一种利用泄水能量进行高效率发电的船舶系统的制作方法

本实用新型涉及再生能源领域，进一步涉及水力发电技术领域，具体涉及一种利用泄水能量进行高效率发电的船舶系统。

背景技术：

近些年，国内在很多地方(以江河为主)都修建了堤坝，一方面是为了控制下游水情防止产生旱涝灾害，另一方面上游蓄水可以通过叶轮带动堤坝内的发电设备为周边地区的电网输送电能。随着国民生产水平的提高，各行各业对电力的需求量越来越大，同时受限于日益恶劣的自然环境，像水力发电这种清洁能源越来越受到人们的青睐。

一般来说，为了防止堤坝下游断流，堤坝在使上游蓄水的同时需要通过泄洪口为堤坝下游提供基础的水流。当汛期到来的时候，为了避免堤坝上游的水位过高，还需要加大从泄洪口流出的水流。

但是因为堤坝上游和下游的水平面存在高度差，堤坝上游的水具有相当大的势能，其从泄洪口排出到下游时转换成了水流的动能，但是目前没有专门回收利用这部分能量的装置或系统，导致这部分能量白白地浪费掉了。同时，在自然界中，也存在类似的水流结构(例如瀑布)，从高处落下的水流蕴含的动能也未得到充分地利用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的缺点，本实用新型提供一种利用泄水能量进行高效率发电的船舶系统，具体方案如下：

一种利用泄水能量进行高效率发电的船舶系统，包括通过浮船组件设置于水面上的集能部和发电部，所述浮船组件能够在水面上运动；所述集能部包括水轮组件，所述水轮组件外设有集水罩；所述发电部包括若干发电机组，所述若干发电机组外设有电机罩，所述发电机组的输入端与所述水轮组件的输出端传动连接。

进一步地，所述浮船组件包括用于承载所述集能部的主浮船和多个用于承载所述发电部的副浮船，所述主浮船与所述副浮船之间通过第一伸缩杆连接；所述主浮船和所述副浮船上分别设有若干第一铰接座和第二铰接座，所述第一铰接座上设有与所述主浮船平行的第一螺栓，所述第二铰接座上设有与所述副浮船平行的第二螺栓，所述第一伸缩杆的两端分别与所述第一螺栓和所述第二螺栓固定连接。

进一步地，所述副浮船的数量为四个，四个所述副浮船围绕在所述主浮船周围且相对于所述主浮船中心对称。

进一步地，相邻的所述副浮船之间设置有若干支撑板，若干所述支撑板相对于所述主浮船中心对称布置，所述支撑板与所述主浮船之间通过第二伸缩杆连接，所述支撑板与所述副浮船之间通过第三伸缩杆连接；所述支撑板上设有若干第三铰接座，所述第三铰接座上设有与所述支撑板平行的第三螺栓；所述第二伸缩杆的两端分别与所述第三螺栓和所述第一螺栓固定连接，所述第三伸缩杆的两端分别与所述第三螺栓和所述第二螺栓连接。

进一步地，所述水轮组件包括通过支架安装于所述主浮船上的筒状本体；所述筒状本体包括两组平行布置的侧板，两组所述侧板的几何中心处开设有主轴孔，两组所述侧板之间连接有若干支承杆，若干所述支承杆与所述侧板的连接处相对于所述主轴孔中心对称，若干所述支承杆构成所述筒状本体的侧壁,所述支承杆上固定连接有挡片；所述主轴孔内穿设有向两组所述侧板相背的方向延伸的主轴杆，所述主轴杆上套设有支承轴承；所述支架上设有支承环，所述支承轴承的外圈通过若干径向布置的第四伸缩杆连接于所述支承环的内圈上。

进一步地，所述集水罩的顶部开设有集水口，所述集水口向所述集水罩内延伸形成倒椎体的结构，所述筒状本体设置于所述集水罩内且偏离所述集水口布置，所述集水口和所述主轴杆在同一水平面上投影的间距小于所述主轴杆与所述支承杆的距离；

所述集水罩的外壁上固定有两根对称布置的调整轴，两根所述调整轴沿所述集水罩径向布置，所述调整轴通过轴承座安装于所述主浮船上，所述调整轴传动连接有调整电机；所述集水口内设有分流板，所述分流板与所述调整轴在水平面上的投影重合，所述分流板的两侧对称设有压力传感器，所述压力传感器通过单片机与所述调整电机电连接。

进一步地，所述集水罩成型为圆锥体结构，所述集水罩的底部与所述主浮船的间距大于所述集水口的直径，所述主浮船的顶面成型为锥面。

进一步地，所述发电机组的输入端通过第一万向联轴器连接有第五伸缩杆，所述第五伸缩杆的末端通过第二万向联轴器与所述主轴杆连接。

进一步地，所述副浮船的底面连接有半球形的浮力罩，所述浮力罩的重心处固定有配重块，所述配重块的重量大于位于所述副浮船上发电部的重量；所述电机罩成型为圆锥体结构，所述电机罩的底面直径小于所述浮力罩的球径。

进一步地，所述浮船组件还连接有动力组件，所述动力组件包括自主动力设备、外部牵引设备或二者结合：

所述自主动力设备包括若干设置于所述浮船组件上驱动轴，若干所述驱动轴位于同一平面上且互相垂直布置，所述驱动轴的数量至少为两个；所述驱动轴的末端连接有螺旋桨，所述驱动轴的另一端传动连接有电机，所述电机通过储电装置与所述发电部电连接；

所述外部牵引设备包括固定安装于驳船、坝体或岸边上的牵引机，所述牵引机通过钢缆与浮船组件连接；

所述动力组件还包括与所述自主动力设备和所述外部牵引设备通信连接的控制中心，所述控制中心包括用于测量泄水口水流速度的测速设备。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提出的一种利用泄水能量进行高效率发电的船舶系统，能够将高处落下的水流蕴含的动能进行回收利用用于发电，同时能够根据水情自动调整收集水流动能相关组件的位置，使其始终对准水流的末端，发电效率高。

附图说明

图1为本实用新型的工作状态示意图，

图2为图1中a处的放大图，

图3为本实用新型动力组件的结构示意图i，

图4为本实用新型动力组件的结构示意图ii，

图5为本实用新型浮船组件的连接结构示意图，

图6为本实用新型浮船组件的工作状态示意图，

图7为本实用新型水轮组件的主视图，

图8为本实用新型水轮组件的侧视图，

图9为本实用新型集水罩的结构示意图，

图10为本实用新型集能部与发电部的连接示意图，

图11为本实用新型另一种实施例集水罩的工作状态示意图i，

图12为本实用新型另一种实施例集水罩的工作状态示意图ii，

图13为本实用新型另一种实施例集水罩的工作状态示意图iii，

图14为本实用新型再一种实施例浮力罩的结构示意图。

附图序号及名称：1、浮船组件，11、主浮船，111、第一铰接座，112、第一螺栓，12、副浮船，121、第二铰接座，122、第二螺栓，123、浮力罩，124、配重块，13、支撑板，131、第三铰接座，132、第三螺栓，14、动力组件，141、驱动轴，142、螺旋桨，143、电机，144、牵引机，2、集能部，21、水轮组件，211、支架，212、筒状本体，213、侧板，214、主轴孔，215、支承杆，216、挡片，217、主轴杆，218、支承轴承，219、支承环，22、集水罩，221、集水口，222、调整轴，223、轴承座，224、调整电机，225、分流板，226、压力传感器，3、发电部，31、发电机组，32、电机罩，33、第一万向联轴器，34、第二万向联轴器，4、第一伸缩杆，5、第二伸缩杆，6、第三伸缩杆，7、第四伸缩杆，8、第五伸缩杆。

具体实施方式

为详细说明本实用新型之技术内容、构造特征、所达成目的及功效，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。

参阅图1和图2，本实用新型公开的一种利用泄水能量进行高效率发电的船舶系统，包括通过浮船组件1设置于水面上的集能部2和发电部3，浮船组件1能够在水面上运动；集能部2包括水轮组件21，水轮组件21外设有集水罩22；发电部3包括若干发电机组31，若干发电机组31外设有电机罩32，发电机组31的输入端与水轮组件21的输出端传动连接。

如图3浮船组件1还连接有动力组件14，动力组件14包括自主动力设备、外部牵引设备或二者结合：

自主动力设备包括两根设置于浮船组件1上驱动轴141，两根驱动轴141位于同一平面上且互相垂直布置，分别用于控制浮船组件沿水流方向和垂直水流方向运动；驱动轴141的末端连接有螺旋桨142，驱动轴141的另一端传动连接有电机143，电机143通过储电装置与发电部3电连接(使得本系统产生的电力除了输送至电网外，还能够用于自身动力组件的驱动)；

如图4，外部牵引设备包括固定安装于驳船、坝体或岸边上的牵引机144，牵引机144通过钢缆与浮船组件连接；

动力组件14还包括与自主动力设备和外部牵引设备通信连接的控制中心，控制中心包括用于测量泄水口水流速度的测速设备。测速设备可以是设置在泄水口的涡轮式水流测速计，也可以是远程的利用多普勒或激光原理的水流测速计。

如图1所示，测速设备测量到的泄水口水流速度为v0，泄水口的高度为h，下游水平面的高度为h；一般堤坝的高度是相对于河床而言，所以泄水水流的实际高度为h-h。因为从泄水口流出的水是作平抛运动，其在水平方向作匀速运动，其在竖直方向作自由落体运动。

所以可以得到：

l＝v0t(2)

上述式中：g为重力加速度，t为泄水水流接触到下游水面的时间，l为泄水水流末端与泄水口在水平面上的距离(即集能处与堤坝的距离)。

根据式(1)，可以得到t：

将式(3)代入式(2)中，可以得到l：

上述式中：h已知(建造堤坝时就已经确定好了)，g为常数，v0和h需要实时测量，所以当知道下游水平面高度h(即下游水深)和泄水口水流速度v0时，即可算出泄水水流末端与泄水口在水平面上的距离l。

将本船舶系统的浮船组件布置于泄水水流下方的水面上(例如坝体泄洪口下游的水面或者瀑布下游的水面上)，利用动力组件控制浮船组件运动使集能部对准泄水水流的末端，利用集水罩引导泄水水流驱动水轮组件工作，进而带动发电机组工作将泄水水流的动能转换成电能，最后通过电力输送设备(可以设置在船体或者岸边上)将其输送至电网系统。

根据水情的具体情况(例如下游水深不变时，泄水量增大，即泄水水流的初速度v0增大，此时集能处与堤坝的距离l增大；泄水量减小，即泄水水流的初速度v0减小，此时集能处与堤坝的距离l减小。当泄水水流的初速度v0不变时，下游水面变浅，即下游水平面的高度h减小，即h-h增大，此时集能处与堤坝的距离l增大；下游水面变深，即下游水平面的高度h增大，即h-h减小，此时集能处与堤坝的距离减小)，控制中心可以根据下游水面的深度以及实时测量到的泄水口的水流速度能够灵活地调节浮船组件在堤坝下游的位置，使集能部始终能够对准泄水水流的末端，保证发电效率。

结合图5和图6，浮船组件1包括用于承载集能部2的主浮船11和多个用于承载发电部3的副浮船12，主浮船11与副浮船12之间通过第一伸缩杆4连接；主浮船11和副浮船12上分别设有若干第一铰接座111和第二铰接座121，第一铰接座111上设有与主浮船11平行的第一螺栓112，第二铰接座121上设有与副浮船12平行的第二螺栓122，第一伸缩杆4的两端分别与第一螺栓112和第二螺栓122固定连接。

副浮船12的数量为四个，四个副浮船12围绕在主浮船11周围且相对于主浮船11中心对称。

相邻的副浮船12之间设置有支撑板13，四个支撑板13相对于主浮船11中心对称布置，支撑板13与主浮船之间通过第二伸缩杆5连接，支撑板13与副浮船12之间通过第三伸缩杆6连接；支撑板13上设有若干第三铰接座131，第三铰接座131上设有与支撑板13平行的第三螺栓132；第二伸缩杆5的两端分别与第三螺栓132和第一螺栓112固定连接，第三伸缩杆6的两端分别与第三螺栓132和第二螺栓122连接。

在实际应用的时候，一般来说从泄洪口流出的泄水水流动能都非常大，传统的船体结构在泄水水流的冲击下，不仅不容易保持位置的稳定，而且还有倾覆翻转的危险。

所以在本申请中，浮船组件由若干铰接的主浮船、副浮船以及支撑板构成“蛛网式”结构组成，当其中任意一个小的浮船受到冲击时，其附近的其他浮船通过伸缩杆共同负载，尤其是中央的主浮船受到泄水水流冲击时周围一圈的副浮船和支撑板能够均匀地为其分担冲击力，防止某一个浮船单独受到过大的冲击力产生倾覆。

参照图5，由于伸缩杆和螺栓的连接结构，使得连接在同一根伸缩杆两端的浮船，其在水平面上的相对位置不会发生变化，其只会在竖直面上的相对位置会发生变化，即使集能部受到泄水水流的冲击导致其高度相对于发电部更低，但是在伸缩杆和螺栓的作用下，二者之间的连接依然稳定。参照图6，这样的分散式结构使得浮船组件的各个部分之间能够通过竖直方向的运动来分担相邻部分承受的冲击，同时整个浮船组件整体结构完整且稳定，方便整个浮船组件在水面上运动。

结合图7和图8所示，水轮组件21包括通过支架211安装于主浮船11上的筒状本体212；筒状本体212包括两组平行布置的侧板213，两组侧板213的几何中心处开设有主轴孔214，两组侧板213之间连接有若干支承杆215，若干支承杆215与侧板213的连接处相对于主轴孔214中心对称，若干支承杆215构成筒状本体212的侧壁,支承杆215上固定连接有挡片216；主轴孔214内穿设有向两组侧板213相背的方向延伸的主轴杆217，主轴杆217上套设有支承轴承218；支架211上设有支承环219，支承轴承218的外圈通过若干径向布置的第四伸缩杆7连接于支承环219的内圈上。

连接主轴杆的轴承并不是直接连接在支架上，而是通过伸缩杆连接在支架上的支承环内，使得筒状本体能够绕主轴杆转动的同时，泄水水流对筒状本体的冲击力过大时可以有一些分力传递给径向布置的伸缩杆；防止泄水水流过大时对主轴杆产生过大的冲击力，提高水轮组件工作时的稳定性，延长了水轮组件的工作寿命。

如图9，集水罩22的顶部开设有集水口221，集水口221向集水罩22内延伸形成倒椎体的结构，筒状本体212设置于集水罩22内且偏离集水口221布置，集水口221和主轴杆217在同一水平面上投影的间距小于主轴杆217与支承杆215的距离。集水罩22成型为圆锥体结构，集水罩22的底部与主浮船11的间距大于集水口221的直径，主浮船11的顶面成型为锥面，便于水流的排出。

倒椎体的集水口以及偏离集水口布置的筒状本体，可以保证从集水口进入集水罩内的水能够集中地作用于筒状本体的挡片上，然后通过集水罩和主浮船之间的间隙排到水中；集水罩本身成型为圆锥体结构，减小集水罩顶面承受的冲击力，保证集能部工作稳定的同时提高其的使用寿命。

参照图10，发电机组31的输入端通过第一万向联轴器33连接有第五伸缩杆8，第五伸缩杆8的末端通过第二万向联轴器34与主轴杆217连接。

通过万向轴和伸缩杆，即使主浮船和副浮船由于泄水水流的作用不在同一个水平面上时，筒状本体受到泄水水流作用转动的力也能够顺利地传递至发电机组供其发电。

在本申请的另一种实施方式中，如图11所示，集水罩22的外壁上固定有两根对称布置的调整轴222，两根调整轴222沿集水罩径向布置，调整轴222通过轴承座223安装于主浮船11上，调整轴222传动连接有调整电机224。通过这样的结构，使得集水罩可以绕调整轴转动，从而改变集水口与竖直面的夹角。因为实际应用中，随着泄水水流的强度不同，泄水水流末端不一定是竖直状态，当泄水水流的末端是倾斜时，集水罩可以调节角度使集水口与泄水水流正对，保证泄水水流的收集，从而提高整体的发电效率。

集水口221内设有分流板225，分流板225与调整轴222在水平面上的投影重合，分流板225的两侧对称设有压力传感器226，压力传感器226通过单片机与调整电机224电连接。

如图11，当泄水水流的末端处于竖直状态，分流板两侧的压力传感器未产生信号(或产生信号，但是两个压力传感器感受到的压力是相等的)，代表此时分流板的方向与泄水水流的方向是相同的，即此时集水口所在平面与泄水水流的方向是垂直的(集水罩正对泄水水流的末端)；如图12，当泄水水流的末端处于倾斜状态，分流板两侧的压力传感器只有左侧产生信号(或均产生信号，但是左侧压力传感器感受到的压力大于右侧传感器感受到的压力)，此时调整电机控制调整轴向分流板承受压力大的一侧偏转(图示的逆时针方向)，并适当地调节主浮船的位置，直至分流板两侧的压力传感器信号消失(或直至两个压力传感器感受到的压力相等)，变成如图13所示的状态。单片机接收两个压力传感器的信号强度，从而判断分流板是否与泄水水流末端的方向相同，当判断不同时，通过调整电机实现集水罩角度的自动调节，以保证集水罩始终与泄水水流末端垂直，从而保证整个系统的发电效率。

在本申请的再一种实施方式中，对照图14，副浮船12的底面连接有半球形的浮力罩123，浮力罩123的重心处固定有配重块124，配重块124的重量大于位于副浮船12上发电部3的重量；电机罩32成型为圆锥体结构，电机罩32的底面直径小于浮力罩123的球径。副浮船底部浮力罩的作用是不仅为副浮船提供浮力还能使副浮船在水面上类似于不倒翁的结构，保障其上发电部的稳定性；而副浮船上的电机罩成型为圆锥体结构，一方面是为了减小电机罩顶部受到泄水水流的冲击力，另一方面电机罩还可以起到水面信标起到警示作用。

综上，仅为本实用新型之较佳实施例，不以此限定本实用新型的保护范围，凡依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本实用新型专利涵盖的范围之内。