一种水上发电群的制作方法

1.本发明涉及水力发电技术领域，具体涉及一种大型发电系统的水上发电群。
技术背景
2.水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，便于进行电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益，与其它发电技术相比较具有十分明显的发展优势。采用这种筑坝方式的水力发电效益很好，但投资大、耗费的时间长、淹没土地资源、需要移民等，工程量极大，对周围环境造成影响。即使通过几十年的发展，水能资源的利用率还是很，2020年中国水流发电装机容量达35990 万千瓦，水力发电量为13552.1亿千瓦时，水力发电量占总发电量的17.4％。水电站利用的是坝上高水位的水势能转换为动能，从坝口喷出时冲击发电机而发电，此时只是瞬时利用了水的动能，虽然发电量很大，但是水能的利用率很低，大部分的能量从坝口喷出后却被闲置了。没有修水电站的河道的河道成千上万，其流水的动能极大，也被闲置了。有很多小水电因为筑坝而影响下游生态，逐渐被废弃，回归无坝的自然水流状态。如果这些被闲置的水能资源被有效利用，则水力发电量将成倍增加。
3.已经有很多利用流水发电的专利，均为单台设备或装置，即使能发电，也没有多大发电能力。水上发电装备总成能否长期发电，关键在于发电装备总成能否长期稳定的固定在流水缓急的河床上。大多数专利都没有涉及发电装备总成的固定，即使有涉及固定的专利，有的是设计一个船锚，有的采用钢绳和铁锚固定浮台，有的是用一个钢丝绳恒向固定在河床两边的岸上，在钢丝绳上安装用一根拉索固定发电机。这些方式都是临时固定，不适合长期使用。尤其是多台发电装备总成的发电群的固定，是涉及能否长期安全运行的大问题。经估算，一台100kw 的水上发电装备总成在水流速度为2～5米/秒时，固定发电装备总成所需的拉力有15～40吨，如果每台发电装备总成用一个锚固定，很难在河床上形成整体高效的发电群。如果用一个固定桩，套两根拉索，前后固定20台100kw的发电机组，固定桩需承受的拉力在1000吨以上，两根拉索需承受的拉力在500吨以上。如果达不到要求，一旦固定桩松动或拉索断裂，将会出现灾难性后果。因此，对于水上发电群，固定桩的设置、拉索的设计、浮坞的固定及水位高低要接、以及多台发电装备总成的合理连接等，直接影响发电群能否长期运行。


技术实现要素：

4.为了解决有多台发电装备总成的发电群能在河道上有整体发电效率和长期安全发电的问题，本发明对多台发电装备总成的布置，固定桩的设置、主拉索及分支拉索的设计、浮坞的固定和水位的自动调节、发电装备总成并联等问题进行系统研究，根据水流的力学特性、河流的不同水面比降、洪峰及枯水等不确定性，设计一种水上发电群及安装方法。
5.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
6.一种水上发电群，由发电装备阵列、固定桩与拉索构成，所述发电装备阵列由两台或两台以上发电装备总成通过串联或并联组成，每台发电装备总成正对河流的水流方向；
所述发电装备阵列由若干发电装备总成左右相邻、互相平齐、并联形成横排；所述发电装备阵列沿河流方向设有若干发电横排，下一个发电横排的单个发电装备与上一发电横排的单个发电装备由拉索串联连接形成竖行，下一个发电横排与上一发电横排之间留有间距；所述发电装备阵列通过固定桩与拉索固定在河流上。
7.优选的，所述固定桩固定安装在河流上游，所述固定桩高出河床，有一个或若干个，每个固定桩的承载拉力在100吨以上。
8.优选的，所述拉索包括主拉索、分支拉索，所述主拉索由绳索对折制成，所述主拉索的对折处设有一个主拉索环，所述主拉索环套装在固定桩上，每个固定桩与两根或多根主拉索相连；所述分支拉索的端头设有一个分支拉索环，所述主拉索上安装有若干分支拉索，所述主拉索穿过分支拉索上的分支拉索环与分支拉索相连，所述主拉索与分支拉索环连接处用夹具夹紧固定。
9.优选的，所述主拉索的承载拉力为50吨以上，所述分支拉索的承载拉力为 10～30吨；所述主拉索、分支拉索为碳纤维拉索、超高分子量聚乙烯拉索、芳纶拉索或尼龙拉索。
10.优选的，所述发电装备总成包括左浮坞、右浮坞、发电机、滚轮式叶轮、主轴、左轴承座、右轴承座，所述滚轮式叶轮安装在主轴上，所述主轴通过左轴承座、右轴承座分别安装在左浮坞、右浮坞上，所述滚轮式叶轮位于左浮坞、右浮坞的中间位置，且所述滚轮式叶轮正对河流的水流方向，所述主轴的一端通过联轴器或变速箱与发电机的输入轴相连；所述左浮坞、右浮坞的侧边均设有两根分支拉索，所述分支拉索的一端与主拉索固定相连，所述分支拉索的另一端被缠绕在转盘上，每台发电装备总成均由四根分支拉索分左右两侧调节固定；所述左浮坞、右浮坞上均安装有用来测量浮坞水位高低的水位传感器，所述水位传感器向物联网网关上传数据，由物联网网关控制水位调节器上的转盘转动，通过转盘转动调节分支拉索的长短，实现自动调节浮坞水位。
11.优选的，所述每一横排的发电装备下方的河床上修筑一个由石块或混凝土形成的导流坡，导流坡抬高水位，提高流经发电装备叶轮的进、出水的落差，以提高水能转换为机械能的转换效率，提高发电效率。
12.优选的，所述发电装备总成的左浮坞或右浮坞的前后位置安装有连接板，所述连接板将相邻的两台发电装备总成连接固定在一起。
13.优选的，每台发电装备总成的发电机均与输电线相连，所述水上发电群的每台发电装备总成上的输电线并联在一起，形成一根总输电线升压并入电网。优选的，所述发电装备总成或主拉索上安装有拦截除杂装置。
14.本发明采用如下方式实施：
15.1.水上发电群的布局。
16.对于发电群在河床上的布局要考虑的因素有水流速度的影响：水流速度越快，其动能越大，其发电量也越多。相反，流速越慢发电量越少。
17.本发明发电装备总成横排的布局：如果没有行船(如堤坝式发电站的尾水段)，考虑到滚轮式叶轮对水流的阻力，防止水的外溢，应保持左右发电装备总成平齐并尽可能装满河床，每一排发电装备总成似乎形成一个微型拦河坝；如果有行船，则要留出行船的空间。本发明优选无行船的河道以及水电站的尾水地段。
18.本发明发电装备总成竖向的布局：对于上下游布置的发电装备总成，下游发电装
备总成的水流速度有减慢，滚轮式叶轮转速减慢，发电量会减少，发电装备总成上安装有水流速度传感器和网关，控制平台根据每台发电装备总成的水流速度，给出指令自动调节发电机转速器，以便满足发电要求。本发明的水上发电群是沿河床安装的多个发电矩阵，当水流速度慢到不能让发电装备总成产生发电经济效益时，下游即停止安装发电装备总成。当河床拐弯时或竖向发电装备总成累计货载达到拉索或固定桩的货载时，重新设置固定桩，重新布置发电矩阵。
19.2.水上发电群的固定。
20.本发明设计低矮的固定桩、主拉索、分支拉索。按照本发明设计的发电群，两根主拉索设置在发电装备总成浮坞两边固定拉住发电装备总成，沿途拉住20 台100kw的发电装备总成，则每根拉索需要承受的拉力至少为500吨，一个固定桩上套装两根拉索，则每个固定桩需要承受的拉力至少为1000吨。固定桩如果高出地面，水对固定桩有冲击力，因此，将固定桩设计为低矮状，稍高出地面即可。主拉索拉住的发电装备总成台数越多，投资成本越低，固定桩、主拉索所需承受的固定拉力就越高。
21.3.发电装备总成稳定与水位的调节。
22.单台发电装备总成在水上，稳定性受水流速度的影响，尤其是水流速度大时，对发电装备总成的冲击会很强。为了应对高水流速度的影响，本发明设计将横排的发电装备总成通过锁扣将左右相邻发电装备总成连成整体，以便稳定发电装备总成。
23.本发明一台发电装备总成两侧各设计两根分支拉索，那么，每台发电装备总成有四根分支拉索，分支拉索一端固定在主拉索上，另一端缠绕在拉索升缩机转盘上。每个发电装备总成上安装有水位传感器、物联网网关，物联网网关获取的水位高低数据发送至控制平台，系统根据数据给拉索升缩机发出指令，指令拉索升缩机控制分支拉索的长短，实现自动调节浮坞的水位高低，以便稳定发电装备总成并使滚轮式叶轮处于最佳发电水位。
24.4.拉索的设计。
25.主拉索是由拉绳对折后制成，并在对折处部分不织在一起，保留一个环。将拉索的环套挂在固定桩凹槽里，固定主拉索的上端，主拉索下端用于固定发电装备总成。
26.分支拉索也是由拉绳对折后制成，在对折处保留一个环，使用时，主拉索穿过分支拉索的环，用夹具夹住分支拉索，固定分支拉索的主拉索端；主拉索与分支拉索长期浸泡在水里，主拉索与分支拉索的耐腐蚀性是发电群能否长期使用的主要保障。本发明选用非金属的碳纤维拉索、超高分子量聚乙烯拉索、芳纶纤维拉索或尼龙纤维拉索。
27.5.人工智能控制。
28.本发明在每个发电装备总成上安装水流流速传感器、滚轮式叶轮转速传感器、浮坞水位传感器、物联网网关，将采集的各种数据和发电量数据通过nb-lot 或g4发送至控制平台，实现人工智能管理，减少运行成本。
29.6.升压并网。
30.水上发电群的单台发电装备总成上的输电线并联在一起，升压至上网电压，连接电网。
31.本发明的发电群具有如下效果：
32.1.水上发电群利用江河里流水的动能发电，只减少水的流速，不影响水的流量，不改变现有河床，不需截流，不影响生态，不需要移民。
33.2.水上发电群在不影响行船的情况下，可以顺流而下沿江河而长距离安装。
34.3.与现有水电站相比，投资可多可少，上马快，发电装备总成可逐步累加。
35.4.水上发电群的投资低于5000元/千瓦，比水电站发电，比风力发电，比太阳能发电的投资成本均低。水上发电群的发电实现人工智能管理，运行成本低，经济效益好。
36.5.江河的流水经过发电群后，速度减慢，在洪水期间能减缓洪水的侵害。
37.6.一台滚轮式叶轮直径为8米的水上发电装备总成的装机容量为100kw，安装在水流速度为1～4米/秒的水上，发电量可达20～100kw。如果一个发电群有 500台发电装备总成，则发电装机容量可达5万千瓦，如果有1000个500台发电装备总成的发电群，其发电装机容量可以达5000万千瓦。
附图说明
38.图1是实施例1的水上发电群的结构示意图。
39.图2实施例2的水上发电群的结构示意图。
40.图3是水上发电群的纵向剖视图。
41.图4是发电装备总成的主视图。
42.图5是发电装备总成的俯视图。
43.图6是固定桩与主拉索、分支拉索的连接示意图。
44.图7是分支拉索与浮坞的连接示意图。
45.图8是相邻两个浮坞的连接示意图。
46.附图中：
47.1.固定桩；2.主拉索；3.导流坡；4.分支拉索；5.滚轮式叶轮；51.转动轮；52. 叶片；6.固定件；7.伺服电机；8.转盘；9.左浮坞；10.发电机；11.连接板；12. 右浮坞；13.主轴；14.左轴承座；15.右轴承座；16.发电横排；17.发电装备总成。
具体实施方式
48.如下实施列中所述的水上发电装备总成是指上述任一一种总成，为简化起见，将水上发电装备总成画成简化图。
49.实施例1
50.如图1、图3所示，一种水上发电群，包括固定桩1、主拉索2和分支拉索 4、发电装备阵列。所述固定桩1通过拉索与发电装备阵列相连，所述发电装备阵列漂浮在河流上，所述发电装备阵列由若干发电装备总成17通过串联或并联组成，每台发电装备总成17正对河流的水流方向。
51.如果水流速度低于2米/秒处，则在每台发电装备总成17下方的河床上修筑一个石块或混凝土的导流坡3，导流坡3抬高水位，提高电装备叶轮的进、出水的落差，以提高水能转换为机械能的转换效率，提高发电效率。
52.在施工时，先选择好将要安装水上发电群的河流或堤坝式发电站的尾水处，在发电装备总成17的上游位置通过打桩或浇筑等方式修筑好固定桩1，所述固定桩1的拉力在1000吨以上。根据河床的宽度设置若干固定桩1，在本实施例中以20个固定桩1为例。
53.如图1、图6所示，将承载250吨以上的拉绳对折后制成承载500吨以上的主拉索2，
在对折处形成一个主拉索2环，所述主拉索2环的大小与固定桩1 相适配，所述主拉索2环套装在固定桩1上。每个固定桩1上套装两根或多根主拉索2，所述主拉索2顺流而下，在固定桩1下游50米处的两根主拉索2上，每根主拉索2相隔5米位置，套上两根分支拉索4，所述分支拉索4的承载拉力为10～30吨。所述分支拉索4也是由拉绳对折后制成，在对折处设置一个分支拉索4环，经主拉索2穿过分支拉索4环并用固定件6固定分支拉索4环的这一端，所述固定件6为夹具、锁具、套环等。所述主拉索2、分支拉索4为碳纤维拉索、超高分子量聚乙烯拉索、芳纶拉索或尼龙拉索。每隔20米安装一组分支拉索4(每组为两根分支拉索4)，每组分支拉索4之间相隔4米，重复安装20组。将发电装备总成17放入两根主拉索2之间，使每台发电装备总成17的两侧各有一根主拉索2、两根分支拉索4。
54.如图4、图5、图7所示，每台发电装备总成17均由左浮坞9、右浮坞12、发电机10、滚轮式叶轮5、主轴13、左轴承座14、右轴承座15组成。所述滚轮式叶轮5为由转动轮51、若干叶片52构成，所述转动轮51为圆形的盘状或轮状结构，采用金属材料通过铸造或机加工制作而成，所述叶片52呈辐射状均匀安装在转动轮51上，所述叶片52与转动轮51之间通过焊接、铆接、螺栓连接或其它方式相连。所述转动轮51通过焊接、花键连接或其它方式安装在主轴13 上，所述主轴13的两端分别安装在左轴承座14、右轴承座15内，所述左轴承座14、右轴承座15通过螺栓分别固定安装在左浮坞9、右浮坞12上。所述浮坞为现有技术，浮坞为空心的结构，漂浮在河流上。所述滚轮式叶轮5位于左浮坞 9、右浮坞12的中间位置，且所述滚轮式叶轮5的叶片52正对河流的水流方向，所述主轴13的一端通过联轴器或变速箱与发电机10的输入轴相连。所述左浮坞 9、右浮坞12的侧边均有两根分支拉索4，所述分支拉索4的一端与主拉索2通过夹具固定相连，所述分支拉索4的另一端被缠绕在转盘8上，每台发电装备总成17均由四根分支拉索4分左右两侧调节固定。所述左浮坞9、右浮坞12上均安装有用来测量浮坞水位高低的水位传感器，所述水位传感器向物联网网关上传数据，由物联网网关控制水位调节器上的转盘8转动。所述转盘8为电动转盘8，或者所述转盘8与伺服电机7的输出轴相连，所述伺服电机7安装在左浮坞9、右浮坞12上。伺服电机7带动转盘8转动调节分支拉索4的长短，实现自动调节浮坞水位。
55.本发明根据需要调节四根分支拉索4的长度，使发电装备总成17处于平衡，使滚轮式叶轮5处于最佳水位。与前述方法相同，在两根主拉索2之间安装第二台发电装备总成17、第三台发电装备总成17
……
，直到安装20台发电装备总成17。这样形成了一条具有20台发电装备总成17的发电装备串。紧靠第一根固定桩1的第二根固定桩1上，套装两根主拉索2，按照前述方法，同样安装20 台发电装备总成17，形成第二条具有20台发电装备总成17的发电装备串。
56.第二条发电装备串与第一条发电装备串并齐，使两条发电装备串中的相同位次的两台发电装备总成17横向对齐，并用安装连接板11将横向对齐的两台发电装备总成17的左右浮坞12前后固定连接，将相邻的发电装备总成17连接成整体，如图8所示。类似的，第三条水上发电装备串的安装与第二条水上发电装备串相似，采用相同方法共安装25条发电装备串，并将25条发电装备串中的同一横排的相邻发电装备总成17由连接板11连接在一起，形成一个25*20的500 台发电装备总成17的水上发电群，装机容量可达50000kw。
57.实施例2
58.如图2、图3所示，一种水上发电群，包括固定桩1、主拉索2和分支拉索 4、发电装备
阵列。所述固定桩1通过主拉索2和分支拉索4与发电装备阵列相连，所述发电装备阵列漂浮在河流上，所述发电装备阵列由若干发电装备总成 17通过串联或并联组成，每台发电装备总成17正对河流的水流方向。在本实施例中，所述发电装备阵列由若干发电横排16组成，所述发电横排16由若干发电装备总成17横向排列互相连接而成，左右相邻的发电装备总成17互相平齐、紧密连接，沿河流方向设有若干发电横排16，下一个发电横排16与上一发电横排 16之间留有间距。
59.如果水流速度低于2米/秒，则在每一发电横排16的发电装备总成17下方的河床上修筑一个石块或混凝土的导流坡3，导流坡3抬高水位，提高电装备叶轮的进、出水的落差，以提高水能转换为机械能的转换效率，提高发电效率。
60.在实际建造时，先选择好将要安装水上发电群的河流，在河流的上游位置通过打桩或浇筑等方式修筑好固定桩1，所述固定桩1的拉力在1000吨以上。根据河床的宽度设置若干固定桩1，在本实施例中以15个固定桩1为例：由承载 200吨以上的拉绳对折后制成承载400吨以上的主拉索2，在对折处制作形成一个主拉索2环，所述主拉索2环的大小与固定桩1相适配，所述主拉索2通过主拉索2环套装在固定桩1上。每个固定桩1上套装五根主拉索2，所述主拉索 2顺流而下，在五根主拉索2的适当位置横向并排安装四台发电装备总成17，使四台发电装备总成17分别位于五根主拉索2之间。五根主拉索2在对应发电装备总成17的位置分别设有一组分支拉索4(两根分支拉索4)，使每台发电装备总成17的两侧各有一根主拉索2、一组分支拉索4。所述分支拉索4的承载拉力为10-30吨。所述主拉索2、分支拉索4为碳纤维拉索、超高分子量聚乙烯拉索、芳纶拉索或尼龙拉索，所述分支拉索4的一端制作有一个分支拉索4环，经主拉索2穿过分支拉索4环并用夹具夹住固定。
61.如图4、图5所示，每台发电装备总成17均包括左浮坞9、右浮坞12、发电机10、滚轮式叶轮5、主轴13、左轴承座14、右轴承座15，所述滚轮式叶轮 5安装在主轴13上，所述主轴13通过左轴承座14、右轴承座15分别安装在左浮坞9、右浮坞12上，所述滚轮式叶轮5位于左浮坞9、右浮坞12的中间位置，且所述滚轮式叶轮5正对河流的水流方向，所述主轴13的一端通过联轴器或变速箱与发电机10的输入轴相连。
62.如图6、图7所示，所述左浮坞9、右浮坞12的侧边均有一组分支拉索4，所述分支拉索4的一端与主拉索2固定相连，所述分支拉索4的另一端被缠绕在转盘8上，每台发电装备总成17均由四根分支拉索4分左右两侧调节固定。所述左浮坞9、右浮坞12上均安装有用来测量浮坞水位高低的水位传感器，所述水位传感器向物联网网关上传数据，由物联网网关控制水位调节器上的转盘8 转动，通过转盘8转动调节分支拉索4的长度，实现自动调节浮坞水位，使发电装备总成17处于平衡，使滚轮式叶轮5处于最佳水位。将五根主拉索2之间的横向并排排列的四台发电装备总成17用连接板11连接固定：用连接板11将相邻的发电装备总成17的左右浮坞12的前后位置固定，使横向并排排列的四台发电装备总成17连接成一个横向整体。
63.与前述方法相同，在相邻的另一个固定桩1上同样套装五根主拉索2，在五根主拉索2的同一位置横向并排安装四台发电装备总成17，使这四台发电装备总成17与上述的四台发电装备总成17横向用连接板11、连接杆或其他连接装置固定连接形成一个更长的横向整体，如图8所示。以此类推，将更多固定桩1 的主拉索2上的同一位置横向并排安装发电装备总成17连接形成一个发电横排 16。例如：将五个固定桩1上通过主拉索2横向并排安装的
20台发电装备总成 17连接形成一个发电横排16。采用相同的方法，在主拉索2的不同位置安装形成多个发电横排16，并使各个发电横排16之间保持3-20米的间距。例如：在主拉索2上共安装10个发电横排16，并使各个发电横排16之间保持6米的间距，则共形成一个20*10的200台发电装备总成17的水上发电群，装机容量可达20000kw。
64.实施例3
65.与实施列1相同，安装第一个水上发电群。在第一个水上发电群的下游打桩，安装第二个水上发电群。如果遇上河道拐弯，固定桩1的排布与下游河道垂直安装，使水上发电群的发电装备串与河流水流方向大致平行，或者使水上发电群的发电横排16与河流水流方向大致垂直。上述实施例仅为本发明的优选实施例，而不是全部实施例。两台或两台以上的方式发电装备总成17横向排布，两台或两台以上的发电装备总成17竖向排布都可以形成发电矩阵，这些发电矩阵就是本发明所述的水上发电群。多个发电矩阵排列也属于本发明的水上发电群。只要是多台水上发电装备总成17互相串联或并联安装在一起就是水上发电群，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。