CN116146407A - 装配式水力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式水力发电装置，属于水力发电技术领域，包括若干个发电模块，若干个发电模块依次串联相连组成横向发电组件设置于长距离宽水面上进行水力发电；或者若干个发电模块自上至下依次布置组成纵向发电组件设置于高海拔水源窄水面末端进行水力发电；或者若干个发电模块水平串联、上下并列组成矩阵式发电组件设置于高海拔长距离宽水面末端进行水力发电。本发明采用若干个发电模块进行横向、纵向或矩阵式自由拼接组合，分别适用于长距离宽水面、高海拔水源窄水面及适用于高海拔长距离宽水面末端的水力发电，通过模块化结构装配成不同结构的发电装置，能够根据不同容量、不同应用场景进行灵活调整，满足不同发电需求。

Description

装配式水力发电装置

技术领域

本发明属于水力发电技术领域，尤其涉及一种装配式水力发电装置。

背景技术

随着社会发展，可持续发展一直是世界各国十分关心的一个问题。水力发电作为再生源发电的“领头羊”，远比风力和太阳能的发电量多。目前，传统的水力发电是利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含重力势能和动能转换为水轮机机械能，将水轮机械转动带动发电机发电，从而实现水力发电。由此可见，传统的水力发电技术都必须建造在自然水源处，比如水电站，造价高、占地面积大。若用低处水池或湖泊的水进行发电，需要先利用能量转化将低处的水抽至高处，再利用水的重力势能带动发电机发电，高处抽水耗能较大，致使发电成本很高。

水在流动冲击水轮机发电的过程中，主要利用了水重力冲击，但水在横向水头较长时，并没有较长的横向承载水力发电设备，无法实现长距离横向水头的全部覆盖，因此无法充分利用水源能量发电。有鉴于此，亟待解决水力发电设备根据水源情况，进行自由调整和拼接组合，以便于充分利用水源。

此外，目前水力发电的功率固定不可调，微型、小型、中型、大型等各种应用场景，无法按照实际同时满足不同容量、规格的需求。因此，现有水力发电设备无法同时适应家庭小型发电、厂区中型发电、污水再利用发电节能、到大型电站不同场景的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种装配式水力发电装置，旨在解决现有技术中水力发电设备不适用长距离横向水头导致水源能量利用率低，及固定功率的水力发电设备无法满足不同发电需求的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种装配式水力发电装置，包括若干个发电模块，

若干个发电模块能够依次串联相连组成横向发电组件，所述横向发电组件能够设置于长距离宽水面上进行水力发电；

或者若干个发电模块自上至下依次布置组成纵向发电组件，所述纵向发电组件设置于高海拔水源窄水面末端进行水力发电；

或者，若干个发电模块水平串联、上下并列组成矩阵式发电组件，所述矩阵式发电组件设置于高海拔长距离宽水面末端进行水力发电。

优选的，所述发电模块包括箱体及其内部的水轮，所述箱体的顶部设有进水口、底部设有出水口，所述水轮包括水轮本体及其四周均布设置的若干个水斗，所述水轮本体的中部主轴能够与发电机相连，所述主轴与箱体侧壁通过轴承转动配合；所述出水口对应设置于水斗的盛水侧下方。

优选的，所述水斗的外表面为弧面，所述水斗外侧远离水轮本体的一侧边缘与水斗的敞口面相切，所述水斗的内腔尺寸朝向主轴方向为渐缩式。

优选的，所述箱体的进水口上方设有半包围状集水罩，所述集水罩的侧面开口朝向水流来向，所述集水罩的下方出口朝向水斗。

优选的，在横向发电组件中，两两相邻的发电模块主轴通过联轴器相连，所述联轴器为万向联轴器或虎克式万向节。

优选的，所述箱体的进口水流来向的水面上设有垃圾捕集组件，所述垃圾捕集组件包括浮板、叶轮和传送带，所述浮板漂浮于水面上、且其两端与支架相连；所述叶轮及传送带均设置于支架上、且均由动力部件驱动，所述浮板的后侧设置于叶轮的下方，水面上的杂物能够滞留在浮板上；所述叶轮的轮轴四周径向设有多个弧形叶片，在叶轮转动过程中，接近浮板的叶片内弧面与水流方向相对，所述叶轮转至下方的叶片末端切线方向与水流方向相对；旋转的叶轮能够将浮板上的杂物铲起并抛至传送带上，并由传送带输送至岸边。

优选的，所述浮板为栅格式结构，所述浮板的前端浮于水面上，所述浮板的后端翘起，所述浮板的后部弧度与叶片的转动轨迹相匹配。

优选的，所述叶片为网状结构，所述叶片的末端边缘设有弧形钩，所述弧形钩的弧度与叶片的弧度一致。

优选的，所述叶轮的轮轴两端通过轴承与支架转动配合，所述轮轴的动力输入端设有单向自锁机构，所述单向自锁机构包括棘轮和棘爪，所述棘爪设置于棘轮的边缘，所述棘爪通过扭簧固定于支架的侧面。

优选的，所述传送带的侧面设有挡板，所述挡板的内弧面一侧朝向传送带，所述挡板的下端与传送带的边缘抵接；所述传送带的两侧设有裙带。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明采用若干个发电模块左右串联、或上下并列或呈矩阵式布置，组成适用于长距离宽水面横向发电组件，或适用于高海拔水源窄水面发电的纵向发电组件，或适用于高海拔长距离宽水面末端的水力发电。本发明采用若干个发电模块进行横向、纵向自由拼接组合，通过模块化结构装配成不同结构的发电装置，能够根据不同容量、不同应用场景进行灵活调整，满足了不同宽水面、高海拔水面及不同功率的发电需求；解决了现有技术中水力发电设备不适用长距离横向水头导致水源能量利用率低，以及固定功率的水力发电设备无法满足不同发电需求的技术问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例1提供的一种装配式水力发电装置中的俯视图；

图2是图1中发电模块及垃圾捕集组件的左视图；

图3是图2中浮板的俯视图；

图4是图2中A处单向自锁机构的局部放大图；

图5是本发明实施例2提供的一种装配式水力发电装置中纵向发电组件的结构示意图；

图6是本发明实施例中导流板的结构示意图；

图7是图6中导流板与两侧箱体相连后的俯视图；

图8本发明实施例3提供的一种装配式水力发电装置中矩阵式发电组件的拼接示意图；

图中：00-发电模块，01-横向发电组件，02-纵向发电组件；1-箱体，2-水轮，21-水轮本体，22-水斗，23-主轴；3-进水口，4-出水口；5-发电机，6-集水罩，7-垃圾捕集组件，71-浮板，72-叶轮，73-传送带，74-叶片，75-弧形钩；8-集水罩，9-单向自锁机构，91-棘轮，92-棘爪；10-滑块，11-挡板；12-导流板。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

实施例1：请参照图1，该实施例提供的一种装配式水力发电装置包括若干个发电模块00，若干个发电模块00能够依次串联相连组成横向发电组件01，所述横向发电组件01能够设置于长距离宽水面上进行水力发电。

实施例2：若干个发电模块00自上至下依次布置组成纵向发电组件02，所述纵向发电组件02设置于高海拔水源窄水面末端进行水力发电，如图5所示。其中，发电模块的具体数量根据水源落差而定。

实施例3：若干个发电模块00水平串联、上下并列组成矩阵式发电组件，所述矩阵式发电组件设置于高海拔长距离宽水面末端进行水力发电。如图8所示。其中，发电模块的具体数量及拼接方式根据实际需求而定。

具体设计时，如图2所示，所述发电模块00包括箱体1及其内部的水轮2，所述箱体1的顶部设有进水口3、底部设有出水口4，所述水轮2包括水轮本体21及其四周均布设置的若干个水斗22，所述水轮本体21的中部主轴23能够与发电机5相连，所述主轴23与箱体1侧壁通过轴承转动配合；所述出水口4对应设置于水斗22的盛水侧下方。其中，所述水斗22的外表面为弧面，所述水斗22外侧远离水轮本体21的一侧边缘与水斗22的敞口面相切，所述水斗22的内腔尺寸朝向主轴23方向为渐缩式。该结构的水斗外侧面类似水滴状，这种结构的水斗在水流作用下阻力较小，内侧长期受水流冲击所产生的应力较小，使用寿命较长。具体制作时，箱体可设计为长方体或圆柱体，采用不锈钢材质制作，具有耐磨损、耐腐蚀的优点；水斗与水轮采用装配式连接结构，当水斗少部分损坏时方便维修更换，减小运行成本。另外，水轮2的具体尺寸可根据实际情况调整。

作为一种优选结构，如图2所示，所述箱体1的进水口上方设有半包围状集水罩6，所述集水罩6的侧面开口朝向水流来向，所述集水罩6的下方出口朝向水斗22。采用该结构能够使水流尽可能多地进入箱体内，以获得最大驱动力，提高发电效率。

具体制作时，在横向发电组件01中，两两相邻的发电模块00主轴23通过联轴器(图中未画出)相连，所述联轴器为万向联轴器或虎克式万向节，主轴采用此种柔性连接，可避免组装后的主轴长度过长产生挠度。该连接结构属于现有技术，属于长轴常用的连接方式，在此不再赘述。该结构中发电模块的尺寸一致，组合后的主轴共线。还可以在组装后的横向发电组件01外部安装护罩，起到保护联轴器的作用。

当发电模块的尺寸不一致导致相邻主轴不共线时，需要每个发电模块的主轴安装一个发电机，再将各个发电机的线路连接起来。这种结构对应长距离宽度的水面并不适用，同时由于没有通用性，一般不采用。

另外，为了避免对应相邻箱体之间的水流从间隙漏下，造成水力浪费。在两两相邻的箱体之间安装V型导流板12(如图6、7所示)，将导流板的尖端朝向水流来向，导流板的两侧与箱体的边缘为可拆卸连接。处于间隙部位的水流能够沿着导流板的两侧面向两侧箱体方向分流，避免浪费，进一步提高了水的利用率。

当横向发电组件安装在长距离宽水面上时，由于发电模块属于小型发电部件，水面上漂浮的杂物容易缠绕滞留在主轴及箱体的连接部位，影响发电模块的正常运行。在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述箱体1的进口水流来向的水面上设有垃圾捕集组件7，所述垃圾捕集组件7包括浮板71、叶轮72和传送带73，所述浮板71漂浮于水面上、且其两端与支架8相连；所述叶轮72及传送带73均设置于支架8上、且均由动力部件(图中未画出)驱动，所述浮板71的后侧设置于叶轮72的下方，水面上的杂物能够滞留在浮板71上；所述叶轮72的轮轴四周径向设有多个弧形叶片74，在叶轮72转动过程中，接近浮板71的叶片74内弧面与水流方向相对，所述叶轮72转至下方的叶片74末端切线方向与水流方向相对；旋转的叶轮72能够将浮板71上的杂物铲起并抛至传送带73上，并由传送带73输送至岸边。杂物随水流会受到浮板拦截，旋转的叶轮通过叶片即可将杂物抛至后侧传送带上，利用传送带即可将垃圾杂物转移到水岸边，确保横向发电组件正常运行。

当然，垃圾捕集组件也可以安装在纵向发电组件的进口一侧的水面上，同样起到拦截垃圾和杂物的目的。

具体设计时，当垃圾捕集组件安装在长距离宽度的水面上时，相应的叶轮72采用装配式结构，方便加工制作，同时装卸方便快捷。

进一步优化上述技术方案，如图3所示，所述浮板71为栅格式结构，所述浮板71的前端浮于水面上，所述浮板71的后端翘起，所述浮板71的后部弧度与叶片74的转动轨迹相匹配。浮板在拦截杂物和垃圾过程中，水从其镂空部位漏出，仅留杂物或垃圾在浮板上，避免对水流造成阻碍。

同理，所述叶片74为网状结构，在铲起杂物及垃圾过程存在，水从其网眼楼下，减小了叶轮的旋转阻力；所述叶片74的末端边缘设有弧形钩75，所述弧形钩75的弧度与叶片74的弧度一致。借助弧形钩能够顺利将杂物及垃圾铲起，避免杂物沿着叶片的内弧面再次滑脱。

在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，所述叶轮72的轮轴两端通过轴承与支架8转动配合，所述轮轴的动力输入端设有单向自锁机构9，所述单向自锁机构9包括棘轮91和棘爪92，所述棘爪92设置于棘轮91的边缘，所述棘爪92通过扭簧固定于支架8的侧面。所述棘爪92的爪尖能够在棘轮91反向旋转时对棘轮91进行限位；所述棘爪92设置于滑块10上，所述棘爪92通过扭簧固定于滑块10上，所述滑块10能够沿着支架8侧面的滑槽上下滑动，所述滑块10通过紧固件固定在滑槽内。采用该结构能够确保叶轮按照一个方向旋转，避免杂物及垃圾回流至水面上，提高了垃圾的收集效率。

进一步优化上述技术方案，如图1、2所示，所述传送带73的侧面设有挡板11，所述挡板11的内弧面一侧朝向传送带73，所述挡板11的下端与传送带73的边缘抵接；所述传送带73的两侧设有裙带。借助挡板可避免杂物及垃圾在惯性作用下落至传送带的外侧，再次落入水中。

以横向发电组件为例，具体应用过程如下：横向发电组件安装在长距离宽水面上时，水流进水斗后，在重力作用下水轮旋转至下一个水斗，确保了在水流源源不断依次注入水斗内，在重力作用下实现水轮的不停旋转，发电模块的长度可设计成0.5米、1米、2米、5米等不同规格，每种规格对应不同大小的发电机组，发电机功率估算＝发电模块长度*水斗左侧部面积*水密度*水落差*电机效率/3600,因此发电机功率与发电模块的长度、左侧面积、水落差(容器高度)等相匹配，不同规格，发电机容量不同。

同时，发电机的选型应结合发电模块的长度、左侧底面积和落差等进行选型，不同结构对应不同发电机功率，经过试验和计算，水斗底面积为2米，横向长度为0.5米水落差高度为1米的发电模块配2.5kW的发电机。发电机通过齿轮啮合或者皮带与发电模块外侧的主轴相连，盛水水斗在水重力作用下驱动水轮转动带动发电机实现发电。

在横向发电组件中，发电模块可根据发电量大小设计小型、中型、大型等多种模块样式，几种典型设计如下：小型横向发电组件长度最小(可设计为0.5米)、左侧底面积设计为2平方米，水斗间隔高度(水落差1米)，发电机额定功率2.5kW；中型横向发电组件长度为1米、2米，发电机额定功率分别为5kW，10kW，发电量也居中；大型横向发电组件长度为5米、发电机额定功率为25kW，单个发电模块发电量也最大，另外相同模块或者不同规格发电模块之间都可以快速进行拼接，组装成所需容量的发电单元并可匹配对应的发电机组。可根据实际需求采用不同数量的发电模块进行拼接，设计出小、中、大三种典型规格的横向发电组件进行发电。

此外，发电模块应用在高海拔水源窄水面情况下，多个发电模块纵向拼接为纵向发电组件，进而更充分的利用水下落过程中能量，使其转换为电能；纵向拼接组成的纵向发电组件，水源的水下落时，水依次流进箱体内的水斗内，水斗在重力作用下驱动水轮转动，向下转动的水斗可将内部水倒掉，进而上面的水又落入下面箱体内的水斗中，如此反复实现不停的转动，可采用磁悬浮电机进行水力发电，采用磁悬浮技术，能够减少摩擦力，提升发电效率。发电模块的主轴贯穿箱体侧壁上的安装孔连接外部发电机组。

纵向发电组件也可以根据发电量大小设计小型、中型、大型等多种模块样式，图5中的发电模块数量并不局限于具体数值，可根据实际需要调节。箱体也局限于具体现状，可采用长方体或圆柱体设计；相同模块或者不同规格的发电模块均可以快速进行拼接；箱体高度可设计成1米、2米、5米等不同宽度及高度，多个叠加所需要的任意高度，纵向拼接组合为纵向发电组件，也可以横向拼接组合。采用1米、2米、5米不同宽度和高度的箱体进行横向、纵向排列组合后形成横向发电组件及纵向发电组件的样式及尺寸如下表所示：

上表中的发电模块箱体尺寸分别是：横向宽1米高1米，横向宽2米高1米；横向宽5米高1米；横向宽2米高1米，横向宽2米高2米，横向宽2米高5米；以及横向宽5米高1米，横向宽5米高2米，横向宽5高米5米。采用这些发电模块组合，发电机功率与发电模块的长度、左侧面积、水落差(容器高度)等相匹配，发电机放置在发电模块外部，通过连接实现。将不同规格的模块组合进行拼装(类似于人民币的不同面额，可实现不同的组合)，实现所需的发电量，具体组合装配后的结构并不局限于上述几种组合样式，还可以根据实际情况调整。

另外，在高海拔长距离宽水面落水处，若干个发电模块采用横向、纵向交叉呈矩阵结构组成矩阵式发电组件发电，这种矩阵式组合，将水在发电过程中充分利用水的横向水头能量和水的势能，可提升发电效果。

综上所述，本发明具有结构简单紧凑、组装灵活的优点，制作成本低，能够充分利用水的位能和动力，通过拼接就可以实现小型、中型、大型等各种规格发电装置，实现横向、纵向及矩阵发电，满足各种发电需求，大幅降低了不同规格发电需求的建设成本，避免了水能的浪费，提升了发电效益。本发明能够在有水资源的地方进行任意组合发电，在各种有水的场景、家庭、单位、污水等，应用场景不受限制，都可以通过拼接发电模块满足所需的发电量，实现从小型到大型各种规格需求的发电效果。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (10)

1.一种装配式水力发电装置，其特征在于：包括若干个发电模块，

若干个发电模块能够依次串联相连组成横向发电组件，所述横向发电组件能够设置于长距离宽水面上进行水力发电；

或者若干个发电模块自上至下依次布置组成纵向发电组件，所述纵向发电组件设置于高海拔水源窄水面末端进行水力发电；

或者，若干个发电模块水平串联、上下并列组成矩阵式发电组件，所述矩阵式发电组件设置于高海拔长距离宽水面末端进行水力发电。

2.根据权利要求1所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述发电模块包括箱体及其内部的水轮，所述箱体的顶部设有进水口、底部设有出水口，所述水轮包括水轮本体及其四周均布设置的若干个水斗，所述水轮本体的中部主轴能够与发电机相连，所述主轴与箱体侧壁通过轴承转动配合；所述出水口对应设置于水斗的盛水侧下方。

3.根据权利要求2所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述水斗的外表面为弧面，所述水斗外侧远离水轮本体的一侧边缘与水斗的敞口面相切，所述水斗的内腔尺寸朝向主轴方向为渐缩式。

4.根据权利要求2所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述箱体的进水口上方设有半包围状集水罩，所述集水罩的侧面开口朝向水流来向，所述集水罩的下方出口朝向水斗。

5.根据权利要求2所述的装配式水力发电装置，其特征在于：在横向发电组件中，两两相邻的发电模块主轴通过联轴器相连，所述联轴器为万向联轴器或虎克式万向节。

6.根据权利要求2-5任一项所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述箱体的进口水流来向的水面上设有垃圾捕集组件，所述垃圾捕集组件包括浮板、叶轮和传送带，所述浮板漂浮于水面上、且其两端与支架相连；所述叶轮及传送带均设置于支架上、且均由动力部件驱动，所述浮板的后侧设置于叶轮的下方，水面上的杂物能够滞留在浮板上；所述叶轮的轮轴四周径向设有多个弧形叶片，在叶轮转动过程中，接近浮板的叶片内弧面与水流方向相对，所述叶轮转至下方的叶片末端切线方向与水流方向相对；旋转的叶轮能够将浮板上的杂物铲起并抛至传送带上，并由传送带输送至岸边。

7.根据权利要求7所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述浮板为栅格式结构，所述浮板的前端浮于水面上，所述浮板的后端翘起，所述浮板的后部弧度与叶片的转动轨迹相匹配。

8.根据权利要求6所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述叶片为网状结构，所述叶片的末端边缘设有弧形钩，所述弧形钩的弧度与叶片的弧度一致。

9.根据权利要求6所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述叶轮的轮轴两端通过轴承与支架转动配合，所述轮轴的动力输入端设有单向自锁机构，所述单向自锁机构包括棘轮和棘爪，所述棘爪设置于棘轮的边缘，所述棘爪通过扭簧固定于支架的侧面。

10.根据权利要求6所述的装配式水力发电装置，其特征在于：所述传送带的侧面设有挡板，所述挡板的内弧面一侧朝向传送带，所述挡板的下端与传送带的边缘抵接；所述传送带的两侧设有裙带。

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