一種低水頭能量收集裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低水頭能量收集裝置和方法，是一種水工裝置和方法，是一種利用低水頭的能量生產(chǎn)二次能源的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界的河流、湖泊，特別是平原地帶，存在大量的低水頭(水頭小于5米)，傳統(tǒng)的收集能量的方式是修筑水壩，形成水庫(kù)，將低水頭聚集成為可以工業(yè)利用的水頭，再設(shè)置發(fā)電設(shè)備，將水頭的能量轉(zhuǎn)換為二次能源。這種方式不但需要大量的投資，而且破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，使河流上游大量土地被淹，下游河道干涸，還引發(fā)了地震、暴雨等次生災(zāi)害。傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)電方式很難利用低水頭產(chǎn)生二次能量，在無(wú)法修筑水壩的地方，大量的低水頭能量被白白浪費(fèi)。如何利用這些低水頭能量，并解決無(wú)需修筑水壩而收集能量的問(wèn)題，是世人所面臨的一個(gè)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種低水頭能量收集裝置和方法。所述的裝置和方法利用水中摻氣和收集摻氣的方式將低水頭中的能量轉(zhuǎn)換為壓縮空氣，再利用壓縮空氣做功，產(chǎn)生抽水、發(fā)電等功效。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種低水頭能量收集裝置，包括:設(shè)置于水流上游的引水管，所述的引水管上設(shè)有進(jìn)氣設(shè)施，所述的引水管與設(shè)置在低于水流下游水位的集氣設(shè)施連接，所述引水管的出口設(shè)置于集氣設(shè)施的下部，所述集氣設(shè)施的下部或底部還設(shè)有出水口，所述的集氣設(shè)施的上部或頂部設(shè)有出氣口，所述的出氣口上連接集氣管。
[0005]進(jìn)一步的，所述的水流的水頭不小于0.5米。
[0006]進(jìn)一步的，所述的進(jìn)氣設(shè)施是至少一根進(jìn)氣管。
[0007]進(jìn)一步的，所述的進(jìn)氣管的進(jìn)氣口高于上游水位，所述進(jìn)氣管的出氣口設(shè)置在引水管中，其出氣方向與水流一致。
[0008]進(jìn)一步的，所述的集氣設(shè)施為頂部封閉，底部敞開(kāi)的單口敞開(kāi)箱體，所述單口敞開(kāi)箱體的頂部與集氣管連接，敞開(kāi)的底部為出水口。
[0009]進(jìn)一步的，所述的集氣設(shè)施為頂部和底部均封閉的封閉箱體，所述的封閉箱體頂部與集氣管連接，所述封閉箱體的底部或下部設(shè)置出水口。
[0010]進(jìn)一步的，所述的集氣管上設(shè)有濾水罐。
[0011]進(jìn)一步的，所述的濾水罐頂部設(shè)有出氣管，底部設(shè)有溢水管，側(cè)壁與集氣管連接。
[0012]一種使用上述裝置的低水頭能量收集方法，所述方法的步驟如下:
引入水流的步驟:用于將水流上游的水引入引水管；
吸入氣體的步驟:用于在引水管中利用水流的流動(dòng)將空氣吸入引水管中形成摻氣水流；
聚集能量的步驟:用于摻氣水流在快速下落過(guò)程中將氣體帶到水流深處，使氣體的壓力逐漸增大，形成高壓氣體；
分離高壓氣體的步驟:用于水流進(jìn)入集氣設(shè)施，流速降低、高壓氣體上浮，在集氣設(shè)施的上部空間形成空氣室，釋放完高壓氣體的水流從集氣設(shè)施的出水口流出，由于集氣設(shè)施的出水口低于下游水流，下游水深對(duì)空氣室形成壓力；
能量轉(zhuǎn)換的步驟:用于利用集氣管引出集氣設(shè)施上部空間的壓縮空氣，利用壓縮空氣作為二次能源。
[0013]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用在引水管上設(shè)置進(jìn)氣設(shè)施的方式，在水流中摻入大量空氣，在水流下落的過(guò)程中，將水流中的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為空氣的氣壓差能，并使用集氣設(shè)施收集水流中的高壓氣體，盡最大可能的將水流中的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為高壓氣體的壓差能量，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換過(guò)程沒(méi)有任何中間過(guò)程、整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以大幅度提高能量轉(zhuǎn)換的效率。本發(fā)明利用河道或小溪的水流連續(xù)不斷地得到壓縮空氣，在不消耗電能、不破壞生態(tài)環(huán)境的情況下得到壓縮空氣，壓縮空氣可以用來(lái)進(jìn)行污水處理或在供水系統(tǒng)中作為推動(dòng)壓力使用，降低石化能源的消耗，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。
【附圖說(shuō)明】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例三所述一種引水管與進(jìn)氣管的連接方式示意圖；
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例六所述底部封閉的集氣設(shè)施示意圖；
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例七所述出水口帶有出水管的示意圖；
圖5是本發(fā)明的實(shí)施例八所述集氣管上的濾水罐的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例一:
本實(shí)施例是一種低水頭能量收集裝置，如圖1所示。本實(shí)施例包括:設(shè)置于水流上游I的引水管2，所述的引水管上設(shè)有進(jìn)氣設(shè)施3，所述的引水管與設(shè)置在低于水流下游水位8的集氣設(shè)施10連接，所述引水管的出口設(shè)置于集氣設(shè)施的下部，所述集氣設(shè)施的下部或底部還設(shè)有出水口 9，所述的集氣設(shè)施的上部或頂部設(shè)有出氣口 6，所述的出氣口上連接集氣管5。
[0017]本實(shí)施例的基本思路是:利用上、下游之間的水壓的壓差，收集空氣并給空氣加壓，然后收集帶有壓力的空氣，利用壓縮空氣作為傳遞能量的介質(zhì)。上下游之間的高度差最小可以達(dá)到0.5米，也就是說(shuō)本實(shí)施例所述的裝置可以收集到最小只有0.5米的水頭能量，收集這樣小水頭的能量，在水輪機(jī)等傳統(tǒng)的能量收集裝置上是不可想象的。
[0018]本實(shí)施例所述的上游水流可以通過(guò)水壩聚集水流中的能量，也可以直接利用水管收集水流。引水管是一根將上游水流引至低于下游水流位置的水管，或者說(shuō)引水管的進(jìn)水口在上游水位，而出口應(yīng)當(dāng)?shù)陀谙掠嗡?。這一點(diǎn)十分重要，因?yàn)?，只有引水管的出水口低于下游水位，才能使摻氣水流中的空氣析出，并產(chǎn)生帶有一定壓力的壓縮空氣，壓縮空氣的壓力為集氣設(shè)施頂部位置和下游水面的壓差。因此，要增加壓縮空氣的壓力，可以將集氣設(shè)施盡量放在更深的凹槽中。在一些情況下，下游水流不夠穩(wěn)定，有漲落的變化，這樣就會(huì)引起壓縮空氣壓力的變化，為維持壓縮空氣的恒定，可以在集氣設(shè)施的出水口連接一根出水管，這根出水管的出口的高度可以在下游水位附近，略高于下游水位上漲最高的位置，這樣，不論下游水位如何上漲，集氣設(shè)施中的空氣壓力，都維持在出水管的出水口高度上。
[0019]作為引水管的水管在長(zhǎng)度方向上可以是一根彎曲的長(zhǎng)管，長(zhǎng)管的進(jìn)口與上游水流方向一致，以便上游的水流可以十分方便的流入管中。引水管前半段可以彎曲，直角過(guò)后的后半段必須是盡量垂直向下，這樣吸取空氣的效率比較高。
[0020]進(jìn)氣設(shè)施的作用是利用引水管的水流的流動(dòng)能量吸入空氣，生成摻氣水流。進(jìn)氣設(shè)施可以簡(jiǎn)單的在引水管上打一個(gè)孔?？椎奈恢脩?yīng)等于或略低于上游水位，并高于下游水位。
[0021]為達(dá)到更好的摻氣效果，可以在引水管上專(zhuān)門(mén)設(shè)置一根或多根進(jìn)氣管。進(jìn)氣管在引水管上的安裝位置和方式也有多種選擇。進(jìn)氣管的進(jìn)氣口可以設(shè)置得比較高。進(jìn)氣管穿過(guò)引水管壁進(jìn)入引水管中，其出氣口與引水管中的水流方向一致，在水流的流動(dòng)作用下，可以吸入大量空氣。進(jìn)氣管出氣口的位置應(yīng)選擇在水流速度較快的位置。
[0022]集氣設(shè)施是設(shè)置在低于下游水位之下的一個(gè)類(lèi)似箱體的設(shè)施，可以是四面封閉的箱體，也可以是底部敞開(kāi)的鐘形物體，類(lèi)似一個(gè)倒扣的杯子，或者是一個(gè)豎直的圓筒形罐，或者是橫臥的圓筒形罐。引水管與集氣設(shè)施連接的位置應(yīng)當(dāng)在集氣設(shè)施的下半部，略高于出水口并盡量遠(yuǎn)離出水口。如果集氣設(shè)施是四面封閉的箱體，則出水口可以設(shè)置在箱體的底部或下半部，如果圖1所示。如果集氣設(shè)施的底部敞開(kāi)，則敞開(kāi)的底部可以作為出水口。
[0023]集氣設(shè)施設(shè)置在低于下游的凹槽中，可以用各種材料制成，如可以使用水泥構(gòu)筑，也可以使用金屬或塑料等材料做出成箱體，固定在凹槽的底部。
[0024]集氣設(shè)施應(yīng)當(dāng)?shù)陀谙掠嗡?，集氣設(shè)施的高度決定所產(chǎn)生高壓氣體的壓強(qiáng)，但集氣設(shè)施過(guò)低會(huì)增加安裝整個(gè)收集能量裝置的成本，即要開(kāi)挖較深的凹槽，增加了土方工程量，另一方面，水中析出的空氣量有限，不可能無(wú)限增加，因此集氣設(shè)施設(shè)置的過(guò)低沒(méi)有意義。
[0025]集氣設(shè)施的上半部作為氣體存留的空氣，可以做成錐形，在錐形的尖部設(shè)置與集氣管連接的出氣口，便于水流中析出的空氣流向集氣管。
[0026]壓縮空氣進(jìn)入集氣管時(shí)，空氣中還有許多殘存的水汽，可以通過(guò)設(shè)置濾水罐，將壓縮空氣中的水份濾除。
[0027]本實(shí)施例及本發(fā)明所述的“頂部”和“底部”等位置表述方式，均根據(jù)水平高度而確定，而不取決于物體本身的形狀。
[0028]實(shí)施例二:
本實(shí)施例是實(shí)施一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于水流水頭的細(xì)化。本實(shí)施例所述的水流的水頭不小于0.5米。
[0029]本實(shí)施例所述的水流的水頭不低于0.5米，即可以收集半米高度水頭的能量，形成壓縮空氣。
[0030]實(shí)施例三:
本實(shí)施例是實(shí)施例二的改進(jìn)，是實(shí)施例二關(guān)于進(jìn)氣設(shè)施的細(xì)化。本實(shí)施例所述的進(jìn)氣設(shè)施是進(jìn)氣管。
[0031]安裝在引水管上的進(jìn)氣管，其位置和安裝方式有多種選擇。如:進(jìn)氣管的出口可以設(shè)置在引水管的管壁上，如圖2