使用污水处理工场排出物和水净化工场排放水进行发电的漂浮型小型水力发电装置

摘要

根据本发明，不需考虑气候条件和水位高低，通过将该漂浮型小型水力发电装置安装在污水处理工程各工序之间的水道或者水净化工场的排放水水道中即可产生稳定和恒定电能。另外，由于该发电装置不需要安装在开阔地段，跟安装成本相比，其维护和修理成本是很低的且能量转换效率很高。到目前，根据本发明，流入污水处理工场和水处理工场的水道的那些水可以转换成新的能量，且能量是环保清洁的能源，不排放二氧化碳。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水力发电装置，更特别地涉及一种漂浮型小型水力发电装置，其可以安装在污水处理工场排出物和水净化工场排放水的水道中，产生电能。

背景技术

对于采用太阳热、风、地热、潮汐或该类自然清洁能源发电模式的研究和开发工作在积极进展中。然而，这样的采用太阳热、风能产生能源的方式需要过多前期投资且需要一个很长资金回收期，并且还有需要依赖气候来连续产生能量的问题。一般来说，太阳能的转换率大约12%，风能的平均转换率是20%。这样的话，与投入相比，很难连续地产生能源。

与前述低效率获取能量方式相比，江河、溪流、灌溉渠或者类似物中的自然地流动的水力能作为一种新能源被突显出来。作为采用江河、溪流等产生电能的装置的参考例子，韩国实用新型214498、0359794、0329785等等。

然而，以上的参考例子在实际发电时都有局限。也就是说，在江河、溪流等的开阔地段安装发电装置是不容易的，并且由于气候变化洪水和干旱经常发生，所以维护是不大可能的，效率也是很低的，甚至很难于安装发电装置。因此，小型水力发电可以在具有水道的设施中进行，只要水道的水流相对较平稳且维护相对容易，甚至在外部环境改变的情况下。

当设施与水道一起建成后，就有了连接沟渠、进水站、水净化工场、污水处理工场等等。这些设施当中，水流保持足够可用，例如污水处理工场或者进水站和水净化工场。这种发电方法，尽管少用，但在使用水瀑（waterfall）情况下是可以使用这种设施的。因此，如果只有一点儿或者没有水瀑就不可能进行发电。因此，一般需要建造人工堤坝或者堤防或者沟渠来形成水瀑，以便发电。前述的方法不仅需要额外的开支，而且在环境方面也是不受欢迎的。

另外，上述参考文件中披露的水力发电目的是安装在江河、溪流等的开阔地段，因此不方便应用于该水道。然而，如果在使用时对该水力发电进行改变然后应用于该水道的话，会出现很多问题。例如，由于水力涡轮所接触水表面之处的水位高低是固定的且不会相应于水流速度变化，所以很难高效地获取转动能。同时，如果流速很高或者波浪很大，漂浮构件不正常地漂浮，使得水力涡轮倾斜或者摇动。另一方面，如果流速很低，水力涡轮的转动能不可控制，从而产生不稳定的电能。除了上面的问题，参考文件中的发电装置还有其他多方面的问题，因此商业化起来有一定难度。

如图1（a）和（b）所示，一般的污水处理和水净化工场包括多个一步一步执行的工序。这些工序形成多个各种形式的长水道（W.L、waterway），依据化学消毒或其他净化处理等不同目的，形成各种形式的长水道，由此传送水流。附图中显示的很多水道是重复地配置为嵌入式或者外露式管道。然而，到目前为止，水流已经被置于只需小的投入就可以将水流转化成能源的水道中。

因此，有必要开发一些较好利用那些被置于水道中的环保能源的技术，来解决在不必提供附加设备情况下解决现有的漂浮型小型水力发电装置。

发明内容

本发明提供一种漂浮型小型水力发电装置，其使用污水处理工场排出物和水净化工场的排放水，使用排放到污水处理工场和水净化工场的水道中的水流，并产生环保、稳定的电能。

根据本发明的一方面，一种漂浮型小型水力发电装置，其使用污水处理工场的排出物和水净化工场的排放水，其沿一水道流动，该装置包括： 多个主体框，主体框安装在水道的相对的两侧且自水面上侧往水道底部方向直立固定；一矩形主体板，其水平地安装在所述多个主体框之间的水道和空区的中部区域；一漂浮均匀化单元，其与主体框和主体板连接，安装有多个被啮合的齿轮，依据水位高低上下移动，且平稳地浮起所述主体板；一止动单元，通过将主体板滚动地连接到配置在主体框外部水道的相对侧边，防止主体板被水流从正常位置移开；一对漂浮构件，其安装在主体板下方并将主体板浮起到水面上；一浮高调节单元，其通过压挤有螺纹杆的漂浮构件调整主体板的漂浮高度，所述螺纹杆从漂浮构件的上边部分贯穿漂浮构件的主体板；多个水力涡轮，其安装在所述的一对漂浮构件之间的空区内；一流速调节板，其水平安装在水里涡轮下方，板状外形，并倾斜来调整作用到水力涡轮上的水流强度；一倾斜度调节单元，其连接流速调节板和主体板且调整流速调节板的倾斜度，以便流速调节板从水平状态向水流方向倾斜；一能量传输单元，与所述主体板连接且汇集并传输水力涡轮的转动能量；一增速齿轮箱，其安装在主体板的中部区域，转换从能量传输单元传输来的转动能量； 一发电机，其与所述的增速齿轮箱啮合并产生电能；以及一能量控制器，其与所述发电机的电力线连接并变换电力。

所述漂浮均匀化单元可以包括一安装在主体框靠近主体板一侧的齿条，且有一安装在主体框上的小齿轮单元与齿条啮合。

所述止动单元包括一位于主体框外部的固定框，该固定框与水道中主体框形状相同；与固定框连接的轨道导向元件，以及一安装在主体板上与轨道导向元件相应区域的滚轮。

所述浮高调节单元包括一下端部连接至漂浮单元顶盖的螺纹杆，且向主体框的上部延伸；一具有供接纳所述螺纹杆的螺母部分的引导元件，固定在主体板上；一位于漂浮构件两相对侧边的漂浮构件导向件；以及一连接在该螺纹杆上端部的转动体。

所述流速调节板可以进一步包括多个将水流传送至水力涡轮的辅助板。

所述倾斜度调节单元可以包括四个与流速调节板角部区域连接的心轴，且贯穿主体板延伸出一预定长度；一与邻近心轴相互连接的导向件，其中心区域具有螺母部分；一插在所述螺母部分内且下端部与主体板连接的螺纹杆；以及一连接在心轴下端部的铰接单元，其与流速调节板连接。

所述能量传输单元包括两个能量传输齿轮，以及一汇集来自能量传输齿轮的能量的能量汇集齿轮。

该发电装置可以进一步包括无线通信装置，其远程决定和控制能量控制器的状态。

所述多个水力涡轮的形状可以为圆柱形，与多个叶片连接，且设有贯穿相对侧面中心部位的转轴。

根据本发明的示范实施例，本发明提供一种漂浮型小型水力发电装置，其使用污水处理工场排出物和水净化工场的排放水，使用排放到污水处理工场和水净化工场的水道中的水流，并产生环保、稳定的电能。 特别地，根据本发明作出的发电装置示范实施例能产生稳定和恒定电能，不依赖气候条件，且由于不必安装在一开阔地段，跟安装费用相比，具有低维持和修理成本以及高能量转换效率。

附图说明

图1为具有水道的污水处理和水净化工场的工序流程图；

图2为一小型水电发生装置的平面布局图；

图3为所述小型水电发生装置的侧视图；

图4为所述小型水电发生装置的主视图；

图5为漂浮均匀化（flotage uniformizing）单元和止动单元的平面示意图；

图6为漂浮均匀化单元和止动单元的侧面示意图；

图7为漂浮均匀化单元和止动单元的正面示意图；

图8为能量传输单元和水力涡轮的平面示意图；

图9为所述能量传输单元和所述水力涡轮的侧面示意图；

图10为所述能量传输单元和所述水力涡轮的正面示意图；

图11为浮高调节单元的平面示意图；

图12为所述浮高调节单元的侧面示意图；

图13为所述浮高调节单元的正面示意图；

图14为流速调节板和倾斜度调节单元的侧面示意图；

图15为所述流速调节板和所述倾斜度调节单元的正面示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的示范实施例进行详细描述。

图1为具有水道的污水处理和水净化工场的工序流程图；图2为一小型水电发生装置的平面布局图；图3为所述小型水电发生装置的侧视图；图4为所述小型水电发生装置的主视图；图5为漂浮均匀化单元和止动单元的平面示意图；图6为漂浮均匀化单元和止动单元的侧面示意图；图7为漂浮均匀化单元和止动单元的正面示意图；图8为能量传输单元和水力涡轮的平面示意图；图9为所述能量传输单元和所述水力涡轮的侧面示意图；图10为所述能量传输单元和所述水力涡轮的正面示意图；图11为浮高调节单元的平面示意图；图12为所述浮高调节单元的侧面示意图；图13为所述浮高调节单元的正面示意图；图14为流速调节板和倾斜度调节单元的侧面示意图；图15为所述流速调节板和所述倾斜度调节单元的正面示意图。

本发明的一示范实施例包括：多个主体框10，主体框安装在水道的相对两侧部且自水面上侧往水道底部方向直立固定；一矩形主体板20，其水平地安装在所述水道和所述多个主体框10之间的空区的中部区域；一漂浮均匀化单元30，其联接主体框10和主体板20且使主体板20平稳地上下移动；一止动单元40，平稳地固定主体板20，不随水流运动；一对漂浮构件50，其安装在主体板20下方并将主体板20浮起到水面上；一浮高调节单元60，其与漂浮构件50和主体板20联接并调整主体板20的漂浮高度；多个水力涡轮70，其安装在所述的一对漂浮构件50之间的空区内；一流速调节板80，其安装在所述多个水力涡轮70下方；一倾斜度调节单元90，其联接所述流速调节板80和所述主体板20且调整所述流速调节板80的倾斜度；一能量传输单元110，与所述主体板20连接且汇集并传输所述水力涡轮的转动能量；一增速齿轮箱120，其安装在主体板20的中央区域，转换从能量传输单元110传输来的转动能量；一发电机100，其与所述增速齿轮箱120啮合并产生电能；以及一能量控制器130，其被连接到所述发电机100的电力线路上并变换电力。

根据本发明的一示范实施例，该发电装置安装在已有的、不间断的5~10米水流流速的水道中来发电，以便恒定地和连续地产生电能，而不管水流量的变化，从而具有95%或更高的转换效率。而且，即使同样的多台发电装置重复地沿水道安装，能量也能通过能量传输单元110高效地传输到发电机。而且，所述水力涡轮70通过漂浮均匀化单元30、止动单元40，浮高调节单元60，流速调节板80以及倾斜度调整单元90等能被稳定地转动，从而连续地产生恒定电能。另外，已有的水道可以不作任何改变地使用本发明的发电装置，且没有必要安装额外的建筑，从而减少产生电力的成本。

为方便起见，在本发明的示范实施例中，水流流进和流出水道的位置分别称为入口侧和出口侧。 图2至图4中，图右边是入口侧，图左边是出口侧。

如图2至4中所示，主体框10做成形如方柱且被直立固定于水道底部，其中水道的入口侧和出口侧分别安装两个，且隔开一定的距离。 可以提供更 多个主体框10来被牢牢固定。主体框10可以朝着水面上方伸出一充分的长度，主体框下端可以通过小配件或者类似物固定在水道的底部。或者如图3所示，主体框10可以通过用辅助框15与主体框10相互系牢的方式来防止主体框10因其重量而移动或被冲走。如果必要，可以在主体框10的下端或者辅助框15上添附配重（未显示）。作为替换，可以在相邻的主体框之间的中部安装分隔框（未显示）。

主体板20水平安装在主体框10之间的空区和水道的中部处。主体板20为矩形形状且安装有多个后文描述的零部件单元。主体板20可以有具有某种强度且具有与置于水道两侧边的主体框10之间的距离相应的宽度的钢板制成，因此其才能支撑后文将要描述的多个零部件单元的重量。而且，后文将要描述的漂浮构件50固定处的区域被切开，以便漂浮构件50容易上下运动。

如图5至7所示，漂浮均匀化单元30包括一安装在主体框10靠近主体板20一侧的齿条31，且有一安装在主体框20上的小齿轮单元与齿条31啮合。 小齿轮单元包括一小齿轮33和一接纳该小齿轮33的小齿轮箱35。

所述漂浮均匀化单元30供连接主体框10和主体板20，并且通过后文将要描述的漂浮构件50使主体板20平稳地上下运动。

如图7所示，根据该示范实施例，两个小齿轮垂直方向上固定于小齿轮箱35，在预定的距离处与齿条31啮合。 如果水位上升或者下降，小齿轮33转动从而使主体板20平稳地上下运动。

在该示范实施例中，使用了两个小齿轮33来使主体板20平稳地上下运动，因应水位变化，但不局限于使用两个小齿轮。作为替换，如果必要，使用一个或者不少于三个小齿轮。而且，欲使主体板20上下运动更平稳，安装在水道同一侧的入口侧和出口侧的小齿轮33可以借助齿轮杆（未显示）相互连接起来。所述漂浮均匀化单元30用于防止主体板20因突然加强的水流或大浪被倾斜或者左右运动，且使主体板20平稳地上下运动，以便后文将要描述的水力涡轮70的叶片处于与水流表面接触状态下转动。

如图5至7所示，止动单元40被置于出口侧，防止主体板20被水流将其从正常位置冲偏离，从而使漂浮均匀化单元30不承受扭力且正常地工作。 止动单元40包括一固定框41，一与该固定框41啮合的轨道导向元件43，以及一安装在主体板20上与轨道导向元件43相应区域的滚轮45。

如图5至7所示，固定框41设于主体框10出口侧外，在水道的相对侧边，类似主体框10，且固定在水道底部或者与被伸长的辅助框15连接。 所述轨道导向元件43垂直地联接在固定框41的一侧，与主体板20接触，且具有一与滚轮45的厚度相应的宽度。所述滚轮45固定在主体板20上，以便与轨道导向元件43的位置相适应。

因此，主体板20不会因为水流作用朝出口侧运动，且通过滚轮45自然地上下运动。根据一示范实施例，为了达到平稳支撑，相对着的固定框41上垂直安装有两个滚轮45，但不限于只有两个。 作为替换，如果必要，可以使用一个或多个滚轮45。

在所述主体板20的下方，水流方向的两相对侧边配置有具有一预定长度和预定厚度的漂浮构件50，以便主体板20能够浮在水面上。所述漂浮构件50一般由轻质、防水的泡沫聚苯乙烯制成。许多泡沫聚苯乙烯产品已经开发出来用于渔业，制成各种不同的形式且售价很低。在该示范实施例中，许多立方形的泡沫聚苯乙烯产品安排成一直线，且相互连接好像其顶部被用盖板55包住，因此构成漂浮构件50。此处，主体板20下方安装安装有一对漂浮构件50，置于水道的相对两侧边。除了泡沫聚苯乙烯，可以使用各种材料例如方形的塑料容器或者类似的物件，只要其具有一定浮力。因为需要与浮高调节单元60连接，盖板55由具有一定硬度的材料制成，后文将进行描述。容易想到，盖板55可以使用钢板制成。

如图11至13中所示，所述浮高调节单元60包括一下端部连接于漂浮构件50的盖板55中部区域的螺纹杆61，且向主体板20的上部伸展；一设有供接纳所述螺纹杆61的螺母部分的导向件63，且固定在主体板20上；一配置在漂浮构件50的纵向方向的相对侧边的漂浮构件导向件65；以及一连接在螺纹杆61顶部的转动体67。具有这样的配置时，如果转动体67被转动，漂浮构件50沿着漂浮构件导向件65向下运动，且主体板20同时向上运动，以致漂浮构件50可以平稳地漂浮在水面上。如果转动体67沿反方向转动，主体板20则向下运动。

在该示范实施例中，一个漂浮构件50上连接有两个浮高调节单元60，以便漂浮构件50能平稳地上下运动。这样的操作使得水力涡轮70上下运动，后文将描述。

上下移动水力涡轮的目的主要是使水力涡轮70的转动能保持恒定，而不需考虑水流变化。例如，如果水流速度太快，水力涡轮70向下移动并且深深地浸入水中，以便降低水力涡轮70的转动能。另一方面，如果流速速度太慢，水力涡轮70则向上移动且因此水力涡轮70的浆片与水面具有最大的摩擦，从而增加转动能。

所述水力涡轮70的漂浮高度可以根据地点周边条件进行调节，但对于公知的发电装置，根据水流速度来调节转动能是不容易的。 而且，因依赖于水道的位置而流速变化产生的无规律能量的问题，例如一位置处速度较快而另一位置处流速较慢，可以通过该示范实施

例的浮高调节单元60得到解决。

   如图8至13所示，所述多个水力涡轮在所述的一对漂浮构件50之间的空区中以规则的间隔布置。所述水力涡轮70为圆柱形，且其配置有在圆周边处与水流方向垂直的多个浆片71。所述浆片71具有向水流相反方向弯曲的侧向横截面轮廓，并使其与水流具有最大的摩擦。在一般条件下，水力涡轮70的高度这样调整：仅浆片71的某个部分浸入水中，从而与水流具有最大的摩擦且同时有最大的转动能。

所述水力涡轮70包括一贯穿两相对侧面中部区域的转轴73；以及连接在转轴73两相对端部的锥齿轮5，从而传递水力涡轮70的转动能至能量传输单元110，后文将描述。转轴73的两端部与能量传输单元110的齿轮箱联接。在根据本发明作出的该示范实施例中，相对于中部区域而言，入口侧配置有两个水力涡轮70，出口侧配置有两个水力涡轮70，但不局限于此。 作为替换，可以设置一个或多个水力涡轮70。

当水流速度太低或者过高，难于获得水力涡轮70的转动能时，可以使用流速调节板80。流速调节板80为位于所述多个水力涡轮70下方的一宽板，且还包括多个置于其上表面以有规律间隔布置的辅助板85，将水流转移给浆片71。辅助板85以一预定的角度焊接连接或者其他类似方法连接至流速调节板80上。

如图14和15所示，倾斜度调节单元90包括四个与流速调节板80四角区域连接的心轴91，且贯穿主体板20延伸出一预定长度；一与邻近的心轴91相互连接的导向件93，其中心区域具有螺母部分；一插在所述螺母部分内的螺纹杆95，其具有一连接有转动体97的上端部，其下端部与主体板20联接；以及一连接在心轴91下端部的铰接单元99，其与流速调节板80连接。

倾斜度调节单元90调整流速调节板80的倾斜度，以便大量的水量可以流到水力涡轮70的浆片71上，从而增加水力涡轮70附近的流速。 根据一示范实施例，入口侧设置有两心轴91，出口侧设置有两心轴91，但不局限于此。 作为替换，在入口侧和出口侧的心轴91的数量可以增加。

因此，如果水流减弱，在入口侧的转动体97转动来使心轴91向下运动，且因此流速调节单元80向入口侧下倾。另一方面，如果水流非常强，入口侧的流速调节板80向上运动且出口侧的流速调节单元80向下运动，从而调整流速调节板80向出口侧下倾。当不可能调节水力涡轮70的深度或者水力涡轮70的调节深度不够产生平稳的转动能时，可以使用倾斜度调节单元90。当然，水力涡轮70的转动能可以仅仅通过倾斜度调整单元90来维持恒定，无需调整水力涡轮70的深度。

如图8至图10中所示，能量传输单元110包括两个能量传输齿轮111，以及一汇集来自能量传输齿轮111的能量的能量汇集齿轮113，并传输给增速齿轮箱120，后文将会描述。

所述能量传输单元111用来将连接在水力涡轮70转轴73端部的锥齿轮5的转动能的方向垂直地转换到指向主体板20中央区域的方向，且具有不同传动比的锥齿轮5连接至一齿轮杆。在该示范实施例中，水力涡轮70的相对侧边共有四个能量传输单元111，相对于主体板20的中部，入口侧配置有两个，出口侧配置有两个。另外，附加地连接有锥齿轮5用于垂直方向上传输能量，其与水力涡轮70的各锥齿轮5啮合，且进一步，中部区域的能量汇集部分配置有锥齿轮5，用来进行能量传递。为了汇集转动能，入口侧锥齿轮5和出口侧锥齿轮5转向相反。

所述能量汇集齿轮113包括连接在齿轮杆下端部且具有某一传动比的锥齿轮5，以及一连接在能量汇集齿轮113上端部的转动体，从而将能量传输齿轮111的转动能的方向变换成垂直向上。所述能量汇集齿轮113汇集连接在能量传输齿轮111端部的锥齿轮5的转动能，该能量传输齿轮安装在入口侧和出口侧，并通过配置有不同传动比的锥齿轮5的齿轮杆将转动能传递到上方。所述能量汇集齿轮113的齿轮杆贯穿主体板20并凸伸到上部，并通过密封件（未显示）、轴承（未显示）等元件固定在主体板20上。进一步，所述齿轮杆的端部配合有一定尺寸的圆形转动体115。圆形转动体115的转动能通过同步皮带117或者类似元件传递到增速齿轮箱120。

所述锥齿轮5可以包括一适合其用途且具有某个传动比的齿轮，且该齿轮通过严格地计算位置和方向，以便汇集转动能。另外，在有齿轮相互啮合的地方单独配置有齿轮箱，从而防止损坏齿轮和外物入侵。在该示范实施例中，水力涡轮70的两相对侧边配置有两个能量传输单元110，但不局限于此。 作为替换，能量传输单元110可以配置在一侧或者对角配置。

所述增速齿轮120配置在主体板20中心区域的顶部，且将配置于能量汇集齿轮113上圆形转动体115上的同步皮带117的转动能传递配置在增速齿轮箱120内的一小转动体上，从而增加转动速度。

所述发电机100配置在增速齿轮箱120附近且将来自增速齿轮箱120的转动能转化成电能。根据转动能的量级，选择能产生各种容量级电力的发电机100是可能的。

根据本发明的示范实施例，一漂浮型小型发电装置安装在污水处理工场的污水处理工序之间的水道中和从水净化工场排出的水中，从而平稳和恒定地产生电能，不必考虑气候条件或者水位。另外，由于该发电装置不需要安装在开阔地段，跟安装成本相比，其维护和修理成本是很低的且能量转换效率很高。到目前，根据本发明，流入污水处理工场和水处理工场的水道的那些水可以转换成新的能量，且能量是环保清洁的能源，不排放二氧化碳。

尽管本发明在参考实施例及附图的基础上进行了描述，但本发明不只局限于这些实施例和附图。应当理解，各种修改、补充和替换均可由本领域的技术人员在没有偏离本发明范围和精神（权利要求的记载）的情况下作出。