狭管发电技术及应用的制作方法

一、技术领域

本发明主要应用流体力学(含空气动力学、液压动力学)等学科，涉及发电知识，具体是一种狭管发电技术及应用。

二、

背景技术：

流体(这里指风或水流及海浪下同)的能量无穷无尽，其中水流的能量因其密度远大于空气的密度的原因，所以水流的能量远大于风的能量，而现阶段人们在开发、利用方面对风的能量的获取却远大于对水能的利用(如中国是最大的风力发电大国)。现阶段人们对河流水能的利用基本上停留在拦河筑坝建水库的方式上，而对于流水和海浪的冲击动能的利用却少之又少，主要是没有较好的获取能量的方式。

三、

技术实现要素：

流体在经过狭窄处时，其流速会加快，这种现象被定义为：狭管效应在管路中流淌的流体里混入了空气，空气在排出管口的瞬间，会产生喷射现象，说明空气在管路中被压缩，在流出管口时压力被释放，喷射产生的力会大于正常流体的出口压力，这种喷射现象这里自定义为：气喷现象。

1.狭管系统发电技术

根据“狭管效应”和“气喷现象”，现发明一种海浪狭管系统发电技术，包含：“狭管”技术、“单向水流截取”技术、“气喷助力”技术、“环形气喷管”技术、“分段取压”技术、“水罐增压”技术和“罐内气压利用”技术等，通过以上一系列的技术、结构设计，形成了一个以海浪为动力的独立系统，将海浪的冲击动能直接转换为具有一定高度的势能，利用势能直接冲击直板式发电机(本人的另一发明，专利已在申请中，申请号：2020101588035，本文中提到的发电机都是指此正面受力的发电机，下同)的叶片，将势能转变为电能。

2.长狭管式海浪发电系统

(1)江潮筒导向管发电机构

依据“狭管效应”，结合现实生活中每年都会出现的“钱塘江潮”现象，制作一个专门用来收集海浪动能的长狭管，以其为动力制作一个发电系统，该系统由长狭管、导向管、发电机、单向翼阀等构成，这里称之为：江潮筒导向管发电机构。

(2)江潮筒双导向管发电系统

为了获取更多的动能先制作二级狭管(也可是多级狭管)，或者将狭管制作的足够长，这样就可以获取更多的能量，则可以对江潮筒发电机构进行功能扩展，在上述功能的基础上进行改进：一是在进水导向管的上下各安装一组回流用的导向管，相应的就可以在导向管的上下都安装发电机，就可以增加一倍的发电机；二是为了收集和配置水流的流量，在导向管的最上部安装一个集水罐，在罐的入口加装单向翼阀以防止海水倒流；这就是江潮筒双回流管发电系统。

为了降低制作成本，也可以对导向管进行简化，就是将上述上水导向筒与回水导向筒制成共用筒壁，其功效与上述系统基本相同。

(3)双向狭管、环形导向管发电系统

上述系统只能获取单向海浪冲击的能量，并且为了利用其势能，要将系统部分露出海面安装，而海浪是往复式摆动的，特别是深海处，为了更多的收集海浪的能量，也为了适应更多水域，对上述系统做更进一步的改进，先将导向管连续的弯曲，弯曲半径要大于发电机叶片的回转半径，形成一个圆环状的导向管，在圆环形导向管的两侧，各安装一个长狭管，长狭管是以左右对称的切向方式接入圆环的。将发电机安装于圆环中心。在圆环内侧，指向发电机叶片，均匀安装n个喷管，喷管以切向的方式喷水推动发电机的叶片周向旋转，这就是双向狭管、环形导向管发电系统。

(4)方桶式海浪发电系统

海浪的运动方式是上下起伏和来回摆动的，设置一个专门利用海浪来回摆动为动力的发电装置，这是最简易的狭管发电方式，方法是将发电机安装在一个方桶中，在方桶的左右敞口处各安装一个较大广口的狭管，为使发电机能单向旋转，将方桶的左右敞口分别进行半边遮挡，在左侧敞口的下半部作为出口用单向翼板为挡板，这样海浪从左侧突入时，只能从上半部敞口进入，下半部被单向翼板所阻隔，右侧敞口的上半部用固定挡板遮挡，下半部即是入口又是出口，这样就可以保证海浪从左侧进入时，只能从敞口的上部进入，从而进入方桶的上部，在上部推动发电机的叶片，使发电机产生顺时针旋转的效果，到达右侧敞口时，因右侧敞口的上部被挡板遮挡，挡板与叶片之间的空隙处又安装了导向板，水流只能顺着导向板转到右侧的下部敞口，从右侧下部的敞口流出。随即，海浪从右侧突入，也是在右侧的广口狭管被加速，右侧上部被挡板阻挡，只能从右侧的下部进入，在方桶的下部推动发电机的下部叶片，还是使发电机顺时针旋转，到达左侧的敞口下部时，因是单向翼板，水流冲开单向翼板，在左侧敞口的下部流出。最终结果是，不论海浪是从左侧还是右侧冲击突入，都会各行其道，使发电机的直板叶片受到的是顺时针方向的推力，从而不断的发电。

四、附图说明

图1单向气喷狭管；

图2双向气喷狭管；

图3万向气喷狭管；

图4二次气喷环形狭管；

图5高低位分流三通；

图6罐内增压示意图；

图7罐内气压利用示意图；

图8是双狭管、二次狭管、伸缩管罐内增压发电系统图；

图9是万向狭管、二次狭管、伸缩管罐内增压发电系统图；

图10两组双狭管、二次狭管、伸缩管、二次气喷环管、罐内增压发电系统图；

图11两组万向狭管、二次狭管、伸缩管、二次气喷环管、高、低位集水罐、罐内增压发电系统图；

图12二级江潮筒结构示意图；

图13江潮筒、导向管发电系统图；

图14江潮筒、集水罐双导向回水管发电系统图；

图15江潮筒、集水罐双导向回水管(简易)发电系统图；

图16双向狭管、圆环导向管喷射发电系统结构图；

图17双向狭管、圆环导向管喷射发电系统图；

图18单向狭管、圆环导向管喷射发电系统图；

图19方桶式海浪发电系统图；

部件名称：件1：狭管；2件：单向翼阀；件3：伸缩管；件4：二次狭管；件5：单向限压阀；件6：集水罐；件7：排水槽；件8：发电机；件9：分流三通；件10：二次气喷环型狭管；件11：导向管；件12：喷嘴；件13：排水管；件14：排气阀。

五、具体实施方式

1.海浪狭管发电机构

根据狭管效应和气喷现象，专门制作一个长筒型广口的缩颈狭管1，形状类似于牛角，广口为入口，缩颈的小口为出口，管段水平段略长，逐渐向上弯曲，入口与出口互成90°，在狭管尾部的2/3-3/4处，设置一单向翼阀2，如图1所示，这就是海浪狭管发电机构。做功原理是：在海水中，广口直面海浪，在海浪的冲击下，因狭管效应海浪在管内的流速会被加快，冲击力会被加大，因是弯管且出口向上，导致水流会向上冲击使得海浪的动能变成一定高度的势能，狭管1在海平面上安装，广口约1/5-1/6露出海面，在两波次海浪冲击的间隔瞬间，管内会有空气进入，翼阀2因自重力和上部积存的海水常态下是处于关闭状态的，空气就会聚集在翼阀2下部与狭管形成的空腔内。在新的一波海浪的冲击下，海水在狭管1里会被加速、空气会与海水混杂，裹挟着空气的海水就会撞开单向翼阀2而进入阀片上部，翼阀2此时起阻力作用，阻力是由自重力与前一波海浪积存的海水高度的静压值两项之和组成的，数学表达式为翼阀阻力＝翼阀自重+前一波海浪积存海水高度的静压值，海浪的冲击力必须大于这两项之和才会冲开翼阀2，冲过翼阀2的海水就会积存在阀体的上部从而形成一定的液面高度，这就完成了新一波海浪的做功。从做功过程可以看出，狭管1起为海浪助力及使海水向上的导向作用，使得海水达到一定的高度值；翼阀2起单向截流、水柱叠加作用；狭管1和翼阀2共同起气喷作用。

海浪的冲击力是以波次的形式出现的，冲过翼阀2后的海水还有一定的上冲动力，在单向气喷狭管1上部再制作安装一个直管段的狭管，入口与气喷狭管1的出口相接，这就是二次狭管4，每波海浪突入二次狭管4的初始状态是动态的，表现为波次的冲击，因为是缩颈管，流速还会被加快，提升了上冲的能力，使得管中的水柱一次次的向上冲击。在海浪冲击气喷狭管1的同时，聚集在翼阀下空腔内的空气在海浪的冲击下受压、与海水混杂后随着海浪上冲，因空气的比重比海水轻的多，所以被裹挟在海水中的空气会上浮，上浮过程中空气周边海水的压强逐渐减小，接近水面时内部的压力释放会产生气喷现象，在海浪间隔的瞬间，海浪停止上冲，气喷现象表现极为突出，气喷的冲击力会为海浪上冲助力。海浪经过气喷狭管1、二次狭管2后，在海浪自身的冲击力和二个狭管的及气爆助力后，就会达到一定的高度值，这就是本系统实际做功能力的重要标志性指标，此高度值含意是：以海水的比重表现的、由海浪的冲击产生的、经过狭管1和气爆助力的、海浪的动能转换为势能的量化值的表示。

从上述工作原理可以证明这样一个事实:就是气喷狭管1和二次狭管4对海浪的提升能力，更确切的说是将海浪冲击动能转变为高度势能的能力，取决于海浪的强度和管段的缩颈比，气爆也有助力作用，与缩颈比是成正比关系，而缩颈比是制作过程中人为设置的，这就推导出一个结论：可以按人的意愿来获取更多的能量。根据并利用这一定论来获取更多的能量就成为可能。

为了连续不断的获取上述过程产生的动能，先实测狭管1和二次狭管4共同形成的管段中海水的静压高度值，这是对本系统做功能力的标定，然后将狭管1和二次狭管4共同所形成的管段长度进行截取，截取的长度，即截取前后两者的高度差，就是本系统能从每一波海浪冲击中获取的能量值，这是以假定海浪的冲击强度为定值考虑的，而截取后前两者剩余的长度，就是在本系统中的实际工作长度。

这样每一波海浪过后，都会有一定量的海水从二次狭管4管口涌出，涌出的量就是本波次气喷狭管1和二次狭管4做功能力的量值。在二次狭管4的出口处接一三通9，如图5所示，三通9水平一路出口经单向限压阀5将海水送往低位集水罐6，三通9另一垂直出口接入二次气喷环管10，如图4所示，该管即是环管同时也是狭管，三通9在此处的作用是分流作用，当海浪的冲击力较小时，海水就会在此处经单向限压阀5进入低位集水罐6，当海浪的冲击力较大时，直接向上冲过三通9，接着冲击二次气喷环管10，海水在此管中也是被加速的，在两波海浪的间隔瞬间，由于海水中夹杂着空气，所以在浮力和重力双重作用下，空气会上浮而海水会下落，使二次气喷环管中的空气和海水会被短暂的上下分离，海水会下落到二次气喷管10的下环部，而空气则会聚集在上环部，这种短暂出现的静态平衡随即就会被下一波次海浪打破，这样，如同气喷狭管1中的空气一样，环管上部的空气再次被压缩、与上冲的海水相混合、再次产生气喷现象，继续为海浪上冲助力，然后海水与空气混杂着经单向限压阀5进入高位集水罐6。

尽管随着海浪的往复运动，会不断的有海水经上述系统被提升到一定的高度的高、低位的集水罐6中，如图11所示，但因为经三次狭管的缩颈后管口就变得较小，得到的水量有限，为了获取足够的水量，只能增加上述系统的组数，共同向集水罐6送水，图10所示就是两组双狭管共同工作的示意图，图11所示就是两组万向狭管共同工作的示意图。

随着集水罐6内海水的逐渐增多，罐内压强也会不断的加大，帕斯卡定律决定了并不会影响海水源源不断的进入集水罐6，空气的量也会逐渐增多，空气多的结果一是给罐内增压，这更有利于聚集能量，过多则占用了罐内有效的空间，解决方案是，在罐顶安装一个单向限压阀5，阀后用导管引到发电机8的叶片外侧，当罐内空气压力达到设定的泄压值时，罐内空气就会被引导至发电机叶片处，吹动叶片协助发电，如图7所示。随着集水罐6内海水不断的增多，海水会陆续的从罐底部的泄水孔流向排水槽7用来冲击发电机8发电，如图8-图11所示。

从上述做功的全部过程及结合实际情况分析，海平面及海浪的冲击力都有较大的不确定性，海平面变化的解决方法是将本系统安置在一个浮盘或者专为本系统配套设置的专用漂浮物上，保证本系统是漂浮于海面上，与海平面是相对稳定的即可。而海浪高度的变化的调节，就是在气喷狭管1与二次气喷狭管4的结合处加安一个伸缩管3，如图8的件3，海浪较大时，伸缩管变长，海浪较小时，伸缩管变短，这个调节方式人工调节较麻烦，只能按季节进行象征性的调节，大批量的生产装置就可以用自动调节的方式，小范围内可以用来保证系统在设定的海浪高度内工作。

同样道理，二次气喷环管10的水柱如果过高也会使二次气喷环管10起不到气体与液体分离的作用，解决方法是：在三通9的低位管上安单向限压阀5，设定阀的开启压力来控制二次气喷环管10的液面高度，当二次气喷环管10的液面高度超过上限时，限压阀5自动打开，将超压的海水导入低位的集水罐6中。

进入高位集水罐6中的是气、液混合物，气体会增加罐内的压强，有助于发电，过多则用罐顶的单向限压阀5排出，用于吹动发电机叶片为发电助力，液体用于推动发电机8发电。

上述做功过程还需要完善，就是海浪的方向是不确定的，所以设置成获取往来式海浪的双向气喷管，如图2，或者万向的气喷狭管，如图3，用来替换双向气喷狭管，可以减少海浪方向多变引起的效率低问题。

上述各配、部件的功能及组合后的做功如下述各图表示：

图8所示：是用双向狭管1，再配以伸缩管3，加二次狭管4，又安装了限压阀5在罐底安装了放水槽7，加装了发电机8，直接可以用来发电的一个系统图。

图9所示：是用万向狭管1替换了双向狭管1来发电的系统图。

图10所示：是在图8的基础上，为了增加供水量，采用两组提升水的系统来发电的系统图

图11所示：是在图10的基础上，用万向狭管1替换双向狭管1，将水流分成高低水位进行回收势能的发电系统图。

2.“江潮筒”式海浪发电系统

(1)江潮筒导向管发电发电

先制作一个二级狭管1组成的狭管筒，如图12所示，放在海浪中会形成更强的冲击力，也可以根据需要制作多级的狭管筒，这就是对钱塘江潮最好的验证。据此原理制作一个专门用长狭管来发电的机构，因类似于钱塘江潮，所以称为江潮筒，如图13所示，现结合附图将其结构和做功过程叙述如下：将该机构放入海中，使其狭管1面向海浪，广口1/5露出海面，主体部分约2/3露出海面。海浪来临，先突入狭管1，海浪在狭管1中被会集、提速，冲击力有较大的提高，由于广口小部分露出海面，就会有部分空气被裹挟着带入导向管11，海浪上冲过程中，气喷现象就会发生，会为上冲助力，如果用图12的二级狭管替代这里的一级狭管效果会更佳，然后海浪冲击着突入导向管11，导向管11也可以根据需要制成狭管状(此文包含多处的导向管，都可以按此方式制做，下同)，导向管11内安放了多组发电机8的直板叶片，海浪直接冲击直板叶片，巨大的推力使发电机8旋转，随后海浪继续向下一组发电机8的叶片冲击，冲击过几组发电机8的叶片后，到达最高点，此时海浪的冲击力几乎丧失，管内的空气经排气阀14放空，导向管11至此也开始掉头向下回转，海浪冲击力的大部分转变为了扭矩用来发电，其余部分使海浪到达高处转换成了势能，导向管11回转后，势能会使海水自行回流到大海，由于在入水导向管11中设置了单向翼阀2，使得海水只能向下到回水导向管11回流到大海，回转弯制作中，将其回转半径制成比发电机8直板叶片的回转半径略大，然后使回水导向管11沿着发电机的另一侧回流，回转后的导向管11起回流作用，同样是将发电机的直板叶片安装在回流的导向管11中，这样就使发电机8的直板叶片上部叶片是在进水导向管11中顺时针旋转的，下部叶片是在回水的导向管11中也是顺时针旋转的，这种设计保证了海水无论是上冲还是回落，都是在推动发电机8的直板叶片使之顺时针转动。为了防止海浪在上冲过程中倒流，在上冲的导向筒11中的每组叶片之后都设置一个单向翼阀2；为防止导向管的出口受海浪的冲击；可以将出口方向朝向两侧，这就是江潮筒导向管发电系统。

(2)江潮筒双导向管发电

海浪的强度有时较大或者人们对能量的要求更高，对上述系统略加改进，即可以获取更多的能量，根据需要和海浪强度在入口处设置二级狭管1(还可多级)，如图14所示，由于改进后所获取的海水量更多、冲击力更大，所以在入水导向管11的上下都安装发电机组及出水导向管11，因海浪的冲击力会更大，所以在高点处设置一个集水罐6，用以会集、缓冲、调节较大的水量及较大的冲击力，集水罐6入口安置单向翼阀2，以阻止海水倒流。其做功原理基本与上述系统相同：即在海浪较大海域，海浪冲击进入狭管，在一、二级狭管1的助力下，冲击力会更强，随即进入入水导向管11，在导向管11内冲击第一组发电机8的直板叶片，产生很大的扭矩使发电机8旋转发电，随后继续冲击下一组发电机的直板叶片，一直到最顶端进入集水罐6，到达集水罐6后，海浪的动能转变为一定高度的势能，入口的单向翼阀2阻止了海水倒流，具有了势能的海水就会分别从上下出水导向管11流回大海，在回流过程中又会不断的冲击各组发电机8另一侧的直板叶片，继续推动发电机8旋转，将势能又变成了电能。在海浪冲击的过程中，在广口处也会混入空气，也会产生气喷现象，会为上冲助力，空气在集水罐的上部会被排气阀放空。为使海浪在入水导向管中不倒流，每一组叶片后都就安装一个单向翼阀2，为使海浪不冲击出水导向管11的出口，出口方向避开海浪方向。

还可以对上述系统简化，即将上下导向管之间用隔板分格，设备更简化。如图15所示。

(5)双向狭管、圆环导向管发电系统

上述系统有一个缺陷，就是海浪是往复运动的，在海浪退去的时段，上述系统是停滞的，对上述系统进一步改进，制成如图16所示系统结构图。其做功过程如图17所示，改进后的系统无论是海浪来或者是去，狭管1都会汇集海浪，已经将导向管11制成环管，在环管内侧斜向指向中心安装喷嘴13，将发电机8安装在环中心位置，圆周均布的喷嘴13周向推动直板叶片使其旋转。为防止海浪从另一侧的狭管涌出，在狭管1的根部装有单向翼阀2。排水采用中心侧向的排水管14排出。这就是双向狭管、圆环导向管发电系统，可以在海水里安装，如果在河流中使用，则将本系统改成单向狭管1就可以，如图18所示。

(3)方桶式发电装置

上述各系统的做功方式尽管经过简化但还不是最简单，可以直接用方桶，中间安装发电机，两侧安装大喇叭口狭管1，用单向翼板做为档板对左侧方桶敞口的下部进行遮挡，用挡板在右侧敞口的上半部分进行遮挡，为防止混流，在右侧上部方桶档板的内侧，档板与直板叶片旋转的空隙处，用导向板填充空隙，因左侧挡板下方单向翼阀有只出不进功能，足以阻止海浪涌入，又可将右侧海水排出。如图19所示，无论海浪来或者去，都会推动发电机8的直板叶片使之顺时针旋转。做功过程：将其放入海浪中，海浪来时，从左侧进入，狭管1使得冲入的海浪加速，左侧敞口的下部已经被挡板斜面进行了遮挡，阻止了海浪进入，海浪只能从方桶的上部敞口处进入并冲击发电机8的上部直板叶片，冲击力使发电机8顺时针旋转发电，冲击过叶片后的海水到达方桶右侧敞口，因右侧敞口的上部被遮挡，又有内部弯板的导流作用，使得海浪的水流只能转弯向下，在右侧敞口的下部流出，随着是海浪瞬间的间隙，随即海浪从右侧回来，同样是先经过右侧广口狭管1加速，因方桶右侧敞口的上部被遮挡，只能从右侧敞口的下部进入，从发电机8的下部推动直板叶片使其继续以顺时针旋转发电，然后到达方桶的左侧下方，因此处为单向翼阀作挡板，海浪推开翼板可以顺利流出，即无论海浪是来还是去，都会推动发电机8发电，这就是最简易的方桶式发电装置。