WO2019101102A1 - 一种低流速水力发电机 - Google Patents

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Abstract

一种低流速水力发电机，属于电力设备技术领域。该水力发电机含有承重体，与所述承重体连接的水力转轮，经所述水力转轮直接或间接驱动的发电机；所述承重体与所述水力转轮之间构成轴向约束的水平转动副；所述承重体或所述水力转轮含有浮力装置，所述浮力装置能产生消减所述承重体或所述水力转轮自重的浮力，因而提高发电效率，省去现有潮汐能发电中建堤造库的成本。

Description

一种低流速水力发电机 技术领域
本发明涉及一种发电机，尤其涉及一种低流速水力发电机，属于电力设备技术领域。
背景技术
潮汐发电是指修筑拦潮坝、坝内外涨落潮的水位差推动水轮机带动发电机、利用潮汐势能发电的方式，其装机容量和发电量通常用经验公式计算：装机容量P＝200h 2a(kW)，单向潮汐电站年发电量E＝0.40X10 6h 2a(kWh)、双向潮汐电站装机容量年发电量E＝0.55X10 6h 2a(kWh)，式中h为平均潮差(m)、a为水库面积(m 2)。由于一般h为2m左右，因此潮汐发电通常存在水头低、发电成本高的缺点，尤其是在低流速的情况下，水力发电机的起转阻力较大，进一步降低了发电效率。
虽然潮汐流的流速比可利用风速的低得多，但因为水的密度比空气大得多，因此潮汐流的能量密度与可利用风能的差别不大，若日潮的平均流速能达到1.5m/s，预计潮汐流的发电成本将比海上风电低。潮汐能资源的可利用量比风能大得多，据估计中国潮汐能资源量比风能的大近70倍。因此，急需开发出低流速高效的水力发电机。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的低流速状态下发电效率低的缺陷，提出一种可以有效提高发电效率、并省去潮汐能发电建堤造库成本的低流速水力发电机。
本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种低流速水力发电机，含有承重体，与所述承重体连接的水力转轮，经所述水力转轮直接或间接驱动的发电机；所述承重体与所述水力转轮之间构成轴向约束的水平转动副；所述承重体或所述水力转轮含有用于消减所述承重体或所述水力转轮自重的浮力装置，该浮力装置产生的浮力能减轻所述承重体或所述水力转轮的重力。申请人在长期的风力机试验、分析、研究中认识到：1)风轮启动时的风能利用系数对其重量 的敏感性超乎想象；2)虽然减轻风轮重量不能增加动力，但能减小重力所引起的转动阻力；3)低速流体的动能密度低，因而产生的动力也小；4)风轮启动时的惯性力和粘滞力小的可以忽略不计，而重力所致的转动摩擦力是削弱启动力的罪魁祸首。由于减轻风轮重量只能通过减少其质量而实现，而采用常规材料制造的风轮质量与风轮强度和刚度成正比，因此减轻风轮重量对提高风能利用系数的限制条件颇多、效果有限，采用轻质高强材料制造风轮势必会增加风力发电的成本。
基于对风力机低风速性能的多年研究积累的认知，本发明的技术方案在不减少质量、甚至质量有所增加的前提下，实现既显著减轻水力机转轮(或水轮)的重量、又确保其强度和刚度达到甚至超过相关标准规定的要求。
实现这一目的的具体技术方案如下：
含有承重体，与所述承重体连接的水力转轮，经所述水力转轮直接或间接驱动的发电机；所述承重体与所述水力转轮之间构成轴向约束的水平转动副；所述承重体或所述水力转轮含有浮力装置，所述承重体或所述水力转轮含有用于消减所述承重体或所述水力转轮自重的浮力装置。
所述浮力装置可以是内具密封空腔的部件或外置的气舱。
所述水力转轮包括与所述承重体连接的轮架和均布在轮架周边的若干叶片，所述轮架包括主轴以及一端直接或间接连接主轴、另一端直接或间接连接叶片的悬臂。例如，当悬臂通过法兰连接主轴时，悬臂与主轴的连接为间接连接；当叶片通过遮板连接悬臂时，叶片与悬臂的连接为间接连接。但两所述间接连接不限于此。
所述叶片内具密封空腔，所述叶片的空腔为整体或间隔状。
当所述主轴内具密封空腔时，所述空腔的形状为圆柱形或圆锥形。
当所述主轴的结构含有外置气舱时，悬臂的一端连接主轴或气舱；所述气舱分布在主轴的外围或下段或上段，所述气舱的外形为圆柱形，圆锥形，或球冠形。
所述悬臂内具有密封空腔结构或所述悬臂外围连接密封气舱，所述悬臂的径向截面外形或所述外围气舱的径向截面外形为椭圆形或菱形或圆角菱形。
所述承重体的安置方式包含置于水下，浮于水面，立于水底伸出水面。当所述承重体安置在水下时，所述承重体包括位于水底的基座和固连于基座的塔架，所述塔架的顶端连接所述轮架，所述轮架直接驱动发电机或通过齿轮箱驱 动发电机；当所述承重体浮于水面时，所述承重体包括若干浮筒和固连在所述浮筒上的框架，所述框架的下表面连接所述轮架，所述框架的上表面安置发电机，所述轮架的主轴上穿所述框架直接驱动发电机或通过齿轮箱驱动发电机；当所述承重体立于水底伸出水面时，所述承重体包括立于水中的若干支柱和固连在所述支柱伸出水面以上部位的框架，所述支柱的高度大于水的深度，所述支柱的底端支撑于水底，所述框架的下表面连接所述轮架，所述框架的上面安置发电机，所述轮架的主轴上穿所述框架直接驱动发电机或通过齿轮箱驱动发电机。
所述轮架周围均布二至五个叶片，分别构成二叶片转轮、三叶片转轮、四叶片转轮和五叶片转轮。
所述叶片为低流速高效叶片。
所述轮架为多层结构，所述轮架的悬臂分层布置，每个叶片均设分段，所述分段的段数与悬臂分层的层数对应，每段叶片安置在上下相邻的所述悬臂之间。
当所述承重体浮于水面时，所述承重体之间经水平框架相互连接组成漂浮式发电机群。
当所述承重体含有框架时，在所述框架上安置风力发电机，所述风力发电机经离合器与水力发电机共享一个发电机。
所述承重体还包括既成的水上载荷物。既成的水上载荷物如桥梁、码头栈桥、水文站栈桥、浮岛、灯塔、水产养殖浮箱等。
本发明在不减少质量、甚至增加质量的前提下，通过在转轮上增加外置气舱，提高转轮的质量，有效降低了在低流速状态下的起转阻力大的问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)在水力机转轮的部件中设置空腔和/或添置气舱，能使转轮产生浮力，在保证转轮强度和刚度条件下，有效减轻了转轮重量，从而显著减小了转动阻力，为提高低流速的水能利用系数创造了行之有效的条件。
2)采用申请人发明的低流速高效叶片，既无变桨系统、又能高效运行；增强了水力机的动力，显著提高了水力机的水能利用系数。
1)与2)项结合能显著提高水力发电机的低流速发电量。
3)采用垂直轴型式的水力机，无流向性要求而无偏航系统。
2)与3)项结合去掉了两套工控设备，既降低了设备成本、又减少了水中需动态密封的部件。
4)将轮架与承重体的转动连接部位置于水面之上的设计，能减小转动部的动态密封阻力(水中的动态密封要防水，其阻力大于空气中的)，有利于提高水能利用系数，并且可将发电机、变速箱、离合器等部件置于水面之上，也避免了它们的防水密封问题。
2)、3)、4)三项结合的水力发电机，水面以下无动态密封的部件，既提高了性能、又降低了维护保养成本。
5)将承重框架贴近水面的设计，能充分利用水面的水流，它的流速比水下深处的水流速度大、动能密度相对高，有利于提高发电量。
6)采用浮筒承重的设计，无水下基础而降低了成本，用锚链可锚定、用船拖可移动，因水而至方便灵活。
7)成对的双转轮水力机设计，能进一步增强水力机的动力、进一步提高水能利用系数、进一步提高发电量。
8)将水力机与风力机结合的设计，能共享承重体、发电机，因而降低成本，很适合海上风力和潮汐流发电。
9)显著降低了低流速水能的发电成本，具有先进技术的高性能低成本特征。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为本发明实施例3的结构示意图。
图4为图3的组合单元示意图。
图5为本发明实施例4的结构示意图。
图6为低流速高效FW叶片示意图。
图7为低流速高效FW叶片垂直于叶片展向的截图。
图8为外围有气舱的悬臂示意图。
图9为本发明实施例5的结构示意图。
图10为本发明实施例6的组合单元示意图。
图11为本发明实施例7的结构示意图。
图12为两种叶片的风力发电功率曲线的测试值相对比较示意图。
图13为两种叶片的单位扫风面积的年发电量E对应年均风速
Figure PCTCN2018116707-appb-000001
的比较示意图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1
本实施例低流速水力发电机如图1所示，承重体包括位于水底的基座J和固套于基座J的筒型塔架3；转轮包括轮架和三个均布在轮架周边的叶片2、每个叶片2分为上下两段，轮架包括主轴A和九个悬臂B，以及两个气舱1，悬臂B分三层布置、每层三个，两个气舱1分别置于三层悬臂B的相邻层之间，悬臂B一端与叶片2固连、另一端与主轴A固连(上、中层)或与气舱1固连(下层)，上气舱1是外面为圆锥形、内面为圆柱形的环状体，下气舱1是外面为圆柱形、内面为圆台阶柱形的环状体，上气舱1的内圆柱直径与主轴A的外径贴合并固连、下气舱1内面的小圆柱直径与主轴A的外径贴合并固连，两个气舱1还与相邻的悬臂B固连；转轮与塔架3构成轴向约束的水平转动副，主轴A的下段通过两个轴承座R转动连接于塔架3的内壁，下气舱1内面的大圆柱直径大于塔架3的外径，主轴A与塔架3的上转动连接部靠近大圆柱的顶端、下转动连接部接近塔架3的底端，防水机舱C与塔架3底端固连并防水密封，机舱C内置有变速器、发电机等部件，主轴A从轮顶一直延伸入机舱C经变速器增速驱动发电机；上转动连接部做水中动态密封。
实施例2
本实施例低流速水力发电机如图2所示，承重体包括两个浮筒H、固连于浮筒H上面的框架7；转轮包括轮架和三个均布在轮架周边的叶片2，轮架包括 主轴A、圆柱气舱1、六个悬臂B和六个挡板P，主轴A的下端与气舱1的顶端同轴线固连，三个上悬臂B内端和内段分别依次与主轴A和气舱1固连、外段连接挡板P，三个下悬臂B内段与气舱1固连、外段连接挡板P，叶片2的两端分别与上、下挡板P连接；转轮与框架7构成轴向约束的水平转动副，转轮的主轴A上端与框架7上面的机舱(图中遮挡未示出)转动连接，机舱内置变速箱发电机组件，主轴A经变速箱增速驱动发动机。
实施例3
本实施例低流速水力发电机如图3所示，它由如图4所示的水力发电机模块Φ和模块Ψ组合而成；模块Φ的承重体包括四个浮筒H和固连于浮筒H上面的水平框架7；转轮包括轮架和三个均布在轮架周边的低流速高效FW叶片2(如图6所示)且叶片2内有密封空腔Q(如图7所示)，轮架包括主轴A、圆环柱形气舱1、六个悬臂B和六个挡板P，气舱1圆环的内径与主轴A的外径贴合并固连，三个上悬臂B的内端和内段分别依次与主轴A和气舱1固连、外段连接挡板P，三个下悬臂B的内端与主轴A固连、外段连接挡板P，叶片2的两端分别与上、下挡板P连接；转轮与框架7构成轴向约束的水平转动副，转轮的主轴A上端部分穿过框架7通过两个轴承座R(下面的轴承座被遮挡未示出)与置于框架7上面的机舱C转动连接，机舱C内置变速箱发电机组件，主轴A经变速箱增速驱动发动机；模块Ψ的基本结构与模块Φ的相同，不同之处仅在于只包括两个浮筒H；模块Φ与模块Ψ配套组合成双水力发电机。
若干个模块Φ或一个模块Φ与若干个模块Ψ配套，组合成一排水力发电机，相邻转轮的旋转方向相同或相反；相邻转轮的旋转方向相反能减小各转轮旋转时对整体产生的扭矩，利于整体机组在水上漂浮的稳定性。这样一排水力发电机的布置构成排式模块，若干个排式模块彼此间隔一定的距离平行排列并链接和锚定组成单体模块的阵列，形成水上漂浮的潮汐流发电机群。模块Φ与模块Ψ之间、相邻模块Ψ之间采用铰接或柔性连接，有利于减小由于水面涨落对框 架7材料产生的疲劳损伤。
实施例4
本实施例低流速水力发电机如图5所示，其结构与实施例3的水力发电机模块Φ(如图4所示)基本相同，不同之处有两点：一是承重体包括伸入水底的四个支柱Z和固连于支柱Z顶端的框架7；二是转轮主轴A外围固连的气舱1是外面为圆锥形、内面为圆柱形的环状体。本实施例适用于较浅的水域，例如利用河流水面下的水流发电。
实施例5
本实施例如图9所示，是低流速水力发电机和风力发电机的组合例；承重体包括四个浮筒H和固连于浮筒H上面的框架7，水力机吊在框架7的下面、风力发电机坐在框架7的上面；水力机转轮包括轮架和三个均布在轮架周边的叶片2，轮架包括主轴A、主轴A上部外围固连的外面为圆锥形、内面为圆柱形的环状锥体形气舱1、三个悬臂B和三个挡板P，气舱1圆内径与主轴A的外径贴合并固连，三个悬臂B的内端与主轴A下端固连、外段连接挡板P，叶片2的上端与气舱1底面连接、下端与挡板P连接；转轮与框架7构成轴向约束的水平转动副，转轮的主轴A上端与框架7转动连接、并伸入水平框架7上面经变速箱K增速驱动发动机G。水力发电机和风力发电机各有独自的变速箱发动机组件，能同时发电。
实施例6
本实施例如图10所示，其结构与实施例5的基本相同，不同之处有两点：一是气舱1的外面为球冠形；二是水力机与风力机共享发电机G，机舱S内有离合器和变速箱，离合器控制分为三个档：水力机驱动变速箱挡、空挡、风力机驱动变速箱挡，水力机或风力机通过离合器的控制经变速箱增速驱动发电机G。水力机和风力机共用一个发电机，但不能同时发电。
实施例7
本实施例低流速水力发电机如图11所示，承重体包括桥梁和连接在桥梁下面的吊架9；转轮与图5所示实施例4的转轮相同；转轮与吊架9构成轴向约束的水平转动副，转轮主轴A的上端与安装在吊架9的机舱C转动连接，机舱C内置变速箱发电机组件，主轴A经变速箱增速驱动发动机。
水力机的性能由转轮产生的动力和转动(过程中产生的)阻力两者决定。转动阻力主要包括转轮的重量摩擦力、惯性阻力、水动阻力和粘滞阻力，在低流速时、特别是启动时，最大阻力是摩擦力，与转速无关。本发明的技术方案首先是，在转轮的部件(如主轴、叶片、悬臂等体格较大的部件)内构造密封空腔，充气或抽气的空腔在水中能产生浮力来减轻转轮的重量，如果这些空腔产生的浮力不够大或者造价高，则在主轴周围固连专用于产生大浮力的气舱来减轻转轮的重量，这体现在上述所有的实施例中，其效果是显著减小转轮重量所致的摩擦力、成倍提高转轮的转动力矩。
在上述实施例中仅示出了部分形状的气舱，气舱形状是由气舱的单位容量浮力、惯性力和水阻力综合确定；气舱所产生的浮力由其容量决定、而与形状无关，但气舱的单位质量惯性力与其形状相关、水阻力与其外形(水动阻力)和外表面积(粘滞阻力)相关，因此，选择什么样形状的气舱，要视水力发电机的大小和类型具体计算而定。如图8所示的悬臂外围气舱，调节转轮的浮力与惯性力比值的作用明显，可固连在任何一款本发明的低流速水力发电机的悬臂周围，也可采用内有密封空腔的悬臂。
转轮动力来自叶片截获的水流动能，其性能由水能利用系数量度。采用如图6和图7所示的低流速高效FW叶片，体现在实施例3、实施例4和实施例7中，效果是显著提高了水力机的水能利用系数，既无变桨系统、又能高效运行；此外垂直轴水力机无流向性要求而无偏航系统；去掉了(现有技术中的)变桨和偏航两套工控设备，既降低了设备成本、又减少了水中需动态密封的部件。低流速高效FW叶片应用在风力发电的效果见图12和图13，图12是FW叶片在X 型风轮上(本发明人技术)与NACA叶片在H型风轮上(传统技术)测量的功率曲线(P2与P1)相对比较示意图，可见P2的功率明显优于P1。图13是P2与P1得到的风能利用系数Cp值计算的单位扫风面积年发电量E随年均风速
Figure PCTCN2018116707-appb-000002
的比较示意图，可见利用FW叶片可以显著提高年发电量。
本发明还可以实施为：
轮架与承重体的转动连接部位设置于水面之上且承重框架贴近水面，水面以下无动态密封的部件，发电机、变速箱、离合器等部件置于水面之上；体现在实施例2至实施例7中，效果是既利于提高性能、又便于维护保养而降低成本，同时还能充分利用水面流速(比较水下深处的流速)大的水流，有利于提高发电量。
采用浮筒承重的设计，省去了水下基础的建设；体现在实施例2、实施例3、实施例5和实施例6中，效果是降低了成本，用锚链可锚定、用船拖可移动，因水而至方便灵活。
水力机与风力机结合的设计，能共享承重体、发电机；体现在实施例5和实施例6中，效果是降低成本，很适合海上风力和潮汐流发电。
简而言之，本发明显著降低了低流速水能的发电成本，具有先进技术的高性能低成本特征。不仅能利用资源巨大的潮汐流和海流、而且也能利用河流等低速水流发电。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (13)

  1. 一种低流速水力发电机，含有承重体，与所述承重体连接的水力转轮，经所述水力转轮直接或间接驱动的发电机；所述承重体与所述水力转轮之间构成轴向约束的水平转动副；其特征在于：所述承重体或所述水力转轮含有用于消减所述承重体或所述水力转轮自重的浮力装置。
  2. 根据权利要求2所述低流速水力发电机，其特征在于：所述浮力装置为内具密封空腔的部件或外置的气舱。
  3. 根据权利要求1所述低流速水力发电机，其特征在于：所述水力转轮包括与所述承重体连接的轮架和均布在轮架周边的若干叶片，所述轮架包括主轴以及一端直接或间接连接主轴、另一端直接或间接连接叶片的悬臂。
  4. 根据权利要求3所述低流速水力发电机，其特征在于：所述叶片内具密封空腔，所述叶片的空腔为整体或间隔状。
  5. 根据权利要求3所述低流速水力发电机，其特征在于：所述主轴的结构包括内具密封空腔，外置的气舱中的一种或组合。
  6. 根据权利要求5所述低流速水力发电机，其特征在于：当所述主轴内具密封空腔时，所述空腔的形状为圆柱形或圆锥形。
  7. 根据权利要求5所述低流速水力发电机，其特征在于：当所述主轴的结构含有外置气舱时，所述悬臂的一端与主轴或气舱固连；所述气舱分布在主轴的外围或下段或上段，所述气舱的外形为圆柱形，圆锥形，或球冠形。
  8. 根据权利要求3所述低流速水力发电机，其特征在于：所述悬臂内具有密封空腔结构或所述悬臂外围连接的气舱，所述悬臂的径向截面外形或所述外围气舱的径向截面外形为椭圆形或菱形或圆角菱形。
  9. 根据权利要求3所述低流速水力发电机，其特征在于：所述承重体的安置方式包含置于水下，浮于水面，立于水底伸出水面；当所述承重体安置在水下时，所述承重体包括位于水底的基座和固连于基座的塔架，所述塔架的顶端 连接所述轮架，所述轮架直接驱动发电机或通过齿轮箱驱动发电机；当所述承重体浮于水面时，所述承重体包括若干浮筒和固连在所述浮筒上的框架，所述框架的下表面连接所述轮架，所述框架的上表面安置发电机，所述轮架的主轴上穿所述框架直接驱动发电机或通过齿轮箱驱动发电机；当所述承重体立于水底伸出水面时，所述承重体包括立于水中的若干支柱和固连在所述支柱伸出水面以上部位的框架，所述框架的下表面连接所述轮架，所述框架的上面安置发电机，所述轮架的主轴上穿所述框架直接驱动发电机或通过齿轮箱驱动发电机。
  10. 根据权利要求9所述低流速水力发电机，其特征在于：所述轮架周围均布二至五个叶片，分别构成二叶片转轮、三叶片转轮、四叶片转轮和五叶片；所述叶片为低流速高效FW叶片。
  11. 根据权利要求9所述低流速水力发电机，其特征在于：所述轮架为多层结构，所述轮架的悬臂分层布置，每个叶片均设分段，所述分段的段数与悬臂分层的层数对应，每段叶片安置在上下相邻的所述悬臂之间。
  12. 根据权利要求9所述低流速水力发电机，其特征在于：当所述承重体浮于水面时，所述承重体之间经框架相互连接组成漂浮式发电机群；当所述承重体含有框架时，在所述框架上安置风力发电机，所述风力发电机经离合器与水力发电机共享一个发电机。
  13. 根据权利要求9所述低流速水力发电机，其特征在于：所述承重体还包括既成的水上载荷物。
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