CN112301974A - 一种恒压式水力发电柜站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恒压式水力发电柜站，涉及水电技术领域，包括水塔，水塔下段为倒锥形，水塔底部连接有水轮机组，水轮机组连接有发电机组，水轮机组顶部连接有导管，水塔、水轮机组和导管互相连通，水塔的容积大于导管的容积，且导管的内径等于水塔底部出口的内径，导管内设置有提升机，导管伸入水塔内，导管上段开设有出水口，出水口位置高于水塔内的水位线高度,本发明的水轮机组的叶轮使用寿命长、水源可循环使用，而且本发明具有不受各种因素的限制、适用范围广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水电技术领域，具体涉及一种恒压式水力发电柜站。
背景技术
目前国内外水力发电站普遍使用冲击式水轮发动机，冲击式同比其他水轮模式优势明显结构简单，水力利用率高，建造成本及维护成本低等优点，但是冲击式水轮发动机对叶轮具有冲击载荷，对叶轮材料、加工提出了一定要求及难度。目前大、中、小型水电站规化建设一般多用途，集发电、饮用、灌溉、防洪一体，在不影响河流生态等条件，我国南北水之源不平衡，南多雨北干旱少水，地域缺点明显，符合满足以上条件的河流少，选址前先考察筛选河流，统计一年甚至几年年流量，枯水期，丰水期流量及天数，流量是否满足水力发电要求，地质条件适合建造大坝等等。地质条件限制明显，虽说水源丰富，但地质疏松，地质灾害频发，地域、地质缺点克服解决后再设计确定发电功率，根据设计库容在满足库容，地理适合建造大坝地点来建造大坝，修建造引流函道人为制造高度落差，安装水轮发电机组，利用水流落差产生冲击力带动水轮发电机组转化为电能,水力只能一次性利用，不能循环利用，库容补充只能靠季节性天气雨水补充库容来维持水力发电机运转，季节、天气环境等限制了水力发电效率，并网发电后通过配套设施高压或者特高压升压站升压，经高压输送线路给用电地区变压器降压，如果输送给用电地区距离过远，输送线路中间还要建设补偿升压站，补偿输送线路中产生的损耗，使用电地区电压器输入端电压达到设计额定电压，用电地区变压器通过降压把电压降压到设计额定电压输送给终端用户变压器，降压到交流380V和交流220V用户用电设施所需要交流电压，因此现有水电站受到地域地质、季节天气、建造成本、建造周期和水力循环等因素的限制而影响年发电量，适用范围较小。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种发电柜站，该发电机柜站可以不用受到地域地质、季节天气、建造成本、建造周期和水力循环等因素的限制而影响年发电量，并且可根据用途设计成大、中、小型，大大提高了适用范围。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种恒压式水力发电柜站，包括水塔，水塔下段为倒锥形，水塔底部连接有水轮机组，水轮机组连接有发电机组，水轮机组顶部连接有导管，水塔、水轮机组和导管互相连通，水塔的容积大于导管的容积，且导管的内径等于水塔底部出口的内径，导管内设置有提升机，导管伸入水塔内，导管上段开设有出水口，出水口位置高于水塔内的水位线高度。
优选地，导管上设置有阀门，阀门位于提升机下方，且阀门位于导管伸出水塔的部位。
优选地，还包括柜站厢体，水塔、水轮机组、导管和发电机组均设置在柜站厢体内。
优选地，提升机包括转动轴，转动轴上设置有螺旋组件，转动轴活动穿过导管顶部并连接有驱动装置，驱动装置位于柜站厢体顶部。
优选地，驱动装置包括设置在柜站厢体内顶部的伺服电机，伺服电机连接有减速机，减速机连接有位于柜站厢体上方的主动轮，转动轴顶部连接有从动轮，从动轮与主动轮之间绕设有传动带。
优选地，柜站厢体顶部设置有检修罩，主动轮、从动轮与传动带均位于检修罩内。
优选地，水轮机组包括与水塔及导管连接的机壳，机壳内活动设置有叶轮，发电机组包括低速发电机，低速发电机连接有变速机，变速机转轴和叶轮转轴之间绕设连接有皮带。
优选地，低速发电机电性连接有稳压器，稳压器电性连接有配电柜，配电柜用于将电分配输送给用电终端。
优选地，低速发电机电性连接有电池充电器，电池充电器电性连接有蓄电池组，蓄电池组电性连接有逆变器，逆变器与伺服电机电性连接，低速发电机与伺服电机电性连接。
优选地，水塔内设置有补水球阀，补水球阀与水塔内的水面接触。
本发明的有益效果体现在：
本发明在使用时，打开阀门和提升机，水流从水塔流向导管，然后从导管流入到水塔中，中间串连水轮机组，利用水流带动水轮机组运转，水流速度恒定可控，水轮机组内的叶轮承受压力稳定，这样对水轮机组内的叶轮材料、加工均降低了要求及难度，提高了使用寿命。运转时水塔内的水依次流经水轮机组、导管后又通过出水口进入水塔内，从而形成水循环，带动水轮机组不断转动，再带动发电机组的转轴转动进行发电。本发明发电过程中用到的水可循环使用，从而可以不用受到地域地质、季节天气、建造成本、建造周期和水力循环等因素的限制而影响年发电量，并且可根据用途设计成大、中、小型，大大提高了适用范围。考虑到循环水长时间使用后会有蒸发的因素，因此通过设置补水球阀，当水塔内的水位线低于预设位置时，补水球阀可自动打开将外界水源引到水塔内，从而保证水塔内的水量。
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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明提供的一种恒压式水力发电柜站的结构示意图；
图2为本发明另一种实施方式的结构示意图。
附图标记：
1-发电机组，1.1-低速发电机，1.2-变速机，2-柜站厢体，3-补水球阀，4-检修罩，5-提升机，5.1-转动轴，5.2-螺旋组件，6-驱动装置，6.1-伺服电机，6.2-减速机，6.3-主动轮，6.4-从动轮，6.5-传动带，7-水塔，8-阀门，9-水轮机组，9.1-机壳，9.2-叶轮，10-导管，10.1-出水口，11-逆变器，12-蓄电池组，13-电池充电器，14-稳压器，15-配电柜，16-手摇柄。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种恒压式水力发电柜站，包括水塔7，水塔7下段为倒锥形，水塔7底部连接有水轮机组9，水轮机组9连接有发电机组1，水轮机组9顶部连接有导管10，水塔7、水轮机组9和导管10互相连通，水塔7的容积大于导管10的容积，且导管10的内径等于水塔7底部出口的内径，导管10内设置有提升机5，导管10伸入水塔7内，导管10上段开设有出水口10.1，出水口10.1位置高于水塔7内的水位线高度。
需要说明的是，在高度相同的情况下，这里导管10内径越小越好，水塔7容积也越大越好，这样形成的压强差持续时间更久，经测算，一般水塔7容积大于导管10容积的4.5倍，即可达到较好的运行效果。
运转时，先通过提升机5带动导管10内的水流向上流动，水塔7内的水依次流经水轮机组9、导管10后又通过出水口10.1进入水塔7内，由于出水口10.1位置高于水塔7内的水位线高度，水塔7内的水不会从出水口10.1流进导管10内，从而形成水循环，水循环时带动水轮机组9运转，再带动发电机组1运转进行发电。提升机5带动水流从水塔7流向导管10，并在中间串连水轮机组9，利用水流带动水轮机组9运转，相比现有冲击式压力起伏大，本发明水流速度恒定可控，水轮机组9承受压力恒定在一定范围内，形成了恒压式水力发电机柜站，对水轮机组9内的叶轮材料、加工均降低了要求及难度，提高了使用寿命。水循环过程中由于受到各种阻力消耗，循环效果逐渐较低，本发明发电过程中用到的水可循环使用，从而可以不用受到地域地质、季节天气、建造成本、建造周期和水力循环等因素的限制而影响年发电量，并且可根据用途设计成大、中、小型，大大提高了适用范围。
需要说明的是，这里发电机组1可设置两组，分别与水轮机组9两输出端连接，提高发电效率。
具体地，导管10上设置有阀门8，阀门8位于提升机5下方，且阀门8位于导管10伸出水塔7的部位。需要使用时，打开阀门8，使水塔7、水轮机组9和导管10连通，启动提升机，压强差即可形成，关闭阀门8和阀门即可使压强差消失，操作方便快捷，可即开即停。
具体地，还包括柜站厢体2，水塔7、水轮机组9、导管10和发电机组1均设置在柜站厢体2内，从而形成一站式设计，对于小型柜站的设计，可在柜站厢体2底部设置万向脚轮(图中未画出)，便于进行移动。
具体地，提升机5包括转动轴5.1，转动轴5.1上设置有螺旋组件5.2，转动轴5.1活动穿过导管10顶部并连接有驱动装置6，驱动装置6位于柜站厢体2顶部，这里导管10顶部设置有与转动轴5.1配合的滚珠轴承。
这里提升机5可人力驱动，也可电力驱动。提升机5通过电力驱动时，驱动装置6包括设置在柜站厢体2内顶部的伺服电机6.1，伺服电机6.1连接有减速机6.2，减速机6.2连接有位于柜站厢体2上方的主动轮6.3，转动轴5.1顶部连接有从动轮6.4，从动轮6.4与主动轮6.3之间绕设有传动带6.5。伺服电机6.1启动时即可带动主动轮6.3转动，主动轮6.3通过传动带6.5带动从动轮6.4转动，从而带动转动轴5.1转动，使整个提升机5运转，促进水流的流动。这里伺服电机6.1可利用国家电网的错峰发电，利用高峰期过剩的电能带动提升机5工作，发出的电通过蓄电池存储，低峰期时，可以将蓄电池内的电供提升机5运动，发出的电用户可以自用，也可以并网国家电网。
提升机5通过人力驱动时，主动轮6.3顶部连接有手摇柄16，转动手摇柄16即可带动提升机5运行，适用于停电等特殊场景下使用，实用性高。需要说明的是，这里可仅设置手摇柄16，去掉伺服电机6.1，通过纯人力操作无需耗费电力也可进行发电，也可保留伺服电机6.1，电力驱动为主，人力驱动为辅的方式，人力驱动时，伺服电机6.1输出轴是未锁死的，因为可随着手摇柄16一起转动。
在一些其他实施例中，采用人力驱动的结构也可通过设置齿轮组(图中未画出)，齿轮组的主动齿轮连接手摇柄16，通过转动手摇柄16，利用齿轮组的传动带动提升机5转动。
具体地，柜站厢体2顶部设置有检修罩4，主动轮6.3、从动轮6.4与传动带6.5均位于检修罩4内，起到保护作用，这里检修罩4可铰接在柜站厢体2顶部，也可通过若干螺钉连接在柜站厢体2顶部。
具体地，水轮机组9包括与水塔7及导管10连接的机壳9.1，机壳9.1内活动设置有叶轮9.2，发电机组1包括低速发电机1.1，低速发电机1.1连接有变速机1.2，变速机1.2转轴和叶轮9.2转轴之间绕设连接有皮带。叶轮9.2转动时通过皮带带动变速机1.2的转轴转动，变速机1.2再带动低速发电机1.1的转轴转动，从而进行发电。
具体地，低速发电机1.1电性连接有稳压器14，稳压器14电性连接有配电柜15，配电柜15用于将电分配输送给用电终端。低速发电机1.1发出的电能可依次通过稳压器14、配电柜15输送给用电终端，从而直接进行用电。
具体地，低速发电机1.1电性连接有电池充电器13，电池充电器13电性连接有蓄电池组12，蓄电池组12电性连接有逆变器11，逆变器11与伺服电机6.1电性连接，低速发电机1.1与伺服电机6.1电性连接。开始运转时先通过蓄电池组12及逆变器11向伺服电机6.1供电，伺服电机6.1运转后，水流加速流动，待低速发电机1.1输出电流稳定后，伺服电机6.1电源由蓄电池组12、逆变器11供电自动切换成低速发电机1.1所发的电源，从而降低蓄电池组12的耗电。
需要说明的是，低速发电机1.1与池充电器13之间、电池充电器13与蓄电池组12之间、蓄电池组12与逆变器11之间、逆变器11与伺服电机6.1之间均通过导线电连接。
需要说明的是，上述稳压器14、配电柜15、电池充电器13、蓄电池组12和逆变器11均设置在柜站厢体2内，满足一站式设计。
具体地，水塔7内设置有补水球阀3，补水球阀3与水塔7内的水面接触，补水球阀3与外界水源连接。考虑到循环水长时间使用后会有蒸发的因素，因此通过设置补水球阀3，当水塔7内的水位线低于预设位置时，补水球阀3可自动打开将外界水源引到水塔7内，从而保证水塔7内的水量。
需要说明的是，补水球阀3自动引水的原理为现有技术，其内部设有液位感应器(图中未画出)，液位感应器和外界水源的控制阀或水泵电性连接，其具体结构和工作原理这里就不再赘述。
本发明在进行中小型柜站设计时，可参照以下设计方案：拟定两个A、B容器，在A、B容器高度不变情况下，首先设定低速发电机1.1功率、转速，确定输出扭矩，实际扭矩＝额定扭矩+机械提升扭矩(阻力值转换扭矩值)+导管10扭矩(阻力值转换扭矩值)+转动速比损失扭矩+30％预留扭矩，计算设定导管10压强值、直径(导管10压强＝导管10直径+受压面积)，导管10压强值、直径设定后，再计算设定A容器容积尺寸通过收缩比级数到导管10输出端压强，基本参数计算设定好后，取消B容器，加长连接导管10长度，用加长导管10取代B容器，加长导管10向上延伸,加装阀门8与A容器(即水塔7)连接，循环管路完成，在A容器输出端与导管10之间串连水轮机组9，水轮机组9直径参数轴输出扭矩＝导管10直径*受压面*中心距离悬臂系数，在A容器水位线向下60公分处串连机械提升机5构(即提升机5)，机械提升机5构设置在导管10内。
本发明结构简单，可进行工厂规模批量化生产，制造难度小，可设计成小型、中型、大型、超大型、特大型等规模，可现场安装，制造成本低，且本发明不受地域、天气、环境等因素影响，本发明设计成小、中型柜站发电功率可达1kw～500kw，大型、超大型、特大型柜站发电功率可500kw以上,工厂规模化后成本下降，普通家庭就买的起，农村家庭一次性投入，烧水、煮饭、炒菜均可用上清洁能源，经济实惠又减少污染排放，彻底摆脱柴火、煤炭、天然气等作饭模式，森林会得到很好恢复，有助于保护大自然环境。
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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，包括水塔，所述水塔下段为倒锥形，所述水塔底部连接有水轮机组，所述水轮机组连接有发电机组，所述水轮机组顶部连接有导管，所述水塔、水轮机组和导管互相连通，所述水塔的容积大于导管的容积，且导管的内径等于水塔底部出口的内径，所述导管内设置有提升机，所述导管伸入水塔内，所述导管上段开设有出水口，所述出水口位置高于水塔内的水位线高度。
2.根据权利要求1所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述导管上设置有阀门，所述阀门位于提升机下方，且所述阀门位于导管伸出水塔的部位。
3.根据权利要求1所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，还包括柜站厢体，所述水塔、水轮机组、导管和发电机组均设置在柜站厢体内。
4.根据权利要求3所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述提升机包括转动轴，所述转动轴上设置有螺旋组件，所述转动轴活动穿过导管顶部并连接有驱动装置，所述驱动装置位于柜站厢体顶部。
5.根据权利要求4所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述驱动装置包括设置在柜站厢体内顶部的伺服电机，所述伺服电机连接有减速机，所述减速机连接有位于柜站厢体上方的主动轮，所述转动轴顶部连接有从动轮，所述从动轮与主动轮之间绕设有传动带。
6.根据权利要求5所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述柜站厢体顶部设置有检修罩，所述主动轮、从动轮与传动带均位于检修罩内。
7.根据权利要求5所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述水轮机组包括与水塔及导管连接的机壳，所述机壳内活动设置有叶轮，所述发电机组包括低速发电机，所述低速发电机连接有变速机，所述变速机转轴和叶轮转轴之间绕设连接有皮带。
8.根据权利要求7所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述低速发电机电性连接有稳压器，所述稳压器电性连接有配电柜，所述配电柜用于将电分配输送给用电终端。
9.根据权利要求7所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述低速发电机电性连接有电池充电器，所述电池充电器电性连接有蓄电池组，所述蓄电池组电性连接有逆变器，所述逆变器与伺服电机电性连接，所述低速发电机与伺服电机电性连接。
10.根据权利要求1所述的一种恒压式水力发电柜站，其特征在于，所述水塔内设置有补水球阀，所述补水球阀与水塔内的水面接触。
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