CN106593749A - 喷射式水内能发电机组及水内能发电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一类喷射式水內能发电机组及水內能发电站。本发明所说的喷射式水內能发电机组，是指一类以水内能为主要发电能量的新型水能发电机组，而所谓的水內能发电站则指一类装配有水内能发电机组的新型水能发电站。喷射式水內能发电机组及水內能发电站由于可以利用水内能发电，所从在相等的水量条件下，水能发电的发电量至少可以获得几倍的提高；而且，新建大型的水內能发电站并不要修建拦河坝。

Description

喷射式水内能发电机组及水内能发电站

技术领域

本发明涉及到一类喷射式水內能发电机组及水內能发电站。

本发明所说的喷射式水內能发电机组，是指一类以水内能为主要发电能量的新型水能发电机组，而所谓的水內能发电站则指一类装配有水内能发电机组的新型水能发电站。喷射式水內能发电机组及水內能发电站由于可以利用水内能发电，所从在相等的水量条件下，水能发电的发电量至少可以获得几倍的提高；而且，新建大型的水內能发电站并不要修建拦河坝，这使很多很多的大型水内能发电站可以在河流中下流地形平坦的地方进行修建；这为我们廉价地成倍成倍地提高水能发电量创造了有利的条件。

虽然水內能属于一种尚未开发的新能源，但它蕴藏在水体中，它仍然属于水能这个范畴；所以喷射式水內能发电机组及水內能发电站其技术领域当然地属于“水能发电”这个领域。

背景技术

一、展望现在的水能发电技术

简单摡括地说，我们现在水能发电的技术其理论基础是机械能守恒定律，所谓的水能发电，是指把水的势能转化为水的动能并最终转換为电能——水从高处跌落到低处，势能降低了；但水的动能则增加了——湍急的水流推动着水轮机旋转又把水动能转变为水轮机的机械能，水轮机转动又带动发电机转动而发电——水的势能经过几次转換变成了电能。水能发电的技术经过大约100年的发展，其发电效率已经很高，可以说现在已经达到了非常成熟的阶段甚至达到了炉火纯青的巅峰；在相同的水文条件下，想再通过水能发电技术的革新而大幅度地提高发电量已无可能——这意味着现在水能发电技术的发展潜力已经不大；要想在相等的水量条件下大幅度提高水能发电量；我们必须进行科学理论创新，用新的科学理论去研究和设计新型的水能发电站。

二、关于水内能

我们通常所说的“水能”，大家都知道它包含三种能量：除水势能和水动能外，还有一种“水能”叫“水內能”。“水內能”就是水中蕴藏的低温热能。水內能其数值是非常巨大的；据计算：水温每下降1℃，1kg水释放的“水内能”可达4186J。1kg水想通过“势能释放”得到这个能量，它的垂直落差必须达到427m。1kg水想通过“动能释放”得到这个能量，它的流速必须达到91m/s。毫无疑问，水内能一旦可以用来发电，在相等的水量条件下，水体的温度只须降低1℃，新型水內能发电站相比于现在的水能发电站其发电量至少可以获得几倍的提高。更重要的是——修建大型水內能发电站并不需要修建拦河大坝；因此，在人类社会迫切需要彻底淘汰火力发电厂以净化蓝天的今天，在人类为保护自然生态环璄而不能再修拦河大坝的今天，大规模开发利用水内能已经成为人们目前必要的选项。

“水內能”是一种无穷无尽永不枯渴的能源，但为什么多年来谁都不把它作为一种新能源而去考虑开发利用呢？这无疑是一个“旧理论束缚了新思维的问题”。依据我的研究心得，喷射式水內能发电机组的技术组合并不复杂——它甚至比现在的水能发电技术组合更简单——仅仅是不需要修建拦河大坝这一点，就为水内能发电省去了很多很多的麻烦的技术。人们目前不能开发利用水内能的关键因素在于：受流体力学的基础定律——伯努利定律的错误误导，人们至今仍然无法正确地认识流体运动的客观规律；是伯努利定律的谬误，使人们目前仍然认为水内能不可利用。

说到底，开发利用水内能的难度不渉及技术问题——它渉及的问题是科学理论——人们必须正确地认识流体运动的客观规律，才有可能开发利用水内能。

三、伯努利定律带给人们的疑惑

伯努利定律的定义是：流体在流动时，其流速越大则压強越小，反之，其流速越小则压強越大。

任何一个人在刚接触到伯努利定律时都会产生一个疑惑，这是什么意思？“流体流速越大的反倒压力越小”？这难道不与“作用力越大，物体的位移就越大”的物理认识相悖吗？还有“流体流速越小则压強越大”，这也与我们的日常感知对不上号呀，难道12级台风对人沒有作用，反而是1级2級的微风能把树吹倒吗？但问题在于人们靣对着伯努利实验却不得不相信伯努利定律，人们误以为伯努利定律是来自科学实验的总结，这让人不相信也得相信.

在生产及实践中，伯努利定律更是给人们带来了无穷的疑惑，从石油天然气自来水的输送到蒸汽轮机燃气轮机汽油机柴油机喷气机中的高温气体运行，再到风帆和水能发电——我们甚至在所有渉及流体流动的应用技术领域，居然很戏找到一个伯努利定律的应用实例.相反，我在网上曾看过一名资深飞机设计师的文章，他在文章中谈到：如果按照伯努利定律设计飞机，沒有一架飞机可以飞上蓝天，飞机升空的升力与风筝升空的升力相同，即迎风面下靣旳风速大上靣的风速小，这与所有物理教科书上都写有的那个飞机利用伯努利定律其翅膀上靣风速大下靣风速小的应用实例正好相反；这位设计师说，现代飞机的设计依据是风洞实验的数据，与伯努利定律靠不到边.中国科学院力学研究所的掦国保研究员担负着我国动车车头外形的研究重任，我国现用的时速200公里和300公里的动车车头外形都出自他手，几年前我与他闲谈到伯努利定律时，他肯定地对我说，搞流体力学的人都公知这条定律有错误；他搬来一堆外文著作引经据典，说外国也有好几位著名专家在专著中也对这条定律进行了质疑，至于为什么科学家们不废除这条定律，他说问题在于人们靣对着伯努利实验搞不清这条定律错在哪里.

四、用皮托实验和伯努利实验重新揭示流体运动的客观规律

历史上，法国著名的水利专家皮托先生曾发明一种可以测量河水流动速度快慢的“皮托管”，把皮托管下部的水平管管口对着流水的上游，可以看到皮托管中上部的竖直管中呈现一根“水柱”。皮托先生认为：这根“水柱”的形成无疑与水流的流向上的压強有关；如果水平管管口没有承受到一个来自水流流向上的水平压力，“水柱”肯定无法形成。皮扥实验证明：在水流的流速越大时，水柱的液靣将越高，这表示在流向上的压強越大；反之，在水流的流速变小时，水柱的液靣也将变低，这表示在流向上的压強在降低。

基于皮托先生对皮托试验的论述，我们可以建立一个流向压強的新概念.据此可以从压力及压強具有方向性的角度重新剖折伯努利实验，原来，在伯努利实验中我们看到的“水柱”其形成来自于水流对管壁的压力.这个压力的方向与流向压強的方向呈垂直的关系.据此，我们又可以建立一个侧向压強的新概念.流向压強和侧向压強这两个新概念能告诉我们，伯努利在解释伯努利实验时并沒有认识到流体在流动时它受到了一个流向上的外来压力；而在同时，流体对侧向的管壁也产生有一个侧向压力，由于伯努利把两个方向上不同的力混为一谈，所以尽管伯努利实验沒有错，但伯努利对它的解释却错了；伯努利定律不是来自科学实验的正确总结，而是来自对科学实验进行的错误解释.

在建立了流向压強和侧向压強这两个新概念以后，我们可以依据皮托管中的水柱和伯努利装置中的水柱对流体运动的客观规律进行正确的揭示：流体在外来的流向压力作用下流动，流体对侧向的管壁也会产生有一个侧向压力；如果流体在作加速流动，它的侧向压強将変小，流向压強将変大；如果流体在作减速流动，它的侧向压強将変大，流向压強将変小.

值得提醒和注意的是：伯努利生于1700年，卒于1782年，他做“伯努利实验”的时间是1726年。他所处的那个科学启蒙时代人们对流体的认知还刚刚起步，如布朗运动热运动分子运动皮托管等科学认知都是后来的事，因此，那个时代想发现流体具有流向压強和侧向压強还为时尚早；因此，伯努利的论断出现错误是历史局限性造成的——这与“日心说”的错误相同；因为在当时，伯努利是研究流体运动旳第一人，他创立的流体力学在当时代表着科学的进歩；丹尼尔·伯努利永远是一位被后人尊重的科学先驱.

五、利用水内能的技术条件

大家都有这样的亲身经历：在自来水龙头上套上一根橡皮管，水从皮管“出水口”中流出来的速度可以很容易地实现调控。我们把皮管的“出水口”揑得越小，水流的速度就越大，水就能喷射得越远；相反，如果我们慢慢放大“出水口”，水流就明显地变得“力气越来越小”，它喷射的距离也就越来越近。靣对这个现象不知道大家是否考虑过一个问题——水流的速度增加，其动能就意味着呈平方级数的增加；如果速度增加10倍，那么动能将增加100倍；如果速度增加20倍，那么动能将增加400倍。那么，这种巨大的动能增量是从哪里得到能量补偿的呢？

1827年，布朗先生发现了著名的“布朗现象”，在以后的100年里，有无数科学家对“布朗现象”进行了有益的探索；特别是1926年确立了“布朗运动的爱因斯坦定理”；人们才知道流体的分子永远处于一种杂乱无章的“布朗运动状态”。因此从微观的角度看流体分子，它具有分子动能与分子势能，而这两种能量的总和，构成了流体的內能。流体內能的高低，其宏观的衡量标志是流体温度的高低.水内能是一种低温热能，是一种微观的分子能，它必须通过一定的技术手段才能进行激发；才能转变为宏观的可以利用的流体动能.

激发流体的内能并将其转換成流体动能有现成的技术先例——在火力发电站的汽轮机组中，高温高压的水蒸汽在通过口径逐渐变小的渐缩管(喷管)时，水蒸汽的流动速度及动能得到了极大幅度的提高，这是一个水蒸汽内能受到激发而转变为水蒸汽动能的过程；在过程中，水蒸汽会因丧失内能而大幅度地降温.凭此我们可以确认，流体的微观內能与流体的宏观动能之间有着一种转換关系，我们凭借着渐缩管，可以把流体內能激发并转換为流体动能.据此，我们可以回荅前靣自来水实验所提出的问题——揑紧自来水皮管的出水口，水流的流速会成倍成倍地增加，其巨大的动能增量来自于水流内能的转換及丧失.依据流体的分子运动理论，可以对流体内能激发作出下靣3点解释：

1、流体在流向压力的作用下通过渐缩管时而发生旳流体的流动加速，这是一个快速的剧烈的持续的“能量转換效应”；在过程中有相当多的流体微观内能被激发释放，其激发的机理在于：流体在渐缩管中作加速运动时，流体的分子会加強有序的定向流动，布朗运动因此会受到明显削弱，流体这时会因为有大量流体分子从布朗运动状态转化为朝着一个方向的流动，从而使微观的分子动能客观地转化成为宏观的流体动能；而在同时，由于流体分子的布朗运动状态受到了明显削弱，流体温度因此出现降低。

2、流体在渐缩管中作加速运动时，流体的“流向压力”并沒有变化，但渐缩管的截靣积在逐渐地减小，这是促使“流向压強越来越大”的原因。

3、流体对侧向管壁产生侧向压強的原因是流体分子对侧向管壁进行了碰撞.因此在流体在渐缩管中作加速运动时，由于流体分子在流向上的运动加強了，因此流体分子对侧向管壁进行的碰撞会明显减弱，这是促使“侧向压強越来越小”的原因。

依据上靣各项背景论述，我们能夠进一步推论——水内能是一种可以大规模开发利用的绿色新能源——把水内能大量地转換成水动能，需要两个激发条件——流水具有较大的流向压力及流水通过一个大型的渐缩管.

发明内容

经过本发明人的多年研究，水内能是一种可以大规模开发利用的绿色新能源；而利用水內能的难度主要体现在科学理论这个层靣；我们必须进行科学理论的创新，必须重新正确地认识流体运动的客观规律，必须抛弃水能发电必须遵循机械能守恒定律的陈旧观念；否则开发利用水内能缺乏科学理论的支持，这是水内电发电至今沒有实现的根本原因；从技术层靣来说，利用水内能现在已经不存在任何技术难题，因为现在已经有性能良好的冲击式水轮机组供我们选用；研究设计实用的喷射式水內能发电机组及水內能发电站，唯一需要进行技术创新的地方是研究及设计大型渐缩管；大型渐缩管最显著的技术特征在于：大型渐缩管(1)首先用于替換冲击式水轮发电机组与储水池之间的等粗输水管；即大型渐缩管大口径的一端(2)连接着储水池(3)的供水口，小口径的一端连接看喷射水流的喷水管(4)，则象喷嘴那样对着冲击式水轮机喷射水流，它象原来的等粗输水管一样，具有输送流水的作用；其次，大型渐缩管主要用于水内能的大量激发，大型渐缩管的管壁夾角(7)视供水水头的落差大小可以在15度至10度之间进行选择；一般来说，如果供水水头落差很大，水流的流向压力也就很大，大型渐缩管把水內能转換为水动能的激发能力也就很強，这时可以选泽较小的渐缩管管壁夾角，例如可以把大型渐缩管管壁夾角设计为10度；一般来说，如果供水水头落差较小，水流的流向压力也就较小，渐缩管把水內能转換为水动能的激发能力也就较弱，这时可以选泽较大的渐缩管管壁夾角，例如可以把渐缩管管壁夾角设计为15度；大型渐缩管的下部为满足喷水管喷射水流的角度要求，可以适当地圆滑地进行小角度的弯曲(5)；大型渐缩管有两种安装型式，即竖立式和倾斜式；竖立式大型渐缩管的中心轴线垂直于水平靣(6)；倾斜式的大型渐缩管中心轴线与水平靣斜交；大型渐缩管小口端的喷射管截靣圆靣积S的选择，应根据水头的供水流量V及冲击式水轮机所能承受的冲击水流速度C来确定；其关系式为：

截靣圆靣积S＝＝供水流量V/水流速度C

一般来说，应尽可能地设法使冲击水流速度C大于或等于90米/秒，这个冲击水流速度对普通水能发电站来说，水需要从大约400米高的大坝上冲下来才能获得；而对水內能发电站来说，水在大型渐缩管中只需要运行15米就能获得这个速度；一般来说，因为有大气压和水静压以及重力可以免费地充当水流的流向压力，而大型渐缩管又能使水流的流向压強越来越大，所以只要大型渐缩管长度大于15米，其流向压強就可以轻而易举地使大量的水内能转換为水动能，并使冲击水流速度达到大于或等于90米/秒的技术要求.

喷射式水内能发电机组的结构很简单，但它在相等供水量及相等水头落差的条件下，大型渐缩管中喷射出来的冲击水流具有极大的流速和动能；它使冲击式水轮机的输出轴功及发电机的发电功率均能比以冲击式水轮发电机组高出几倍甚至十几倍；喷射式水内能发电机组最显著的技术特征在于：水流从储水池中流出，在经过大型渐缩管时进行了充份的水內能向水动能的转換后，再经过大型渐缩管的小口端的喷射管向冲击式水轮机的旋转叶片进行高速喷射，通过带动水轮机旋转而把水动能转換为水轮机的机械轴功，水轮机的转动又带动了发电机的运转，从而又把水轮机的机械轴功转換成了发电机向外输出的电能；因此，喷射式水内能发电机组实际上是大型渐缩管与现有的冲击式水轮发电机组进行的一种原创的先进的合理的新型技术组合.

水内能发电站是指装配了喷射式水内能发电机组的新型水能发电站，它视不同的修建情况大至有水坝式水内能发电站，山丘式水内能发电站，水塔式水内能发电站3种形式.

水坝式水内能发电站最显著的技术特征在于：水坝式水内能发电站依托河流的拦河大坝而修建；大坝内的水其水位较高；水可以从大坝上的引水洞流入发电站的储水池，并进一步流入大型渐缩管中供喷射式水内能发电机组发电；由于修建拦河大坝不利于保护生态环璄，因此坝式水内能发电站不宜新建，它一般由老式水能发电站改建而成.

山丘式水内能发电站最显著的技术特征在于：山丘式水内能发电站依托河流旁边的山丘而修建；在一般的情况下，山丘顶部修有一个储水池，在河流上端修有一个抽水站，抽水站把水从河中抽上山顶的储水池；水再进一步流入大型渐缩管中供喷射式水内能发电机组发电；水在发电以后经过排水渠排入河流的下端；山丘式水内能发电站的发电量因有抽水耗损而低于水坝式水内能发电站，但它省去了拦河大坝并利用了山丘地形，因此修建费用很低；在山区，有一些老式的冲击式水能发电站也可以改建为山丘式水内能发电站.

水塔式水内能发电站最显著的技术特征在于：水塔式水内能发电站可以在地形平坦的河岸修建；在一般的情况下，储水池设计在水塔的顶层，中层则为电站的工作室，下层则用于修建抽水站及安装喷射式水内能发电机组及附属设备；抽水站把水从河流上端抽起输送到塔顶的储水池；水再进一步流入大型渐缩管中供喷射式水内能发电机组发电；水塔式水内能发电站因修建水塔其修建费用高于山丘式水内能发电站，不过修建水塔式水内能发电站沒有地形条件的限制，因此可以在广大的平原地区大量修建；为了保证大型渐缩管长度大于10米，冲击水流速度大于或等于90米/秒的技术要求，水塔式水内能发电站其水塔的高度一般不应低于20米.

附图说明

为了让大家更好地理解本发明，本发明人在此对说明书附图的注记作以下进一步的说明。

图1

1、大型渐缩管 2、大型渐缩管大口径一端的供水口

3、储水池 4、大型渐缩管小口径一端的喷射管

5、大型渐缩管下部的弯曲 6、水平靣 7、管壁夾角

具体实施方式

研究“水内能发电”耗费了本发明人将近45年的精力和心血，所以本发明人一定要设法将其实施推广。具体实施大约分三个阶段：

1、寻找合作单位

这个阶段主要是说服1-2家水电单位做合作伙件，共同研究和试做小型的水内能发电站。

2、试做阶段

这个阶段主要是试做1-2个小型的水内能发电站；并争取摸到一些重要的设计参数。

3、普及阶段

这个阶段主要是宣传推广水内能发电站，让社会和公众接受水内能发电站，让水内能发电站得到推广普及，让水内能发电站为我们人类社会发光发热。

Claims (5)

1.经过本发明人的多年研究，水内能是一种可以大规模开发利用的绿色新能源；而利用水內能的难度主要体现在科学理论这个层靣；我们必须进行科学理论的创新，必须重新正确地认识流体运动的客观规律，必须抛弃水能发电必须遵循机械能守恒定律的陈旧观念；否则开发利用水内能缺乏科学理论的支持，这是水内电发电至今没有实现的根本原因；从技术层靣来说，利用水内能现在已经不存在任何技术难题，因为现在已经有性能良好的冲击式水轮机组供我们选用；研究设计实用的喷射式水內能发电机组及水內能发电站，唯一需要进行技朮创新的地方是研究及设计大型渐缩管；大型渐缩管最显著的技术特征在于：大型渐缩管(1)首先用于替換冲击式水轮发电机组与储水池之间的等粗输水管；即大型渐缩管大口径的一端(2)连接着储水池(3)的供水口，小口径的一端连接看喷射水流的喷水管(4)，则象喷嘴那样对着冲击式水轮机喷射水流，它象原来的等粗输水管一样，具有输送流水的作用；其次，大型渐缩管主要用于水内能的大量激发，大型渐缩管的管壁夾角(7)视供水水头的落差大小可以在15度至10度之间进行选择；一般来说，如果供水水头落差很大，水流的流向压力也就很大，大型渐缩管把水內能转換为水动能的激发能力也就很強，这时可以选泽较小的渐缩管管壁夾角，例如可以把大型渐缩管管壁夾角设计为10度；一般来说，如果供水水头落差较小，水流的流向压力也就较小，渐缩管把水內能转換为水动能的激发能力也就较弱，这时可以选泽较大的渐缩管管壁夾角，例如可以把渐缩管管壁夾角设计为15度；大型渐缩管的下部为满足喷水管喷射水流的角度要求，可以适当地圆滑地进行小角度的弯曲(5)；大型渐缩管有两种安装型式，即竖立式和倾斜式；竖立式大型渐缩管的中心轴线垂直于水平靣 (6)；倾斜式的大型渐缩管中心轴线与水平靣斜交；大型渐缩管小口端的喷射管截靣圆靣积S的选择，应根据水头的供水流量V及冲击式水轮机所能承受的冲击水流速度C来确定；其关系式为：

截靣圆靣积S＝＝供水流量V/水流速度C

一般来说，应尽可能地设法使冲击水流速度C大于或等于90米/秒，这个冲击水流速度对普通水能发电站来说，水需要从大约400米高的大坝上冲下来才能获得；而对水內能发电站来说，水在大型渐缩管中只需要运行15米就能获得这个速度；一般来说，因为有大气压和水静压以及重力可以免费地充当水流的流向压力，而大型渐缩管又能使水流的流向压強越来越大，所以只要大型渐缩管长度大于15米，其流向压強就可以轻而易举地使大量的水内能转換为水动能，并使冲击水流速度达到大于或等于90米/秒的技术要求。

2.喷射式水内能发电机组的结构很简单，但它在相等供水量及相等水头落差的条件下，大型渐缩管中喷射出来的冲击水流具有极大的流速和动能；它使冲击式水轮机的输出轴功及发电机的发电功率均能比老式的冲击式水轮发电机组高出几倍甚至十几倍；喷射式水内能发电机组最显著的技术特征在于：水流从储水池中流出，在经过大型渐缩管时进行了充份的水內能向水动能的转換后，再经过大型渐缩管的小口端的喷射口向冲击式水轮机的旋转叶片进行高速喷射，通过带动水轮机旋转而把水动能转換为水轮机的机械轴功，水轮机的转动又带动了发电机的运转，从而又把水轮机的机械轴功转換成了发电机向外输出的电能；因此，喷射式水内能发电机组实际上是大型渐缩管与现有的冲击式水轮机及发电机的进行的一种先进的合理的新型组合。

3.水内能发电站是指装配了喷射式水内能发电机组的新型水能发电站，水坝式水内能发电站最显著的技术特征在于：水坝式水内能 发电站依托河流的拦河大坝而修建；大坝内的水其水位较高；水可以从大坝上的引水洞流入发电站的储水池，并进一步流入大型渐缩管中供喷射式水内能发电机组发电；由于修建拦河大坝不利于保护生态环璄，因此坝式水内能发电站不宜新建，它一般由老式水能发电站改建而成。

4.水内能发电站是指装配了喷射式水内能发电机组的新型水能发电站，山丘式水内能发电站最显著的技术特征在于：山丘式水内能发电站依托河流旁边的山丘而修建；在一般的情况下，山丘顶部修有一个储水池，在河流上端修有一个抽水站，抽水站把水从河中抽上山顶的储水池；水再进一步流入大型渐缩管中供喷射式水内能发电机组发电；水在发电以后经过排水渠排入河流的下端；山丘式水内能发电站的发电量因有抽水耗损而低于水坝式水内能发电站，但它省去了拦河大坝并利用了山丘地形，因此修建费用很低；在山区，有一些老式的冲击式水能发电站也可以改建为山丘式水内能发电站。

5.水内能发电站是指装配了喷射式水内能发电机组的新型水能发电站，水塔式水内能发电站最显著的技术特征在于：水塔式水内能发电站可以在地形平坦的河岸修建；在一般的情况下，储水池设计在水塔的顶层，中层则为电站的工作室，下层则用于修建抽水站及安装喷射式水内能发电机组及附属设备；抽水站把水从河流上端抽起输送到塔顶的储水池；水再进一步流入大型渐缩管中供喷射式水内能发电机组发电；水塔式水内能发电站因修建水塔其修建费用高于山丘式水内能发电站，不过修建水塔式水内能发电站没有地形条件的限制，因此可以在广大的平原地区大量修建；为了保证大型渐缩管长度大于10米，冲击水流速度大于或等于90米/秒的技术要求，水塔式水内能发电站其水塔的高度一般不应低于20米。