专利名称：用物态转换的方式引导水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，尤其是一种利用水的液态和气态之间的物态转换而引导水能发电的装置。
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。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，为蓄水所建的水库有着基建投资多、施工期长、库区淹没范围大、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提供一种用物态转换的方式引导水能发电的装置，其不受河流分布和水的位能大小限制，依靠水的液态和气态之间物态转换的方式引导水能发电的装置。
本发明的目的是这样实现的一种用物态转换的方式引导水能发电的装置，在具有一定深度的平衡水体深部设置与大气相通的设备室，设备室内设有空气减压装置、导流管、发电装置、泄水汽化室、集气管；空气减压装置侧下部接一导流管，导流管内设置发电装置，空气减压装置侧旁连接泄水汽化室，泄水汽化室内设有水汽化装置，泄水汽化室连设集气管，集气管上端开口高于平衡水体水面。
空气减压装置可同泄水汽化室合为一体建造或单独建造。
水汽化装置可为电热汽化装置或电解汽化装置。
该装置可固定安装或安装在可移动的物体上。
导流管上设有调节导流水的体积流量或流速的调节阀。
本发明是利用水的液态和气态之间物态转换的方式引导水能发电，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来提高水的位能，不破坏生态环境，也可以不另外占用地表土地；利用目前已有的水力机械和水的汽化技术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，即使是在干旱的地区把平衡水体和发电设施建在地下，利用封闭系统使水液循环转化流动，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。
本发明的利用水的液态和气态之间物态转换的方式引导水能发电装置是在具有一定深度的平衡水体深部设置与大气相通的设备室，设备室内设有空气减压装置、导流管、发电装置、泄水汽化室、集气管。空气减压装置侧下部接一导流管，导流管沟通平衡水体和空气减压装置，导流管内设水轮发电机，建立平衡水体深部高压强水和空气减压装置内低压强气体间的水流通道；于空气减压装置的旁侧接设泄水汽化室，建立发电后低压强水流的泄水通道。打开导流管的调节阀，开放水流通道，由于液体压力差的作用使水体深处的高压强水从导流管进水口涌进，形成水流，在流经水轮发电机时推动水轮机运转发电；发电后的水流流至空气减压装置，被舱内只有一个大气压强左右的气体转变成低压强水流，再流入泄水汽化室；在泄水汽化室中利用水轮机所发出电能的一部分使从空气减压装置流出的泄流水汽化，汽化后所形成低比重的气体经集气管自行排出水体水面。借此保持发电装置内总水容量不变、水流的压强差不变、水轮机的发电能力不变。
在本发明的技术方案中，泄水汽化室使泄流水转化成气体时仅仅消耗水轮发电机所发出电能的一部分，只要维持水轮发电机的发电能力不变，就可以得到所需的剩余电能。并且在泄流水汽化时，如果采用电解汽化的方法，水液电解过程中可以得到大量的洁净燃料氢气，使之成为二次能源加以利用，氢气燃烧时与氧气化合重新形成水液；如果采用电热汽化的方法，水液在电加热汽化过程中形成水蒸气，既可利用水蒸气的热能推动蒸汽轮机转动进行二次发电，又可在水体水面高度上使之重新冷却成水液引入平衡水体循环使用，或将这种洁净的水液做为水源使用。另外也可以把电热汽化法同电解汽化法结合共同应用。水液汽化后生成的水蒸气或电解时生成的氧气，可以借助加装在集气管上的风机快速排出。
本发明是由空气减压装置、导流管和泄水汽化室组成的导流通道，依靠利用水的液态和气态之间物态转换的方式引导水能推动水轮发电机运转发电的。
参见图1，本发明由密度为ρ、深度大于H的平衡水体1，容积为V的空气减压装置5，泄水流量为Q的泄水汽化室7，管径截面积为S的导流管3和水轮发电机4组成，它还包括水下滤污装置及发电设施固定依托物等。
其中的平衡水体1可利用天然的江、河、湖、海水系或人工修建蓄水池、水库、地下隧洞中水体来建立发电用的平衡水体。平衡水体1是指水体中用来发电的水域总储容量较为稳定、水位高度相对平稳，水体中各深度层面压强无明显变化的静止或流动的水体。本发明对平衡水体1的要求是水体水液的总储容量必须显著大于发电装置的有效容积，水体基本深度大于导流管3入水口的安装深度，借以保证水体在发电过程中的压能不变，还可保证水力机械的正常运转不受影响。
图中的设备室2安装在平衡水体1的深部，其内的空气减压装置5既连结泄水汽化室7，又连结导流管3，不断接纳来自导流管3的水流，并使之直接暴露于减压装置的空气中，造成减压装置内气液平面和导流管入口处巨大的液体压强差、借以推动安装在导流管3中的水轮发电机4运转发电。空气减压装置内必须有足够的容积接纳导流水并保持减压效果，同时维持减压装置内气液平面和平衡水体上部气液面高程差H不变。根据水体自然情况和电力需求，在采用固定式安装方式时，空气减压装置5也可以和泄水汽化室7合在一起建造。于导流管3内安装水轮发电机，使从导流管3中的水流推动水轮机运转，经水轮机尾水管流出的泄流水暴露在泄水汽化室7空气中进行减压，以保证发电能力不变，然后将泄流水引入汽化室7的汽化装置8中进行汽化处理。空气减压装置单独修建时应选用耐压材料建造。
导流管3既引导压力水流进入水轮发电机4，又可利用调节阀31调节压力水流的流量和流速，因而起着调节发电装置的发电能力作用。导流管的选材应为耐压防腐的水力光滑管。
泄水汽化室7由多个水液汽化装置8和集气管9组成，集气管9的上端安装高度应高出平衡水体1的水面。在采用电解汽化法时，应使用直流电进行水液的电解，所生成的氢气和氧气应分别利用不同的集气管收集。还可在集气管适当位置加装风机，用以帮助气体快速排出。
水轮发电机4宜安装在导流管的出水口附近，依照本发明发电方法的功能关系选配适当功率和性能的水轮机利用水流压能进行发电。
本发明的工作状态和功能关系如下。先打开空气减压装置5的气液栓51，向发电装置的管舱内适量注水，使空气减压装置5中的气液平面达到平衡水体1的H层面相平的高度，并保留舱内有足够的气体容积用来减压，再把气液栓注水管关闭变成通气孔用来调节空气减压装置5中的气压。然后打开导流管3下端的进水调节阀31，调节导流量和水的流速，由于平衡水体1深部的液体压强显著大于空气减压装置5气液平面处的压强，依液压传递原理使流量为Q的压力水流涌进导流管3形成水流，推动安装在导流管3下部的水轮发电机4运转发电；水流自水轮机尾水管涌进空气减压装置5中，直接暴露在舱内约1个大气压强的气液平面处，使导流水压强锐减变成与大气压强相近的低压强水后，再经泄水通道6将流量为Q的泄流水从空气减压装置5引流到泄水汽化室7中的汽化装置8内进行汽化处理；在汽化过程中，通过电热汽化法或电解汽化法把流入汽化室7中的水液转化成气体被集气管9收集，由于气体的比重轻，在集气管9内能够自行上浮流动到平衡水体1液面高度以上而从汽化装置中排出。在上述过程中，因为从导流管3流入水液的体积流量同流入空气减压装置5和泄水汽化室7的水液体积流量。以及与泄水汽化室7汽化处理的水液体积流量都相等，所以各装置中无剩余的水液去另外占据工作容积，则各装置的工作状态和工作能力保持稳定，整套发电装置的发电性能也保持稳定。本发明发电方法的功能关系是某一体积的水液在地球不同高度上所具有的势能大小不同、做功能力大小也是不同的，但是同一体积的水液当水温和气压不变时，无论是处在地表或是处在地下的不同高度点，采用同种方法汽化时所消耗的能量值是基本相等的，当消耗电能总量在单位时间内不变时它们的汽化速度也是相等的，则体积流量为Q的泄流水汽化时所消耗的电能E0的量值也基本恒定；因此为方便比较，把体积流量为Q的泄流水汽化时所耗电能E0看作相等于体积流量相同、压力能头高度为h的水流用于发电时所产出的电能量值，则E0=ρgQh(式中ρ为水的密度，g为物体重力加速度)；根据水的比热容和汽化热的数值，单位质量或体积流量温度为4℃的水液采用电热汽化法所消耗的能量E0数值为635千卡/千克，相当于单位质量或体积流量、压力能头高度为h=64.8米的水流用于发电时所产出的电能量值，在考虑水力机械的发电效率达90％时，前式中压力能头h的数值修正为72米。这样，在本发明发电方法采用电热汽化法时，当所汽化的泄流水体积流量Q和流经水轮发电机用于发电的体积流量Q相等时，只要发电装置所利用的压力能头H的数值大于h，水轮发电机所产出电能E1的数值就会大于泄流水汽化所消耗的电能E0就可以有剩余的发电能量E向外输出，因为E1=ρgQH，所以E=E1-E0=ρgQ(H-h)。该式中ρ、g、h均为常量，Q和H为可变量，故而我们可以根据电力需求和水体情况来设计按本法发电的某一发电站发电装置中体积流量Q和压力能头H的具体数值；同样在既定的发电装置中，通过调整体积流量Q或压力能头H的大小，可以调节发电装置向外输出剩余电能的发电能力。
本发明的发电设施安装方式可以采用固定安装方式安装在固定地点或以移动安装方式安装在移动物体上。移动式安装是依托平衡水体中漂浮式平台或可移动的船体等移动物体安装发电设施。固定式安装是依托平衡水体的岸壁或地下洞井等不可移动物体安装发电设施；在采用固定式安装时，可以把附图1中的空气减压装置5和泄水汽化室7为一体建造。无论采用何种方式安装发电设施、也无论采用何种水液汽化方法处理泄流水，都能按需要把泄流水汽化后气体在平衡水体液面以上的空间重新转化成水液，使之回流到水体液面，补充水体水量的流失，达到循环利用持续发电的效益。
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，利用导流管把体积流量达2米3/秒以上的水流引导入地下500米深度以上的泄水汽化室进行发电，水轮发电机的机械效率应达90％，以水轮机所发出的部分电能对泄流水做汽化处理，汽化时采用电热汽化法同电解汽化法相结合的汽化方法，通过集气管分别在水体液面之上收集氢气、氧气和水蒸气并分别加以利用，这样既能使发电装置具备很高的发电能力，又便于发电设施的维护和保养。
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做为设备室2，并使井的下部通过导流管与海水相通，以固定安装方式于海平面下472米深处的导流管3的出水口内安装水轮发电机4，采用导流管调节流量的方法将体积流量为5米3/秒的海水导入空气减压舱5和泄水汽化室7用于发电，再以电热汽化法使泄流水转化为水蒸气挥发出水体水面。因为海水密度为1.03×103千克/米3，所以该发电装置净输出功率为20200.36千瓦。
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导流管3，于水位线下113.7米深处安装空气减压装置5和泄水汽化室7，将体积流量为1米3/秒的导流水用于发电，则水轮发电机4的机械效率达90％时发电净产出功率约为368千瓦来做为船体航行动力，将由电热汽化法所生成水蒸气排出水体液面后再冷却成水液重新输回平衡水体1参与水流循环，以保证水体总储容量不变，液体压力不变，发电装置的发电能力不变。
权利要求
1.一种用物态转换的方式引导水能发电的装置，其特征在于在具有一定深度的平衡水体深部设置与大气相通的设备室，设备室内设有空气减压装置、导流管、发电装置、泄水汽化室、集气管；空气减压装置侧下部接一导流管，导流管内设置发电装置，空气减压装置侧旁连接泄水汽化室，泄水汽化室内设有水汽化装置，泄水汽化室连设集气管，集气管上端开口高于平衡水体水面。
2.根据权利要求1所述的用物态转换的方式引导水能发电的装置，其特征在于空气减压装置可同泄水汽化室合为一体建造或单独建造。
3.根据权利要求1所述的用物态转换的方式引导水能发电的装置，其特征在于水汽化装置可为电热汽化装置或电解汽化装置。
4.根据权利要求1所述的用物态转换的方式引导水能发电的装置，其特征在于该装置可固定安装或安装在可移动的物体上。
5.根据权利要求1所述的用物态转换的方式引导水能发电的装置，其特征在于导流管上设有调节导流水的体积流量或流速的调节阀。
全文摘要
本发明提供了一种用物态转换的方式引导水能发电的装置,在平衡水体深部设置与大气相通的设备室,设备室内设有空气减压装置、导流管、发电装置、泄水汽化室、集气管;空气减压装置侧下部接一导流管,导流管内设水轮发电机,空气减压装置旁接泄水汽化室,泄水汽化室内设集气管,平衡水体深度不变且大于导流管安装深度;从导流管流经水轮发电机的水流用来发电后进入空气减压装置减压再流进泄水汽化室,用水轮机所发的部分电能使之转化成气体自行从集气管排出水体。
文档编号F03B17/02GK1221071SQ97122068
公开日1999年6月30日 申请日期1997年12月22日 优先权日1997年12月22日
发明者邸文学 申请人:邸文学