基本信息
- 项目名称：
- 竖叶水车发电装置及应用该装置的水力发电方法
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是利用零散溪流水动能和分散低潮汐能进行发电的一个能源转换装置。本作品的核心关键技术是其竖叶水车结构。该结构基于古老传统的水车，通过改变其放射状叶片结构，采用由曲柄连接的内架轮和外架轮组成平行四边形机构。相对传统放射状结构，它使水车叶片在入水和出水状态下都能始终保持垂直，克服了叶片入水和出水的阻力，保证中心轴以下叶片能接受水流的冲击力，具有较高的能量转换效率，能在低水头流水中发挥作用。
- 详细介绍：
- 当前，开发清洁可再生能源是人类发展需求的必然趋势。水能是绿色可再生资源，将其开发利用具有重大意义。目前开发水能的方式一般是建设水电站，利用高效率的水轮机来转换水能，但它对选址有一定的要求，例如一些零散低水头的溪流就无法利用。如果在零散的溪流上建设水坝提高水头，则经济性较差（建设水坝存在破坏环境、投资成本较大、建设工期较长等缺点）。如何利用这些零散溪流的流水动能，是我们的作品的一个设计出发点。同样，对于低水头的潮汐能利用，目前的方法也是采用建设水坝及高效率的水轮机，对选址也存在较大潮差的要求。而对一些分散的较低潮差的地址，其建设潮汐能电站的经济性就更差，如何经济性地利用这些分散的低潮差的潮汐能，也是我们的作品在实际应用领域中的一个重要考虑。本作品的核心关键技术是其竖叶水车结构。该结构基于古老传统的水车，通过改变其放射状叶片结构，采用由曲柄连接的内架轮和外架轮组成平行四边形机构。相对传统放射状结构，它使水车叶片在入水和出水状态下都能始终保持垂直，克服了叶片入水和出水的阻力，保证中心轴以下叶片能全部接受水流的冲击力，具有较高的能量转换效率，能在低水头流水中发挥作用。当流水正面冲击水车叶片时，叶片经架轮产生力矩，力矩使中心轴转动，中心轴旋转带动变速齿轮箱工作，变速齿轮输出一个适应发电机范围的转速，由发电机产生特征电压，特征电压经调控器识别后，对负载或电瓶做出调整策略，最后输出一个稳定的电压和电流。开发本装置的每千瓦投资成本为4 000元至5 000元，运营成本为0.03元至0.07元，工程建设期为6至12个月，其投资成本回收期预计为3年至5年。本作品符合国家产业政策和能源政策，市场潜力巨大，产业化前景较好。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 水能是绿色可再生资源，将其开发利用具有重大意义。目前开发水能的方式一般是建设水电站，利用高效率的水轮机来转换水能，但它对选址有一定的要求，例如一些零散低水头的溪流就无法利用。如果在零散的溪流上建设水坝提高水头，则经济性较差（建设水坝存在破坏环境、投资成本较大、建设工期较长等缺点）。如何利用这些零散溪流的流水动能，是我们作品的一个设计出发点。同样，对于低水头的潮汐能利用，目前的方法也是采用建设水坝及高效率的水轮机，对选址也存在较大潮差的要求。而对一些分散的较低潮差的地址，其建设潮汐能电站的经济性就更差，如何经济性地利用这些分散的低潮差的潮汐能，也是我们的作品在实际应用领域中的一个重要考虑。本作品的核心关键技术是其竖叶水车结构。该结构基于古老传统的水车，通过改变其放射状叶片结构，采用由曲柄连接的内架轮和外架轮组成平行四边形机构。相对传统放射状结构，它使水车叶片在入水和出水状态下都能始终保持垂直，克服了叶片入水和出水的阻力，保证中心轴以下叶片能全部接受水流的冲击力，具有较高的能量转换效率，能在低水头流水中发挥作用。当流水正面冲击水车叶片时，叶片经架轮产生力矩，力矩使中心轴转动，中心轴旋转带动变速齿轮箱工作，变速齿轮输出一个适应发电机范围的转速，由发电机产生特征电压，特征电压经调控器识别后，对负载或电瓶做出调整策略，最后输出一个稳定的电压和电流。本装置应用的流速范围：2m/s～8m/s，潮差范围：0.5m～2m，功率范围：1KW～60KW，转换效率：45%～58%。
科学性、先进性
- 如附图所示，内架轮作为固定水车叶片的加固轴的正架，外架轮作为辅助架，内架轮以中心轴的轴线为旋转中心旋转，外架轮以圆环轨的中心轴线为旋转中心旋转。外架轮的旋转中心轴线位于内架轮的旋转中心轴线之下且彼此平行地位于同一竖直平面内。外架轮的多边形顶点处安装有曲柄，曲柄的垂直边长度与内架轮和外架轮的旋转中心之间的垂向间距相同，且与外架轮、内架轮的各构件共同构成了平面平行四边形机构，以保证各叶片始终同向围绕中心轴线转动垂直如一。外架轮的圆环轨位于中心轴上方，该圆环轨与中心轴之间有间隙，以免水车转动时干扰。能够实现保持叶片竖直向下接受水流冲击的关键技术是对平面四边形机构的合理应用，以及连接叶片曲柄的叶片轴头、叶片脱水结构的合理设计。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年，《竖叶水车发电装置的研究及改进》获得省级大学生创新性实验计划项目立项；2010年，《竖叶水车发电装置》获得科技部中国21世纪议程管理中心与沃尔玛（中国）投资有限公司联合主办的“青年科技创新竞赛”产品类优秀奖。2011年，本作品获得省级“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利实施许可
作品可展示的形式
- 模型、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的水车结构基于古老传统的水车，通过改变其放射状叶片结构，采用由曲柄连接的内架轮和外架轮组成平行四边形机构。相对传统放射状结构，它使水车叶片在入水和出水状态下都能始终保持垂直，克服了叶片入水和出水的阻力，保证中心轴以下叶片能全部接受水流的冲击力，具有较高的能量转换效率，能在低水头流水中发挥作用。它无需水工建筑，不破坏自然环境，单位功率开发成本较低，是一款性价比较优的可再生能源水能开发利用的水力发电设备，属原创型技术创新产品。可根据不同流域（溪、河、江、海）设计出适用于溪流、普通江河、江河入海口、海水潮汐流四种类型的水车装置应用发电。本装置投资小，运作简单，适合以村落甚至家庭为单位进行建设，而采用产品堆叠的方式，也可以建成相对较大规模的电站。开发本装置的每千瓦投资成本为4 000元至5 000元，运营成本为0.03元至0.07元，工程建设期为6至12个月，其投资成本回收期预计为3年至5年。本作品符合国家产业政策和能源政策，市场潜力巨大，产业化前景较好。
同类课题研究水平概述
- 国内外有关利用水流动力的微型水力发电装置的研究与应用已有较多的文献报道。水车通常被认为是一种低效率的水能转换设备，由于水轮机比水车的效率高，因此接替了水车的水能转换装置的作用，并在生活中得到了广泛的应用。但实际上用在低水头微型水电站中，水车还是具有有效和成本低的特点。国内有关水车式水力发电装置的研究与应用只有少量的文献报道。例如，广东省肇庆市邓纯粹申请了“一种水车发电机”实用新型专利，主要由水轮、主轴、轮毂、主轴承、螺杆、轴承座、联轴器及发电机组成适合于在小流差、小流量及低速水流上运行。山东省淄博市张永军申请了“水车式水力发电装置”实用新型专利，其特征在于增设一水车轮，水车轮通过传动元件与发电机相连。水利水电科学研究院赵维等人介绍了水车式水流发电站的构造和工作原理。此外，有关水车的开发与应用也有文献报道，水车结构和叶片形状各有不同。国外有关水车式水力发电装置的研究与应用可以Zuppinger水车为代表，它是典型的下击式水车。
