水流能发电装置及方法与流程

1.本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种水流能发电技术。


背景技术：

2.现今往往通过修坝蓄水的方式实现水力发电，此方案工程量大，且会对河道和航道造成影响，对交通运输带来极大不便。
3.且现有水流能发电技术往往直接将水流发电机直接置入水流中获得能量，水流发电机只能收集流经其叶轮的点能量，受到水流速度的制约较大，当水流速度小于1.5米每秒时将无法实现发电，无法充分利用水流能。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的无法充分利用水流能缺点，提供了一种能够进一步利用低流速水流的水流能发电装置及方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
6.一种水流能发电装置，包括具有内腔的壳体，所述壳体上设有：
7.至少一个注水口，其位于壳体顶部，且各注水口处设有注水阀和注水结构；
8.流水口，所述流水口位于壳体两侧，且各流水口处设有开关结构，当开关结构开启后，流水口之间于壳体的内腔中形成流水通道；
9.至少一个进水口，所述进水口位于所述流水口的上方，各进水口处设有进水阀和进水管，且流水口位于进水口的边侧，进水管不阻挡水流进入流水通道；
10.各进水管的开口朝下，且进水管的内腔中设有发电组件，开口朝下的设计一方面能够发电过程中避免空气通过进水管进入壳体内腔，另一方面可根据实际需要增大发电机组的面积，提高发电效率；
11.当各注水阀、各开关结构和各进水阀处于闭合状态时，所述壳体的内腔为密封内腔。
12.作为一种可实施方式：
13.还包括控制器；
14.所述控制器分别与开关结构、注水阀和进水阀信号相连，所述控制器用于控制开关结构、注水阀和进水阀的开合；
15.所述控制器还与注水结构信号相连，所述控制器还用于控制注水结构通过注水阀和注水口向壳体的内腔中注水。
16.作为一种可实施方式：
17.还包括流速检测器，各流速检测器均与控制器信号相连；
18.所述流速检测器用于检测外部水流的流速，控制器可基于流速检测器所检测获得的流速控制开合结构的开闭，以基于气压提高发电效率。
19.作为一种可实施方式：
20.开关结构包括翻板和至少一组牵引组件；
21.所述翻板与壳体活动连接；
22.所述牵引组件固定在壳体上并与所述翻板相连，用于牵引所述翻板开合。
23.在开关结构为开启状态时，所述翻板可作为导流板，提高流水通道中水流速度，从而提高进水管中水流速度，提高发电效率。
24.作为一种可实施方式：
25.所述牵引组件包括牵引绞盘和链条，所述牵引绞盘固定在壳体上，所述链条的一端安装在所述牵引绞盘上，另一端与所述翻板相连，所述牵引绞盘通过收放链条牵引翻板开合。
26.作为一种可实施方式：
27.发电组件包括发电机、叶轮和叶轮轴；
28.所述叶轮水平放置于进水管的内腔中，且叶轮位于进水口下方，叶轮水平放置于进水管的内腔中能够使叶轮受水平均，提高其使用寿命；
29.所述发电机固定在所述进水管上，且所述叶轮轴的一端与叶轮相连，另一端穿过进水管与发电机相连。
30.作为一种可实施方式：
31.进水口位于流水口上方40cm～60cm。
32.作为一种可实施方式：
33.壳体为船形壳体，且所述壳体的内腔的形状为长方体。
34.本发明还提出一种水流能发电方法，采用上述任一所述水流能发电装置实现，包括以下步骤：
35.令各开关结构和各进水阀处于闭合状态、至少一个注水阀处于开启状态、并令注水结构通过所述注水阀和相应的注水口向壳体的内腔中注水；
36.当壳体的内腔中被水充满后，令各注水阀处于闭合状态，并令各开关结构和处于开启状态，此时流水口和进水管的开口均位于水面下，壳体的内腔顶部形成真空层，且流水口之间于壳体的内腔中形成流水通道；
37.令各进水阀处于开启状态，外部的水通过进水管、进水阀和进水口进入壳体内腔，带动所述进水管中的发电组件发电。
38.作为一种可实施方式，令各进水阀处于开启状态，外部的水通过进水管、进水阀和进水口进入壳体内腔，带动所述进水管中的发电组件发电后，还包括流速控制步骤，具体步骤为：
39.流速检测器检测外部水流的流速，并生成相应的流速信号发送至控制器；
40.当所述流速信号小于预设的第一流速阈值时，所述控制器控制各开关结构闭合，直至所述流速信号大于等于预设的第二流速阈值后，由所述控制器控制各开关结构开启，其中第一流速阈值小于等于第二流速阈值。
41.本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
42.本发明所提出的水流能发电装置在工作时，其流水口和进水口的开口位于水面以下，流水口之间形成流水通道，利用伯努利原理，流水通道中水流运动时产生的低压带走流水通道上方的水，于壳体内腔中产生真空层，从而使进水管内的水在外部大气压的作用下
快速流动从而使发电组件发电，在水流速度大于0.5m每秒时亦可发电，充分利用水流能，有效提高发电效率。
43.本发明取消隔板，且对进水口位置的设计，能够有效提高发电效率。
44.本发明通过对翻板和牵引结构的设计，不仅能于进水口处提供控制水进出的闸门，还能在开关结构开启时，提供导流板的作用，增加流水通道内水流流速。
45.本发明通过流速检测器的设计，能够基于水流速度自动控制开关结构的开闭，当水流变得平缓时(如小于0.5m/s)时能够利用壳体内腔中的真空层继续发电，进一步利用水流能。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1是本发明一种水流能发电装置的结构示意图；
48.图2是图1的a
‑
a剖视图；
49.图3是图1的b
‑
b剖视图。
50.图中：100为壳体、110为注水口、120为流水口、130为进水口、131为进水阀、200为注水结构、300为开关结构、310为翻板、320为链条、400为进水管、500为发电组件、510为发电机、520为叶轮轴、530为叶轮、1000为进水通道。
具体实施方式
51.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
52.实施例1、一种水流能发电装置，如图1至图3所示，其包括具有内腔的壳体100，所述内腔为长方体。
53.所述壳体100上设有：
54.至少一个注水口110，其位于壳体100顶部，且各注水口110处设有注水阀和注水结构200；
55.本领域技术人员可根据壳体100内腔的容积和所要求的注水时长自行设定注水口110的数量。
56.流水口120，所述流水口120位于壳体100两侧，且各流水口120处设有开关结构300，当开关结构300开启后，流水口120之间形成流水通道1000；
57.本实施例中流水口120位于壳体100相对的两侧，且位于壳体100的底部，在实际应用中，本领域技术人员可根据实际需要自行设定流水口120的位置，发电装置工作时，其流水口120在水面以下，流水口120之间形成流水通道1000即可。
58.至少一个进水口130，所述进水口130位于所述流水口120的上方，各进水口130处设有进水阀131和进水管400，本领域技术人员可根据实际需要自行设定相邻进水口130之间的间隔。
59.参照图1，本实施例中流水口120位于壳体100相对的两侧，且位于壳体100底部，流水口120的宽与其所在侧壁的宽一致；壳体100另两侧设有进水口130，即进水口130与流水口120位于不同侧。
60.各进水管400的开口朝下，且进水管400的内腔中设有发电组件500；
61.当各注水阀、各开关结构300和各进水阀131处于闭合状态时，所述壳体100的内腔为密封内腔。
62.壳体100本身具有重量，故本领域技术人员可根据壳体100的重量以及其体积、底面面积等参数设定流水口120和进水管400向下的开口的位置，以保证其在工作中位于水面以下，杜绝空气通过流水口120或进水口130进入壳体100的内腔。
63.在实际使用中，预先将壳体100的内腔灌满水(各阀门均处于关闭状态)，然后开启开关结构300，流水口120之间形成流水通道1000，外部的水流(内部即壳体100内腔的水流)通过流水通道1000后流经壳体100的内腔，基于伯努利原理，壳体100内腔中低层水流运动时产生的低压带走上层水从而产生真空层。
64.参照图2和图3，壳体100内腔从上至下依次分为真空层、中间层、流水层，其中流水层即为流水通道1000，流水通道1000的水流动时将带走中间层的水。
65.打开进水阀131后，进水管400周围的水在大气压的作用下，沿着进水管400由进水口130流出进入壳体100的内腔，进水管400内快速流动的水流将为发电组件500提供动能，以便于发电组件500将动能转换为电能，实现了发电的目的，而从进水管400进入壳体100内腔的水又将被底部流水通道1000的流水带走，从而使发电组件500持续发电的效果。
66.目前在利用水流能发电时，大多是直接把发电组件500直接放到水流中获得能量(点能量)，但此方案易受到流速的制约，当水流流速低于1.5米每秒时，水流将无法带动发电组件500发电；本实施例基于伯努利原理，通过开关结构300、进水阀131的配合工作，当外部水流的流速低于1.5米每秒时，仍能基于水流能发电，提高对低速水的利用，即本实施例中收集流过流水通道1000整个体积水流的能量，由此可见，本实施例对发电装置的设计能够把原来单个不能利用的点能量集中转化为可以利用的体能量，使收集水流能量的能级上有了质的飞跃。
67.所述开关结构300可采用现有已公开的一种阀门，闭合时能阻挡水通过流水口120流出壳体100内腔即可。
68.进一步地：
69.开关结构300包括翻板310和至少一组牵引组件；
70.所述翻板310与壳体100活动连接；
71.所述牵引组件固定在壳体100上并与所述翻板310相连，用于牵引所述翻板310开合。
72.本实施例通过对开关结构300的设计，当开关结构300打开时，翻板310起到导流板的作用，参照图2，外部使外部高于流水通道1000高度的水流在翻板310的引导下进入的流水通道1000，同时能够起到同时也起到增加流水通道1000内水流流速的作用。当开关结构300闭合时，翻板310起到闸门的作用，关闭流水通道1000，阻碍外部流水进入壳体100的内腔。
73.进一步地，所述牵引组件包括牵引绞盘和链条320，所述牵引绞盘固定在壳体100
上，所述链条320的一端安装在所述牵引绞盘上，另一端与所述翻板310相连，所述牵引绞盘通过收放链条320牵引翻板310开合。
74.参照图1和图2，当令开关结构300闭合时，牵引绞盘放链条320，翻板310收到重力的作用下放，直至其下放至竖直状态，此时其作为闸门阻挡水流进入流水通道1000，当令开关结构300开启时，牵引绞盘收链条320，翻板310下端被拉起，本实施例中令翻板310下端高于其上端，此时翻板310作为导流板引导水流进入流水通道1000。
75.进一步地：
76.发电组件500包括发电机510、叶轮530和叶轮轴520；
77.所述叶轮530水平放置于进水管400的内腔中，且叶轮530位于进水口130下方；
78.所述发电机510固定在所述进水管400上，且所述叶轮轴520的一端与叶轮530相连，另一端穿过进水管400与发电机510相连。
79.进一步地，进水管400上端开口通过进水阀131与进水口120相连通，进水管400的下端开口设有喇叭口(喇叭状的开口)，且喇叭口处设有过滤网。
80.喇叭口的设计能够引导水流进入进水管，且于喇叭口处设置过滤网，能够阻止水中杂物随着水流进入进水管。本实施例中通过对进水管400和叶轮530的设计，能够在实际使用中通过增大叶轮530面积法来增大发电功率，还能减少叶轮530的损耗，提高叶轮530的使用寿命；
81.现有技术中进水管400呈水平放置，在实际使用过程中进水管400需浸没于水，故对进水管400的宽度限制较大，无法通过增大叶轮530面积法来增大发电功率。
82.本实施例中令进水管400开口朝下，此时可根据实际需要自行增大进水管400的直径，以增大发电功率；
83.现有技术中将叶轮530竖直放入水流中，令水流流动时推动叶轮530以实现发电，当此方案中叶轮530上下受力不均，易导致叶轮530不能正常工作、影响叶轮530的工作寿命。
84.本实施例中进水管400开口朝下，且叶轮530水平放置于进水管400中，进水管400中的水流以相同的流速和压力冲击叶轮530，使得叶轮530在水平方向受力匀衡，能够延长叶轮530的工作寿命，降低维护成本。
85.参照图1，本领域技术人员可根据实际需要自行设定进水管400及发电组件500的数量，如江河流水按4米每秒流速最大功率计算，可与壳体100两侧各安装5个进水口130，每个进水口130配置一进水管400及发电组件500，在水流能量密度大的区域，10个进水阀131可以全部开启，令10台发电组件500全负荷工作发电。而在一些低水流能量密度区域，可根据实际开启部分进水阀131。
86.进一步地，本实施例中水流能发电装置还包括控制器；
87.所述控制器分别与牵引绞盘、注水阀和进水阀131信号相连，所述控制器用于控制开关结构300、注水阀和进水阀131的开合；
88.本实施例中，牵引绞盘为电动牵引绞盘，控制器基于所得的控制指令控制电动牵引绞盘收放链条320，以控制翻板310开合；
89.本实施例中，注水阀和进水阀131均为电磁阀，控制器基于所得的控制指令控制注水阀和进水阀131开启/闭合。
90.所述控制器还与注水结构200信号相连，所述控制器还用于控制注水结构200通过注水阀和注水口110向壳体100的内腔中注水。
91.本实施例中注水结构200为抽水机，所述抽水机分别与外部的水源以及注水口110相连通，当注水阀开启后，控制器基于所得的控制指令控制抽水机工作，以实现将壳体100内腔灌满水。
92.上述控制指令可为基于用户的操作所生成的控制指令、接收上位机所下发的控制指令、或基于预设的控制规则触发生成的控制指令。
93.注：外部电源为控制器、注水阀、进水阀131、注水结构200和牵引绞盘供电
94.进一步地，还包括流速检测器，各流速检测器均与控制器信号相连；
95.所述流速检测器用于检测外部水流的流速。
96.本领域技术人员可根据实际需要自行设定流速检测器的位置，其能够检测外部水流的流速即可；本领域技术人员还可根据实际需要自行设定至少一个流速阈值，以使控制器基于流速检测器检测所得的实时水流速度与流速阈值，自动控制开关结构300的开合。
97.进一步地，进水口130位于流水口120上方40cm～60cm。
98.在流水通道1000中有水流通过时，水流速度越大，壳体100的内腔中水位越低；
99.如进水口130对应中间层，通过进水管400进入壳体100内腔的水将受到中间层的水阻挡，导致进水管400中的水流因受到阻力而减低了速度，发电效率低。
100.参照图3，如进水口130对应真空层，此时进水管400的水流通过进水口130进入壳体100的内腔时将无阻碍，从而充分利用水流能。
101.但当进水口130较高时，进水管400中的水流上升的高度越高，其所要克服重力势能越大，则流水动能将越小，发电效率低；
102.综上，进水口130位于流水口120上方40cm～60cm时效果最佳，本领域技术人员可根据发电装置所在水域的水流速度，自行确定进水口130的高度。
103.公开号为cn109973286 a和cn111156126 a中公开利用潮汐能的技术方案，但其与壳体100内设有隔板，将壳体100的内腔分为第一空腔和第二空腔，流水口120位于第二空腔两侧，进水口130位于第一空腔，在实际使用过程中，隔板将阻碍进水管中流水流入壳体内腔，且外界大气压值需减去第一空腔的水位高度所产生的压强，将会大大降低进水管400中流水的速度和动能，发电效率低。
104.本实施例壳体100内无隔板，外部的水通过进水管400和进水口130直接进入壳体100的内腔，且在实际工作中壳体100内腔中的水位将低于进水口130，壳体100内腔中的水不会阻碍进水管400中水的流入，与上述公开号为cn109973286 a和cn111156126 a所公开的技术方案相比，能够将发电效率提升至80％以上；同时，拆除了隔板，既降低了建造成本，又减小了结构的复杂性，使壳体100内腔有限的空间得到更有效地利用。
105.进一步地，壳体100为船形壳体100，且所述壳体100的内腔的形状为长方体。
106.本领域技术人员可根据实际需要自行设定壳体100的形状，仅需令壳体100的内腔的形状为长方体即可。
107.现今一般通过修坝蓄水的方式实现水力发电，工程量大又影响了河道和航道，对交通运输带来极大不便，本实施例所提供的发电装置无需在对应水域开建工程，只需将制作好的发电装置拖至指定水域即可投入使用，且其位置可根据实际需要自由变换，具有较
高的可操作性、灵活性和实用性都很强。
108.且本实施例所提出的发电装置结构简单，在实际使用中可通过对老旧船只进行改造获得，建造成本低且能够对废旧船只进行再利用，建造成本低。且本实施例在水流速度大于等于0.5米每秒时均可实现发电，能够充分利用水流能，水流规律流动的水域(如内河和海洋)都可使用，适用性强，更可以为世界上一些特殊地理环境恶劣的区域，如山区、岛屿提供移动式电站。
109.在世界能源日趋紧张、环境日趋恶化的今天，本实施对水流能发电装置的设计，能够进一步对低流速的流水进行收集利用，可以实现对河流能和海洋能的深层次、大规模开发，为世界绿色能源的开发打开了一扇窗、提供一种新途径。
110.实施例2、一种水流能发电方法，采用实施例1所述水流能发电装置实现，包括以下步骤：
111.s100、令各开关结构300和各进水阀131处于闭合状态、至少一个注水阀处于开启状态、并令注水结构200通过所述注水阀和相应的注水口110向壳体100的内腔中注水；
112.注，此时壳体100的内腔中含水或不含水；
113.即，在实际使用过程中，可预先开启开关结构300、进水阀131和注水阀，由进水口和流水口为壳体注水，然后再闭合令各开关结构300和各进水阀131，利用注水结构200将壳体100的内腔灌满水；此时能够大大减少需注水结构200注入的水量，从而降低注水成本，提高注水效率。
114.s200、当壳体100的内腔中被水充满后，令各注水阀处于闭合状态，并令各开关结构300和处于开启状态，此时流水口120和进水管400的开口均位于水面下，壳体100的内腔顶部形成真空层，且流水口120之间于壳体100的内腔中形成流水通道1000；
115.本实施例中预先配置壳体100内腔的容积；由控制器由工作的注水结构200的数量计算注水量，当注水量达到所述容积时判定壳体100的内腔中被水充满；
116.在实际应用中，本领域技术人员还可通过于壳体100内腔顶部设置于控制器信号相连的液位传感器，当壳体100的内腔中被水充满后，由液位传感器向控制器发送相应液位信号，控制器基于所述液位信号判定壳体100的内腔中被水充满，还可由人工进行判定，本实施例不对其进行详细介绍。
117.令开关结构300开启后，壳体100内腔中部分水经由各流水口120流出后，外部的水将流经流水通道1000，且当流水通道1000中水流速度越大，其带走中间层的水将越多，壳体100内腔中的水位将越低，该水位即为水流速度所对应的水头；
118.当水流速度为零时，壳体100内腔中的水位高于外部水平面10m，即大气压水柱高。
119.s300、令各进水阀131处于开启状态，外部的水通过进水管400、进水阀131和进水口130进入壳体100内腔，带动所述进水管400中的发电组件500发电。
120.而打开进水阀131后，在大气压的作用下，外部的水将通过进水管400压入壳体100的内腔，而内腔中超过所对应水头的水将会被流水通道1000内的水流带走，速度越大带走越快，从而实现持续发电。
121.进一步地，步骤s300令各进水阀131处于开启状态，外部的水通过进水管400、进水阀131和进水口130进入壳体100内腔，带动所述进水管400中的发电组件500发电后，还包括流速控制步骤，具体步骤为：
122.s410、流速检测器检测外部水流的流速，并生成相应的流速信号发送至控制器；
123.s420、当所述流速信号小于预设的第一流速阈值时，所述控制器控制各开关结构300闭合，直至所述流速信号大于等于预设的第二流速阈值后，由所述控制器控制各开关结构300开启，其中第一流速阈值小于等于第二流速阈值。
124.实施例1所提出的发电装置在水流速度大于等于0.5米每秒时仍可实现发现，但在实际应用中，往往会出现水流速度小于0.5米每秒的情况，此时进水管400中水流无法推动叶轮530实现发电，且外部的水将通过各进水口130、流水口120进入壳体100内腔，直至壳体100内腔中水位高于外部水平面10m。
125.以海洋的应用场景为例，当海流方向改变时将出现半小时左右的平潮期，即海水静止期，在进入平潮期时，控制器在接收到小于预设的第一流速阈值的流速信号时，控制各开关结构300闭合，阻止外部的水通过流水口120进入壳体100的内腔，外部海水在大气压的作用以一定流速从进水管400进入壳体100的内腔，直至到达内腔中水面高于海平面10米止。
126.如各开关结构300闭合时真空层的体积为10万立方，此时5个进水量为10立方每秒的进水管400同时开启，亦可推动叶轮530运转33分钟，由此可见，本实施例通过流速控制的设计，能够进一步提高发电效率，甚至还能实现发电组件500不停止发电的效果。
127.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
128.需要说明的是：
129.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
130.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
131.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。