專利名稱：組合式水力機(jī)或水電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低水頭(low-head)水力機(jī)，特別涉及一種具有能夠適于各種設(shè)施的、構(gòu)造簡單的組合式水力機(jī)。本發(fā)明的水力機(jī)特別用于、但不限于在發(fā)展中國家發(fā)電。
背景技術(shù)：
可再生能源為相當(dāng)大的資源并且完全落入到與各種污染物和CO2的排放作斗爭的能源的范圍內(nèi)。
發(fā)展中國家通常擁有豐富的、可開發(fā)的天然資源，如水和陽光。然而，當(dāng)例如面向小型燃料發(fā)電機(jī)組時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)難以廣泛地建立可再生能源。在造成這種遲滯的各原因中，一種原因可能涉及難以設(shè)計(jì)(dimensioning)、生產(chǎn)以及維護(hù)適于特定河流水力條件的傳統(tǒng)微型站。
例如，專利FR1217810描述了一種便于建造與維護(hù)的低水頭微型站。然而，這種設(shè)施相當(dāng)巨大且需要堤壩。這種投資僅適于需要至少幾百千瓦的電壓并且可利用具有足夠水流的瀑布的情況。
另外，已知有小型水電機(jī)可以靠近瀑布安裝或直接安裝于水床中并且通常由聯(lián)接至發(fā)電機(jī)的簡單推進(jìn)器構(gòu)成。這種設(shè)備的效率通常極低。而且，這些機(jī)器通常根據(jù)水頭高度和所要生產(chǎn)的電能而以可大范圍變化的轉(zhuǎn)速工作。在這些情況下，可能發(fā)生空化現(xiàn)象并導(dǎo)致這些設(shè)施出現(xiàn)故障。
已知設(shè)備的另一種不便性在于在不借助于專用裝置的情況下，通常難以進(jìn)行維修，乃至不可能進(jìn)行維修，這就限制了在發(fā)展中國家使用的可能性。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種簡單且組合式的水力機(jī)，其能夠用于小規(guī)模地發(fā)電同時(shí)保持良好的能量效率和高可靠性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種低水頭水力機(jī)，其能夠容易地適于各種水力條件，特別是適于多種水頭高度的水力條件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提出一種水力微型站，其能夠靠近瀑布安裝并且不需要堤壩。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種能夠避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)的水力機(jī)。
所述目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題所述的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求表示本發(fā)明的任選特征，特別是，所述目的通過低水頭組合式水力機(jī)來實(shí)現(xiàn)，該水力機(jī)包括至少一個(gè)水轉(zhuǎn)子，其位于一個(gè)軸上，可手動(dòng)拆除；至少一個(gè)用戶設(shè)備，其由所述軸驅(qū)動(dòng)，以便轉(zhuǎn)換由所述水轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的能量；控制模塊，其用于提取由所述水轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的能量的一部分并且以預(yù)定的運(yùn)行速度和力穩(wěn)定所述水轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述水力機(jī)通過更換或調(diào)節(jié)所述水轉(zhuǎn)子而適合于不同的水頭高度。
本發(fā)明源自以下觀察即盡管現(xiàn)有的水電機(jī)或可為高性能的水力機(jī)(其特別設(shè)計(jì)為適于確定的水頭和水流條件)，也或可為結(jié)構(gòu)非常簡單的水力機(jī)，然而在實(shí)際環(huán)境中，其效率和可靠性遠(yuǎn)離最佳性能。
由于具有對于所需的任何功率等級均設(shè)定恒定且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)裝置，所以本發(fā)明的設(shè)備可以容易地適于不同的水頭高度。在這些情況下，水力機(jī)的效率可簡單地通過選擇級別(step)和直徑適于所要求(sought)的水壓和功率的水輪機(jī)而得到優(yōu)化。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的水力機(jī)，其包括具有固定葉片的、可拆卸的轉(zhuǎn)子；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的水力機(jī)的改型的實(shí)施例，其包括具有可調(diào)葉片的、可拆卸的轉(zhuǎn)子；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的水力微型站，其包括處于水密容器中的水力機(jī)；圖4示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的水力發(fā)電機(jī)，其中剩余功率消耗于電阻組(resistance bank)中；圖5示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)流體泵的水力機(jī)；圖6示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的水力發(fā)電機(jī)，其中剩余功率用于輔助使用設(shè)備；圖7和圖8示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方案的水力發(fā)電機(jī)。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，現(xiàn)將對本發(fā)明的第一實(shí)施例進(jìn)行描述。水力機(jī)10包括位于上游的會(huì)聚漏斗(converging funnel)1，該會(huì)聚漏斗1內(nèi)部封裝有分水閘門3(distribution gate)。在本實(shí)施例中，該分水閘門包括四個(gè)固定的、傾斜的、彎曲的表面，所述表面設(shè)計(jì)成用于使漏斗1內(nèi)部下行的水產(chǎn)生循環(huán)運(yùn)動(dòng)。在該漏斗1內(nèi)部還設(shè)有由水密殼體2保護(hù)的發(fā)電機(jī)31。該發(fā)電機(jī)31由具有葉片的轉(zhuǎn)子4驅(qū)動(dòng)，所述葉片以可拆卸的方式直接緊固于轉(zhuǎn)子的軸上。錐形輪轂9和引流管(draft tube)8確保將水排放至下游。
為了簡化構(gòu)造與饋送(feeding)的目的，發(fā)電機(jī)31優(yōu)選地為聯(lián)接至適當(dāng)電容器組的標(biāo)準(zhǔn)型異步電機(jī)。水力機(jī)的尺寸取決于所述標(biāo)準(zhǔn)化電機(jī)的直徑。所產(chǎn)生的電功率可以大約在100瓦特與30千瓦之間變化。
也可以使用其它類型的電機(jī)例如永磁發(fā)電機(jī)或可變磁阻發(fā)電機(jī)，乃至在特定情況下可使用汽車交流發(fā)電機(jī)或任何其它已知的發(fā)電機(jī)。
在本發(fā)明的該實(shí)施例中，帶葉片的轉(zhuǎn)子4包括四個(gè)葉片5，所述葉片5具有固定的傾角且截面相等或近似相等。這種設(shè)置允許在轉(zhuǎn)子4的周圍采用簡單的筒形構(gòu)件18，其中相對于最佳幾何尺寸具有適度的效率損失。
現(xiàn)將參考圖4對工作點(diǎn)(working point)的調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行描述。轉(zhuǎn)子4旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)31，該發(fā)電機(jī)31在電端子32處產(chǎn)生例如240V、50Hz的交流電壓。電子調(diào)節(jié)電路50例如通過頻率測量來測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，并且在轉(zhuǎn)速超出預(yù)定的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，在電阻51處消耗一定量的能量。按照這種方式，轉(zhuǎn)子始終以額定速度和功率轉(zhuǎn)動(dòng)，而與出口端子32處所引出的功率無關(guān)。
優(yōu)選地，電路50還集成了防止過電壓、過負(fù)載的功能以及用戶設(shè)備的差動(dòng)保護(hù)功能。
一旦轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速已經(jīng)確定，就可以簡單地通過根據(jù)有效水頭高度進(jìn)而根據(jù)水壓力來選擇葉片5的傾角而優(yōu)化水力參數(shù)。
由于在本實(shí)施例中，葉片的傾角固定，所以通過從一組預(yù)調(diào)的轉(zhuǎn)子中選擇最適合的轉(zhuǎn)子來進(jìn)行優(yōu)化。
為此目的，轉(zhuǎn)子4安裝至電機(jī)31的軸上以便容易地用手動(dòng)工具進(jìn)行更換。這種設(shè)置允許快速地更換轉(zhuǎn)子以便修理故障并能夠接近電機(jī)31。
由于給定額定功率，進(jìn)而水力機(jī)的直徑確定，所以葉片5的最佳間距僅取決于水頭高度。因此可以將該信息收集于例如簡單的圖表中，以允許用戶設(shè)備根據(jù)所需功率和有效水頭高度來選擇最適宜的轉(zhuǎn)子而無需進(jìn)行任何計(jì)算。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，如圖5所示，轉(zhuǎn)子4直接驅(qū)動(dòng)流體泵33，例如用于提升灌溉所需的水或抽吸飲用水的泵。因此，本發(fā)明的這種改型的實(shí)施例直接使用由轉(zhuǎn)子4產(chǎn)生的機(jī)械能而沒有進(jìn)行電轉(zhuǎn)換。在這種情況下，通過靜水壓力閥51來實(shí)現(xiàn)以恒定的速度對工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，該靜水壓力閥51偏離朝向回流管52的所抽吸水的一部分。泵33因此在恒壓下運(yùn)行，并且其輸出與在該泵的出口34處所引出的水量無關(guān)。
在其它未示出的實(shí)施例中，本發(fā)明允許將由轉(zhuǎn)子4產(chǎn)生的機(jī)械能直接用于其它用途，例如轉(zhuǎn)子4可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或熱泵以便制冷或制熱。
在圖6所示的又一實(shí)施例中，由發(fā)電機(jī)31產(chǎn)生的過量電功率用于使用或存儲(chǔ)設(shè)備52中，而不僅僅被消耗。并非立即需要的功率可以用于例如對電池充電，用于致動(dòng)電水泵，用于為高效率的照明燈泡或模塊供電或用于靜態(tài)地產(chǎn)生熱或冷。
現(xiàn)將描述與圖2相關(guān)的另一個(gè)實(shí)施例。在該改型的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子7包括具有可調(diào)節(jié)的傾角的葉片5。各葉片5由轉(zhuǎn)動(dòng)板6緊固至轉(zhuǎn)子7。未示出的內(nèi)部機(jī)構(gòu)允許所述葉片5同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)并且以所需間距相互隔開。球形構(gòu)件19允許葉片5以最小的間隙變化地傾斜。
圖3示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中水力機(jī)10集成于水密容器20中以便制成組合式水力微型站。
容器20由豎直分隔壁25分成兩個(gè)腔室21和22。上游腔室21和下游腔室22通過緊固至該分隔壁25的砂濾器30相連通。過濾器30為濾網(wǎng)或織物過濾器或其它能夠保留砂和沉降物并防止其進(jìn)入水力機(jī)10中的過濾器。
容器20優(yōu)選靠近瀑布安裝并且通過入口28接收來自安裝在瀑布上游的收集器的水。優(yōu)選地，容器20還包括濾網(wǎng)26，該濾網(wǎng)26用于阻擋諸如樹枝、樹葉和石頭等粗大的固體。排放孔32允許將由該濾網(wǎng)26阻擋的物質(zhì)不斷地排出。
腔室21還允許將沉降物24倒出。砂礫石24堆積在腔室21的底部并且可通過清除閘門31而被除去。
下游腔室22包含水力機(jī)并用作虹吸管以便防止氣泡進(jìn)入水力機(jī)10中。未示出的閥設(shè)置成用于啟動(dòng)虹吸管。發(fā)電機(jī)31可以根據(jù)所需功率和發(fā)電機(jī)的尺寸而如圖3所示那樣設(shè)于水的頂部或外部，或如圖1所示那樣設(shè)于浸入水中的水密罩內(nèi)部。
通過出水管28而從水力機(jī)10流出的水穿過下部腔室23行進(jìn)并通過開口29排出。如果水流中斷，則水壩(weir)35防止第二腔室22排空。根據(jù)有效水頭高度，出水管可以向下延長以便增加水力功率。在這種情況下，其通過為此目的設(shè)置的開口而穿過容器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。
任選地，對腔室21和22的壓力變化敏感的、未示出的水力致動(dòng)器觸發(fā)清除閘門31開啟，其作用在于排空腔室21中包含的沉降物和水，隨后排空腔室22中包含的沉降物和水，這樣就通過水流的倒流而使砂濾器30得以清潔。一旦完成清除循環(huán)，該清除閘門就自動(dòng)關(guān)閉；一旦腔室21和22被自動(dòng)填滿，則該水力機(jī)也就被啟動(dòng)。
優(yōu)選地，容器20通過對適當(dāng)?shù)乃芰喜牧先鏏BS(丙烯腈丁二烯苯乙烯塑料)進(jìn)行磨削/銑削而制成。在采用小型的情況下，還可以由利用玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂制成或通過另一種公知的方法制成。
現(xiàn)將參考圖7和圖8對本發(fā)明的另一種改型的實(shí)施例進(jìn)行描述。在該改型中，水力機(jī)設(shè)于直構(gòu)件40的內(nèi)部。水轉(zhuǎn)子4位于相對于支撐結(jié)構(gòu)41的上游。水轉(zhuǎn)子具有位于上游的錐形輪轂45，該輪轂45由擴(kuò)散器3的固定葉片包圍。發(fā)電機(jī)位于轉(zhuǎn)子4內(nèi)部并且包括與固定軸38固定結(jié)合的線圈定子32，該定子32由與轉(zhuǎn)子4固定結(jié)合的永磁體轉(zhuǎn)子33包圍。
由于兩個(gè)球軸承35和36，所以轉(zhuǎn)子4繞著固定軸自由地轉(zhuǎn)動(dòng)。有利地，轉(zhuǎn)子4設(shè)置于或卡合于軸38上，以便在必要時(shí)可容易地進(jìn)行拆卸而無需使用工具。水的重力和動(dòng)壓力足以在水力機(jī)的正常運(yùn)行期間保持轉(zhuǎn)子4處于恰當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 任選地，轉(zhuǎn)子4的內(nèi)部容室(volume)可由柔性墊片或其它密封裝置來進(jìn)行水密封。然而，本發(fā)明的水力機(jī)還可制成透水的形式以便于其制造與拆卸。在這種情況下，存在于轉(zhuǎn)子4內(nèi)部的空氣防止水進(jìn)入。設(shè)置于永磁體33之間的、向外發(fā)散的凹槽使得更容易地通過離心作用排出水。在該實(shí)施例中，線圈定子優(yōu)選地覆蓋于氣密性樹脂中以便保護(hù)線圈定子免于受到水濺射并且球軸承35也通過涂油脂而得到保護(hù)。任選地，其還可以使用密封的球軸承。
如前所述，本發(fā)明的微型站能夠簡單地通過選擇水力機(jī)的尺寸，進(jìn)而選擇功率以及具有葉片的轉(zhuǎn)子的間距，就可適于各種水力條件。有利地，該微型站可僅靠近河流安裝而無需堤壩或可觀的土木工程。
權(quán)利要求
1.低水頭組合式水力機(jī)(10)，其包括至少一個(gè)水轉(zhuǎn)子(4)，其位于一個(gè)軸上，可手動(dòng)拆除；至少一個(gè)用戶設(shè)備(2、31、33、34)，其由該軸驅(qū)動(dòng)以便轉(zhuǎn)換由所述水轉(zhuǎn)子(4)產(chǎn)生的能量；控制模塊(50)，其用于提取由所述水轉(zhuǎn)子(4)產(chǎn)生的能量的一部分并且以預(yù)定的運(yùn)行速度和力穩(wěn)定所述水轉(zhuǎn)子(4)的轉(zhuǎn)動(dòng)；其特征在于所述水力機(jī)(10)可通過更換或調(diào)節(jié)所述水轉(zhuǎn)子(4)而適合于不同的水頭高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式水力機(jī)，其中所述用戶設(shè)備包括發(fā)電機(jī)(31)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組合式水力機(jī)，其中所述控制模塊(50)對由所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流起作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的組合式水力機(jī)，其中由所述控制模塊所提取的能量用于以下用途中的至少一種對電池充電；在放電電阻(51)中消耗；制熱或制冷；抽吸流體；抽吸飲用水。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式水力機(jī)，其中所述用戶設(shè)備包括流體泵(33)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水力機(jī)，其中所述控制模塊(50)對由所述泵引出的水流起作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式水力機(jī)，其中所述用戶設(shè)備包括設(shè)計(jì)為制冷的流體壓縮機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式水力機(jī)，其中所述用戶設(shè)備包括熱水和蒸汽發(fā)生器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合式水力機(jī)，其中所述控制模塊(50)在所述水轉(zhuǎn)子的水流不發(fā)生變化的情況下保持所述運(yùn)轉(zhuǎn)速度和功率恒定。
10.用于與堤壩或不與堤壩一起安裝的水力微型站，其包括水密容器(20)，該水密容器通過分隔壁(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)，其用于將水引入所述第一腔室(21)；過濾器網(wǎng)(26)，其用于阻擋來自入口管的粗大的固體，以及傾析區(qū)(24)，其位于所述第一腔室中；過濾器(30)，其允許所述第一腔室與第二腔室(22)相連通；根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力機(jī)，其設(shè)于所述第二腔室(22)中。
11.根據(jù)權(quán)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閘門(31)，該清除閘門(31)由對所述第一腔室和第二腔室之間的壓力變化敏感的致動(dòng)器自動(dòng)地致動(dòng)，所述清除閘門允許將沉降物從所述傾析區(qū)(24)除去。
全文摘要
低水頭組合式水力機(jī)(10)，可用于產(chǎn)生水電能量或用于直接使用機(jī)械力。所述水力機(jī)(10)設(shè)有調(diào)節(jié)元件(50)，以便以恒定速度和功率、而與用戶設(shè)備所需的瞬時(shí)功率無關(guān)地設(shè)定穩(wěn)定的工作點(diǎn)。剩余功率可以用于對電池充電，抽吸水，制冷或制熱，或者簡單地消耗于電阻(51)中。水力機(jī)(10)能夠簡單地通過以具有不同間距的轉(zhuǎn)子更換水轉(zhuǎn)子(4)或通過手動(dòng)調(diào)節(jié)水轉(zhuǎn)子(4)的多個(gè)葉片(5)就可適合于不同的水頭高度。由包括水力機(jī)(10)的水密容器(20)構(gòu)成的完整微型站可緊挨著瀑布安裝而無需使用堤壩。
文檔編號F03B11/02GK1973128SQ200480042978
公開日2007年5月30日 申請日期2004年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月6日
發(fā)明者尊－基斯托夫·馬亞莫蘭特斯 申請人:Az工程股份公司