專利名稱：用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用水能發(fā)電的裝置，尤其是一種利用水的液態(tài)和氣態(tài)之間的物態(tài)轉(zhuǎn)換而引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置。
現(xiàn)有技術(shù)中，水力發(fā)電多是采用筑壩攔水蓄能的方法，利用水的位能轉(zhuǎn)化成動能來推動水輪機(jī)運轉(zhuǎn)發(fā)電。例如中國廣西巴馬縣境內(nèi)的巖灘水電站筑壩高110米，水庫總?cè)萘?3.5億立方米，裝機(jī)容量121萬千瓦。利用水的位能發(fā)電的方法受到了河流分布和水的位能蘊(yùn)藏量的限制，為蓄水所建的水庫有著基建投資多、施工期長、庫區(qū)淹沒范圍大、人口遷移困難、環(huán)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誘發(fā)庫區(qū)地震及坍岸而產(chǎn)生不良影響。
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置，其不受河流分布和水的位能大小限制，依靠水的液態(tài)和氣態(tài)之間物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置，在具有一定深度的平衡水體深部設(shè)置與大氣相通的設(shè)備室，設(shè)備室內(nèi)設(shè)有空氣減壓裝置、導(dǎo)流管、發(fā)電裝置、泄水汽化室、集氣管；空氣減壓裝置側(cè)下部接一導(dǎo)流管，導(dǎo)流管內(nèi)設(shè)置發(fā)電裝置，空氣減壓裝置側(cè)旁連接泄水汽化室，泄水汽化室內(nèi)設(shè)有水汽化裝置，泄水汽化室連設(shè)集氣管，集氣管上端開口高于平衡水體水面。
空氣減壓裝置可同泄水汽化室合為一體建造或單獨建造。
水汽化裝置可為電熱汽化裝置或電解汽化裝置。
該裝置可固定安裝或安裝在可移動的物體上。
導(dǎo)流管上設(shè)有調(diào)節(jié)導(dǎo)流水的體積流量或流速的調(diào)節(jié)閥。
本發(fā)明是利用水的液態(tài)和氣態(tài)之間物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電，所以不受河流分布和水的位能蘊(yùn)藏量的限制，在應(yīng)用時不需要修建水庫蓄水來提高水的位能，不破壞生態(tài)環(huán)境，也可以不另外占用地表土地；利用目前已有的水力機(jī)械和水的汽化技術(shù)在全球絕大部分地區(qū)都可以根據(jù)電力需求依照本發(fā)明方法建立各種類型和規(guī)模的發(fā)電站，即使是在干旱的地區(qū)把平衡水體和發(fā)電設(shè)施建在地下，利用封閉系統(tǒng)使水液循環(huán)轉(zhuǎn)化流動，也不會影響其發(fā)電效能。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明的構(gòu)成示意圖。
本發(fā)明的利用水的液態(tài)和氣態(tài)之間物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電裝置是在具有一定深度的平衡水體深部設(shè)置與大氣相通的設(shè)備室，設(shè)備室內(nèi)設(shè)有空氣減壓裝置、導(dǎo)流管、發(fā)電裝置、泄水汽化室、集氣管?？諝鉁p壓裝置側(cè)下部接一導(dǎo)流管，導(dǎo)流管溝通平衡水體和空氣減壓裝置，導(dǎo)流管內(nèi)設(shè)水輪發(fā)電機(jī)，建立平衡水體深部高壓強(qiáng)水和空氣減壓裝置內(nèi)低壓強(qiáng)氣體間的水流通道；于空氣減壓裝置的旁側(cè)接設(shè)泄水汽化室，建立發(fā)電后低壓強(qiáng)水流的泄水通道。打開導(dǎo)流管的調(diào)節(jié)閥，開放水流通道，由于液體壓力差的作用使水體深處的高壓強(qiáng)水從導(dǎo)流管進(jìn)水口涌進(jìn)，形成水流，在流經(jīng)水輪發(fā)電機(jī)時推動水輪機(jī)運轉(zhuǎn)發(fā)電；發(fā)電后的水流流至空氣減壓裝置，被艙內(nèi)只有一個大氣壓強(qiáng)左右的氣體轉(zhuǎn)變成低壓強(qiáng)水流，再流入泄水汽化室；在泄水汽化室中利用水輪機(jī)所發(fā)出電能的一部分使從空氣減壓裝置流出的泄流水汽化，汽化后所形成低比重的氣體經(jīng)集氣管自行排出水體水面。借此保持發(fā)電裝置內(nèi)總水容量不變、水流的壓強(qiáng)差不變、水輪機(jī)的發(fā)電能力不變。
在本發(fā)明的技術(shù)方案中，泄水汽化室使泄流水轉(zhuǎn)化成氣體時僅僅消耗水輪發(fā)電機(jī)所發(fā)出電能的一部分，只要維持水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力不變，就可以得到所需的剩余電能。并且在泄流水汽化時，如果采用電解汽化的方法，水液電解過程中可以得到大量的潔凈燃料氫氣，使之成為二次能源加以利用，氫氣燃燒時與氧氣化合重新形成水液；如果采用電熱汽化的方法，水液在電加熱汽化過程中形成水蒸氣，既可利用水蒸氣的熱能推動蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行二次發(fā)電，又可在水體水面高度上使之重新冷卻成水液引入平衡水體循環(huán)使用，或?qū)⑦@種潔凈的水液做為水源使用。另外也可以把電熱汽化法同電解汽化法結(jié)合共同應(yīng)用。水液汽化后生成的水蒸氣或電解時生成的氧氣，可以借助加裝在集氣管上的風(fēng)機(jī)快速排出。
本發(fā)明是由空氣減壓裝置、導(dǎo)流管和泄水汽化室組成的導(dǎo)流通道，依靠利用水的液態(tài)和氣態(tài)之間物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能推動水輪發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)發(fā)電的。
參見圖1，本發(fā)明由密度為ρ、深度大于H的平衡水體1，容積為V的空氣減壓裝置5，泄水流量為Q的泄水汽化室7，管徑截面積為S的導(dǎo)流管3和水輪發(fā)電機(jī)4組成，它還包括水下濾污裝置及發(fā)電設(shè)施固定依托物等。
其中的平衡水體1可利用天然的江、河、湖、海水系或人工修建蓄水池、水庫、地下隧洞中水體來建立發(fā)電用的平衡水體。平衡水體1是指水體中用來發(fā)電的水域總儲容量較為穩(wěn)定、水位高度相對平穩(wěn)，水體中各深度層面壓強(qiáng)無明顯變化的靜止或流動的水體。本發(fā)明對平衡水體1的要求是水體水液的總儲容量必須顯著大于發(fā)電裝置的有效容積，水體基本深度大于導(dǎo)流管3入水口的安裝深度，借以保證水體在發(fā)電過程中的壓能不變，還可保證水力機(jī)械的正常運轉(zhuǎn)不受影響。
圖中的設(shè)備室2安裝在平衡水體1的深部，其內(nèi)的空氣減壓裝置5既連結(jié)泄水汽化室7，又連結(jié)導(dǎo)流管3，不斷接納來自導(dǎo)流管3的水流，并使之直接暴露于減壓裝置的空氣中，造成減壓裝置內(nèi)氣液平面和導(dǎo)流管入口處巨大的液體壓強(qiáng)差、借以推動安裝在導(dǎo)流管3中的水輪發(fā)電機(jī)4運轉(zhuǎn)發(fā)電?？諝鉁p壓裝置內(nèi)必須有足夠的容積接納導(dǎo)流水并保持減壓效果，同時維持減壓裝置內(nèi)氣液平面和平衡水體上部氣液面高程差H不變。根據(jù)水體自然情況和電力需求，在采用固定式安裝方式時，空氣減壓裝置5也可以和泄水汽化室7合在一起建造。于導(dǎo)流管3內(nèi)安裝水輪發(fā)電機(jī)，使從導(dǎo)流管3中的水流推動水輪機(jī)運轉(zhuǎn)，經(jīng)水輪機(jī)尾水管流出的泄流水暴露在泄水汽化室7空氣中進(jìn)行減壓，以保證發(fā)電能力不變，然后將泄流水引入汽化室7的汽化裝置8中進(jìn)行汽化處理。空氣減壓裝置單獨修建時應(yīng)選用耐壓材料建造。
導(dǎo)流管3既引導(dǎo)壓力水流進(jìn)入水輪發(fā)電機(jī)4，又可利用調(diào)節(jié)閥31調(diào)節(jié)壓力水流的流量和流速，因而起著調(diào)節(jié)發(fā)電裝置的發(fā)電能力作用。導(dǎo)流管的選材應(yīng)為耐壓防腐的水力光滑管。
泄水汽化室7由多個水液汽化裝置8和集氣管9組成，集氣管9的上端安裝高度應(yīng)高出平衡水體1的水面。在采用電解汽化法時，應(yīng)使用直流電進(jìn)行水液的電解，所生成的氫氣和氧氣應(yīng)分別利用不同的集氣管收集。還可在集氣管適當(dāng)位置加裝風(fēng)機(jī)，用以幫助氣體快速排出。
水輪發(fā)電機(jī)4宜安裝在導(dǎo)流管的出水口附近，依照本發(fā)明發(fā)電方法的功能關(guān)系選配適當(dāng)功率和性能的水輪機(jī)利用水流壓能進(jìn)行發(fā)電。
本發(fā)明的工作狀態(tài)和功能關(guān)系如下。先打開空氣減壓裝置5的氣液栓51，向發(fā)電裝置的管艙內(nèi)適量注水，使空氣減壓裝置5中的氣液平面達(dá)到平衡水體1的H層面相平的高度，并保留艙內(nèi)有足夠的氣體容積用來減壓，再把氣液栓注水管關(guān)閉變成通氣孔用來調(diào)節(jié)空氣減壓裝置5中的氣壓。然后打開導(dǎo)流管3下端的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥31，調(diào)節(jié)導(dǎo)流量和水的流速，由于平衡水體1深部的液體壓強(qiáng)顯著大于空氣減壓裝置5氣液平面處的壓強(qiáng)，依液壓傳遞原理使流量為Q的壓力水流涌進(jìn)導(dǎo)流管3形成水流，推動安裝在導(dǎo)流管3下部的水輪發(fā)電機(jī)4運轉(zhuǎn)發(fā)電；水流自水輪機(jī)尾水管涌進(jìn)空氣減壓裝置5中，直接暴露在艙內(nèi)約1個大氣壓強(qiáng)的氣液平面處，使導(dǎo)流水壓強(qiáng)銳減變成與大氣壓強(qiáng)相近的低壓強(qiáng)水后，再經(jīng)泄水通道6將流量為Q的泄流水從空氣減壓裝置5引流到泄水汽化室7中的汽化裝置8內(nèi)進(jìn)行汽化處理；在汽化過程中，通過電熱汽化法或電解汽化法把流入汽化室7中的水液轉(zhuǎn)化成氣體被集氣管9收集，由于氣體的比重輕，在集氣管9內(nèi)能夠自行上浮流動到平衡水體1液面高度以上而從汽化裝置中排出。在上述過程中，因為從導(dǎo)流管3流入水液的體積流量同流入空氣減壓裝置5和泄水汽化室7的水液體積流量。以及與泄水汽化室7汽化處理的水液體積流量都相等，所以各裝置中無剩余的水液去另外占據(jù)工作容積，則各裝置的工作狀態(tài)和工作能力保持穩(wěn)定，整套發(fā)電裝置的發(fā)電性能也保持穩(wěn)定。本發(fā)明發(fā)電方法的功能關(guān)系是某一體積的水液在地球不同高度上所具有的勢能大小不同、做功能力大小也是不同的，但是同一體積的水液當(dāng)水溫和氣壓不變時，無論是處在地表或是處在地下的不同高度點，采用同種方法汽化時所消耗的能量值是基本相等的，當(dāng)消耗電能總量在單位時間內(nèi)不變時它們的汽化速度也是相等的，則體積流量為Q的泄流水汽化時所消耗的電能E0的量值也基本恒定；因此為方便比較，把體積流量為Q的泄流水汽化時所耗電能E0看作相等于體積流量相同、壓力能頭高度為h的水流用于發(fā)電時所產(chǎn)出的電能量值，則E0=ρgQh(式中ρ為水的密度，g為物體重力加速度)；根據(jù)水的比熱容和汽化熱的數(shù)值，單位質(zhì)量或體積流量溫度為4℃的水液采用電熱汽化法所消耗的能量E0數(shù)值為635千卡/千克，相當(dāng)于單位質(zhì)量或體積流量、壓力能頭高度為h=64.8米的水流用于發(fā)電時所產(chǎn)出的電能量值，在考慮水力機(jī)械的發(fā)電效率達(dá)90％時，前式中壓力能頭h的數(shù)值修正為72米。這樣，在本發(fā)明發(fā)電方法采用電熱汽化法時，當(dāng)所汽化的泄流水體積流量Q和流經(jīng)水輪發(fā)電機(jī)用于發(fā)電的體積流量Q相等時，只要發(fā)電裝置所利用的壓力能頭H的數(shù)值大于h，水輪發(fā)電機(jī)所產(chǎn)出電能E1的數(shù)值就會大于泄流水汽化所消耗的電能E0就可以有剩余的發(fā)電能量E向外輸出，因為E1=ρgQH，所以E=E1-E0=ρgQ(H-h)。該式中ρ、g、h均為常量，Q和H為可變量，故而我們可以根據(jù)電力需求和水體情況來設(shè)計按本法發(fā)電的某一發(fā)電站發(fā)電裝置中體積流量Q和壓力能頭H的具體數(shù)值；同樣在既定的發(fā)電裝置中，通過調(diào)整體積流量Q或壓力能頭H的大小，可以調(diào)節(jié)發(fā)電裝置向外輸出剩余電能的發(fā)電能力。
本發(fā)明的發(fā)電設(shè)施安裝方式可以采用固定安裝方式安裝在固定地點或以移動安裝方式安裝在移動物體上。移動式安裝是依托平衡水體中漂浮式平臺或可移動的船體等移動物體安裝發(fā)電設(shè)施。固定式安裝是依托平衡水體的岸壁或地下洞井等不可移動物體安裝發(fā)電設(shè)施；在采用固定式安裝時，可以把附圖1中的空氣減壓裝置5和泄水汽化室7為一體建造。無論采用何種方式安裝發(fā)電設(shè)施、也無論采用何種水液汽化方法處理泄流水，都能按需要把泄流水汽化后氣體在平衡水體液面以上的空間重新轉(zhuǎn)化成水液，使之回流到水體液面，補(bǔ)充水體水量的流失，達(dá)到循環(huán)利用持續(xù)發(fā)電的效益。
在本發(fā)明的最佳實施方案中，平衡水體的水質(zhì)為無腐蝕性的純凈淡水，水體深度達(dá)100米以上，利用導(dǎo)流管把體積流量達(dá)2米3/秒以上的水流引導(dǎo)入地下500米深度以上的泄水汽化室進(jìn)行發(fā)電，水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)械效率應(yīng)達(dá)90％，以水輪機(jī)所發(fā)出的部分電能對泄流水做汽化處理，汽化時采用電熱汽化法同電解汽化法相結(jié)合的汽化方法，通過集氣管分別在水體液面之上收集氫氣、氧氣和水蒸氣并分別加以利用，這樣既能使發(fā)電裝置具備很高的發(fā)電能力，又便于發(fā)電設(shè)施的維護(hù)和保養(yǎng)。
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做為設(shè)備室2，并使井的下部通過導(dǎo)流管與海水相通，以固定安裝方式于海平面下472米深處的導(dǎo)流管3的出水口內(nèi)安裝水輪發(fā)電機(jī)4，采用導(dǎo)流管調(diào)節(jié)流量的方法將體積流量為5米3/秒的海水導(dǎo)入空氣減壓艙5和泄水汽化室7用于發(fā)電，再以電熱汽化法使泄流水轉(zhuǎn)化為水蒸氣揮發(fā)出水體水面。因為海水密度為1.03×103千克/米3，所以該發(fā)電裝置凈輸出功率為20200.36千瓦。
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導(dǎo)流管3，于水位線下113.7米深處安裝空氣減壓裝置5和泄水汽化室7，將體積流量為1米3/秒的導(dǎo)流水用于發(fā)電，則水輪發(fā)電機(jī)4的機(jī)械效率達(dá)90％時發(fā)電凈產(chǎn)出功率約為368千瓦來做為船體航行動力，將由電熱汽化法所生成水蒸氣排出水體液面后再冷卻成水液重新輸回平衡水體1參與水流循環(huán)，以保證水體總儲容量不變，液體壓力不變，發(fā)電裝置的發(fā)電能力不變。
權(quán)利要求
1.一種用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置，其特征在于在具有一定深度的平衡水體深部設(shè)置與大氣相通的設(shè)備室，設(shè)備室內(nèi)設(shè)有空氣減壓裝置、導(dǎo)流管、發(fā)電裝置、泄水汽化室、集氣管；空氣減壓裝置側(cè)下部接一導(dǎo)流管，導(dǎo)流管內(nèi)設(shè)置發(fā)電裝置，空氣減壓裝置側(cè)旁連接泄水汽化室，泄水汽化室內(nèi)設(shè)有水汽化裝置，泄水汽化室連設(shè)集氣管，集氣管上端開口高于平衡水體水面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置，其特征在于空氣減壓裝置可同泄水汽化室合為一體建造或單獨建造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置，其特征在于水汽化裝置可為電熱汽化裝置或電解汽化裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置，其特征在于該裝置可固定安裝或安裝在可移動的物體上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置，其特征在于導(dǎo)流管上設(shè)有調(diào)節(jié)導(dǎo)流水的體積流量或流速的調(diào)節(jié)閥。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用物態(tài)轉(zhuǎn)換的方式引導(dǎo)水能發(fā)電的裝置,在平衡水體深部設(shè)置與大氣相通的設(shè)備室,設(shè)備室內(nèi)設(shè)有空氣減壓裝置、導(dǎo)流管、發(fā)電裝置、泄水汽化室、集氣管;空氣減壓裝置側(cè)下部接一導(dǎo)流管,導(dǎo)流管內(nèi)設(shè)水輪發(fā)電機(jī),空氣減壓裝置旁接泄水汽化室,泄水汽化室內(nèi)設(shè)集氣管,平衡水體深度不變且大于導(dǎo)流管安裝深度;從導(dǎo)流管流經(jīng)水輪發(fā)電機(jī)的水流用來發(fā)電后進(jìn)入空氣減壓裝置減壓再流進(jìn)泄水汽化室,用水輪機(jī)所發(fā)的部分電能使之轉(zhuǎn)化成氣體自行從集氣管排出水體。
文檔編號F03B17/02GK1221071SQ97122068
公開日1999年6月30日 申請日期1997年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月22日
發(fā)明者邸文學(xué) 申請人:邸文學(xué)