CN204511793U - 一种低水头能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低水头能量收集装置，包括：设置于水流上游的引水管，引水管上设有进气设施，引水管与设置在低于水流下游水位的集气设施连接，引水管的出口设置于集气设施的下部，集气设施的下部或底部还设有出水口，集气设施的上部或顶部设有出气口，出气口上连接集气管，集气管上设有压力控制阀。本实用新型采用在引水管上设置进气设施的方式，在水流中掺入大量空气，在水流下落的过程中，将水流中的势能换为空气的流动，并使用集气设施收集水流中空气，并将空气的动能转换为压缩空气，尽最大可能将水流中的势能转换为压缩空气的能量，提高了能量转换效率。本实用新型的使用可以高效开发低水头水力能，降低了石化能源的消耗，保护生态环境。

Description

一种低水头能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及一种低水头能量收集装置，是一种水工装置，是一种利用低水头的能量生产二次能源的装置。

背景技术

自然界的河流、湖泊，特别是平原地带，存在大量的低水头（水头小于5米），传统的收集能量的方式是修筑水坝，形成水库，将低水头聚集成为可以工业利用的水头，再设置发电设备，将水头的能量转换为二次能源。这种方式不但需要大量的投资，而且破坏了当地的生态环境，使河流上游大量土地被淹，下游河道干涸，还引发了地震、暴雨等次生灾害。传统的工业发电方式很难利用低水头产生二次能量，在无法修筑水坝的地方，大量的低水头能量被白白浪费。如何利用这些低水头能量，并解决无需修筑水坝而收集能量的问题，是世人所面临的一个问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本实用新型提出了一种低水头能量收集装置。所述的装置利用水中掺气和收集掺气的方式将低水头中的能量转换为压缩空气，再利用压缩空气做功，产生抽水、发电等功效。

本实用新型的目的是这样实现的：一种低水头能量收集装置，包括：设置于水流上游的引水管，所述的引水管上设有进气设施，所述的引水管与设置在低于水流下游水位的集气设施连接，所述引水管的出口设置于集气设施的下部，所述集气设施的下部或底部还设有出水口，所述的集气设施的上部或顶部设有出气口，所述的出气口上连接集气管。

进一步的，所述的水流的水头不小于0.5米。

进一步的，所述的进气设施是至少一根进气管。

进一步的，所述的进气管的进气口高于上游水位，所述进气管的出气口设置在引水管中，其出气方向与水流一致。

进一步的，所述的集气设施为顶部封闭，底部敞开的单口敞开箱体，所述单口敞开箱体的顶部与集气管连接，敞开的底部为出水口。

进一步的，所述的集气设施为顶部和底部均封闭的封闭箱体，所述的封闭箱体顶部与集气管连接，所述封闭箱体的底部或下部设置出水口。

进一步的，所述的集气管上设有滤水罐。

进一步的，所述的滤水罐顶部设有出气管，底部设有溢水管，侧壁与集气管连接。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型采用在引水管上设置进气设施的方式，在水流中掺入大量空气，在水流下落的过程中，将水流中的势能转换为空气的气压差能，并使用集气设施收集水流中的高压气体，尽最大可能的将水流中的势能转换为高压气体的压差能量，提高了能量转换效率。转换过程没有任何中间过程、整个装置结构简单，可以大幅度提高能量转换的效率。本实用新型利用河道或小溪的水流连续不断地得到压缩空气，在不消耗电能、不破坏生态环境的情况下得到压缩空气，压缩空气可以用来进行污水处理或在供水系统中作为推动压力使用，降低石化能源的消耗，有利于保护生态环境。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的实施例一所述装置的结构示意图；

图2是本实用新型的实施例三所述一种引水管与进气管的连接方式示意图；

图3是本实用新型的实施例六所述底部封闭的集气设施示意图；

图4是本实用新型的实施例七所述出水口带有出水管的示意图；

图5是本实用新型的实施例八所述集气管上的滤水罐的示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种低水头能量收集装置，如图1所示。本实施例包括：设置于水流上游1的引水管2，所述的引水管上设有进气设施3，所述的引水管与设置在低于水流下游水位8的集气设施10连接，所述引水管的出口设置于集气设施的下部，所述集气设施的下部或底部还设有出水口9，所述的集气设施的上部或顶部设有出气口6，所述的出气口上连接集气管5。

本实施例的基本思路是：利用上、下游之间的水压的压差，收集空气并给空气加压，然后收集带有压力的空气，利用压缩空气作为传递能量的介质。上下游之间的高度差最小可以达到0.5米，也就是说本实施例所述的装置可以收集到最小只有0.5米的水头能量，收集这样小水头的能量，在水轮机等传统的能量收集装置上是不可想象的。

本实施例所述的上游水流可以通过水坝聚集水流中的能量，也可以直接利用水管收集水流。引水管是一根将上游水流引至低于下游水流位置的水管，或者说引水管的进水口在上游水位，而出口应当低于下游水位。这一点十分重要，因为，只有引水管的出水口低于下游水位，才能使掺气水流中的空气析出，并产生带有一定压力的压缩空气，压缩空气的压力为集气设施顶部位置和下游水面的压差。因此，要增加压缩空气的压力，可以将集气设施尽量放在更深的凹槽中。在一些情况下，下游水流不够稳定，有涨落的变化，这样就会引起压缩空气压力的变化，为维持压缩空气的恒定，可以在集气设施的出水口连接一根出水管，这根出水管的出口的高度可以在下游水位附近，略高于下游水位上涨最高的位置，这样，不论下游水位如何上涨，集气设施中的空气压力，都维持在出水管的出水口高度上。

作为引水管的水管在长度方向上可以是一根弯曲的长管，长管的进口与上游水流方向一致，以便上游的水流可以十分方便的流入管中。引水管前半段可以弯曲，直角过后的后半段必须是尽量垂直向下，这样吸取空气的效率比较高。

进气设施的作用是利用引水管的水流的流动能量吸入空气，生成掺气水流。进气设施可以简单的在引水管上打一个孔。孔的位置应等于或略低于上游水位，并高于下游水位。

为达到更好的掺气效果，可以在引水管上专门设置一根或多根进气管。进气管在引水管上的安装位置和方式也有多种选择。进气管的进气口可以设置得比较高。进气管穿过引水管壁进入引水管中，其出气口与引水管中的水流方向一致，在水流的流动作用下，可以吸入大量空气。进气管出气口的位置应选择在水流速度较快的位置。

集气设施是设置在低于下游水位之下的一个类似箱体的设施，可以是四面封闭的箱体，也可以是底部敞开的钟形物体，类似一个倒扣的杯子，或者是一个竖直的圆筒形罐，或者是横卧的圆筒形罐。引水管与集气设施连接的位置应当在集气设施的下半部，略高于出水口并尽量远离出水口。如果集气设施是四面封闭的箱体，则出水口可以设置在箱体的底部或下半部，如果图1所示。如果集气设施的底部敞开，则敞开的底部可以作为出水口。

集气设施设置在低于下游的凹槽中，可以用各种材料制成，如可以使用水泥构筑，也可以使用金属或塑料等材料做出成箱体，固定在凹槽的底部。

集气设施应当低于下游水位，集气设施的高度决定所产生高压气体的压强，但集气设施过低会增加安装整个收集能量装置的成本，即要开挖较深的凹槽，增加了土方工程量，另一方面，水中析出的空气量有限，不可能无限增加，因此集气设施设置的过低没有意义。

集气设施的上半部作为气体存留的空气，可以做成锥形，在锥形的尖部设置与集气管连接的出气口，便于水流中析出的空气流向集气管。

压缩空气进入集气管时，空气中还有许多残存的水汽，可以通过设置滤水罐，将压缩空气中的水份滤除。

本实施例及本实用新型所述的“顶部”和“底部”等位置表述方式，均根据水平高度而确定，而不取决于物体本身的形状。

实施例二：

本实施例是实施一的改进，是实施例一关于水流水头的细化。本实施例所述的水流的水头不小于0.5米。

本实施例所述的水流的水头不低于0.5米，即可以收集半米高度水头的能量，形成压缩空气。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于进气设施的细化。本实施例所述的进气设施是进气管。

安装在引水管上的进气管，其位置和安装方式有多种选择。如：进气管的出口可以设置在引水管的管壁上，如图2所示。也可以如图1所示的那样，出口在引水管的中心轴线的位置，其出口的朝向与水流方向一致。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于进气管的改进。本实施例所述的进气管的进气口高于上游水位，所述进气管的出气口设置在引水管中，其出气方向与水流一致。

本实施例所述的进气管是一条穿过引水管壁进入引水管中的管子，这根管子的进口的高度高于上游水位。进口高于上游水位的目的在于进气管可以安装在引水管水平段（如果有水平段的话），以便高出上游水面。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于集气设施的细化。本实施例所述的集气设施为顶部封闭，底部敞开的单口敞开箱体，所述单口敞开箱体的顶部与集气管连接，敞开的底部为出水口。

本实施例类似于一个钟形，扣在凹槽的底部。出水口可以设置在集气设施的侧壁上。但比较方便的方式是利用敞开的底部作为出水口，即水流从底部流走，这样的集气效果应当最好。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于集气设施的细化。本实施例所述的集气设施为顶部和底部均封闭的封闭箱体，所述的封闭箱体顶部与集气管连接，所述封闭箱体的底部或下部设置出水口，如图3所示。

本实施例的集气设施为一个完整的箱体，底部也封闭，这种形式的集气设施设计和安装较为方便，封闭后的集气设施，空气聚集作用更好。封闭后的集气设施的另一个好处在于，可以在出水口连接出水管，这样出水管可以延伸到下游水位之上，稳压气室中的空气压力。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于出水口的细化。本实施例所述的出水口与出水管7连接，所述的出水管的出口高于下游水位，低于上游水位，如图4所示。

出水口上连接出水管的好处在于：可以稳定压缩空气的压力。出水管的直径应满足是集气设施中的水顺畅流程，避免壅塞。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于集气管的细化。本实施例所述的集气管上设有滤水罐4，如图5所示。

滤水罐由多种形式，主要的作用是就空气中的水滤除。

实施例九：

本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于滤水罐的细化。本实施例所述的滤水罐顶部设有出气管401，底部设有溢水管402，侧壁与集气管连接，如图5所示。

本实施例中的滤水罐利用空气进入滤水罐时体积突然增加，流速迅速降低，气水分离，气流向上，水流向下，并使水流通过溢流管进入集气设施中。溢流管的长度应当达到集气设施的底部，用集气设施底部的水压维持滤水罐中的气压。集气管与滤水罐连接的部位，可以在滤水罐的上半部分或更高，以避免分离出的水分，在不能及时流出滤水罐时，阻塞集气管出口。

实施例十：

本实施例是一种使用实施例一所述装置的低水头能量收集方法，本实施例的主要思路是：在河道或小溪具有不小于0.5米的水流落差段，在地面上挖一个深坑（凹槽），箱体或罩体（集气设施）上通接有引水管，箱体或罩体的下部或底部设置出水口，引水管的进水口的高度大于出水口的高度，引水管的进水口从水流落差段的高处进水，引水管由水平段和竖直段组成，水平段上通接有进气设施，进气设施的下部伸入竖向段中。利用河道或小溪的水流连续不断地得到压缩空气。在不消耗电能、不破坏生态环境的情况下得到压缩空气。压缩可以用来进行污水处理或在供水系统中作为推动压力使用。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

引入水流的步骤：用于将水流上游的水引入引水管。引水管是将水流引入一个封闭的空间（集气设施）中，以便利用其中水流中的势能。

吸入气体的步骤：用于在引水管中利用水流的流动将空气吸入引水管中形成掺气水流。利用水流的流动，将空气吸入到水流中。

聚集能量的步骤：用于掺气水流在快速下落过程中将气体带到水流深处，使气体的压力逐渐增大，形成高压气体。当水流下落时悬浮的空气逐渐融入水中，形成掺气水流，使水流中的势能转换到掺气水流中。

分离高压气体的步骤：用于水流进入集气设施，流速降低、高压气体上浮，在集气设施的上部空间形成空气室，释放完高压气体的水流从集气设施的出水口流出，下游水深对空气室形成压力，在空气室中形成压缩空气。当水流进入集气设施中，空间骤然增加，使溶入水中的空气析出。由于空气的密度小于水，因此，空气上浮，在集气设施的上层形成空气室，而水流向下流动，从出水口流入下游。由于集气设施的出水口低于下游水流，下游的水位对空气室形成压力，在空气室中的空气形成压缩空气。

能量转换的步骤：用于利用集气管引出集气设施上部空间的压缩空气，利用压缩空气作为二次能源。压缩空气有很多用途，如作为抽水的动能，或将转换为旋转的机械能，则可以进行各种做功。将压缩空气转换为机械能也有多种方式，如：使用涡轮机，或往复的活塞发动机等。

最后应说明的是，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案（比如引水管的形式、集气设施的形式、进气设施的安装方式、装置各个要素的连接方式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种低水头能量收集装置，其特征在于，包括：设置于水流上游的引水管，所述的引水管上设有进气设施，所述的引水管与设置在低于水流下游水位的集气设施连接，所述引水管的出口设置于集气设施的下部，所述集气设施的下部或底部还设有出水口，所述的集气设施的上部或顶部设有出气口，所述的出气口上连接集气管。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的水流的水头不小于0.5米。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的进气设施是至少一根进气管。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的进气管的进气口高于上游水位，所述进气管的出气口设置在引水管中，其出气方向与水流一致。

5.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述的集气设施为顶部封闭，底部敞开的单口敞开箱体，所述单口敞开箱体的顶部与集气管连接，敞开的底部为出水口。

6.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述的集气设施为顶部和底部均封闭的封闭箱体，所述的封闭箱体顶部与集气管连接，所述封闭箱体的底部或下部设置出水口。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的出水口与出水管连接，所述的出水管的出口高于下游水位，低于上游水位。

8.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述的集气管上设有滤水罐。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的滤水罐顶部设有出气管，底部设有溢水管，侧壁与集气管连接。