CN1973128A - 组合式水力机或水电机 - Google Patents

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Abstract

低水头组合式水力机(10)，可用于产生水电能量或用于直接使用机械力。所述水力机(10)设有调节元件(50)，以便以恒定速度和功率、而与用户设备所需的瞬时功率无关地设定稳定的工作点。剩余功率可以用于对电池充电，抽吸水，制冷或制热，或者简单地消耗于电阻(51)中。水力机(10)能够简单地通过以具有不同间距的转子更换水转子(4)或通过手动调节水转子(4)的多个叶片(5)就可适合于不同的水头高度。由包括水力机(10)的水密容器(20)构成的完整微型站可紧挨着瀑布安装而无需使用堤坝。

Description

组合式水力机或水电机
技术领域
本发明涉及一种低水头(low-head)水力机，特别涉及一种具有能够适于各种设施的、构造简单的组合式水力机。本发明的水力机特别用于、但不限于在发展中国家发电。
背景技术
可再生能源为相当大的资源并且完全落入到与各种污染物和CO2的排放作斗争的能源的范围内。
发展中国家通常拥有丰富的、可开发的天然资源，如水和阳光。然而，当例如面向小型燃料发电机组时，就会发现难以广泛地建立可再生能源。在造成这种迟滞的各原因中，一种原因可能涉及难以设计(dimensioning)、生产以及维护适于特定河流水力条件的传统微型站。
例如，专利FR1217810描述了一种便于建造与维护的低水头微型站。然而，这种设施相当巨大且需要堤坝。这种投资仅适于需要至少几百千瓦的电压并且可利用具有足够水流的瀑布的情况。
另外，已知有小型水电机可以靠近瀑布安装或直接安装于水床中并且通常由联接至发电机的简单推进器构成。这种设备的效率通常极低。而且，这些机器通常根据水头高度和所要生产的电能而以可大范围变化的转速工作。在这些情况下，可能发生空化现象并导致这些设施出现故障。
已知设备的另一种不便性在于：在不借助于专用装置的情况下，通常难以进行维修，乃至不可能进行维修，这就限制了在发展中国家使用的可能性。
本发明的一个目的在于提出一种简单且组合式的水力机，其能够用于小规模地发电同时保持良好的能量效率和高可靠性。
本发明的另一个目的在于提出一种低水头水力机，其能够容易地适于各种水力条件，特别是适于多种水头高度的水力条件。
本发明的又一个目的在于提出一种水力微型站，其能够靠近瀑布安装并且不需要堤坝。
本发明的另一个目的在于提出一种能够避免现有技术的缺点的水力机。
所述目的通过独立权利要求的主题所述的设备来实现，从属权利要求表示本发明的任选特征，特别是，所述目的通过低水头组合式水力机来实现，该水力机包括：
至少一个水转子，其位于一个轴上，可手动拆除；
至少一个用户设备，其由所述轴驱动，以便转换由所述水转子产生的能量；
控制模块，其用于提取由所述水转子产生的能量的一部分并且以预定的运行速度和力稳定所述水转子的转动；
所述水力机通过更换或调节所述水转子而适合于不同的水头高度。
本发明源自以下观察：即尽管现有的水电机或可为高性能的水力机(其特别设计为适于确定的水头和水流条件)，也或可为结构非常简单的水力机，然而在实际环境中，其效率和可靠性远离最佳性能。
由于具有对于所需的任何功率等级均设定恒定且稳定的转速的调节装置，所以本发明的设备可以容易地适于不同的水头高度。在这些情况下，水力机的效率可简单地通过选择级别(step)和直径适于所要求(sought)的水压和功率的水轮机而得到优化。
附图说明
图1表示根据本发明的水力机，其包括具有固定叶片的、可拆卸的转子；
图2表示根据本发明的水力机的改型的实施例，其包括具有可调叶片的、可拆卸的转子；
图3表示根据本发明的水力微型站，其包括处于水密容器中的水力机；
图4示意性地表示根据本发明的水力发电机，其中剩余功率消耗于电阻组(resistance bank)中；
图5示意性地表示根据本发明的驱动流体泵的水力机；
图6示意性地表示根据本发明的水力发电机，其中剩余功率用于辅助使用设备；
图7和图8示意性地表示根据本发明的另一个方案的水力发电机。
具体实施方式
参考图1，现将对本发明的第一实施例进行描述。水力机10包括位于上游的会聚漏斗(converging funnel)1，该会聚漏斗1内部封装有分水闸门3(distribution gate)。在本实施例中，该分水闸门包括四个固定的、倾斜的、弯曲的表面，所述表面设计成用于使漏斗1内部下行的水产生循环运动。在该漏斗1内部还设有由水密壳体2保护的发电机31。该发电机31由具有叶片的转子4驱动，所述叶片以可拆卸的方式直接紧固于转子的轴上。锥形轮毂9和引流管(draft tube)8确保将水排放至下游。
为了简化构造与馈送(feeding)的目的，发电机31优选地为联接至适当电容器组的标准型异步电机。水力机的尺寸取决于所述标准化电机的直径。所产生的电功率可以大约在100瓦特与30千瓦之间变化。
也可以使用其它类型的电机：例如永磁发电机或可变磁阻发电机，乃至在特定情况下可使用汽车交流发电机或任何其它已知的发电机。
在本发明的该实施例中，带叶片的转子4包括四个叶片5，所述叶片5具有固定的倾角且截面相等或近似相等。这种设置允许在转子4的周围采用简单的筒形构件18，其中相对于最佳几何尺寸具有适度的效率损失。
现将参考图4对工作点(working point)的调节装置进行描述。转子4旋转驱动发电机31，该发电机31在电端子32处产生例如240V、50Hz的交流电压。电子调节电路50例如通过频率测量来测量转子的转速，并且在转速超出预定的额定转速时，在电阻51处消耗一定量的能量。按照这种方式，转子始终以额定速度和功率转动，而与出口端子32处所引出的功率无关。
优选地，电路50还集成了防止过电压、过负载的功能以及用户设备的差动保护功能。
一旦转子4的转速已经确定，就可以简单地通过根据有效水头高度进而根据水压力来选择叶片5的倾角而优化水力参数。
由于在本实施例中，叶片的倾角固定，所以通过从一组预调的转子中选择最适合的转子来进行优化。
为此目的，转子4安装至电机31的轴上以便容易地用手动工具进行更换。这种设置允许快速地更换转子以便修理故障并能够接近电机31。
由于给定额定功率，进而水力机的直径确定，所以叶片5的最佳间距仅取决于水头高度。因此可以将该信息收集于例如简单的图表中，以允许用户设备根据所需功率和有效水头高度来选择最适宜的转子而无需进行任何计算。
在本发明的又一实施例中，如图5所示，转子4直接驱动流体泵33，例如用于提升灌溉所需的水或抽吸饮用水的泵。因此，本发明的这种改型的实施例直接使用由转子4产生的机械能而没有进行电转换。在这种情况下，通过静水压力阀51来实现以恒定的速度对工作点进行调节，该静水压力阀51偏离朝向回流管52的所抽吸水的一部分。泵33因此在恒压下运行，并且其输出与在该泵的出口34处所引出的水量无关。
在其它未示出的实施例中，本发明允许将由转子4产生的机械能直接用于其它用途，例如转子4可以直接驱动压缩机或热泵以便制冷或制热。
在图6所示的又一实施例中，由发电机31产生的过量电功率用于使用或存储设备52中，而不仅仅被消耗。并非立即需要的功率可以用于例如对电池充电，用于致动电水泵，用于为高效率的照明灯泡或模块供电或用于静态地产生热或冷。
现将描述与图2相关的另一个实施例。在该改型的实施例中，转子7包括具有可调节的倾角的叶片5。各叶片5由转动板6紧固至转子7。未示出的内部机构允许所述叶片5同时转动并且以所需间距相互隔开。球形构件19允许叶片5以最小的间隙变化地倾斜。
图3示出了本发明的另一个实施例，其中水力机10集成于水密容器20中以便制成组合式水力微型站。
容器20由竖直分隔壁25分成两个腔室21和22。上游腔室21和下游腔室22通过紧固至该分隔壁25的砂滤器30相连通。过滤器30为滤网或织物过滤器或其它能够保留砂和沉降物并防止其进入水力机10中的过滤器。
容器20优选靠近瀑布安装并且通过入口28接收来自安装在瀑布上游的收集器的水。优选地，容器20还包括滤网26，该滤网26用于阻挡诸如树枝、树叶和石头等粗大的固体。排放孔32允许将由该滤网26阻挡的物质不断地排出。
腔室21还允许将沉降物24倒出。砂砾石24堆积在腔室21的底部并且可通过清除闸门31而被除去。
下游腔室22包含水力机并用作虹吸管以便防止气泡进入水力机10中。未示出的阀设置成用于启动虹吸管。发电机31可以根据所需功率和发电机的尺寸而如图3所示那样设于水的顶部或外部，或如图1所示那样设于浸入水中的水密罩内部。
通过出水管28而从水力机10流出的水穿过下部腔室23行进并通过开口29排出。如果水流中断，则水坝(weir)35防止第二腔室22排空。根据有效水头高度，出水管可以向下延长以便增加水力功率。在这种情况下，其通过为此目的设置的开口而穿过容器20的底部。所使用的水可以返回至原始的水流或河流，或用于其它用途，例如用于灌溉。
任选地，对腔室21和22的压力变化敏感的、未示出的水力致动器触发清除闸门31开启，其作用在于排空腔室21中包含的沉降物和水，随后排空腔室22中包含的沉降物和水，这样就通过水流的倒流而使砂滤器30得以清洁。一旦完成清除循环，该清除闸门就自动关闭；一旦腔室21和22被自动填满，则该水力机也就被启动。
优选地，容器20通过对适当的塑料材料如ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯塑料)进行磨削/铣削而制成。在采用小型的情况下，还可以由利用玻璃纤维增强的树脂制成或通过另一种公知的方法制成。
现将参考图7和图8对本发明的另一种改型的实施例进行描述。在该改型中，水力机设于直构件40的内部。水转子4位于相对于支撑结构41的上游。水转子具有位于上游的锥形轮毂45，该轮毂45由扩散器3的固定叶片包围。发电机位于转子4内部并且包括与固定轴38固定结合的线圈定子32，该定子32由与转子4固定结合的永磁体转子33包围。
由于两个球轴承35和36，所以转子4绕着固定轴自由地转动。有利地，转子4设置于或卡合于轴38上，以便在必要时可容易地进行拆卸而无需使用工具。水的重力和动压力足以在水力机的正常运行期间保持转子4处于恰当的位置。
任选地，转子4的内部容室(volume)可由柔性垫片或其它密封装置来进行水密封。然而，本发明的水力机还可制成透水的形式以便于其制造与拆卸。在这种情况下，存在于转子4内部的空气防止水进入。设置于永磁体33之间的、向外发散的凹槽使得更容易地通过离心作用排出水。在该实施例中，线圈定子优选地覆盖于气密性树脂中以便保护线圈定子免于受到水溅射并且球轴承35也通过涂油脂而得到保护。任选地，其还可以使用密封的球轴承。
如前所述，本发明的微型站能够简单地通过选择水力机的尺寸，进而选择功率以及具有叶片的转子的间距，就可适于各种水力条件。有利地，该微型站可仅靠近河流安装而无需堤坝或可观的土木工程。

Claims (11)

1.低水头组合式水力机(10)，其包括：
至少一个水转子(4)，其位于一个轴上，可手动拆除；
至少一个用户设备(2、31、33、34)，其由该轴驱动以便转换由所述水转子(4)产生的能量；
控制模块(50)，其用于提取由所述水转子(4)产生的能量的一部分并且以预定的运行速度和力稳定所述水转子(4)的转动；
其特征在于所述水力机(10)可通过更换或调节所述水转子(4)而适合于不同的水头高度。
2.根据权利要求1所述的组合式水力机，其中所述用户设备包括发电机(31)。
3.根据权利要求2所述的组合式水力机，其中所述控制模块(50)对由所述发电机产生的电流起作用。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组合式水力机，其中由所述控制模块所提取的能量用于以下用途中的至少一种：对电池充电；在放电电阻(51)中消耗；制热或制冷；抽吸流体；抽吸饮用水。
5.根据权利要求1所述的组合式水力机，其中所述用户设备包括流体泵(33)。
6.根据权利要求5所述的水力机，其中所述控制模块(50)对由所述泵引出的水流起作用。
7.根据权利要求1所述的组合式水力机，其中所述用户设备包括设计为制冷的流体压缩机。
8.根据权利要求1所述的组合式水力机，其中所述用户设备包括热水和蒸汽发生器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组合式水力机，其中所述控制模块(50)在所述水转子的水流不发生变化的情况下保持所述运转速度和功率恒定。
10.用于与堤坝或不与堤坝一起安装的水力微型站，其包括水密容器(20)，该水密容器通过分隔壁(25)而被分成第一腔室(21)和第二腔室(22)；所述水密容器(20)包括：
入口(28)，其用于将水引入所述第一腔室(21)；
过滤器网(26)，其用于阻挡来自入口管的粗大的固体，以及倾析区(24)，其位于所述第一腔室中；
过滤器(30)，其允许所述第一腔室与第二腔室(22)相连通；
根据权利要求1所述的水力机，其设于所述第二腔室(22)中。
11.根据权利要求10所述的水力微型站，其中在所述第一腔室中包括有清除闸门(31)，该清除闸门(31)由对所述第一腔室和第二腔室之间的压力变化敏感的致动器自动地致动，所述清除闸门允许将沉降物从所述倾析区(24)除去。
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