CN110285010A - 水面以下水浮力发电技术 - Google Patents

Abstract

水面以下水浮力发电技术属水利电力技术领域。水面以下水浮力发电技术是利用水浮物体水中上浮的能量去发电。通过实验证实，水浮物体上浮，浮力注气，气压大于水压，造就一个新的水下水浮物体是可行的，并得到水深在超过水浮物体高度2倍以上的上浮距离中，造就一个新的水下水浮物体的能量消耗比这个水浮物体本身水中上浮产生的能量要少得多的结论，为设计水面以下水浮力发电动力来源、经济价值提供了理论依据。介绍了浮能变电能的基建工程、机械设备和水浮力发电工作的基本原理。

Description

水面以下水浮力发电技术

技术领域：水面以下水浮力发电技术属水利电力技术领域。

背景技术：到目前为止，本人还没发现有水面以下水浮力发电技术类的报道。

发明内容：主要是利用水浮物体水中上浮的能量去发电。

具体实施方法：有水就有浮力，这是水的本质性能，它非常环保绿色，且取不尽用不完。要把水面以下水浮能转换成电能，我们主要要解决几个问题。一、怎样才能造出水下水浮物体。二、制造一个水下水浮物体所消耗了的能量与这个水浮物体水中上浮所产生的能量比是谁大谁小的问题，上浮产生的能量大于制造消耗了的能量才有实用价值。三、怎样利用水浮能去发电，要解决这三个问题，先做2个小实验来证实问题的破解。

第一个试验，怎样制造才能获得水下水浮物体。材料准备：1、大水桶一只，2、小胶管一条1.5米长，3、大可乐瓶一个，剪去瓶上部一半，留下下半部成一个开口的大杯子。实验开始：把小胶管一头放入桶底固牢，另一头放桶外，将水桶装满水，手拿可乐瓶杯装满水倒扣在桶内小胶管开口上方1厘米处，另一只手拿起小胶管的另一头放入口中吹气，开始轻轻的吹使人觉得气吹不进去，加点力再吹，就见桶内管口出气成泡进入杯中，空气占满杯子内空挤走了水，这时拿杯子的手感到杯子有一股上浮的力，只要杯子不倒可直浮到水面，实验完成。总结实验得到：1、吹气水中，气体上浮进入杯中，杯壁管住空气不跑掉，这就人为的制造了水中水浮物体。2、手感杯子有股上浮的力，这就是水浮物体上浮产生了浮能，是本技术要找，要开发利用的对像。

下面第二个实验去验证第二个问题，就是制造一个水浮物体的能量消耗和这个水浮物体本身水中上浮产生的浮能谁大谁小的问题。

实验2材料准备：取内直径12公分，长1.1米可透视，周身有小孔洞的大塑胶管一根、比大胶管内直径小一点的圆木片一块、宽度 16公分的保鲜袋4个、大罐可乐饮料瓶2个、2米长的小胶管一根、扎绳少许、1.1米高水桶一只、1.3米长0.2米宽小木板一块。

实验分三次实施，第一次取保鲜袋一个，开口处插入小管子扎牢，不漏气，并通过小管子吹气进入保鲜袋，使保鲜袋涨起，保持平常气压成气球，折紧小管子不通气，小管子吹气这头也扎一个保鲜袋，不注气，保持干瘪状态放好。将另两个保鲜袋分别吹气做成各自独立的气球扎牢开口，两个可乐瓶从中间剪断，去掉上半部成杯子样各装入一个独立气球，可乐瓶杯可防止气球受压变形。将大管子竖立放入水桶，大管子可保持气球水中上浮成直线。大管内可乐杯剪口朝下，先放入有独立气球的可乐杯一个，接着放入小圆木片，圆木片上面放入有小管子的气球，用小木板加重盖住大管子口。此时可把大管子看成是注气机或空气压缩机的气缸，独立气球可乐杯是连杆，圆木片是活塞，有小管子的气球是气缸室内的气体。开始注水桶中，管内气球随水涨上浮，打开小管子折扣，有小管子的气球顶到木块时随水涨慢慢消失，水桶外另一头干瘪的保鲜袋慢慢涨成一个气球，折紧小管子，第一次实施结束。实施总结，一个水中上浮的气球的浮力可挤瘪空气层中的一个气球，并通过管道转移受挤压的气体造出另一个新气球，证实水涨浮力可造气球，就如空压机注气造气球工作原理一样。

第二次实施开始，取出桶内所有东西，将水倒掉，大管子重新放入水桶。独立气球可乐杯一个，杯口倒扣放入管内再放圆木片，圆木片上方放一个有小胶管的气球，用木板加重盖往大管口，小胶管另一头干瘪的保鲜袋放入水桶底内，最好用小块胶布粘在桶底上，开始注水于桶中，大管子内气球可乐杯上浮，有小管子气球将抵到木板时放开小管子折扣，水还在涨，有小管子的气球变化很小，直至水涨至最高位也没造出水下象样气球，小胶管两头水上水下各半个气球。二次实施结束。总结二次实施，因有水的压力，一个浮力同水压基本相等的气球想造一个同体积，又有一定深度的水下气球有点难，或说不可能。更说明气压必需大过水压才能造就水下空气质水浮物体。

第三次实施开始，三次实施和二次实施基本相同，就是多放入一个倒扣着杯口的独立气球在大管子中，放入二个独立气球后接着放小园木片，最后放入用小管子吹成的小气球，并用小木板加重盖住大管子。现在大管子外面水桶内底层那个是扎有小管子干瘪的保鲜袋，并用胶布把保鲜袋和桶底粘一粘。大管子内是两个各自独立吹涨气的可乐杯保鲜袋气球和园木片，园木片上面那个是有小管子插入的保鲜袋气球，现将折紧的小管子放开，使其与底层干瘪保鲜袋联通。一切就绪，往水桶内注水，随着水涨，气球杯浮起，瘪袋粘住不浮，管内最上面有小管子的保鲜袋气球顶到盖在大管子口加重木板时，需要的现象结果就会出现，水慢慢的涨，气球慢慢的升，最上面的气球开始慢慢的变小，桶底层干瘪的保鲜袋开始慢慢的涨大，最后桶中水还没有涨到最高点，顶层那个带小管子的气球全消失，桶底保鲜袋成气球并上浮，实验结束。实验总结：水中两个气球浮力的合力挤顶最上面有小管子受木板挡住的气球，使受压的气体注入水底瘪气保鲜袋内造出新气球，这就是我们想得到的结果。实验说明1：上浮力大于水的压力时，造一个水下气球(水浮物体)不是问题。2：三次实施，大管子长1.1米，直径12公分，可容10个10公分直经的气球，实验时用2 个独立气球的浮力，有效挤压运行一个气球高度的距离，就可造一个水下新气球。大管子长度等于十个气球叠加的高度，管内两个独立气球从管底上浮一个气球位算起到水面止，总计可产生8个新气球，是 2个独立气球的四倍。证实出一条理论：注气水下造一个新气球(水浮物体)的能量消耗比新气球(水浮物体)本身从水底到水面上浮产生的浮力能量要小得多。只要水浮物体的浮力大于水的压力，水浮物体上浮一个自身体积占用空间的距离，就可注气于气库造出一个与水压相等和等同体积大小的水浮物体。水越深压力越大，上浮距离就越长，能量产出就越多，可设想大管内装满10个气球上浮，用总浮力三分之一用于造水下新气球(水浮物体)，三分之二的浮力就可用于发电或它用。也可用10个气球(水浮物体)上浮力去发电，发出的电，除一部分用在空压机注气别组同型号气库外，其余输出它用。今后如遇水深压力大，总浮力一半或发电量一半用于空气压缩机注气造水下水浮物体，一半它用也是一个好方案，因为它没消耗水资源，也没有消耗其它能源，只要有两台机组以上的配合就可以不停地工作发电输出电源。

根据两个实验和总结，现在布局水面上下水浮力发电的机械设备，设计固定与浮动发电平台，并说明其发电工作程序与原理。固定平台主要是指浅水区水面以上的发电工作平台，深水区有浮动平台，固定平台或浮动平台上方是厂房，厂内是机器设备安装的地方，有空气压缩机(注气机)、变速器、发电机，有能量传输的柱型钢轨齿轮。水下有水浮能获得与转换的气库(水浮物体)等。固定平台形似一张大桌子，也像一层没砌砖的筐架楼房，它站在水中，高出水面，除四角有立柱外，中心部位也有一立柱直立水底，名叫中心柱，与平台连体固定。中心立柱一面有一个洞孔给柱型钢轨齿轮上下运行，平台结构型态如示意图图1示。第一个实验解决了第一个问题，水浮物体的造就与水浮能的获得。实验中的杯子在生产设计应用中改名：气库，也是水浮物体。设计时气库可做成圆形、方形或长方形，浮力达千、万吨级的可设计成井字、田字、或棋盘形，各种形状设计目的是根据情况以求气候突变保持平稳，不会受到大风大浪的冲击破坏和摇摆。气库的大小根据情况去定，单位米：长10*宽10*高2＝200立方米内空的气库，它的排水量应不小于200吨，根据船舶载重量等于它的排水量计算，它的上浮力应不小于200吨。如果单位米长宽高是100*100*4的气库，浮力约是40000吨。气库其实它就是一个开口倒扣着的水箱，开口朝下，底板朝上，留有多个有内围通透的桩柱孔洞如示意图图2 示。气库不做全封闭主要是注气方便，空气也不会跑掉。气库(水箱) 底板有排气闸门，功能是气库浮升至水面仃止工作发电时，排出库内空气使气库沉落于水底，准备二次纳气浮升发电。柱型钢轨齿轮固定在气库齿轮基座上，是跟随气库沉浮而上下直线运行，主要功能是将浮能传输出去，型状就是钢轨表面不平整，有很多齿轮齿。钢轨竖立高度也叫长度，是水深度加水面至变速器咬合齿轮点再长些。钢轨齿轮靠在平台中心柱子上，它被柱上的卡槽卡住不会倒，可上下运行，不能前后左右摆动，钢轨齿轮和变速器齿轮咬合，变速器咬合的这个齿轮应如自行车后轮的齿轮一样有卡锁，随气库上行卡住做功，下行就空转。钢轨齿轮在气库的浮力推动下直线向上运行带动变速器齿轮转动，经过变速再带转发电机发电。钢轨齿轮、变速器、发电机等机械都安装在固定平台上的厂房内。实验中的吹气，是实际生产中的空气压缩机注气，压缩后的空气，通过辅设在中心柱上的管道输入水下出气口喷出，空气上升进入气库。气库安装在水面以下的水中，各种机械安装布置就位如示意图图3示。气库在固定平台下方，水底至水面的水深度是它工作运行的总距离，这段距离并不长，但它可获取利用的浮力却很大，一旦气库注满气就如同机械时钟发条已扭紧，时钟大小各齿轮和砣摆控制发条飚速又带转时针运行和打铃，这个控速和加速的任务应有这里叫变速器的设备去完成，达到发电转速连接发电机发电，为求转速均匀可加设飞轮。10米左右深度的水，设计气库浮升速度为1毫米秒，1小时是3.6米，可发电2小时多。水深15米以上可设秒升速快些，升高距离长些，尽量减少变速消耗，求得变速后仍保持大浮力去发电。以发电工作时间长短要求来设定气库浮速，据目测乒乓球从水深2米处上浮至水面约需2秒钟，这是设计气库自然浮升速度最快的封顶基本参数，也是一个不能超越的参数。

固定平台的设计方式适合浅水区建设，对于水深或海洋深水区，固定平台难以造就，这就应考虑另一种方式：设浮动平台，如示意图图4示。浮动平台分上下两部分，上部分要大，要有水面之上的大浮力，固定平台上的机械设备都要在这里安装，还要有能抗往气库的浮力，下部分要有一定的重力，象是大船的压仓石以求气库上浮平台不侧翻。上下平台用多个钢柱连结，此时的气库就应是日字或井字形结构。固定平台钢轨齿轮的能量传输设备太高不好用，改用链条、齿轮，在上下两个平台中心各装一个齿轮，上齿轮与自行车后齿轮一样有卡锁，上行卡住做功转动，下行自由。链条绕两齿轮一周形成同步转动，设计气库上浮到上止点并在上齿轮下方时，链条上运行的那边要与气库永远连结固牢，这样气库上下浮动就拉动链条带转齿轮。压缩机压缩的空气由管道输送，出气口对准气库开口固定在下部平台上。全部整个平台用锚缆固定，防止漂移。

不论固定平台还是浮动平台，水面以下水浮力发电操作全过程：气库打开排气闸，排去库内空气下沉，定位在下平台管道空气出口处上方，气库开口对着管道出气口，关闭气库排气闸。各种设备就位就署后开始开动空气压缩机进行注气，压缩空气顺管道进入水下从出气口喷出进入气库。气库容气量达到发电工作所需的浮力时仃止注气，此时的气库就如时钟的发条已满弦扭紧，一旦开动变速器即做功开始，达到发电转速时连接的发电机即发电。气库上浮至水面上止点发电工作仃止。

水面以下水浮力发电工作原理：压缩空气注入水下进入气库产生浮力，气库上浮，通过轨道齿轮或链条传输浮能至变速器变速，达到发电转速时带动发电机发电。

附图说明：示意图图1：1固定平台、2中心立柱、3钢轨齿轮通道孔、4平台立柱

示意图图2：1气库(水浮物体)、2中心柱穿过孔、3平台立柱穿过孔、4钢轨齿轮固定基座、5排气闸门

示意图图3：1水底地面、2喷气口、3固定平台立柱、4中心立柱、5气库(浮动物体)、6水面线、7固定平台、8空气压宿机、9变速器、10发电机、11钢轨齿轮、12气库运行区间

示意图图4：1浮动平台下半部、2喷气口、3水下齿轮、4钢质连结柱、5中心连结柱、6齿轮链条、7气库(浮动物体)、8水面钱、 9浮动平台上部、10空气压缩机、11上齿轮、12变速器、13发电机、 14气库运行区间。

Claims (4)

1.水浮物体水中上浮产生浮力，视同做功中的时钟发条，使水浮能转换成电能的技术。

2.浮力大于水压造就水下水浮物体注气于气库的实施方法。

3.注气水下造就一个水浮物体上浮产生浮力，为水面以下水浮力发电提供了动力来源的技术设计。

4.水面以下水浮力发电工作原理：大于水压的空气注入水下进入气库，造就水浮物体上浮产生浮能，并通过轨道齿轮或链条传输浮能至变速器变速，达到发电转速时带动发电机发电。