CN102392777A - 用于高层建筑排水系统的发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高层建筑排水系统的发电装置，它包括依次相连的水轮单元(1)、发电单元(2)和电力输出单元(3)，水轮单元(1)包括壳体(11)和设于壳体(11)内部的整体式轮盘(12)，壳体(11)上设有进水管道(111)和出水管道(112)，整体式轮盘(12)包括传动轴(121)和套设于传动轴(121)上的多个叶片(122)，叶片(122)与进水管道(111)相对的工作面为渐开线形，传动轴(121)穿过壳体(11)与发电单元(2)相连。本发明能够利用排水系统的三相流发电、充分利用了生活污水中被消耗掉的能源，具有能源消耗低、节能减排效益好、不易堵塞、输出电能稳定、干净环保的优点。
Description
技术领域
本发明涉及能源领域，具体涉及一种用于取代高层建筑排水系统的消能装置、并利用高层建筑排水系统中污水、废水以及特有的三相流的动能来发电、储能的发电装置。
背景技术
随着中国城市化进程的不断加快，高层建筑迅速在各大中型城市中占据了主要地位，而且在未来的城市规划中高层建筑的建设占据了很大的比例，因此高层建筑已经成为城市建筑的重要组成部分。据估计，到2020年全国年排水量将达到180亿m3。
在高层建筑中为了使水流减速降噪，一般采用安装乙字弯管等减速装置的方法，水流经过这些减速装置后动能减少，能量因此而浪费，从而达到减速降噪的目的。如果用发电装置来代替这些消能装置，则能将被浪费的能量转化为电能重新投入使用。就我国生活污水和废水排放量来看，如果能充分利用这些污水、废水的机械能，将其转化为电能，则节能效益是相当可观的。此外，产生的电能将节约大量的化石燃料，而这部分电能的产生是二氧化碳零排放的，因此对减排事业起到重要作用。
高层建筑排水管路中的水分三种：雨水、生活废水和生活污水，其中雨水和生活废水是单相流或者是气、液两相流，而生活污水则是气、液、固三相流。在排放量上，生活污水占据了高层建筑排水管路中的水分很大的比例，一部分建筑的排水管路中将三者分别排放，但在很多建筑中污水与废水是混合排放的。
经查阅资料，有人曾尝试过利用高层建筑排水系统进行发电，但是这些发明所利用的主要是雨水或者是生活废水，并不能利用生活污水，这就导致这些发明在实际应用中可能会受到很大的限制。生活污水难于被传统的发电系统所利用有以下几个原因：首先，生活污水是气、液、固的三相流，其中气体比例占2/3以上，并含有大量固体，如果使用轴流式水轮机械，容易导致管道被堵塞，发电机叶轮以及传动轴被卡死等问题，使得发电机的事故率大大增加；其次，水流在管道中流动时有贴壁现象，使得使用轴流式水轮机时用于发电的水量减小，发电系统的机械效率降低；再者，生活污水的排放不连续，使得发电的电流不稳定，品质较低。原有的废水发电利用系统无法解决这三个问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够利用排水系统的三相流发电、充分利用生活污水中被消耗掉的能源，具有能源消耗低、节能减排效益好、不易堵塞、输出电能稳定、干净环保的用于高层建筑排水系统的发电装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于高层建筑排水系统的发电装置，它包括依次相连的水轮单元、发电单元和电力输出单元，所述水轮单元包括壳体和设于壳体内部的整体式轮盘，所述壳体上设有串接于高层建筑排水系统的进水管道和出水管道，所述整体式轮盘包括传动轴和套设于传动轴上的多个叶片，所述叶片与所述进水管道相对的工作面为渐开线形，所述传动轴穿过所述壳体与发电单元相连。
作为本发明技术方案的进一步改进：
所述传动轴到叶片的末端之间设有环形挡板，所述环形挡板与传动轴同轴布置。
所述壳体内设有冲洗单元，所述冲洗单元包括冲洗喷头、控制阀和冲洗控制器，所述冲洗喷头与所述叶片相对布置，所述控制阀设于冲洗喷头的输送管道上，且所述冲洗控制器与控制阀相连。
所述冲洗单元还包括用于实现定时冲洗的定时器，所述定时器与冲洗控制器相连。
所述进水管道的底部设有倾斜布置的导流板。
所述传动轴与壳体之间设有密封滚珠轴承。
所述传动轴与发电单元之间设有变速器，所述传动轴通过变速器与发电单元相连。
所述电力输出单元包括依次相连的整流器、功率调节器、充电单元和蓄电池单元，所述整流器与发电单元的输出端相连，所述功率调节器和蓄电池单元分别与负载相连。
所述充电单元包括控制器、隔离驱动模块、用于向蓄电池单元输出充电电流和电压的功率变换器、用于检测输出至蓄电池单元的充电电流的电流检测模块、用于检测输出至蓄电池单元的充电电压的电压检测模块和用于为控制器提供蓄电池单元的的基准电压和基准电流的电压电流基准电路，所述功率调节器通过功率变换器和蓄电池单元相连，所述控制器通过隔离驱动模块与功率变换器相连，所述控制器分别与电流检测模块、电压检测模块、电压电流基准电路相连。
所述充电单元还包括用于在功率调节器和蓄电池单元之间发生过压、过流或者短路时自动关闭控制器的过载保护电路，所述过载保护电路与控制器相连。
本发明具有下述优点：本发明的水轮单元包括壳体和设于壳体内部的整体式轮盘，整体式轮盘包括传动轴和套设于传动轴上的多个叶片，叶片与进水管道相对的工作面为渐开线形，一方面能够利用生活污水中的三相流而不容易发生堵塞，充分利用生活污水中被消耗掉的能源，另一方面能够取代排水管路中的减速降噪装置，具有能源消耗低、节能减排效益好、不易堵塞、输出电能稳定、干净环保的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的框架结构示意图。
图2为本发明实施例的水轮单元的结构示意图。
图3为图2中A区域的局部放大结构示意图。
图4为图2的B-B剖视结构示意图。
图5为本发明实施例的冲洗单元的框架结构示意图。
图6为本发明实施例的充电单元的电路原理示意图。
图例说明：1、水轮单元；11、壳体；111、进水管道；112、出水管道；113、导流板；12、整体式轮盘；121、传动轴；122、叶片；123、环形挡板；13、冲洗单元；131、冲洗喷头；132、控制阀；133、定时器；134、冲洗控制器；14、密封滚珠轴承；2、发电单元；21、变速器；3、电力输出单元；31、整流器；32、功率调节器；33、充电单元；331、控制器；332、隔离驱动模块；333、功率变换器；334、电流检测模块；335、电压检测模块；336、过载保护电路；337、电压电流基准电路；34、蓄电池单元。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明实施例的用于高层建筑排水系统的发电装置包括依次相连的水轮单元1、发电单元2和电力输出单元3，水轮单元1包括壳体11和设于壳体11内部的整体式轮盘12，壳体11上设有串接于高层建筑排水系统的进水管道111和出水管道112，整体式轮盘12包括传动轴121和套设于传动轴121上的8个叶片122，叶片122与进水管道111相对的工作面为渐开线形，传动轴121穿过壳体11与发电单元2相连。
如图3和图4所示，整体式轮盘12采用铝合金一体浇铸而成，其他部件则采用PVC制成。其中，传动轴121到叶片122的末端之间设有环形挡板123，环形挡板123与传动轴121同轴布置。环形挡板123一方面可以避免传动轴121暴露在水流的冲击之下，水流流过的空间内不存在轴类零件，能有效防止缠绕和堵塞；另一方面可以保证每两片叶片之间有较大的空间，防止污物固结在叶片根部，而且叶片的设计可以最大限度地提高流水动量转化和减少固体残留，解决了三相流容易堵塞的问题。
壳体11内设有冲洗单元13，如图5所示，冲洗单元13包括冲洗喷头131、控制阀132和冲洗控制器134，冲洗喷头131与叶片122相对布置，控制阀132设于冲洗喷头131的输送管道上，且冲洗控制器134与控制阀132相连。冲洗单元13能够对附着在装置内壁上的固体进行冲洗的功能，可以达到防止堵塞。本实施例中，冲洗单元13还包括用于实现定时冲洗的定时器133，定时器133与冲洗控制器134相连。控制阀132采用电磁阀，定时器133与冲洗控制器134基于同一片单片机实现，每隔一段时间(如一周)对附着在壳体11内壁上的固体进行冲洗的功能，防止堵塞，达到降低维护成本的目的。
进水管道111的底部设有倾斜布置的导流板113。由于导流板113倾斜布置，利用水流贴壁的特性，将其引至出口尖端集束流下，增强水流冲击力，提高水轮机械的效率，解决了水流贴壁的问题，提高了小量生活污水的利用率。传动轴121与壳体11之间设有密封滚珠轴承14，密封滚珠轴承14可以实现传动轴121与壳体11之间的密封，在保证传动轴121顺利转动的同时很好地防止了漏水现象的发生。
本实施例中，传动轴121与发电单元2之间设有变速器21，传动轴121通过变速器21与发电单元2相连，发电单元2采用采用三相永磁同步发电机。
电力输出单元3包括依次相连的整流器31、功率调节器32、充电单元33和蓄电池单元34，整流器31与发电单元2的输出端相连，功率调节器32和蓄电池单元34分别与负载相连。如图6所示，充电单元33包括控制器331、隔离驱动模块332、用于向蓄电池单元34输出充电电流和电压的功率变换器333、用于检测输出至蓄电池单元34的充电电流的电流检测模块334、用于检测输出至蓄电池单元34的充电电压的电压检测模块335和用于为控制器331提供蓄电池单元34的的基准电压和基准电流的电压电流基准电路337，功率调节器32通过功率变换器333和蓄电池单元34相连，控制器331通过隔离驱动模块332与功率变换器333相连，控制器331分别与电流检测模块334、电压检测模块335相连。本实施例中，整流器31为桥式整流器，功率变换器333为Buck-Boost功率变换器，电压检测模块335为霍尔电压传感器；电流检测模块334为霍尔电流传感器，控制器331和定时器133、冲洗控制器134采用同一个单片机实现，实现了一机两用，充分利用各元件功能。本实施例中，充电单元33还包括用于在过压、过流或者短路时自动关闭控制器331的过载保护电路336，过载保护电路336与控制器331相连。本实施例中，过载保护电路336为广电耦合过载保护电路。
本发明实施例的工作过程如下：生活污水从进水管道111流入，经过导流板113导流汇集后冲击叶片122的工作面，带动整体式轮盘12转动，进而带动传动轴121转动，由于生活污水的能量被转换成为传动轴121的转动动能，因此生活污水被减速降噪，然后从出水管道112派出。同时，传动轴121通过变速器21带动发电单元2进行发电。发电单元2输出的交流电经过整流器31整流成为直流电，然后通过功率调节器调节其电能大小，实现对蓄电池单元34的恒流-恒压-浮充的方式充电。当进水管道111流入的生活污水流量较大时，发电单元2输出的电能充足，发电单元2输出的电能经过整流器31整流后一部分通过功率调节器32直接供给负载使用，剩余的电能则对蓄电池单元34进行充电；当进水管道111流入的生活污水流量较小时，发电单元2输出的电能不足，功率调节器32输出的电能全部供给负载使用，同时蓄电池单元34也为负载提供额外的电能。
在充电的时候，电流检测模块334和电压检测模块335检测输入蓄电池单元34的充电电流和电压，并将检测的电流、电压值输出给单片机，单片机将输入的电流、电压值与电压电流基准电路337给出的基准电流、电压进行比较，单片机根据比较结果输出不同的指令并通过隔离驱动模块332将指令送到功率变换器333，进而控制蓄电池单元34充电电流、电压的改变，使发电单元2的输出不断变化时也能保持稳定的蓄电池单元34充电电流、电压。同时，单片机定时开启控制阀132，使得水流经过冲洗喷头131对壳体11的内部进行冲洗，控制阀132所需电量由蓄电池单元34供给。过载保护电路336则不断检测输入单片机的输入的电流、电压值，如果一旦发生过流、过压或者短路，则单片机发出控制指令控制功率变换器333调节蓄电池单元34的充电电流和电压，以保证装置的正常稳定运行。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于高层建筑排水系统的发电装置，它包括依次相连的水轮单元(1)、发电单元(2)和电力输出单元(3)，其特征在于：所述水轮单元(1)包括壳体(11)和设于壳体(11)内部的整体式轮盘(12)，所述壳体(11)上设有串接于高层建筑排水系统的进水管道(111)和出水管道(112)，所述整体式轮盘(12)包括传动轴(121)和套设于传动轴(121)上的多个叶片(122)，所述叶片(122)与所述进水管道(111)相对的工作面为渐开线形，所述传动轴(121)穿过壳体(11)与所述发电单元(2)相连。
2.根据权利要求1所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述传动轴(121)到叶片(122)的末端之间设有环形挡板(123)，所述环形挡板(123)与传动轴(121)同轴布置。
3.根据权利要求2所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述壳体(11)内设有冲洗单元(13)，所述冲洗单元(13)包括冲洗喷头(131)、控制阀(132)和冲洗控制器(134)，所述冲洗喷头(131)与所述叶片(122)相对布置，所述控制阀(132)设于冲洗喷头(131)的输送管道上，且所述冲洗控制器(134)与控制阀(132)相连。
4.根据权利要求3所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述冲洗单元(13)还包括用于实现定时冲洗的定时器(133)，所述定时器(133)与冲洗控制器(134)相连。
5.根据权利要求4所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述进水管道(111)的底部设有倾斜布置的导流板(113)。
6.根据权利要求5所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述传动轴(121)与壳体(11)之间设有密封滚珠轴承(14)。
7.根据权利要求6所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述传动轴(121)与发电单元(2)之间设有变速器(21)，所述传动轴(121)通过变速器(21)与发电单元(2)相连。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述电力输出单元(3)包括依次相连的整流器(31)、功率调节器(32)、充电单元(33)和蓄电池单元(34)，所述整流器(31)与发电单元(2)的输出端相连，所述功率调节器(32)和蓄电池单元(34)分别与负载相连。
9.根据权利要求8所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述充电单元(33)包括控制器(331)、隔离驱动模块(332)、用于向蓄电池单元(34)输出充电电流和电压的功率变换器(333)、用于检测输出至蓄电池单元(34)的充电电流的电流检测模块(334)、用于检测输出至蓄电池单元(34)的充电电压的电压检测模块(335)和用于为控制器(331)提供蓄电池单元(34)的的基准电压和基准电流的电压电流基准电路(337)，所述功率调节器(32)通过功率变换器(333)和蓄电池单元(34)相连，所述控制器(331)通过隔离驱动模块(332)与功率变换器(333)相连，所述控制器(331)分别与电流检测模块(334)、电压检测模块(335)、电压电流基准电路(337)相连。
10.根据权利要求9所述的用于高层建筑排水系统的发电装置，其特征在于：所述充电单元(33)还包括用于在过压、过流或者短路时自动关闭控制器(331)的过载保护电路(336)，所述过载保护电路(336)与控制器(331)相连。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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