流水发电站的制作方法

专利名称：流水发电站的制作方法
技术领域：
本发明涉及新的理念在水利电力工程中的应用、在山区溪河流水中进行发电的技术领域。
背景技术：
水资源是宝贵的可再生资源，人们早已认识到并利用它。例如水车(用溪河流水的势能变为动能)是山区农民把它用来灌溉、碾米、造纸和磨粉等劳作的生产工具。时代的进步，使之渐渐消失。现在，在云南省丽江市还可找到它的踪迹，名胜风景区丽江大研古城口的溪河里立着二个水车，人们可以领略到这已消失的古文明风采；在浙江省瓯江支流上游楠溪江山区的一个古老自然村，传说这里的村民羡慕平原人民在河泊中游泳、赛龙舟等生活乐趣，大家动手在自己家门口的溪河里造陡门、建库区(这也许是历史上最早期的水库)。人们在库区里养鱼、划船、游泳，用库水抗旱灌溉。这个古村庄就是现在的永嘉县陡门乡陡门村。陡门的作用是蓄水和大暴雨季节排洪用。当时，是个了不起的创举，村民自豪地把村名都定为陡门村，一直沿着至今。
今天，水利事业已成为发展国民经济的重要支柱之一。抗洪、防旱、灌溉、调水、发电、护堤、疏航、养殖——等多种功能为人民造福贡献非凡。其中水电工程是水利事业中的一个重要组成部分。
水力发电是势能转变为电能的过程。建造水库，用库区蓄水的势能冲击水轮机产生运转力量，带动发电机生产电能，这是水力电站的发电方式。它具有科学性、实用性。但存在一个无法解决的问题建造库区需要占用大量土地，库水淹没了村庄和山林，导致水土流失，破坏了生态环境，并埋下安全隐患，库区大坝一旦遭遇到意外的险情，将对库区下游人民的生命、财产造成不可估量的危害。由于这个原因，使水利电力事业带来不能够可持续快速发展的后果。
另外，在水资源丰富的地方往往有许多风景优美的风景区，如国家级风景区楠溪江、长江第一湾鼎鼎有名的虎跳峡……等，如果在这些地方修建库区，意味着它们将永远消失，后人定为今天的失策而懊恼。
为此，我们提出的“流水发电站”完全不存在上述的问题，它的诞生将是发展水电工程具有现实意义的又一途径。

发明内容
在山区，地形变化复杂，一山又一山，一弯又一弯。但山间的水总要往低处流，山不转水转，经不知多少年的时光迁变和水土流失，在众山之中、山脚之下形成了一条弯弯曲曲光是石子和石块的溪河。由于地形上下差距，导致河床中的流水由上而下，时急时缓，日夜不停直奔下游江河之中。
奔腾的水流潜带着巨大的能源——势能，而能量的大小取决于地形的上下差距和水流量的多少。一旦水流到达下游静止的水面中，流动缓慢停止，势能自然消失。
由于地质结构不同，溪河里有的地段是岩石层结构，有的地段原来是泥沙石块层结构。经长期的风化和无数次山洪暴发的急烈运动，岩石层依然讫立不动。而泥沙石块层中的泥沙被冲击流失，石块的凌角被滚翻磨掉，导致河床变低，只剩下的光是形状各异、大小不一的蛋石块层。而且低于岩石层，形成二者交接地段往往有一定高度的地势差距，使经过的流水产生同样高度的水位差距。
另外，溪河的两岸，有的地段两岸都是平地(泥沙石块层结构)，或者一边是平地，一边是岩石。有的地段两岸都是岩石。同样道理，山洪暴发的急烈运动，带走大量的泥沙，使处于两岸(或者一岸)是平地地段的河床随意加宽。而两岸都是岩石的地段，两岸岩石之间的距离就是溪河的宽度，而山洪暴发的力度对它是无可奈何的，改变不了河床的宽度的。如果两岸岩石之间距离很近，那么溪河也就狭窄。这样形成了溪河有的地段河床广宽，有的地段河床狭窄。流水经过广宽的河床时慢缓，经过狭窄的河床时快急。
我们的“流水发电站”就是利用宝贵的可再生水资源，直接在自由流动的流水中获取势能而生产电能。
“流水发电站”要建在地形差距大、流水量多、常年不干不冻的溪河中。选择河床中地势高低差距大的地段(有一定高度差距的岩石层与蛋石层交接处)。在溪河旁边开挖泥土，建造电站及引水渠道。引水渠道使溪河中的水流改道，让流水进入“流水发电站”，推动水轮机运转而带动发电机发电。水流完成使命之后经出水口又重新流归下游溪河之中。
我们这一作法，必然马上遭到质疑和否定“流水发电站”只利用溪河流水能使发电机发电吗？就算能发电，能发多少电？这简直是“异想天开”！是的，也许会是异想天开，但我们有与众不同的认识大家知道，要使发电机生产电能，必须给它力量——快速运转动力。水力发电是由水轮机提供运转力量的，那么水轮机的运转力量从何而来呢？是依靠含有势能的水流量(水的重量和水流速度)对水轮机做功得到的。或者讲以每单位时间(s)里有一定重力(kg)的水流量(kg/s)源源不断地冲击水轮机叶片，而使水轮机产生运转力量。水量的多少可以用重量(T或kg)或者体积(m3)来计算，所以，流量的单位也可以用m3/S来表示。
如何能做到在每单位时间(s)里，让这么多的水流量(m3/S)对面积有限的叶片上做功(冲击)呢？只能采取“高压政策、强制手段”，使用强势能迫使水流量对水轮机叶片强烈冲击而得到快速运转。所以，到今为止，所有水力发电都是要建大坝造库区。目的是用大坝挡阻水流，让库区蓄水，把处于弱势能溪河流水变成强势能(高水头)的库水。
“流水发电站”只是利用处于弱势能的流水进行发电，能梦想成真吗？为回答清楚，先从功率的计算公式说起功率(专业上称“出力”)的计算公式N＝9.81nHQ(KW)。
式中9.81是重力加速度，n是效率，H是水头(m)，Q是流量(m3/S)。从计算公式中可以看出9.81是常数，不能改变的。设法提高效率n(改善水轮机、发电机、调速器等设备性能)，但n永远少于1(因设备存在运转磨擦阻力、自身重量等)。所以说水头H和流量Q是决定功率大小的主要因素。或者说水头和流量决定了电站的发电能力，库区全年平均水头和全年蓄水量(库容)决定了该电站的全年发电量。
假设在一条溪河(如图1)的A点建造一个库区水电站。大坝高度125米，安全警戒线120米。在库区最大蓄水高度120米时，所淹范围至溪河中的G处。使用反击型斜流式水轮机，该类型水轮机适应范围40-120米水头。由于水轮机当水头低于40米时不能产生，所以库区水头实际使用范围是120-40米之间。另外，由于季节不同，每年有多雨季节和干旱季节之分，不可能库区水位全年保持120米，假定全年平均水头为80米。
现在，如果在这条溪河里建的是“流水发电站”，在图1中同样的A点至库区水电站所淹范围的G点之间地段，建造若干个“流水发电站”，情况(库区水电站与流水发电站二者是不同性质，只能是相对比较)将会是如何呢？假定在此地段的A、B、C、D、E、F点建6座“流水发电站”。已知A点至G点地形上下差距120米，每座电站平均高度差为120÷6＝20(m)。由于地势是天然的，所以溪河的流水水位差不会改变的，6座“流水发电站”的总共水位差(水头)永远是120米。它大于库区水电站的平均水头80米。
建在A点的库区水电站，它全年蓄水量是该溪河经过A点的全年溪流量(不包括特大暴雨所发生的洪水量，因为特大洪水是人为不可抗拒的力量，每所库区水电站建造设计时考虑到库区建设成本、大坝的承压能力以及下游地区人民生命财产安全，都采取泄洪措施)。同样，建在A点的“流水发电站”，它全年所得的水流量也是该溪河经过A点的全年溪流量(特大洪水暴发时，洪水从溪河的原路泄去)。然而，B、C、D、E、F点的“流水发电站”也同时使用了该溪河的流水，6座“流水发电站”所得的水流量使用率是一座库区水电站蓄水所得水量使用率的好几倍。
所以说在同样一条溪河，同样一个范围的地段里，若干个“流水发电站”能充分利用宝贵的水资源，总水头、水流量使用率都超过库区水电站，故发电量也将超过库区水电站(暂不包括效率n在内)。这符合功率的计算公式，符合能量守恒定律。
由于“流水发电站”处于弱势能的流水中运行，其结构简单，建造周期快，而6座“流水发电站”的建设成本远远低于一座库区水电站的投入成本(要能经受高水压的大坝建造成本、防洪泄洪措施成本、淹没土地成本、移民成本和生态破坏的代价等)。所以，“流水发电站”并不是纸上谈兵，有成功实施的可行性。
至此，可得出这样的结论1.库区水电站的库水是强势能高密度能源，它是人工制造的，水头的大小是不断改变的；“流水发电站”的流水是弱势能低密度能源，它是天然永恒的，水头的大小是永远不会改变的。
2.强势能使的是冲击力；弱势能用的是推动力。
3.强势能潜力一次性发挥；弱势能潜力可逐级获取。
4.“流水发电站”最大的“缺点”是由于不能蓄存水量，发电量随流水大小而改变。但是这“缺点”完全可以克服的，因为电网中都有调峰容量。最大优点是就是不存在库区水电站无法克服的缺点。如果人们认同它、理解它、重视它，那么，“流水发电站”必定也会象库区水电站一样为水利电力事业发展做出贡献。
四

下面结合实施例及其附图对“流水发电站”再作描述。
图1是一条溪河地势示意图，图中1.库区水电站大坝；2.库水；3.溪河地势；A、B、C、D、E、F点为溪河岩石层与蛋石块交接处地段。各地段自身存在有一定高度差距，如果流水发电站建在此地段，电站的生产场地内就可得到有一定高度差距的有利条件。
假设在图中A点建一座库区水电站，库水盛水期时淹至的范围至G点。如果在A点至G点建6座“流水发电站”，因地势高低差距是天然的，故各座“流水发电站”的水头是固定的。但水流速度由于流程距离的长短及溪河弯曲等原因产生水阻，象电流受导线(电阻率、长度、截面)电阻影响一样会或多或少有所减弱。
图2是“流水发电站”实施例结构图，图中←表示流水走向； 表示洪水发生时的水流走向1.溪河；2.栏水低坝；3.引水渠道；4.进水口；5.闸门；6.通道；7.水轮机流水渠道；8.水流渠道隔梁；9.水车式拼接型水轮机组；10.增速传动机构；11.发电机房；12.出水口；13.出水渠道。工程主体(拦水低坝、引水渠道、水轮机流水渠道及出水渠道等)是用钢筋混凝土结构建成。
“流水发电站”由进水部分、水轮机运行场地部分、动力传递部分、发电机生产场地部分和出水部分等构成。
1.进水部分由拦水低坝与引水渠道组成，其作用把溪河的全部水流(包括在多雨季节溪河盛水时期的水流)改道流向电站入水口。由于实地情况各异，水流改道之后，会出现三种情况1.溪河岩石层上断流，这说明引接成功，但这种情况极少。2.岩石层上局部还有流水，那么，在这局部地方用钢筋混凝土结构加高，使水流全部引入电站。3.仍有很多流水从溪河岩石层经过，那么，在岩石层上面加建一条拦水低坝，坝的高度能做到阻挡盛水期的溪河全部水流改向流入电站即可。此坝纯是引水之用，最多只有几米高，并不是库区水电站的大坝用于蓄水。当发生洪水时，洪水仍从溪河原路向下游泄去。
2.水轮机运行场地部分由进水口、闸门、通道、水轮机流水渠道、流水渠道隔梁、水车式拼接型水轮机组和出水口组成。
进水口让流水进入水轮机流水渠道。
闸门用于控制流水渠道中的水流。
通道是供操作人员和吊车在安装、维修设备时行走之用。
水轮机流水渠道提供水轮机运转所需的流水之用。依据“弱势能潜力可逐级获取”的理念，利用电站生产场地自身存在的地势差距有利条件，把渠道建成梯级形状，每梯级都安装一排水轮机组。流水从引水渠道流向各水轮机流水渠道，经进水口、闸门沿着梯级一级一级往下流，逐级推动各梯级上的水轮机，使各梯级水轮机组都同时得到运转力量。
3.动力传动部分动力传动机构采用现代工业中的机械传动方式(链传动、带传动、齿轮传动)。由装在水轮主轴端边的主动链轮(或主动带轮)、装在发电机房运转主轴端边的从动链轮及联接它们的链条(或环形带)组成。它的作用1.改变运转速度；2.传递运转动力。把水轮机得到流水推动而产生的转动力量传送给运转主轴。
采用那种传动方式及传动速比，属设计细节，本文从略。
4.发电机生产场地部分发电机房建在不会被洪水所淹的高处，由运转主轴、若干台发电设备(发电机、离合器、调速器、励磁系统)和电站控制设备等组成。设备要按规定安装和连接。其中调速器作用是把运转主轴的运转速度调整成符合发电机所需的转速。离合器的任务是合上离合器，使发电机参与运行生产，分离离合器，使发电机停止生产。
5.出水部分流水完成使命之后从出水口出来，经出水渠道重新回归下游溪河中。
图3是水车式拼接型水轮机的结构示意图。图中←表示流水走向；4.进水口；5.闸门；11.发电机房；12.出水口；14.底座；15.螺柱；16.水轮机主轴；17.联轴器；18.轴承；19.底座上盖；20.水轮机主轴端边链轮；21.转轮支架；22.叶片；23.主动链轮；24.链条；25.从动链轮；26.运转主轴。
“流水发电站”面对一溪河大流量、低水头的流水，如何能够从中获取潜能产生运转力量呢？这是决定“流水发电站”能否真正成功的最重要、最关键问题。使用库区水电站所用的各种水轮机肯定不行，只能采用创新的特殊水轮机——水车式拼接型水轮机。
该水轮机特点1.象水车似的，水轮机转轮支架直径很大；2.转轮支架(包括装在上面的叶片)长度很长；3.用联轴器把几只水轮机拼接成一条同轴线的水轮机组。4.水轮机可在电站施工现场组装或焊接，以适应运输方便。
假设溪河在盛水期的流水截面积经测量为15平方米，如果水轮机叶片吃水高度(流水渠道水位高度)为0.5米的话，那么渠道的宽度是30米(15m2÷0.5m＝30m)。我们把流水渠道分建成3条，每条宽10米，在每条流水渠道安装叶片为10米长的水轮机，并且用2只联轴器把三条流水渠道上的水轮机连接起来，形成一条共为30米长的水轮机组。这样，可把溪河的流水“一滴不漏”全部作功(推动)于水轮机。或者讲成功地获取了流水中的潜能。
另外，根据简单的杠杆原理——作用杠杆的两个力(动力和阻力)大小跟它们的力臂成反比，其公式动力×动力臂＝阻力×阻臂(用代数式表示为F·L1＝W·L2，式中F表示动力，L1表示动力臂，W表示阻力，L2表示阻力臂)。动力臂是阻力臂的几倍，动力是阻力的几分之一。把水轮机半径(动力臂L1)做成好几米长，如同古老的水车，以小的动力(流水推力F)克服大的阻力。
采取上述二种方法，使水轮机能够经流水的推动产生慢而强有力的运转力量，并把各梯级水轮机组的运转力量合拼一起，经动力传动机构及调速器、离合器的传递，使发电机得到所需的转速和力量而产生电能。
水轮机主部件用金属材料制作，由底座、水轮机主轴、主轴端边键轮、轴承、底座上盖、转轮支架、叶片、链条、联轴器及螺柱等组成。
水轮机主轴上安装转轮支架、叶片、轴承和端边链轮。
轴承的作用使水轮机转动灵活，底座上盖和螺柱把它装紧在底座上。
水轮机整体由底座支撑，底座安装在流水渠道的隔梁上。
联轴器用于二个水轮机之间的拼接。拼接安装时，各个水轮机主轴要做到同轴线连接，能灵活运转。整体要处在同一个水平状态。
链条连接各级水轮机组的端边链轮，使各级水轮机组连接合拼同速运转。
因为各“流水发电站”的规模、装机容量、水流量、水流速度及交通运输条件等不同。所以，应制订发布实施标准，设计不同规格的水轮机，以供选择使用和日后维修。
制订标准的技术参数应包括水轮机的结构、承压能力、主轴直径、转轮支架的直径和长度、叶片的长度和宽度、叶片的吃水高度……等。
五具体实施例方式
首先，进行实地考察、测量计算。因地适宜规划设计“流水发电站”的各项具体方案1.根据溪河盛水期间的流水量、流水速度及地形差距等各种因素来确定电站的装机容量(总发电功率)。为适应流水量因季节不同而改变，需要安装几台发电机用来控制调节发电量。每台发电机功率＝总发电功率÷台数。
2.流水渠道的流水高度由水轮机叶片吃水高度所决定。渠道的流水高度＝水轮机叶片的吃水高度。
3.根据溪河盛水期间的流水截面积和流水渠道水高度的要求来决定流水渠道的总宽度。流水渠道的总宽度＝溪河流水截面积(m2)÷水流渠道的流水高度(m)。
4.根据流水渠道总宽度和水轮机的长度决定流水渠道的条数。流水渠道的条数＝流水渠道总宽度÷水轮机的长度。
5.每条流水渠道前面安装一个闸门。
6.梯级的高度要大于水轮机叶片的吃水高度(流水渠道的水位高度)。因为水轮机投入使用，增加了流水阻力，水位自然升高。如果水位上升超过梯级高度是不行的，会对上级的水轮机运转产生影响，所以只有低于梯级高度，才会互不干涉。但梯级不能太高，只要略高于水轮机投入运行后的水位即可。太高的话，浪费资源的利用，会减少梯级的级数。
7.根据电站场地的自身存在的地势差距和梯级高度决定梯级级数。级数＝场地自身的地势差距÷梯级高度。
电站正式生产时，根据溪河流水量，调节控制发电量，进行全天候不间断生产1.当溪河盛水期间，打开所有闸门，让每条流水渠道上各级水轮机都参与运行。同时，让每台发电机也都参与发电。此期间，电站发电处于最佳状态。
2.当溪河流水有所减少，影响水轮机叶片的吃水高度时，关上离发电机房最远的流水渠道前面的闸门，让处于此渠道上的每级水轮机停止运行(拆下联轴器)，使其它流水渠道增加水位，确保运行中的水轮机组正常运转。
当溪河流水再次减弱时，采取同样办法(关上相邻渠道前面的闸门……)。
3.减少了水轮机参与运行，必然影响运转主轴的运转力量。要根据运转力量的大小，经离合器的操纵来增减发电机台数，以确保发电质量和确定发电量的多少。
权利要求
1.流水发电站利用可再生水资源，直接在山区溪河流水中获取势能进行生产电能的水力发电工程，其技术特征选择溪河中地势高低差距大的地段，在河床旁边建造电站。电站包括进水部分、水轮机运行场地部分、动力传递部分、发电机生产场地部分和出水部分。进水部分由拦水低坝和引水渠道组成。其作用把溪河的全部流水引进水轮机运行场地。水轮机运行场地部分由进水口、闸门、通道、水轮机流水渠道、流水渠道隔梁、水车式拼接型水轮机组和出水口组成。其作用用渠道中的流水推动水轮机组，使水轮机得到慢而强有力的转动力量。根据溪河流水量和水轮机的长度，把流水渠道建成若干条，每条渠道上都安装水轮机，相邻间的水轮机用联轴器联接，形成一条与流水一样宽的水轮机组，使溪河流水全部作功(推动)于水轮机。根据场地自身地势高度差距和水轮机叶片吃水高度把流水渠道作成梯级形状，并且每梯级都安装一排水轮机组。流水从进水口进来，顺着梯级一级一级往下流，流水推动各梯级上的水轮机组，使之运转。因为弱势能的流水允许多次获取潜能。所以，多级水轮机组投入使用能使发电机得到更大的运转力量。动力传递部分由装在水轮机端边的主动链轮、装在发电机房运转主轴端边的从动链轮、以及联接它们的链条组成(或着采用带转动方式)。它的作用1.改变运转速度；2.传递运转力量，把水轮机的运转力量传递给运动主轴，经变速器、离合器的操纵，使发电机得运转力量而发电。发电机生产场地部分发电房建在不会被洪水所淹的高处。设备由运转主轴、多台发电机、调速器、离合器、励磁系统和电站控制设备等组成。设备按规定安装和连接。其中调速器作用是把运转主轴的转速调节成符合发电机所需的运转转速。离合器的作用合上离合器使发电机参与运行发电，分离离合器使发电机停止运行。出水部分完成发电使命的流水经出口流出，由出水渠道引送，重新回归下游溪河之中。
2.水车式拼接型水轮机组一种依靠水量的推动为动力的特殊水轮机。其技术特征根据杠杆原理，把水轮机转轮支架的半径做成好几米长，象古老的水车似的。其目的以长的动力臂(支架半径)、小的动力(流水推动力)克服大的阻力。由于水轮机处于弱势能低密度的流水中使用，只能依靠水的重量(重力)推动而运转，不可能象库区水电站所用的各种类水轮机那样，有限面积的叶片上能在暂短时间里依靠库水高水头强势能而得到很多水量快速冲击而运转。该水轮机有自己的办法把叶片面积加大(长度加长)，照样能使水轮机在暂短时间里得到很多水量的推动，产生慢速而强有力的运转力量。以适应运输方便，水轮组采用组装方式，可在施工现场组装和焊接。水轮机由底座，水轮机主轴、转轮支架、叶片、轴承、底座上盖、水轮机主轴端边链轮、键条、螺柱和联轴器等组成。水轮机主轴上安装转轮支架、叶片、轴承、端边链轮。轴承的作用使水轮机转动灵活，底座上盖和螺柱把它装紧在底座上。水轮机整体由底座支撑，底座安装在流水渠道的隔梁上。联轴器用于二个水轮机之间的拼接。把各个水轮机拼接成一条同轴线的水轮机组。链条连接各级水轮机组的端边链轮，使各级水轮机组连接合拼同速运转。因为各“流水发电站”的规模、装机容量、溪河水流量、水流速度及交通运输条件等不同。所以，应制订发布实施标准，设计不同规格的水轮机，以供选择使用和日后维修。
全文摘要
流水发电站直接在溪河流水中获取势能进行发电。选择溪河地势差距大的地段，在河床旁边建造电站。电站由进水部分、水轮机运行场地部分、动力传递部分、发电机生产场地部分和出水部分等组成。溪河流水引接到水轮机运行场地，推动水轮机组运转后重新回归下游溪河中。应用以流水推力为动力的水车式拼接型水轮机和逐级多次获取流水潜能的方法，以及传动机构、调速器等的操纵，使发电机得到充够的动力(所需的转速和力量)，进行全天候生产电能。根据不同时期的溪河流水量增、减发电机台数，确保发电质量和确定发电量的多少。
文档编号E02B9/00GK101054948SQ20071010661
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月21日 优先权日2007年5月21日
发明者胡碎芬, 胡赞峰, 叶青, 叶建华 申请人:胡碎芬, 胡赞峰, 叶青, 叶建华