CN205532997U - 一种将热能转换为势能的水力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种将热能转换为势能的水力发电系统，包括取水单元、位于地平面以下的取热单元、补水单元和与取水单元有适当水头落差的水力发电单元，水力发电单元通过引水管道与取水单元连接，补水单元与水力发电单元的尾水管道连通；取热单元用于向补水单元输出热能；补水单元包括水温调节罐和温度差驱动补水装置；水温调节罐的进水端与尾水管道连接，其内部设有水温调节装置，水温调节装置用于调节水温调节罐中水的温度；温度差驱动补水装置与水温调节罐出水端连接，用于将进入水温调节罐罐内的发电后的减少了势能的水注回所述引水管道中。本实用新型利用温度差驱动实现热能向着水势能转换，再利用水势能进行发电，具有较高的能量转换效率。

Description

一种将热能转换为势能的水力发电系统

技术领域

本实用新型属于利用热能进行发电的应用领域，特别涉及一种将热能转换为势能的水力发电系统，通过将热能转换为水的势能，再通过水力发电系统进行发电。

背景技术

能源是人类生存及经济发展所不可缺少的。地球表面积的70％是海洋，而海洋是巨大的能源库。当今利用海洋温差发电的主要方式有闭式循环系统和开式循环系统，其中闭式循环系统最为成熟,已经基本上达到商业化水准，而开式循环系统的主要困难是低压汽轮机的效率太低。闭式循环系统的主要组件包括蒸发器、冷凝器、汽轮机、工作流体泵以及温海水泵与冷海水泵。此系统中所有泵的动力消耗占了相当大的一部分发电功率，据计算当海洋温差发电设备电功率为1MW时，厂用电约占50％，当电功率为100MW时，厂用电仍需占20％，因此减少泵的耗功对于提高海洋温差发电系统的净发电效率具有极其重大的意义。

另外，地球的内部储藏巨大的热量。据估计全球99％的物质处于1000℃以上的高温状态，只有不到1％处于100℃以下，尽管其中可利用部分很小，但仅利用现有技术可以开发利用的地热能就大于目前所有化石能源储量30倍以上。同时地热能蕴藏于地层内，不易受外部自然环境因素的影响，易于实现可控制的持续开采，提供持续稳定的能源供应，这是大规模能源供应网络运行所必须具备的条件，是今后开发利用地热能的方向。目前地热电站效率很低，只有10％～15％，由于地热电站通常以地表水作为冷却水源对汽轮机排汽进行冷凝，冷却水温度较高，不仅制约了地热电站效率的提高，同时要求地热电站必须修建出力比火电厂大得多的冷却系统。

但就发电方式而言，当前流行的水力发电技术多是通过建设水坝拦水发电，而热力发电也是通过将热能转换为可对外做功的机械能，再将机械能转换为动能，转换效率不高。

实用新型内容

本实用新型为解决公知技术中存在的利用热能和水势能进行联合发电的问题，提供了一种将热能转换为势能的水力发电系统，改变了传统热力发电的能量利用和转换流程。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一方面，本实用新型提供了一种将热能转换为势能的水力发电系统，包括取水单元、位于地平面以下的取热单元、补水单元和与取水单元有适当水头落差的水力发电单元，所述水力发电单元通过引水管道与所述取水单元连接，所述补水单元与所述水力发电单元的尾水管道连通；

所述取热单元用于向所述补水单元输出热能；

所述补水单元包括水温调节罐和温度差驱动补水装置；

所述水温调节罐的进水端与所述尾水管道连接，其内部设有水温调节装置，所述水温调节装置用于将所述水温调节罐内的多余热量排出，调节所述水温调节罐中水的温度，使发电尾水保持适当的温度维持温度差驱动补水装置的冷却水与加热水之间的温度差。

所述温度差驱动补水装置与所述水温调节罐出水端连接，用于将进入所述水温调节罐罐内的发电后的减少了势能的水注回所述引水管道中。

所述温度差驱动补水装置包括一循环加热室、循环冷却室、温差相变提升室、地下水箱和传输泵；

所述地下水箱分别与所述循环加热室、温差相变提升室相连通，其腔室内设有与所述取热单元相连通的所述加热管道，用于将所述循环加热室内的水进行加热；

所述循环冷却室的进水端与所述尾水管道连通，所述循环冷却室的出水端与所述水温调节罐的进水端连通，所述循环冷却室的腔室内设有与所述温差相变提升室相连通的冷却管路，所述冷却管路与所述地下水箱连通；

所述温差相变提升室包括循环腔室和相变驱动缸，所述相变驱动缸内设有一活塞，所述活塞将所述相变驱动缸分为原水提升室和工质相变室，所述工质相变室位于所述循环腔室内，所述原水提升室上分别设置一与所述水温调节罐连通的进水口和一与所述引水管道相连通的出水口；

所述传输泵用于将所述循环加热室中热水和所述循环冷却室中的冷水交替传输至所述循环腔室中，使所述相变驱动缸驱动发电后的减少了势能的水注回所述引水管道中。

所述取热单元包括地热补水井、地热取热井、地热源、地热加热井、地热补水管道和地热取热管道，所述地热加热井位于所述地热源的岩层中，所述地热补水管道与所述地热补水井连通，所述地热补水井和所述地热取热井分别与所述地热加热井连通，所述地热取热管道与所述地热加热井连通；所述循环加热室与所述的地热取热管道相连通。

所述的地热取热单元中还设有储热箱和与所述储热箱相连通的地热应用用户，所述储热箱通过所述地热取热管道与所述地热加热井连通，所述水温调节装置与所述储热箱连通，用于将所述水温调节罐中的多余热量输送至所述储热箱中。

所述的水温调节装置为一与所述水温调节罐相连通的热泵，其通过热泵管道与所述储热箱连通。

所述的地热源为干热岩地热源，所述地热加热井水平位于干热岩地热源中。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

本实用新型利用水势能，将水从取水单元通过引水管道引入水力发电单元进行发电，发电后的水再利用温度差驱动补水装置，通过取自地热源中的热能对循环加热室中的水加热，使循环冷却室中的温度较低的水与循环加热室中温度较高的水交替作用到相变提升室中，使相变提升室内的工质发生相变，从而推动活塞对原水提升室中的原水做功，将发电后的无压原水变成有压原水，并注入至水力发电单元的引水管道中进行发电，同时把水力发电系统中的水作为冷却水，实现了热能到水势能的转换，具有较高的能量转换效率，对于地热能发电或干热岩发电的大规模应用具有非常重要的意义。

附图说明

图1是本实用新型所提供的一种水力发电系统平面示意图；

图2是图1中的温度差驱动补水单元的结构布置示意图；

图3是图2中的地热取热单元结构示意图。

图中：

1-取水单元；2-水温调节装置，21-热泵管道；

3-取热单元，31-地热补水井，32-地热取热井，33-地热源，34-地热加热井，35-地热补水管道，36-地热取热管道，37-储热箱，38-地热应用用户；

4-补水单元，41-水温调节罐，42-温度差驱动补水装置，421-循环加热室，422-循环冷却室，423-温差相变提升室，4231-循环腔室，4232-相变驱动缸，42321-原水提升室，42322-工质相变室，4233-活塞，424-地下水箱；

5-引水管道；6-发电单元；7-加热管道；8-冷却管路；9-单向阀；10-截止阀；20-储水箱；30-尾水管道。

具体实施方式:

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例说明如下：

结合图1和图2所示，本实用新型提供了一种将热能转化为势能再通过水力发电系统进行水力发电，主要使用具备可供利用的热能，利用高层建筑+深井+地下厂房的结构创造水势能条件，或利用现有水电站的水力发电设施，具体包括取水单元1、位于地面以下的取热单元3、补水单元4和水力发电单元6，水力发电单元6的位置低于所述取水单元1的位置，二者存在水头落差，水力发电单元6通过其引水管道5与取水单元1连通，水力发电单元6的尾水管道30与补水单元4相连接；

其中的取热单元3为地热取热单元，用于向补水单元4输出热能；

补水单元4包括水温调节罐41、温度差驱动补水装置42；水温调节罐41通过尾水管道30与水力发电单元6连接，水温调节罐41中设有水温调节装置2，用于调节水温调节罐41中循环水的温度，保持温度差驱动补水装置42用于驱动补水的温度差；温度差驱动补水装置42与水温调节罐41的出水端连接，用于将水温调节罐41内的水注入水力发电单元6的引水管道5中，实现循环发电；这里的水力发电单元6和补水单元4可以设置在能提供合适水头的地下厂房或利用现有水力发电厂房设施内。

其中的温度差驱动补水装置42如图2所示，包括一循环加热室421、循环冷却室422、温差相变提升室423、地下水箱424和传输泵；地下水箱424分别与循环加热室421、温差相变提升室423相连通，其腔室内设有与地热取热单元3相连通的地热管道7，用于将循环加热室421内的水进行加热；循环冷却室422的进水端与尾水管道30连通，其出水端与水温调节罐41的进水端连通，在循环冷却室422的腔室内设有与温差相变提升室423相连通的冷却管路8，冷却管路8与地下水箱424连通；而温差相变提升室423包括循环腔室4231和相变驱动缸4232，相变驱动缸4232内设有一活塞4233，活塞4233将相变驱动缸4232分为原水提升室42321和工质相变室42322，工质相变室42322位于循环腔室4231内，原水提升室42321上分别设置一与水温调节罐41连接的进水口和一引水管道5相连通的出水口；其中的传输泵用于将循环加热室421中热水和循环冷却室422中的冷水交替传输至循环腔室4231中，使相变驱动缸4232驱动发电后的减少了势能的水注回引水管道5中，进行持续发电。

温度差驱动补水装置的原理是，通过将热水和冷水交替地输入循环腔室4231中，使工质相变室42322中的特殊工质(如某特殊工质在45℃，6Mpa压力下，可以变成气态，但在20℃,6Mpa下就可以变成液态)交替发生气相和液相的变化对外做功驱动活塞，主要包含两个过程：

1)工质相变室中的特殊工质在循环腔室输入热水时变成气态，对外膨胀做功，驱动活塞，同时，进水单向阀关闭，出水单向阀打开，将相变驱动缸中的水压入引水管道5中，完成水力发电单元的补水工作；

2)工质相变室中的特殊工质在循环腔室输入冷水时变成液态，活塞回落，同时，出水单向阀关闭，进水单向阀打开，将另外一侧的尾水管道30中的水吸入相变驱动缸中；

3)重复过程1)、2)，不断循环水的压出和吸入过程；实现温差驱动补水的持续进行。

通过获取热能可以将循环热水加热到45℃-65℃，与我国北方的常温海水(低温态：冬季，4.4℃；中间态：春秋7℃-17℃，高温态：17℃-26℃)之间有温度差，该温度差可以通过特殊工质的相变用于对外做功，完成补水工作。

其中的取热单元3优选为地热取热单元，如图3所示，包括地热补水井31、地热取热井32、地热源33、地热加热井34、地热补水管道35和地热取热管道36，地热加热井34位于地热源33的岩层中，地热补水管道35与地热补水井31连通，地热补水井31和地热取热井32分别与地热加热井34连通，地热取热管道36与地热加热井34连通；循环加热室421和水温调节罐41分别与地热取热管道36相连通，储水箱20中的水进入地热补水管道35，并流入干热岩地热源中，高温的干热岩使水蒸发形成高温蒸汽，通过地热取热管道36输出，作为循环加热室中的加热源。本实用新型优选的地热源33为干热地热岩，当然也可以采用其它热源，地热加热井34水平位于干热地热岩中。

为了使多余的蒸汽进行回收，在地热取热单元中还设有储热箱37和与储热箱37相连通的地热应用用户38，储热箱37通过地热取热管道36与地热加热井34连通，并储存起来应用于其它地热使用用户，水温调节装置2与储热箱37连通，用于将水温调节罐41中的多余热量输送至储热箱37中。

本实用新型中优选的水温调节装置2为一与水温调节罐41相连通的热泵，其通过热泵管道21与储热箱37连通，通过调节水温调节罐中水的温度，使发电尾水保持适当的温度，以维持温度差驱动补水装置的冷却水与加热水之间的温度差。

具体发电工艺是：将水通过引水管道引至水力发电单元进行势能发电，发电后的水进入补水单元，同时在补水单元中的水温调节罐中引入热泵系统，对水进行调温处理,把冷却水吸收的多余热量输送到储热箱中；同时在补水单元中的温差驱动补水装置中引入地热热能，驱动水温调节罐中的水重新注入水力发电单元的引水管道中进行发电。

本实用新型中的温度差驱动补水装置是通过地热蒸汽加热的循环水提供热量，热蒸汽从通过注水到地热井的120℃-200℃的干热岩中汽化后抽取，也可以其他方便的方式获取地热能。

利用水的势能进行发电后输送到国家电网，在系统中通过设置补水单元，在需要电力时可以利用热能补充水势能后持续进行水力发电，多余的地热能量可用于高层建筑的用户取暖，或制作人工温泉。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种将热能转换为势能的水力发电系统，其特征在于，包括取水单元(1)、位于地平面以下的取热单元(3)、补水单元(4)和与取水单元(1)有适当水头落差的水力发电单元(6)，所述水力发电单元(6)通过引水管道(5)与所述取水单元(1)连接，所述补水单元(4)与所述水力发电单元(6)的尾水管道(30)连通；

所述取热单元(3)用于向所述补水单元(4)输出热能；

所述补水单元(4)包括水温调节罐(41)和温度差驱动补水装置(42)；

所述水温调节罐(41)的进水端与所述尾水管道(30)连接，其内部设有水温调节装置(2)，所述水温调节装置(2)用于调节所述水温调节罐(41)中水的温度；

所述温度差驱动补水装置(42)与所述水温调节罐(41)出水端连接，用于将进入所述水温调节罐(41)罐内的发电后的减少了势能的水注回所述引水管道(5)中。

2.根据权利要求1所述的将热能转换为势能的水力发电系统，其特征在于，其特征在于，所述温度差驱动补水装置(42)包括一循环加热室(421)、循环冷却室(422)、温差相变提升室(423)、地下水箱(424)和传输泵；

所述地下水箱(424)分别与所述循环加热室(421)、温差相变提升室(423)相连通，其腔室内设有与所述取热单元(3)相连通的加热管道(7)，用于将所述循环加热室(421)内的水进行加热；

所述循环冷却室(422)的进水端与所述尾水管道(30)连通，所述循环冷却室(422)的出水端与所述水温调节罐(41)的进水端连通，所述循环冷却室(422)的腔室内设有与所述温差相变提升室(423)相连通的冷却管路(8)，所述冷却管路(8)与所述地下水箱(424)连通；

所述温差相变提升室(423)包括循环腔室(4231)和相变驱动缸(4232)，所述相变驱动缸(4232)内设有一活塞(4233)，所述活塞(4233)将所述相变驱动缸(4232)分为原水提升室(42321)和工质相变室(42322)，所述工质相变室(42322)位于所述循环腔室(4231)内，所述原水提升室(42321)上分别设置一与所述水温调节罐(41)连通的进水口和一与所述引水管道 (5)相连通的出水口；

所述传输泵用于将所述循环加热室(421)中热水和所述循环冷却室(422)中的冷水交替传输至所述循环腔室(4231)中，使所述相变驱动缸(4232)驱动发电后的减少了势能的水注回所述引水管道(5)中。

3.根据权利要求2所述的将热能转换为势能的水力发电系统，其特征在于，所述取热单元(3)包括地热补水井(31)、地热取热井(32)、地热源(33)、地热加热井(34)、地热补水管道(35)和地热取热管道(36)，所述地热加热井(34)位于所述地热源(33)的岩层中，所述地热补水管道(35)与所述地热补水井(31)连通，所述地热补水井(31)和所述地热取热井(32)分别与所述地热加热井(34)连通，所述地热取热管道(36)与所述地热加热井(34)连通；所述循环加热室(421)与所述的地热取热管道(36)相连通。

4.根据权利要求3所述的将热能转换为势能的水力发电系统，其特征在于，所述的地热取热单元中还设有储热箱(37)和与所述储热箱(37)相连通的地热应用用户(38)，所述储热箱(37)通过所述地热取热管道(36)与所述地热加热井(34)连通，所述水温调节装置(2)与所述储热箱(37)连通，用于将所述水温调节罐(41)中的多余热量输送至所述储热箱(37)中。

5.根据权利要求4所述的将热能转换为势能的水力发电系统，其特征在于，所述的水温调节装置(2)为一与所述水温调节罐(41)相连通的热泵，其通过热泵管道(21)与所述储热箱(37)连通。

6.根据权利要求3-5任一所述的将热能转换为势能的水力发电系统，其特征在于，所述的地热源(33)为干热岩地热源，所述地热加热井(34)水平位于干热岩地热源中。