)。同样，对于低水头的潮汐能利用，目前的方法也是采用建设水坝及高效率的水轮机，对选址也存在较大潮差的要求。而对一些分散的较低潮差的地址，其建设潮汐能电站的经济性就更差，如何经济性地利用这些分散的较低潮差的潮汐能和底水头的河流水能。
水车通常被认为是一种低效率的水能转换设备，由于水轮机比水车的效率高，因此接替了水车的水能转换装置的作用，并在生活中得到了广泛的应用。但实际上用在低水头微型水电站中，水车还是具有有效和成本低的特点。生态环境是设计水电站时要注意的一个重要问题。水车对鱼非常有利，因为隔板容量很大，转速很慢，各种鱼类都能安全通过，因此，与快速转动的转桨式水轮机相比，优势非常明显。这种最古老的水力机械正在开始焕发新的活力，并用于新的用途-发电。这种水能转换设备在标准水轮机不能进行有效运行的地方均能得到合适应用。
检索水车发电装置发明专利，主流方案是设置水泥支架固定水车，人工建设或改造水渠，利用水流推动水车，通过传动轴到齿轮变速器再到发电机发电。还有一种“漂浮水车发电装置”，申请(专利)号：CN201510054857.6，该漂浮水车发电装置，由水车轮、水流推板、轴承、齿轮变速器、发电机、水车漂浮罐、漂浮罐支架、水车固定扣、合流板、固定柱组成，优点在于，此装置可以设置在任意水流较大的地方，根据水位高低调整水车轮位置，通过齿轮变速器增加齿轮摩擦速度，保持发电机的动力，具有安装方便，易于实现的特点。
“漂浮水车发电装置”有安装方便，易于实现的特点，优于主流方案。现有水车发电技术都有如下缺陷：主体结构设计复杂，人工建设或改造水渠，人工在河流中设置水泥支架固定水车，动力传递通过传动轴到齿轮变速器再到发电机发电的原理和各地水流速度不同的现实产生冲突(发电机转速要求额定，流速不同时齿轮变速器变比也不同)，同样的设备不能在不同流速的河流使用；而且此原理的机械传动能量损耗大，发电率低，机械设备维护成本高等缺陷。以上缺陷是水车发电难以大规模普及应用的主要原因。
发明内容：
发明一种“发电用漂浮式水车”，发明一种不需要人工建设或改造水渠，不需要在河流中人工建设水车支柱，不需要动力传递通过传动轴到齿轮变速器再到发电机发电原理，同样的设备可以在不同流速的河流使用，在宽阔的河流可以组阵布置的发电用漂浮式水车。
“发电用漂浮式水车”采用自漂浮自平衡式水车车轮主体和自漂浮式水车支架用空中拉索(水车支架前方两侧侧拉或水车支架与旋转轴处悬吊)至两岸固定的设计方法。如图1所示：(1-1)自漂浮自平衡式水车车轮主体；(1-2)自漂浮式水车支架；(1-3)空中拉索。
自漂浮自平衡式水车车轮主体设计方法：宽体封闭式漂浮圆筒上安装叶片，两侧加装空芯旋转轴的设计方法。此设计方法实现水车自漂浮自平衡功能。不需要加装其它漂浮罐漂浮和平衡水车车轮。如图2所示：(2-1)宽体封闭式漂浮圆筒；(2-2)叶片；(2-3)空芯旋转轴。
水车支架内侧安装轴承座与水车车轮主体的空芯旋转轴连接。
自漂浮自平衡式水车车轮主体的宽体封闭式漂浮圆筒内部安装轮毂永磁发电机，轮毂发电机的外轮毂为转子(永磁体)与宽体封闭式漂浮圆筒连接固定，水流推动漂浮式水车旋转，轮毂发电机轮毂转子也一起旋转。轮毂发电机定子轴(定子为绕组线圈)穿过两侧空芯旋转轴与水车支架两外侧面固定，发电机会
产生反电动力矩带动发电机定子旋转，发电机定子通过自漂浮式水车支架外侧固定不旋转而使发电机发出电能。
轮毂发电机发出交流电压不稳定频率不稳定的电能通过电缆延空中拉索上岸后处理方法如下：
1：永磁轮毂发电机：发出交流电压不稳定频率不稳定的电能；
2：整流环节(整流桥)：将以上电能整流成直流电，方便后续环节处理；
3：储能环节(电力电容)：进一步稳定输入的电能；
4：最大功率跟踪环节(PFC增压器)：由CPU控制产生最大功率跟踪点对输入电能的电压进行比较稳定的升压，使其稳定在直流530V到570V之间的相对稳定电压，具体值视现场市电输入电压由CPU自动调节；
5：有源逆变环节(变频器)，使电力器件同步工作在电网的频率和相位上将第四环节生成的直流电能馈送到电网
系统输出电流大小由第四环节进行调整，最终根据第一步输入的电能变化。第4(最大功率跟踪环节)环节的作用：当发电机被水流推动发电时，馈电电流过大，发电机产生的反电动力矩将过大，将导致发电机的转速下降过多，电压下降。相反馈电电流过小发电机虽然转速变快发出的电压升高，但由于叶片上的力矩没有被充分利用导致输出效率下降，而最佳的力矩和转速匹配将由最大功率跟踪环节自动找到水车最大功率点尽量提高系统工作效率。
以上处理交流电的方法在风力发电和太阳能发电上以普及使用。这种永磁轮毂发电机发电后处理交流电并网的方法用到水车发电上有如下优点：
一是打破了现有水车发电配置模式，水车的转速是开放的，不需要保持电网需要的同步速，不需要调水稳速装置，水车的转速完全取决于水流对水车的冲力，在水量较小水车转速底水能小和水量大转速高水能大的两种情况下都能实现将全部水能转化成电能的能力。最大化的提高了资源利用率。
二是水车发电系统采用高效永磁发电机，永磁发电机转子中安有稀土永磁材料，给发电机提供励磁磁场，省去了励磁绕组和励磁控制屏，使系统结构简单，可靠性提高。永磁发电机本身效率高，同样的水资源可以多发电。永磁发电机能量密度大，在相同功率、相同转速下，发电机体积小、重量轻，工程造价底。永磁发电机转子为永久磁钢，转子不发热因此发电机可以制成很高的防护等级，特别适合水电站潮湿的环境，提高发电机的使用寿命，这是励磁发电机无法实现的。永磁发电机可以较容易的制成多级结构，可以在较低的转速下发出较高频率的电能，使电能更好的适应逆变器逆变入网。永磁发电机特别适合变速工作状态，可以在超底速和超高速下运行，在不同流速的河流都可以正常运行发电。这是现电励磁发电机所难以实现的。
三是省去了齿轮变速器，也就省去了齿轮变速器带来的机械损耗和维护费用，使系统更安静、效率更高、运行率更高。
四是系统中的逆变器具有自动并网做作用，逆变器可以根据电网的电压变化自动调整输出电压的高低，将系统发出的电能及时并入电网输电。逆变器可以根据电网电压的变化自动调整输出电压和功率因数，使水车发电系统和电网有机结合。逆变器具有全方位的电源保护方案和完善的自我检测和保护功能，在本身系统故障或电网故障时将自动与电网断开，保证系统安全。逆变器可以方便实现上位机监控，实现远程数据采集和监视，实现水电站无人值守和数字化运行管理。
附图说明：
图1为本发明的发电用漂浮式水车整体设计图。
图2为本发明的自漂浮自平衡式水车车轮主体设计图。
图3为本发明的永磁轮毂发电机安装位置设计图。
图4为本发明在宽阔河流组阵发电示意图。
具体实施方式：
“发电用漂浮式水车”采用自漂浮自平衡式水车车轮主体和自漂浮式水车支架用空中拉索(水车支架前方两侧侧拉或水车支架与旋转轴处悬吊)至两岸固定的设计方法。如图1所示：(1-1)自漂浮自平衡式水车车轮主体；(1-2)自漂浮式水车支架；(1-3)空中拉索。
自漂浮自平衡式水车车轮主体设计方法：宽体封闭式漂浮圆筒上安装叶片，两侧加装空芯旋转轴的设计方法。此设计方法实现水车自漂浮自平衡功能。不需要加装其它漂浮罐漂浮和平衡水车车轮。如图2所示：(2-1)宽体封闭式漂浮圆筒；(2-2)叶片；(2-3)空芯旋转轴。
水车支架内侧安装轴承座与水车车轮主体的空芯旋转轴连接。
自漂浮自平衡式水车车轮主体的宽体封闭式漂浮圆筒内部安装轮毂永磁发电机，(可多台串联使用)如图3所示：轮毂发电机的外轮毂为转子(永磁体)与宽体封闭式漂浮圆筒连接固定，水流推动漂浮式水车旋转，轮毂发电机轮毂转子也一起旋转。轮毂发电机定子轴(定子为绕组线圈)穿过两侧空芯旋转轴与水车支架两外侧面固定，发电机会产生反电动力矩带动发电机定子旋转，发电机定子轴通过自漂浮式水车支架外侧固定不旋转而使发电机发出电能。

Claims (3)

1.“发电用漂浮式水车”其特征在于：采用宽体自漂浮自平衡式水车车轮主体，宽体封闭式漂浮圆筒上安装叶片，两侧加装空芯旋转轴。此设计方法实现水车自漂浮自平衡功能。
2.“发电用漂浮式水车”其特征在于：宽体自漂浮自平衡式水车车轮主体和自漂浮式水车支架用空中拉索(水车支架前方两侧侧拉或水车支架与旋转轴连接处悬吊)至两岸固定。
3.“发电用漂浮式水车”其特征在于：在自漂浮自平衡式水车车轮主体的宽体封闭式漂浮圆筒内部安装轮毂永磁发电机。
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