專利名稱：引導深水壓能發電的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用水能發電的裝置，尤其是一種利用引導裝置利用深水壓能發電的裝置。
現有技術中，水力發電多是采用筑壩攔水蓄能或筑池抽水蓄能的方法，利用水的位能轉化成動能來推動水輪機運轉發電。例如中國廣西巴馬縣境內的巖灘水電站筑壩高110米，水庫總容量33.5億立方米，裝機容量121萬千瓦。筑池抽水蓄能電站常同筑壩攔水蓄能電站一起修建，擔負電力系統調峰、調頻及事故備用的任務，是由上位水庫及下位水池通過抽水泵和發電機連接組成，先以電能將下位水池中的水抽入上位水庫增加水能蓄積，然后把上位水庫中的水放入下位水池或落差更大的河道用來發電。利用水的位能發電的方法受到了河流分布和水的位能蘊藏量的限制，為蓄水所修建的水庫有著基建投資多、施工期長、庫區淹設范圍大、人口遷移困難、環境破壞重、泥沙淤積影響庫容及水庫使用壽命有限的缺點，此外水庫蓄水還可能因誘發庫區地震及坍岸而產生不良影響。
本發明的目的在于針對現有技術之不足而是提供一種引導深水壓能發電的裝置，其不受河流分布和水的位能大小限制，依靠引導水體深部壓能發電的裝置。
本發明的目的是這樣實現的一種引導深水壓能發電的裝置，在具有一深度的平衡水體中設置一導流管，導流管的上部接設有提取水的裝置，導流管口內的下部設置發電裝置。
平衡水體中水的總儲容大于導流管的容積，水體深度大于導流管的安裝深度。
導流管上端的提取水的裝置可為一臺或多臺抽水泵。
可固定安裝或安裝在移動的物體上。
導流管可為均勻導管，其各區段截面積大小相等。
導流管可為錐管，其下段截面積較小，上段增大，導流管可為枝管，其下段為粗細均勻、截面積相等的流管，而上段則逐漸分成數個枝狀分支，在每個枝狀分支頂端的抽水口分別安裝提取水裝置。
本發明的泵管抽水引導深水壓能發電是在一定深度的平衡水體中縱向安裝一個導流管，于水面處導流管上端的抽水口安裝抽水泵，于水體深部導流管下端的入水口內安裝水輪發電機，建立平衡水體深部和水面間的導流通道。管，于水面處導流管上端的抽水口安裝抽水泵，于水體深部導流管下端的入口內安裝水輪發電機，建立平衡水體深部和水面的導流通道。打開導流通道，由于液體壓力作用，使水體深處的水從導流管下端入水口向管內涌進，從下向上在通道內流動，直至導流管內外水位高度相等及水中相同深度層面壓力相等為止。當啟動水泵從導流管上端的抽水口以一定的體積流量抽取面處的水注向管外水體液面導流時，因管內水位有所下降，造成管內外同一深度層面1水的壓力失衡，導流管下端所在層面水體水的壓力大于管內水的壓力，致使水體水在壓力差的作用下經過入水口以與水泵抽水導流相等的體積流量流進導流管下端，并且驅使管內水自下向上流動，自行恢復導流管內外水位等高和相同深度層面水壓平衡狀態。由于水泵持續做功抽水導流，不斷引導導流通道下層面的水體水流向管內并在流進導流管入水口時推動安裝于此的水輪機運轉發電。
在本發明的技術方案中，水泵導流所抽取的管內液面水又注回到管外水體之中，管外水體水又經導流管入水口流進管內，形成管內外水的循環流動，從而使導流過程中水體總的水儲和水位高度保持不變，導流通道下層面水的壓力大小不變。當水泵抽水導流量穩定時，一定體積流量的壓力水流提供給水輪機運轉發電的壓能也穩定不變，所以水輪發電機有穩恒的電能產出。
本發明是利用引導水的壓能發電，所以不受河流分布和水的位能蘊藏量的限制，在應用時不需要修建水庫蓄水不提高水的位能、不破壞水域生態環境、也可以不另外占用地表土地；利用目前已有的水力機械在全球絕大部分地區都可以根據電力需求依照本發明方法建立各種類型和規模的發電站，即使是在干旱的沙漠地區把平衡水體和發電設施建在地下也不會影響其發電效能。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的詳細說明。
圖1是本發明的構成示意圖。
本發明是由水泵和導流管組成的導流通道抽水導流來引導平衡水體深部壓能驅動水輪機運轉發電。
參見圖1，本發明由密度為ρ的平衡水體1，揚程為h的抽水泵2，安裝深度為H的導流管3和水輪發電機4所組成，它還包括水下濾污裝置及發電設施固定依托物等。
其中平衡水體1的可利用天然的江、河、湖、海水系或人工修建的水池、水庫、水井、蓄水坑道、地下隧洞中水體來建立發電用的平衡水體1。平衡水體1是指水中用來發電的水域總儲容量較為穩定、水位高度相對平穩、各深度層面水壓無明顯變化的靜止或流動的水體。本發明對平衡水體1的要求是水體中水的總儲容量必須顯著大于導流管的容積，水體基本深度大于導流管3的安裝深度H；滿足這二個條件時，既能保持水體壓力傳遞平衡不受泵管導流量的影響，又可使水體在持續導流發電情況下水溫及流動阻力無明顯改變。從而保證水力機械的正常運轉和發電效能的穩定。
圖中的導流管3縱向安裝在平衡水體1中，既連結著水泵2和水輪發電機4，起建立水體深部和水面間導流通道作用；又具有調節通道內各區段導流水的流速作用。其選材根據水質的不同而定，可為耐壓防腐的水力光滑管等。
水泵2安裝在導流管3的上端，用于把導流管3內液面水從抽水口抽出注向管外的水體液面。水泵2揚程h選擇以0.5米至2.0米左右為宜，在波浪大的水域可適度增加水泵2揚程，既可以減少提水導流時的揚程耗能，又可把所消耗的功率用于增加導流量上，以提高發電系統的產能功效。
水輪發電機4的葉輪41安裝在水體H深度層面上的導流管3入水口內，借助導流管3中自下向上流動的導流水推力運轉發電。依據本發明方法發電的功能關系和用電需求情況，可以選擇適當種類和功率的水輪發電機同其它發電設備配套使用。
本發明的泵管抽水引導深水壓能發電的工作狀態及其功能關系如下。水泵2以體積流量Q從導流管內水面抽水注向管外水面進行導流，使該體積流的水獲得動能后再轉化為水位線上h高度的位能，導流抽取水在h高度上自行向下流動把水的位能又轉化成水體水面處的動能釋放掉；水泵2抽水導流所消耗的功率為E0＝ρgQh(式中g為物體重力加速度)。水泵2抽水導流時，導流管3內水位有所下降，造成管內外水的壓力失衡，導流管3下端水體水壓力大于處在同一深度層面的管內水壓力，致使水體水在壓力差的作用下經過導流管3入水口以與水泵2抽水相等的體積流量流進管內，把水體深部壓能得一部分轉化成導流管內水的動能，并且利用其余的壓能以液體壓力傳遞方式驅使管內原有水自下向上流動、直到其水位高度與管外水位高度相等時、因壓力差消失而不再向上流動，管內的導流上行水在流動時不斷克服自身的重力做功把水體深部的壓能逐步轉化成位能，自行來維持導流管3內外水位高度相等和相同深度層面水的壓力平衡狀態；同時，導流管3處水體因為向管內流動也將使水位高度有所下降，水體中的水流趨勢是依靠水的重力從液面向深處下沉，使水的位能又向壓能轉化，由于水泵2抽水后注入水體之中補充了管外水體水流入管內的容量，因此水體中總的容儲量不變，并且形成了導流管3內、外導流水的循環流動關系，從而保持了水深部壓能穩定不變；此外，由于水體中水的總儲容量非常顯著地大于導流管的容量，因而在導流時水體的水位高度和各深度層面水壓不會發生明顯波動性變化。由于水泵持續做功抽水導流，不斷地造成導流管3內水位和水壓的下降。也就會不斷地在導流管3下端形成管內外水的壓力差，引導水體1深部的水在壓力差作用下經導流管入水口流進管內形成導流上行水，這時安裝在導流管3入水口內的水輪發電機4的水輪41就會連續受到導流上行水流動的推力合壓力作用把水動能及其壓能轉化為有用功來發電。在導流發電過程中，水泵2抽水的體積流量和導流管3中導流上行水的體積流量相等，它們所具有的水流動能也相等，然而導流管3中同一體積流的導流上行水在各個深度層面所具有的做功能力是不同的；在導流管3下端導流上行水的壓能最大、位能最小，隨著水流流過層面的不斷升高，導流上行水的壓能逐漸減小，位能逐漸增大，當其從水體H深度層面流至水面高度時壓能全部轉化成水的位能而失去對這一流段導流上行水的推動作用，必須借助水泵2持續抽水導流做功，才能保持導流管3中水在壓力差作用下的持續從下向上流動用以發電。在本發明的技術方案中，是利用水泵2抽水來引導水體深部壓能驅動導流上行水依自下向上方向流動做功發電的，它與依靠水的位能使水自上而下流動做功的位能發電方法是完全不同的。由于水輪發電機4安裝在壓能最大的導流管3下端，所以水輪機4的最大發電功率為E1＝ρgQH，從水輪機4發電功率中減去水泵2抽水消耗的功率后本發明方法發電凈產出電功率為E，則E＝E1-E0＝ρgQH(H-h)因為上式中水的密度ρ和物體重力加速度g都是常量，水泵抽水揚程h也相對確定，所以本發明裝置發電的功率變化關系主要由水輪機發電安裝深度H和水泵抽水導流的體積流量Q這兩個可變量的選配情決定；當它們中的某個變量數值增大或兩個變量數值一同增大時，電能產出功率也隨之相應增加，反之則電能產出的功率隨之相應減少。
其中水泵2、水輪發電機4、導流管3和水下濾污裝置等配套的發電設施安裝方式可以采用固定式安裝或移動式安裝的方式進行安裝。固定式安裝是依托平衡水體的岸壁、水中墩柱等不移動物體安裝發電所需設施，建立固定式深水壓能發電站；也可以把多套導流管3長度相等或不等、導流深度相同或不同的發電設施集束排列安裝在一個大型平衡水體之中，建立大型固定式深水壓能發電站用以發電。移動式安裝是依托平衡水體中漂浮式平臺、游動的船體等移動物體安裝發電所需設施，建立移動式深水壓能發電站或移動式深水壓能發電船用以提供電力。
在本發明的技術方案中，根據電力需要，可以用泵管調節水能方式來調節導流上行水的流量和流速，從而調節發電能力的大小。由于對無體積變化的流體運動來說，速度C與流管的截面積S成反比，導流上行水的速度壓力Pc＝1/2ρC2，在導流管的體積流量Q＝SC總數值大小不變的情況下，管的截面積S越大、流速C越小、提供給水輪發電機的速度壓力Pc也越小；而在管的截面積小的區段，水的流速和速度壓力反而增大；因此我們可以采用三種泵管調節水能方式來調節發電能力。
1、勻管單泵調節方式即導流管各區段截面積大小相等，管的上端只安裝一臺水泵用來抽水導流。其特點是導流上行水在管內各處流速不變，阻力均衡，水泵功效利用率大；但是單臺水泵抽水的導流量有限，故發電能力不夠高。
2、錐管多泵調節方式即導流管下段截面積較小，上段增大，在導流管上端的抽水口一同安裝多臺泵同時抽水導流。其特點是導流上行水在導流管上段流速大而被用來推動水輪機發電，水流向上繼續流動時速度逐漸變小、自身流動阻力減少；但是多臺水泵抽水能夠增大導流上行水的體積流量、提高發電功效，也會在抽水時造成紊流、增大抽水導流的水泵耗能。
3、枝管多泵調節方式即導流管下段為粗細均勻、截面積相等的流管，而管的上段則逐漸分成數個枝狀分支、也使管的截面積逐漸增大，在每個枝狀分支頂端的抽水口分別安裝水泵并同時抽水導流。其特點是導流上行水在導流管下段流速最大、而且流速均衡、傳導給水輪發電機的動力也穩定，水流在導流管上段速度逐漸變小，水流阻力也減小，枝管中無紊流出現，多臺水泵同時抽水導流使導流上行水的體積流量增大，因而發電功效顯著提高。
在本發明的最佳實施方案中，平衡水體的水質為無腐蝕性的純凈淡水，水體深度達100米以上，使其具有足夠的壓能，選擇天然的深水水系或人工建造地下水系做為平衡水體以不另占土地；導流管安裝深度亦達100米以上，并選用防腐耐壓的剛體性質水力光滑管和這以減低水流阻力；水泵揚程以1米為宜；水泵和水輪機的機械效率應達80％～90％，采用枝管多泵調節方式來調節導流上行水的水能，使流速達1米/秒以上形成較大的速度壓力用于發電；整套發電設施采用固定式安裝方式安裝于水體的岸壁之中，以保證發電設施的正常運轉和導流發電性能的穩定，也便于對發電設施進行維護和保養。
實施例1選擇天然的海水為平衡水體1，在海岸的涯壁中開鑿豎井，并使井的下部與海水相通，于豎井內安裝耐壓防腐的導流管3，于海平面下205米深處的導流管3下端的入水口內安裝水輪發電機4借助引導海水壓能發電；于海平面附近的導流管3上端抽水口安裝揚程為5米的水泵2，采用枝管多泵的調節水能方式將體積流為5米3/秒的海水抽出導流向海面。已知，海水密度為1.03×103千克/米3，重力加速度為9.806米/秒2，因此，該平衡水體1中發電設施引導深水壓能發電可以凈產出功率為10100.18千瓦的電能供用電輸出使用。
實施例2在航行的大型船體中采用密度為1.0×103千克/米3的淡水做為平衡水體1，水中安裝水力光滑的鋼質導流管3，于水位線下51米深處的導流管3下端入水口內安裝水輪發電機4，于水位線稍上方的導流管3上端抽水口安裝揚程為1米的水泵2；采用勻管單泵調節水能方式，把體積流量為1米3/秒的導流水抽出注向水體液面，則該平衡水體1中的發電設施引導深水壓能發電可以凈產出功率為490.3千瓦的電能，除為船體航行提供動力來源外，也可以為船上其它用電提供電力。
權利要求
1.一種引導深水壓能發電的裝置，其特征在于在具有一深度的平衡水體中設置一導流管，導流管的上部接設有提取水的裝置，導流管口內的下部設置發電裝置。
2.根據權利要求1所述的引導深水壓能發電的裝置，其特征在于平衡水體中水的總儲容大于導流管的容積，水體深度大于導流管的安裝深度。
3.根據權利要求1所述的一種引導深水壓能發電的裝置，其特征在于導流管上端的提取水的裝置可為一臺或多臺抽水泵。
4.根據權利要求1所述的引導深水壓能發電的裝置，其特征在于可固定安裝或安裝在移動的物體上。
5.根據權利要求1所述的引導深水壓能發電的裝置，其特征在于導流管可為均勻導管，其各區段截面積大小相等。
6.根據權利要求1所述的引導深水壓能發電的裝置，其特征在于導流管可為錐管，其下段截面積較小，上段增大。
7.根據權利要求1所述的引導深水壓能發電的裝置，其特征在于導流管可為枝管，其下段為粗細均勻、截面積相等的流管，而上段則逐漸分成數個枝狀分支，在每個枝狀分支頂端的抽水口分別安裝提取水裝置。
全文摘要
本發明的目的是這樣實現的一種引導深水壓能發電的裝置，在具有一定深度的平衡水體中設置一導流管，導流管的上部接設有提取水的裝置，導流管口內的下部設置發電裝置，平衡水體中水的總儲容量大于導流管的容積，水體深度大于導流管的安裝深度，本裝置不受河流分布和水的位能大小限制，依靠引導水體深部壓能發電。
文檔編號F03B17/02GK1161411SQ9710011
公開日1997年10月8日 申請日期1997年1月6日 優先權日1997年1月6日
發明者邸文學 申請人:邸文學