低启动流速的自适应水流能发电装置

摘要

本发明公开了低启动流速的自适应水流能发电装置，属于水力发电领域；所要解决的技术问题是提供了一种可以用于山区灌渠、江河溪流的低流速的水流能发电的发电装置；解决该技术问题采用的技术方案为：低启动流速的自适应水流能发电装置，包括从右至左依次布置的发电机、叶轮、能量释放装置，发电机外围设置有微水头采集装置，微水头采集装置包括采集装置壳体和导流提速器，导流提速器一端与采集装置壳体相连，一端与发电机相连，叶轮外围设置有圆筒形叶轮壳，能量释放装置包括多个环形垂直轴叶轮和能量释放导流叶片，环形垂直轴叶轮与叶轮输出轴之间通过伞齿轮相连，能量释放装置外设置有能量释放壳体；本发明可广泛应用于水力发电领域。

权利要求

1.低启动流速的自适应水流能发电装置，包括发电机（1）、复合叶轮（2）、能量释放装置（3）、微水头能量采集装置（4），复合叶轮（2）包括复合叶轮轴（5）与布置在复合叶轮轴（5）上的叶轮（6），发电机（1）左侧设置输出轴，输出轴与复合叶轮轴（5）相连，复合叶轮轴（5）右侧与发电机（1）的输出轴相连，左侧与能量释放装置（3）相连，其特征在于：发电机（1）外围设置微水头能量采集装置（4），微水头能量采集装置（4）包括壳体（7）和导流提速装置（8），壳体（7）设置在发电机（1）外围与发电机（1）同轴布置，壳体（7）为开口右大左小的锥形筒体，右部大的开口为斜开口，壳体（7）为有梯度的空间椭圆形结构，导流提速装置（8）一端与壳体（7）相连，另一端与发电机（1）相连，导流提速装置（8）为导流叶片，所述的导流叶片包括固定导叶和活动导叶，所述的固定导叶与活动导叶之间通过转轴相连，导流叶片可以根据水流进行自动调节，调节角度通过综合水流参数和结构参数自适应算法进行确定，叶轮（6）外围设置有叶轮壳（9），能量释放装置（3）包括以复合叶轮轴（5）为中心行星布置的多个垂直于复合叶轮轴（5）的释放叶轮（10），释放叶轮（10）的释放叶轮轴（11）与复合叶轮轴（5）通过伞齿轮相连，能量释放装置（3）外侧设置有能量释放壳体（12），能量释放壳体（12）为左大右小的锥形壳体。

2.根据权利要求1所述的低启动流速的自适应水流能发电装置，其特征在于：所述的壳体（7）、叶轮壳（9）、能量释放壳体（12）依次相连。

3.根据权利要求1所述的低启动流速的自适应水流能发电装置，其特征在于：所述的叶轮（6）叶片数量为3，所述的叶片为水平叶轮。

4.根据权利要求1所述的低启动流速的自适应水流能发电装置，其特征在于：所述的释放叶轮（10）数量为3，所述的释放叶轮（10）的释放叶轮轴上环形布置3个翼型叶片（13），所述的翼型叶片（13）与释放叶轮过轴之间通连杆相连，翼型叶片（13）与连杆之间为铰接，所述的释放叶轮轴一端与能量释放壳体（12）内壁相接触，另一端设置伞齿轮。

5.根据权利要求1所述的低启动流速的自适应水流能发电装置，其特征在于：所述的壳体（7）材料为高分子材料，所述的发电机（1）外壳材料为合金铝材，所述的能量释放壳体（12）材料为高分子材料，所述的壳体（7）、能量释放壳体（12）外形为流线型。

6.根据权利要求1所述的低启动流速的自适应水流能发电装置，其特征在于：所述的能量释放壳体（12）右端设置有挡水圈。

7.根据权利要求1所述的低启动流速的自适应水流能发电装置，其特征在于：所述的发电机（1）为三相无刷交流发电机。

说明书

低启动流速的自适应水流能发电装置

技术领域

[0001] 本发明低启动流速的自适应水流能发电装置，属于水力发电技术领域。

背景技术

[0002] 传统的水力发电都需要拦水筑坝，工程量大且影响生态环境，河流湖泊、山区沟渠、边远溪流等水流资源比较丰富的环境，太阳能和风能在山区供电有很大的局限性，水流平流发电装置可利用水流流速和水流连续等优势，能够广泛的应用。

[0003] 长期以来，人们认为必须建造大坝以使上流江河形成一定的水位落差，从而利用这样的落差形成水头势能来发电，这样就导致多数河流中水流平缓的区域及其水的动能被忽视了，而现在江河流水的水流能以为其清洁无污染等特点，正在被逐渐的开发利用，这其中的水能源的利用正在日趋成熟，江湖、溪流、渠道水流速虽然慢，但是同样是有大量能量，但是水流速度慢，没有足够的速度对水流发电机的叶轮进行冲刷，无法带动叶轮工作，进而也无法进行发电，所以这成为一只困扰研究机构和科研人员的问题，只有增加水流的动能，以此来冲刷叶轮，叶轮获得的动能越大，其转速就会增大，进而发电机转速增大，转化的电能高，发电效果好。

发明内容

[0004] 本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种可以用于山区灌渠、江河溪流的低流速的水流能发电的发电装置。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：低启动流速的自适应水流能发电装置，包括发电机、复合叶轮、能量释放装置、微水头能量采集装置，复合叶轮包括复合叶轮轴与布置在复合叶轮轴上的叶轮，发电机左侧设置输出轴，输出轴与复合叶轮轴相连，复合叶轮轴右侧与发电机的输出轴相连，左侧与能量释放装置相连，发电机外围设置微水头能量采集装置，微水头能量采集装置包括壳体和导流提速装置，壳体设置在发电机外围与发电机同轴布置，壳体为开口右大左小的锥形筒体，右部大的开口为斜开口，导流提速装置一端与壳体相连，另一端与发电机相连，导流提速装置为导流叶片，叶轮外围设置有叶轮壳，能量释放装置包括以复合叶轮轴为中心行星布置的多个垂直于复合叶轮轴的释放叶轮，释放叶轮的释放叶轮轴与复合叶轮轴通过伞齿轮相连，能量释放装置外侧设置有能量释放壳体，能量释放壳体为左大右小的锥形壳体。

[0006] 所述的壳体、叶轮壳、能量释放壳体依次相连。

[0007] 所述的壳体为有梯度的空间椭圆形结构。

[0008] 所述的叶轮叶片数量为3，所述的叶片为水平叶轮。

[0009] 所述的导流叶片包括固定导叶和活动导叶，所述的固定导叶与活动导叶之间通过转轴相连。

[0010] 所述的释放叶轮数量为3，所述的释放叶轮的释放叶轮轴上环形布置3个翼型叶片，所述的翼型叶片与释放叶轮轴之间通过连杆相连，翼型叶片与连杆之间为铰接，所述的释放叶轮轴一端与能量释放壳体内壁相接触，另一端设置伞齿轮。

[0011] 所述的壳体材料为高分子材料，所述的发电机外壳材料为合金铝材，所述的能量释放壳体材料为高分子材料，所述的壳体、能量释放壳体外形为流线型。

[0012] 所述的能量释放壳体右端设置有挡水圈。

[0013] 所述的发电机为三相无刷交流发电机。

[0014] 采集装置壳体的外形流线参数和导流叶片的叶片形状参考水流低速时(0.35m/s)的水流梯度和水流流速大范围变化时(0.4m/s-2.0m/s)的影响，基于S1、S2流面理论计算和fluent流体软件分析进行协同设计，还综合考虑了流体连续方程、伯努利方程和下述流体理论计算公式：

[0015]

[0016] 式中，h——叶片面流面厚度；——速度势函数；x——保角平面横坐标；

[0017] y——保角平面纵坐标。

[0018]

[0019] 式中，ν——轴面速度；l——准正交线长度。

[0020]

[0021] 式中，Cp——叶片面叶片表面压力系数；p——压力；

[0022] p0——叶轮进口边断面的压力；ρ——流体密度；ν——叶轮进口边断面的绝对速度。

[0023]

[0024] 式中，θ——斜开口与水平面夹角；L——叶片弦长；N——叶片数。

[0025]

[0026] 式中， ——水流梯度；f——粘滞力；η——粘滞系数；ΔS——面积差。

[0027] 导流叶片和翼型叶片均为自适应叶片，可以根据水流进行自动调节，调节角度通过综合水流参数和结构参数自适应算法进行确定，导流叶片和翼型叶片通过叶片两侧的水流压差调节弹簧进行自适应角度调节。

[0028] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

[0029] 1、水流首先进入采集装置壳体，采集装置壳体为开口右大左小的锥形筒体，右部大的开口为斜开口，考虑到了水流在低流速微水头时，水流会在壳体的作用下进行初次加速，初次加速后的水流经过导流提速器进行二次加速，二次加速后的水流作用在叶轮上推动叶轮转动，叶轮高速转动的同时带动发电机的转轴转动，从而使发电机发电，这样就可以利用低流速进行发电。

[0030] 2、采集装置壳体为右大左小、右部为斜开口的锥形筒体，考虑到了水流梯度的影响，通过水流梯度的分析将微水头采集装置入口设计为这种结构，可以有效的增加叶轮处的水流速度。

[0031] 3、水平叶轮有三个叶片，出水区为3个区域，利用水流的流速，在3个出水区上设置有垂直于复合叶轮轴的释放叶轮，释放叶轮数量为3，每个释放叶轮轴上设置有3个翼型叶片，释放叶轮轴与复合叶轮轴相互垂直，即环形垂直叶轮能够将水平叶轮出口的高速旋转的水流进行2次能量转换，充分利用水流流速，用更低的水流启动装置，使叶轮转速加快，功率增大。

[0032] 4、翼型叶片与释放叶轮轴之间通过连杆相连，翼型叶片为可调节型翼型叶片，叶片角度可以根据水流速度调节，减少水流能量的损失。

[0033] 5、导流叶片可自适应调节，可以根据水流流速进行自适应调节，减少水流能量的损失。

[0034] 6、导流提速器一端与采集装置壳体相连，一端与发电机相连，可以作为固定发电机的支架，确保电机的稳定性。

[0035] 7、通过采集装置壳体、导流提速器的配合，可以实现低流速启动，流速在0.35m/s时就可以启动设备，现有的启动流速为0.6m/s-2.0m/s，这种低流速启动充分的利用率水流能，同时在流速为0.4m/s-2.0m/s变化时进行发电，在流速达到1.0m/s时发电功率可以达到1000W。

[0036] 8、发电机为三相无刷交流发电机，可以用于离网供电和并网供电，适用性广，灵活性高。

附图说明

[0037] 下面结合附图对本发明做进一步的说明。

[0038] 图1为本发明的结构示意图。

[0039] 图2为图1的右视图。

[0040] 图3为图1的B向视图。

[0041] 图4为图1的局部放大图。

[0042] 图中1为发电机、2为复合叶轮、3为能量释放装置、4为微水头能量采集装置、5为复合叶轮轴、6为叶轮、7为壳体、8为导流提速装置、9为叶轮壳、10为释放叶轮、11为释放叶轮轴、12为能量释放壳体、13为翼型叶片。

具体实施方式

[0043] 如图1～图4所示，本发明低启动流速的自适应水流能发电装置，包括发电机1、复合叶轮2、能量释放装置3、微水头能量采集装置4，复合叶轮2包括复合叶轮轴5与布置在复合叶轮轴5上的叶轮6，发电机1左侧设置输出轴，输出轴与复合叶轮轴5相连，复合叶轮轴5右侧与发电机1的输出轴相连，左侧与能量释放装置3相连，其特征在于：发电机1外围设置微水头能量采集装置4，微水头能量采集装置4包括壳体7和导流提速装置8，壳体7设置在发电机1外围与发电机1同轴布置，壳体7为开口右大左小的锥形筒体，右部大的开口为斜开口，导流提速装置8一端与壳体7相连，另一端与发电机1相连，导流提速装置8为导流叶片，叶轮6外围设置有叶轮壳9，能量释放装置3包括以复合叶轮轴5为中心行星布置的多个垂直于复合叶轮轴5的释放叶轮10，释放叶轮10的释放叶轮轴11与复合叶轮轴5通过伞齿轮相连，能量释放装置3外侧设置有能量释放壳体12，能量释放壳体12为左大右小的锥形壳体，壳体7、叶轮壳9、能量释放壳体12依次相连，壳体7为有梯度的空间椭圆形结构，叶轮6叶片数量为3，所述的导流叶片包括固定导叶和活动导叶，所述的固定导叶与活动导叶之间通过转轴相连，所述的叶片为水平叶轮，释放叶轮10数量为3，所述的释放叶轮10的释放叶轮轴上环形布置3个翼型叶片13，所述的翼型叶片13与释放叶轮轴之间通过连杆相连，翼型叶片13与连杆之间为铰接，所述的释放叶轮轴一端与能量释放壳体12内壁相接触，另一端设置伞齿轮，壳体7材料为高分子材料，所述的发电机1外壳材料为合金铝材，所述的能量释放壳体12材料为高分子材料，所述的壳体7、能量释放壳体12外形为流线型，能量释放壳体12右端设置有挡水圈，发电机1为三相无刷交流发电机。

[0044] 本发明在使用时，水流进入采集装置壳体中，在采集装置壳体中流动，随着流动半径逐渐减小，水流的动能逐渐增大，进行初次加速，然后通过导流提速器进行二次加速，经过二次加速后的水流作用在叶轮上推动叶轮转动，叶轮的高速转动的同时带动发电机的转轴进行转动，从而进行发电，经过叶轮后的水流通过垂直轴叶轮的作用，可以带动垂直轴转动，进而使叶轮转速加快，功率增大，进一步提高发电效率，可以使用低流速启动装置。

[0045] 导流叶片和翼型叶片可以根据导叶和叶片两侧水流的压差通过弹簧进行自力调节，调节的角度位置通过综合水流参数和结构参数自适应算法进行确定，通过采集装置壳体、导流提速器的配合，可以实现低流速启动，流速在0.35m/s时就可以启动设备，现有的启动流速为0.6m/s-2.0m/s，这种低流速启动充分的利用率水流能，同时在流速为0.4m/s-2.0m/s变化时进行发电，在流速达到1.0m/s时发电功率可以达到1000W。

[0046] 本发明可以根据不同的使用环境根据流体力学的相似理论进行放大和缩小，在江河、海洋潮汐等大型流域功率可以达到2000W-10000W，在渠道溪流等小流域里功率可以达到100W-200W，并且可以为监控、导航等系统提供24小时持续供电，采集装置的增速倍数为10-15倍，适用范围广，启动流速低。

[0047] 上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。