CN111365189A - 一种开闭可控空间深海压力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开闭可控空间深海压力发电装置：在深海中建一个有进水口的、类似于江河水坝内置水轮发电机组那样的封闭空间。水轮发电机组的尾水，从封闭空间流入一个分区间隔的、开闭可控的空间，由N个间隔的、开闭可控的空间即排水仓组成，每个排水仓上方有一个重力块，下部是可开闭的排水门。排水仓水满底部开，重力块活塞式下坠排水。然后底部闭，机械力驱动重力块上升复位。数个排水仓轮流开闭排水，保持整体的、分区间隔的、开闭可控的空间不停地集排尾水。保持进水源源不断驱动水轮发电机组。

Description

一种开闭可控空间深海压力发电装置

技术领域

本发明涉及一种开闭可控空间深海压力发电装置：在深海中建一个有进水口的、类似于江河水坝内置水轮发电机组那样的封闭空间。水轮发电机组的尾水，从封闭空间流入一个分区间隔的、开闭可控的空间，由N个间隔的、开闭可控的空间即排水仓组成，每个排水仓上方有一个重力块，下部是可开闭的排水门。排水仓水满底部开，重力块活塞式下坠排水。然后底部闭，机械力驱动重力块上升复位。数个排水仓轮流开闭排水，保持整体的、分区间隔的、开闭可控的空间不停地集排尾水。保持进水源源不断驱动水轮发电机组。本发明是一个利用万有引力发电的技术方案。适用于“能量守恒定律(机械能守恒定律)”、“万有引力定律”、“牛顿力学第二定律”。

背景技术

目前，建造水库或拦河水坝蓄水，造成高水头和深水压力，高速能量水流通过引水管道进入水坝腹内驱动水轮机带动发电机组发电，是成熟普遍的水力发电技术。但是，严格地说，水库水只有静止重力，静止水无力发电。只有运动的水才能发电。水坝的高低落差造成了水运动的条件。落差效应是引力赋予的。所以，所谓水力发电，实质是引力发电。运动的水是引力传导的介质。风力发电也是成熟普遍的技术。风是运动中的空气。空气的动力是由引力和热力效应赋予的，引力是主要的。流体空气是引力传导的介质。水力发电了，风力发电了。所以，有了适用的技术方案，引力是可以被利用发电的。根据水坝发电的技术背景，建拦河高水坝，是为了获得高库容，获得一个质量尽量大的水体，由引力赋予能量。水坝水库是一个人造的开放空间；水坝起蓄水蓄能作用，坝腹内是水轮发电机组，是一个人造的封闭空间；大坝发电后的排水进入下游河道，是一个自然的开放空间。这前后开放的、中间封闭的三个空间是一个整体的流程，是一个引力发电的流程。只要能够把这三个空间联系畅通，传导引力的流体介质有所流动，引力能就能转化为电力能。如果单是深水中的一个封闭空间，进水能发电，抽水排水耗电相等，根据能量守恒定律，没有实用性。关键要有一个适用的技术方案，把水力发电的三个空间连接形成合理的流程，这样的技术方案就有实用性。大坝水库有丰枯期，发电不能经常满负荷；还有洪水威胁，有截断河流上下游生态环境的担忧等等。所以，大坝水电站有所能有所不能。

发明内容

一种开闭可控空间深海压力发电装置，其具体内容包括如下：

在深海(开放的空间)中，建造一个封闭空间安放水轮发电机组发电和一个开闭可控空间排水的水力发电站。

海洋是一个无比巨大的水体，类似于大坝水库又无与伦比，海洋巨大的质量体蕴藏着无穷的引力能，而大坝水库的能量只能与自身的库容正比。所以，大坝水库发电有限。而深海压力发电无限；

封闭空间：从水面垂直到200m(以下文中数字只作为举例使用)深的海底是一个直径20m的、站立在海床上的圆筒体，分层作为办公区、仪表控制区、压缩空气制造及循环区域、变电、储电、发电能输出区域，连接海底电输出电缆。垂直圆筒体的各层区域有贯通电梯连接。从水面到80m深的垂直圆筒体的外围圈是一个环形进水槽，上设6个进水口，以圆筒体为圆心，在圆筒体的外围圈圆周上，等角度辐射出去6条3维度的、适合安放水轮发电机组的通道，即是每条从80m到100m水深的长40m的通道空间，作为封闭空间的安放水轮发电机组的地方。从80m水深的进水口，高压水流从1条2m直径的管道进入，流速为10m/s，驱动一系列5台的从80m到100m深度的阶梯水轮发电机组。理论上，阶梯通道可以安装N台水轮发电机延伸至无限长无限深度，因为深海的压力是无限的。江河水力发电也设计阶梯水电站，把江河截成几段，目的是为了留出河段长度作为大坝水库库容空间，以获得足够强大的水体水头压力。大海从进水口输入的水能是源源不尽无衰的。此处为了举例计算方便，假设5台的水轮发电机组。所以，从水面垂直到200m海床的圆筒体和从80m处开始到100m的斜通道安装水轮大电机组空间，直到100m的水轮发电机尾水泄水口，是封闭的发电空间；

按照大坝电站发电功率的计算公式：P＝9.8QHη。算式中：P是发电功率；9.8KW是一个水力发电系数，代表水能出力的一个动能指标；Q是秒流量，在本发明技术方案中，等于2米水管的截面积＊流速10m/s＝31.4m³/s；H是水头高度80m；η是水轮机效率％＊发电机效率％的系数。我国的水轮机效率和发电机效率已经能达到90％，因此，90％＊90％＝81％。η是81％。本项发明深海压力发电机组的第一台发电机的发电功率是(理论上)9.8＊31.4＊80＊81％＝19,940kw。本项发明假设在80m至100m水深的一段长40m的斜道上安装一组5台的阶梯发电机组，即使每台阶梯发电机的发电量以-20％减弱，阶梯发电机组的发电总功率＝19,940+15,952+12,761+10.208+8,166＝67,027kw(理论上)。本项发明的深海压力发电站在80m至100m的水中平面上共安装等角度辐射形的6组阶梯发电机组，发电量共402,162kw(理论上)。根据能量守恒定律，本项发明的输入水能＝发电功率+(19％的水轮机和发电机的消耗能)。能量守恒定律的适用从输入水能到发电功率的输出为止。本项发明发电的技术方案与一般的大坝水力发电原理无异，是引力造成的水运动发电。本项发明的关键之处在于排水的技术方案；

开闭可控空间排水：封闭空间的中心圆半径10m，加上水轮发电机组通道40m，半径50m的圆周是785m长，是一个连接6个水轮发电机组尾水泄水口的环形尾水泄道。每个等角度辐射的水轮发电机组可等分得圆周上约130m长的弧，在上面可设4或N个间隔区分的、开闭可控的空间即排水仓，排水仓的个数与每次排水的时间成正比，与集尾水的容量成反比。排水仓是站立在海底上的、集尾水进口在垂直100m深处的、直径10m，高度50m的圆筒体，其底部开闭可控，可集尾水约4,000m³。排水仓的上部有一个铁质5,000吨的重力块，排水仓水满底部打开，重力块做自由落体活塞式的重力下坠，重力加速度的势能将排水仓内水排入外面150m-200m深的海水中，然后关闭。重力块在机械力驱动下回升复位，准备下一轮排水。排水仓的围壁中空2m，可安装系列液压泵举重装置或系列滑轮组起重装置等省力不省功的机械，用于重力块的快速提升复位。在开闭可控空间圆周上的数个排水仓可轮流开闭集水和排水，保持整体分区间隔的、开闭可控的空间永不停歇收集尾水。保持进水能量源源不断驱动水轮发电机组。假设有4个或N个排水仓的话，如果有一个排水仓出故障问题，在封闭维修时间内，其他的排水仓可以不停顿工作维持发电。也可以调整80m水头处进水口流量大小来调度发电。所以，从100m水深的水轮发电机组泄水口到785m长圆周环形尾水泄道上的一系列10m直径、高50m的开闭可控排水仓，排水仓的围壁和上部的排水重力块，是开闭可控的排水空间；

根据能量守恒定律(机械能守恒定律)，重力块的自由落体重力加速度的重力势能排水，它的回升复位也要消耗同等能量。由于进水口的流量是2m直径水管截面积＊10m/s＝31m³，容量4,000m³的排水仓水满需要2分钟多。一个小时内排水30次。4,000m³的排水仓，需要5,000吨的重力块，质量大于需要排除的水体，重力加速度的重力势能，更能够迅速排水。计算5,000吨重力块自由落体50m的重力势能。计算公式：EP＝MGH。算式中：EP是重力势能，单位是焦耳j；M是质量，单位是公斤kg；G是重力加速度常数9.8；H是行程高度，单位是米m。5,000吨重力块下坠50m获得的重力势能EP＝5,000,000＊9.8＊50＝2,450,000,000焦耳。焦耳是热能单位，与电量换算：一度电1KWH＝3,600,000焦耳j。2,450,000,000/3,600,000＝680KWH度电量。1小时排水30次，680＊30＝20,400KWH度电量。鉴于一个阶梯水轮发电机组1小时的发电量是67,027KWH度电量，减去排水的20,400KWH度电量的耗电，还有46,627KWH度电量的正净发电量。摩擦阻力和排水仓开闭的耗电量没有计算在内。但是，阶梯发电机的台数可以增加，发电量还可以大大增加。这里，不但要适用能量守恒定律，还要适用万有引力定律。重力块下坠排水和回升复位的过程是完全遵守能量守恒定律的。相同于水坝发电原理，输入水能＝输出电能+效率消耗也是完全符合能量守恒定律的。关键在于排水的开闭可控空间，模拟了水坝发电站的自然河道开放排水空间。使海洋开放空间、封闭发电空间和开闭可控排水空间能够连成一气，使水流能够通畅不停地转变为电流，使深海压力发电站能够全时满负荷运转发电。是引力赋予深海水压力运动的强势能，在每次4,000吨水重力上的强相加，产生了正净发电量；

重力块下坠排水后，需要尽快上升复位，准备下一轮的排水。重力块上升复位，需要机械力驱动。可在排水仓圆筒体的围壁圈内设多个多层接力的系列液压泵装置，支撑重力块垂直向上运动。假设，在圆筒围壁中安装每层十个每个能够举重500吨，行程1米的液压泵装置，分层液压泵装置系列是层层接力的，重力块上升复位的行程50m，需要有50层系列液压泵装置。每一层行程1m，由上一层接力至复位为止。液压系统举重省力不省功，能尽快推动重力块上升复位。按照机械能守恒定律，液压系统驱动重力块上升复位的耗能与重力块下坠排水的重力势能相等；

机械力驱动重力块上升复位，还可以应用滑轮组起重装置的方法。可在排水仓圆筒体的围壁圈内设多个多层接力的系列滑轮组起重装置，提拉重力块垂直向上运动。滑轮组起重装置相对地节约排水仓圆筒体的围壁圈内空间，而且，每一层滑轮组起重装置的行程可以长一些。假设，在排水仓10m直径圆筒体的围壁圈内约32m圆周上，安装5层滑轮组起重装置，每层安装30个起重200吨的滑轮组起重装置，每一层起重行程10m，逐层接力，可尽快使5,000吨的重力块上升复位。滑轮组起重装置省力不省功，能尽快提拉重力块上升复位。按照机械能守恒定律，滑轮组起重装置提拉重力块上升复位的耗能与重力块下坠排水的重力势能相等；

为了加大重力块快速上升的动力，可在排水仓圆筒体的外围设连接重力块的、可收缩扩张的外围衬托浮力体，重力块自由落体下降时，外围衬托呈收缩状态。重力块上升时，外围衬托呈充气扩张状态成为浮力体，连接排水仓内部的重力块，为重力块上升增加升力。考虑到重力块是从150m水深开始上升的，深水压力作用于浮力体，由于外围衬托浮力体是包围排水仓圆筒体的，可以反作用于深水压力。可以用仿生深海鲸鱼身体的方法，外围衬托浮力体的表面用柔软材料，里面骨架用强韧弹性塑料伸缩支撑以消除深水压力，并设有仿球类内胆或仿鱼鳔装置用以充气，鼓风吹入空气提供浮力。外围衬托浮力体的收缩扩张由巨型钢质发条或电机控制，发条或电机的机械运动和鼓风都是耗电的。也可以不做外围衬托浮力体，把这部分耗电用于更强力的系列液压泵支撑或滑轮组起重装置。

附图说明：

附图1：一种开闭可控空间深海压力发电装置的立体效果图

1、垂直贯通电梯入口；

2、3、4、5、6、7，深海进水口；

8、9、10、11、12、13，水轮发电机组；

14、15、16、17、18、19，环形尾水泄水道分段间隔，每段负责4个集尾水排水仓；

20-43，集尾水排水仓，尾水进口连通水轮发电机组的环形尾水泄水道；

44，办公和仪表控制区；

45，办公和仪表控制区；

46，压缩空气鼓风气柜控制区；

47，储电蓄电变电区域，往外连通海底输出电电缆；

48，水底；

49，水面；

附图2：一种开闭可控空间深海压力发电装置的俯视图

1、垂直贯通电梯入口；

2、3、4、5、6、7，深海进水口；

8、9、10、11、12、13，水轮发电机组；

14、15、16、17、18、19，环形尾水泄水道分段间隔，每段负责4个集尾水排水仓；

20-43，集尾水排水仓，尾水进口连通水轮发电机组的环形尾水泄水道。

附图3：一种开闭可控空间深海压力发电装置的单个集尾水排水仓工作示意图

1、垂直贯通电梯入口；

2、深海进水口；

3、环形深海进水口槽；

4，水轮发电机组；

5、尾水泄水口接入集尾水排水仓；

6、7、8，集尾水排水仓的圆筒体围壁内设液压泵支撑；

9、重力块，将要自由落体下坠重力势能排水；

10、集尾水排水仓已经满水，待重力块下坠把水排出；

11、12、包围重排水仓圆筒连接内部重力块的围衬浮力体，呈收缩状态；

13、14、15、16、17、18，分层接力的液压泵，放松液压支撑，重力块自由落体下坠；

19、20、21，站立海底的液压泵桩脚，周围的外部海水空间承接排出水，桩脚支撑承重整个集尾水排水仓；

22、办公和仪表控制区；

23、办公和仪表控制区；

24、压缩空气鼓风气柜控制区；

25、储电蓄电变电区域，往外连通海底输出电电缆；

26、水底；

27、水面。

附图4：一种开闭可控空间深海压力发电装置的集尾水排水仓的排水工作剖面图

1，重力块，即将自由落体下坠重力势能排水；

2、集尾水排水仓已经满水，待重力块下坠把水排出；

3、4，底部排水口打开；

8、9，包围重力块圆筒的围衬浮力体，呈收缩状态；

5，深海进水口；

6，水轮发电机组；

7，尾水泄水口连通集尾水排水仓；

10、11、12、13、14、15、16、17，分层接力的液压泵；

18、19、20，站立海底的液压泵桩脚，周围的外部海水空间承接排出水，桩脚支撑承重整个集尾水排水仓；

21，水底；

22，水面。

附图5：一种开闭可控空间深海压力发电装置的集尾水排水仓的重力块上升复位工作剖面图

1，重力块已经下降到底部，排空了水，即将回程上升复位；

2，集尾水排水仓的上部已空无水；

3、4，底部排水口已经重新关闭；

8、9，包围排水仓圆筒的、连接内部重力块的围衬浮力体，呈扩张充气状态，为重力块上升提供浮力；

10、11、12、13、14、15、16、17，分层接力的液压泵开始工作支撑重力块上升复位；

5，深海进水口；

6，水轮发电机组；

7，尾水泄水口连通集尾水排水仓；

18、19、20，站立海底的液压泵桩脚，周围的外部海水空间承接排出水，桩脚支撑承重整个集尾水排水仓；

21，水底；

22，水面。

附图6：排水仓围壁1/6的圆周面上的滑轮组起重装置图

1-25，滑轮组；

26-35，重力块与滑轮组连接起重的挂钩拴；

36，重力块。

本发明具体实施方案：

应用本发明，如附图1所示，可在深海(开放的空间)中，建造一个封闭空间安放水轮发电机组发电和一个开闭可控空间排水的水力发电站。封闭空间：从水面垂直到200m(以下文中数字只作为举例使用)深的海底是一个直径20m的、站立在海床上的圆筒体，分层作为办公区、仪表控制区、压缩空气制造及循环区域、变电、储电、发电能输出区域，连接海底的电输出电缆。垂直圆筒体的各层区域有贯通电梯连接。从水面到80m深的垂直圆筒体的外围圈是一个环形进水槽，上设6个进水口，以圆筒体为圆心，在圆筒体的外围圈圆周上，等角度辐射出去6条3维度的、适合安放水轮发电机组的通道，即是每条从80m到100m水深的长40m的通道空间，作为封闭空间的安放水轮发电机组的地方。从80m水深的进水口，高压水流从1条2m直径的管道进入，流速为10m/s，驱动一系列5台的从80m到100m深度的阶梯水轮发电机组。

本项发明的关键之处在于排水的技术方案。开闭可控空间排水：封闭空间的中心圆半径10m，加上水轮发电机组通道40m，半径50m的圆周是785m长，是一个连接6个水轮发电机组尾水泄水口的环形尾水泄道。每个等角度辐射的水轮发电机组可等分得圆周上约130m长的弧，在上面可设4或N个间隔区分的、开闭可控的空间即排水仓，排水仓的个数与每次排水的时间成正比，与集尾水的容量成反比。排水仓是站立在海底上的、集尾水进口在垂直100m深处的、直径10m，高度50m的圆筒体，其底部开闭可控，可集尾水约4，000m³。排水仓的上部有一个铁质5,000吨的重力块，排水仓水满底部打开，重力块做自由落体活塞式的重力下坠，重力加速度的势能将排水仓内水排入外面150m-200m深的海水中，然后关闭。重力块在机械力驱动下回升复位，准备下一轮排水。排水仓的围壁中空2m，可安装系列液压泵举重装置或系列滑轮组起重装置等省力不省功的机械，用于快速提升复位重力块。在开闭可控空间圆周上的数个排水仓可轮流开闭集水和排水，保持整体分区间隔的、开闭可控的空间永不停歇收集尾水。保持进水能量源源不断驱动水轮发电机组。假设有4个或N个排水仓的话，如果有一个排水仓出故障问题，在封闭维修时间内，其他的排水仓可以不停顿工作维持发电。也可以调整80m水头处进水口流量大小来调度发电。

深海压力发电站可以建在沿海大陆架的适当水深的水域中，也可以建在水库、湖泊、露天开采的废弃矿坑蓄水之中，最有意义的是建在海洋岛礁潟湖中。可挖深潟湖，建设深海压力发电站，为军事防卫、居住生活、制造淡水提供充足电源，开发国家的海洋国土。深海压力发电可使化石能源发电逐渐减少，甚至最后告别化石能源发电，达到全面使用安全、清洁能源的目的。而且，深海压力取之不尽用之不竭，人类从此获得不受限制用电的自由。

Claims (9)

1.本发明涉及一种开闭可控空间深海压力发电装置：在海洋中建一个深海压力发电站，由海洋开放空间连接进水口、进水口连接一个封闭发电空间、封闭发电空间连接一个开闭可控的排水空间组成，深海压力发电站是一个建立在海底之上的、整体平面以圆心为中心向外等角度辐射至圆周的、其中各个子结构是圆筒立体的、整体系统的、相关组成的、海面0-200m(数字只作为举例使用)水深中的建筑，本发明的技术方案是，把海洋开放空间、内部封闭发电空间和开闭可控排水空间合理地连接起来，保持整体分区间隔的、开闭可控的空间永不停歇收集尾水排水，保持进水能量源源不断驱动水轮发电机组。

2.根据权利要求1所述，封闭发电空间的构成：从水面垂直到200m深的海底是一个直径20m的、站立在海床上的圆筒体，分层作为办公区、仪表控制区、压缩空气制造及循环区域、变电、储电、发电能输出区域，连接海底的电输出电缆，垂直圆筒体的各层区域有贯通电梯连接，从水面到80m深的垂直圆筒体的外围圈进水槽上设6个进水口，以圆筒体为圆心，在圆筒体的外围圈圆周上，等角度辐射出去6条3维度的、适合安放水轮发电机组的通道，即是每条从80m到100m水深的长40m的通道空间，作为封闭空间的安放水轮发电机组的地方，从80m水深的进水口，高压水流从1条2m直径的管道进入，驱动一系列5台的从80m到100m深度的阶梯水轮发电机组。

3.根据权利要求1、2所述，由于深海压力，还有引力无穷大的原因，阶梯水轮发电机组可以由N台水轮发电机组成，阶梯水轮发电机组的安装通道可以无限延长、延深。

4.根据权利要求1、2所述，开闭可控排水空间的构成：鉴于封闭空间的中心圆半径10m，加上水轮发电机组通道40m，半径50m的圆周是785m长，每个等角度辐射的水轮发电机组可等分得圆周上约130m长的弧，在上面可设4或N个间隔区分的、开闭可控的空间即排水仓，所有排水仓的集尾水进入口连接水轮发电机组通道的尾水泄出口，按照集尾水和排水的程序要求，依次控制开闭，排水仓的个数与每次排水的时间成正比，与集尾水的容量成反比。

5.根据权利要求1、4所述，排水仓是站立在海底上的、集尾水进入口在垂直100m深处的、直径10m，高度50m的圆筒体，其底部开闭可控，可集尾水约4,000m³，排水仓的上部有一个铁质5,000吨的重力块，排水仓水满底部打开，重力块做自由落体活塞式的重力下坠，重力加速度的势能将排水仓内水排入外面150m-200m深的海水中，然后关闭，重力块在机械力驱动下回升复位，准备下一轮排水。

6.根据权利要求1、4、5所述，排水仓的围壁中空2m，可安装省力不省功的机械，用于重力块的快速提升复位。

7.根据权利要求1、4、5、6所述，排水仓圆筒体围壁内设多个多层接力的系列液压泵装置，支撑重力块垂直向上运动，假设，在圆筒围壁中安装每层十个每个能够举重500吨，行程1米的液压泵装置，分层液压泵装置系列是层层接力的，重力块上升复位的行程50m，需要有50层系列液压泵装置，每一层行程1m，由上一层接力至复位为止。

8.根据权利要求1、4、5、6所述，机械力驱动重力块上升复位，还可以应用滑轮组起重装置的方法，可在排水仓圆筒体的围壁圈内设多个多层接力的系列滑轮组起重装置，提拉重力块垂直向上运动，滑轮组起重装置相对地节约排水仓圆筒体的围壁圈内空间，而且，每一层滑轮组起重装置的行程可以长一些，假设，在排水仓10m直径圆筒体的围壁圈内约32m圆周上，安装5层滑轮组起重装置，每层安装30个起重200吨的滑轮组起重装置，每一层起重行程10m，逐层接力，可尽快使5,000吨的重力块上升复位。

9.根据权利要求1、4、5、6所述，为了加大重力块上升的动力，可在排水仓圆筒体的外围设连接重力块的、可收缩扩张的外围衬托浮力体，重力块自由落体下降时，外围衬托呈收缩状态，重力块上升时，外围衬托呈充气扩张状态成为浮力体，连接排水仓内部的重力块，为重力块上升增加升力，考虑到重力块是从150m水深开始上升的，深水压力作用于浮力体，由于外围衬托浮力体是包围排水仓圆筒体的，可以反作用于深水压力，可以用仿生深海鲸鱼身体的方法，外围衬托浮力体的表面用柔软材料，里面骨架用强韧弹性塑料伸缩支撑以消除深水压力，并设有仿球类内胆或仿鱼鳔装置用以充气，鼓风吹入空气提供浮力，外围衬托浮力体的收缩扩张由巨型钢质发条或电机控制，发条或电机的机械运动和鼓风都是耗电的，也可以不做外围衬托浮力体，把这部分耗电用于更强力的系列液压泵支撑或滑轮组起重装置。

Images