專利名稱：無水工工程的水力開發方法及其發電設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于水力能開發利用方式及其發電技術領域。是一種無需通過現有水能開發必經的筑壩、建庫、引水等水工工程，將水流動能聚集為勢能(水頭)，集中截獲轉換的水能開發利用的無水工工程的水利開發方法及其發電設備。
背景技術：
人類利用水能的歷史已有數千年了。從早期的農業生產加工、工業水力機械，到現代的水力能發電工程，水能利用技術對人類文明和發展做出了巨大貢獻。隨著人類對能源需求量的日益增長，能源危機日益加深，因此人類加大了對可再生的水力能源開發和爭奪力度。 但由于現行河川水力能的基本和主要開發利用方式及其技術，是通過筑壩、建庫、引水等水工工程來將流動的水力能量聚集起來，形成高低差(水頭)的勢能，集中沖擊水輪機帶動發電機將水力能經機械能轉化為電能，因此就必然會出現和存在下列問題和不足(科學出版社《可再生能源及其發電技術》第5章、第289頁、5. 1. 1 (8)、(9)):
1、現行水電開發項目的水工工程建設周期長、投資大、項目效益低下。由于現行水力發電都是通過上述筑壩、建庫、引水等水工工程方法來實現聚集勢能(水頭)，再由水輪機將水能轉化為機械能帶動發電機將機械能轉化為電能。而水工工程投資及其費用比重卻占了現行水電項目總投資的約70%。因此，不僅會造成工程投資量大、 能效比差，還直接導致了現行一般水電項目建造周期長和投資回收期較長，以及水電項目效益低下的問題。2、現行水電開發項目占地面積大、淹沒損失、移民搬遷和環境負面影響大，且工程維修費用高。由于筑壩、建庫、引水等水工工程必然占用或淹沒大量土地，同時還會產生淹沒損失和移民搬遷的負面效應，和影響野生動植物的生存環境以及改變原有水文情況，對生態環境產生負面影響。而且現有技術開發方法不僅工程量大，占地面積大，還由于水工工程是水電項目主體工程，每年還將會產生大量工程維護費用。3、現行水能發電項目開發方法和技術受水頭和地域條件限制性大，且可開發資源已近枯竭。由于現行水能發電項目開發方法決定了其項目開發不僅工程量大且質量和安全的要求也高，因而其項目選址不僅受水頭、地域環境和地質條件等諸多因素限制，同時還會直接影響項目成本。特別是近年來，隨著世界能源危機加劇，各國均加大了對水能資源的爭奪和開發力度。截至目前，我國及主要水能資源國家，利用現行水能資源開發方法和技術， 可開發修建水力發電站的環境條件和水頭選址資源已基本被開發和規劃、分割完畢。即采用現行方法和技術可開發利用的河川水能資源已近枯竭。4、現行水能開發方法和技術不能簡便而直接的開發和利用自然河川流水的動能， 必然造成大量河川動能白白流失的巨大資源損失。
據統計我國河川水能資源量占世界首位。資源蘊藏量為59222萬億千瓦時/年， 而現行技術可開發量僅為19233萬億千瓦時/年(科學出版社《可再生能源及其發電技術》 第5章、第2 頁)。而我國現行的水能開發利用方式和技術已屬世界先進水平，但由于現有水能開發都是通過筑壩、建庫、引水等水工工程方法，將河川水流的動能聚集還原為勢能 (高低差的水頭)，再集中截獲轉換為機械能和電能。假如未來我國能夠將其具備現行技術可開發性的19233萬億千瓦時/年水能資源全部開發利用了，還尚有65%左右的自然河川流域流動的水能資源，由于現行水能開發方法和技術無法利用，而在終年不息的向下流經過程中白白流失掉。若不設法開發利用，這將也是非常巨大的自然資源流失損失。綜上所述，現行水力能發電的開發利用方式和技術方面存在的下述不足和問題 1、項目開發周期長、投資大、效益低下的問題和不足。2、項目占地面積大、淹沒損失大、移民負擔重和環境負面影響大，且工程維修費用高的問題和不足。3、項目選址受水頭和地域條件限制性大，而且現行技術可開發資源已近枯竭的問題和不足。4、現行技術不能簡便經濟和直接地開發和利用自然河川流水動能，造成大量動能白白流失的巨大資源流失損失的問題和不足。
發明內容
本發明的目的是為了克服以上不足，提供一種投資小，占地面積小，工程維修費用低， 能充分利用自然河川流水功能的無水工工程的水力開發方法。本發明的另一個目的是為了提供無水工工程的水力開發發電設備。本發明的目的是這樣來實現的
本發明無水工工程的水力開發方法，該方法是將水輪發電機組懸浮安裝于自然河川中，由水輪發電機組中的水輪直接將自然水流動能截獲轉換為機械能供水輪發電機組發 H1^ ο本發明無水工工程的水力開發發電設備，包括固定在河岸和/或水中的支撐，通過固定懸浮件固定懸浮在支撐上的帶浮體的水輪發電機組。上述的支撐為至少二對對稱設置在河道兩側岸邊上的岸基鋼架基礎和多根斜拉鋼索，跨河鋼架的兩端固定在河道兩側岸邊上的岸基鋼架基礎上，多根斜拉鋼索的兩端分別固定在跨河鋼架和相對應的岸基鋼架基礎上，帶滑軌的懸浮支架吊裝在跨河鋼架上且下部支座中裝有帶浮體的水輪發電機組。上述的支撐為設置在河道一側岸邊上的岸基鋼架基礎和多根斜拉鋼索，跨河鋼架的一端固定在河道一側岸邊上的岸基鋼架基礎上，多根斜拉鋼索的兩端分別固定在跨河鋼架和相對應的岸基鋼架基礎上，帶滑軌的懸浮支架吊裝在跨河鋼架另一端上且下部支座中裝有帶浮體的水輪發電機組。上述的支撐為設置在河道兩側岸邊上的岸基鋼索基礎和多根斜拉鋼索，鋼索承力梁兩端固定在河道兩側岸邊上的岸基鋼索基礎上，多根鋼索一端固定在鋼索承力梁上而另一端懸掛有伸入河面中的帶浮體的水輪發電機組。上述的支撐為沿河道橫向設置在河床上的至少一個帶垂直滑軌的水泥基樁或錨固件，至少一個帶浮體的水輪發電機組通過鋼索與相對應的帶垂直滑軌的水泥基樁或錨固件連接。上述的水輪發電機組中有帶前部擴壓增速入口段和后部擴壓增速出口段的擴壓增速流體通道，與擴壓增速流體通道殼體連接為一體的浮體，擴壓增速入口段擴開角上部有呈45°缺口，機組防水殼體位于流水通道中且支承在支承架上，發電機、與發電機連接的傳動系統位于機組防水殼體中，傳動軸伸出機組防水殼體的一端上裝有水輪，導水靜葉輪裝在機組防水外殼上，在浮體上裝有連接支座，擴壓增速入口段中裝有攔污柵，自然河流水經排污柵及擴壓增速入口段，水流速度得以提升并進入流體通道，推動水輪旋轉，再流經擴壓增速出口段，使水的能量進一部提升，水輪旋轉動力經傳動軸傳入機組防水外殼內，經傳動系統并帶動發電機運轉，產生的電經電纜輸出到岸基上的變電站，擴壓增速流體通道上的浮體使得發電機組能隨河水的漲落自由上下，不影響發電機的工作。視自然河流的寬度情況，位于浮體兩側的連接支座可用于橫向組合發電機組。上述的水輪發電機組中有含擴壓增速入口段和擴壓增速出口段的擴壓增速流體通道，與擴壓增速流體通道殼體連接為一體的浮體，發電機位于浮體內且通過機座裝在浮體上，位于擴壓增速流體通道內的傳動系統與發電機連接且其傳動軸上裝有水輪，擴壓增速入口段中裝有攔污柵。上述的水輪發電機組中有含擴壓增速入口段和擴壓增速出口段的流體通道，與流體通道殼體連接為一體的浮體，發電機裝于浮體內且傳動軸入擴壓增速入口段后部上裝有水輪，擴壓增速入口段中裝有攔污柵。上述水輪發電機組中有浮船，發電機裝于浮船內而傳動軸直接伸出浮船外的一端上裝有水輪。
理論依據水(風)含功率=1/2 X流體密度X橫截面積X流體速度3 E='/2 p fv3
水的能量密度是空氣的800倍。而現行風力發電技術是，當風速達到3m/s時，便能工作發電。此時，橫截面積為1 m2的風含功率僅為16. 9W，而水流達到3m/s時，橫截面積1 m2就有13. 5KW的水含功率。假定流速僅為2m/s的水流，其橫截面積1 Hl2的功率也能達到4KW。 而事實上，在我國水能資源豐富的長江上游和金沙江、雅礱江、大渡河、烏江等主要河川的多數流域平均水流速度均超過2m/s。即此類資源不僅應善加開發利用，而且其能效比也會遠高于現行風電和火電行業。利用現行水能開發方法和技術的發電成本，遠低于風力和火力發電成本。由于本發明不通過現行水能發電站開發建設必需的筑壩、建庫、引水等水工工程方法，而是直接通過水輪發電機組在自然河川水域直接對自然水流的動能實現截獲轉換的方法。因而節省了現行水電開發項目三分之二的水工工程投資費用，其發電成本僅為現行水電站的三分之一左右。不僅能效比大幅提高，又無任何環境負面影響，而且對限于現行技術經濟和環保條件無法開發利用的自然河川中，主要流域白白流失的約65%的流域動能資源，均可納入本發明開發利用范圍。本發明無水工工程的水能開發方法及其發電設備解決了前述現行水力能資源開發方法和技術方面存在的問題和不足
1、本發明多種不再需通過現有水能開發必經的筑壩、建庫、引水等水工工程方法，來將自然水流動能聚集為勢能(水頭)，集中截獲轉換的開發利用方式。它是采用支撐如岸基鋼架基礎、水中承力基樁、水中錨掛系統、斜拉索、吊索、岸基塔架等拉撐，承力和穩固條件，將配有承重浮船(體)、托架或支撐物的帶擴壓增速通道的水能發電機組，順流拉、撐、穩固(安裝)于自然河川流水中，由其水輪直接將自然水流的動能截獲轉換為機械能和電能的方法。 從而實現了無需經過水工工程投資和設計建設，便能開發利用自然河川水能發電的投資省、周期短、效益高的水能開發方法和技術，因此也較好的解決和克服了現行水能開發利用方式和技術在水力能發電項目開發實踐中普遍存在的投資大、周期長、效益低下的問題和不足。2、由于本發明是通過采用支撐如岸基鋼架、水中承力基樁、水中錨掛系統、斜拉索、吊索、岸基塔架等拉撐，承力和穩固條件，將帶擴壓增速通道的水能發電機組，順流懸浮，拉、撐、穩固(安裝)于自然河川流水中，由其水輪直接將自然水流的動能截獲轉換為機械能和電能的水能截獲利用工程方法。因而減省了現行水能發電項目開發所必需的筑壩、 建庫、引水等水工工程，同時對伴隨于現行技術在水能開發利用方面的土地占用面積大、淹沒損失大、移民負擔大、動植物生存環境以及地質地貌、氣候等諸多方面的負面影響 ，也因本發明的新型開發利用方式一并得到了完善和解決。3、由于本發明是不再通過水工工程，將自然河川水流動能聚集為勢能(水頭)，來集中截獲開發，而是直接對自然河川動能進行截獲轉換為機械能和電能的開發方法。而現行水能開發方法利用方式，因一則需選擇自然水頭和地質條件較好的項目地址，同時還必須通過水工工程來實現其聚集水頭和集中截獲轉換水能。因此，其項目選址不僅受水頭和地域條件限制大，而且隨著現行水電開發力度的加大，截至目前，現行技術可開發的項目選址資源已近枯竭。由于本發明基本能夠在自然河川任意流域和地段實施項目開發，且不會對生態環境、水文地質構成破壞和產生負面影響。因而，現行水能開發技術存在的項目選址條件受限和項目資源已近枯竭的不足和問題，便在本發明中得到較好的完善和解決。4、由于本發明水能開發方法，是可以在自然河川流域任意河段水流中直接安裝水輪發電機組，截獲轉換流水動能，而不受現行開發技術所必需的水工工程建設、水頭及地域環境等諸多條件限制，也無需將流水動能聚集為勢能(水頭)的條件，因而，凡是達到設計流速條件的河川自然水能資源，均可在本發明設計的開發利用范圍。因此，現行技術不能簡便直接開發利用自然河川動能而導致的大量自然河川動能資源白白流失的現狀和問題在本發明中便得以完善和解決。本發明具有如下優點
1、由于本發明實現了前述無需經過水工工程建設投資，便能開發利用自然河川水力能發電的方法及其，從而較好的避免和解決了現行技術在水能開發實踐中普遍存在的項目投資大、水工工程設計建設和投資回收周期長，導致水電項目普遍存在的效益低下的問題。因此，本發明在河川水能資源發電項目開發方面可大幅度減省項目投資規模、縮短項目投資建設和回收周期、提高經濟效益的有益效果。2、由于本發明不再采用現行水能發電項目開發的水工工程方法和技術，因此減省了現行在自然河川水能發電項目開發所必須的筑壩、建庫、引水等水工工程，同時對伴隨其水工工程的土地占用面積大、淹沒損失大、移民負擔重、阻斷流域對動植物生存環境以及地質地貌、氣候等諸多方面的負面影響，也因本發明開發利用方式一并得到解決。由此，本發
6明在河川水能發電開發項目方面起到了大幅度減少土地資源占用，消除了淹沒損失、移民負擔以及對動植物生存環境和地質、氣候等方面負面影響的積極有益效果。3、由于本發明不再采用現行水能開發項目必需的，用水工工程聚集勢能(水頭)集中截獲轉換水能的方法和技術，而是直接對自然河川動能進行截獲、轉換為機械能和電能的開發方法。從而達到了對自然河川水能開發利用項目不再受水頭和地域、地質條件限制， 項目開發不會對生態環境、水文地質構成破壞和負面影響，還能夠在達到設計流速的自然河川任何流域和地段實施水電項目選址開發的積極有益效果。4、由于本發明可直接對自然河川任何流域和地段達到設計流速的水流動能資源進行截獲轉換為機械能和電能，因此本發明在解決現行水能開發技術不能簡便經濟和直接開發利用自然河川水流動能資源，以致大量的自然河川動能資源白白流失方面起到了積極有益效果。
圖1為本發明跨河式發電設備示意圖。圖2為圖1的俯視圖。
圖3為圖1中所示發電設備使用示意圖。
圖4為非跨河式發電設備示意圖。
圖5為圖4的俯視圖。
圖6為斜拉索式發電設備示意圖。
圖7為圖6的俯視圖。
圖8為河道中建基樁的發電設備示意圖。
圖9為圖8的俯視圖。
圖10為錨固系統的發電設備示意圖。
圖11為圖10的俯視圖。
圖12為錨固系統的發電設備另一示意圖。
圖13為圖12的俯視圖。
圖14為貫流式擴壓增速發電機組示意圖。
圖15為圖14的俯視圖。
圖16為分體變向式擴壓增速發電機組示意圖。
圖17為軸伸式擴壓增速發電機組示意圖。
圖18為浮船式發電機組示意圖。
具體實施例方式
實施例1
圖1圖2給出了本實施例1跨河式電設備圖。參見圖1、圖2，本實施例支撐為三對對稱設置在河道兩側岸邊上的岸基鋼架基礎1和多根斜拉鋼索3。跨河鋼架2的兩端固定在河道兩側岸邊上的岸基鋼架基礎上。多根斜拉鋼索3的兩端分別固定在跨河鋼架和相對應的岸基鋼架基礎上。帶滑軌的懸浮支架4吊裝在跨河鋼架上且下部支座5中裝有帶浮體的水輪發電機組6。 圖3為本實施例安裝示意圖。在河岸上安裝有變壓器室、值班室的機房7，系統集成及維修車間8，與維修車間連通的入水滑軌9。
實施例2
圖4、圖5給出了本實施例2非跨河式發電設備圖。參見圖4、圖5，本實施例2中支撐為設置在河道一側岸邊上的岸基鋼架基礎1和多根斜拉鋼索3。跨河鋼架2的一端固定在河道一側岸邊上的岸基鋼架基礎上。多根斜拉鋼索3的兩端分別固定在跨河鋼架和相對應的岸基鋼架基礎上。帶滑軌的懸浮支架4吊裝在跨河鋼架另一端上且其下部支座5中裝有帶浮體的水輪發電機組6。實施例3
圖6、圖7給出了本實施例3斜拉索式發電設備圖。參見圖6、圖7，本實施例 3中支撐為設置在河道兩側岸邊上的岸基鋼索基礎1和多根斜拉鋼索3。鋼索承力梁 10兩端固定在河道兩側岸邊上的岸基鋼索基礎上。多根鋼索11 一端固定在鋼索承力梁上而另一端懸掛有伸入河面中的帶浮體的水輪發電機組6。實施例4
圖8、圖9給出了本實施例4河床中設置水泥基樁的發電設備圖。參見圖8、9，本實施例4中支撐為沿河道橫向設置在河床12上的多個帶垂直滑軌的水泥基樁13，帶浮體的水輪發電機組14通過多根鋼索11與相對應的帶垂直滑軌的水泥基樁連接。實施例5
圖10、圖11給出了本實施例5錨式發電機組示意圖。參見圖10、圖11，本實施例5基本與實施例4同，不同處未采用帶垂直滑軌的水泥基樁，而是在河床上設置了固錨15。實施例6
圖12、13給出了本實例6有帶水泥配重的三角錨發電示意圖。本實施例6基本與實施例5同，不同處是在固錨而是采用帶水泥配重的三角錨16。圖14、圖15是貫流式擴壓增速發電機組示意圖。參見圖14、圖15，水輪發電機組中有帶前部擴壓增速入口段17和后部擴壓增速出口段18的擴壓增速流體通道19，與擴壓增速流體通道殼體連接為一體的浮體20，擴壓增速入口段擴開角上部有呈45°缺口 32。機組防水殼體21位于流水通道中且支承在支承架上22。發電機23、與發電機連接的傳動系統M位于機組防水殼體中。傳動軸25伸出機組防水殼體的一端上裝有水輪沈。導水靜葉輪27裝在機組防水外殼上。在浮體上裝有連接支座觀。擴壓增速入口段中裝有攔污柵四。各零部件采用玻璃鋼或其它耐用防水材料加工。圖16是分體變向式擴壓增速發電機組示意圖。參見圖16，水輪發電機組6中有含擴壓增速入口段17和擴壓增速出口段18的擴壓增速流體通道19，與擴壓增速流體通道殼體連接為一體的浮體20。發電機23位于浮體內且通過機座30裝在浮體上。位于擴壓增速流體通道內的傳動系統M與發電機23連接且傳動軸25上裝有水輪26。擴壓增速入口段中裝有攔污柵四。圖17是軸伸式擴壓增速發電機組示意圖。參見圖17，水輪發電機組6中有含擴壓增速入口段17和擴壓增速出口段18的擴壓增速流體通道19，與流體通道殼體連接為一體的浮體20。發電機23裝于浮體內且傳動軸25伸入擴壓增速入口段后部上裝有水輪26。 擴壓增速入口段中裝有攔污柵四。圖18是浮船式水輪發電機組示意圖。參見圖18，水輪發電機組16中有浮船31， 發電機23裝于浮船內而傳動軸25直接伸出浮船外的一端上裝有水輪26。
上述的各圖中的箭頭表示水流方向。上述各實施例無水工工程的水力開發方法，是將水輪發電機組懸浮安裝于自然河川中，由水輪發電機組中的水輪直接將自然水流動能截獲轉換為機械能供水輪發電機組發 H1^ ο水輪發電機組的穩固方式可視自然流域的環境現狀單獨或組合使用。本發明的水輪發電機組一般情況下，多數采用橫向配置若干機組，因此不僅可橫向并聯為較大功率的發電機組、亦可在上、下游只要達到設計流速條件的緊鄰領域位置順流進行縱向布置。上述實施例是對本發明的上述內容作進一步的說明，但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于上述實施例。凡基于上述內容所實現的技術均屬于本發明的范圍。
權利要求
1.無水工工程的水力開發方法，該方法是將水輪發電機組懸浮安裝于自然河川中，由水輪發電機組中的水輪直接將自然水流動能截獲轉換為機械能供水輪發電機組發電。
2.如權利要求1所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于包括固定在河岸和/或水中的支撐，通過固定懸浮件固定懸浮在支撐上的帶浮體的水輪發電機組。
3.如權利要求2所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于支撐為至少二對對稱設置在河道兩側岸邊上的岸基鋼架基礎和多根斜拉鋼索，跨河鋼架的兩端固定在河道兩側邊上的岸基鋼架基礎上，多根斜拉鋼索的兩端分別固定在跨河鋼架和相對應的岸基鋼架基礎上，帶滑軌的懸浮支架吊裝在跨河鋼架上且下部支座中裝有帶浮體的水輪發電機組。
4.如權利要求2所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于支撐為設置在河道一側岸邊上的岸基鋼架基礎和多根斜拉鋼索，跨河鋼架的一端固定在河道一側岸邊上的岸基鋼架基礎上，多根斜拉鋼索的兩端分別固定在跨河鋼架和相對應的岸基鋼架基礎上， 帶滑軌的懸浮支架吊裝在跨河鋼架另一端上且下部支座中裝有帶浮體的水輪發電機組。
5.如權利要求2所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于支撐為設置在河道兩側岸邊上的岸基鋼索基礎和多根斜拉鋼索，鋼索承力梁兩端固定在河道兩側岸邊上的岸基鋼索基礎上，多根鋼索一端固定在鋼索承力梁上而另一端懸掛有伸入河面中的帶浮體的水輪發電機組。
6.如權利要求2所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于支撐為沿河道橫向設置在河床上的至少一個帶垂直滑軌的水泥基樁或錨固件，至少一個帶浮體的水輪發電機組通過鋼索與相對應的帶垂直滑軌的水泥基樁或錨固件連接。
7.如權利要求2 6之一所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于水輪發電機組中有帶前部擴壓增速入口段和后部擴壓增速出口段的擴壓增速流體通道，與擴壓增速流體通道殼體連接為一體的浮體，擴壓增速入口段擴開角上部有呈45°的缺口，機組防水殼體位于擴壓增速流水通道中且支承在支承架上，發電機、與發電機連接的傳動系統位于機組防水殼體中，傳動軸伸出機組防水殼體的一端上裝有水輪，導水靜葉輪裝在機組防水外殼上，在浮體上裝有連接支座，擴壓增速入口段中裝有攔污柵。
8.如權利要求2 6之一所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于水輪發電機組中有含擴壓增速入口段和擴壓增速出口段的擴壓增速流體通道，與擴壓增速流體通道殼體連接為一體的浮體，發電機位于浮體內且通過機座裝在浮體上，位于擴壓增速流體通道內的傳動系統與發電機連接且其傳動軸上裝有水輪，擴壓增速入口段中裝有攔污柵。
9.如權利要求2 6之一所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于水輪發電機組中有含擴壓增速入口段和擴壓增速出口段的擴壓增速流體通道，與擴壓增速流體通道殼體連接為一體的浮體，發電機裝于浮體內且傳動軸伸入擴壓增速入口段后部上裝有水輪，擴壓增速入口段中裝有攔污柵。
10.如權利要求2 6之一所述的無水工工程的水力開發發電設備，其特征在于水輪發電機組中有浮船，發電機裝于浮船內且傳動軸直接伸出浮船外的一端上裝有水輪。
全文摘要
本發明無水工工程的水力開發方法，是將水輪發電機組懸浮安裝于自然河川中，由水輪發電機組中的水輪直接將自然水流動能截獲轉換為機械能供水輪發電機組發電。本發明還提供了無水工工程的水力開發發電設備。本發明投資小，占地面積小，工程維修費用低，能充分利用自然河川流水動能。
文檔編號F03B11/08GK102418649SQ20121000626
公開日2012年4月18日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者李平 申請人:李平