一种水流发电装置的制作方法

本发明涉及发电设备技术领域，尤其涉及一种水流发电装置。

背景技术：

由于人类的过渡开采，石油、煤炭等能源危机日趋严重，随着人类环保意识的提高，人们不断寻找能够替代石油、煤炭等不可再生资源的可再生清洁能源，例如风能、太阳能等。流动的水具有动能，水流的动能能量密度集中且储量十分丰富，是一种不可多得的清洁能源，因此开发和利用河流、沟渠等水流的动能对节能减排和能源的可持续发展有着十分重要的意义。

目前，对水流能量的利用主要还是通过水电站进行发电，水电站需要建设水工建筑物集中水头，使得水流有一定的落差，从而将水流的重力势能转化为水轮机的机械能，再通过发电机将机械能转化为电能进行发电。因此现有的水电站发电装置不适用于在自然水流中进行发电，使用存在很大的局限性，且修筑水工建筑成本高。

因此，如何设计一种能够在自然水流中进行发电的发电装置，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种水流发电装置，能够在自然水流中进行发电，结构合理，设备运行稳定性好，能源转化率高，节能环保，是一种清洁无污染的新型发电装置，具有良好的推广和使用价值。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种水流发电装置，包括主浮体、角度调节板、发电机、增速齿轮箱、万向节、传动钢绳和水轮机，所述角度调节板通过转轴可自由转动地安装在所述主浮体的后端，所述转轴沿所述主浮体的横向方向设置，所述发电机和增速齿轮箱安装在所述角度调节板顶面，所述增速齿轮箱的输出轴与所述发电机的输入轴连接，所述增速齿轮箱的输入轴通过所述万向节与所述传动钢绳的一端连接，所述传动钢绳的另一端与位于所述主浮体后方的所述水轮机连接，所述传动钢绳用于将所述水轮机的转动运动传递至所述增速齿轮箱的输入轴。

本发明在使用时，将该水流发电装置放置于具有一定流速的水流中，通过锚链将主浮体固定至水底或岸边，将主浮体放置在水流的上游，主浮体的前端迎向水流，水轮机放置在水流的下游，由于水流具有一定的动能，通过水流带动水轮机旋转，水轮机将水流的动能转化为机械能，水轮机通过传动钢绳和万向节带动增速齿轮箱旋转，增速齿轮箱将水轮机的旋转运动进行增速后传递至发电机，从而通过发电机将水轮机旋转的机械能转化为电能进行发电。

本发明采用传动钢绳与水轮机连接进行动力的传递，由于传动钢绳在任意方向具有一定的柔韧性，因此可以在任意方向产生一定的可复位性形变，从而可以让水轮机尽量平行与水面，使得水轮机在工作时其最上方和最下方受到的水流的冲击力基本一致，达到更好能量转化和能量传递效果；另外，由于水流的不稳定性，在自然工作状态下，主浮体会受到波浪影响而摇晃摆动，如果是通过常规的刚性的传动轴连接水轮机，则主浮体和水轮机会相互影响，水轮机被迫摇晃摆动，时间久了容易损坏传动轴两端的轴承等连接部件，而传动钢绳有一定形变范围，因此可以在一定范围内减缓主浮体晃动对水轮机的影响，从而减少水流不稳定性对各连接部件造成的损伤，有效延长整个发电装置的使用寿命，降低维护成本。通过万向节与传动钢绳配合，在主浮体自由摇晃摆动时能够更好地减少轴承等部件所受到的冲击损伤。另外通过将发电机和增速齿轮箱设置在角度调节板上，角度调节板通过转轴可自由转动地安装在主浮体后端，从而使得角度调节板可以绕转轴在垂直平面内带动安装在其上方的发电机和增速齿轮箱自由转动，从而实现增速齿轮箱输入轴的角度的自适应灵活调节。当主浮体前方来波浪时，主浮体会前后上下浮动，角度调节板相对主浮体作出相应的前后摇摆变化来抵消主浮体的不稳定，保证传动钢绳和万向节等传动装置相对水平面角度很平稳，角度调节板保证了传动钢绳和万向节等传动装置不会因为主浮体前后浮动而导致的传动钢绳和万向节等传动装置与水平面的角度变化，因而动力传递和转换稳定，且有效延长了各传动部件的使用寿命；另外，由于水流速度的不稳定性，不同流速的水流会导致水轮机受力不一样，水轮机受力不一样则增速齿轮箱的输入轴相对水平面角度不一样，通过角度调节板能够自由调节增速齿轮箱的输入轴相对水平面的角度，从而减轻了万向节的调节力度，尽量确保了水轮机平稳匀速地给发电机提供动力。

优选地，所述主浮体上位于所述角度调节板的两侧对称设有角度限位机构，所述角度限位机构上竖向设置有弧形槽，所述角度调节板的两端设有与所述弧形槽相适配的弧形凸块，所述弧形凸块插入所述弧形槽内。通过角度限位机构对角度调节板的转动进行限位，从而限制角度调节板的转动角度，避免角度调节板转动过大而造成增速齿轮箱的输入轴和传动钢绳角度过大影响动力传递的稳定性。

优选地，所述弧形槽的两端设置有缓冲装置。通过缓冲装置在角度调节板转动时进行上止点和下止点的限位缓冲，减少设备的冲击，保证动力传输的稳定性和延长设备的使用寿命。

优选地，所述水流发电装置还包括刚性传动轴和用于支撑所述刚性传动轴的旋转支撑装置，所述旋转支撑装置固定安装在所述角度调节板上，所述刚性传动轴的一端与所述增速齿轮箱的输入轴连接，所述刚性传动轴的另一端与所述万向节连接，所述刚性传动轴贯穿所述旋转支撑装置且能在所述旋转支撑装置内自由转动。通过在增速齿轮箱的输入轴与万向节之间设置刚性传动轴，能够有效减缓万向节传动时对增速齿轮箱输入轴的冲击，从而有效延长增速齿轮箱的使用寿命，通过旋转支撑装置对刚性传动轴进行支撑，使得刚性传动轴的传动更平稳。

优选地，所述水流发电装置还包括辅助浮体，所述传动钢绳靠近所述水轮机的部位套设有轴承，所述传动钢绳可在所述轴承内自由转动，所述辅助浮体上设有钢丝绳，所述钢丝绳的自由端与所述轴承的外壁固定连接。通过辅助浮体和钢丝绳对传动钢绳和水轮机起到一定的提拉和支承作用，在水流流速减小的河渠中避免因水流冲击力太小而使水轮机下沉深度过深；另外，通过提拉钢丝绳可以控制水轮机在水下的深度，考虑在大自然中的水流速度不能常年保持同样的流速，正常工作水轮机是在水下，当因季节，或自然环境变化水流速大于理想的流速时水轮机转速过快，可以通过辅助浮体收紧钢丝绳让水轮机部分离开水面达到降低转速的目的，使得水轮机的转速在水流流速的变化情况下能够在一定范围进行调节。

进一步，所述辅助浮体上设有卷扬机，所述钢丝绳缠绕在所述卷扬机上，所述钢丝绳的非自由端与所述卷扬机固定连接。通过卷扬机可实现自动收放钢丝绳，调节钢丝绳的长度，从而实现水轮机深度的自动调节。

进一步，所述辅助浮体包括对称设置的第一浮体和第二浮体，以及连接所述第一浮体和第二浮体的连接体，所述第一浮体、第二浮体和连接体共同构成倒“凹”字形结构，所述连接体顶部设有所述卷扬机，所述钢丝绳的自由端贯穿所述连接体与所述轴承的外壁固定连接，所述第一浮体、第二浮体和连接体围设有容纳所述水轮机的容纳空间。通过将辅助浮体设置成倒“凹”字形结构，使得辅助浮体与水面之间形成能够容纳水轮机的容纳空间，便于实现将水轮机部分或全部提升至水面上，不仅方便地实现了对水轮机深度的控制，同时也可以随时方便地将水轮机提升至水面上，便于将该水流发电装置移动至其它需要的水域。

优选地，所述水轮机包括中心轴、圆周均布在所述中心轴上的叶片和围设在所述叶片外围的两端贯穿的壳体，所述叶片的一端与所述中心轴的外壁固定连接，所述叶片的另一端与所述壳体的内壁固定连接，所述壳体的两端分别设有水流入口和水流出口，所述壳体的轴切面呈等腰梯形，且水流入口的直径大于水流出口的直径。通过将水轮机设置成上述结构，水流入口大于水流出口，使得水流在水轮机内部能够充分作用，冲击水轮机叶片，带动水轮机旋转做功，从而通过传动钢绳和增速齿轮箱带动发电机发电，有效提高水轮机的对水流动能的捕捉和转化，提高发电效率。

优选地，所述水轮机由碳纤维材料制成。碳纤维材料硬度高，能够承受水流强大的冲击，不易腐蚀和变形，且碳纤维材料重量轻，能够有效减轻水轮机的重量，降低对水流流速的要求，使得水流发电装置能够更好地适应水流流速较低的水域，拓展了水流发电装置的适用范围。

优选地，所述主浮体为内部中空的船型结构。通过将主浮体设置成内部中空的船型结构，不仅增大了主浮体的浮力，从而能够有效减小主浮体的体积，而且船型结构使得主浮体受到的水流的阻力小，能够有效减小主浮体在水面上的晃动，从而使得水流发电装置中整个传动过程更平稳，提高发电效率和装置整体的使用寿命。

由以上方案可知，本发明提供了一种水流发电装置，包括主浮体、角度调节板、发电机、增速齿轮箱、万向节、传动钢绳和水轮机，所述角度调节板通过转轴可自由转动地安装在所述主浮体的后端，所述转轴沿所述主浮体的横向方向设置，所述发电机和增速齿轮箱安装在所述角度调节板顶面，所述增速齿轮箱的输出轴与所述发电机的输入轴连接，所述增速齿轮箱的输入轴通过所述万向节与所述传动钢绳的一端连接，所述传动钢绳的另一端与位于所述主浮体后方的所述水轮机连接，所述传动钢绳用于将所述水轮机的转动运动传递至所述增速齿轮箱的输入轴。由于水流具有一定的动能，通过水流带动水轮机旋转，水轮机将水流的动能转化为机械能，水轮机通过传动钢绳和万向节带动增速齿轮箱旋转，增速齿轮箱将水轮机的旋转运动进行增速后传递至发电机，从而通过发电机将水轮机旋转的机械能转化为电能进行发电。本发明的水流发电装置能够在自然水流中进行发电，结构合理，设备运行稳定性好，能源转化率高，节能环保，是一种清洁无污染的新型发电装置，具有良好的推广和使用价值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种优选实施方式中水流发电装置的结构示意图；

图2是本发明一种优选实施方式中水流发电装置的俯视结构示意图；

图3是本发明一种优选实施方式中水流发电装置的辅助浮体的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种水流发电装置，如图1-2所示，该水流发电装置包括主浮体1、角度调节板3、发电机4、增速齿轮箱5、万向节6、传动钢绳7和水轮机8，角度调节板3通过转轴2可自由转动地安装在主浮体1的后端，转轴2沿主浮体1的横向方向设置，发电机4和增速齿轮箱5安装在角度调节板3顶面，增速齿轮箱5的输出轴与发电机4的输入轴连接，增速齿轮箱5的输入轴通过万向节6与传动钢绳7的一端连接，传动钢绳7的另一端与位于主浮体1后方的水轮机8连接，传动钢绳7用于将水轮机8的转动运动传递至增速齿轮箱5的输入轴。

本发明在使用时，将该水流发电装置放置于具有一定流速的水流中，通过锚链将主浮体1固定，锚链的另一端固定在水底或岸边，将主浮体1放置在水流的上游，主浮体1的前端迎向水流，水轮机8放置在水流的下游，由于水流具有一定的动能，通过水流带动水轮机8旋转，水轮机8将水流的动能转化为机械能，水轮机8通过传动钢绳7和万向节6带动增速齿轮箱5旋转，增速齿轮箱5将水轮机8的旋转运动进行增速后传递至发电机4，从而通过发电机4将水轮机8旋转的机械能转化为电能进行发电。

具体地，在本实施方式中，主浮体1的后端设有凹槽，凹槽从上至下贯穿主浮体1，凹槽内设有角度调节板3，转轴2水平横向贯穿角度调节板3，且转轴2的两端与凹槽两侧的主浮体1连接。转轴2的两端固定在凹槽两侧的主浮体1上，角度调节板3可以绕转轴2转动；或者角度调节板3与转轴2固定连接，转轴2的两端与主浮体1转动连接。

具体地，传动钢绳7是具有一定扭矩的钢丝绳，钢丝绳的长度与直径尺寸根据具体发电功率等实际情况进行匹配。

本发明采用传动钢绳7与水轮机8连接进行动力的传递，由于传动钢绳7在任意方向具有一定的柔韧性，因此可以在任意方向产生一定的可自复位性形变，从而可以让水轮机8尽量平行于水面，使得水轮机8在工作时其最上方和最下方受到的水流的冲击力基本一致，达到更好能量转化和能量传递效果；另外，由于水流的不稳定性，在自然工作状态下，主浮体1会受到波浪影响而摇晃摆动，如果是通过常规的刚性的传动轴连接水轮机8，则主浮体1和水轮机8会相互影响，水轮机8被迫摇晃摆动，时间久了容易损坏传动轴两端的轴承13等连接部件，而传动钢绳7有一定形变范围，因此可以在一定范围内减缓主浮体1晃动对水轮机8的影响，从而减少水流不稳定性对各连接部件造成的损伤，有效延长整个发电装置的使用寿命，降低维护成本。通过万向节6与传动钢绳7配合，在主浮体1自由摇晃摆动时能够更好地减少增速齿轮箱5的轴承等部件所受到的冲击损伤。另外通过将发电机4和增速齿轮箱5设置在角度调节板3上，角度调节板3通过转轴2可自由转动地安装在主浮体1的后端，从而使得角度调节板3可以绕转轴2在垂直平面内带动安装在其上方的发电机4和增速齿轮箱5自由转动，从而实现增速齿轮箱5输入轴的角度的自适应灵活调节。当主浮体1前方来波浪时，主浮体1会前后上下浮动，角度调节板3相对主浮体1作出相应的前后摇摆变化来抵消主浮体1的不稳定，保证传动钢绳7和万向节6等传动装置相对水平面角度很平稳，角度调节板3保证了传动钢绳7和万向节6等传动装置不会因为主浮体1前后浮动而导致的传动钢绳7和万向节6等传动装置与水平面的角度变化，因而动力传递和转换稳定，且有效延长了各传动部件的使用寿命；另外，由于水流速度的不稳定性，不同流速的水流会导致水轮机8受力不一样，水轮机8受力不一样则增速齿轮箱5的输入轴相对水平面角度不一样，通过角度调节板3能够自由调节增速齿轮箱5的输入轴相对水平面的角度，从而减轻了万向节6的调节力度，尽量确保了水轮机8平稳匀速地给发电机4提供动力。

在本实施方式中，主浮体1上位于角度调节板3的两侧对称设有4个角度限位机构9，角度限位机构9上竖向设置有弧形槽901，角度调节板3的两端设有与弧形槽901相适配的弧形凸块301，弧形凸块301插入弧形槽901内。这样角度调节板3在绕转轴2转动时只能在垂直平面内做一定角度的自由转动。通过角度限位机构9对角度调节板3的转动进行限位，从而限制角度调节板3的转动角度，避免角度调节板3转动过大而造成增速齿轮箱5的输入轴和传动钢绳7角度过大影响动力传递的稳定性。

在本实施方式中，弧形槽901的两端设置有缓冲装置902。通过缓冲装置902在角度调节板3转动时进行上止点和下止点的限位缓冲，减少设备的冲击，保证动力传输的稳定性和延长设备的使用寿命。具体地，在本实施方式中，缓冲装置902为弹簧，弹簧的一端与弧形槽901的一端固定连接，弹簧的另一端为自由端，弹簧的自由端向弧形槽901的中部延伸。

在本实施方式中，水流发电装置还包括刚性传动轴10和用于支撑刚性传动轴10的旋转支撑装置11，旋转支撑装置11固定安装在角度调节板3上，刚性传动轴10的一端与增速齿轮箱5的输入轴连接，刚性传动轴10的另一端与万向节6连接，刚性传动轴10贯穿旋转支撑装置11且能在旋转支撑装置11内自由转动。通过在增速齿轮箱5的输入轴与万向节6之间设置刚性传动轴10，能够有效减缓万向节6传动时对增速齿轮箱5输入轴的冲击，从而有效延长增速齿轮箱5的使用寿命，通过旋转支撑装置11对刚性传动轴10进行支撑，使得刚性传动轴10的传动更平稳。

在本实施方式中，水流发电装置还包括辅助浮体12，传动钢绳7靠近水轮机8的部位套设有轴承13，传动钢绳7可在轴承13内自由转动，辅助浮体12上设有钢丝绳14，钢丝绳14的自由端与轴承13的外壁固定连接。通过辅助浮体12和钢丝绳14对传动钢绳7和水轮机8起到一定的提拉和支承作用，在水流流速较小的河渠中避免因水流冲击力太小而使水轮机8下沉深度过深；另外，通过提拉钢丝绳14可以控制水轮机8在水下的深度，考虑在大自然中的水流速度不能常年保持同样的流速，正常工作水轮机8是在水下，当因季节，或自然环境变化水流速大于理想的流速时水轮机8转速过快，可以通过辅助浮体12收紧钢丝绳14让水轮机8部分离开水面达到降低转速的目的，使得水轮机8的转速在水流流速的变化情况下能够在一定范围进行调节。在具体使用时，辅助浮体12也是通过锚链固定，锚链的另一端固定在水底或岸边。

在本实施方式中，辅助浮体12上设有卷扬机15，钢丝绳14缠绕在卷扬机15上，钢丝绳14的非自由端与卷扬机15固定连接。通过卷扬机15可实现自动收放钢丝绳14，调节钢丝绳14的长度，从而实现水轮机8深度的自动调节。

在本实施方式中，辅助浮体12包括对称设置的第一浮体121和第二浮体122，以及连接第一浮体121和第二浮体122的连接体123，第一浮体121、第二浮体122和连接体123共同构成倒“凹”字形结构，连接体123顶部设有卷扬机15，钢丝绳14的自由端贯穿连接体123与轴承13的外壁固定连接，第一浮体121、第二浮体122和连接体123围设有容纳水轮机8的容纳空间。通过将辅助浮体12设置成倒“凹”字形结构，使得辅助浮体12与水面之间形成能够容纳水轮机8的容纳空间，便于实现将水轮机8部分或全部提升至水面上，不仅方便地实现了对水轮机8深度的控制，同时也可以随时方便地将水轮机8提升至水面上，便于将该水流发电装置移动至其它需要的水域。具体地，第一浮体121、第二浮体122以及连接体123可以为一体式结构，或者为分体式结构通过连接件进行组装形成辅助浮体12。

在本实施方式中，水轮机8包括中心轴、圆周均布在中心轴上的叶片和围设在叶片外围的两端贯穿的壳体，叶片的一端与中心轴的外壁固定连接，叶片的另一端与壳体的内壁固定连接，壳体的两端分别设有水流入口和水流出口，壳体的轴切面呈等腰梯形，且水流入口的直径大于水流出口的直径。通过将水轮机8设置成上述结构，水流入口大于水流出口，使得水流在水轮机8内部能够充分作用，冲击水轮机8叶片，带动水轮机8旋转做功，从而通过传动钢绳7和增速齿轮箱5带动发电机4发电，有效提高水轮机8的对水流动能的捕捉和转化，提高发电效率。

在本实施方式中，水轮机8由碳纤维材料制成。碳纤维材料硬度高，能够承受水流强大的冲击，不易腐蚀和变形，且碳纤维材料重量轻，能够有效减轻水轮机8的重量，降低对水流流速的要求，使得水流发电装置能够更好地适应水流流速较低的水域，拓展了水流发电装置的适用范围。

在本实施方式中，主浮体1为内部中空的船型结构。通过将主浮体1设置成内部中空的船型结构，不仅增大了主浮体1的浮力，从而能够有效减小主浮体1的体积，而且船型结构使得主浮体1受到的水流的阻力小，能够有效减小主浮体1在水面上的晃动，从而使得水流发电装置中整个传动过程更平稳，提高发电效率和装置整体的使用寿命。

在本实施方式中，该发电机4为直驱式发电机；该水流发电装置还包括电能存储单元，用于将发电机4产生的电能进行存储并转换成适合外部用电设备的标准电压电力对外部用电设备进行供电。具体的电能存储与转换技术与风力发电技术相同，属于该领域的现有技术，在此不再赘述。

由以上方案可知，本发明提供了一种水流发电装置，包括主浮体1、角度调节板3、发电机4、增速齿轮箱5、万向节6、传动钢绳7和水轮机8，角度调节板3通过转轴2可自由转动地安装在主浮体1的后端，转轴2沿主浮体1的横向方向设置，发电机4和增速齿轮箱5安装在角度调节板3顶面，增速齿轮箱5的输出轴与发电机4的输入轴连接，增速齿轮箱5的输入轴通过万向节6与传动钢绳7的一端连接，传动钢绳7的另一端与位于主浮体1后方的水轮机8连接，传动钢绳7用于将水轮机8的转动运动传递至增速齿轮箱5的输入轴。由于水流具有一定的动能，通过水流带动水轮机8旋转，水轮机8将水流的动能转化为机械能，水轮机8通过传动钢绳7和万向节6带动增速齿轮箱5旋转，增速齿轮箱5将水轮机8的旋转运动进行增速后传递至发电机4，从而通过发电机4将水轮机8旋转的机械能转化为电能进行发电。通过大量实验验证，本发明的水流发电装置能够在自然水流中进行发电，结构合理，设备运行稳定性好，能源转化率高，节能环保。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。