专利名称：引导深水压能发电的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用水能发电的装置，尤其是一种利用引导装置利用深水压能发电的装置。
现有技术中，水力发电多是采用筑坝拦水蓄能或筑池抽水蓄能的方法，利用水的位能转化成动能来推动水轮机运转发电。例如中国广西巴马县境内的岩滩水电站筑坝高110米，水库总容量33.5亿立方米，装机容量121万千瓦。筑池抽水蓄能电站常同筑坝拦水蓄能电站一起修建，担负电力系统调峰、调频及事故备用的任务，是由上位水库及下位水池通过抽水泵和发电机连接组成，先以电能将下位水池中的水抽入上位水库增加水能蓄积，然后把上位水库中的水放入下位水池或落差更大的河道用来发电。利用水的位能发电的方法受到了河流分布和水的位能蕴藏量的限制，为蓄水所修建的水库有着基建投资多、施工期长、库区淹设范围大、人口迁移困难、环境破坏重、泥沙淤积影响库容及水库使用寿命有限的缺点，此外水库蓄水还可能因诱发库区地震及坍岸而产生不良影响。
本发明的目的在于针对现有技术之不足而是提供一种引导深水压能发电的装置，其不受河流分布和水的位能大小限制，依靠引导水体深部压能发电的装置。
本发明的目的是这样实现的一种引导深水压能发电的装置，在具有一深度的平衡水体中设置一导流管，导流管的上部接设有提取水的装置，导流管口内的下部设置发电装置。
平衡水体中水的总储容大于导流管的容积，水体深度大于导流管的安装深度。
导流管上端的提取水的装置可为一台或多台抽水泵。
可固定安装或安装在移动的物体上。
导流管可为均匀导管，其各区段截面积大小相等。
导流管可为锥管，其下段截面积较小，上段增大，导流管可为枝管，其下段为粗细均匀、截面积相等的流管，而上段则逐渐分成数个枝状分支，在每个枝状分支顶端的抽水口分别安装提取水装置。
本发明的泵管抽水引导深水压能发电是在一定深度的平衡水体中纵向安装一个导流管，于水面处导流管上端的抽水口安装抽水泵，于水体深部导流管下端的入水口内安装水轮发电机，建立平衡水体深部和水面间的导流通道。管，于水面处导流管上端的抽水口安装抽水泵，于水体深部导流管下端的入口内安装水轮发电机，建立平衡水体深部和水面的导流通道。打开导流通道，由于液体压力作用，使水体深处的水从导流管下端入水口向管内涌进，从下向上在通道内流动，直至导流管内外水位高度相等及水中相同深度层面压力相等为止。当启动水泵从导流管上端的抽水口以一定的体积流量抽取面处的水注向管外水体液面导流时，因管内水位有所下降，造成管内外同一深度层面1水的压力失衡，导流管下端所在层面水体水的压力大于管内水的压力，致使水体水在压力差的作用下经过入水口以与水泵抽水导流相等的体积流量流进导流管下端，并且驱使管内水自下向上流动，自行恢复导流管内外水位等高和相同深度层面水压平衡状态。由于水泵持续做功抽水导流，不断引导导流通道下层面的水体水流向管内并在流进导流管入水口时推动安装于此的水轮机运转发电。
在本发明的技术方案中，水泵导流所抽取的管内液面水又注回到管外水体之中，管外水体水又经导流管入水口流进管内，形成管内外水的循环流动，从而使导流过程中水体总的水储和水位高度保持不变，导流通道下层面水的压力大小不变。当水泵抽水导流量稳定时，一定体积流量的压力水流提供给水轮机运转发电的压能也稳定不变，所以水轮发电机有稳恒的电能产出。
本发明是利用引导水的压能发电，所以不受河流分布和水的位能蕴藏量的限制，在应用时不需要修建水库蓄水不提高水的位能、不破坏水域生态环境、也可以不另外占用地表土地；利用目前已有的水力机械在全球绝大部分地区都可以根据电力需求依照本发明方法建立各种类型和规模的发电站，即使是在干旱的沙漠地区把平衡水体和发电设施建在地下也不会影响其发电效能。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步的详细说明。
图1是本发明的构成示意图。
本发明是由水泵和导流管组成的导流通道抽水导流来引导平衡水体深部压能驱动水轮机运转发电。
参见图1，本发明由密度为ρ的平衡水体1，扬程为h的抽水泵2，安装深度为H的导流管3和水轮发电机4所组成，它还包括水下滤污装置及发电设施固定依托物等。
其中平衡水体1的可利用天然的江、河、湖、海水系或人工修建的水池、水库、水井、蓄水坑道、地下隧洞中水体来建立发电用的平衡水体1。平衡水体1是指水中用来发电的水域总储容量较为稳定、水位高度相对平稳、各深度层面水压无明显变化的静止或流动的水体。本发明对平衡水体1的要求是水体中水的总储容量必须显著大于导流管的容积，水体基本深度大于导流管3的安装深度H；满足这二个条件时，既能保持水体压力传递平衡不受泵管导流量的影响，又可使水体在持续导流发电情况下水温及流动阻力无明显改变。从而保证水力机械的正常运转和发电效能的稳定。
图中的导流管3纵向安装在平衡水体1中，既连结着水泵2和水轮发电机4，起建立水体深部和水面间导流通道作用；又具有调节通道内各区段导流水的流速作用。其选材根据水质的不同而定，可为耐压防腐的水力光滑管等。
水泵2安装在导流管3的上端，用于把导流管3内液面水从抽水口抽出注向管外的水体液面。水泵2扬程h选择以0.5米至2.0米左右为宜，在波浪大的水域可适度增加水泵2扬程，既可以减少提水导流时的扬程耗能，又可把所消耗的功率用于增加导流量上，以提高发电系统的产能功效。
水轮发电机4的叶轮41安装在水体H深度层面上的导流管3入水口内，借助导流管3中自下向上流动的导流水推力运转发电。依据本发明方法发电的功能关系和用电需求情况，可以选择适当种类和功率的水轮发电机同其它发电设备配套使用。
本发明的泵管抽水引导深水压能发电的工作状态及其功能关系如下。水泵2以体积流量Q从导流管内水面抽水注向管外水面进行导流，使该体积流的水获得动能后再转化为水位线上h高度的位能，导流抽取水在h高度上自行向下流动把水的位能又转化成水体水面处的动能释放掉；水泵2抽水导流所消耗的功率为E0＝ρgQh(式中g为物体重力加速度)。水泵2抽水导流时，导流管3内水位有所下降，造成管内外水的压力失衡，导流管3下端水体水压力大于处在同一深度层面的管内水压力，致使水体水在压力差的作用下经过导流管3入水口以与水泵2抽水相等的体积流量流进管内，把水体深部压能得一部分转化成导流管内水的动能，并且利用其余的压能以液体压力传递方式驱使管内原有水自下向上流动、直到其水位高度与管外水位高度相等时、因压力差消失而不再向上流动，管内的导流上行水在流动时不断克服自身的重力做功把水体深部的压能逐步转化成位能，自行来维持导流管3内外水位高度相等和相同深度层面水的压力平衡状态；同时，导流管3处水体因为向管内流动也将使水位高度有所下降，水体中的水流趋势是依靠水的重力从液面向深处下沉，使水的位能又向压能转化，由于水泵2抽水后注入水体之中补充了管外水体水流入管内的容量，因此水体中总的容储量不变，并且形成了导流管3内、外导流水的循环流动关系，从而保持了水深部压能稳定不变；此外，由于水体中水的总储容量非常显著地大于导流管的容量，因而在导流时水体的水位高度和各深度层面水压不会发生明显波动性变化。由于水泵持续做功抽水导流，不断地造成导流管3内水位和水压的下降。也就会不断地在导流管3下端形成管内外水的压力差，引导水体1深部的水在压力差作用下经导流管入水口流进管内形成导流上行水，这时安装在导流管3入水口内的水轮发电机4的水轮41就会连续受到导流上行水流动的推力合压力作用把水动能及其压能转化为有用功来发电。在导流发电过程中，水泵2抽水的体积流量和导流管3中导流上行水的体积流量相等，它们所具有的水流动能也相等，然而导流管3中同一体积流的导流上行水在各个深度层面所具有的做功能力是不同的；在导流管3下端导流上行水的压能最大、位能最小，随着水流流过层面的不断升高，导流上行水的压能逐渐减小，位能逐渐增大，当其从水体H深度层面流至水面高度时压能全部转化成水的位能而失去对这一流段导流上行水的推动作用，必须借助水泵2持续抽水导流做功，才能保持导流管3中水在压力差作用下的持续从下向上流动用以发电。在本发明的技术方案中，是利用水泵2抽水来引导水体深部压能驱动导流上行水依自下向上方向流动做功发电的，它与依靠水的位能使水自上而下流动做功的位能发电方法是完全不同的。由于水轮发电机4安装在压能最大的导流管3下端，所以水轮机4的最大发电功率为E1＝ρgQH，从水轮机4发电功率中减去水泵2抽水消耗的功率后本发明方法发电净产出电功率为E，则E＝E1-E0＝ρgQH(H-h)因为上式中水的密度ρ和物体重力加速度g都是常量，水泵抽水扬程h也相对确定，所以本发明装置发电的功率变化关系主要由水轮机发电安装深度H和水泵抽水导流的体积流量Q这两个可变量的选配情决定；当它们中的某个变量数值增大或两个变量数值一同增大时，电能产出功率也随之相应增加，反之则电能产出的功率随之相应减少。
其中水泵2、水轮发电机4、导流管3和水下滤污装置等配套的发电设施安装方式可以采用固定式安装或移动式安装的方式进行安装。固定式安装是依托平衡水体的岸壁、水中墩柱等不移动物体安装发电所需设施，建立固定式深水压能发电站；也可以把多套导流管3长度相等或不等、导流深度相同或不同的发电设施集束排列安装在一个大型平衡水体之中，建立大型固定式深水压能发电站用以发电。移动式安装是依托平衡水体中漂浮式平台、游动的船体等移动物体安装发电所需设施，建立移动式深水压能发电站或移动式深水压能发电船用以提供电力。
在本发明的技术方案中，根据电力需要，可以用泵管调节水能方式来调节导流上行水的流量和流速，从而调节发电能力的大小。由于对无体积变化的流体运动来说，速度C与流管的截面积S成反比，导流上行水的速度压力Pc＝1/2ρC2，在导流管的体积流量Q＝SC总数值大小不变的情况下，管的截面积S越大、流速C越小、提供给水轮发电机的速度压力Pc也越小；而在管的截面积小的区段，水的流速和速度压力反而增大；因此我们可以采用三种泵管调节水能方式来调节发电能力。
1、匀管单泵调节方式即导流管各区段截面积大小相等，管的上端只安装一台水泵用来抽水导流。其特点是导流上行水在管内各处流速不变，阻力均衡，水泵功效利用率大；但是单台水泵抽水的导流量有限，故发电能力不够高。
2、锥管多泵调节方式即导流管下段截面积较小，上段增大，在导流管上端的抽水口一同安装多台泵同时抽水导流。其特点是导流上行水在导流管上段流速大而被用来推动水轮机发电，水流向上继续流动时速度逐渐变小、自身流动阻力减少；但是多台水泵抽水能够增大导流上行水的体积流量、提高发电功效，也会在抽水时造成紊流、增大抽水导流的水泵耗能。
3、枝管多泵调节方式即导流管下段为粗细均匀、截面积相等的流管，而管的上段则逐渐分成数个枝状分支、也使管的截面积逐渐增大，在每个枝状分支顶端的抽水口分别安装水泵并同时抽水导流。其特点是导流上行水在导流管下段流速最大、而且流速均衡、传导给水轮发电机的动力也稳定，水流在导流管上段速度逐渐变小，水流阻力也减小，枝管中无紊流出现，多台水泵同时抽水导流使导流上行水的体积流量增大，因而发电功效显著提高。
在本发明的最佳实施方案中，平衡水体的水质为无腐蚀性的纯净淡水，水体深度达100米以上，使其具有足够的压能，选择天然的深水水系或人工建造地下水系做为平衡水体以不另占土地；导流管安装深度亦达100米以上，并选用防腐耐压的刚体性质水力光滑管和这以减低水流阻力；水泵扬程以1米为宜；水泵和水轮机的机械效率应达80％～90％，采用枝管多泵调节方式来调节导流上行水的水能，使流速达1米/秒以上形成较大的速度压力用于发电；整套发电设施采用固定式安装方式安装于水体的岸壁之中，以保证发电设施的正常运转和导流发电性能的稳定，也便于对发电设施进行维护和保养。
实施例1选择天然的海水为平衡水体1，在海岸的涯壁中开凿竖井，并使井的下部与海水相通，于竖井内安装耐压防腐的导流管3，于海平面下205米深处的导流管3下端的入水口内安装水轮发电机4借助引导海水压能发电；于海平面附近的导流管3上端抽水口安装扬程为5米的水泵2，采用枝管多泵的调节水能方式将体积流为5米3/秒的海水抽出导流向海面。已知，海水密度为1.03×103千克/米3，重力加速度为9.806米/秒2，因此，该平衡水体1中发电设施引导深水压能发电可以净产出功率为10100.18千瓦的电能供用电输出使用。
实施例2在航行的大型船体中采用密度为1.0×103千克/米3的淡水做为平衡水体1，水中安装水力光滑的钢质导流管3，于水位线下51米深处的导流管3下端入水口内安装水轮发电机4，于水位线稍上方的导流管3上端抽水口安装扬程为1米的水泵2；采用匀管单泵调节水能方式，把体积流量为1米3/秒的导流水抽出注向水体液面，则该平衡水体1中的发电设施引导深水压能发电可以净产出功率为490.3千瓦的电能，除为船体航行提供动力来源外，也可以为船上其它用电提供电力。
权利要求
1.一种引导深水压能发电的装置，其特征在于在具有一深度的平衡水体中设置一导流管，导流管的上部接设有提取水的装置，导流管口内的下部设置发电装置。
2.根据权利要求1所述的引导深水压能发电的装置，其特征在于平衡水体中水的总储容大于导流管的容积，水体深度大于导流管的安装深度。
3.根据权利要求1所述的一种引导深水压能发电的装置，其特征在于导流管上端的提取水的装置可为一台或多台抽水泵。
4.根据权利要求1所述的引导深水压能发电的装置，其特征在于可固定安装或安装在移动的物体上。
5.根据权利要求1所述的引导深水压能发电的装置，其特征在于导流管可为均匀导管，其各区段截面积大小相等。
6.根据权利要求1所述的引导深水压能发电的装置，其特征在于导流管可为锥管，其下段截面积较小，上段增大。
7.根据权利要求1所述的引导深水压能发电的装置，其特征在于导流管可为枝管，其下段为粗细均匀、截面积相等的流管，而上段则逐渐分成数个枝状分支，在每个枝状分支顶端的抽水口分别安装提取水装置。
全文摘要
本发明的目的是这样实现的一种引导深水压能发电的装置，在具有一定深度的平衡水体中设置一导流管，导流管的上部接设有提取水的装置，导流管口内的下部设置发电装置，平衡水体中水的总储容量大于导流管的容积，水体深度大于导流管的安装深度，本装置不受河流分布和水的位能大小限制，依靠引导水体深部压能发电。
文档编号F03B17/02GK1161411SQ9710011
公开日1997年10月8日 申请日期1997年1月6日 优先权日1997年1月6日
发明者邸文学 申请人:邸文学