CN113898520A - 一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置 - Google Patents

Abstract

一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置，是建设在海床之上的深海中、或是建造一个海面浮体下悬挂结构，由开放储能空间、封闭产能空间和开闭可控导能空间组成的一个整体系统性的深海水电站。

Description

一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置

技术领域

本发明涉及一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置：在深海中建一个有进水口的、类似于江河高水坝内置水轮发电机那样的封闭空间。驱动水轮发电机之后的尾水，从封闭空间持续流入由N个分区间隔的排水仓组成的开闭可控空间，每个排水仓上方有一个重力块，下底部是开闭可控空间排水仓的排水门。排水仓水满，重力块自由落体下坠的重力势能加压于满仓的尾水，排水仓的底部打开排水，然后底部关闭，机械力起重使重力块回升复位。数个排水仓轮流开闭排水，保持整个系统的、分区间隔的、开闭可控的空间不停地集排尾水。保持进水源源不断地驱动水轮发电机。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”、“牛顿力学定律”。关于适用定理的问题，本发明技术方案将在本说明书的“发明内容”部分给予详细论证。

背景技术

本发明创造的背景技术是高坝水电，是成熟的技术。但是，严格地说，水库水只有静止重力而无动力发电，只有从高坝高水头进水口运动的水才有重力势能驱动水轮发电机发电，而水运动的重力势能是地心引力赋能的。所以，水力发电，实质上是引力发电。高坝的高低落差造成了水运动的条件。高坝水库储存了巨大的引力能，运动的水是引力传导的介质，把能量传送至水轮发电机，驱动发电。流动的水体是引力能的载体和导体。水力发电了，它只是引力发电的其中一种技术方案。所以，只要有了适用的技术方案，引力是可以被利用发电的。根据高水坝发电的背景技术，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，储存尽量大的引力能。高水坝是一个人类创造：它创造了水库储存引力能的开放储能空间；它创造了高坝腹内安放水轮发电机发电的封闭产能空间；它创造了高坝电站发电后尾水进入下游河道的导能空间。这前后开放的、中间封闭的三个空间是一个整体运动的体系，是一个引力发电的流程。只要能够把这三个空间联系畅通，承载和传导引力的流体介质能够顺畅流动，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体系，进水能发电，抽水排水耗电大于或等于发电量，根据能量守恒定律，就没有实用性。关键要有一个适用的技术方案，在适用能量守恒定律的条件下，把水力发电的三个空间连接形成科学合理的体系流程，这样的技术方案就有实用性。高水坝是人类熟悉的一个创造发明，它创造了高水头发电，它还创造了低水头排水。高、低水头缺一不可能发电。但是，人们在看待高水坝电站的时候，往往着眼于前者而忽视后者的重要性。江河依照天然地理形势流动，只着眼于某一江流段则上下游落差不明显。是高水坝的建设创造了高水头发电和低水头排水的高低落差，下游低水头排水的不是天然河道，而是高水坝创造的低水头排水条件。在高坝水电的体系中，低水头排水的重要性甚至高于高水头发电，因为高水坝电站的原则之一，就是尾水的泄口必须高于下游河道。只有这样，尾水才能从地心引力那里获得高于地势阻力的重力势能，才能顺利地顺着河道排走。尾水排泄的动能也是来自于引力赋予的重力势能，而司空见惯高坝水电的人们往往看不到这一点。“一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置”这个体系就是借鉴高坝水电技术的发电和排水的原理，设计了一个相似于高坝水电的三个空间整体体系的技术方案。关键的是，这个技术方案是否适用能量守恒定律。

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。具体到水力发电，由于是一种引力能或重力势能转化为机械能，再转化为电能的能量转化形式，根据能量守恒定律，发电机发电存在电能转化效率、水流过程存在沿程摩擦损失、水轮机等各传动机构存在摩擦现象等，在计算一个系统的输入总能量(重力势能)，转换成另一种能量形式，即电能量输出的时候，应考虑各项能量损失等。但是，在系统的运动能量形式转化的过程中，摩擦阻力造成的能量损耗一般是小量，而且，输入总能量和输出总能量(包括损耗能量)是能够被量化、被计算出来的。其宗旨是：尽管能量形式可以转化，能量的总量保持不变。以高坝水力发电为例，我们熟悉的水力发电公式：P＝9.8QHη。公式中：P是发电功率KW；9.8是重力势能常数；Q是引用秒流量，H是水头高度；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均已经能达到90％，因此，90％＊90％＝81％。水力发电的能量转换效率η是81％。也就是说，能量损耗是19％。以三峡电站为例计算能量转换的总能量输入和输出。根据能量守恒定律，输出、输入总能量相等。坝高185m，最高蓄水位175m，最高水头110m，低水头65m。三峡电站这个系统的输入总能量是 175m重力势能增量；输出总能量＝110m高水头重力势能的效率η81％的发电量+机械传输摩擦阻力能量损耗19％+65m低水头用于尾水排放的重力势能增量。本发明的技术方案也能够按照高坝水电的计算公式，适用能量守恒定律。

水力发电是引力发电，即是重力势能发电，适用牛顿力学定律：第一定律，一切物体在没有受到外力或合力为零的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。第二定律，物体在受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小与合外力的大小成正比，与物体的惯性质量成反比。第三定律，两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。就“一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置”适用牛顿力学定律的问题，本发明的重力块静止零位势和排水仓底部未打开的时候适用第一定律；水力发电是在重力势能的作用下做功，运动水体重力势能的增量和方向适用第二定律；运动水体和各机械部件传动摩擦阻力适用第三定律。尤其是第二定律条件下的重力势能，是水力发电的主要凭借依据。根据《中国三峡建设》期刊1998年第5期的文章“三峡水电站进水口形式选择”(作者石瑞芳、魏永晖 电力部西北勘测设计研究院三峡工程厂房专家组、北京三峡总公司技委会)介绍：“三峡电站共安装单机容量 700MW的机组26台.机组压力管道长150m.直径12.4m，单机引用流量966.4m³/s。”就是这 966.4m³/s的引用流量，在重力势能的作用下冲击水轮发电机发电。

正是因为重力势能，在适用能量守恒定律的情况下，引力能形式转化为电力能形式的过程与结果，与化学能形式转化为电力能形式过程与结果，有一般性的不同。化石燃料通过燃烧产出热力能转化为电力能，燃尽之后热力能也耗尽了，这是化学能的“有穷性”。也是不可再生的化石能源的“有穷性”。根据能量守恒定律，化学能转化为电能是自洽的，在完全转化之后就完结了。引力能的重力势能形式通过流体运动的传动转化为机械能再转化为电力能。根据能量守恒定律，一定体积和质量的运动水体传导重力势能发电的过程是自洽的，也就是说，进水发电的过程是自洽的。但是，与化学能转化过程的不同是，重力势能在转化为电能之后没有完结，因为还有接续的尾水排泄过程，排泄还需要能量。实践观察表明，水轮发电机的尾水仍然具有能量流动，没有被耗尽榨干。因为根据第二定律，引力的大小与物体的质量成正比。地球的质量与一定大小体积质量的水体相比是无比巨大的，是始终存在的，其赋予运动水体的重力势能是源源不尽的，这是引力能的“无穷性”，也是可再生性能源的“无穷性”。在适用能量守恒定律的问题上，存在着不可再生性能源转化形式和可再生性能源转化形式的“有穷性”与“无穷性”，是一般性的不同。从而使引力能的重力势能形式转化为电力能形式成为现实，高坝水力发电已经证实了引力能的重力势能形式能够转化为电力能，所以，引力发电的技术方案必然不终止于高坝水电，新的可行性的技术方案有待发现。

发明内容

一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置，是建设在海床之上的深海中、或是建造一个海面浮体下悬挂结构，是一种由两个独立有区别但又相互相关的深海进水发电的子系统和深海排水仓重力块排放尾水的子系统组成总体系统的深海水力发电站的技术方案，电站总体系统可分为海洋开放储能空间、封闭产能空间和开闭可控导能空间。其具体内容如下：

开放储能空间：水流体是引力能的承载体和传导体。从高坝水电的角度看，海洋是一个无比巨大的水体，其质量体蕴藏着无穷尽的引力能，而高坝水库储存的引力能只能与其库容成正比。所以，高坝水库储能有限量。而海洋储能无限量；

封闭产能空间：从水面垂直到250m(本说明书中所有数字只作为举例使用，但在计算论证技术方案可行性的时候，可以代入算式)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、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，以圆筒体为中心圆，在圆筒体外围圈同心圆周上，从进水口等角度辐射出去6条3维度的、适合安放进水输水管和水轮发电机的通道，即是每条从80m到100m水深的长100m的通道空间，作为封闭空间的安放进水输水管和水轮发电机的地方，6台水轮发电机也处于一个同心圆周上。从80m水深的进水口，高压水流进入1条4m直径的管道，流速为10m/s，驱动安装在80m到100m深度通道尽头的水轮发电机。尾水泄放口也处于一个同心圆周上。尾水依次进入排列在一个同心圆周上的筒形排水仓，由排水仓上方的重力块下坠重力势能排水，重力块由安装在排水仓圆筒内壁的起重装置回升复位。所以，从水面垂直到250m海床的圆筒体、从80m深处进水口开始到100m深的斜通道安装进水输水管和水轮发电机空间、从长100m的通道直到水轮发电机尾水泄水口，还有排水仓圆筒安装起重装置的内壁，是属于进水发电的子系统，是封闭的产能空间，封闭的产能空间内保持正常压力，区别于外部深海压力；

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；9.8是一个重力势能常数，；Q是引用秒流量，在本发明技术方案中，等于4米直径水管的截面积＊流速10m/s＝125.6m³/s；H是水头高度80+20＝100m；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％。本项发明的一台深海水轮发电机的发电功率是(理论上)9.8＊125.6＊100＊81％＝99，701.28kw。本项发明的深海水力发电站在80m至100m的水中平面上建有6条等角度辐射形的3维度的通道，共安装6台水轮发电机，发电量6x99,701.28＝598,207.68kw(理论上)。根据能量守恒定律，本项发明的进水发电系统的输入输出总能量相等，即是输入水能＝发电功率输出+(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自洽。到此为止，本项发明进水发电的技术方案与一般的江河高坝水力发电原理无异，都是引力造成水体运动的重力势能发电。本项发明的关键不同之处在于排放尾水的技术方案。

开闭可控的导能空间：封闭空间的中心圆筒体半径10m，加上辐射出去安装输水管和水轮发电机通道100m，是半径110m的圆，圆周是690.8m长，是一个连接6个水轮发电机尾水泄水口的同心圆环形尾水泄道。每个等角度辐射的输水管和水轮发电机通道可等分得圆周上约115m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，负责每台水轮大电机排尾水的排水仓个数与排水仓每次进水排水的所需时间和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20m，高度100m的圆筒体，其底部开闭可控，可集尾水约31,400mw。

排水仓的上部有一个铁质5,000吨的重力块，是一个集箱式的多模块的零整结构体，重力块整体巨大，化整为零、化零为整的集箱式结构利于安装和卸除。重力块形状的圆柱体与排水仓圆筒体内径吻合。排水仓水满，重力块做自由落体活塞式的重力下坠到一定高度，排水仓底部打开，重力块的重力势能与排水仓内的尾水体合力合体，将排水仓内的尾水排入外面200m-250m深的海水中，然后排水仓底部关闭。重力块的下行程与排水仓的高度相同。重力块在排水仓最高度零位势时，由自动控制机制固定，然后松开下坠排水，直至触碰到托底结构停止。在排水仓内上下运动的重力块与排水仓内壁起重装置的起重挂钩栓相连，重力块在机械力驱动下起重回升复位，准备下一轮排水。

排水仓设双层围壁中空宽2m，可安装系列多层的滑轮组起重装置机械，用于接力提升重力块复位。排水仓的双层中空围壁和其内安装系列多层的滑轮组起重装置机械属于进水发电子系统，是总体系统中的两个子系统的关联，滑轮组起重装置机械的耗能是发电过程中的机械传动耗能，从进水发电量中减除。应用滑轮组起重机耗能功率公式计算。

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，保持整个系统分区间隔的、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。所以，从100m水深的水轮发电机尾水泄水口到690.8m长圆周的环形尾水泄道上的一系列20m直径、高100m的开闭可控排水仓和排水仓上部的排水重力块，是开闭可控的导能空间，开闭可控的导能空间关闭的时候有正常压力。开闭可控的导能空间起到如高坝水电低水头下游河道排水的作用。

建造一个海面浮体下悬挂结构。考虑到在深海海床上建设工程的复杂性和整体电站需要在海上移动的可能性，可以把总体系统的电站结构建造悬挂在一个海面浮体底部，以海面浮力代替海床的承重力。浮体内部空间可以作为办公控制区域。总体系统的电站悬浮在海床之上，方便发电尾水排出。电站结构可以在陆地上以模块分段建造，海上模块分段组装的办法，避免海底建设工程的困难。还可以对海上浮体电站加装驱动力，或以拖拽动力进行必要的海上转场移动。

以上分为三个空间：开放储能空间、封闭产能空间、开闭可控导能空的“一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置”的水电站，是如本说明书附图展示的同心圆结构，安排水轮发电机和排水仓的空间位置，根据地形条件等实际情况，水轮发电机和排水仓的安排也可以是方形矩阵或其他形状结构，总之，是分区间隔的开闭可控空间的排水仓轮流，是利用重力块的重力势能增量实现排出尾水。

水力发电是引力能在水流运动的传导下通过重力势能的形式转化为电能。水力发电的关键之一在于尾水排放能够川流不息。本发明技术方案的关键在于多个开闭可控空间的排水仓及其重力块的设计，使尾水排放能够轮流不断。排水仓循环相连，每个排水仓的一次进水和排水运动闭环可称之为“一个循环”。在引力作用下，水流循环运动朝向地心，其方向是：进水发电→排水仓满水→重力块的重力势能排水→重力块起重复位。准备下一轮排水。水流循环运动是在空间和时间中进行的，一个排水仓水满的时间就是“一个循环”的所需时间。“一个循环”要适用能量守恒定律，也就是说，在总输入能量与总输出能量相等的条件下，“一个循环”的时间内，进水产能与排水耗能之和必须为正。由于排水仓的集尾水容量为31,400m³，进水发电引用流量为125.6m³/s，排水仓装满尾水需要时间＝31， 400/125.6＝250秒。本发明技术方案的另一个关键是重力块排水，适用牛顿力学定律，也就是说，重力块的重力势能增量必须大于排水仓外部的深海压力，才能排出尾水。根据能量守恒定律，本发明的技术方案：总输入能量＝总输出能量＝发电有用能量+发电机械传输损耗能量+重力块起重所耗能量。

一个系统的总能量输入是能够被计算量化的，一个系统的总能量输出及其传动和摩擦能量损耗也是可以被计算和量化的。本发明技术方案系统的总能量输入＝进水发电高水头 100m的重力势能增量+重力块排水下坠100m的重力势能增量；总能量输出＝发电产能+ 发电耗能+重力块起重复位的耗能+重力块排水的重力势能。重力块排水的能量输入和输出相等，按照牛顿第三定律，作用力与反作用力相等，重力块在触底的时候，输入输出能量相等。

本发明技术方案的系统性可分为两个子系统：进水发电的子系统和重力块排水的子系统，两个子系统的功能及其物理运动既有区别又紧密相关。进水发电的子系统总能量输入＝高水头100m的重力势能增量。总能量输出＝发电产能+发电耗能+重力块起重耗能，因为重力块起重耗能实际上是进水发电过程中的机械传动耗能，应该与水轮发电机的机械传动耗能相加，把耗能量从进水发电量中减除。该子系统的能量输入输出相等。重力块排水的子系统总能量输入输出根据牛顿第三定律作用力与反作用力相等，只要重力块的重力势能增量大于排水仓外部深海压力，就能成功排出尾水。根据以上分析，引用本发明技术方案中的设计数据：发电高水头100m；引水管直径4m；流速10m/s；引用流量125.6m³/s；重力块5000吨；圆筒排水仓直径20m，高100m。适用下列公式：

重力公式G＝mg。公式中的G是重力，m是物体重量(在本发明技术方案中是重力块5000吨，是一个假设数值，在实际设计中，可以通过实验获得最佳数值)，g是重力常数＝1公斤/9.8N；

重力势能公式EG＝mgh。公式中EG是重力势能，m是物体重量，g是重力势能常数，h是自由落体行程，即是重力块下坠高度(在本发明技术方案中是100m)，表现出自由落体运动的重力势能增量；

起重耗能公式P＝mgh/t。公式中P是起重耗能，重力＝mg，h/t是起重速度＝起重向上行程/所需时间(以秒为单位)。在本发明技术方案中“一个循环”所需时间250秒，假设排水用50秒，重力块自由落体每一秒向地心运动2m，起重用200秒，重力块向上运动每2 秒/1m，起重速度是100m/200s＝1/2.；

高坝水力发电公式P＝9.8QHη。公式中P发电功率，g＝9.8，Q是引用流量＝流速乘以进水管截面积(在本发明技术方案中，假设进水管直径4m，流速10m/s)，H是水头高度(在本发明创造中是100m)，η是水轮发电机工作效率，一般的水轮机效率90％以上，发电机效率90％以上，η＝90％＊90％＝81％。由于本发明技术方案以排水仓重力块的设计代替了高坝水电的低水头排水，还需要从高水头水力发电产能中减去重力块起重耗能。因此，“一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置”的发电公式是P＝9.8QHη-(p＝mgh/t)。

可以计算量化总能量的输入输出，以验证适用能量守恒定律如下：

系统的总能量输入＝进水高水头100m的重力势能+重力块排水下坠100m的重力势能＝(125.6m³/吨＊9.8＊100m+5000吨＊9.8＊100m)＊1000KG/N＝(123,088+4,900,000)＊1000 ＝5,023,088,000N

在计算系统的总能量输出之前，先计算发电产能、发电耗能、重力块起重复位耗能。

发电产能＝P＝9.8QHη-(p＝mgh/t)＝9.8＊125.6m³＊100m＊81％＊1000-(5000吨＊9.8＊100/200＊1000)＝75,201,280N

发电耗能(发电过程中机械传动摩擦阻力损耗能)＝9.8QH＊19％＊1000＝9.8＊125.6 m³＊100m＊19％＊1000＝23,386,720N

重力块起重复位耗能＝p＝mgh/t＝m＊g＊h/t＝5000吨＊9.8＊100m/200s＊1000＝24,500,000N

系统的总能量输出＝发电产能+发电耗能+重力块起重复位的耗能+重力块排水的重力势能＝75,201,280+23,386,720+24,500,000+4,900,000,000＝5,023,088,000N。

组成本发明技术方案总系统的两个子系统的总能量输入输出也是相等的。

进水发电的子系统总能量输入＝高水头100m、引用流量125.6m³的重力势能＝123,088,000N。总能量输出＝发电产能+发电耗能+重力块起重耗能＝75,201,280+23,386,720+24,500,000＝123,088,000N。

重力块排水的子系统总能量输入输出根据牛顿第三定律作用力与反作用力相等＝5000 吨＊9.8＊100m＊1000＝4,900,000,000N

以上表明，本发明技术方案的系统总能量输入和输出相等，都是5,023,088,000N，系统的机械传动摩擦阻力耗能已经被计算在内。因此，适用能量守恒定律。

如果用能量发电功率KW来表示的话，进水输入能量功率＝125.6m³＊9.8＊ 100m＝123,088KW。输出能量功率＝发电功率+耗电功率+重力块起重耗电功率＝75,201.28KW+23,386.72KW+24,500KW＝123,088KW。“一个循环”的输入能量功率与输出能量功率相等，适用能量守恒定律。

如果用能量的发电量KW/hour/千瓦时/一度电单位来表示的话，就要证明“一个循环”的时间内，输入能量转换为发电量大于或与(发电量+机械传动摩擦阻力耗电量+重力块起重耗电量)相等。每小时3600秒，“一个循环”时间250秒＝0.074小时。“一个循环”的重力块起重时间200秒＝0.063小时。“一个循环”的输入能量转换为电量＝123,088KW/h＊0.074＝9,108.51度电。“一个循环”的输出能量转换为电量＝ (75,201.28KW/h＊0.074)+(23,386.72KW/h＊0.074)+(24,500KW/h＊0.063)＝8,839度电。“一个循环”的输出能量转换成电量之所以小于输入能量转化的电量，是因为重力块起重的所耗时间200秒少于“一个循环”的时间250秒，有50秒时间重力块是静止零位势没有外力相加的，这段时间是不耗费电量的。所以，省下的电量相加于“一个循环”的正发电量，是正净发电量＝(输入能量转换的发电量123,088KW/h＊0.074)-(发电的机械传动耗能 23,386.72KW/h＊0.074)-(重力块起重的耗能24,500KW/h＊0.063)＝9,108.51-1730.61- 1543.50＝5834.40度电。“一个循环”的发电量大于重力块起重耗电量，有正净发电量是因为在“一个循环”时间内：

重力块的起重耗能用于克服起重5000吨重力块的稳定重力，耗电量＝1543.50度电。

100m高水头125.6m³引用流量的重力势能增量发电减去发电机械传动摩擦阻力耗能＝9,108.51-1730.61＝7,377.90度电。

所以，100m高水头125.6m³引用流量的重力势能增量发电量7,377.90度电大于5000 吨重力块的起重耗电量1543.50度电，正净发电量＝7,377.90-1543.50＝5,834.40度电，是因为起重不产生重力势能增量，而进水发电应用了重力势能增量。以上计算不包括重力块起重的摩擦阻力系数。重力块起重采用滑轮组机械传动。滑轮组相当于杠杆原理，每个滑轮组省力一半，但是传动的距离也加长了，滑轮组省力不省功，在实际设计中，要计算起重物重量、起重行程的高度和时间来决定合适的起重滑轮组传动比。在本发明的技术方案中，没有给出重力块起重的有用功率η的系数和摩擦阻力系数，但是，因为起重所需功率只用于克服重力块的重力，而高水头进水发电有强大的重力势能增量。在两种不同形式的运动中，重力势能增量相对于重力有比较优势，所以，进水发电大于重力块起重耗电。根据以上计算，在最保守的情况估计下，即使起重摩擦阻力系数大到50％，起重功率和耗能倍加，进水发电仍然有很可观的正净发电量。无论如何，起重有用功率η的系数要在实际设计中才能获得。

重力势能发电已经不是新发明，成熟的高坝水电就是重力势能发电，是引力赋能的，是引力能发电的一种技术方案。只要有了科学合理的引力能发电技术方案，使一个系统的输入总能量大于或与输出总能量相等，这个技术方案就是自洽实用的。“一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置”是一个引力能发电的技术方案，在高坝水力发电的原理上，发明了开闭可控空间排水仓轮流和重力块排水的创造设计。重力块排水是一个相对独立区别的过程，根据牛顿力学第三定律作用力与反作用力相等，重力块排水也是自洽的。由于重力块排水后的起重复位耗电要消耗进水发电量，也就是要使用外界电能，所以，重力块排水与进水发电又是联系相关的。关键是重力块的重力势能增量能够克服排水仓外的深海水压，把尾水排出去。是5000吨铁质重力块在排水仓内的水中自由落体100m的重力势能增量能够大于深海200m在排水仓外底部面积上的压力，同时，还要考虑排水仓内的水对重力块下坠的摩擦阻力问题。

在实现排水之前，5000吨铁质重力块位于排水仓上方处于零位势状态，其重力等于 5000吨＊9.8＊1000N＝49,000,000N。直径20m高100m的排水仓外，200m深海(海水密度1)作用于排水仓外底部的压力＝πr²＊1＊9.8＊200m＊1000N＝615,440,000N。根据牛顿力学第一定律，这两个力处于静止或匀速直线运动状态，两者之间还没有相对运动关联。要实现排水，重力块要做出相对运动。在开闭可控空间的排水仓内，排水仓内是正常的压力，仓外是深海压力。重力块与满仓的尾水同处于正常压力下，在重力块做出相对运动之前，满仓的尾水对重力块底部不形成摩擦阻力。重力块开始下坠，密度约为8的铁质重力块与密度1的尾水发生相对运动，产生相互作用。在地心引力作用下，重力块和仓内尾水水体的运动方向都是朝向地心，重力块对尾水体起到活塞挤压的作用，形成合体合力，大约在重力块下降到13m的时候，重力块的重力势能增量达到大于外部深海压力的程度，此时排水仓的底部打开，合体合力的重力块和尾水体把仓内尾水冲出排水仓外，然后，排水仓的底部关闭，重力块起重复位。由于地心引力的作用，5,000吨的重力块和31,000多吨的尾水体合体合力朝向地心做自由落体运动，排水过程中的重力势能增量更加巨大。在地心引力作用下，铁质重力块的密度大于海水，两者合体合力的运动方向是地心，重力块作垂直直线下坠，所以，排水仓内的尾水虽然在在重力块下坠的初始产生摩擦阻力、重力块与排水仓的仓壁产生的摩擦阻力，都是微小的，特别是在排水仓的底部打开，合体合力之后，摩擦阻力就消失了，因此，重力块排水的摩擦阻力可以忽略不计。

综上所述，本发明的技术方案中，总系统的能量输入等于能量输出。总系统能量输入的功率等于能量输出的功率。总系统的能量输入转换为发电量等于或大于能量输出转换为发电量。两个子系统的能量输入和输出均相等。重力块排水的重力势能增量＞进水发电的重力势能增量＞重力块起重的耗能量。进水发电的输入能＝进水发电的有用能+进水发电机械传动消耗能+重力块起重的消耗能。进水发电有用功率＞进水发电机械传动消耗功率+重力块起重的消耗功率。进水发电量＞进水发电机械传动消耗电量+重力块起重的消耗电量。

本说明书引用了三峡电站单机进水发电的有关数据作为例证。本发明技术方案的假设数据变量是非常保守的，在重力块重力不变和水越深重力势能变量越大的情况下，即使是重力块起重的向上行程也有相应增加，重力块起重的耗能也只因行程增加而简单增加，重力块和引用流量的重力势能增量却是几何级的增加。本发明技术方案的各个变量：水深、进水管径、引用流量、重力块物理重量、排水仓直径及高度，一个循环时间等等都留有了很大的潜力余地。本发明技术方案的原理与高坝水力发电相似。由于需要减去重力块起重的耗能，发电量需要减除重力块起重的耗电量，理论上，发电量少于高坝水电。但是，由于海洋储能巨大无穷，水环境稳定恒定，没有丰枯期，发电没有波峰低谷，有无可比拟的优势。

附图说明：

图1：一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置的立体效果图

1、深海电站垂直贯通电梯入口；

2、3、4、5、6、7，深海高水头进水口；

8、9、10、11、12、13，水轮发电机；

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的环形尾水泄水道；

44、45、46，办公和仪表控制区；

47，储电蓄电变电区域，往外连通海底输出电电缆；

48，海底；

49，海面；

图2：一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置的俯视图

1、深海电站垂直贯通电梯入口；

2、3、4、5、6、7，深海高水头进水口；

8、9、10、11、12、13，水轮发电机；

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的环形尾水泄水道。

图3：一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置的单个集尾水排水仓工作示意图

1、深海电站垂直贯通电梯入口；

2、深海高水头进水口；

3、环形深海进水口槽；

4，水轮发电机；

5、水轮发电机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滑轮组起重装置；

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、13、14、15、16，圆筒体围壁内的分层接力的滑轮组起重装置，顶层自动控制松开，重力块就自由落体下坠；

17、18、19，站立海底的桩脚，周围的外部海水空间承接排出尾水，桩脚支撑承重整个集尾水排水仓；

20、21、22，办公和仪表控制区；，

23、储电蓄电变电区域，往外连通海底输出电电缆；

24、海底；

25、海面。

图4：一种深海开闭可控空间加重力块排水的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，排水仓的底部排水口打开；

5，深海高水头进水口；

6，水轮发电机；

7，水轮发电机尾水泄水口连通集尾水排水仓；

8、9、10、11、12、13、14、15、16、17，排水仓圆筒壁内的分层接力的滑轮组起重装置；

1，8、19、20，站立海底的桩脚，周围的外部海水空间承接排出尾水，桩脚支撑承重整个集尾水排水仓；

21，海底；

22，海面；

23、24、25、26，海洋

图5：一种深海开闭可控空间加重力块排水的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，排空了尾水，即将回程上升复位；

2，集尾水排水仓的上部已空无水；

3、4，排水仓的底部排水口已经重新关闭；

5，深海高水头进水口；

6，水轮发电机；

7，水轮发电机尾水泄水口连通集尾水排水仓；

8、9、10、11、12、13、14、15、16、17，排水仓圆筒壁内的分层接力的滑轮组起重装置；

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

21，海底；

22，海面；

23、24、25、26，海洋。

图6：一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置的排水仓围壁内的一段圆周弧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。

图7：高坝水电的三个开闭空间展示图

1，开放储能空间水库；

2、3，封闭产能空间高坝体；

4，开放导能空间低水头下游河道；

5，高水头进水口；

6，水轮发电机；

7，水轮发电机尾水排泄口。

图8：一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置的三个开闭可控空间展示图

1、2、3、4、5、6、7、8，开放储能空间海洋；

9、10、11，封闭产能空间的管控办公区域和进水管及水轮发电机通道；

12、13，开闭可控的导能空间排水仓；

14、15，开闭可控空间排水仓的底部排水出口；

16、17，重力块；

18、19，深海高水头进水口；

20、21，水轮发电机；

22、23，水轮发电机尾水出口；

24，深海电站入口。

图9：海面浮体下悬挂结构的一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置剖面图

1、2，海面浮体；

3、4、5、6、7、8、25、26，开放储能空间海洋；

9、10、11，封闭产能空间的管控办公区域和进水管及水轮发电机通道；

12、13，开闭可控的导能空间排水仓；

14、15，开闭可控空间排水仓的底部排水出口；

16、17，重力块；

18、19，深海高水头进水口；

20、21，水轮发电机；

22、23，水轮发电机尾水出口；

24，深海电站入口。

27、28，海面；

29、30，海底。

本发明具体实施方案：

应用本发明，如附图1或9所示，在深海(开放储能空间)中，建造一个封闭产能空间安放水轮发电机发电和一个开闭可控导能空间排放尾水的水力发电站。按照目前的海洋工程建设技术水平，建造一个海面浮体下悬挂结构的一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置比建造一个站立在250m深水海床上的结构更实际，不用考虑海床地质条件和海底生态保护条件，更具有工程可行性。一个海面浮体下悬挂结构可在陆地上分模块、层段建造和安装，也可以在海面浮体上进行安装施工，逐层逐段地组装各个模块之后，吊装下沉放入深海中，以避免施工的深海压力。

陆地河流高坝水电站的水环境因地理环境不同而异，因此，每个高坝水电站都是独立设计的，基本上没有整齐的系统通用的技术参数，也因此没有标准化的模块化的建造。海洋水环境的特点就是稳定恒定，海域足够广大深厚能够包容人力重复建造的大规模、标准化、模块化的大型海洋水电站。“一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置”的建造和设计应该数字化，不但建造的实体部件要标准模块数字化，电站设计的各种参数的常量变量参与，达到最佳的出力产能，做成数字化的模块集成，形成一种海洋水电站设计建造通用的、具有自主知识产权的EDA软件系统。

我国的海岸线有三万多公里长，有海洋国土三百多万平方公里，大陆架向海洋缓延二、三百公里开外，管理着二百海里宽的专属经济区，“一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置”可以建在沿海大陆架上或之外的适当水深环境中，进行海洋国土的现代开发。也可以建在适当深度的水库、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，建设深海发电站，或在岛礁外沿深海水域中建造海面浮体下悬挂结构的一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置，为军事防卫、居住生活、制造淡水提供充足电源。深海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。人类从此获得不受限制用电的自由。

Claims (9)

1.一种深海开闭可控空间加重力块排水的发电装置，是一种由两个独立有区别但又相互相关的深海进水发电的子系统和深海排水仓重力块排放尾水的子系统组成总体系统的深海水力发电站的技术方案，电站总体系统可分为海洋开放储能空间、封闭产能空间和开闭可控导能空间。其技术特征是：总体系统建筑站立在深海海床上，由建筑的桩脚支持承受总体系统的重量；总体系统也可以建造成一个海面浮体下的悬挂结构，由浮体承担重量；深海进水发电的子系统是总体系统的封闭产能空间；深海排水仓重力块排放尾水的子系统是总体系统的开闭可控导能空间；N个排水仓轮流集聚和排放尾水；重力块的重力势能排水；重力块是一个集箱式化零为整的结构体；排水仓内壁安装提升重力块的滑轮组起重装置。

2.根据权利要求1所述，总体系统建筑站立在深海海床上，由建筑的桩脚支持承受总体重量，其技术特征是：以办公控制区域的圆筒主体为中心圆，向外等角度辐射多条通道作为输水管和安装水轮发电机的空间，连接中心圆外的高水头进水口同心圆、安装水轮发电机同心圆、尾水泄放槽口的同心圆、安放排水仓的同心圆周，站立在海床之上，由各个圆柱筒体的桩脚承受重量。根据地形水域实际，总体系统的建筑也可以是其他如方形矩阵、多边形等安排。

3.根据权利要求1所述，总体系统也可以建造成一个海面浮体下的悬挂结构，由浮体承担总体重量，其技术特征是：总体系统结构的各种圆筒体依附悬挂在浮体的底部，浮体内部空间可以作为办公控制区域，总体系统的电站悬浮在海床之上，方便发电尾水排出。可以对海上浮体电站加装驱动力，或以拖拽动力进行必要的海上转场移动。

4.根据权利要求1所述，深海进水发电的子系统是总体系统的封闭产能空间，其技术特征是：从海面垂直到海床的中心圆筒体、从深海处进水口开始到斜通道安装进水输水管和水轮发电机的空间、从水轮发电机到尾水泄水口，还有排水仓圆筒安装起重装置的内壁，属于进水发电的子系统，是封闭的产能空间，封闭的产能空间内保持正常压力，区别于外部深海压力。

5.根据权利要求1所述，深海排水仓重力块排放尾水的子系统是总体系统的开闭可控导能空间，其技术特征是：从水轮发电机尾水泄水口到环形尾水泄道上连通的一系列开闭可控排水仓和排水仓上部的排水重力块，是开闭可控的导能空间，开闭可控的导能空间关闭集聚尾水的时候有正常压力。开闭可控的导能空间起到如高坝水电低水头下游河道排水的作用。

6.根据权利要求1所述，N个排水仓轮流集聚和排放尾水，其技术特征是：每个排水仓连通水轮发电机尾水泄水口的环形尾水泄道。负责每台水轮发电机排尾水的排水仓个数与排水仓每次进水排水的所需时间和与集尾水的容量成反比，其底部开闭可控，排水仓集聚尾水满，排水仓底部打开，尾水排出，排水仓底部关闭，等待下一次集聚尾水，同时，水轮发电机的尾水循着环形尾水泄道，进入另一个排水仓。数个排水仓可轮流开闭集水和排水，保持整个系统分区间隔的、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。

7.根据权利要求1所述，重力块的重力势能排水，其技术特征是：排水仓的上部有一个铁质重力块，排水仓水满，重力块做自由落体活塞式的重力下坠到一定高度，排水仓底部打开，重力块的重力势能与排水仓内的尾水体合力合体，将排水仓内的尾水排入外面的深海水中，然后排水仓底部关闭。重力块在机械力驱动下起重回升复位，准备下一轮排水。重力块的下行程与排水仓的高度相同。在设计上，重力块的重量和重力势能增量必须大于外部深海作用于排水仓底部的压力，才能把满仓的尾水排出。

8.根据权利要求1所述，重力块是一个集箱式化零为整的结构体，其技术特征是：是一个集箱式的多模块的零整结构体，其形状的圆柱体与排水仓圆筒体内径吻合。重力块整体巨大，化整为零、化零为整的集箱式结构利于安装卸除。重力块在排水仓最高度零位势时，由自动控制机制固定，然后松开下坠排水，直至触碰到托底结构停止。在排水仓内上下运动的重力块与排水仓内壁起重装置的起重挂钩栓相连。

9.根据权利要求1所述，排水仓内壁安装提升重力块的滑轮组起重装置，其技术特征是：排水仓设双层中空围壁，可安装系列多层的滑轮组起重装置机械，用于接力提升重力块复位。排水仓的双层中空围壁和其内安装的系列多层的滑轮组起重装置机械属于进水发电子系统，是总体系统中的两个子系统的关联，滑轮组起重装置机械的耗能是发电过程中的机械传动耗能，从进水发电量中减除。应用滑轮组起重机耗能功率公式计算。

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