CN1619143A - 地心引力与大气梯度温差综合发电方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地心引力与大气梯度温差综合发电的方法及其装置。选择垂直高度1500m上的陡峭山体铺设搭建一条内螺旋管道系统，螺旋管道底端用“U”形管将其与储气池连接相通。当“U”形管山体侧一端地面空气借助梯度温差从螺旋管道内上升的同时，引发“U”形管另一侧储气池内的大气借助地心引力所产生的重力快速下降，并推动“U”形管狭窄颈部的发电机轴叶轮旋转发电。本发明最主要的特征是利用地心引力所产生的大气重力在下降的过程中伴随着加速度做工，使地心引力能得到了有效的利用，为进一步开发利用地心引力能与大气梯度温差能的偶联提供了可行性方案。本发明的推广、普及，将逐步改变目前的能源结构状况。

Description

说明书 地心引力与大气梯度温差综合发电方法及其装置

技术领域：

本发明涉及一种利用地心引力与大气梯度温差共同作用发电的方法及其装置，尤其是利用“U”形管与内螺旋抽气管道的装置，使地面相对高温的大气在“U”形管出气口端呈高速气旋上升和在“U”形管进气口端大气借助重力及加速度迅猛下降，从而产生强大的高速气流，推动发电机组涡轮叶片旋转发电。

背景技术：

目前人类所使用的能源主要来自煤、石油、天然气、核反应堆及水力发电等。这些产生能源的物质或方法，有的存在污染和资源限制，有的投资较大，且不能满足人们的需要，尤其是边远山区民众的需要。多年来就有不少人在探索开发“绿色能源”，如太阳能、风能、潮汐能、生物能等，有的已经达到一定规模的实用阶段。近几年，在探索利用大气温差发电方面也不乏其人。2001年，有人发表了题为《利用大气压差发电》的文章，其思路是根据烟囱抽吸烟尘的原理，提出海拔越高大气压差越低，似乎烟囱抽吸烟尘是低海拔处的相对高气压将烟囱内的烟尘向上推动的结果，这个假设值得商榷。事实上，单纯的大气压差在地球表面一定范围内是大体一致的，如果没有外力作用，大气只能保持一种稳定的重力差递减状态或者一种位能态势，它会不流动，也就不会做任何工。烟囱所以能抽吸烟尘，其原动力是大气的梯度温差，或者烟囱内部自身的高温气体，大气压差只是一种继发动力。假定烟囱内外气体温差梯度一旦平衡，烟囱也就会失去它抽吸烟尘的作用，所以单纯的大气压差不会产生动力。近年，澳大利亚一家公司计划利用大气梯度温差，搭建一个20平方公里的玻璃或塑料温室大棚，建造一座900多米高的巨型烟囱，利用温室大棚内的热空气从烟囱里上升产生的动力发电，预计可为32个涡轮机提供动力，发电20万千瓦，供20万个家庭使用，估计耗资6.7亿美元。这个计划虽好，但是难度及耗资却很大，而且900多米的高烟囱存在一定安全隐患。国内2002年有一《空气能发电方法》的发明，其原理就是对大气梯度温差的利用，方法是搭建一座高度100m以上的敞口锥形管道，在锥形管道下口“喉部”处安置发电机组叶轮，使从管道内上升的空气流推动叶轮旋转发电。此发明是目前国内利用大气梯度温差发电的一个典型例子，也可能达到实用程度。但是，其不足有二：一是要达到很大的功率，势必上部锥形管需要足够的高度，锥形管越向上延伸，其体积、敞口将越大，类似于烟囱的吸筒作用会逐渐减小至消失，并且在较高的空间一个大漏斗状的结构不易建造与控制；二是空气在上升离开地球的过程中做工，首先需要克服地心引力，地心引力在此起到负作用。因此，需要对地心引力能和大气梯度温差能做进一步开发和利用。

发明目的：

本发明的目的是提供一种综合利用地心引力与大气梯度温差能源的方法及其装置。通过“U”形管的作用，使大气梯度温差引起的气流上升动力与地心引力对大气施加的下降重力度偶联，从而获得更大的动能效果用以发电，以满人们对于电能更多的需求以及人类对“绿色能源”渴求的实现。

发明内容：

为实现上述目的，本发明采用了一“U”形管道连接高脚酒杯状储气池与沿陡峭山体搭建的内螺旋抽气管道。储气池上口装置雨棚及栅栏式活动进气调节闸门，储气池中央采用钢架固定风能发电机组，储气池底部与“U”形管进气口端狭窄颈部密闭连通，此狭窄颈部为风能发电机之转轴右旋叶轮位置处。“U”形管气流上升段内，安置数个筛网状空气加热器，“U”形管气流上升段末端连接内螺旋抽气管道，内螺旋抽气管道最高末端处安装防雨棚及避雷装置并用支架固定高出地面部分。“U”形管底部最低处，装置一带活塞瓣门的出水小管，置于水坑内。整个储气池与“U”形管悬空部分，用高强度金属架或钢筋混凝土支架支撑保护。

本发明的工作原理如下：首先要求所搭建的内螺旋抽气管道垂直高度H达1500m以上，理想的垂直高度是2500m左右。这样，储气池与内螺旋抽气管顶端之间的大气梯度温差可以达到10～15℃，这样的温差足以启动抽气管内的空气快速上升流动。储气池需要一定的直径和高度，其主要作用是使池内的空气不受外界风的横向干扰，以保证发电机叶轮处有足够稳定的气流供给。“U”形管与储气池连接处狭窄颈部的作用是使发电机叶轮处的空气流速加大，以推动叶轮高速旋转。内螺旋抽气管道的“内螺旋”，是由三条深度1cm的逆时针不对称螺旋槽构成，其作用是使空气在上升过程中形成逆时针螺旋涡流(在南半球须为顺时针螺旋)，在抽气管道内造成上升型“龙卷风”效应，以增加管内上升气流的动力。在这样一个装置系统内，一旦空气流动，储气池内每平方米约10吨重的大气就会伴随着加速度向下倾泻，以推动发电机右旋叶轮高速旋转而达到发电之目的。如果内螺旋抽气管道的抽吸力度不足，可将其电机自身发出的电能加热“U”形管气流上升段内的筛网状空气加热器，使空气温度增加，气流速度加快，叶轮旋转加速，以增加发电量。如果空气流量过大、过快，可通过控制储气池上部的栅栏式活动调节闸门，减少单位时间内进入储气池的空气量，起到减速的作用。这两种调节装置均可通过自动控制系统，实现反馈调节。

本发明的优点：1、装置系统中的“U”形管把大气梯度温差能与地心引力能偶联在一起，使两者在该系统中各自发挥其优势，即地心引力蕴藏在大气中的能量在下降的流动过程中做工，大气梯度温差产生的上升气流因未遇到过多的阻力而畅通上升；2、抽气管道内壁的“逆时针不对称螺旋槽”具有加速气流上升的作用，它通过三个关联效应来实现这种作用：一是空气在储气池下降流动推动发电机叶轮顺时针旋转时，由于反推力的作用已经引发逆时针气旋，旋转的气流进入抽气管道上升过程中，受管壁逆时针不对称螺旋槽的作用而加快旋转，逐渐形成上升高速气旋；二是逆时针高速气旋会产生很强的离心力，从而增加气流上升动力；三是上升高速气旋的中心压力很低，具有“抽吸”管道下端气流的作用，使储气池内的气体流经发电机叶轮处加速；3、简单易行，安全可靠，投资少，见效快，易推广；4、我国西部地区，崇山峻岭，垂直高度1500m以上的山峰很容易找到，本发明是解决边远山区能源供给的有效途径；5、本发明的推广、普及，将大大改变目前的能源结构状况，这种永久性的“绿色能源”将逐渐取代有污染性的能源。

附图说明：

图1是装置系统示意图。其中H为垂直高度，应达1500m以上，1.栅栏式活动进气调节闸门，2.储气池，3.由钢架固定于储气池中央的发电机组，4.“U”形管进气端狭窄颈部，5.与发电机转轴直接连接的右旋(顺时针)叶轮，6.不锈钢“U”形管及内开式减压门(圆圈处)，7.“U”形管底部出水小管及活塞瓣门，8.“U”形管上升段内筛网状空气加热器，9.沿山体搭建的内螺旋抽气管道，10.抽气管道顶端防雨棚及避雷装置，11.储气池及“U”形管悬空部金属或钢筋混凝土支撑保护架，12.陡峭的山体，13.山顶螺旋抽气管道高出地面段支架。图2为内螺旋抽气管道放大示意图。其中bc为三条平行1cm深的逆时针不对称螺旋槽，箭头示内螺旋上旋方向。

实施方式：

1、地形选择：选择山体坡度45°左右(最好是45°以上，90°以下)，山峰垂直高度在1500m以上的山脚处开始建造、安装设备。

2、本发明系统装置的材料大小、规格视具体需要而定，山体垂直高度越高，各管道系统内径越大，其发电能力越强。结合到具体实施，就需要综合考虑供电范围的需求量、地形地貌、交通设施、社会经济效益等因素。

现以供应1万户居民(3～5万人)用电，驱动1万千瓦功率的发电机为例说明实施方案：

首先用厚度1cm，内径3.5m的不锈钢管制作一弧形部分9m长、两侧直部各6m，两直部尾端紧接将内直缩小为3m延续2m的一“U”形管6(可用焊接方式连接，内表面要求平滑)，“U”形管弧形底部正中凿一直径10cm圆孔，以备连接出水小管7。“U”形管底部离地面50～80cm，直立部一侧与山脚本土或崖石紧贴固定，也可将其嵌埋入山体壁的土、石中固定，“U”形管弧形悬空部及另一侧直立部用金属支架或钢筋混凝土支架固定11。“U”形管山体侧末端连接内径3m、厚度3cm的逆时针不对称内螺旋槽硬塑(pvc)管道。为了便于运输，每节不对称内螺旋槽硬塑管可铸造为8～10m的长度，安装时以接头扣套连接固定，要求“逆时针不对称螺旋槽”对接连续入扣。沿山体向上铺设时，尽量减小弯曲度和减少弯曲次数，以降低空气流动时的阻力。对于不理想的山体，可以采取凿挖沟槽嵌埋和填充洼陷垫衬的施工措施，以保持管道相对直行。管道铺设至山顶处，应高出地面10m左右，以牢固支架固定13，避免雨雪等杂物进入管内，并装置防雨棚及避雷针。“U”形管另一端狭窄颈部连通储气池底部4。储气池上部内径12m、高10m，呈杯状2，用厚度3.5cm的硬塑料板镶嵌于金属支架或用钢筋混凝土浇铸而成，后者其厚度不小于10cm。制作储气池前，先设计建造储气池及发电机支架3、11，可先吊装发电机并将其叶轮准确固定于“U”形管狭窄颈部中央4，再制作储气池壁。储气池支架须与“U”形管的支架连为一体。储气池支架上缘，每间隔50cm，直立焊接3cm直径、3m高的钢筋柱，钢筋柱上方用与储气池支架上缘相应大小钢筋圈梁焊接相连。钢筋柱及钢筋圈梁的作用有二：一是安装栅栏式可调节进气闸门，二是支撑雨棚。雨棚呈伞状锥形，下缘直径15m，由透明塑料板块衬以钢骨支架构成。另外，“U”形管弧形部靠储气池一侧管壁，设置一直径3.5m的圆形与管内径一致的“内开式减压门”6，内开达90°处安装固定结构，此门的作用是内开90°时阻止管内气体流动，便于系统安置和检修。

此装置的效应：12m直径的储气池上部面积为113m²，承受约1130吨的大气重量；与储气池紧接的“U”形管狭窄颈部内径3m，面积7m²，承受70吨大气重量；“U”形管主体部分直径3.5m，面积9.6m²，可接受96吨大气重量，此处扩大内径，为了起减压作用，以加速“狭窄颈部”气流的效果。一旦“U”形管处的“内开式减压门”关闭，管内立即产生的强大气流足以驱动1万千瓦功率的发电机叶轮高速转动而发电。

Claims (6)

1、一种地心引力与大气梯度温差综合发电方法及其装置，其特征在于：利用金属“U”形管道(6)，将高脚酒杯状储气池(2)的底部与垂直高度大于1500m的逆时针不对称内螺旋槽抽气管道(9)的下端连接，此装置系统使大气梯度温差能所致的热空气上升驱动力与地心引力储备于大气中的重力能伴随加速度向下流动相偶联，从而在“U”形管狭窄颈部(4)产生强大气流，推动固定于储气池内的发电机轴叶轮高速旋转而发电(3)。

2、根据权利要求1所述地心引力与大气梯度温差综合发电方法及其装置，其特征为：“U”形管为1cm厚不锈钢材料，其中段弧度部与两侧直部三部分长度比例相当(6)，直部两末端约2m长段内直径减少50cm左右，缩小部的一端与螺旋抽气管道(9)相连接，另一端与储气池底部相连接相通(4)。

3、根据权利要求1所述之逆时针(南半球须为顺时针)不对称螺旋槽抽气管道，其特征为：螺旋槽抽气管道材料为3cm厚的PVC硬塑料，三条平行于管内壁的1cm深逆时针不对称螺旋槽(图2及其bc)，其作用是形成高速上升气旋，增加气流上升动力，逆时针不对称螺旋槽抽气管道沿山体安装的垂直高度应不低于1500m(9)。

4、根据权利要求1或2所述之“U”形管，其特征为：在其弧形段装置一向内开90°的“内开式减压门”(6)、一10cm孔径的圆形出水小管以及上升段的数个筛网状加热装置(8)。

5、根据权利要求1所述“U”形管储气池端的狭窄颈部，其特征为：在其中央部位安置发电机组叶轮，紧接着为加速“U”形管狭窄颈部气流速度而扩大内径(4)。

6、根据权利要求1所述之储气池，其特征为：储气池材料为3.5cm厚的硬塑料或10cm厚的钢筋混凝土，其底部及周围用金属或钢筋混凝土支架支撑、固定，支架上缘焊接钢筋柱及钢筋圈梁，用以装置可调式活动进气闸门及防雨棚(1)。