水力發電系統的製作方法
2023-06-06 06:31:07 2
本實用新型涉及發電技術領域，尤其涉及一種水力發電系統。
背景技術：
經過多年的發展，我國可再生能源的開發利用已取得了很大進展。其中，再生能源包括太陽能、水力、風力、生物質能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等；如何開發利用水利能源一直是開發利用再生能源的重要課題之一。
水能是一種取之不盡、用之不竭、可再生的清潔能源。水力發電(Hydroelectric power)通過利用河流、湖泊、海洋等位於高處具有勢能的水流至低處，將其中所含勢能轉換成水輪機之動能，再借水輪機為原動力，推動發電機產生電能。利用水力(具有水頭)推動水力機械(水輪機)轉動，將水能轉變為機械能，如果在水輪機上接上另一種機械(發電機)隨著水輪機轉動便可發出電來，這時機械能又轉變為電能。水力發電在某種意義上講是水的位能轉變成機械能，再轉變成電能的過程。
現有技術中為了利用天然水能，常常需要人工修築能集中水流落差和調節流量的水工建築物，如大壩、引水管涵等。然而該工程具有投資大、建設周期長等問題外，還會對破壞生態。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種水力發電系統，以解決現有技術中存在的投資大、建設周期長、破壞生態等技術問題。
本實用新型提供了一種水力發電系統，包括發電單元；所述發電單元包括水輪機、傳動裝置和發電機組，所述水輪機的輸出軸驅動連接所述傳動裝置的輸入軸，所述傳動裝置的輸出軸驅動連接所述發電機組的輸入軸；
所述水輪機包括葉轂和多個葉片；所述多個葉片均勻設置在所述葉轂的外表面上，所述葉轂與所述水輪機的輸出軸固定連接；
所述葉片的葉根與所述葉轂固定連接，所述葉片的葉面與所述水輪機的輸出軸的軸向呈第一角度設置；所述第一角度的範圍為40°-50°。
進一步地，所述的水力發電系統還包括框體和浮球，所述框體呈長方體形，所述水輪機設置在所述框體內；所述浮球設置在所述框體的上方，且與通過框體浮力連接件與所述框體連接；
所述水輪機的輸出軸通過框體支撐架與所述框體連接，且所述水輪機的輸出軸能夠相對所述框體轉動。
進一步地，所述水輪機還包括支撐架，所述支撐架與所述多個葉片固定連接。
進一步地，所述支撐架依次包括均與所述水輪機的輸出軸固定連接的第一環形架、第二環形架和第三環形架；所述第一環形架、所述第二環形架和所述第三環形架的中心均設置於所述水輪機的輸出軸上；沿垂直於所述水輪機的輸出軸的軸向，所述第三環形架的截面面積大於所述第一環形架的截面面積；
所述支撐架還包括多個連接件；所述多個連接件的一端與所述水輪機的輸出軸固定連接、且呈放射形狀設置；每個所述連接件依次固定連接所述第一環形架、所述第二環形架和所述第三環形架；每個所述連接件與所述水輪機的輸出軸之間的夾角範圍為60°-85°；
沿所述水輪機的輸出軸的軸向，所述第二環形架固定連接有多個與所述葉片角度相適應的固定架，所述葉片的葉稍與所述固定架固定連接；多個所述固定架沿所述第二環形架的周向均勻設置；所述第二環形架固定連接有多個與所述水輪機的輸出軸固定連接的連接加強件，所述連接加強件的延伸方向垂直於所述水輪機的輸出軸的軸向，多個所述連接加強件均勻設置在所述水輪機的輸出軸的圓周上；
所述葉片的葉根呈梯形，所述葉片的葉根的小截面端與所述葉轂固定連接；所述葉片的中部的寬度為0.5米-3米。
進一步地，所述水輪機用於固定在河道上；所述葉轂的軸線平行於所述河道的水流的流向；所述支撐架設置於所述多個葉片迎所述河道的水流的一面；
所述發電機組用於固定在河岸上。
進一步地，所述發電單元包括墩基礎；所述墩基礎的一端與所述河道的河底固定連接，另一端與所述水輪機的輸出軸或者所述傳動裝置樞接。
進一步地，所述傳動裝置包括傘齒輪副；
所述水輪機的輸出軸驅動連接所述傘齒輪副的主動傘齒輪，所述傘齒輪副的從動傘齒輪驅動連接所述發電機組的輸入軸。
進一步地，所述水輪機的輸出軸上固定設置有多個所述水輪機。
進一步地，多組所述發電單元的所述水輪機沿垂直於所述河道的水流的流向間隔設置。
進一步地，所述水力發電系統還包括用於固定在所述河道上的過濾裝置；所述河道的水流依次流經所述過濾裝置、所述水輪機；
所述過濾裝置包括濾網。
本實用新型提供的水力發電系統，通過水輪機、傳動裝置和發電機組，將水能轉換為水輪機的動能，在再借水輪機為原動力，推動發電機組產生電能；其中，水輪機包括葉轂和多個葉片，多個葉片均勻設置在葉轂的外表面上，葉轂與水輪機的輸出軸固定連接，其結構簡單，便於水輪機的生產加工，也便於將水輪機固定安裝在河道和洋流中上進行水力發電；通過葉片的葉面與水輪機的輸出軸的軸向呈40°-50°設置，以使水流充分接觸衝擊葉片，提高葉片轉換水能的效率，進而提高水輪機將水能轉化為機械能的效率。該水輪機結構簡單、轉化水能的效率高，進而簡化了水力發電系統的結構，降低了水力發電系統的投資以及縮減了其建設周期，使該水力發電系統可應用於不同水流、不同寬度和深度的江河、海洋。還不破壞附近的生態系統。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本實用新型實施例一提供的水力發電系統的結構示意圖；
圖2為本實用新型實施例一提供的水力發電系統的水輪機的結構示意圖；
圖3為圖2所示的水輪機的右視圖；
圖4為本實用新型實施例一提供的水力發電系統的水輪機的另一結構示意圖；
圖5為圖4所示的水輪機的支撐架的結構示意圖；
圖6為圖4所示的水輪機的第二環形架的結構示意圖；
圖7為圖4所示的水輪機的葉轂和多個葉片的結構示意圖；
圖8為本實用新型實施例二提供的水力發電系統的結構示意圖；
圖9為本實用新型實施例三提供的水力發電系統的結構示意圖。
附圖標記：
1-水輪機； 11-葉轂； 12-葉片；
13-支撐架； 2-傳動裝置； 21-傘齒輪副；
3-發電機組； 4-河道； 5-墩基礎；
131-第一環形架； 132-第二環形架； 133-第三環形架；
134-連接件； 135-固定架； 136-連接加強件；
6-框體； 61-框體浮力連接件； 62-框體支撐架；
63-框體腳墩； 64-框體固定墩； 65-固定索；
7-浮球。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
實施例一
參見圖1-圖7所示，本實施例提供了一種水力發電系統；圖1為本實施例提供的水力發電系統的結構示意圖；圖2、圖3為本實施例的水力發電系統的水輪機的結構示意圖，其中，圖3為圖2所示的水輪機的右視圖；圖4-圖7為本實施例的水力發電系統的水輪機的另一結構示意圖；圖5為支撐架的結構示意圖；圖6為第二環形架的結構示意圖；圖7為葉轂和多個葉片的結構示意圖。
參見圖1-圖7所示，本實施例提供的水力發電系統，包括發電單元；發電單元包括水輪機1、傳動裝置2和發電機組3，水輪機1的輸出軸驅動連接傳動裝置2的輸入軸，傳動裝置2的輸出軸驅動連接發電機組3的輸入軸。通過傳動裝置2以便於將水輪機1的轉動動能傳遞給發電機組3，以使發電機組3將動能轉化為電能。
水輪機1包括葉轂11和多個葉片12；多個葉片12均勻設置在葉轂11的外表面上，葉轂11與水輪機1的輸出軸固定連接，優選地，葉轂11通過平鍵與水輪機1的輸出軸固定連接；以使水流驅使多個葉片12轉動，進而通過葉轂11驅使水輪機1的輸出軸隨葉片12同步轉動。
葉片12的葉根與葉轂11固定連接，葉片12的葉面與水輪機1的輸出軸的軸向呈第一角度設置；其中，第一角度為也可以通俗的理解為葉片中線(即劍形葉片的對稱軸)與水輪機的輸出軸的軸向之間的夾角，或者葉片所在的平面與水流方向之間的夾角。第一角度的範圍為30°-60°，以使水流充分接觸衝擊葉片12，提高葉片12轉換水能的效率，進而提高水輪機1將水能轉化為機械能的效率。進一步地，第一角度的範圍為40°-50°；第一角度例如可以為40°、42°、45°、48°、50°；優選地，第一角度為45°；以使水流進一步充分接觸衝擊葉片12，進一步提高葉片12轉換水能的效率，進而進一步提高水輪機1將水能轉化為機械能的效率。
本實施例中所述水力發電系統，通過水輪機1、傳動裝置2和發電機組3，將水能轉換為水輪機1的動能，在再借水輪機1為原動力，推動發電機組3產生電能；其中，水輪機1包括葉轂11和多個葉片12，多個葉片12均勻設置在葉轂11的外表面上，葉轂11與水輪機1的輸出軸固定連接，其結構簡單，便於水輪機1的生產加工，也便於將水輪機1固定安裝在河道4和洋流中上進行水力發電；通過葉片12的葉面與水輪機1的輸出軸的軸向呈40°-50°設置，以使水流充分接觸衝擊葉片12，提高葉片12轉換水能的效率，進而提高水輪機1將水能轉化為機械能的效率。該水輪機1結構簡單、轉化水能的效率高，進而簡化了水力發電系統的結構，降低了水力發電系統的投資以及縮減了其建設周期，使該水力發電系統可應用於不同水流、不同寬度和深度的江河、海洋。還不破壞附近的生態系統。
本實施例的可選方案中，水輪機1還包括支撐架13，支撐架13與多個葉片12固定連接。通過支撐架13以提高水輪機1結構的穩定性，避免葉片12被水流衝刷變形而影響水輪機1將水能轉化為旋轉機械能的效率。其中，支撐架13的材料可以與葉片12的材料相同，也可以與葉片12的材料不同；優選地，支撐架13的材料與葉片12的材料相同，支撐架13與葉片12的材料例如可以為鑄鐵、不鏽鋼、鋁合金、玻璃鋼等等；支撐架13與多個葉片12的連接方式例如可以為螺栓連接、鉚接、焊接、粘接等等。
優選地，支撐架13依次包括均與水輪機1的輸出軸固定連接的第一環形架131、第二環形架132和第三環形架133；第一環形架131、第二環形架132和第三環形架133的中心均設置於水輪機1的輸出軸上；沿垂直於水輪機1的輸出軸的軸向，第三環形架133的截面面積大於第一環形架131的截面面積；也即該支撐架呈錐體形。
支撐架13還包括多個連接件134；多個連接件134的一端與水輪機1的輸出軸固定連接、且呈放射形狀設置；每個連接件134依次固定連接第一環形架131、第二環形架132和第三環形架133；每個連接件134與水輪機的輸出軸之間的夾角範圍為60°-85°；優選地，每個連接件134與水輪機的輸出軸之間的夾角範圍為75°-80°。通過設置該支撐架13，以保證葉片所在的平面和水流方向成40°-50°。
沿水輪機1的輸出軸的軸向，第二環形架132固定連接有多個與葉片12角度相適應的固定架135，葉片12的葉稍與固定架135固定連接；多個固定架135沿第二環形架132的周向均勻設置；優選地，固定架135的數量與葉片12的數量一一相應；優選地，固定架135呈三角形。其中，葉稍為葉片12遠離葉根的一端。
可選地，第一環形架131固定連接有多個與葉片12角度相適應的固定架，多個該固定架沿第一環形架131的周向均勻設置。
可選地，第三環形架133固定連接有多個與葉片12角度相適應的固定架，多個該固定架沿第三環形架133的周向均勻設置。
第二環形架132固定連接有多個與水輪機的輸出軸固定連接的連接加強件136，連接加強件136的延伸方向垂直於水輪機的輸出軸的軸向，多個連接加強件136均勻設置在水輪機的輸出軸的圓周上；也即第二環形架132呈輻條式。例如，連接加強件按照類似自行車輪輻條的結構設置，以保證水輪不變形。當流動的江水或海洋的洋流很深時，水輪的半徑會根據需要加長，變成10米-20米或更長，這時環形的支撐架也會根據需要變成4、5、6個或更多。輻條式環形支撐架就會根據需要向後挪動位置。
葉片12的葉根呈梯形，葉片的葉根的小截面端與葉轂固定連接，也即葉片的葉根呈劍端形；葉片的中部的寬度為0.5米-3米，也即葉片的葉根與葉片的葉稍之間的寬度為0.5米-3米；進一步地，葉片的中部的寬度為1米-2米。優選地，葉片的中部呈矩形，葉片的中部的兩邊與水輪機的輸出軸的軸向垂直。當流動的江水或海洋的洋流很深時，水輪的半徑會根據需要加長，變成10米-20米或更長。這時兩個葉片間就會出現縫隙，在縫隙中間繼續加劍形的葉片。即前端是尖三角形後面是矩形的葉片。後加的葉片固定在輪式支撐架的三角形架上。即兩個葉片間出現縫隙就繼續加新的葉片。要求相鄰兩個葉片相鄰成平行線的邊緣部分，平行線所在的平面垂直於環形支撐架所在的平面。這時水輪迎水面即無縫隙，葉片也不重疊。以保證全面的利用流過水輪的水能。
本實施例的可選方案中，水輪機1用於固定在河道4上或海洋的洋流上；葉轂11的軸線平行於河道的水流的流向，也即水輪機1的軸向平行於河道的水流的流向，以使水流充分接觸衝擊葉片12，提高葉片12轉換水能的效率，進而提高水輪機1將水能轉化為機械能的效率；支撐架13設置於多個葉片12迎河道4的水流的後面，以提高水輪機1結構的穩定性，避免葉片12被水流衝刷變形而影響水輪機1將水能轉化為旋轉機械能的效率。
可選地，發電機組3用於固定在河岸上，以降低水力發電系統建造成本，即降低將發電機組3建造在河道4內而需建造大壩、引水管涵等水工建築物的成本；還提高了發電機組3的建造速度。
本實施例的可選方案中，發電單元包括墩基礎5；墩基礎5的一端與河道4的河底固定連接，另一端與水輪機1的輸出軸或者傳動裝置2樞接，以使水輪機1的輸出軸或者傳動裝置2能夠相對於墩基礎5轉動。通過墩基礎5以將水輪機1牢固的固定在河道4中，避免湍急的水流將水輪機1衝走或者破壞水輪機1，進而破壞水力發電系統。墩基礎5的數量為多個，優選地，沿水輪機1的軸向，水輪機1的兩側均固定設置有至少一個墩基礎5，以進一步將水輪機1牢固的固定在河道4中。
本實施例的可選方案中，傳動裝置2包括傘齒輪副21；通過傘齒輪副21，以改變力的方向，即改變水輪機1的輸出軸的軸向與發電機組3的輸入軸的軸向的關係，以優化發電機組3的建造位置，進而優化水力發電系統的結構。
具體而言，水輪機1的輸出軸驅動連接傘齒輪副21的主動傘齒輪，傘齒輪副21的從動傘齒輪驅動連接發電機組3的輸入軸。需要說明的是，傳動裝置2還可以包括錐齒輪副、蝸輪蝸杆等傳動機構。
本實施例的可選方案中，水輪機1的輸出軸上固定設置有多個水輪機1。通過多個水輪機1設置在同一根軸上，以提高水能轉化為水輪機1的轉動動能的效率，進而提高水輪機1的輸出軸的轉動速度，從而提高發電機的發電效率。
由於水輪機1的轉速比較低，而且水流的流速經常變化、穩定性相對較差，以使水輪機1的轉速不穩定，進而導致發電機組3轉化電能的效率，以及影響發電機組3的工作壽命；為了解決該問題，在傳動裝置2與發電機組3之間設置一個把轉速提高到發電機組3額定轉速的變速齒輪箱；具體而言，本實施例的又一可選方案中，發電單元還包括變速齒輪箱(圖中未示出)；傳動裝置2的輸出軸驅動連接變速齒輪箱的輸入軸，變速齒輪箱的輸出軸驅動連接發電機組3的輸入軸。可選地，變速齒輪箱採用增速齒輪箱，通過該增速齒輪箱可以將較低的輸入轉速轉化為較高的輸出轉速，從而便於發電機組3獲得較高的、恆定的輸入轉速，令發電機組3將該輸入轉速的旋轉機械能轉化為電能。
本實施例的可選方案中，發電單元還包括蓄電裝置(圖中未示出)，蓄電裝置與發電機組3電連接，用於存儲發電機組3產生的電能。
本實施例的可選方案中，所述水力發電系統還包括用於固定在河道4上的過濾裝置(圖中未示出)；河道4的水流依次流經過濾裝置、水輪機1；通過過濾裝置以過濾掉河道4中的樹葉、木棒、塑料瓶等雜質，避免該雜質損壞水輪機1，進而破壞水力發電系統。
優選地，過濾裝置包括濾網。濾網的材質例如可以為尼龍、不鏽鋼、鑄鐵等。
實施例二
實施例二提供了一種水力發電系統，該實施例是在實施例一的基礎上對水力發電系統改進後的另一技術方案，實施例一所公開的水力發電系統的技術特徵也適用於該實施例，實施例一已公開的水力發電系統的技術特徵不再重複描述。
為節約篇幅，該實施例的改進特徵同樣體現在圖1-圖7中，因此，結合圖1-圖7對該實施例的方案進行說明。
圖8為本實施例提供的水力發電系統的結構示意圖。
參見圖1-圖8所示，本實施例提供的水力發電系統，包括發電單元；發電單元包括水輪機1、傳動裝置2和發電機組3，水輪機1的輸出軸驅動連接傳動裝置2的輸入軸，傳動裝置2的輸出軸驅動連接發電機組3的輸入軸。通過傳動裝置2以便於將水輪機1的轉動動能傳遞給發電機組3，以使發電機組3將動能轉化為電能。
水輪機1包括葉轂11和多個葉片12；多個葉片12均勻設置在葉轂11的外表面上，葉轂11與水輪機1的輸出軸固定連接，優選地，葉轂11通過平鍵與水輪機1的輸出軸固定連接；以使水流驅使多個葉片12轉動，進而通過葉轂11驅使水輪機1的輸出軸隨葉片12同步轉動。
多組發電單元的水輪機1沿垂直於河道4的水流的流向間隔設置。也即沿河道4的橫截面，多個水輪機1間隔設置，以充分利用水能，提高單位時間內水能轉化為旋轉機械能再轉化為電能的效率，進而提高水力發電系統的發電量。
實施例三
實施例三提供了一種水力發電系統，該實施例是在實施例一、實施例二的基礎上對水力發電系統改進後的另一技術方案，實施例一、實施例二所公開的水力發電系統的技術特徵也適用於該實施例，實施例一、實施例二已公開的水力發電系統的技術特徵不再重複描述。
圖9為本實施例提供的水力發電系統的結構示意圖。
結合圖1-圖8，參見圖9所示，本實施例提供的水力發電系統，還包括框體6和浮球7，框體6呈長方體形，水輪機1設置在框體6內；浮球7設置在框體的上方，且與通過框體浮力連接件61與框體6連接；框體浮力連接件61的長度可根據河道和洋流的深度而定。
水輪機1的輸出軸通過框體支撐架62與框體6連接，且水輪機1的輸出軸能夠相對框體6轉動。框體支撐架62可以設置在框體6的兩端，也可以設置在框體6的中間。
浮球7例如可以為保溫板材；可選地，框體6和水輪機1等通過浮球7的浮力懸浮於河道和洋流中，以使水輪機離水面較近便於安裝和維修，還不受水面風力的影響，也便於發電機在水面上固定。
可選地，框體6的底部固定有框體腳墩63，框體腳墩63的長度例如可以為0.5m。通過框體腳墩63以確保水淺時，水輪機不接觸河底。
可選地，本實施例提供的水力發電系統框體固定墩64，框體6通過固定索65與框體固定墩64連接，框體固定墩64用於固定在河岸上。通過框體固定墩64，以避免框體6隨河流、洋流移動。固定索65的長度可根據實際使用情況而定。可選地，固定索65設置有可拆卸連接點，以便於拆卸、維修。
可選地，發電機組3用於固定在框體6上方，以降低水力發電系統建造成本；還提高了發電機組3的建造速度。可選地，多組發電機組3的水輪機1沿河道或洋流的水流的流向前後、左右、上下間隔設置。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的範圍。