CN105452646B - 用于发电的组件 - Google Patents

Abstract

一种用于通过流水进行发电的组件，该组件包括：腔室，所述腔室具有基部、从所述基部延伸的侧壁、水进口和水出口；转子单元，所述转子单元具有轴和安装到所述轴的转子，所述转子设在所述腔室中并能响应于穿过所述腔室的水流而在所述腔室中旋转；以及发电机，所述发电机联接到所述转子单元，用于响应于所述转子的旋转来发电。选择所述进口、所述出口和所述腔室的尺寸以及所述进口、所述出口和所述转子的位置，以在使用时所述组件位于水体中或水体旁、水道中或水道旁、封闭的水管道内或封闭的水管道旁且有水从所述进口到所述出口流过所述腔室的情况下促进所述腔室内的涡流的形成。

Description

用于发电的组件

技术领域

本发明涉及一种用于发电的组件。

背景技术

申请人名下的国际出版物WO00/23708公开了一种用于发电的水力驱动组件的发明。该组件利用流入涡流的水的能量，该能量为各因素(包括来自地球旋转的科氏力)的组合的结果。可以被描述为旋转动能的这种能量不同于由水的下降所产生的能量。

申请人进行了关于此发明的大量研究和开发工作，并且这项工作的一部分一直专注于开发这样的组件：即能够制造和运输并有效和高效地安装在大范围的水体中或水体旁，并且可以以最小的维护操作很长时间。

发明内容

被本申请人描述为KCT Mark 2发明的本发明提供了一种用于发电的组件，该组件适于被定位在水体中或水体旁，并且包括：腔室，所述腔室具有基部、从所述基部延伸的侧壁、水进口和水出口；转子单元，所述转子单元具有轴和安装到所述轴的转子，所述转子设在所述腔室中并能响应于穿过所述腔室的水流而在所述腔室中旋转；以及发电机，所述发电机联接到所述转子单元，用于响应于所述转子的旋转来发电。选择所述进口、所述出口和所述腔室的尺寸以及所述进口、所述出口和所述转子的位置，以在使用时所述组件位于水体中或水体旁且有水从所述进口到所述出口流过所述腔室的情况下促进所述腔室内的涡流的形成。

所述水体可以是任何一个或一个以上的湖泊、水库、河流、溪流、小溪、运河以及任何其它水方式。

该组件的制造、运输和安装简单。所述腔室和所述组件的其它部件可以由任何合适的材料制成。该组件是稳健可靠、低维护要求的简单设计。该组件适于成为水体内或水体旁、水道中或水道旁、封闭的水管道内或封闭的水管道旁的自立单元。该组件可以是依赖于一系列因素的任何合适的尺寸，所述因素包括但不限于使所述组件位于其中或置于旁边的水体以及所述组件的电功率要求。与其中所述组件由水流驱动的方式部分相连的该组件的一个特征(但不是唯一特征)在于，大量组件可以被定位在诸如河流或运河的水道中或水道旁、沿着一段水道的长度和/或横跨水道的宽度，使对于沿着水道的水流的影响降到最低。因此，可以在制造现场处制造然后从制造现场运输到最终使用位置而无显著问题的单个相对较小单元可以在小规模操作中使用，并且多个相同尺寸的组件可以在大规模操作中使用，而不会对水道中的水流产生问题。

可选择所述进口、所述出口和所述腔室的尺寸以及所述进口、所述出口和所述转子的位置，以促进所述腔室内的涡流的形成，其在所述进口和所述出口之间呈现顺着所述腔室的高度的多个水螺旋的形式。

为了使所述组件能够发电，水体中的水并不需要显著的流动速率。本发明依赖于所述腔室内的涡流的形成。涡流形成需要穿过所述腔室的水流以及促进涡流形成的腔室结构。当形成涡流时，可以从涡流运动中提取的能量与在所述腔室的涡流中移动的水的质量有关，并不仅仅与出入所述腔室的水的流动速率有关。

该组件可以横跨水体中的水的流动速率的范围有效地运行，基本上没有流动到高的流动速率。

在该组件的起始阶段，所述腔室最初是空的，并且用于所述进口和所述出口的控制阀选择性地打开，使得所述腔室中的水位累积达到使涡流形成于所述腔室中的点。所述涡流由所述腔室内向下延伸到所述出口的锥形空气空间表示，所述腔室中的水在所述进口与所述出口之间顺着所述腔室的高度以一个或多个水螺旋流动。一旦在所述腔室中存在稳定的涡流，所述控制阀就根据需要进行调整。

所述侧壁可具有筒形内表面，用以促进所述腔室中的涡流的形成。

所述腔室可包括诸如叶片和/或挡板的构造，用以促进所述腔室中的涡流的形成。所述构造可由所述侧壁和/或所述基部支撑或者成为所述侧壁和/或所述基部的一部分。

所述组件可包括适于将所述组件支撑并定位在水体中、或地面上、或水体旁的地面中的结构。

所述支撑结构可包括诸如腿的多个构件，在使用所述组件时，所述多个构件从所述基部向下延伸并适于将所述组件定位在水体的河床上、或地面上、或水体旁的地面中。

所述支撑结构可包括适于支撑所述组件的其它部件的框架。

所述框架可被形成为支架所述腔室的所述基部和所述侧壁。

所述框架可包括位于所述腔室的基部的下方的多个构件，用以支撑所述腔室。

所述转子单元可被定位成使得所述轴居中地位于所述腔室中。

所述转子可包括从所述轴朝向所述侧壁沿径向向外延伸的多个叶片。

所述叶片可以是弯曲的叶片。所述叶片可具有任何其它合适的轮廓。

每个叶片均可从连接到所述轴的内缘以及从外缘向后扫略。

当在所述腔室内的水流方向上观察时，所述叶片可以是凹形的。

所述进口可包括流量控制阀，用以控制经由所述进口进入所述腔室的水的流动。

所述进口可以在所述侧壁中。

所述进口可以在所述侧壁的上段中。

所述进口和所述叶片可以相对于彼此定位，使得在使用时，从所述进口流入所述腔室的水的至少一部分直接流向所述叶片。

所述进口可被形成为当水经由所述进口流入所述腔室时，促进所述腔室中的涡流的形成。

所述进口可被形成为将水供应到所述腔室中，使得水围绕中心轴流入所述腔室内的螺旋通路中，并且向下流向位于所述腔室的所述基部中的所述出口。

所述进口可被形成为以5°-10°的向内角度将水供应到所述腔室中。

所述进口可被形成为以7°的向内角度将水供应到所述腔室中。

所述进口可包括进口管，用于将水供给到所述腔室中。

所述进口管可具有直段。

所述进口可包括进口漏斗，以使从所述水道或所述水体进入所述腔室的水流量以及由所述涡流吸入所述腔室的水流量最大化。

所述组件可包括多个进口。

所述多个进口可位于所述腔室的相同高度处并围绕所述腔室的周界间隔开。

所述多个进口可位于所述腔室的多个不同高度处。

所述出口可包括流量控制阀，用以控制来自所述出口的水的流动。

所述出口可以在所述基部中。

所述出口可定位在所述基部的中央部中。

所述出口可包括定位在所述腔室内的出口漏斗。

可选择所述出口漏斗的形状和尺寸，以促进所述腔室内的涡流的形成。具体地，所述出口漏斗可以是浅的漏斗，当所述组件处于竖直位置时所述漏斗相对于水平轴线典型地具有小于20°的角度，通常为5°-15°，用以在涡流已经建立之后使所述涡流形成为在所述腔室内不到处移动的稳定涡流。

所述出口可包括从所述腔室延伸的出口管。

所述出口管可包括从所述基部向下延伸的第一段和垂直于所述第一段延伸的第二段。

当从所述组件上方观察时，所述进口和所述出口可描绘135°-180°的角度。

所述出口管可被形成为使得穿过所述出口和所述出口管的水流对于所述腔室中的涡流的干扰最小化。

以举例的方式，所述出口管可包括螺旋状(rifled)内表面，即在内表面中具有一系列螺旋脊的表面。

所述出口的横截面面积可大于所述进口的横截面面积。这在所述组件用于具有足够高的流动速率的水道中时是重要的特征，其有效地向系统贡献一负荷，导致水从所述腔室经由所述出口的泵送作用。在位于水道(为不同倍率下的快速流动水道)中的申请人的试验工厂操作中，试验工厂组件具有300mm直径的进口和400mm直径的出口，用以避免在高的水流速率倍率下腔室溢出的情况。此外，该试验工厂操作发现，当组件被放置在电力负载下时，这也导致水从所述腔室经由所述出口的泵送作用，从而增加了流出。

所述腔室可具有小于30米的最大宽度。在所述侧壁具有筒形内表面的情况下，所述最大宽度为所述腔室的直径。

所述腔室的最大宽度可为25米。

所述腔室的最大宽度可为20米。

所述腔室的最大宽度可为15米。

所述腔室的最大宽度可为10米。

所述腔室的最大宽度可为5米。

所述腔室的最大宽度可大于0.5米。

所述腔室的最大宽度可大于0.1米。

所述腔室的最大宽度可大于0.01米。

所述腔室可具有10米的最大高度。

所述腔室可具有5米的最大高度。

所述腔室可具有1米的最大高度。

所述组件可包括齿轮箱，所述齿轮箱联接到所述转子单元和发电机，以将所述转子单元的输出调整至所述发电机的要求。齿轮箱的目的是使之可以将所述转子单元至所述发电机的输出最大化。

考虑到所述腔室内的流动条件的变化，所述组件可包括控制系统。

所述控制系统可操作性地连接到所述进口和/或所述出口流量控制阀，用以控制一个或多个阀。

本发明还提供了一种发电系统，所述发电系统包括位于水体中的上述组件，所述组件被部分或完全地浸没在水中，并且水流经腔室并形成涡流，涡流驱动转子和发电机并发电。

进口和出口可被浸没在水中，水从所述进口流经所述腔室到达所述出口并形成涡流，涡流驱动所述转子和所述发电机并发电。

所述组件可位于水体中，所述腔室的侧壁高于水道中的水位而延伸。

所述组件可位于水体中，作为自立单元。

所述组件可位于被支撑在所述组件的支撑结构上的水体中。

本发明还提供了一种发电系统，所述发电系统包括位于地面上或水体旁的地面中的上述组件，进口和出口与所述水体流体连通，并且水从所述进口流经腔室到达所述出口并形成涡流，涡流驱动转子和发电机并发电。

所述发电系统可适于从所述组件产生1-300kw的电力。

所述发电系统可适于从所述组件产生0.1-100kw的电力。

所述发电系统可适于从所述组件产生0.1-30kw的电力。

所述发电系统可适于从所述组件产生0.001-0.1kw的电力。

所述发电系统可包括位于所述水体中作为分开的组件或联接在一起的多个组件，每个组件均发电。

在所述水体为诸如河流、溪流、小溪的水道的情况下，所述组件可沿着一段水道的长度或横跨水道的宽度定位。

所述发电系统可适于联接到局部或更宽的电力供应网络。

本发明还提供一种发电的方法，所述方法包括：将上述组件定位在水体中，所述组件被部分或完全地浸没在水中，使得水流过腔室并形成涡流，涡流驱动转子和发电机并发电。

可将进口和出口浸没在水中，水从所述进口流经所述腔室到达所述出口并形成涡流，涡流驱动所述转子和所述发电机并发电。

本发明还提供了一种发电的方法，所述方法包括：将上述组件定位在地面上或水体旁的地面中，进口和出口与所述水体流体连通，使得水从所述进口流经腔室到达所述出口并形成涡流，涡流驱动转子和发电机并发电。

附图说明

仅参照附图进一步以举例的方式描述本发明，其中：

图1是根据本发明的发电组件的一个实施方式的立体图，但不是唯一的实施方式；

图2是该组件的侧视图；

图3是与图2的方向不同的该组件的侧视图；

图4是该组件的俯视图；

图5是沿着图4中的线A-A截取的横截面；

图6是该组件的腔室和进口的立体图；

图7是图6所示的腔室/进口的俯视图；

图8是图6所示的腔室/进口的侧视图；

图9是该组件的转子的立体图；

图10是图9所示的转子的俯视图；

图11是图9所示的转子的侧视图；

图12是该组件的出口的截面的立体图；

图13是穿过图12所示的出口截面的横截面；和

图14是该组件的支撑结构的立体图。

具体实施方式

在图中所示的发电组件3的实施方式是本发明的诸多可行实施方式之一。这个特定的实施方式适于被定位在水体中或水体旁，作为自立单元。该实施方式的下面的描述集中于将组件定位在水体中。本发明的其它实施方式也适于定位在水体中作为自立单元，并且本发明的其它实施方式适于定位在水体旁。

参照附图，组件3包括：腔室5，腔室5具有基部7、从基部7向上延伸的筒形侧壁13(具有筒形内表面)、在侧壁13中的进口15、在基部7中的出口17；转子单元，所述转子单元具有轴19和安装到轴19的转子21，转子21设在腔室5中并能响应于穿过腔室5的水流而在腔室5中旋转；以及发电机25，发电机25联接到转子单元，用于响应于转子单元的旋转来发电。

组件3向大气开放。

组件3还可包括齿轮箱(未示出)，齿轮箱联接到转子单元和发电机25，以将转子单元的输出调整至发电机的要求。齿轮箱可以是任何合适的齿轮箱。

组件3还包括支撑该组件的部件并适于将组件定位在水体中的结构。该支撑结构被形成为限定用于腔室5的托架，该托架以稳定的方式支撑腔室5和组件的其它部件。参考图14，该支撑结构是钢框架，其包括布置成圆形并由上下钢圈31互连的多个立柱27。该支撑结构还包括一系列支架29，支架29从柱27向内延伸并且为腔室5的基部7限定一系列支撑。柱27的下段限定了采取腿的形式的支撑构件，用于将组件定位在水体的河床上。

该支撑结构还包括平台11，平台11支撑发电机25和转子单元。平台11是由成对对置的柱27所支撑的且横跨腔室5延伸的钢框架。更具体地，转子单元从平台11悬置，转子轴19在腔室5的中央，并且转子21在腔室5的下段中且不接触腔室5的基部7。

腔室5由塑料材料形成。腔室可由任何其它合适的材料形成。

转子21包括多个叶片33，叶片33从轴19朝向侧壁13沿径向向外延伸。叶片33是弯曲的叶片，从连接到轴19的内缘并从外缘向后扫略。当在腔室5内的水流方向上观察时(如图1所示，为顺时针方向)，叶片33是凹形的。

进口15在侧壁13的上段中。进口15被形成为当水经由进口15流入腔室5时，促进腔室5中的涡流的形成。特别是，进口15被形成为将水供应到腔室5中，以促进涡流中的水流，即腔室5内围绕转子轴19的螺旋通路，且向下到达腔室5的基部7中的出口17。水在该通路中的运动(顺着腔室5在进口15和出口17之间的高度优选地具有多个水螺旋)导致水接触并移动转子21，因此驱动发电机25并发电。形成涡流能够提取旋转动能，这是各因素组合的结果，所述因素包括地球转动的科氏力。如上所述，可以从涡流运动中提取的能量与在腔室5的涡流中移动的水的质量有关，并不仅仅与出入腔室5的水的流动速率有关。

进口15包括流量控制阀(未示出)，用以控制经由进口15进入腔室5的水的流动。

进口15包括一管，该管具有直段35和漏斗段37。漏斗段37的目的是将尽可能多的水(在整个组件设计内)吸入腔室5中。腔室5内的高水流速率是从腔室5内的基本线性流动(诸如水轮)到腔室5内的涡流形成的一个因素。直段35有助于如上所述引导水使之流入腔室，即促进螺旋通路中的水流，优选地具有在进口15和出口17之间顺着腔室5的高度的多个水螺旋。为了进一步便于实现水在腔室5内的期望流动，如在图7中可以看出的，管35以7°的向内角度定位。

出口17被定位在腔室5的基部7的中央部分中。出口17包括流量控制阀(未示出)，用以控制来自出口17的水的流动。当从组件上方观察时，进口15和出口17相对于彼此定位，以描绘大约145°的角度。所述出口包括位于腔室5中的出口漏斗段47(见图5)。转子轴19和出口漏斗段47是同轴定位的。出口漏斗段47被形成为浅的漏斗，相对于水平轴线典型地具有小于20°的角度，通常为5°-15°，用以在已经建立涡流之后促进腔室5内的涡流形成为在腔室5内不到处移动的稳定涡流。出口17包括出口管，该出口管包括从基部7向下延伸的第一段39和垂直于第一段39延伸的第二段41。如可以在图12和图13中最好地看到的，出口17包括螺旋状内表面，即在内表面中具有一系列螺旋脊43的表面，以提高穿过出口17的水的流动。该螺旋状内表面是用于确保穿过出口17和出口管39、41的水流对于腔室5中的涡流的干扰最小化的多个选择中的一个示例。

选择进口15、出口17和腔室5的尺寸以及进口15、出口17和转子21的位置，以在使用时所述组件位于水体中且有水从进口15到出口17流过腔室的情况下促进腔室内的涡流的形成，即水的向下螺旋流动，优选地具有在进口15和出口17之间顺着腔室5的高度的多个水螺旋。在这方面，相关的因素包括但不限于：(a)提供具有筒形内表面的侧壁13；(b)从进口15进入腔室5的水流方向，用以促进水在腔室内的旋转运动；(c)在刚好高于转子21的高度处将进口15定位在腔室5的上段中；(d)提供具有漏斗段37的进口15，漏斗段37使进入腔室5的水流最大化；(e)转子21的叶片33的形状和位置；以及(f)提供具有漏斗段47的出口17，漏斗段47促进涡流形成为在腔室5内不到处移动的稳定涡流。

组件3的制造、运输和安装简单。所述腔室和所述组件的其它部件可以由任何合适的材料制成。该组件是稳健可靠、低维护要求的简单设计。组件3是水体内的自立单元。

在使用中，组件3位于水体中，进口15和出口17被浸没在水中，侧壁13在水位上方延伸。水从进口15流过腔室5到达出口17并形成涡流，优选地具有在进口15和出口17之间顺着腔室5的高度的多个水螺旋，其驱动转子单元和发电机25并发电。在该组件的启动阶段，所述腔室最初是空的，并且用于所述进口和所述出口的控制阀选择性地打开，使得流入所述腔室中的水流累积达到使涡流形成于所述腔室中的点。所述涡流由所述腔室内向下延伸到所述出口的锥形空气空间表示，所述腔室中的水以在所述进口与所述出口之间顺着所述腔室的高度的一个或多个水螺旋流动。一旦在所述腔室中存在稳定的涡流，所述控制阀就进行调整，使得出入所述腔室的水流速率是相同的。

可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对上述本发明的实施方式做出许多修改。

以举例的方式，虽然本实施方式被示为具有腔室5的高度和宽度的特定相对尺寸、转子21的特定构造、以及进口15和出口17及组件的其它部件的特定构造，但是本发明并不局限于此，并延伸至任何合适的布置。

以举例的方式，虽然侧壁13具有筒形内表面，用以促进腔室5中的涡流的形成，但是本发明并不局限于这种布置，并且腔室5可包括诸如叶片和/或挡板的构造，用以促进所述腔室中的涡流的形成。所述构造可由所述侧壁和/或所述基部支撑或者成为所述侧壁和/或所述基部的一部分。

以举例的方式，虽然本实施方式包括支撑所述组件的部件并适于将所述组件定位在水体中的特定结构，但是本发明并不局限于这种布置。以特定示例的方式，从柱27向内延伸并为腔室5的基部7限定一系列支撑件的一系列支架29是许多合适的选择之一。另一种选择是提供在间隔开的柱27之间延伸的一系列横构件。

以举例的方式，虽然本实施方式仅包括一个转子单元，但是本发明并不局限于这种布置，并且可包括位于一个腔室中的多个转子单元或位于一个腔室内的多个发电机单元，所述组件被形成为促进与每个转子单元关联的独立涡流构造的形成。

以举例的方式，虽然本实施方式被描述为适于位于水体的河床上，但是本发明并不局限于此，并延伸至适于位于地面上或水体旁的地面中的实施方式。这些实施方式包括将水体连接到组件3的进口15和出口17的管件。

以举例的方式，虽然本实施方式被描述为独立单元，但是本发明并不局限于此，并延伸至在其中与其它水电发电系统一起使用组件3的布置。

Claims (19)

1.一种用于发电的组件，该组件适于作为自立单元被定位在水体中或水体旁并且能够作为单元而从制造现场运输到最终使用位置作为组件，并且所述组件包括：(a)腔室，所述腔室具有基部、从所述基部延伸的筒形侧壁、位于所述侧壁中的水进口和位于所述基部的中央部中的水出口，其中所述侧壁具有筒形内表面，并且所述进口相对于所述侧壁的所述筒形内表面处于向内角度，使得在使用中水在螺旋通路中流入所述腔室中，该螺旋通路在所述腔室内围绕轴并且向下直至所述出口，并且所述进口包括流量控制阀用以控制经由所述进口进入所述腔室的水的流动并且/或者所述出口包括流量控制阀用以控制来自所述出口的水的流动；(b)转子单元，所述转子单元具有轴和安装到所述轴的转子，所述转子设在所述腔室中并能响应于在使用中穿过所述腔室的水流而在所述腔室中旋转，所述转子包括从所述轴朝向所述侧壁沿径向向外延伸的多个叶片，所述叶片是弯曲的叶片，所述弯曲的叶片从连接到所述轴的内缘以及从外缘向后扫略，所述进口和所述叶片相对于彼此定位，使得在使用时，从所述进口流入所述腔室的水的至少一部分直接流向所述叶片；(c)一个或多于一个的发电机，所述发电机联接到所述转子单元，用于响应于所述转子的旋转来发电；以及(d)支撑结构，所述支撑结构包括框架，所述框架包括采用腿的形式的多个支撑构件，在使用所述组件时，所述多个支撑构件从所述基部向下延伸并且将所述组件的所述腔室、所述转子单元和所述发电机作为自立单元支撑并定位在水体中或水体旁，其中选择(i)进口角度、(ii)所述进口、所述出口和所述腔室的尺寸、(iii)所述进口和所述出口的位置以及(iv)所述进口和所述叶片相对于彼此的位置，从而在使用时所述组件作为自立单元位于水体中或水体旁且有水从所述进口到所述出口流过所述腔室的情况下在所述腔室内形成涡流，所述涡流是涡流中的水流，即在所述腔室内围绕转子轴且向下到达所述腔室的所述基部中的所述出口的螺旋通路。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述腔室包括用以促进所述腔室中的涡流的形成的构造。

3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述构造由所述侧壁和/或所述基部支撑，或者所述构造成为所述侧壁和/或所述基部的一部分。

4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述框架被形成为支撑所述腔室的所述基部和所述侧壁。

5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述转子单元被定位成使得所述轴居中地位于所述腔室中。

6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述进口在所述侧壁的上段中。

7.根据权利要求1所述的组件，其中，所述进口角度为5°-10°。

8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述进口包括进口漏斗，以使进入所述腔室的水流最大化。

9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述出口包括定位在所述腔室中的出口漏斗。

10.根据权利要求9所述的组件，其中，当所述组件处于竖直位置时所述出口漏斗相对于水平轴线具有小于20°的角度，用以在已经建立所述涡流之后促使所述涡流形成为在所述腔室内不到处移动的稳定涡流。

11.根据权利要求1所述的组件，其中，所述出口包括出口管，所述出口管包括从所述基部向下延伸的第一段和垂直于所述第一段延伸的第二段。

12.根据权利要求1所述的组件，其中，所述出口包括螺旋形内表面，即在内表面中具有一系列螺旋脊的表面，用以提高穿过所述出口的水流。

13.根据权利要求1所述的组件，其中，所述腔室具有30米的最大宽度。

14.根据权利要求1所述的组件，其中，所述腔室具有10米的最大高度。

15.根据权利要求2所述的组件，其中，所述构造包括叶片和/或挡板。

16.一种发电系统，所述发电系统包括作为自立单元位于水体中或水体旁的根据权利要求1所述的组件，其中水流经腔室并形成涡流，该涡流驱动所述转子和所述发电机并发电。

17.根据权利要求16所述的发电系统，所述发电系统通过所述组件产生0.1-300kw的电力。

18.根据权利要求16所述的发电系统，所述发电系统包括位于所述水体中的多个所述组件，其中每个组件均发电。

19.一种发电的方法，所述方法包括：将根据权利要求1所述的组件定位成与水体处于流体连通，使得水流过所述腔室并形成涡流，该涡流驱动所述转子和所述发电机并发电。

Images