專利名稱：地下水抽取裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為用于分配或運送液體的裝置，特別涉及利用太陽能實現抽取地下水的技術。
背景技術：
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，經濟落后，電力匱乏，傳統(tǒng)的電網供電驅動電動機抽取地下水的方法難以實現。目前，國內有在西部地區(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)模實驗階段，難以大規(guī)模應用。還有利用風力發(fā)電作為能源來抽取地下水，不足的是在許多風力資源貧乏的地區(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)電技術的特點是規(guī)模越大，太陽能的熱轉換效率越高，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個缺點一是超高煙囪的穩(wěn)定性一直受到人們的質疑，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，還存在一定風險，然而小規(guī)模電站能量轉化效率低，經濟效益也不劃算。斯里蘭卡在中國提出的關于太陽能發(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生的熱效應進行蒸發(fā)換熱。國外較早開展了太陽能煙囪裝置的建造和研究，大部分是關于發(fā)電和改善建筑物通風方面的研究報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明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，將渦輪旋轉運動的動能直接通過機械傳動裝置驅動活塞式水泵抽取地下水。這樣能量的轉化效率大大提高，只有機械傳動裝置的能量損耗，省掉了渦輪發(fā)電機的效率損失以及電能到機械能的轉換效率損失；同時抽取的地下水能移方便地實現太陽能集熱棚的自清洗，以保證太陽能煙囪的正常運行。
本發(fā)明的一種地下水抽取裝置，包括動力驅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的傳動桿、活塞、活門，動力驅動部分通過圓錐齒輪組、曲軸連桿傳動機構連接活塞式水泵的傳動桿，其特征在于所述動力驅動部分由集熱棚、位于其中部置與其連通的煙囪、安裝在煙囪底部的渦輪機組成。
所述的地下水抽取裝置，其進一步的特征在于該裝置設有水塔、所述驅動部分集熱棚上方裝有噴淋設施，所術活塞式水泵出水管連通水塔、后者通過管道連通噴淋設施。
本發(fā)明的優(yōu)點一是利用太陽能煙囪技術進行太陽能能量的轉換抽取地下水。彌補了現有利用太陽能光伏電池取抽取地下水成本太高的缺點，太陽能煙囪技術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行抽水工作。二是避免了太陽能煙囪發(fā)電技術推廣應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20多年時間了，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換效率以保證工業(yè)電站的經濟運行，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，超高煙囪的防風抗震性能一直受到置疑；本發(fā)明利用太陽能的熱能轉換不用來發(fā)電，而是直接通過機械能的轉換抽取地下水，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，提高了能量的轉換效率。三是實現了煙囪系統(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)，在運行的過程中，很容易被灰塵所覆蓋而降低能量轉換效率。定期的清洗過程往往要從很遠的水源地取水清洗。本發(fā)明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行。


圖1為本發(fā)明的示意圖，圖2為本發(fā)明的裝置中活塞水泵結構示意圖，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)。
具體實施例方式
以下結合

本發(fā)明的實施情況。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，將地面鋪設一層厚的砂子或煤粉作為保溫和蓄熱材料。由于溫室效應，集熱棚內空氣溫度升高，受熱空氣膨脹而沿徑向向集熱棚中部流動，進入集熱棚中部的煙囪2。在實驗室小規(guī)模的裝置中煙囪可以用PVC塑料制作，實際應用的煙囪一般采用鋼筋混凝土結構，以保證一定的強度和防風抗震性能。上升的氣流由于煙囪效應在煙囪中加速，推動安裝在煙囪底部的渦輪機3旋轉。軸4的垂直旋轉運動通過圓錐齒輪組5轉化為軸6水平旋轉運動。軸6的水平旋轉運動通過曲軸連桿的機械傳動機構7推動傳動桿8作垂直往復運動。傳動桿8驅動抽水機9工作，地下水通過過濾器10后提升到出水管11，水流可以進入到附近的高位水塔12，通過噴淋設施13進行集熱棚表面灰塵的清洗，也可以輸送到遠處。
活塞水泵的內部結構及工作原理見圖2。最簡單常見的活塞水泵是由一個圓形水管外筒14和一個活塞15組成。圓管底部是進水口，并安裝有過濾器10，出水口是在圓管的頂部，活塞上裝有一個單向活門16。當活塞行程向下時，見圖2(a)，圓管底部活門17關閉，同時活塞活門16被水壓沖開而水流入活塞以上部位。當活塞上行程時，見圖2(b)，活塞活門16由于上部水壓而關閉，同時圓管底部的單向活門17被吸開，并把水吸入到圓管內，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構產生的往復運動的功率，就可以把地下水抽到很高的水塔內或輸送到很遠的地方。在一定的裝置下，抽水和輸送所需的功率主要考慮揚程和管道內的摩擦阻力損失。
實施例1煙囪高100m，集熱棚直徑150m，能產生10KW以上的驅動功率。下面通過計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程和管道內的摩擦阻力損失所確定，可以按照下面公式進行計算。
P=9811(Hw+Hf)QEp---(1)]]>式中，P——水泵抽水的功率，w；Hw——揚程，等于地上揚程和地下揚程之和，m；Hf——摩擦阻力揚程，m；Q——抽水的平均流量，m3/s；Ep——水泵效率，百分數。
摩擦阻力揚程由各段管道長度、管徑以及彎頭個數確定，可以用下面經驗公式計算Hf＝ξ(L+4N) (2)式中，Hf——摩擦阻力揚程，m；
ξ——水頭損失系數，由管徑D和流量Q查經驗曲線獲得，取ξ＝1；L——管道長度，m；N——90°彎頭個數，假定彎頭總個數為3個。
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將45m深的地下水抽到15m高的水塔中，平均抽水的流量為193L/min。
實施例2按照西班牙的太陽能煙囪進行建造，煙囪高度為200m，集熱棚覆蓋區(qū)域直徑約為250m，就能產生日平均功率50KW以上驅動功率。太陽能集熱棚離地距離為10m。下面通過計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。假定整個管道系統(tǒng)90°彎頭個數為3個。水頭損失系數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將45m深的地下水抽到離開集熱棚中心距離200m遠、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。
權利要求
1.一種地下水抽取裝置，包括動力驅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的傳動桿、活塞、活門，動力驅動部分通過圓錐齒輪組、曲軸連桿傳動機構連接活塞式水泵的傳動桿，其特征在于所述動力驅動部分由集熱棚、位于其中部置與其連通的煙囪、安裝在煙囪底部的渦輪機組成。
2.如權利要求1所述的地下水抽取裝置，其特征在于該裝置設有水塔、所述驅動部分集熱棚上方裝有噴淋設施，所術活塞式水泵出水管連通水塔、后者通過管道連通噴淋設施。
全文摘要
地下水抽取裝置，屬于分配或運送液體的裝置，特別涉及利用太陽能實現抽取地下水的技術，通過制造中小規(guī)模的太陽能煙囪裝置，將渦輪旋轉動能直接通過機械傳動裝置驅動活塞式水泵抽取地下水，并實現太陽能集熱棚的自清洗。本裝置的動力驅動部分由集熱棚、位于其中部的煙囪、安裝在煙囪底部的渦輪機組成，動力驅動部分通過圓錐齒輪組、曲軸聯桿傳動機構連接活塞式水泵。本發(fā)明彌補現有太陽能光伏中池抽取地下水成本高的缺點，避免修建超高煙囪的難題，提高能量轉換效率，實現了煙囪系統(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F03D11/00GK1519472SQ03125370
公開日2004年8月11日 申請日期2003年9月2日 優(yōu)先權日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, 李進軍, 朱新鋒 申請人:華中科技大學