CN1882776A - 利用地心引力与大气梯度温度综合发电的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用地心引力与大气梯度温差综合发电的方法及其装置，包括在叶轮试发电机7的电机仓6的上方设置与其连通的储气室3，并将发电机的叶轮设置在电机仓与储气室连通的颈管4中；将电机仓底部通过U形管10与内螺旋抽气管道连接，所述内螺旋抽气管道沿坡度不小于45°山体搭建，搭建的垂直高度至少1000m以建立管道底部和顶部之间的大气梯度温差，使管内形成快速上升的气流，带动储气室内的大气产生重力加速度而快速下降通过颈管推动叶轮旋转而使发电机发电。

Description

利用地心弓 I力与大气梯度温差综合发电的方法及其装置 技术领域

本发明涉及一种利用地心弓 I力与大气梯度温差综合作用发电的方法及其 装置。

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， 有的存在污染及资源有限， 有的投资较 大， 且远不能满足人们对能源日益增加的需要。 鉴于此， 多年来就有人在探 索开发 "绿色能源"， 如太阳能、 风能、 海洋能、 生物能等， 有的已经达到 一定规模的实用阶段， 有的尚在探索与研究之中。 近些年来， 在探索利用大 气温差发电方面也不乏其人。 2001 年， 中国大陆有人发表了题为 《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 气压力越低， 地面与高端气压差越大， 地面的高气压可推动空气上升流动， 从而诱发利用大气压差发电的设想。 此设想认为烟肉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， 大气压是地心引力 "吸附"大气所致， 就大气压差而言， 在地球表面一定区 域内是大体一致的， 如果没有外力作用， 大气只能保持一种稳定的随高度的 增加而压力递减状态， 它会不流动， 因此不会做任何工。 烟囱所以能抽吸烟 尘， 其原动力是大气存在梯度温差， 或者烟囱内部自身的高温气体所致， 大 气压差是随之而产生的一种继发动力。 但是， 就推动气流上升而言， 这两者 缺一不可。 假定烟囱内外气体梯度温差一旦平衡， 大气压差的动力作用就会 随即消失， 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， 也就不可能发电。 近年， 澳大利亚一家公司计划搭建一个 20平 方公里的玻璃或塑料温室大棚， 欲建造一座 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多米高的烟囱矗立在空中 存在一定安全隐患， 如过没有足够的资金和充分的技术条件是难以建成的， 不利于推广与普及。 近年， 中国大陆有数项空气能发电方法的发明申请， 其 中之一就是对大气梯度温差的利用， 其方法是搭建一座高度 100m以上的敞 口锥形管道， 在锥形管道下口狭窄部安置发电机组叶轮， 使从管道内上升的 空气流推动叶轮旋转发电。 此发明申请是目前中国大陆利用大气梯度温差发 电的例子之一， 也可能有实用价值。 但是， 其不足有二： 一是要达到很大的 功率， 势必锥形管上部需要足够的高度， 锥形管越向上延伸， 其体积、 敞口 将会越大， 类似于烟囱的吸筒作用会逐渐减小至消失， 甚至空气可能产生紊 乱窝旋而出现倒流， 并且在较高的空间一个大漏斗状的结构不易建造与控 制； 二是空气离开地面在上升的过程中做工， 首先需要克服空气自身重力和 发电机叶轮的重力， 地心引力在此起到负作用， 没有把地心引力能直接利用 上。 因此， 需要有一种将地心引力能与大气梯度温差能结合利用的方法及其 装置。

众所周知， 地球外表覆盖着一层很厚的大气， 其海拔高度在 8000m~l 8000m属于大气对流层。 对流层空气的运动规律是： 地面的热空气 上升， 高层的冷空气下降， 故引起冷——热空气对流。 在地球表面， 因太阳 光线的照射使地表空气获得能量而被加热， 热空气的密度减小， 相对重量减 轻， 并因受周围空气浮举力的作用而造成上升气流。 如何将地心引力蕴藏在 大气中的能量 （地心引力能） 与热空气流上升所产生的能量 （太阳能） 综合 利用， 是本发明要解决的核心问题。

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。 通过建立 U形管和内螺旋抽气管道的方法及装置系统， 使大气 梯度温差引起的上升气流动力能源与地心引力储备于大气中的重力能源偶联 释放， 以获得强大的动能用以发电， 从而改变目前以火电为主的世界能源格 局， 减少乃至于消除因生产能源造成的环境污染， 满足人类对 "绿色能源" 的渴求。

发明内容

为实现上述目的， 本发明所指的利用地心引力与大气梯度温差综合发电 的方法包括：

( 1 ) 在叶轮试发电机的的电机仓的上方设置与其连通的储气室， 并 将发电机的叶轮设置在电机仓与储气室连通的颈管中； (2) 将电机仓底部通过 U形管与内螺旋抽气管道连接， 所述内螺旋 抽气管道沿坡度不小于 45° 山体搭建， 垂直高度至少 1000m 以建立管道底 部和顶部之间的大气梯度温差， 使管内形成快速上升的气流， 带动储气室内 的大气产生重力加速度而快速下降通过颈管推动叶轮旋转而使发电机发电。

在上述 U形管与电机仓连接的一端安装可调节控制进入管道的空气量 的闸门。 对 U形管内空气加温。

本发明所指的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装置， 包括叶 轮发电机及其电机仓， 其特征是： 电机仓的顶部设置储气池， 储气室通过颈 管与电机仓连通， 发电机的叶轮位于颈管内、 电机仓与 U形管的一端连接， U形管的另一端连接内螺旋抽气管道， 由此构成储气室内空气流产生的重力 加速度与管道内产生的大气梯度温差产生的气流上升能量偶联释放的密闭管 道系统， 使流经颈管处的高速下降气流推动发电机组叶轮旋转发电。

本发明采用了一 u形管道将储气池、 电机仓与沿陡峭山体搭建的内螺 旋抽气管道偶联的方法及装置， 以充分利用大气梯度温差能和地心引力能。 装置起始部为一储气池， 储气池可用塑料板 （PVC) 或金属板质材制作， 形 状为圆形， 其高度与直径应与其相连接的电机仓一致。 储气池的作用是避免 空气下降时受横向风力的干扰， 以使气流顺利下降， 储气池上口建造雨棚、 筛网状进气壁窗及雨棚支柱， 以防雨水及阻止飞鸟、 昆虫、 杂物等进入。 储 气池底部接一狭窄短管 （以下称 "颈管")， 颈管为发电机组叶轮安装处， 须 用高强度金属或塑料钢材料制造， 其内径须与内螺旋抽气管道内径一致或略 小于内螺旋抽气管道内径， 颈管下端紧连电机仓。 电机仓为安装发电机组的 空间， 可用塑料 （PVC) 板或金属板材料制作， 其高度及容积应远大于所设 计功率的发电机组体积， 电机仓借其上部的颈管与储气池相通。 发电机组主 体安装于电机仓中央， 其叶轮装置于颈管中部， 发电机组上部及周围应留足 通气空间， 底部固定于多孔 （多孔数以气流畅通为度） 金属底板上， 底板圆 形通气孔的截面积应远大于颈管的截面积， 底板下方撑以钢铁支架。 底板下 所留空间为聚气室， 聚气室的作用是聚集来自于金属底板圆孔的空气。 聚气 室底板用钢板制作， 中心部与 U形管前端焊接连通。 U形管为地心引力能 与大气梯度温差能偶联之重要结构部件， 须用 2~5 cm厚度的不锈钢或高强度 金属材料制成， 其内径及各段长度应根据设计发电功率的大小而定， 但是无 论何种尺寸， 其内径均须大于颈管内径 50 cm左右。 U形管前端设置一叶片 式可调节闸门， U形管后部上升段内装置数个筛网状电阻空气加热器， 用以 加热管内空气。 U形管底部最低处， 安装一带活塞瓣门的放水小管， 小管置 于地面水坑内， 使本装置管道系统内产生的水分得以流出， 同时其 "活塞瓣 门"可阻止空气、 水份由此被吸进管道系统内， U形管末端续接内螺旋抽气 管道。 前述之储气池、 电机仓、 聚气室为圆筒状结构， 其壁厚度在 5~10 cm 之间， 它们的内径须是颈管内径 2倍以上。 内螺旋抽气管道为产生气流动力 的主要装置， 可用金属材料或硬塑料 （PVC) 质材制造， 根据质材及设计功 率的大小其管壁厚度应在 3〜10 cm之间， 其内径应与颈管内径相一致或略大 于颈管内径。 螺旋抽气管道内壁平行铸造三条凹陷性上升螺旋槽 （类似于步 枪的膛线）， 在北半球铸造为逆时针上升螺旋槽， 在南半球铸造为顺时针上 升螺旋槽，螺旋槽的深度为管壁厚度的 1/3。内螺旋抽气管道可铸造为 5〜10m 长的节段， 以便运输、 安装， 连接管道各节段时螺旋槽须连续对端入扣， 接 头处密闭固定。 沿山体铺设内螺旋抽气管道时， 其坡度须大于 45 ° 。 内螺 旋抽气管道外表面涂抹或粘贴或包裹高效保温隔热材料， 以保持管内温度相 对恒定。 内螺旋抽气管道高处末端设置金属或钢筋混凝土支架、 筛网状排气 窗、 雨棚及避雷装置。 整个储气池、 电机仓、 聚气室和 U形管悬空部分， 用高强度金属架或钢筋混凝土支架支撑固定为一体。

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达 1000m 以上， 理想的垂直高度是 2500m左右， 因为在对流层内， 垂直高度 每增加 100m， 大气温度降低约 0.65°C。 这样， 储气池与内螺旋抽气管道顶 端之间的大气梯度温差可以达到 16°C左右， 而且基本不受气候、 季节的影 响， 这样的温差足以推动内螺旋抽气管内的空气流快速上升。 铺设内螺旋抽 气管道时， 尽量直线行走， 其坡度不得小于 45 ° ， 以减少气流上升阻力。 储气池的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。 连接储气池与电机仓之颈管狭窄处的作用是使 发电机叶轮处于空气流速最大的部位， 以利推动发电机叶轮高速旋转。 U形 管前端之叶片式可调节闸门的作用是控制、 调节进入管道的空气量， U形管 末端紧接内螺旋抽气管道。 内螺旋抽气管道的作用是使空气在上升过程中形 成螺旋涡流， 造成上升型 "龙卷风" 的效应， 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， 储气池内的大气就会伴随着重力加 速度快速下降通过颈管， 释放能量， 以推动发电机组叶轮高速旋转而发电。 如果内螺旋抽气管道的空气上升力度不足， 可将其发电机组发出的电能加热

U形管上升段内的电阻空气加热器， 使空气温度增加， 气流上升速度加快， 叶轮旋转加速， 以保持恒定的发电量。 如果空气流量过大、 过快， 可通过控 制 u形管前端叶片式可调节闸门， 减少进入管道系统的空气量， 起到叶轮 减速的作用。 u形管前端之叶片式可调节闸门和其后端之电阻空气加热器可 通过自动控制系统实现反馈调节。 可用一简式结合说明书附图， 说明本装置 系统的空气流动方向及工作原理： "地面热空气 （相对） 一储气池筛网状进 气壁窗 2—储气池 3—颈管 4—发电机叶轮 5→电机仓 6— 聚气室 12—叶 片式可调节闸门 9 — U形管 10 ― 电阻空气加热器 13—内螺旋抽气管道 15 ― 筛网状排气窗 18 "。

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， 即地心引力蕴藏于大气中 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 多的阻力而顺畅上升， 从而获得两者释放能量的最佳综合效应； 2.抽气管道 内壁的 "凹陷性螺旋槽"具有加速气流上升的作用， 它通过以下关联效应来 实现这种作用： 一是高速气旋会产生很强的离心力， 从而增加气流上升动力； 二是上升高速气旋的中心压力很低， 具有 "抽吸"管道下部气流的作用， 使 气流加速上升； 3.内螺旋抽气管道内形成的 "龙卷风"型气旋的旋转速度可 达每秒 250m，直线速度可达每秒 10〜50m，这样的高速度会产生强大的动力； 4.沿陡峭高山建造， 解决了在此以前类似发明所不能解决的垂直高度过低和 温差过小问题， 从而使本发明具有可操作性； 5.原理简单， 结构易懂， 实施 容易， 安全可靠， 投资少， 见效快， 易推广； 6.世界多数国家山岭众多， 这 些地区往往是能源缺乏区域， 本发明可改善世界能源供给现状； 7.本发明的 推广、 普及， 必然会逐渐取代燃煤、 核能等具有污染性的发电设施， 改变目 前世界的能源结构格局， 能有效地减少污染， 保护人类生成环境。

附图说明

附图为本发明的结构示意图。

附图中： H为管道系统垂直高度， 通常应在 2000m左右。 1.储气池雨棚， 2.储气池筛网状进气壁窗， 3.储气池， 4.颈管， 5.发电机叶轮， 6.电机仓， 7. 发电机主体， 8.圆形多孔金属底板及支架， 9.U形管前端叶片式可调节闸门， 10.U形管主体， 11.放水小管及活塞瓣门， 12.聚气室， 13.电阻空气加热器， 14.联合支架， 15.沿山体搭建的内螺旋抽气管道， 16.储气池雨棚支撑柱， 17. 内螺旋抽气管道末段支撑架， 18. 内螺旋抽气管道顶端的雨棚、 筛网状排气 窗及避雷装置， 19.搭建内螺旋抽气管道之山体。

具体实施方式：

实施本发明装置时， 需选择坡度大于 45°的陡峭山体 19， 山体垂直高度 H应在 2000m左右， 在山脚处建造、 安装储气池 3、 电机窗 6、 颈管 4、 发 电机组 7、 U形管 10等设备， 沿山体铺设内螺旋抽气管道 15至所需高度。 为了便于运输， 每段内螺旋抽气管道可铸造为 5〜10m 的长度， 安装时以接 头扣套连接固定， 要求螺旋槽对接连续入扣。 沿山体向上铺设时， 尽量直线 铺设， 减小弯曲度和减少弯曲次数， 且坡度不得小于 45 ° ， 以降低空气流 动时的阻力。 对于不理想的山体， 可以釆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。 通气管道系统各部内径的大小、 长度， 应 根据设计总功率而定。 原则上管道内径越大， 垂直高度越高， 发电能力越强。 本发明装置系统内， 空气重量是基本恒定的 （以 12.26 牛顿计）， 造成上升 型"龙卷风 "效应后，其旋转气流速度可达 250m/s，直线速度可达 20~50m/s。 其总功率取决于系统颈管 4处每秒空气流量， 而空气流量主要取决于内螺旋 抽气管道 15和颈管 4的内径及管道系统的垂直高度 H。 现以设计建造 5000 千瓦功率和 20000千瓦功率的发电机组要求为例说明实施方式。

例 1， 设计建造 5000千瓦功率发电机组：

首先选择一垂直高度 H达 2000m以上的陡峭山体 19， 在其山脚处平整 打基础， 并根据设计要求建造联合支架 14。 用厚度 l~2 cm， 内径 3.5m的不 锈钢管制作一弧形部分长 6~8m， 两侧直部前段 5m、 后段 10m的 U管 10。 U型管前端装置叶片式可调节闸门 9， 后段上升部装置 5〜10个电阻空气加 热器 ί3， U形管后端紧接 3m内径的内螺旋抽气管道 15。 U形管叶片式可 调节闸门前端接聚气室 12—电机仓 6及仓内发电机组 （7) —颈管 4及发电 机组叶轮 5→储气池 3及其附属结构 （1、 2、 16)。 内螺旋抽气管道 15沿陡 峭山体 19向上铺设， 垂直高度 H达 2000m， 顶段装置支架 17、 雨棚、 排气 窗、 避雷装置 18 等。 根据流体力学功率计算公式： N (功率） =M (质量） XQ (流量 /立方米 /秒） XH (高度 /米） X η (效率）， 即可得出设计总功率。 空气质量以 12.26 (牛顿） / (立方米） 计， 流量 =截面积 X流速 （以 30m/s 计）， 则流量为： 3X3.1416X30=282 (立方米 /秒） ，效率 （ η ) 按 75%计。 则总功率为： N=MxQxHx =12.26 X 282 X 2000 X 0.75=5185980— 5185.98千 瓦

例 2， 设计建造 20000千瓦功率发电机组：

基本条件及系统装置与例 1同， 唯系统管径及高度有所差异。 选择山体 19垂直高度 H达 2350m以上的山脚处建造。 系统内， 颈管 4内径 10米， U 形管内径 10.5米， U形管弧形部 15米， U管前段 15米、 后段 20米， 内螺 旋抽气管道 15内径 10米,直线气流速度仍按 30m/s计。 根据流体力学功率计 算公式： N=MxQxHx n,则总功率为: 12.26 X (10X3.1416X30) X2350X 0.75-20365343 —20365.343千瓦

具体实施时， 可根据设计功率之需要， 在一适宜山体处平行铺设一条至 数条内螺旋抽气管道， 并建造安装相应数目的 U形管、 电机仓、 储气池等 设备， 建成一个符合设计规模的发电机组群电能供应基地。

Claims (1)

1. 权 利 要 求

   1、 一种利用地心引力与大气梯度温差综合发电的方法， 其特征是- 方法包括：

   ( 1 ) 在叶轮试发电机 （7) 的电机仓 （6 ) 的上方设置与其连通的储 气室 （3 )， 并将发电机的叶轮设置在电机仓与储气室连通的颈管 （4) 中；

   (2) 将电机仓底部通过 U形管 （10) 与内螺旋抽气管道连接， 所述 内螺旋抽气管道沿坡度不小于 45 ° 山体搭建， 搭建的垂直高度至少 1000m 以建立管道底部和顶部之间的大气梯度温差， 使管内形成快速上升的气流， 带动储气室内的大气产生重力加速度而快速下降通过颈管推动叶轮旋转而使 发电机发电。

   2、 根据权利要求 1 所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的 方法， 其特征是： 在所述 U形管与电机仓连接的一端安装可调节控制进入 管道的空气量的闸门 （9)。

   3、 根据权利要求 1 所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的 方法， 其特征是： 对在 U形管内的空气进行加温。

   4、 一种利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装置， 包括叶轮发 电机及其电机仓， 其特征是： 电机仓的顶部设置储气池， 储气室通过颈管与 电机仓连通， 发电机的叶轮位于颈管内、 电机仓与 U形管的一端连接， U 形管 （10 ) 的另一端连接内螺旋抽气管道 （15 )， 由此构成储气室内空气流 产生的重力加速度与管道内产生的大气梯度温差产生的气流上升能量偶联释 放的密闭管道系统， 使流经颈管 （4) 处的高速下降气流推动发电机组叶轮

   (5 ) 旋转发电。

   5、 根据权利要求 4 所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装 置， 其特征是： U形管壁厚 2〜5 cm之间， U形管前端装置一叶片式可调节闸 门 (9)、 后部上升段管内安装数个电阻空气加热器 (13)， 叶片式可调节闸门与 电阻空气加热器设置自动反馈调节控制系统， U形管最低处安装带活塞瓣门 的放水小管 (11)并置此管于地面水坑内。

   6、 根据权利要求 4所述之地心引力与大气梯度温差综合发电的装置， 其特征是： 内螺旋抽气管道（15)由金属或 PVC塑料制造， 管壁厚度在 3~10 cm之间， 管道内壁具有顺时针或逆时针平行上升的螺旋槽。

   7、 根据权利要求 4所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装 置， 其特征是： 内螺旋抽气管道（15 )外壁涂抹或粘贴或包裹高效隔热材料， 以保持管内上升气流的温度相对恒定。

   8、 根据权利要求 4 所述的地心引力与大气梯度温差综合发电的装置， 其特征是： 所述颈管 （4) 由高强度金属或塑料钢材料制造， 其内径须与内 螺旋抽气管道之内径一致或略小。

   9、 根据权利要求 4 所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装 置， 其特征是： 所述储气池 （3 )、 电机仓 （6)、 聚气室 （12) 为圆形筒状结 构， 用硬塑料或金属板材制作， 厚度在 5~10 cm之间， 其直径须是颈管 （4) 直径的 2倍以上。

   10、 根据权利要求 4所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装 置， 其特征是： 所述储气池 （3 )、 颈管 （4)、 电机仓 （6)、 聚气室 （12) 及 U形管 （10) 悬空部分用钢铁材料或钢筋混凝土建造支架 （14) 将其支撑固 定为一体。

   11、 根据权利要求 4所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装 置， 其特征是： 所述储气池上部建造筛网状进气壁窗 （2)、 雨棚 （1 ) 及雨 棚支柱 （16)。

   12、 根据权利要求 4所述的利用地心引力与大气梯度温差综合发电的装 置， 其特征是： 内螺旋抽气道山体高处尾段建造支架 （17) 支撑保护， 管道 末端安装筛网状排气窗、 雨棚及避雷装置 （18)。