CN101639026A - 平原地区地下水力发电系统 - Google Patents

Abstract

一种平原地区地下水力发电系统。我国东部沿海，常年雨水充沛，地面和地表水蕴藏十分丰富。因人们长期生活、生产需要，地下水严重超采，造成水量枯竭、地面沉降，危及生态和谐，亟待积极回灌补充。在原本水电资源贫乏的平原地区，实施地下水力发电，是可再生能源领域的发明和创新，同时又为恢复地下水资源平衡，改善生态环境，提高人民生活质量，有一举多得的功效。在地面开一口直径24厘米，深度60米以上，穿透地下供水层(8)，排水层(12)的水井，并按置上井管(6)，下井管(11)，进水管(7)，排水管(15)，截流板(10)，止回阀(9)，流量调节阀(4)，负压水力永磁发电机组(19)和电力调制箱(20)。系统必须高度密封才能正常运行。

Description

平原地区地下水力发电系统

技术领域

本发明涉及一种平原地区地下水力发电系统。实现平原地区地下水力发电是人类水电史上的一种创新。

背景技术

能源，是人类生存和发展的重要物质基础，也是人类社会经济发展的要素。能源在国民经济中占有特别重要的战略地位，能源的安危直接影响着国际社会的安定和决定着一个国家的兴衰，人民生活的贫富。

能源分不可再生能源(如煤炭、石油、天然气等化石燃料)和可再生能源(如太阳能、水能、风能、地热能等)。化石能源因人类长期开采利用，储量骤减，需求紧缺、价格飙升，危机严重。化石能源燃烧产生大量的污染物，导致大气污染，环境恶化，气候异常、灾害频发，生灵涂炭、损失惨重。提倡节能减排和大力发展可再生清洁能源，成会世界各国的当务之急。

电力工业是国民经济的支柱产业，文教、卫生、传媒、国防、科研、信息、医药、工农业生产，直至民生，各行各业都与电力产业密切相关。我国有丰富的水力、煤炭和油气资源。目前已建成以水电、火电和核电为中心的强大供电体系。在世界遭受能源危机，我国经济和民生处在持续超常发展时期，电力供应紧缺，成为拖累国民经济高速发展，影响民生幸福指数的重要因素。

我国政府鼓励发展水能发电(含地热发电)，以补充国家电力的不足。但发展水能发电，需有特定的水文地质，地形地貌，自然环境和大流量、高落差的水源。需要筑坝蓄水，按装发电设备。建站又涉及生态环境，交通水利、人文景观，移民安置等必须解决的难题，并要投入大量人力、物力和财力。通过专家勘察、评估、论证，集中多领域现代化的工程装备和技术，花数年时间才能建成一座现代化水力发电工程。

水是人类和一切生物赖以生存和繁衍的重要物质。当前世界的人口、粮食、环境、能源、水资源等危机日趋严重。地球上可供人类利用，能循环更新的淡水体系，由地表水(江河、湖泊)、地下水(潜水、承压水、自流水)、土壤水、大气水、冰川水等构成。我国人均淡水占有率很少，许多地表水又遭受污染、地下水因长期超采，储量十分匮乏，水资源紧缺的势态，日趋严峻。

在缺少天然水力资源的平原地区，倡导地下水力发电，让很多人感到匪夷所思和迷惑不解。经本人多年对水文，地质资料分析研究，结合大量实验观测，总结出如下几点，有力证实该发明的科学合理，实用创新和一举多赢的社会意义。

一.在我国广大沿海平原地区，雨水充沛，年均降水量在2000毫米以上，大气降水除部分渗入地下和蒸发汽化外，大都成为地表水，流入江河、湖泊，再东流入海，集中降雨时，常造成中、下游低洼地区洪涝灾害。

二.地下水由地质不同构成(粘土、沙粒和岩石)而分层蕴藏。以长三角平原地区为例，地面向下10米内是含饱和水的粘土层，10至18米有细沙构成的浅表第一层地下水，自古至今，百姓打井取水，主要依靠这层水。它离地表近，水分渗透快，单井可供水50吨/天以上。再往下35至70米有第二沙层，此层水量较丰富，径流较大，可日供水120吨以上。100米向下为第三沙层，此层(深)井水，原本径流大，水量足，因人们长期大量超采，靠自然渗透来水极少，造成了地下水位大幅下降，很多地区出现水量匮乏枯竭，地面塌陷的生态危机。因此各级政府已下令封井禁采，并用清洁的地表(淡)水，回灌补充地下，有效防止地下水位继续下降和地面的再度下沉。

三.用地表水向地下深处灌水的工程，是水的势能减小，动能释放过程。如进行水力发电，道理毋庸置疑。目前、世界很多国家都在对地下回灌补水，偏未见利用地下水回灌发电的报导！就任凭水能白白流失，岂非可惜！

四.三年前，本人发明的“水空调井水自循环系统”证实，取10米深的井水，对低位20米井内排水，二井静水位差约8米，我利用物理学的虹吸原理，解决了井水(无泵)去水空调热交换器中自动循环的节电方法。这里同样利用二井水位更大的落差，用本人专门设计的负压水轮永磁发电机组，实施地下水力发电，决没有不成功的道理！

五.试验证实，开直径24厘米，深60米以上，能穿过供水层(8)和排水层(12)的水井一口，上井管(6)、下井管(11)间的粘土隔水层(14)中，用截流板(10)将供水层(8)、排水层(12)严密隔断，阻止供水层(8)的水自由流入井下排水层(12)，防止水量流失。为增加上层来水和下层排水的速度，上、下沙层处采用井壁挤压技术和井下扩容技术，以保证充足的水源(日供清洁水100吨以上)和下层排水的畅通。要求二层井水落差在38米以上，100吨水向下释放的势能和动能(后转变为电能)，假设能量总损耗率为65％(保守计算)，每天发10度电应该没问题。如再配上充电器、蓄电池、逆变器和节能的LED光源(本人已实际应用三年以上)，就更加高效节电，基本可满足普通家庭的日常用电。

六.以一口井年均发电量3650度电测算，能在全国星罗棋布地推广“平原地区地下水力发电系统”，如用户数达到10万个，则每年可为国家增加电力3.65亿度，节约电煤13.651万吨，减少27.5万吨有害气体排放，增加地下3.66亿吨淡水储量，每年为用户节省电费约1872元。这些数字说明地下水力发电对能源、资源、环境的贡献确非同一般。

七.地下水力发电，不受地理环境的限止，只要有水源就能发电，而且不受昼夜和天气的影响，24小时可随用随发，方便快捷，一次投入，十多年享受用电免费。以1万元/1千瓦的工程、设备费用核算，性价比远优于风电和光伏发电。

发明内容

本发明利用我国东部平原地区气候多雨、降水充沛。这里地表和浅表含水丰富，蕴藏着得天独厚的天然水源。平原地区，历来人口稠密，文化经济繁荣，工农业发达。客观造成了地下水严重超采，水源匮乏，生态失衡的严峻局面。发明突破常理，巧妙应用虹吸原理和现代科技及新材料，大胆创新、去弊兴利，一举多益，将水力发电从地面延伸到地下，为可再生能源发展找到一种新方法。

建立平原地区地下水力发电系统，在地面(5)上开一口直径24cm深度60m以上能穿过粘土层(14)，上供水层(8)，下排水层(12)的水井(越深越好，但费用会相应增加，如附近有清洁的地表水源利用更好)。开井采用粘土挤压技术加固井壁，采用井内沙层扩容技术，以增加进、排水的流量和流速。在井内按置上井管(16)，下井管(11)，上下井管间装有截流板(10)，用以防止水源流失。在供水层(8)内装有进水管(7)，选水管末端装有止回阀(9)，排水管(15)下端有档沙网布(13)。进、排水管间有流量调节阀(4)，负压水轮永磁发电机组(19)内有同步旋转的轴流式叶轮(18)和多极永磁空心转子(17)组成，在进水井管高处有水箱(1)和启动水阀(2)，自来水阀(3)。发出的电力由电力调制箱(20)输出。整套系统必须保持高度密封才能使系统正常运行。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中：1.水箱  2.启动阀  3.自来水阀  4.水量调节阀  5.地面  6.上井管7.进水管  8.供水层  9.止回阀  10.截流板  11.下井管  12.排水层  13.挡沙网布14.粘土隔水层  15.排水管  16.上井管  17.永磁空心转子  18.轴流式叶轮19.负压水轮永磁发电机组  20.电力调制箱

具体实施方式

在地面(5)上开一口直径24cm深度60m以上能穿过粘土层(14)，上供水层(8)，下排水层(12)的水井，开井采用粘土挤压技术和井内沙层扩容技术。在井内按置上井管(6)，下井管(11)，上下井管间的粘土隔水层(14)内装有截流板(10)，在供水层(8)内装有进水管(7)，进水管末端装有止回阀(9)，排水管(15)下端有挡沙网布(13)，进、排水管间有流量调节阀(4)，负压水轮永磁发电机组(19)内有同步旋转的轴流式叶轮(18)和多极永磁空心转子(17)，连接进水管(7)高处有水箱(1)和启动水阀(2)及自来水阀(3)。整套系统必须保持高度密封才能使系统正常运行。

初次发电，必须开启流量调节阀(4)，同时启动水阀(2)或开启自来水阀(3)，让高处水箱(1)内的压力水或自来水充满进水管(7)排水管(15)等所有管道容器，直至管道内空气全部压出，自动虹吸水流建立，随即关闭启动阀(2)和自来水阀(3)。以后每次发电只需打开流量调节阀(4)，由虹吸水流冲击轴流式叶轮(18)与多极永磁空心转子(17)同步转动，使负压水轮永磁发电机组(19)发电。发出的电力由电力调制箱(20)输出供用户使用。

Claims (6)

1.一种平原地区地下水力发电系统。在地面(5)上开一口直径24cm深度60m以上能穿过粘土层(14)，上供水层(8)，下排水层(12)的水井。在井内按置上井管(6)，下井管(11)，上下井管间的粘土隔水层(14)内装有截流板(10)，在供水层(8)内装有进水管(7)，进水管末端装有止回阀(9)，排水管(15)下端有挡沙网布(13)，进、排水管间有流量调节阀(4)，负压水轮永磁发电机组(19)内有同步旋转的轴流式叶轮(18)和多极永磁空心转子(17)，连接进水管(7)高处有水箱(1)和启动水阀(2)和自来水阀(3)。

2.根据权利1，在地面(5)上开一口直径24cm深度60m以上能穿过粘土层(14)，上供水层(8)，下排水层(12)的水井。开井时采用粘土挤压技术加固井壁，采用井内沙层扩容技术，以增加进、排水的流量和流速。

3.根据权利1，在井内按置上井管(6)，下井管(11)，上下井管间的粘土隔水层(14)内装有截流板(10)。防止供水层内的水向下流失。

4.根据权利1，在供水层(8)内装有进水管(7)，进水管末端装有止回阀(9)，排水管(15)下端有挡沙网布(13)，分别用来防止停机时管内水的流失和井中泥沙堵塞排水口。

5.根据权利1，进、排水管间有流量调节阀(4)，用以控制水流速度和负压水轮永磁发电机组(19)的转速，负压水轮永磁发电机组(19)内有同步旋转的轴流式叶轮(18)和多极永磁空心转子(17)，发出的电力由电力调制箱(20)输出，供用户使用。

6.根据权利1，连接进水管(7)上端高处有水箱(1)和启动水阀(2)，自来水阀(3)。使用自来水或水箱内的水，只是在初次发电前，压出管道内空气，建立虹吸水流时使用。整套系统必须保持高度密封，才能使地下水力发电正常运行。