CN112796923A - 一种基于毛细作用的水力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于毛细作用的水力发电装置，包括依次连接的水泵、提水系统、水轮机和发电机，提水系统包括由低向高逐级提水的初级提水单元、多个中间提水单元、以及终级提水单元，终级提水单元向水轮机汇水，水轮机通过净化器向初级提水单元回水，提水单元包括水槽和将水槽中水提高的提水设备，提水设备均包括多个并联连接的基本提水设备。本发明利用由低向高逐级提水的初级提水单元、多个中间提水单元、以及终级提水单元将低处的水分提升至高处，每个提水单元均通过多个基本提水设备并联实现，增大提水量，基本提水设备利用内部的毛细作用实现提水工作，进而利用重力势能水力发电，绿色环保。

Description

一种基于毛细作用的水力发电装置
技术领域
本发明属于毛细作用的水力发电技术领域，具体涉及一种基于毛细作用的水力发电装置。
背景技术
近年来，我国经济高速稳定发展,对电力的需求也不断增加。清洁低碳、安全高效的能源体系越来越受重视，我国电力由过去较为单一的电力构成发展为现在煤电、水电、核电、风电、光伏发电等多种形式,对国家的经济建设起到了强有力的支撑作用。但电力发展还面临一些需要解决的问题,如煤电亏损，核电建设周期较长等，因此，还需要探索新的清洁能源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于毛细作用的水力发电装置，其设计新颖合理，利用由低向高逐级提水的初级提水单元、多个中间提水单元、以及终级提水单元将低处的水分提升至高处，每个提水单元均通过多个基本提水设备并联实现，增大提水量，基本提水设备利用内部的毛细作用实现提水工作，进而利用重力势能水力发电，绿色环保，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：包括依次连接的水泵、提水系统、水轮机和发电机，所述提水系统包括由低向高逐级提水的初级提水单元、多个中间提水单元、以及终级提水单元，终级提水单元向水轮机汇水，水轮机通过净化器向初级提水单元回水，初级提水单元包括初级水槽和将初级水槽中水提高的初级提水设备，中间提水单元包括中间水槽和将中间水槽中水提高的中间提水设备，终级提水单元包括终级水槽、将终级水槽中水提高的终级提水设备和收集终级提水设备输出水且位于终级水槽上侧的排水槽，所述初级提水设备、中间提水设备和终级提水设备的结构均相同且均包括多个并联连接的基本提水设备；
所述基本提水设备包括底部开口的有机玻璃筒和安装在有机玻璃筒底部的有机玻璃筒盖，有机玻璃筒盖的中心开设有出水孔，有机玻璃筒包括上筒和内径小于上筒的下筒，所述上筒由上至下依次设置有第一砂网、反滤层、非饱和土层和第二砂网，第二砂网搭接在下筒的顶部，有机玻璃筒的顶部设置有进水管和出水管，进水管上安装有橡胶管，橡胶管内填塞有吸水层，吸水层的外径尺寸小于橡胶管的内径尺寸，出水管上安装有出水管止水阀，引流层为柔性引流层，所述柔性引流层的一端穿过第二砂网埋设在非饱和土层中，所述柔性引流层的另一端悬挂在下筒内。
上述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述初级提水设备中的橡胶管通过初级提水管与初级水槽连通，初级提水管位于初级水槽内的端部安装有初级提水阀，初级提水管的数量与初级提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应；
所述中间提水设备中的橡胶管通过中间提水管与中间水槽连通，中间提水管位于中间水槽内的端部安装有中间提水阀，中间提水管的数量与中间提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应；
所述终级提水设备中的橡胶管通过终级提水管与终级水槽连通，终级提水管位于终级水槽内的端部安装有终级提水阀，终级提水管的数量与终级提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应。
上述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述初级提水设备中有机玻璃筒盖上的出水孔通过初级集水管与位于最低位的中间水槽连通，最高位的中间提水设备中有机玻璃筒盖上的出水孔通过本级的中间集水管与终级水槽连通，终级提水设备中有机玻璃筒盖上的出水孔通过终级集水管与排水槽连通，排水槽通过排水管向水轮机汇水，排水管上安装有排水阀；
上下相邻的两级中间提水设备中位于低位的有机玻璃筒盖上的出水孔通过本级的中间集水管与位于高位的中间水槽连通。
上述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述水轮机通过回水管向初级水槽回水，回水管上安装有净化器和回水阀。
上述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述有机玻璃筒盖的底部通过支撑架支撑。
上述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述水泵通过第一补水管向初级水槽补水，第一补水管上安装有第一补水阀；
所述水泵通过第二补水管向中间水槽补水，第二补水管上安装有第二补水阀；
所述水泵通过第三补水管向终级水槽补水，第三补水管上安装有第三补水阀。
上述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述水泵上连接有充水排气主管，第一充水排气支管与初级提水管位于初级水槽内的端部连通，第一充水排气支管上安装有第一排气止水阀；
第二充水排气支管与中间提水管位于中间水槽内的端部连通，第二充水排气支管上安装有第二排气止水阀；
第三充水排气支管与终级提水管位于终级水槽内的端部连通，第三充水排气支管上安装有第三排气止水阀。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用由低向高逐级提水的初级提水单元、多个中间提水单元、以及终级提水单元将低处的水分提升至高处，增大提水高度，每个提水单元均通过多个基本提水设备并联实现，增大提水量，实现可观的提水效果，基本提水设备利用内部的毛细作用可以实现自动对有机玻璃筒进行循环补水、排水工作，不仅能满足提水的要求，而且操作简单，提水结果较理想，便于推广使用。
2、本发明提水系统通过利用毛细作用原理将低处水位提升至高处水位，利用提水系统提升的水汇集于水轮机并带动水轮机的转动，利用水轮机的转动带动所连接的发电机进行发电工作，可靠稳定，使用效果好。
3、本发明有机玻璃筒的下筒内安装有柔性引流层对水流起到引流的作用，有机玻璃筒的进水管上安装有橡胶管，橡胶管内填塞有吸水层，通过吸水层润湿后水分的毛细作用实现不间断的提水效果，实施简单巧妙，通过水槽供水以及有机玻璃筒的上筒排气为毛细吸水提供提水基础，在引流层源源不断地出水的情况下，吸水层润湿后水分的毛细作用会不间断的提水，通过初级提水设备向中间水槽提水，通过中间提水设备向终级水槽提水，通过终级提水设备向排水槽提水，循序渐进，周而复始，在非饱和土层和水槽中水无损失的情况下，提水发电过程无需输入能量，水泵仅在提水系统启动及补水时工作，提水过程中，不需水泵供水，利用重力势能水力发电，绿色环保，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，利用由低向高逐级提水的初级提水单元、多个中间提水单元、以及终级提水单元将低处的水分提升至高处，每个提水单元均通过多个基本提水设备并联实现，增大提水量，基本提水设备利用内部的毛细作用实现提水工作，进而利用重力势能水力发电，绿色环保，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构连接示意图。
图2为本发明水泵和提水系统的结构连接示意图。
图3为本发明基本提水设备的结构示意图。
附图标记说明:
1—水泵； 2-1—初级提水单元； 2-2—中间提水单元；
2-3—终级提水单元； 3—提水系统； 4—水轮机；
5—净化器； 6—发电机； 7-1—第一排气止水阀；
7-2—第二排气止水阀； 7-3—第三排气止水阀； 8-1—第一补水阀；
8-2—第二补水阀； 8-3—第三补水阀； 9—回水阀；
10-1—初级水槽； 10-2—中间水槽； 10-3—终级水槽；
11-1—初级提水阀； 11-2—中间提水阀； 11-3—终级提水阀；
12—排水槽； 13—出水管止水阀； 14—有机玻璃筒；
15-1—第一补水管； 15-2—第二补水管； 15-3—第三补水管；
16—回水管； 17—排水阀； 18—支撑架；
19—进水管； 20—出水管； 21—橡胶管；
22—吸水层； 23—第一砂网； 24—反滤层；
25—非饱和土层； 26—第二砂网； 27—引流层；
28—有机玻璃筒盖； 29—出水孔； 30—充水排气主管；
30-1—第一充水排气支管； 30-2—第二充水排气支管；
30-3—第三充水排气支管； 30-4—初级提水管；
30-5—中间提水管； 30-6—终级提水管； 30-7—初级集水管；
30-8—中间集水管； 30-9—终级集水管； 31—排水管。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明所述的一种基于毛细作用的水力发电装置，包括依次连接的水泵1、提水系统3、水轮机4和发电机6，所述提水系统3包括由低向高逐级提水的初级提水单元2-1、多个中间提水单元2-2、以及终级提水单元2-3，终级提水单元2-3向水轮机4汇水，水轮机4通过净化器5向初级提水单元2-1回水，初级提水单元2-1包括初级水槽10-1和将初级水槽10-1中水提高的初级提水设备，中间提水单元2-2包括中间水槽10-2和将中间水槽10-2中水提高的中间提水设备，终级提水单元2-3包括终级水槽10-3、将终级水槽10-3中水提高的终级提水设备和收集终级提水设备输出水且位于终级水槽10-3上侧的排水槽12，所述初级提水设备、中间提水设备和终级提水设备的结构均相同且均包括多个并联连接的基本提水设备；
所述基本提水设备包括底部开口的有机玻璃筒14和安装在有机玻璃筒14底部的有机玻璃筒盖28，有机玻璃筒盖28的中心开设有出水孔29，有机玻璃筒14包括上筒和内径小于上筒的下筒，所述上筒由上至下依次设置有第一砂网23、反滤层24、非饱和土层25和第二砂网26，第二砂网26搭接在下筒的顶部，有机玻璃筒14的顶部设置有进水管19和出水管20，进水管19上安装有橡胶管21，橡胶管21内填塞有吸水层22，吸水层22的外径尺寸小于橡胶管21的内径尺寸，出水管20上安装有出水管止水阀13，引流层27为柔性引流层，所述柔性引流层的一端穿过第二砂网26埋设在非饱和土层25中，所述柔性引流层的另一端悬挂在下筒内。
需要说明的是，利用由低向高逐级提水的初级提水单元、多个中间提水单元、以及终级提水单元将低处的水分提升至高处，增大提水高度，每个提水单元均通过多个基本提水设备并联实现，增大提水量，实现可观的提水效果，基本提水设备利用内部的毛细作用可以实现自动对有机玻璃筒进行循环补水、排水工作，不仅能满足提水的要求，而且操作简单，提水结果较理想；提水系统通过利用土层的毛细作用将低处水位提升至高处水位，将提水系统提升的水汇集于水轮机并带动水轮机的转动，利用水轮机的转动带动所连接的发电机进行发电工作；有机玻璃筒的下筒内安装有柔性引流层对水流起到引流的作用，有机玻璃筒的进水管上安装有橡胶管，橡胶管内填塞有吸水层，通过吸水层润湿后水分的毛细作用实现不间断的提水效果。
实际实施时，有机玻璃筒盖28为向下突出的弧形结构，有机玻璃筒盖28的中心开设有出水孔29，以保证水分的有效排出。
实际使用时，第一砂网23设置在上筒的最上端，用于防止装填材料时反滤层24的材料进入进水管19和出水管20。
优选的，反滤层24采用粗砂，吸水层22和引流层27均采用棉线纤维，吸水层22的外径尺寸小于橡胶管21的内径尺寸，橡胶管21可通过两种类型的水，第一种为重力水，也就是水管内棉线纤维周围的水；第二种为毛细水，也就是棉线纤维之中通过的水，实际安装时，吸水层22伸入至有机玻璃筒14内以防止脱落，非饱和土层25采用非饱和黄土或非饱和一般粘性土，要求颗粒最大粒径不超过0.5mm；塑性指数11％～15％，含水率10％～13％，非饱和土层25充填后用玻璃棒捣实，要求捣实后土的干密度为1.45～1.50g/cm3，土的高度至有机玻璃筒14变径处，并且要求其饱和度为23％～28％，非饱和土层25与有机玻璃筒14内壁必须密切接触，不能漏气。
实时使用时，非饱和土层25也可采用人工合成材料，如孔径4～5μm的砂石板。
本实施例中，所述初级提水设备中的橡胶管21通过初级提水管30-4与初级水槽10-1连通，初级提水管30-4位于初级水槽10-1内的端部安装有初级提水阀11-1，初级提水管30-4的数量与初级提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应；
所述中间提水设备中的橡胶管21通过中间提水管30-5与中间水槽10-2连通，中间提水管30-5位于中间水槽10-2内的端部安装有中间提水阀11-2，中间提水管30-5的数量与中间提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应；
所述终级提水设备中的橡胶管21通过终级提水管30-6与终级水槽10-3连通，终级提水管30-6位于终级水槽10-3内的端部安装有终级提水阀11-3，终级提水管30-6的数量与终级提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应。
本实施例中，所述初级提水设备中有机玻璃筒盖28上的出水孔29通过初级集水管30-7与位于最低位的中间水槽10-2连通，最高位的中间提水设备中有机玻璃筒盖28上的出水孔29通过本级的中间集水管30-8与终级水槽10-3连通，终级提水设备中有机玻璃筒盖28上的出水孔29通过终级集水管30-9与排水槽12连通，排水槽12通过排水管31向水轮机4汇水，排水管31上安装有排水阀17；
上下相邻的两级中间提水设备中位于低位的有机玻璃筒盖28上的出水孔29通过本级的中间集水管30-8与位于高位的中间水槽10-2连通。
本实施例中，所述水轮机4通过回水管16向初级水槽10-1回水，回水管16上安装有净化器5和回水阀9。
本实施例中，所述有机玻璃筒盖28的底部通过支撑架18支撑。
本实施例中，所述水泵1通过第一补水管15-1向初级水槽10-1补水，第一补水管15-1上安装有第一补水阀8-1；
所述水泵1通过第二补水管15-2向中间水槽10-2补水，第二补水管15-2上安装有第二补水阀8-2；
所述水泵1通过第三补水管15-3向终级水槽10-3补水，第三补水管15-3上安装有第三补水阀8-3。
本实施例中，所述水泵1上连接有充水排气主管30，第一充水排气支管30-1与初级提水管30-4位于初级水槽10-1内的端部连通，第一充水排气支管30-1上安装有第一排气止水阀7-1；
第二充水排气支管30-2与中间提水管30-5位于中间水槽10-2内的端部连通，第二充水排气支管30-2上安装有第二排气止水阀7-2；
第三充水排气支管30-3与终级提水管30-6位于终级水槽10-3内的端部连通，第三充水排气支管30-3上安装有第三排气止水阀7-3。
需要说明的是，在关闭第一排气止水阀7-1、第二排气止水阀7-2、第三排气止水阀7-3、出水管止水阀13，打开初级提水阀11-1、中间提水阀11-2、终级提水阀11-3、排水阀17时，由于有机玻璃筒14中非饱和土层25内水的表面张力、重力等作用，水在非饱和土层25中会产生向下的毛细运动，低位水槽中的水会沿橡胶管21上行进入有机玻璃筒14，使非饱和土层25的饱和度不断增大；
当非饱和土层25饱和时，由于毛细作用及重力的作用，水会沿引流层27中的棉线纤维下行，至其末端以水滴形式下落，然后由出水孔29排向高位水槽；
当非饱和土层25饱和后，土的吸力会显著减小，橡胶管21中的重力水会停止供水，但由于出水孔29处水的排泄，会使有机玻璃筒14内反滤层24顶部水的压力减小，从而产生吸附作用，需要补充水分才可达到力学上的平衡，因此会对吸水层22中的水分产生吸附，致使吸水层22的毛细作用加强，这样，水分会由于毛细作用从低位水槽沿吸水层22不断上升，继续对有机玻璃筒14进行源源不断地供水，这样就将低处水槽中的水提升到高位水槽的高度，完成了提水功能。
本发明使用时，包括以下过程：
首先，水槽供水：关闭第一排气止水阀7-1、第二排气止水阀7-2、第三排气止水阀7-3、回水阀9、初级提水阀11-1、中间提水阀11-2、终级提水阀11-3、出水管止水阀13和排水阀17，打开第一补水阀8-1、第二补水阀8-2和第三补水阀8-3，由水泵1向初级水槽10-1、各个中间水槽10-2和终级水槽10-3进行供水；
其次，有机玻璃筒的上筒排气：关闭第一补水阀8-1、第二补水阀8-2、第三补水阀8-3，打开第一排气止水阀7-1、第二排气止水阀7-2、第三排气止水阀7-3、出水管止水阀13；由水泵1向有机玻璃筒14注水直到出水管20溢出水后停泵，此时有机玻璃筒14中非饱和土层25以上空气排尽且反滤层24充满水；
然后、提水系统提水：关闭第一排气止水阀7-1、第二排气止水阀7-2、第三排气止水阀7-3、出水管止水阀13，打开回水阀9、初级提水阀11-1、中间提水阀11-2、终级提水阀11-3、排水阀17；
初级提水设备通过其内的吸水层22和引流层27的毛细作用将初级水槽10-1的水分提升至位于最低位的中间水槽10-2中；
上下相邻的两级中间提水设备中位于低位的中间提水设备通过其内的吸水层22和引流层27的毛细作用将本级的中间水槽10-2的水分提升至位于高位的中间水槽10-2中；
最高位的中间提水设备通过其内的吸水层22和引流层27的毛细作用将本级的中间水槽10-2的水分提升至终级水槽10-3中；
终级提水设备通过其内的吸水层22和引流层27的毛细作用将终级水槽10-3的水分提升至排水槽12中；
最后，发电机发电：排水槽12中的水分排出，汇集于水轮机4，带动水轮机4的转动并带动发电机6进行发电；水分经过水轮机4后排向净化器5进行水分的处理工作后，经回水管16进入初级水槽10-1；以此往复，实现提水发电工作。
当水分发生蒸发损耗时，打开第一补水阀8-1、第二补水阀8-2、第三补水阀8-3，利用水泵1对初级水槽10-1、中间水槽10-2和终级水槽10-3进行水分的补充；
当非饱和土层25损失且失去吸水能力时，及时分批对提水系统3中的非饱和土层25进行检修或更换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：包括依次连接的水泵(1)、提水系统(3)、水轮机(4)和发电机(6)，所述提水系统(3)包括由低向高逐级提水的初级提水单元(2-1)、多个中间提水单元(2-2)、以及终级提水单元(2-3)，终级提水单元(2-3)向水轮机(4)汇水，水轮机(4)通过净化器(5)向初级提水单元(2-1)回水，初级提水单元(2-1)包括初级水槽(10-1)和将初级水槽(10-1)中水提高的初级提水设备，中间提水单元(2-2)包括中间水槽(10-2)和将中间水槽(10-2)中水提高的中间提水设备，终级提水单元(2-3)包括终级水槽(10-3)、将终级水槽(10-3)中水提高的终级提水设备和收集终级提水设备输出水且位于终级水槽(10-3)上侧的排水槽(12)，所述初级提水设备、中间提水设备和终级提水设备的结构均相同且均包括多个并联连接的基本提水设备；
所述基本提水设备包括底部开口的有机玻璃筒(14)和安装在有机玻璃筒(14)底部的有机玻璃筒盖(28)，有机玻璃筒盖(28)的中心开设有出水孔(29)，有机玻璃筒(14)包括上筒和内径小于上筒的下筒，所述上筒由上至下依次设置有第一砂网(23)、反滤层(24)、非饱和土层(25)和第二砂网(26)，第二砂网(26)搭接在下筒的顶部，有机玻璃筒(14)的顶部设置有进水管(19)和出水管(20)，进水管(19)上安装有橡胶管(21)，橡胶管(21)内填塞有吸水层(22)，吸水层(22)的外径尺寸小于橡胶管(21)的内径尺寸，出水管(20)上安装有出水管止水阀(13)，引流层(27)为柔性引流层，所述柔性引流层的一端穿过第二砂网(26)埋设在非饱和土层(25)中，所述柔性引流层的另一端悬挂在下筒内。
2.按照权利要求1所述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述初级提水设备中的橡胶管(21)通过初级提水管(30-4)与初级水槽(10-1)连通，初级提水管(30-4)位于初级水槽(10-1)内的端部安装有初级提水阀(11-1)，初级提水管(30-4)的数量与初级提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应；
所述中间提水设备中的橡胶管(21)通过中间提水管(30-5)与中间水槽(10-2)连通，中间提水管(30-5)位于中间水槽(10-2)内的端部安装有中间提水阀(11-2)，中间提水管(30-5)的数量与中间提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应；
所述终级提水设备中的橡胶管(21)通过终级提水管(30-6)与终级水槽(10-3)连通，终级提水管(30-6)位于终级水槽(10-3)内的端部安装有终级提水阀(11-3)，终级提水管(30-6)的数量与终级提水设备中基本提水设备的数量相等且一一对应。
3.按照权利要求1所述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述初级提水设备中有机玻璃筒盖(28)上的出水孔(29)通过初级集水管(30-7)与位于最低位的中间水槽(10-2)连通，最高位的中间提水设备中有机玻璃筒盖(28)上的出水孔(29)通过本级的中间集水管(30-8)与终级水槽(10-3)连通，终级提水设备中有机玻璃筒盖(28)上的出水孔(29)通过终级集水管(30-9)与排水槽(12)连通，排水槽(12)通过排水管(31)向水轮机(4)汇水，排水管(31)上安装有排水阀(17)；
上下相邻的两级中间提水设备中位于低位的有机玻璃筒盖(28)上的出水孔(29)通过本级的中间集水管(30-8)与位于高位的中间水槽(10-2)连通。
4.按照权利要求1所述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述水轮机(4)通过回水管(16)向初级水槽(10-1)回水，回水管(16)上安装有净化器(5)和回水阀(9)。
5.按照权利要求1所述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述有机玻璃筒盖(28)的底部通过支撑架(18)支撑。
6.按照权利要求1所述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述水泵(1)通过第一补水管(15-1)向初级水槽(10-1)补水，第一补水管(15-1)上安装有第一补水阀(8-1)；
所述水泵(1)通过第二补水管(15-2)向中间水槽(10-2)补水，第二补水管(15-2)上安装有第二补水阀(8-2)；
所述水泵(1)通过第三补水管(15-3)向终级水槽(10-3)补水，第三补水管(15-3)上安装有第三补水阀(8-3)。
7.按照权利要求2所述的一种基于毛细作用的水力发电装置，其特征在于：所述水泵(1)上连接有充水排气主管(30)，第一充水排气支管(30-1)与初级提水管(30-4)位于初级水槽(10-1)内的端部连通，第一充水排气支管(30-1)上安装有第一排气止水阀(7-1)；
第二充水排气支管(30-2)与中间提水管(30-5)位于中间水槽(10-2)内的端部连通，第二充水排气支管(30-2)上安装有第二排气止水阀(7-2)；
第三充水排气支管(30-3)与终级提水管(30-6)位于终级水槽(10-3)内的端部连通，第三充水排气支管(30-3)上安装有第三排气止水阀(7-3)。
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