CN117646695A - 一种管道水力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道水力发电系统(100)，其包括用于允许流体从入口流向出口的主通道(12)，以及可旋转地安装在主通道(12)中的涡轮(8)，其中主通道(12)的入口由入口阀(2)调节，主通道(12)的出口由出口阀(6)调节。管道水力发电系统(100)还包括在主通道(12)的入口处从主通道(12)延伸并在主通道(12)的出口处连接回主通道(12)的旁路通道(14)，以及用于调节旁路通道(14)中的流体流量的旁路阀(4)。此外，可以控制入口阀(2)、出口阀(6)和旁路阀(4)以允许流体流过主通道(12)来旋转涡轮(8)以发电，或者流过旁路通道(14)以允许维护涡轮(8)。

Description

一种管道水力发电系统

技术领域

本发明通常涉及水力发电领域。更具体地，本发明涉及管道水力发电系统。

背景技术

随着地球化石燃料的枯竭，对可再生能源的需求正在增加。此外，希望从不会导致全球变暖的清洁能源中发电。

一种流行的可再生能源是水力发电，其通过利用流体(如水)的潜在落差来产生。典型的水力发电系统需要水源，例如在高处堵塞的河流，以产生具有储存势能的水头。管道从较高的位置延伸到较低的位置。涡轮发电机安装在管道的末端，以便从高处排出的水流过涡轮。水驱动涡轮，涡轮又驱动发电机发电。

水坝式水力发电安排的问题是，水坝引起的洪水对当地环境有不利影响。洪水破坏了自然景观，并使附近的居民流离失所。

为了避免与水坝型水力发电相关的问题，已经提出了一种替代布置，该布置使用管道将水从高点向下输送到较低的点。然后在管道中安装涡轮发电机，由流过管道的水驱动来发电。

在创造和发现更好的管道水力发电系统方面已经取得了一些其他的进步和改进。下面描述了相关参考文献的例子，并且每个参考文献的支持教导通过引用结合于此：

US8360720B2公开了一种通常为球形的涡轮，该涡轮被构造成在沿任一方向流动的流体的动力下在圆柱形管道内横向旋转，该涡轮与旋转机器或发电机可操作地连接以产生电力。在一个实施例中，球形涡轮的叶片在相对于中心轴的旋转轴线成倾斜角度的平面中弯曲成大约180度的弧。在另一个实施例中，偏转器设置在球形涡轮的上游和圆柱形管道内，以通过遮蔽球形涡轮的一部分来控制通过球形涡轮的流动。球形涡轮的叶片在横截面上是翼型，以优化流体动力流动，最小化气穴现象，并最大化从轴向能量到旋转能量的转换。

US20120153623A1公开了一种连接到下水道的发电系统，用于将废水输送到卫生处理站。通过泵送设备将废水通过下水道，同时粉碎废水携带的大部分大物体。废水驱动一个或多个水力涡轮。涡轮可操作地连接到发电机，用于产生电力并通过电力传输系统分配电力。

US20120079826A1公开了一种用于能量回收的水循环发电系统，其包括至少一个连接到热交换系统的水循环发电系统，以获得热交换过程所需的水。水循环发电系统包括储存冷却水的水箱、供水管道和回收管道。供水管从水箱中抽水，以向热交换系统提供前端水。回收管道引导从热交换系统排出的工作循环水，并具有安装在其上的水力发电机，该水力发电机由工作循环水驱动，以将其动能转换成电能。因此，当运行循环水流向其回收目的地时，其动能驱动水力发电机产生额外的电力。

然而，上述参考文献仍然存在许多缺点和问题，本发明的对象和特征试图解决这些缺点和问题。例如，上述参考文献没有提供任何可行的方法来实现流体的同时流动和涡轮的维护。通常，在现有系统中，流体流动必须完全停止，并且管道必须排空，以便允许技术人员维护或修理涡轮。特别是对于供水管道来说，这是不理想的，因为在供水管道中，连续的供水对于满足公众的日常需求是至关重要的。此外，当设计管道水力发电系统时，上述参考文献没有考虑日常流体流动趋势，因此可能出现这样的情况，即当流体流动激增时，系统不能完全实现水力发电潜力，而当流体流动很少时，系统变得利用不足。因此，在本领域中仍然需要提供一种管道水力发电系统来解决本文所述的一个或多个问题。

发明内容

为了提供对本发明某些方面的基本理解，下面给出了本发明的简要概述。该概述不是本发明的广泛综述。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

本发明的一个目的是提供一种管道水力发电系统，其能够以可持续的、环保的和高效的方式发电。

本发明的另一个目的是提供一种管道水力发电系统，其允许流体流动和涡轮的维护同时进行。

本发明的另一个目的是提供一种管道水力发电系统，其能够充分利用大的流体流量来发电，并利用小的流体流量的间歇来修理或维护涡轮。

因此，这些目的可以通过遵循本发明的教导来实现。本发明涉及一种管道水力发电系统，其包括允许流体从入口流向出口的主通道，以及可旋转地安装在主通道中的涡轮，使得涡轮通过流体的流动而旋转，其中主通道的入口由入口阀调节，主通道的出口由出口阀调节。管道水力发电系统还包括在主通道的入口处从主通道延伸并在主通道的出口处连接回主通道的旁路通道，以及用于调节旁路通道中的流体流量的旁路阀。此外，在运行期间，至少主通道的入口阀和出口阀打开，以允许流体流过主通道，从而使涡轮旋转来发电。此外，在维护期间，主通道的入口阀和出口阀关闭，而旁路通道的旁路阀打开，以引导流体流过旁路通道，从而允许涡轮的维护。

通过仔细阅读下文提供的详细描述并适当参考附图，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更好理解。

附图说明

为了能够详细理解本发明的上述特征，上面简要概述的本发明的更具体的描述可能已经被实施例引用，其中一些实施例在附图中示出。然而，要注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，因为本发明可以允许其他等效的实施例。

通过参考以下文本图，本发明的这些和其他特征、益处和优点将变得显而易见，在所有视图中，相同的附图标记表示相同的结构，其中：

图1示出了根据本发明实施例的管道水力发电系统的透视图；

图2示出了根据本发明实施例的管道水力发电系统在运行期间的正视图；

图3示出了根据本发明实施例的管道水力发电系统在维护期间的正视图；以及

图4示出了根据本发明的一个实施例的日平均水流量的图表。

具体实施方式

根据需要，这里公开了本发明的详细实施例；然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是权利要求的基础。应当理解，附图及其详细描述并不旨在将本发明限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明将覆盖落入由所附权利要求限定的本发明范围内的所有修改、等同物和替代物。如在整个申请中所使用的，词语“可以(may)”是在许可的意义上使用的(即，意味着有可能)，而不是强制的意义上使用的(即，意味着必须)。类似地，词语“包括(include)”、“包含(including)”和“包含(includes)”意味着包括，但不限于。此外，除非另有说明，词语“一个(a)”或者“一个(an)”表示“至少一个”，词语“多个(plurality)”表示一个或多个。当使用缩写或技术术语时，它们表示技术领域中已知的普遍接受的含义。

在下文中，参考附图，通过各种实施例来描述本发明，其中在附图中使用的附图标记对应于整个说明书中的类似元件。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为局限于这里阐述的实施例。相反，提供该实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。此外，许多材料被确定为适用于实施的各个方面。这些材料被视为示例性的，并不旨在限制本发明的范围。

本发明涉及一种管道水力发电系统(100)，其包括用于允许流体从入口流向出口的主通道(12)，以及可旋转地安装在主通道(12)中的涡轮(8)，使得涡轮(8)通过流体的流动而旋转，其中主通道(12)的入口由入口阀(2)调节，主通道(12)的出口由出口阀(6)调节。管道水力发电系统(100)还包括在主通道(12)的入口处从主通道(12)延伸并在主通道(12)的出口处连接回主通道(12)的旁路通道(14)，以及用于调节旁路通道(14)中的流体流量的旁路阀(4)。此外，至少主通道(12)的入口阀(2)和出口阀(6)在运行期间打开，从而允许流体流过主通道(12)以使涡轮(8)旋转来发电。此外，在维护期间，主通道(12)的入口阀(2)和出口阀(6)关闭，而旁路通道(14)的旁路阀(4)打开，以便引导流体流过旁路通道(14)，以允许涡轮(8)的维护。

参考图1至4所示的附图，现在将更详细地描述本发明。

图1示出了根据本发明实施例的管道水力发电系统(100)的透视图。管道水力发电系统(100)包括嵌入在外壳中的涡轮(8)、用于分别调节主通道(12)的入口和出口的入口阀(2)和出口阀(6)，以及用于调节旁路通道(14)的旁路阀(4)。涡轮(8)还可以通过驱动轴(10)连接到发电机上用于发电。入口阀(2)、出口阀(6)和旁路阀(4)可以手动或自动控制。此外，管道水力发电系统(100)可以沿着供水管安装，以利用不间断的水流来发电。例如，主通道(12)的入口可以连接到第一供水管端以接收水流。水从主通道(12)的入口流到出口，并驱动可旋转地安装在其中的涡轮(8)。随后，主通道(12)的出口可以连接到第二供水管端以排出水流，从而在主通道(12)中实现水力发电而不中断供水。容易理解的是，管道水力发电系统(100)也可以应用于废水管道系统、排水管道系统、冷却剂管道系统以及本领域技术人员可以预见的任何其他合适的管道系统。

图2示出了根据本发明实施例的管道水力发电系统(100)在运行期间的正视图。管道水力发电系统(100)包括主通道(12)和在主通道(12)的入口处从主通道(12)延伸并在主通道(12)的出口处连接回主通道(12)的旁路通道(14)。尽管在图2中旁路通道(14)位于主通道(12)的下方，但是容易想到的是，旁路通道(14)也可以位于主通道(12)的旁边，以节省空间并易于组装。此外，喷嘴(16)可以设置在主通道(12)中，以增加流体流动的速度。喷嘴(16)可以是具有不同横截面积的管子。横截面积通常开始很大，然后沿着流动方向变小。当流体流入喷嘴(16)并进入较小的横截面时，它将被加压加速。这样，流体流动的速度可以被加速。更高的流体速度可以导致涡轮(8)更快的旋转和更多的发电。此外，主通道(12)的直径可以大于旁路通道(14)的直径，使得可以允许更多的流体流过主通道(12)以产生更多的电力。在运行期间，至少主通道(12)的入口阀(2)和出口阀(6)可以打开，以允许流体流过主通道(12)来旋转涡轮(8)，而旁路通道(14)的旁路阀(4)可以根据流体流量的大小而可选地关闭或打开。当有相对小的流体流动时，旁路阀(4)可以关闭，使得旁路通道(14)将被阻塞，并且流体不能流过旁路通道(14)。这样，将不存在流体流分离，并且所有的流体将被引导流过主通道(12)。在主通道(12)中，流体流将被喷嘴(16)加速，并且加速的流体流将推动涡轮(8)的叶片并使涡轮(8)旋转。随后，涡轮(8)可以通过驱动轴(10)将旋转运动传递给发电机，以便将动能转换成电能。另一方面，当存在相对较大的流体流量时，旁路阀(4)可以打开，使得旁路通道(14)不会被堵塞，并且相对较大的流体流量可以由主通道(12)和旁路通道(14)两者来适应。

图3示出了根据本发明实施例的管道水力发电系统(100)在维护期间的正视图。在维护期间，主通道(12)的入口阀(2)和出口阀(6)可以关闭，而旁路通道(14)的旁路阀(4)可以打开。当入口阀(2)关闭时，主通道(12)将被阻塞，流体不能流过主通道(12)。这样，流体将被引导流过旁路通道(14)。因为出口阀(6)也被关闭，所以从旁路通道(14)排出的流体不能进入主通道(12)和涡轮(8)的部分。因此，可以在主通道(12)中产生空闲的环境，以进行涡轮(8)的维护。

根据本发明的实施例，管道水力发电系统(100)还包括测量流体压力的压力计。

根据本发明的实施例，管道水力发电系统(100)还包括测量流体流速的流量计。

在下文中，将提供本发明的示例用于更详细的解释。从这些实施例中，本发明的优点可以更容易理解并付诸实践。然而，应该理解，以下实施例不打算以任何方式限制本发明的范围。

示例

图4示出了根据本发明的实施例的日平均水流量的图表。图4显示，平均水流量(也可视为平均需水量)在每天晚上8:30左右最高，这可能是因为大多数用水者在该时间从学校回来并工作，因此他们做饭、洗漱和洗澡需要更多的水。图4还显示，平均水流量在每天凌晨4:30左右最低，这可能是因为大多数用水者在这段时间睡觉，因此需水量很少。在了解平均每日水流量趋势之后，管道水力发电系统(100)可以沿着供水管安装，以利用水流来发电。例如，管道水力发电系统(100)的出口阀(6)、入口阀(2)和旁路阀(4)可以被相应地控制，以在高需水量时期充分收获水力，并利用低需水量时期来维护或修理涡轮(8)。

供水需求高时的情况

当供水需求高时，供水管中的水流量和流速也高，以便及时和充分地满足高需求。这样，管道水力发电系统(100)的入口阀(2)、出口阀(6)和旁路阀(4)可被打开，从而使水流过主通道(12)和旁路通道(14)，以适应大量的水流并驱动涡轮(8)。

供水需求正常或低时的情况

当供水需求不高时，供水管中的水流量和流量可能会减少。这样，主通道(12)的入口阀(2)和出口阀(6)可以打开，而旁路通道(14)的旁路阀(4)可以关闭，以便引导水流过主通道(12)，以仅产生最佳电力。

执行维护时的条件

当需要执行涡轮(8)的维护时，主通道(12)的入口阀(2)和出口阀(6)可以关闭，而旁路通道(14)的旁路阀(4)可以打开，以便将水流引导到相对较小的旁路通道(14)，以允许在主通道(12)中维护涡轮(8)。由于维护通常在供水需求不高时进行，所以相对较小的旁路通道(14)足以满足水流并确保对用水者的供水不会中断。

因此，本发明的管道水力发电系统(100)能够以可持续、环保和高效的方式发电。此外，本发明的管道水力发电系统(100)允许流体流动和涡轮(8)的维护同时进行。此外，本发明的管道水力发电系统(100)能够充分利用大的流体流量来发电，并利用小的流体流量的间隔来修理或维护涡轮(8)。对于本领域技术人员来说，本发明的各种进一步的用途和优点将变得显而易见。

上面描述的示例性实现是用特定特征来说明的，但是本发明的范围包括各种其他特征。

根据说明书和附图，对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。与这里描述的各种实施例相关联的原理可以应用于其他实施例。因此，该描述并不旨在限于连同附图一起示出的实施例，而是要提供与这里公开或建议的原理以及新颖和创造性特征相一致的最广泛的范围。因此，预计本发明将保留所有其他落入本发明和所附权利要求范围内的这种替换、修改和变化。

应当理解，本文提及的任何现有技术出版物并不构成承认该出版物构成本领域公知常识的一部分。

在随后的权利要求中和在本发明的前面的描述中，除了由于明确的语言或必要的暗示而在上下文中需要的情况之外，词语“包括(comprise)”或诸如“包含(comprises)”或“包含(comprising)”之类的变体以包含的意义使用，即，指定所述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中进一步特征的存在或添加。

根据本发明的附图中使用的附图标记的描述如下：

参考数字	描述
		100	管道水力发电系统
2	入口阀
		4	旁路阀
6	出口阀
		8	涡轮
10	驱动轴
		12	主通道
14	旁路通道
		16	喷嘴

Claims (7)

1.一种管道水力发电系统(100)，包括：

主通道(12)，所述主通道(12)允许流体从入口流向出口；以及

涡轮(8)，所述涡轮(8)可旋转地安装在所述主通道(12)中，使得所述涡轮(8)通过流体的流动而旋转；

其中所述主通道(12)的入口由入口阀(2)调节，所述主通道(12)的出口由出口阀(6)调节；

其特征在于：

旁路通道(14)，所述旁路通道(14)在所述主通道(12)的入口处从所述主通道(12)延伸，并在所述主通道(12)的出口处连接回所述主通道(12)；以及

旁路阀(4)，所述旁路阀(4)用于调节所述旁路通道(14)中的流体流量；

其中至少所述主通道(12)的所述入口阀(2)和所述出口阀(6)在运行期间打开，以允许流体流过所述主通道(12)来使所述涡轮(8)旋转以发电；

其中，在维护期间，所述主通道(12)的所述入口阀(2)和所述出口阀(6)关闭，而所述旁路通道(14)的所述旁路阀(4)打开，以引导流体流过所述旁路通道(14)，以允许对所述涡轮(8)的维护。

2.根据权利要求1所述的管道水力发电系统(100)，其中，喷嘴(16)设置在所述主通道(12)中，以增加流体流动的速度。

3.根据权利要求1所述的管道水力发电系统(100)，其中，所述涡轮(8)连接到发电机以产生电力。

4.根据权利要求1所述的管道水力发电系统(100)，其中，所述管道水力发电系统(100)沿着供水管安装。

5.根据权利要求1所述的管道水力发电系统(100)，其中，所述主通道(12)的直径大于所述旁路通道(14)的直径。

6.根据权利要求1所述的管道水力发电系统(100)，还包括压力计，所述压力计用于测量流体的压力。

7.根据权利要求1所述的管道水力发电系统(100)，还包括流量计，所述流量计用于测量流体的流速。