CN103277235A - 一种大气压力发电的方法及发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气压力发电的方法及发电装置，其特征在于：它是一种利用大气压力真空管水柱效应和虹吸管原理使水循环流动作功而发出电力的发电装置，有≥1万千瓦的大中型机组和＜1万千瓦的小型机组，总体是一高层建筑结构，主跨设有n=2~15层支持平台，由底水池、多层双株并立型或单株倍容型的真空管、顶水池、升水管、降水管、稳压管及出水装置构成升降水机构，在其中以大气压力作功为主抽真空作用为辅，使一定量的水逐层提升位能后再向下流动进入水轮发电机作功发电。本发明压电站规模可以灵活选定，单元机组主体结构简单，发电过程有极强的自平衡性，提供了用之不尽的极低价电能，不消耗能源性资源，零排碳、零污染，永恒供电。

Description

一种大气压力发电的方法及发电装置

技术领域

本发明涉及一种新能源发电技术，尤其是涉及一种在揭示出大气层也是能源层的基础上，使大气压力持续作功转变成水头而永恒发电的新型发电的方法及发电装置。 

背景技术

能源是人类生存和发展的根本保障，为了促进人类社会健康发展，必须彻底解决全球气候变暖和环境污染问题，依据联合国有关协议要求，当前许多国家都在积极制定和执行新的能源发展规划，期望尽快找到可接替化石能源的可行办法，其中对可再生能源的利用都给以高度重视，太阳能和风能发电成了普遍认可的首选技术，一些风力资源丰富的国家，风电场建设的规模和速度已达到前所未有的程度，大功率太阳能电场也在快速建设。太阳能和风能发电，正被许多人认为是实现第三次工业革命的核心技术。太阳能和风能，资源无尽，用之不竭，但是却存在能源密度低、单位面积发电量小的缺点，至使单机发电量很难提高，设备体积大、占用空间多，同时还有并网难等不易解决的技术难点，从而促成建设投资和发电成本都远高于火电，其应用较严重的依赖于政府的补贴，各国莫不如此，而且在制造和使用中仍然有环境污染问题。这些受自然条件规律限制而存在的问题，不可能得到根本解决，太阳能和风能发电不论现在还是将来，都不能成为人类用电的主要来源，尽管发展速度快，却只能是一种在能源结构中占有较小比例的辅助性电源，对解决全球气候变暖和环境污染等问题，其作用与人类要求相距甚远，难于成为是实现第三次工业革命的核心技术。至于核电和水电，前者是世界上作为核燃料的铀矿数量很少，而且今功难免后祸，后者则是破坏生态和地貌，易诱发地震和气象灾害，都非十分可取。目前人们还惊喜页岩气及页岩油的成功开采和使用，认为这将是一场风靡世界的能源技术革命，实际上，它们的储量和可供采用的时间也是有限的，并且潜伏着污染水源和释放出大量甲烷气体的风险，根本不是人类可以长期安全使用的新能源。在这种情况下，寻找出一种可以安全长久、简单经济利用的新能源并发明出用其发电的新方法，与发展太阳能和风能等发电相比，意义更为深远重大，应该是当前必须积极追求的新目标。由于大气压力给予人类可利用的能量是远远超过太阳能，而且永恒存在，所以大气层真正是人类一个取之不尽、用之不竭的能源层，是人类最能安全使用的能源层，对地球的结构和生态不造成丝毫损害。这就是本发明所揭示和要利用的新型新能源，其从古至今未被利用的沉寂状态，是当今世人面对的最大背景技术，也是本发明所要解决的最大技术问题。 

发明内容

本发明的目的是提出一种使大气压力能够对外作功的具体方法，通过大气压力在真空管中产生水柱流动，推动水轮发电机发电，实现对大气层这种新能源的高效开发和利用，提供一种利用大气压力发电的方法及发电装置。 

本发明大气压力发电的方法及发电装置内容简述： 

本发明大气压力发电的方法及发电装置，其特征在于：它是一种利用大气压力真空管水柱效应和虹吸管原理使水循环流动作功而发出电力的发电装置，由底水池、多层双株并立型或单株倍容型的真空管、顶水池、升水管、降水管、稳压管及出水装置构成升降水机构，在其中以大气压力作功为主抽真空作用为辅，使一定量的水逐层提升位能后再向下流动进入水轮发电机作功发电，而后水轮发电机的出水进入回水池，再经回水泵送回底水池，随即又被升降水机构蓄能转用于发电，如此实现一定量的水在装置中不断的封闭循环流动而将大气压力的潜能转换成电能，对外发出净电功率；大气压力发电装置采用注满水、或食盐水、或水银，由自动控制系统先启动为溢流循环再转为发电循环的投产方法，以及投产后溢流循环与发电循环之间自由切换的运行方法。

 大气压力发电装置≥1万千瓦的大中型机组的总体是一高层建筑结构，主跨设有n =1~15层平台，设置底水池和真空管，真空管是双株并立型或单株倍容型的，一层平台装的是底水池，从底水池中开始，用梁柱结构架空支撑，依次穿插垂直向上安装有n =1~15层双株并立型的真空管，各层中相邻的二根双株并立型的真空管通过阀门开闭自动控制信号的约定而结成一组交替吸水和放水的双株并立型的真空管组，单株倍容型的真空管不结合成组而各自独立工作，另在第n层双株并立型的真空管组的旁侧装有顶水池，第n层双株并立真空管通过水平安装的放水阀使放出的水流入顶水池，顶水池中垂直向上安装有升水管，其高度从顶水池水面算起等于大气压真空管水柱的高度，升水管在顶端和降水管相连组成虹吸管，抽引顶水池中的水升高10.333米后，通过降水管和稳压管向下流放进入水轮发电机进行发电。 

 双株并立型或单株倍容型的真空管，是一横断面为矩形或圆形，二端封闭的腔体，上层的双株并立型的真空管插装进入下层双株并立型的真空管内，上层双株并立型真空管吸水段插入到下层双株并立型的真空管吸放水段，在其内有2.0米高度的净空，用于安装吸水阀，双株并立型的真空管上端面设有插装孔装有短管、通气阀和抽气阀，下端面装有吸水阀，而作为第n层的双株并立型的真空管，在双株并立型的真空管的吸放水段起点处设有放水阀，双株并立型的真空管整体采用不锈钢或普通钢板制成，或用钢筋混凝土预制。 

 大气压力发电装置＜1万千瓦的小型机组的总体是一高层建筑结构，主跨设有n = 2~15层支持平台，放置2~15层水池，底层放置底水池，顶层放置顶水池，中间则是垂直向上等高差放置的n－2层升水池，底水池、顶水池和升水池都采用数量相同独立的而沿长度方向接续摆放的矩形槽体组成，各层槽体的外侧，从底水池开始，依次垂直向上装有n级双株并立型的真空管，奇数级的设置在左或右侧，偶数级的设置在右或左侧，如此交替的向上安装，各级中相邻的二根双株并立型的真空管通过阀门开闭自动控制信号的约定而组成为一组交替吸水和放水的双株并立型的真空管组，各双株并立型真空管组的下端通过水平放置的吸水阀与下层水池槽体连通，上端通过水平放置的放水阀与上层水池槽体连通，构成提升水头的升水机构，通过吸水阀与顶水池连通的双株并立型的真空管是最末级真空管，该组的二根双株并立型的真空管合并成一根管，下端封闭保留吸水阀，独自竖立，从顶水池水面算起向上全高为大气压的真空管水柱高度，顶端封闭和装有与注水系统管路相连接的短管，在顶端处通过弯管与降水管相连构成虹吸管结构，从高水位的顶水池中连续抽水向下流放进入稳压管，再通过出水装置流入水轮发电机进行发电。 

 大气压力发电装置＜1万千瓦的小型机组用的双株并立型的真空管，主件是一不锈钢管或普通钢管，二端封闭，靠近下端处与主管中心线相垂直方向用短管连接有吸水阀，从吸水阀中心线起上部与主管中心线相垂直方向用短管连接放水阀，吸水阀与放水阀配置在同一平面内，双株并立型的真空管吸水口深入水中的深度为1.0米，吸水阀与放水阀之间的距离等于1.0米 + 双株并立型的真空管吸水段的高度，放水阀中心线之上是双株并立型的真空管的吸放水段，在双株并立型的真空管吸放水段的上端口堵头上焊有短管，设有通气阀和抽气阀，主管下端口上装有排污阀。 

 本发明大气压力发电的方法及发电装置，组建的压电站规模可以灵活选定，单元机组主体结构简单，发电过程有极强的自平衡性，提供了用之不尽的极低价电能，不消耗能源性资源，零排碳、零污染，永恒供电。 

附图说明

图1  大气压力发电大、中型机组结构示意图； 

图2  大气压力发电小型机组结构示意图；

图3  大气压力发电大、中型机组的双株并立型真空管3结构示意图；

图4  大气压力发电小型机组的双株并立型真空管3结构示意图；

图5  大气压力发电大中型机组用的底水池1和顶水池2结构示意图；

图6  大气压力发电小型机组用的底水池1、顶水池2和升水池10结构示意图。

具体实施方式

本发明大气压力发电的方法及发电装置，它是一种利用大气压力真空管水柱效应和虹吸管原理使水循环流动作功而发出电力的发电装置，由底水池1、多层双株并立型或单株倍容型的真空管3、顶水池2、升水管10、降水管11、稳压管12及出水装置14构成升降水机构，在其中以大气压力作功为主抽真空作用为辅，使一定量的水逐层提升位能后再向下流动进入水轮发电机15作功发电，而后水轮发电机15的出水进入回水池16，再经回水泵17送回底水池1，随即又被升降水机构蓄能转用于发电，如此实现一定量的水在装置中不断的封闭循环流动而将大气压力的潜能转换成电能，对外发出净电功率；大气压力发电装置采用注满水或替换用液体后，由自动控制系统先启动溢流循环再转为发电循环的投产方法，以及投产后溢流循环与发电循环之间自由切换的运行方法。 

下面结合附图做具体说明，关于大气压力发电装置的结构，按发电功率大小不同，设计了二种实施方式，分述如下。 

见图1、图3、图5，是本发明实现大气压力发电的大、中型机组，为≥1万kW的结构示意图。发电装置是由：底水池1、顶水池2、真空管3、溢流管4、吸水阀5、短管6、通气阀7、抽气阀8、放水阀9、升水管10、降水管11、稳压管12、截水阀13、出水装置14、水轮发电机15、回水池16、回水泵17、真空总管18和排污阀19构成大气压力发电机组，大气压力发电装置≥1万千瓦的大中型机组的总体是一高层建筑结构，主跨设有n =1~15层平台，设置底水池1和真空管3，真空管3是双株并立型或单株倍容型的，一层平台装的是底水池1，从底水池1中开始，用梁柱结构架空支撑，依次穿插垂直向上安装有n =1~15层双株并立型的真空管3，各层中相邻的二根双株并立型的真空管3通过阀门开闭自动控制信号的约定而结成一组交替吸水和放水的双株并立型的真空管组，单株倍容型真空管3不结合成组而各自独立工作，另在第n层双株并立真空管组的旁侧装有顶水池2，第n层双株并立型的真空管组通过水平安装的放水阀9使放出的水流入顶水池2，顶水池2中垂直向上安装有升水管10，其高度从顶水池2水面算起约等于大气压真空管水柱的高度，升水管10在顶端和降水管11相连组成虹吸管，抽引顶水池2中的水升高10.333米后，通过降水管11和稳压管12向下流放进入水轮发电机15进行发电。 

双株并立型或单株倍容型的真空管3，是一横断面为矩形或圆形，二端封闭的腔体，上层的双株并立型真空管3插装进入下层双株并立型真空管3内，上层双株并立型真空管3吸水段插入到下层双株并立型真空管3吸放水段，在其内有2.0米高度的净空，用于安装吸水阀5，双株并立型真空管3上端面设有插装孔装有短管6、通气阀7和抽气阀8，下端面装有吸水阀5，而作为第n层的双株并立型真空管3，在吸放水段起点处设有放水阀9 ，双株并立型真空管3整体采用不锈钢或普通钢板制成，或用钢筋混凝土预制，安装后密封性能至少要能承受3个大气压的压差作用。 

大气压力发电装置的主体是一高层结构并有多层平台，内设多层水池，在一层平台内设有底水池1，在底水池1设置的真空管3是双株并立型真空管，为n层，n = 1～15；从底水池1中开始采用梁柱结构架空支撑，依次穿插垂直向上设置，双株并立型的真空管3其横断面为矩形或园形结构，上、下端封闭； 

双株并立型的真空管3从上端开始向下分为：吸放水段和吸水段两个工作段，内腔全高等于：吸水段的高度 +吸放水段的高度+吸水段向下延伸多插入真空管吸放水段水中的深度；

大气压的真空水柱高度 = 真空管3中吸水段的高度+ 真空管3中吸放水段的高度，在标准大气压下为10.333米；

真空管3中吸水段向下延伸插入真空管3中吸放水段水中的深度，定为1米；

真空管3中内腔全高减去吸放水段的高度再减去1.0米，是双株并立型的真空管3的吸水段；

真空管3中吸放水段及向下加长的3米高度内，横断面尺寸由真空管3中吸放水段的放水时间和流量来确定，例如放水时间为60S，真空管中吸放水段的高度=2m ，单位流量为2m³/S或 5m³/S ，则真空管中吸放水段的断面= 60m² 或150m² 。

在真空管3中吸放水段的高度向下加长3米后缩小横断面尺寸(对水柱重心高度的影响可予忽略)，便于建筑上的安装和支撑。二株结构相同的双株并立型真空管3结合为一组双株并立型真空管3组，交替的执行真空管中吸放水段高度柱段内的吸放水动作，保证系统中的水能够稳定流动。各层双株并立型的真空管3组的数量按机组的总水流量和单只双株并立型的真空管3的水流量计算确定。各层双株并立型的真空管3底端都通过短管装有埋于水中的吸水阀5，而在顶部端盖上开孔通过短管装有通气阀7和抽气阀8，抽气阀8外接真空总管18，端盖上还有让上层双株并立型的真空管3吸水段插入安装的插入安装孔。 

顶层的双株并立型真空管3的插入安装孔需加盖封闭，而在吸放水段高度的起点处开孔用短管连接装有放水阀9，并使其通过水平短管与顶水池2连通。 

吸水阀5、通气阀7、抽气阀8和放水阀9，在这里即代表一个阀，也代表可以同步动作的数个小阀门组成的一个阀门组，当水流量大时采用阀门组，其中各小阀门惯性小，控制动作快。各层双株并立型真空管3顶部端盖上设有短管6，用可控阀门使其与机组启动注水管路系统相接。 

双株并立型的真空管3设有通气阀7，打开通气阀7，其吸放水段的放水是在真空泵抽引作用下，直接经吸水阀5进入上一层双株并立型真空管3，而最顶层真空管3的放水则经放水阀9流入旁侧置放的顶水池2内，由于放水阀9保持水平安装，顶水池2中的水面便与顶层双株并立型的真空管3中吸水段的高度相同，而水的深度定为3~5米，顶水池2顶部盖有活动盖板与大气相通，在顶水池2中架空支撑垂直向上安装升水管10，是构成虹吸管的短管侧，从顶水池2水面上伸的最大高度为10.333米，为保证虹吸管中的水能够安全的连续流动，实际上应取其高度为8~9米，插入水中的深度可为1~2米。 

升水管10下端封闭并保留吸水阀5，顶端也封闭并装有与注水系统管路相连接的短管6，在高8米处通过弯管与虹吸管的长管侧相连，虹吸管的长管侧是一垂直向下的降水管11，升水管10与降水管11构成从高水位的顶水池2中连续抽水向下流放的虹吸管，其断面为矩形或园形，大小按水流量及所选用的流速来确定，水流量可与一个或多个双株并立型真空管3组的水流量相同，由此定出虹吸管的数量和顶水池2的长宽尺寸。顶水池2沿长度方向的一侧，也可以是在一个或二个端侧，布置安装升水管10和降水管11构成的虹吸管，根据电站的总体布置选定。 

虹吸管采用不锈钢或普通钢板材或管材制造，独立就位安装。降水管11距上端面2 m处装有与压力表相联接的测压管，用于在线测试水柱压力的变化。 

各支虹吸管的降水管11在下端与横置的稳压管12相接，使水汇合后经出水装置14流入水轮发电机15进行发电，出水装置14上装有截水阀13用于切断或调整水流量。水轮发电机15可以是一台或多台现时水电站用的大中型水轮发电机，出水装置14的数量与水轮发电机15的台数相同。 

顶水池2中装有一根或多根溢流管4，溢流管4是二端开口的直形不锈钢园管，上端口与放水阀9的中心线等高，以保持顶水池2有固定的水面高度。 

溢流管4的下端口止于底水池1的水面之上，保证顶水池2中多出的水迅速顺利的流入底水池1。水轮发电机15的出水流入回水池16。回水池16位于底水池1旁侧，是全发电机组公用的大水池，其水面高度比底水池1的池底低1.0米，保证底水池1的溢流水流入其中。在回水池16中装有回水泵17，用于向底水池1中回送与水轮发电机15出水流量相当的循环水，维持底水池1有固定的水面高度，其他潜水泵则用于向全机组补加供水、注入运行启动水和排出超量的水。回水池16容积的大小，应保证盛水量足能满足全机组正常运行需要。底水池1中装有一根或多根溢流管4，溢流管4上端口与底水池1中所确定的水面高度等高，下端口止于回水池16的水面之上，保证底水池1中多出的水迅速顺利的流入回水池16。 

真空总管18是一段或分成几段较粗的真空管道，用一台或几台大的真空泵抽成真空，对与其相接的双株并立型真空管3的真空管中吸放水段具有集中抽真空作用。这样即能减少真空泵台数，又能使真空泵总是处于连续抽气状态，工作安全高效，而对双株并立型真空管3的抽真空过程只用抽气阀8的开闭来控制。底水池1和顶水池2的池底上装有排污阀19。 

在图1中，底水池1中的水面是一层双株并立型真空管3 吸水段高度的起点，绝对标高由总体设计确定，二层双株并立型真空管3中吸放水段的起点与一层真空管3的吸水段终点等高，三层真空管3中吸放水段的起点与二层真空管3的吸水段终点等高，顶水池2中的水面与三层真空管3的吸水段终点等高，以此类推可知，顶水池2中的水面与底水池1中水面之间的距离，在各层双株并立型真空管3的升高作用下为n倍真空管3中吸水段的高度，从而使水头提升n倍真空管中吸水段高度，机组对外净发电功率也由此得到相应的增加。降水管11中水头总高度约为8+n倍真空管3中吸水段高度，按图1，真空管n=3，真空管中吸水段高度=8米，升水管10高度取为8米，升水总高度则为32米，其总建筑高度不大于35米。 此时机组自动控制系统对各层双株并立型的真空管3上的阀门进行顺序控制，很容易作到保证一层双株并立型的真空管3的放水量与二层真空管3的吸水量相等，二层双株并立型的真空管3的放水量与三层双株并立型真空管3的吸水量相等，三层双株并立型真空管3的放水量与虹吸管的吸出水量相等，实现整个机组连续稳定运行。当为n层双株并立型真空管3发电机组时，对外净发电功率提高的数量、机组的连续稳定运行及建筑总高度的变化，情况与此类同，以下主要以三层为准进行说明。 

    双株并立型真空管3用不锈钢结构或钢筋混凝土结构制作，前者有重量轻、拆装方便和维护简单等优点，双株并立型真空管3要有足够的承重能力和气密性。双株并立型真空管3的安装，要求牢固稳定、位置准确。 

水轮发电机15的设置与出水装置14相配合，具体方式和结构取决于所选用的水轮发电机15，水轮发电机15尾水管将出水排入回水池16，再用回水泵17送回底水池1，由此构成完整的水循环系统。这样，在整个发电机组中必然存在回水泵17的自耗电，回水泵17所作的功是使回水的水头从回水池16的水面升高到底水池1的水面。 

机组投入发电过程：当各项设备已处于可正常投用状态时，在有足够量水源的前提下，首先用外供电开动水泵从水源蓄水池中取水，向底水池1、各层双株并立型真空管3、顶水池2、虹吸管及回水池16中注水，此时所有的吸水阀5、抽气阀8和排污阀19，以及截水阀13都被关闭，而通气阀7则被打开，用于注水时排出空气。全系统注满水后，关闭全部通气阀7，然后启动已设定好的阀门开闭顺序控制程序，进行发电系统的启动。各层双株并立型真空管3依次穿插安装后，从上下看，每个双株并立型真空管3组都构成了两支并立的真空管3串，两支真空管3串要分时进行启动。先取任一个真空管3串开始启动，从上向下进行，打开其第n层双株并立型真空管3上的通气阀7和放水阀9，则双株并立型的真空管3吸放水段中的水经放水阀9流入顶水池2，水面降到其真空管中吸水段的高度时关闭通气阀7和放水阀9，随后立即打开抽气阀8和吸水阀5，对本层的真空管中吸放水柱段进行充水，在打开吸水阀5时，要同时打开下一层真空管3上的阀门通气阀7，使其真空管中吸放水柱段中的水进入到上一层双株并立型真空管3。如此交替的向下进行，直到第1层真空管3也经过了第一次放水，即完成了启动过程，之后各层真空管3转入交替吸放水的连续运行。在启动期间，进入顶水池2中的水经溢流管4流回底水池1。一支双株并立型真空管3串启动完或在启动中间，可开始另一支真空管3串的启动，启动过程完全相同，但是必须保证二支真空管串的各层双株并立型真空管3的充放水开始时间，要有半个吸放水周期的时间差，实现二支双株并立型真空管3串交替的向顶水池2中注水，从而保证有连续的水流量通过水轮发电机15。都完成了启动过程，打开出水装置14上的截水阀13，机组便立即转入发电运行，此时通过截水阀13调控出水量使水轮发电机15达到所要求的发电功率。在正常发电过程中，各层双株并立型真空管3组的二个真空管都是相差半个吸放水周期进行着放水和吸水，保证每个周期都有稳定的水流量，一层双株并立型真空管3的放水量边放边成为二层双株并立型真空管3的吸水量，二层双株并立型真空管3的放水量也边放边成为三层双株并立型真空管3的吸水量，而三层双株并立型真空管3的放水量则流入顶水池2，而后被虹吸管连续吸出送入稳压管12，经出水装置14重新调整水流量后送入水轮发电机15进行发电，水轮发电机15的出水直接进入回水池16，再经回水泵17将相同流量的水回送到底水池1，构成了机组中水流量的连续循环流动，从而实现了连续不止的正常发电过程。关闭截水阀13，水流量全部通过溢流管4进行连续循环流动，发电循环转为溢流循环而停止发电，此时可进行检修或更换出水装置14或水轮发电机15，而后再予打开截水阀13，便会随即恢复发电循环。 

由于大气压力的永恒存在，大气压力作用下的发电循环一经开始便会以自发电取替外供电，吸放水循环发电过程自然永不停歇，源源不断的对外输出恒定的供电量，实际上，除了设备检修维护必须停止发电外，只要及时由水源蓄水池向回水池16中补加因蒸发和飞溅而损失的部分水量，吸放水循环发电真的是永远不会停止，这是由地心引力作用于大气层的自然规律所决定的。在吸放水循环发电过程中，还有一个恒定不变，那就是忽略蒸发和飞溅损失后，用于移送能量的循环水数量很小而且衡定不变，大江小河上的水电站绝对无法相比。为了与水电站相区别，这里本发明人将由本项发明单元机组构成的总体发电装置，简称为“压电站”。 

对应水轮发电机15单位流量2m³/S或 5m³/S ，三层发电机组系统的注水量约为2900m³或6800m³。该机组的外供发电功率为404kw 或1010kw ，用3个或2个这样的单元机组构成压电站，其外供发电功率为1212kw 或2020kw ，与1MW 或2MW的风力发电机相当。如果采用六层双株并立型真空管3组的单元发电机组，外供发电功率为W_jf=371.93 Q  Kw ，取其中Q=30m³/s ，则W_jf=371.93 ×30=11158  kw ，可做为是与1万千瓦火电机组相当的标准模式，是本发明力推的主要模式。当Q=30m³/s时，取降水管11中水下降流速为5m/s，降水管11的通水横断面积只有6m² ，可设计成1m×6m ；真空管中吸放水柱段充放水时间各为60s ，真空管中吸放水柱段的容积即为60s×30m³/s＝1800m³ ，真空管中吸放水柱段的横断面积则为900m² ，据此可设计成长×宽=45m×20m ，取二支这样的真空管3横向并立构成一个双株并立型真空管3组，每株真空管3占用的建筑宽度扩大到25m，一个双株并立型真空管3组的建筑宽度即为25m×2=50m，而多个双株并立真空管3组则设计成沿长度方向排放。一个双株并立型真空管3组的建筑长度扩大到60m，6层双株并立型真空管3时机组建筑物最大高度约为65m，这样，一个1万千瓦单元机组建筑物最大尺寸约为长×宽×高=60m×50m×65m 。以此1万千瓦型压电站为单元，可以构建5万千瓦 ~ 100万千瓦级的压电厂，对等替换同级火电厂。比较给出的数字看出，图1所示大气压发电机组的发电能力界于风力发电和火力发电之间，完全可以在规模上取代这两种发电方式。从这里还可以知道，按1万千瓦单元机组建筑物占用的土地面积扩算，10亿千瓦装机容量机组建筑物占用的土地面积为300平方公里，以其二倍为压电站总的占用面积，则土地的需用量对中国来说，仅是国土面积960万平方公里的1／16000，远小于目前各种电厂和电场耗用土地面积的总和，若建成小康社会装机容量达到30亿千瓦，占用的土地也只不过是国土面积的1／5000。 

  

见图2、图4、图6，是本发明实现大气压力发电装置＜1万kW的小型机组结构示意图。在图2中，1是底水池，2是顶水池，3是双株并立型真空管，4是溢流管，5是吸水阀，6是短管，7是通气阀，8是抽气阀，9是放水阀，10是升水池，11是降水管，12是稳压管，13是截水阀，14是出水装置，15是水轮发电机，16是回水池，17是回水泵，18是真空总管，19是排污阀。

大气压力发电装置＜1万千瓦的小型机组的总体是一高层建筑结构，主跨设有n = 2~15层支持平台，放置2~15层水池，底层放置底水池1，顶层放置顶水池2，中间则是垂直向上等高差放置的（n－2）层升水池10 ，底水池1、顶水池2和升水池10都是用数量相同独立的而沿长度方向接续摆放的矩形槽体组成，各层槽体的外侧，从底水池1开始，依次垂直向上装有n级双株并立型的真空管3，奇数级的设置在左或右侧，偶数级的设置在右或左侧，如此交替的向上安装，各级中相邻的二根双株并立型真空管3通过阀门开闭自动控制信号的约定而组成为一组交替吸水和放水的双株并立型真空管3组，各双株并立型真空管3的下端通过水平放置的吸水阀5与下层水池槽体连通，上端通过水平放置的放水阀9与上层水池槽体连通，构成提升水头的升水机构，通过吸水阀5与顶水池2连通的双株并立型的真空管3是最末级真空管，该组的二根双株并立型的真空管3合并成一根管，下端封闭保留吸水阀5，独自竖立，从顶水池2水面算起向上全高为大气压的真空管水柱高度，顶端封闭和装有与注水系统管路相连接的短管6，在顶端处通过弯管与降水管11相连构成虹吸管结构，从高水位的顶水池2中连续抽水向下流放进入稳压管12，再通过出水装置14流入水轮发电机15进行发电。 

大气压力发电装置＜1万千瓦的小型机组用的双株并立型的真空管3，主件是一不锈钢管或普通钢管，二端封闭，靠近下端处与主管中心线相垂直方向用短管连接有吸水阀5，从吸水阀5中心线起上部与主管中心线相垂直方向用短管连接有放水阀9，吸水阀5与放水阀9配置在同一平面内，双株并立型的真空管3吸水口深入水中的深度为1.0米，吸水阀5与放水阀9之间的距离等于1.0米+双株并立型的真空管3吸水段的高度，放水阀9中心线之上是双株并立型的真空管3的吸放水段，在双株并立型的真空管3吸放水段的上端口堵头上焊有短管6，设有通气阀7和抽气阀8，主管下端口上装有排污用的排污阀19。 

图2表示机组的主体仍是一高层建筑物，主跨结构按设计要求设有n＝1~15层支持平台，放置n层水池，最底层放置底水池1，顶层放置顶水池2，中间则是垂直向上等高差放置的n－2层升水池10。底水池1、顶水池2和升水池10都是用同数个独立而沿长度方向接续摆放的矩形体槽组成，各矩形体槽顶面敞开，体积相等，同是深度为1.5~2.0米，宽度为1~2米，长度根据单个槽体应担负的水流量大小而选定，全用钢板或不锈钢板焊接制做，槽体中间沿长方向垂直插装一多孔隔板，将槽体分成左右相通的二部分，相互间起到稳水作用。每层水池矩形体槽的数量依据发电总功率或所需要的总水流量来确定。各层槽体的外侧，从底水池1开始，依次垂直向上装有n－1级双株并立型真空管3，图中取n=4，奇数级的如装在左或右侧，偶数级的则装在右或左侧，如此交替的向上安装。各级双株并立型真空管3的上下端分别通过水平放置的吸水阀5和放水阀9与相应的水池槽体相连通，构成可提升水头的吸放水系统。各层水池都装有溢流管4，用于自动保持池中水面位置固定不变，溢流管4是二端开口的直形园钢管，上端开口处比所在水池槽体的上沿低0.20米，规定了水面的确定位置，水面高出时多余的水经溢流管4自动向下流出，水面较低时由给水系统自动向池内补充加水，也可以连续小流量的向池内补加水，使溢流管4始终有过量水溢出，保持水面位置稳定不变，水面的控制简单而又可靠。溢流管4都穿过所在水池的池底，而使下端口止于下层水池的水面之上，保证上层水池的溢流水快速流入下层水池，底水池1的溢流水则流入回水池16。上下相邻二层水池水面间的距离按发电功率要求可在7~8.5米之间选定，这里建议固定选为8米。双株并立型真空管3的吸水阀5 ，在其所连接的水池中的安装深度全部定为与水池水面相距1.0米，而放水阀9的中心线则定为与溢流管4的开口处等高。双株并立型真空管3从放水阀9中心线算起上部的双株并立型真空管3的吸放水段高度，在标准大气压下定为2米，保持双株并立型真空管3的吸水段与双株并立型真空管3的吸放水段高度之和= 10米的恒定关系。吸水阀5和放水阀9都是常闭式电磁阀，用PLC发出控制信号，自动实现交替吸水和放水的升水过程。双株并立型真空管3用钢管或不锈钢管制做，管径根据单个槽体所担负水流量的大小和双株并立真空管3的数量而定。双株并立型真空管3在吸水阀5下部的底端严密封闭，在双株并立型真空管3的吸放水段高度以上加长0.15米后也严密封闭，而堵头上焊有与注水系统管路相连接的短管6，在所加长的0.15米管段内装有通气阀7和抽气阀8，通气阀7和抽气阀8也都是常闭式电磁阀，通气阀7直通大气，与放水阀9同步开闭，抽气阀8与真空总管18相接，也与放水阀9同步而动，但开闭方向相反。这样，当打开放水阀9放出双株并立型的真空管3的吸放水段高度段内的存水时，同时关闭抽气阀8而打开通气阀7。双株并立型的真空管3的吸放水段高度段内的存水放出后，立即关闭放水阀9和通气阀7，并打开吸水阀5和抽气阀8，开始吸水过程，提升下层槽体中的水进入到双株并立型的真空管3的吸放水段高度段内。用二根如此相同结构和工作的双株并立型的真空管3构成一个双株并立型的真空管组，控制双株并立型的真空管组二根真空管上的放水阀9及其他阀体同时交替的开闭，便能周期交替的进行吸水和放水，保证各槽体中的水连续而又等量的流出和流入，实现了一定量的水主要在大气压作用下的连续提升流动，从而完成压力能向水头再到电能的转换。每个矩形体槽上双株并立型的真空管组的数量，主要按该矩形体槽分担的提升水流量而定。顶水池2的双株并立型的真空管3是最末级真空管，结构有很大变化，先是一个组的二根双株并型立型的真空管3合并成一根管，然后不再装有放水阀9、通气阀7和抽气阀8，下端封闭保留吸水阀5，从顶水池2水面算起以上全高最大值为10.333米，实际上为保证水流连续流动而定为8米，顶端仍封闭和装有与注水系统管路相连接的短管6，在高约8米处通过弯管与虹吸管的长管侧相连，虹吸管的长管侧是一垂直向下的长管，即降水管11。顶水池2的双株并立型的真空管组改变结构后与降水管11相连，构成了从高水位的顶水池2中连续抽水向下流放的虹吸管。顶水池2每个矩形体槽上虹吸管的数量与原来双株并立型的真空管组的数量相同，而管径大小由水流量及所选用的流速来确定，各降水管11在下端与横置的稳压管12相接，使水汇合后经同一出水装置14流入同一台水轮发电机15内进行发电，出水装置14上装有截水阀13用于切断或调整水流量。每个矩形体槽的水流量对应一台水轮发电机15，也可以是多个矩形体槽的水流量合用一台功率较大的水轮发电机15，水轮发电机15可选用各种中小型水轮发电机。水轮发电机15的出水流入回水池16，回水池16是全发电机组公用的大水池，其水面高度比底水池1的池底低约1.0米，保证底水池1的溢流水顺利流入其中。在回水池16中装有几台潜水泵，其中一台是回水泵17，用于向底水池1中回送循环水，保证底水池1有固定的水面高度，其他潜水泵则用于向全机组补加供水、运行注水和排出超量的水。回水池16容积大小，应保证盛装的水量足能满足全机组正常运行需要。 

真空总管18是一段或分成几段的较粗管道，用一台或几台大的真空泵抽成真空，对与其相接的双株并立型的真空管3吸放水段高度段起到集中抽真空作用。这样可以减少真空泵台数，同时真空泵总是处于连续抽气状态，工作安全高效，而对双株并立型的真空管组的吸放水段高度段的抽真空只用抽气阀9的开闭来控制。 

底水池1、顶水池2、双株并立型真空管3和升水池10的底端都装有排污阀19 。 

    按大气压力发电小型机组的上述结构方式可知，它可以利用微型插接件组成临时性的微小单元机组，用水量极少，外供发电功率可选为小于100kw ，供野外工作或军事上临时在地下采用。 

大气压力发电小型机组的启动、运行和自动控制过程，与大中型机组完全相同。 

以上关于大气压力发电的原理和装置的结构及运行，是按标准大气压叙述的，不难看出，以实际大气压代换标准大气压，其发电原理和各项数量关系依然存在，故本发明压电站可以在不同地理位置和不同气候条件下建造使用。对于已建成的压电站，季节及昼夜间气温的变化会使大气压产生波动，从而使吸放水段的吸放水量随之改变，直接影响到机组的循环水流量和发电量，但是这种波动数量很微小，完全在水轮发电机正常工作范围之内，而且还可以采取自动调节办法加以克服。地势较高时，实际大气压下的真空水柱高度有较大降低，但是其程度一般只会减小吸放水段的水柱高度，而涉及不到吸水段，这时要根据吸放水段的实际吸放水能力设计压电站的发电功率和总体结构。吸放水段内抽真空时的真空度，对吸放水段水柱高度有着与实际大气压相同的影响，设计时要考虑这一情况并尽量选用真空度高的真空泵。 

压电站发电过程的自动控制与水电站类似，主要是开关量的顺序控制，简单易行，可采用PCC（可编程计算机控制器）进行控制，PCC除具有PLC的传统功能外，还具有强大的运算能力、网络通信能力、抗干扰能力和控制能力，可靠性极高，最适合与智能电网联网进行调控。 

本发明大气压力发电的方法及发电装置的特点和意义： 

1、大气层永恒存在，大气压虽然随高度而变化，但是在大气压力发电机组所在位置上却是定值，因而大气压力发电是一种万古常青的发电方法，发电功率一经确定始终不变，即不受自然条件变化影响，也不存在能源物质是否枯竭或是否安全的威胁。大气压力发电功率无限，压电站随处可建，除供电外无任何排放物，无附加的运输和环境治理等费用，生产成本极低，甚至可做到免费消耗，促使社会发展进入到充分用电时代，从低碳经济转成零碳经济，使万物生灵都过上永不再有大气污染和气候超限变暖的绿色生活，是彻底解决了人类生存发展必须长期依赖的能源问题，使人类有了能够长期和平幸福生活的坚实基础。

2、大气压力发电不消耗任何资源，没有对能源物质的勘查、开采、加工和输送等过程，对地球无任何破坏，唯一的外部条件是机组必须注满没有掺杂物而能安全循环流动的水，注水量多少随压电站规模大小而定，总体来看单位装机功率的用水量很小，而且是一次注满长期使用，仅对蒸发和飞溅损失作微量补充，水源可取自江河、大海、水库或地下水，极度缺水地方甚至车运也能满足要求。所以，从大气压力和水源来看，压电站绝无限制，只要需要，即可就地建造。 

3、压电站规模可以灵活选定，不像火电厂那样受发电效率限制必须建造大型的，而以十万千瓦级以下的小型发电站为佳，不仅发电效率不低，且运行管理方便。到处都有小型压电站，就可以免除大电网的建设、管理、维护和输电损失，以及供电质量对远程用户的影响，不会因为天灾人祸而大面积停电，还可以免受大的战争威胁。更不必花巨资建设高水平的智能电网。压电站非常适合大面积发展分布式电源，使广大区域得到最优化供电用电。 

4、压电站各单元机组使用的机械设备规格完全相同而且品种少，只使用真空泵、水泵、阀门和水轮发电机，都是造价低和容易维护的常规机械，极易实现自动化操作。另外便是用量很少并能满足长期使用要求而制做的管路等金属铆焊件。 

5、单元机组主体结构十分简单，主要由钢筋混凝土框架和构件构成，含有多个单元机组的压电站主体，比高层居民楼还容易建造，建筑成本非常低。整个建筑物还很容易实现全封闭，而后用一部分自发电采暖，使系统中的水不结冰。另外，也可以采取对水加入防冻液防止结冰。这样，就做到了在地球任何地方都可以建造使用压电站，一年四季都能正常运行。由于结构简单、建造速度快、建造成本低，以及仅用几项一般技术集成而发电，压电站必将快步的在世界各地普及采用，从而能在短期内完成联合国关于制止气候变暖和保护生态环境的紧迫要求。 

6、发电过程有极强的自平衡性，当大气压随海拔高度和天气温度而变化时，只需简单的自动微调截水阀13的开度，循环水流量随之改变，而后通过溢水管4和补水泵自动调整总水量，即可保证系统稳定运行。 

7、依据大气压力发电原理，可以用高重度溶液或液体代替水进行发电，例如使用25%浓度的氯化钠水溶液，其重度为9.81×1350N/m³，建筑物高度随即因此而减低35%；再如使用水银，机组高度可缩小13.6倍，而发电功率不变，对应此项特点，水轮发电机15要作相应的修改。 

8、大气压力发电提供了用之不尽的极低价电能，因而可以毫无顾忌的用于海水净化和净化水的远程输送，会在很大程度上解决人类生活水资源匮乏和分布不均问题。 

9、大气压力发电与现有发电方法的关键性比较： 

   ①风电场，有风有电，无风无电，发电功率极不稳定，并网困难；压电站，循环水不停，发电不断，功率稳定，电品质好，极易并网。

   ②水电站，修坝截流成库，破坏生态，要求移民，影响航运，发电量随降雨量多少而有很大变化；压电站，站内循环水发电，用水量少而有限，不占江河，不争水源，极少受气象变化影响，发电工况和功率恒定不变，安民济贫。 

   ③火电厂，高排碳、高污染，三百年后化石能源采绝用尽，无电可发，而今时燃烧化石能源是产生PM2.5的主要根源；压电站，不消耗能源性资源，零排碳、零污染，发电无休止，永恒供电。 

    ④核电站，核原料稀少，容易核扩散，核废料地下存万年还有污染，遗祸后代，所谓的核四代并非能从根本上全面消除核电缺点，而且技术复杂昂贵；压电站，技术极简单，不排放任何废弃物，长期安全运行发电，造福子孙万代。 

    ⑤太阳能光伏电站，单位面积发电量小，用地面积大，多晶硅片或非晶硅薄膜都是价格高用量大，生产过程有污染，电量日发夜停，日照面要维持清洁，发供电成本高，必须依靠政府补贴；压电站用地面积小，建设和运行费用低，发电量大，日夜稳定供电，发供电成本极低，无需政府补贴。 

⑥生物质能源，与人争粮，与粮争地，旱涝不保收，发电成本高，必须有政府的高额补贴。压电站，不争粮草，不争地域，旱涝季节正常供电，无需任何补贴。 

    ⑦可燃冰或页岩气(油)发电，可燃冰和页岩气(油)所谓的革命性矿物质接替能源，难采难存，造成地球千疮百孔、岩层碎裂，易引发地难，甲烷和水蒸汽会成为第二种温室气体而继续祸害人间，水压用水会引发水安全问题；压电站，全无此类缺点。 

10、压电站必然取代火电厂和核电站，快速遍布全球，成为世界上的主流发电方法，不仅能作到近期内停止气候继续变暖和大气污染，而且也将使许多国家会由于化石能源不再有重大战略价值而修改长期战略利益。所以，大气压力发电技术的产生，会在很大程度上起到消除世界战争的作用，促进世界永久和平。 

Claims (5)

1.一种大气压力发电方法，其特征在于：它是一种利用大气压力真空管水柱效应和虹吸管原理使水循环流动作功而发出电力的发电装置，由底水池（1）、多层双株并立型或单株倍容型的真空管（3）、顶水池（2）、升水管（10）、降水管（11）、稳压管（12）及出水装置（14）构成升降水机构，在其中以大气压力作功为主抽真空作用为辅，使一定量的水逐层提升位能后再向下流动进入水轮发电机（15）作功发电，而后水轮发电机（15）的出水进入回水池（16），再经回水泵（17）送回底水池（1），随即又被升降水机构蓄能转用于发电，如此实现一定量的水在装置中不断的封闭循环流动而将大气压力的潜能转换成电能，对外发出净电功率；大气压力发电装置采用注满水、或食盐水、或水银，由自动控制系统先启动为溢流循环再转为发电循环的投产方法，以及投产后溢流循环与发电循环之间自由切换的运行方法。

2.一种大气压力发电装置，其特征在于：大气压力发电装置≥1万千瓦的大中型机组的总体是一高层建筑结构，主跨设有n =1~15层平台，设置底水池（1）和真空管（3），真空管（3）是双株并立型或单株倍容型的，一层平台装的是底水池（1），从底水池（1）中开始，用梁柱结构架空支撑，依次穿插垂直向上安装有n =1~15层双株并立型的真空管（3），各层中相邻的二根双株并立型的真空管（3）通过阀门开闭自动控制信号的约定而结成一组交替吸水和放水的双株并立型的真空管组，单株倍容型的真空管（3）不结合成组而各自独立工作，另在第n层双株并立型的真空管组的旁侧装有顶水池（2），第n层双株并立真空管（3）通过水平安装的放水阀（9）使放出的水流入顶水池（2），顶水池（2）中垂直向上安装有升水管（10），其高度从顶水池（2）水面算起等于大气压真空管水柱的高度，升水管（10）在顶端和降水管（11）相连组成虹吸管，抽引顶水池（2）中的水升高10.333米后，通过降水管（11）和稳压管（12）向下流放进入水轮发电机（15）进行发电。

3.根据权利要求2所述的大气压力发电装置，其特征在于：双株并立型或单株倍容型的真空管（3），是一横断面为矩形或圆形，二端封闭的腔体，上层的双株并立型的真空管（3）插装进入下层双株并立型的真空管（3）内，上层双株并立型真空管（3）吸水段插入到下层双株并立型的真空管（3）吸放水段，在其内有2.0米高度的净空，用于安装吸水阀（5），双株并立型的真空管（3）上端面设有插装孔装有短管（6）、通气阀（7）和抽气阀（8），下端面装有吸水阀（5），而作为第n层的双株并立型的真空管（3），在双株并立型的真空管（3）的吸放水段起点处设有放水阀（9），双株并立型的真空管（3）整体采用不锈钢或普通钢板制成，或用钢筋混凝土预制。

4.一种大气压力发电装置，其特征在于：大气压力发电装置＜1万千瓦的小型机组的总体是一高层建筑结构，主跨设有n = 2~15层支持平台，放置2~15层水池，底层放置底水池（1），顶层放置顶水池（2），中间则是垂直向上等高差放置的n－2层升水池（10），底水池（1）、顶水池（2）和升水池（10）都采用数量相同独立的而沿长度方向接续摆放的矩形槽体组成，各层槽体的外侧，从底水池（1）开始，依次垂直向上装有n级双株并立型的真空管（3），奇数级的设置在左或右侧，偶数级的设置在右或左侧，如此交替的向上安装，各级中相邻的二根双株并立型的真空管（3）通过阀门开闭自动控制信号的约定而组成为一组交替吸水和放水的双株并立型的真空管组，各双株并立型真空管组的下端通过水平放置的吸水阀（5）与下层水池槽体连通，上端通过水平放置的放水阀（9）与上层水池槽体连通，构成提升水头的升水机构，通过吸水阀（5）与顶水池（2）连通的双株并立型的真空管（3）是最末级真空管，该组的二根双株并立型的真空管（3）合并成一根管，下端封闭保留吸水阀（5），独自竖立，从顶水池（2）水面算起向上全高为大气压的真空管水柱高度，顶端封闭和装有与注水系统管路相连接的短管（6），在顶端处通过弯管与降水管（11）相连构成虹吸管结构，从高水位的顶水池（2）中连续抽水向下流放进入稳压管（12），再通过出水装置（14）流入水轮发电机（15）进行发电。

5.根据权利要求4所述大气压力发电装置，其特征在于：大气压力发电装置＜1万千瓦的小型机组用的双株并立型的真空管（3），主件是一不锈钢管或普通钢管，二端封闭，靠近下端处与主管中心线相垂直方向用短管连接有吸水阀（5），从吸水阀（5）中心线起上部与主管中心线相垂直方向用短管连接放水阀（9），吸水阀（5）与放水阀（9）配置在同一平面内，双株并立型的真空管（3）吸水口深入水中的深度为1.0米，吸水阀（5）与放水阀（9）之间的距离等于1.0米 + 双株并立型的真空管（3）吸水段的高度，放水阀（9）中心线之上是双株并立型的真空管（3）的吸放水段，在双株并立型的真空管（3）吸放水段的上端口堵头上焊有短管（6），设有通气阀（7）和抽气阀（8），主管下端口上装有排污阀（19）。

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