CN112727661B - 一种水力发电装置及其发电方法 - Google Patents

一种水力发电装置及其发电方法 Download PDF

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Abstract

一种水力发电装置，包括浮台、叶轮和发电机；所述浮台的下方设有引流器，所述引流器包括内筒、设在内筒底部的底板和设在内筒顶部的顶板，所述内筒、底板和顶板围成容置腔体，所述叶片设在容置腔体内，所述内筒的一侧设有进水通道，进水通道的进水口大于进水通道的出水口，且进水通道的出水口与所述容置腔体连通，所述内筒的另一侧设有排水通道；所述浮沉机构包括设在浮台底部的浮筒组和水泵，所述浮筒组由若干横向排列和竖向排列的浮筒组成，所述浮筒相互连通，所述水泵通过管道与所述浮筒组连接。当需要调节发电效率时，通过水泵向浮筒内注水或排水来控制浮台的升降，浮台带动引流器升降来改变其通过进水通道的进水量；水力发电装置能根据不同水域的深浅，通过浮筒控制浮台的升降避免行驶和发电时引流器触底。

Description

一种水力发电装置及其发电方法
技术领域
本发明涉及发电领域，尤其是一种水力发电装置及其发电方法。
背景技术
由太阳照射地球引起的大气环流、大海洋流及江河水流携带较大的动能，属于无污染的能源。在石油、煤炭开采具有短期不能再生的情况下，利用自然界绿色能源是人类生活和科学技术发展的趋势，特别是大海洋流覆盖分布广、能量巨大，洋流能源利用则具有较高的价值；特别是由于电力具有传输远的特点，是利用自然界动能的较佳方式。现有的洋流发电装置或其他水力发电装置一般包括浮台和设在浮台下的叶轮，叶轮驱动浮台上的发电机，通过水流对叶轮的冲刷带动叶轮旋转，进而驱动发电机发电。然而该种发电装置的发电效率完全依赖所在水域的水流速度，其发电效率低，所以该种水力发电装置往往需要在水流速度较高的水域进行发电，从而限制了其使用范围。另外，该水力发电装置吃水深度基本固定，那么就限制了其所能达到的水域范围，进一步限制水力发电的使用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水力发电装置及其发电方法，能够提高发电效率，能够扩大不同水域的使用范围。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种水力发电装置，包括浮台、叶轮和发电机；还包括控制浮台升降的浮沉机构和用于定位浮台的定位机构；所述浮台的下方设有引流器，所述引流器包括内筒、设在内筒底部的底板和设在内筒顶部的顶板，所述内筒、底板和顶板围成容置腔体，所述叶片设在容置腔体内，所述内筒的一侧设有进水通道，进水通道的进水口大于进水通道的出水口，且进水通道的出水口与所述容置腔体连通，所述内筒的另一侧设有排水通道；所述浮沉机构包括设在浮台底部的浮筒组和水泵，所述浮筒组由若干横向排列和竖向排列的浮筒组成，所述浮筒相互连通，所述水泵通过管道与所述浮筒组连接。
作为改进，所述引流器还包括外筒，所述内筒设在外筒内，所述内筒与外筒之间于所述进水通道处设有两块倾斜设置的第一导板，所述第一导板、顶板和顶板围成所述进水通道，所述第一导板的一端与外筒连接，第一导板的另一端与内筒连接，进水通道的进水口开设在外筒上；所述内筒与外筒之间于所述排水通道处设有两块倾斜设置的第二导板，所述第二导板、顶板和顶板围成所述排水通道，所述第二导板的一端与外筒连接，第二导板的另一端与内筒连接，排水通道的进水口与容置腔体连通，排水通道的出水口开设在外筒上，排水通道的进水口小于排水通道的出水口。
作为改进，所述水力发电装置还包括用于控制引流器升降的第一升降机构，所述第一升降机构包括固定在所述浮台上的液压缸，所述液压缸的伸缩杆与所述引流器连接。
作为改进，所述水力发电装置还包括用于控制叶轮升降的第二升降机构。
作为改进，所述水力发电装置还包括用于驱动浮台在水上行驶的动力机构。
作为改进，所述定位机构包括伸缩杆和驱动伸缩杆上下运动的驱动电机，所述伸缩杆的下端设有钻头。
作为改进，所述叶轮为H型叶轮，其包括中心转笼和多片围绕中心转笼设置的自动变桨叶片，所述自动变桨叶片通过支臂与中心转笼连接，所述自动变桨叶片包括一个以上固定模块、一个以上活动模块和转轴，所述固定模块与活动模块层叠且间隔设置，所述转轴穿过所述固定模块和活动模块，所述固定模块与转轴固定连接，所述活动模块与转轴枢接，所述叶片上设有限制活动模块转动角度的限位机构。
作为改进，所述活动模块的叶尖一侧设有活动板，活动板的一侧与叶尖铰接，所述活动板与叶尖之间设有复位弹簧。
本发明水力发电装置的发电方法：
（1）引流器设在水中，水流通过进水通道后加速进入容置腔体并推动叶轮转动，叶轮通过转轴带动发电机发电；
（2）当需要调节发电效率时，通过水泵向浮筒内注水或排水来控制浮台的升降，浮台带动引流器和叶轮的升降来改变流过叶轮的水量或水速；
（3）水力发电装置能根据不同水域的深浅，通过浮筒控制浮台的升降避免行驶和发电时引流器触底。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
（1）叶片设在引流器中，减小外部不稳定的水流对叶轮的影响；外部水流通过引流器实现加速，提高发电机的发电效率；
（2）当需要调节发电效率时，通过水泵向浮筒内注水或排水来控制浮台的升降，浮台带动引流器和叶轮的升降来改变流过叶轮的水量或水速；
（3）通过浮沉机构控制发电装置整体升降，通过第一升降机构控制引流器的升降，通过第二升降机构控制叶轮的升降，进而控制水力发电装置的吃水深度，避免行驶和发电时引流器触底以及改变流过叶轮的水量或水速来调节发电效率；
（4）自动变桨叶片能够提高水力的利用率，提高发电效率。
附图说明
图1为水力发电装置结构示意图。
图2为水力发电装置引流器和叶轮升高状态的示意图。
图3为浮台俯视示意图。
图4为水力发电装置在水中未升高的状态示意图。
图5为力发电装置在水中升高的状态示意图。
图6为叶轮结构示意图。
图7为叶轮俯视图。
图8为叶片未变桨的状态示意图。
图9为叶片变桨的状态示意图。
图10为活动模块转动后的示意图。
图11为另一种活动模块结构示意图。
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、2所示，一种水力发电装置，包括浮台1、叶轮2、发电机3、引流器4、用于控制浮台1升降的浮沉机构、用于驱动浮台1在水上行驶的驱动机构、用于定位浮台1的定位机构、用于控制引流器4升降的第一升降机构、用于控制叶轮升降的第二升降机构。
如图1至3所示，所述引流器4设在浮台1的下方，所述引流器4包括外筒42、设在外筒42内的内筒41、设在内筒41底部的底板44和设在内筒41顶部的顶板43。所述内筒41、底板44和顶板43围成容置腔体，所述叶轮2设在容置腔体内，该叶轮2与引流器4的组合模仿水轮机的结构，引流器4可以保护叶轮2，而且为叶轮2提供相对封闭的空间转动，能够提高水力的利用率。所述内筒41的一侧设有进水通道45，进水通道45呈喇叭形，进水通道45的进水口大于进水通道45的出水口，且进水通道45的出水口与所述容置腔体连通；所述内筒41与外筒42之间于所述进水通道45处设有两块倾斜设置的第一导板46，所述第一导板46、底板44和顶板43围成所述进水通道45，所述第一导板46的一端与外筒42连接，第一导板46的另一端与内筒41连接，进水通道45的进水口开设在外筒42上。外部水流能够通过进水通道45进入容置腔体内并冲击叶轮2使其旋转，由于进水通道45的进水口呈喇叭形，水流经过进水通道45时会增加水流的速度，不但能提高发电效率，而且能在低流速的水域启动发电机3发电。所述内筒41的另一侧设有排水通道47，所述内筒41与外筒42之间于所述排水通道47处设有两块倾斜设置的第二导板48，所述第二导板48、底板44和顶板43围成所述排水通道47，所述第二导板48的一端与外筒42连接，第二导板48的另一端与内筒41连接，排水通道47的进水口与容置腔体连通，排水通道47的出水口开设在外筒42上，排水通道47的进水口小于排水通道47的出水口。
如图1所示，所用于控制引流器4升降的第一升降机构包括固定在所述浮台1上的第一液压缸5，所述第一液压缸5的伸缩杆51与所述引流器4连接。所述引流器4呈圆筒状，多个第一液压缸5呈圆周分布，可以对引流器4实现整体上下升降，改变引流器4的吃水深度。
如图1所示，控制浮台1升降的浮沉机构包括设在浮台1底部两侧的浮筒组8和设在浮台1上的水泵（未标示）。所述浮筒组8设在前进方向的两侧，所述浮筒组8形成竖向的浮筒阵列，其由若干横向排列和竖向排列的浮筒81组成，所述浮筒相互连通，置于需要设置多少层的浮筒，则需根据浮台1的升降高度设计而定。如图4、5所示，所述浮筒组8内的浮筒之间通过固定架连接在一起形成整体结构，水泵通过管道给浮筒注水或排水，当需要控制浮台1升降时，水泵向浮筒内注水或排水即可，浮台1的升降可以带动整个发电装置升降，原则上浮台1可以升高并离开水面，而且水中的引流器4和叶轮则可以减少吃水深度。
如图2所示，控制叶轮2升降的第二升降机构包括若干围绕发电机3设置的第二液压缸6。所述发电机3倒立设置，发电机3安装在基座31上，发电机3的输出轴通过法兰与叶轮2的中心转笼21连接，所述第二液压缸6与基座31连接，通过第二液压缸6带动基座31、发电机3、中心转笼21和叶轮2上下运动。
如图1所示，所述定位机构包括四根矩形分布的伸缩杆7和驱动伸缩杆7上下运动的驱动电机，所述伸缩杆7的下端设有钻头71；当浮台1需要定位时，驱动电机驱动伸缩杆7下降，当伸缩杆7的下端接触海床后，启动下端的钻头71，使伸缩杆7能够插入海床，从而将浮台1定位。
如图3所示，所述动力机构包括四个设在浮台1底部的螺旋桨和驱动螺旋桨的电机9，浮台1自身带有动力，电机通过自有发电或者是发电后通过蓄电池储电来驱动，可以使浮台方便地移动到需要的地点进行发电；另外浮台也可以通过拖船拖至不同水域进行发电。
如图6、7所示，本发明的叶轮2为H型叶轮，其包括中心转笼21和多片围绕中心转笼1设置的自动变桨叶片22，所述自动变桨叶片22通过支臂23与中心转笼21连接。所述中心转笼21为笼型结构，中心转笼的上端与发电机3连接，下端伸入引流器4内，自动变桨叶片22通过支臂23带动中心转笼21旋转，中心转笼21通过传动机构带动发电机3发电。如图8至10所示，本实施例在中心转笼21周围放置三片以上圆周均匀分布的自动变桨叶片22。所述自动变桨叶片22包括一个以上固定模块222、一个以上活动模块221和转轴223，所述固定模块222与活动模块221层叠且间隔设置，所述转轴223穿过所述固定模块222和活动模块221，所述固定模块222与转轴223固定连接，所述活动模块221与转轴223枢接。本实施例的自动变桨叶片22包括两个活动模块221和一个固定模块222，所述固定模块222上下两个活动模块221之间；上部的活动模块221上端与中心转笼21之间设有支臂23，下部的活动模块221下端与中心转笼21之间设有支臂23，中间的固定模块222与中心转笼21之间设有支臂23，活动模块221与支臂23的连接设有轴承，使活动模块221能够绕转轴223旋转。所述固定模块222与活动模块221的截面形状相同且为翼型结构，使其组成的叶片为翼型叶片。所述叶片上设有限制活动模块221转动角度的限位机构，所述限位机构可以是设在固定模块222上的两个限位块25，限位块25设在活动模块221末端的两侧，用于限制活动模块221的旋转角度；另外，限位块还可以安装在支臂23上。如图10所示，所述活动模块221的叶尖一侧设有活动板224，活动板224的一侧与叶尖铰接，所述活动板224与叶尖之间设有复位弹簧225；当水力超过预设值时，活动板224被打开，增加活动模块221的接触面积，促使活动模块221发生转动；当水力减弱后，活动板224在复位弹簧225的作用下复位并紧贴活动模块221。如图11所示，为了改变活动模块221表面结构，所述活动模块221还可以设计成包括主体部226和叶尖部227，主体部分的前端设有弧形凹槽，所述叶片部设有与弧形凹槽关节连接的球形体，球形体可以在弧形凹槽内转动，但无法脱离其约束。另外，本发明自动变桨叶片也可以应用于φ型风轮或水平轴风轮中。
本发明发电原理：
（1）叶片设在引流器4中，减小外部不稳定的水流对叶轮的影响；外部水流通过引流器4实现加速，提高发电机3的发电效率；
（2）当需要调节发电效率时，通过水泵向浮筒内注水或排水来控制浮台1的升降，浮台1带动引流器4和叶轮的升降来改变流过叶轮的水量或水速；
（3）通过浮沉机构控制发电装置整体升降，通过第一升降机构控制引流器4的升降，通过第二升降机构控制叶轮的升降，进而控制水力发电装置的吃水深度，避免行驶和发电时引流器4触底以及改变流过叶轮的水量或水速来调节发电效率;
（4）自动变桨叶片能够提高水力的利用率，提高发电效率。

Claims (5)

1.一种水力发电装置，包括浮台、叶轮和发电机；其特征在于：还包括控制浮台升降的浮沉机构和用于定位浮台的定位机构；所述浮台的下方设有引流器，所述引流器包括内筒、设在内筒底部的底板和设在内筒顶部的顶板，所述内筒、底板和顶板围成容置腔体，叶片设在容置腔体内，所述内筒的一侧设有进水通道，进水通道的进水口大于进水通道的出水口，且进水通道的出水口与所述容置腔体连通，所述内筒的另一侧设有排水通道；所述浮沉机构包括设在浮台底部的浮筒组和水泵，所述浮筒组由若干横向排列和竖向排列的浮筒组成，所述浮筒相互连通，所述水泵通过管道与所述浮筒组连接；所述水力发电装置还包括用于控制引流器升降的第一升降机构，所述第一升降机构包括固定在所述浮台上的液压缸，所述液压缸的伸缩杆与所述引流器连接；所述水力发电装置还包括用于控制叶轮升降的第二升降机构；
叶轮为H型叶轮，其包括中心转笼和多片围绕中心转笼设置的自动变桨叶片，所述自动变桨叶片通过支臂与中心转笼连接；所述中心转笼为笼型结构，中心转笼的上端与发电机连接，下端伸入引流器内，自动变桨叶片通过支臂带动中心转笼旋转，中心转笼通过传动机构带动发电机发电；所述自动变桨叶片包括一个以上固定模块、一个以上活动模块和转轴，所述固定模块与活动模块层叠且间隔设置，所述转轴穿过所述固定模块和活动模块，所述固定模块与转轴固定连接，所述活动模块与转轴枢接；所述叶片上设有限制活动模块转动角度的限位机构，所述限位机构为设在固定模块上的两个限位块，限位块设在活动模块末端的两侧，用于限制活动模块的旋转角度；所述活动模块的叶尖一侧设有活动板，活动板的一侧与叶尖铰接，所述活动板与叶尖之间设有复位弹簧；所述活动模块包括主体部和叶尖部，主体部分的前端设有弧形凹槽，所述叶片部设有与弧形凹槽关节连接的球形体；
所述内筒设在外筒内，所述内筒与外筒之间于所述进水通道处设有两块倾斜设置的第一导板，所述第一导板、顶板和底板围成所述进水通道，所述第一导板的一端与外筒连接，第一导板的另一端与内筒连接，进水通道的进水口开设在外筒上；所述内筒与外筒之间于所述排水通道处设有两块倾斜设置的第二导板，所述第二导板、顶板和底板围成所述排水通道，所述第二导板的一端与外筒连接，第二导板的另一端与内筒连接，排水通道的进水口与容置腔体连通，排水通道的出水口开设在外筒上，排水通道的进水口小于排水通道的出水口。
2.根据权利要求1所述的一种水力发电装置，其特征在于：所述水力发电装置还包括用于驱动浮台在水上行驶的动力机构。
3.根据权利要求1所述的一种水力发电装置，其特征在于：所述定位机构包括伸缩杆和驱动伸缩杆上下运动的驱动电机，所述伸缩杆的下端设有钻头。
4.一种如权利要求1所述水力发电装置的发电方法，其特征在于：
（1）引流器设在水中，水流通过进水通道后加速进入容置腔体并推动叶轮转动，叶轮通过转轴带动发电机发电；
（2）当需要调节发电效率时，通过水泵向浮筒内注水或排水来控制浮台的升降，浮台带动引流器和叶轮的升降来改变流过叶轮的水量或水速；
（3）水力发电装置能根据不同水域的深浅，通过浮筒控制浮台的升降避免行驶和发电时引流器触底。
5.根据权利要求4所述的水力发电装置的发电方法，其特征在于：通过升降机构控制引流器和叶轮的升降来避免引流器触底以及改变流过叶轮的水量或水速来调节发电效率。
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