CN108757278A - 一种全环境水利发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利发电设备，公开了一种全环境水利发电设备，包括设置在河道一侧的水塔和设置在水塔下部与水塔连通并通过水塔中的水下落冲击进行发电的水轮发电机；所述水塔的进水端通过管道将河道上游河水引入水塔内，所述水轮发电机的出水端通过管道将发电后的水送到河道的下游排放。本发明通过设有的水塔结构利用同一河道水位高差引上游河水进入水塔存储再通过水流自身重力冲击水轮发电机进行发电，即没有破坏原有的自然生态，而且引用河水利用高差进行发电，其效率较高，而且使用成本较低，环境影响较小。

Description

一种全环境水利发电设备

技术领域

本发明属于水利发电设备技术领域，具体涉及一种全环境水利发电设备。

背景技术

水力发电是发电的一种方式，利用的水能主要是蕴藏于水体中的位能。它是由建筑物来集中天然水流的落差，形成水头，并以水库汇集、调节天然水流的流量；基本设备是水轮发电机组。当水流通过水轮机时，水轮机受水流推动而转动，水轮机带动发电机发电，机械能转换为电能，再经过变电和输配电设备将电力送到用户。水能为自然界的再生性能源，随着水文循环，重复再生。水力发电在运行中不消耗燃料，运行管理费和发电成本远比燃煤电站低。水力发电在水能转化为电能的过程中不发生化学变化，不排泄有害物质，对环境影响小，因此水力发电所获得的是一种清洁的能源。水力发电是再生能源，对环境冲击较小，发电效率高达90％以上，发电成本低，发电起动快，数分钟内可以完成发电，调节容易，单位输出电力之成本最低。除可提供廉价电力外，还有下列之优点：控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运，有关工程同时改善该地区的交通、电力供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖。

现在许多水利发电设备均是设置在落差较大的瀑布或者水流量较大的河道中，通过设置横向阻挡水流的坝体结构并降低流速使上游河道水位上升从而形成高度差给水轮发电机提供动力。但现有的大型发电设备将水道拦截进行蓄水发电，不仅选址困难，不易被审批通过，而且会对生态环境造成破坏，影响水体流域的生态平衡。而且水利发电设备采用拦截河道的方式进行发电成本较高，且维护和后期使用成本也较高。

发明内容

针对上述现有技术中出现建造成本较高且会对水体及周围环境造成较大影响，故本发明目提供一种通过利用水塔结构有效的储存水量从而避免将河道阻拦影响生态环境又能达到稳定发电的全环境水利发电设备。

本发明所采用的技术方案为：一种全环境水利发电设备，包括设置在河道一侧的水塔和设置在水塔下部与水塔连通并通过水塔中的水下落冲击进行发电的水轮发电机；所述水塔的进水端通过管道将河道上游河水引入水塔内，所述水轮发电机的出水端通过管道将发电后的水送到河道的下游排放。

本发明主要包括两个结构，水塔和设置在水塔底部的水轮发电机。其中的水塔主要是一种用于储水和配水的高耸结构，用来保持和调节给水管网中的水量和水压。水塔采用混凝土结构，制造成本较低，且结构强度和稳定性较高。相较于现有技术，本装置不需在河道上设有任何类似大坝结构的阻挡水流的装置，而只通过管道将上游的水吸入水塔内存储，并在水塔底部设有水轮机来进行发电，最后将水排入下游的河道内。值得说明的是，权利要求书中所提及的河道上游和下游概念只是相对的位置指代术语，也就是两个存在高度差的点位，高度较高的为上游，高度较低则为下游，并没有限制其必须设置在该河道地理上游或下游区域。

而且，本装置只是对其结构和连接关系进行限定，而具体尺寸并未限定，因本装置可根据实际使用的河道水量和落差进行调节，包括但不限于以下具体参数：水塔高度、水塔容积、进水出水管道截面面积和水轮发电机额定发电功率。也就是说，本装置可适用于大型河道或者江流蓄水发电，用来代替大型的大坝发电设备；同时又能够设置在小型瀑布河道内，均能够达到较为稳定的发电效果。只要存在高度差，均可采用本装置进行发电。而且相较于大坝发电设备，只需在其高处设有管道引流即可，不需要拦截升高河道，只需利用水体自然高差产生的巨大重力势能转化发电即可，对环境和生态影响较小，且稳定性较高；通过设有的水塔结构能够提供蓄水效果，同时通过水塔高度产生的落差进行冲击发电，具有加好的抗冲击性，同时发电效果较为稳定，具有大坝蓄水稳定发电的优点。

所述水塔包括罐体和用来固定罐体的固定架，罐体上端为进水端；罐体下端为出水端，通过设有的出水管与水轮发电机的进水端连通。其中，罐体是采用混凝土浇灌形成半开放一体式结构，且为立式放置，其顶部为敞口设计，并在其底部和侧壁上设有加厚层来提高结构强度。而所述的固定架为分体式结构，因为需要在具有较大高度差的区域设置水塔，而该地区地形复杂，并不具备固定在地势平坦的地面的条件，故需要通过前期设计根据地形设计不同尺寸的固定架结构，有利于施工和安装。

进一步的，所述水塔出水端所在水平高度与水轮发电机进水端管道端部所在水平高度差在10-25m之间。这里对整个装置的进水端和出水端的高度差进行限定，在高度差低于10m时，水塔高度较低，无法起到较好的发电效果；而一旦高于25m之后，水塔的建造成本较高，且施工建设难度较大，也不利于后期的维护。

进一步的，所述河道上游管道口高于水塔进水端0.5m形成虹吸效果。因为设置在河道上游管道口只要低于水塔进水端0.5m以上，即可使水流顺利进入水塔内。但是为了提高效率，可根据具体的使用场景和流速进行调整。所述的虹吸效果即为一种液位高度差产生的水体自流现象，具体是利用液面高度差的作用力现象，实质是因为液体压强和大气压强而产生。因为h1<h2,，所以根据帕斯卡定律p＝ρgh，一侧液体压强小于另一侧液体压强，另外，还分别有大气压的作用，大气压表现为上低下高，但一般可以忽略两者间的大气压强差值。所以，p1-ρgh1>p2-ρgh2，那么在A左端的压强就大于A右端的的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，水朝一个方向移动。同时，因为直接从河道中引水进入水塔，故进水端具有一定的水流速度。设置在河道上游的管道口正好朝向水流过来的方向，从而进一步提高进水效率。一般在实际设置时，河道上游管道口高度与水塔进水端的差值最大为1m，从而避免因差值较高导致水塔高度降低，影响水轮发电机的发电效率。

进一步的，所述水塔在河道上游管道口高度与水轮发电机在河道下游管道口高度差在10-25m之间。这里的高度与水塔高度范围重合，也就是说，为了保证水塔具有较好的蓄水发电效果，故尽可能接近于河道上下游的高度差。但一般所述水塔进水端低于水塔顶面，而水轮发电机进水端大于等于水塔底部高度，故水塔进水端与出水端高度差范围小于10-25m。

进一步的，所述罐体设有至少两个出水端，其中一个出水端与河道下游连通，其中至少一个连接有灌溉管道并通过灌溉管道进行灌溉。原本水塔结构常常用作蓄水装置，并给周围小区或者村落提供灌溉用水。而本装置中只是利用水塔中蓄水的重力势能发电，并未对河水造成污染，只需通过将管道和水轮发电机内部进行定时清理和检修，并在灌溉管道进口处设有水质监测装置即可。从罐体中出来的水还可作为灌溉用水，从而提高水资源的利用率，同时提高农作物产量，增产增收。

进一步的，所述水塔内顶面高度高于河道上游管道口。因为水塔为开放式设置，其顶面设有开口，故通过将水塔顶部设置高于河道上游管道口高度，从而能够达到自动调节水位高度的效果。因为本装置进水端采用虹吸原理，也就是通过液位高差进行自主吸水。所述水塔高度高于河道上游管道口，一旦水塔内液面上升逼近河道上游管道口水平高度时，虹吸现象自动消失，也就是河水不会进入水塔内。而水塔底部持续放水，从而使得水塔内液位下降，从而防止河水外溢达到自主调节水位高度的效果。

进一步的，水塔在河道上游管道口处设有用来过滤的过滤装置。为了避免河道中的泥沙或者异物进入水塔中堵塞管道，故通过在河道上游管道口端部设有过滤装置能够起到阻挡异物的效果。所述过滤装置包含但不限于不锈钢过滤网、多层过滤阻挡板或者格栅。

进一步的，所述水塔底部设有至少两个出水端，出水端单独连接有一个水轮发电机。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过设有的水塔结构利用同一河道水位高差引上游河水进入水塔存储再通过水流自身重力冲击水轮发电机进行发电，即没有破坏原有的自然生态，而且引用河水利用高差进行发电，其效率较高，而且使用成本较低；

(2)本发明通过罐体结构能够续存一定量的河水，从而能够提高发电稳定性，并具有较高的抗冲击性能；

(3)本发明技术只需取用河道中少部分水量即可进行发电，同时避免了采用长距离管道输送导致水能减少的问题发生，同时不用修建大坝结构，降低建造成本和后期维护成本；

(4)本发明因为采用水塔结构，选址较大坝结构更加灵活，同时水塔内存储的水能够作为灌溉用水供周边居民灌溉使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的流程图。

图中：1-罐体，2-水轮发电机，3-固定架。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

本实施例提供一种全环境水利发电设备，如图1和图2所示，主要包括两个结构，水塔和设置在水塔底部的水轮发电机2。所述水塔和水轮发电机2设置在具有至少10m高度差的河道一侧，水塔的进水端通过管道与河道上游连接，水塔出水端与水轮发电机2的进水端连通，而水轮发电机2出水端通过管道与河道下游连接，将发电后的水排到河道下游中。河道上游和下游概念只是相对的位置指代术语，也就是两个存在高度差的点位，高度较高的为上游，高度较低则为下游，并没有限制其必须设置在该河道地理上游或下游区域。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化限定，河道上游管道口进水端一侧的河水通过虹吸效应进入水塔中进行存储。通过水位高度差的设置能够形成虹吸效果，从而通过压力差来收集河水。为了保证具有较好的进水效果和进水量，通过设置多根进水管，能够在保证进水量的情况下还能够具有加好的虹吸效果。而河道上游管道口可根据实际需求设置在较远的河道上游，然后延长进水管的长度。但为了保证水塔内的水保持一定的水位，故会在水塔出水端和进水端都设有电控阀，而水轮发电机2一侧设有蓄电池和控制站，控制站内设有控制器能够自动控制电控阀的开闭状态。虽然在水轮机上设有调速器，但所述电控阀主要用来稳定水塔出水流量的设备。在水塔内设有液位传感器，能够将水塔内的水位信息发送到控制站内，一旦水位低于预设的警戒值时，控制站会控制电控阀来控制流量，避免流速过快导致进水流量小于出水流量。而水位高于一定预设的警戒值时，可通过进水端的电控阀来减小流量。因为一般设计时，进水器设置在河道底部，避免因河道水位变化影响进水流速。故除开季节变化导致河道水位下降较多的情况以外，进水端的流量基本保持不变，通过将出水端与进水端的流量调整为相同值，就能够保证具有较为稳定的发电过程。而所述的水塔结构能够具有一定的水存储功能，从而提高抗冲击性。值得说明的是，上述的电控阀和控制站均有设置的蓄电池供电，而蓄电池通过水轮发电机22提供电能。在蓄电池内还设有稳压电路，保证输入电压恒定，避免蓄电池因电压波动受损。

实施例3：

本实施例是在实施例2的基础上进行优化限定，所述水塔包括罐体1和用来固定罐体1的固定架3，罐体1上端为进水端；罐体1下端为出水端，通过设有的出水管与水轮发电机2的进水端连通。其中，罐体1是采用混凝土浇灌形成半开放一体式结构，且为立式放置，其顶部为敞口设计，并在其底部和侧壁上设有加厚层来提高结构强度。

进一步的，所述水塔出水端所在水平高度与水轮发电机2进水端管道端部所在水平高度差在10-25m之间。在高度差低于10m时，水塔高度较低，无法起到较好的发电效果；而一旦高于25m之后，水塔的建造成本较高，且施工建设难度较大，也不利于后期的维护。所述河道上游管道口高于水塔进水端0.5m形成虹吸效果。因为设置在河道上游管道口只要低于水塔进水端0.5m以上，即可使水流顺利进入水塔内。但是为了提高效率，可根据具体的使用场景和流速进行调整。

设置在河道上游的管道口正好朝向水流过来的方向，从而进一步提高进水效率。河道上游管道口高度与水塔进水端的差值最大为1m，从而避免因差值较高导致水塔高度降低，影响水轮发电机2的发电效率。所述水塔在河道上游管道口高度与水轮发电机2在河道下游管道口高度差在10-25m之间。所述水塔进水端低于水塔顶面，而水轮发电机2进水端大于等于水塔底部高度，故水塔进水端与出水端高度差范围小于10-25m。

实施例4：

本实施例是在实施例3的基础上进行优化限定，所述罐体1设有两个出水端，其中一个出水端与河道下游连通，其中至少一个连接有灌溉管道并通过灌溉管道进行灌溉。其中灌溉管道根据实际需求在分别分路，从而满足多样灌溉需求。原本水塔结构常常用作蓄水装置，并给周围小区或者村落提供灌溉用水供给。而本装置中只是利用水塔中蓄水的重力势能发电，并未对河水造成污染，只需通过将管道和水轮发电机2内部进行定时清理和检修，并在灌溉管道进口处设有水质监测装置即可。从罐体1内出来的水具有一定的流速，无需辅助任何动力装置，即可输送到田坎中作为灌溉用水，从而提高水资源的利用率，同时提高农作物产量，增产增收。

水塔内顶面高度高于河道上游管道口。因为水塔为开放式设置，其顶面设有开口，故通过将水塔顶部设置高于河道上游管道口高度，从而能够达到自动调节水位高度的效果。水塔在河道上游管道口处设有用来过滤的过滤装置。为了避免河道中的泥沙或者异物进入水塔中堵塞管道，故通过在河道上游管道口端部设有过滤装置能够起到阻挡异物的效果。所述过滤装置为格栅。所述水塔底部设有两个出水端，每个出水端单独连接有一个水轮发电机2。

其中，在罐体11内设有液位传感器，并预设四个警戒水位，包括一个高水位、一个中水位和两个低水位，分别是液面高度占整个罐体11内部高度的70％、50％、20％、8％。首先当液位处于70％以上时，控制站控制进水端流量下降到出水端流量的二分之一，当液位第一次下降到50％时，则控制进水端流量增加到0.1m³/s。而一旦水位下降到20％以下时，则限制出水端流量到最低值，而进水端增加到最大流量；如果水位回升到50％则同时控制出水端和进水端流量相同处在正常流速范围内；如果水位继续下降至8％时，则关闭出水端和水轮发电机22，并继续完全打开进水端。如果水位在24h内也没有涨到50％时，则同时关闭进水端，并通过设置在控制站的无线通信设备将预先设置好的提示信息发送到预设的终端设备上进行提示。

实施例5：

将上述实施例4的装置结构设计运用在实际项目中，该项目是处在某一大型河流上的水塔式发电项目，其中该段河道宽度在30-40m之间，且该段落差在24m左右的瀑布，河水高处取水口的断面平均流量在112m³/s。而水塔高度为20m，容积为50t；所需水轮机发电功率通过P＝γQH计算公式进行计算，其中γ为水的重度，取9810N/m³，而Q为水流量，H为单位重量水体的能量，即为水头；通过计算设计采用两台100kw的混流卧式水轮发电机2，从水塔向下流动流量为1-1.5m³/s。整个项目从设计到施工建设完成进行运行测试总共耗费1年，且发电过后的水全部用于附近村落灌溉使用。产生的经济效益为每年1000万。同时经过两年的使用观察，未发现对于上下200km的河道范围内的水质和生态造成任何影响。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (9)

1.一种全环境水利发电设备，其特征在于：包括设置在河道一侧的水塔和设置在水塔下部与水塔连通并通过水塔中的水下落冲击进行发电的水轮发电机(2)；所述水塔的进水端通过管道将河道上游河水引入水塔内，所述水轮发电机(2)的出水端通过管道将发电后的水送到河道的下游排放。

2.根据权利要求1所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：所述水塔包括罐体(1)和用来固定罐体(1)的固定架(3)，罐体(1)上端为进水端；罐体(1)下端为出水端，通过设有的出水管与水轮发电机(2)的进水端连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：所述水塔出水端所在水平高度与水轮发电机(2)进水端管道端部所在水平高度差在10-25m之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：所述河道上游管道口高于水塔进水端0.5m形成虹吸效果。

5.根据权利要求1或2所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：所述水塔在河道上游管道口高度与水轮发电机(2)在河道下游管道口高度差在10-25m之间。

6.根据权利要求2所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：所述罐体(1)设有至少两个出水端，其中一个出水端与河道下游连通，其中至少一个连接有灌溉管道并通过灌溉管道进行灌溉。

7.根据权利要求1或2所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：所述水塔内顶面高度高于河道上游管道口。

8.根据权利要求1或2所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：水塔在河道上游管道口处设有用来过滤的过滤装置。

9.根据权利要求1或2所述的一种全环境水利发电设备，其特征在于：所述水塔底部设有至少两个出水端，出水端单独连接有一个水轮发电机(2)。