專利名稱：地下水抽取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型為用于分配或運(yùn)送液體的裝置，特別涉及利用太陽能實(shí)現(xiàn)抽取地下水的技術(shù)。
背景技術(shù)：
水資源是解決荒漠化地區(qū)人類生存所需的飲用水源和綠化植被所需的灌溉水源的關(guān)鍵。抽取地下水是解決干旱地區(qū)水資源的一種有效途徑。由于在荒漠化地區(qū)交通困難，經(jīng)濟(jì)落后，電力匱乏，傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電驅(qū)動電動機(jī)抽取地下水的方法難以實(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)有在西部地區(qū)開展用太陽能光伏電池提供電能來抽取地下水的研究。但是太陽能光伏電池的成本太高，目前還停留在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段，難以大規(guī)模應(yīng)用。還有利用風(fēng)力發(fā)電作為能源來抽取地下水，不足的是在許多風(fēng)力資源貧乏的地區(qū)就不能適用。
太陽能煙囪的概念最早是1978年由德國的Schlaich教授提出的，目標(biāo)是建造大規(guī)模的太陽能煙囪電站。太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)是規(guī)模越大，太陽能的熱轉(zhuǎn)換效率越高，0.1MW的電站的平均效率為0.2％，煙囪高200m，集熱棚占地面積5×104m2，1000MW的太陽能煙囪電站的平均效率達(dá)到1.8％，煙囪高900m，集熱棚占地面積0.9×108m2。但是太陽能煙囪電站也存在3個(gè)缺點(diǎn)一是超高煙囪的穩(wěn)定性一直受到人們的質(zhì)疑，目前世界上最高的人工建筑物是加拿大的多倫多電視塔只有550米高；二是占地面積大，荒漠地區(qū)的灰塵很容易覆蓋在集熱棚表面，大大降低太陽光的透過率，降低發(fā)電效率；三是大規(guī)模的太陽能煙囪發(fā)電站一次性投資大，還存在一定風(fēng)險(xiǎn)，然而小規(guī)模電站能量轉(zhuǎn)化效率低，經(jīng)濟(jì)效益也不劃算。斯里蘭卡在中國提出的關(guān)于太陽能發(fā)電裝置的申請，是在第一座太陽能煙囪裝置修建后的20年之后，而且只是涉及到利用太陽能煙囪裝置產(chǎn)生的熱效應(yīng)進(jìn)行蒸發(fā)換熱。國外較早開展了太陽能煙囪裝置的建造和研究，大部分是關(guān)于發(fā)電和改善建筑物通風(fēng)方面的研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出一種地下水抽取裝置，其目的是通過建造中小規(guī)模的太陽能煙囪裝置，將渦輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的動能直接通過機(jī)械傳動裝置驅(qū)動活塞式水泵抽取地下水。這樣能量的轉(zhuǎn)化效率大大提高，只有機(jī)械傳動裝置的能量損耗，省掉了渦輪發(fā)電機(jī)的效率損失以及電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率損失；同時(shí)抽取的地下水能移方便地實(shí)現(xiàn)太陽能集熱棚的自清洗，以保證太陽能煙囪的正常運(yùn)行。
本實(shí)用新型的一種地下水抽取裝置，包括動力驅(qū)動部分和活塞式水泵，活塞式水源包括圓形水管外筒和其內(nèi)的傳動桿、活塞、活門，動力驅(qū)動部分通過圓錐齒輪組、曲軸連桿傳動機(jī)構(gòu)連接活塞式水泵的傳動桿，其特征在于所述動力驅(qū)動部分由集熱棚、位于其中部置與其連通的煙囪、安裝在煙囪底部的渦輪機(jī)組成。所述的地下水抽取裝置，其進(jìn)一步的特征在于該裝置設(shè)有水塔、所述驅(qū)動部分集熱棚上方裝有噴淋設(shè)施，所術(shù)活塞式水泵出水管連通水塔、后者通過管道連通噴淋設(shè)施。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)一是利用太陽能煙囪技術(shù)進(jìn)行太陽能能量的轉(zhuǎn)換抽取地下水。彌補(bǔ)了現(xiàn)有利用太陽能光伏電池取抽取地下水成本太高的缺點(diǎn)，太陽能煙囪技術(shù)中太陽能集熱棚下面的地面具有蓄熱的功能，不但白天可以工作，晚上釋放的熱能也可以進(jìn)行抽水工作。二是避免了太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)推廣應(yīng)用中修建超高煙囪的難題。自從世界上第一座50kw示范性太陽能煙囪發(fā)電站在西班牙建成以來，已經(jīng)20多年時(shí)間了，工業(yè)規(guī)模的太陽能煙囪發(fā)電站一直未能建成。其中一個(gè)主要原因是太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)只有建成超大規(guī)模才能獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率以保證工業(yè)電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而超大規(guī)模的太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)必須修建將近1000m左右的超高煙囪，超高煙囪的防風(fēng)抗震性能一直受到置疑；本實(shí)用新型利用太陽能的熱能轉(zhuǎn)換不用來發(fā)電，而是直接通過機(jī)械能的轉(zhuǎn)換抽取地下水，這樣就可以修建中小規(guī)模的太陽能煙囪系統(tǒng)，消除了超高煙囪的安全隱患，提高了能量的轉(zhuǎn)換效率。三是實(shí)現(xiàn)了煙囪系統(tǒng)的自清洗過程。太陽能煙囪的集熱棚占地面積大，而且處在人口稀少的北方地區(qū)，在運(yùn)行的過程中，很容易被灰塵所覆蓋而降低能量轉(zhuǎn)換效率。定期的清洗過程往往要從很遠(yuǎn)的水源地取水清洗。本實(shí)用新型利用太陽能煙囪抽取的地下水，一方面可以用于飲用水源和灌溉水源，另一方面可以方便地進(jìn)行集熱棚表面灰塵的自清洗，保證太陽能煙囪裝置的高效正常運(yùn)行。


圖1為本實(shí)用新型的示意圖，
圖2為本實(shí)用新型的裝置中活塞水泵結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為活塞水泵處于下行程的狀態(tài)、(b)為活塞水泵處于上行程的狀態(tài)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的實(shí)施情況。圖1所示太陽光透過集熱棚1(塑料或玻璃)加熱地面。為了增加地面的蓄熱性能，將地面鋪設(shè)一層厚的砂子或煤粉作為保溫和蓄熱材料。由于溫室效應(yīng)，集熱棚內(nèi)空氣溫度升高，受熱空氣膨脹而沿徑向向集熱棚中部流動，進(jìn)入集熱棚中部的煙囪2。在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模的裝置中煙囪可以用PVC塑料制作，實(shí)際應(yīng)用的煙囪一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以保證一定的強(qiáng)度和防風(fēng)抗震性能。上升的氣流由于煙囪效應(yīng)在煙囪中加速，推動安裝在煙囪底部的渦輪機(jī)3旋轉(zhuǎn)。軸4的垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過圓錐齒輪組5轉(zhuǎn)化為軸6水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。軸6的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲軸連桿的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)7推動傳動桿8作垂直往復(fù)運(yùn)動。傳動桿8驅(qū)動抽水機(jī)9工作，地下水通過過濾器10后提升到出水管11，水流可以進(jìn)入到附近的高位水塔12，通過噴淋設(shè)施13進(jìn)行集熱棚表面灰塵的清洗，也可以輸送到遠(yuǎn)處。
活塞水泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理見圖2。最簡單常見的活塞水泵是由一個(gè)圓形水管外筒14和一個(gè)活塞15組成。圓管底部是進(jìn)水口，并安裝有過濾器10，出水口是在圓管的頂部，活塞上裝有一個(gè)單向活門16。當(dāng)活塞行程向下時(shí)，見圖2(a)，圓管底部活門17關(guān)閉，同時(shí)活塞活門16被水壓沖開而水流入活塞以上部位。當(dāng)活塞上行程時(shí)，見圖2(b)，活塞活門16由于上部水壓而關(guān)閉，同時(shí)圓管底部的單向活門17被吸開，并把水吸入到圓管內(nèi)，活塞活門16上部的水就被提到安裝在其頂部的水管。這種簡易的抽水裝置，只有足夠的太陽能煙囪裝置帶動曲軸連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的往復(fù)運(yùn)動的功率，就可以把地下水抽到很高的水塔內(nèi)或輸送到很遠(yuǎn)的地方。在一定的裝置下，抽水和輸送所需的功率主要考慮揚(yáng)程和管道內(nèi)的摩擦阻力損失。
實(shí)施例1煙囪高100m，集熱棚直徑150m，能產(chǎn)生10KW以上的驅(qū)動功率。下面通過計(jì)算建造配套的抽取地下水的自清洗系統(tǒng)，所能獲得的抽取地下水的流量。
假設(shè)地下水位深45m，太陽能集熱棚離地高度為8m，修建高位水塔離地面高度為15m，沿水平方向輸送的距離為90m，輸送水的管道的直徑都為2英寸鋼管。水泵效率為0.7。抽水和輸送所需的功率主要由揚(yáng)程和管道內(nèi)的摩擦阻力損失所確定，可以按照下面公式進(jìn)行計(jì)算。
P=9811(Hw+Hf)QEp---(1)]]>式中，P——水泵抽水的功率，w；Hw——揚(yáng)程，等于地上揚(yáng)程和地下?lián)P程之和，m；Hf——摩擦阻力揚(yáng)程，m；Q——抽水的平均流量，m3/s；Ep——水泵效率，百分?jǐn)?shù)。
摩擦阻力揚(yáng)程由各段管道長度、管徑以及彎頭個(gè)數(shù)確定，可以用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Hf＝ξ(L+4N) (2)
式中，Hf——摩擦阻力揚(yáng)程，m；ξ——水頭損失系數(shù)，由管徑D和流量Q查經(jīng)驗(yàn)曲線獲得，取ξ＝1；L——管道長度，m；N——90°彎頭個(gè)數(shù)，假定彎頭總個(gè)數(shù)為3個(gè)。
由公式(1)和公式(2)可以估算出10kw的水泵功率能夠抽取地下水的平均流量為3.2×10-3m3/s(193L/min)。也即是煙囪高100m，集熱棚直徑150m的太陽能煙囪裝置能夠?qū)?5m深的地下水抽到15m高的水塔中，平均抽水的流量為193L/min。
實(shí)施例2按照西班牙的太陽能煙囪進(jìn)行建造，煙囪高度為200m，集熱棚覆蓋區(qū)域直徑約為250m，就能產(chǎn)生日平均功率50KW以上驅(qū)動功率。太陽能集熱棚離地距離為10m。下面通過計(jì)算建造配套的抽取地下水的自清洗系統(tǒng)，所能獲得的抽取地下水的流量。
假設(shè)地下水位深45m，修建高位水塔離地面高度為20m，沿水平方向輸送的距離為200m，輸送水的管道的直徑都為2英寸鋼管。水泵效率為0.7。假定整個(gè)管道系統(tǒng)90°彎頭個(gè)數(shù)為3個(gè)。水頭損失系數(shù)ξ＝2。由公式(1)和公式(2)可以估算出50kw的水泵功率能夠抽取地下水的平均流量為5.76×10-3m3/s(346L/min)。也即是煙囪高200m，集熱棚直徑250m的太陽能煙囪裝置能夠?qū)?5m深的地下水抽到離開集熱棚中心距離200m遠(yuǎn)、離地20m高的水塔中，平均抽水的流量為346L/min。完全能夠滿足一定規(guī)模抽取地下水的目的和集熱棚自清洗的目的。
權(quán)利要求1.一種地下水抽取裝置，包括動力驅(qū)動部分和活塞式水泵，活塞式水源包括圓形水管外筒和其內(nèi)的傳動桿、活塞、活門，動力驅(qū)動部分通過圓錐齒輪組、曲軸連桿傳動機(jī)構(gòu)連接活塞式水泵的傳動桿，其特征在于所述動力驅(qū)動部分由集熱棚、位于其中部置與其連通的煙囪、安裝在煙囪底部的渦輪機(jī)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的地下水抽取裝置，其特征在于該裝置設(shè)有水塔、所述驅(qū)動部分集熱棚上方裝有噴淋設(shè)施，所術(shù)活塞式水泵出水管連通水塔、后者通過管道連通噴淋設(shè)施。
專利摘要地下水抽取裝置，屬于分配或運(yùn)送液體的裝置、特別涉及利用太陽能實(shí)現(xiàn)抽取地下水的技術(shù)，通過制造中小規(guī)模的太陽能煙囪裝置，將渦輪旋轉(zhuǎn)動能直接通過機(jī)械傳動裝置驅(qū)動活塞式水泵抽取地下水，并實(shí)現(xiàn)太陽能集熱棚的自清洗。本裝置的動力驅(qū)動部分由集熱棚、位于其中部的煙囪、安裝在煙囪底部的渦輪機(jī)組成，動力驅(qū)動部分通過圓錐齒輪組、曲軸聯(lián)桿傳動機(jī)構(gòu)連接活塞式水泵。本實(shí)用新型彌補(bǔ)現(xiàn)有太陽能光伏中池抽取地下水成本高的缺點(diǎn)，避免修建超高煙囪的難題，提高能量轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了煙囪系統(tǒng)的自清洗過程，適用于干旱地區(qū)飲用和灌溉水源。
文檔編號E03B3/06GK2639364SQ0323726
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月2日
發(fā)明者楊家寬, 肖波, 李勁, 馬志云, 唐東羚, 張建鋒, 李進(jìn)軍, 朱新鋒 申請人:華中科技大學(xué)