專利名稱：地心引力與大氣梯度溫差綜合發(fā)電方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用地心引力與大氣梯度溫差共同作用發(fā)電的方法及其裝置，尤其是利用“U”形管與內(nèi)螺旋抽氣管道的裝置，使地面相對(duì)高溫的大氣在“U”形管出氣口端呈高速氣旋上升和在“U”形管進(jìn)氣口端大氣借助重力及加速度迅猛下降，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的高速氣流，推動(dòng)發(fā)電機(jī)組渦輪葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電。
背景技術(shù)：
目前人類(lèi)所使用的能源主要來(lái)自煤、石油、天然氣、核反應(yīng)堆及水力發(fā)電等。這些產(chǎn)生能源的物質(zhì)或方法，有的存在污染和資源限制，有的投資較大，且不能滿足人們的需要，尤其是邊遠(yuǎn)山區(qū)民眾的需要。多年來(lái)就有不少人在探索開(kāi)發(fā)“綠色能源”，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、生物能等，有的已經(jīng)達(dá)到一定規(guī)模的實(shí)用階段。近幾年，在探索利用大氣溫差發(fā)電方面也不乏其人。2001年，有人發(fā)表了題為《利用大氣壓差發(fā)電》的文章，其思路是根據(jù)煙囪抽吸煙塵的原理，提出海拔越高大氣壓差越低，似乎煙囪抽吸煙塵是低海拔處的相對(duì)高氣壓將煙囪內(nèi)的煙塵向上推動(dòng)的結(jié)果，這個(gè)假設(shè)值得商榷。事實(shí)上，單純的大氣壓差在地球表面一定范圍內(nèi)是大體一致的，如果沒(méi)有外力作用，大氣只能保持一種穩(wěn)定的重力差遞減狀態(tài)或者一種位能態(tài)勢(shì)，它會(huì)不流動(dòng)，也就不會(huì)做任何工。煙囪所以能抽吸煙塵，其原動(dòng)力是大氣的梯度溫差，或者煙囪內(nèi)部自身的高溫氣體，大氣壓差只是一種繼發(fā)動(dòng)力。假定煙囪內(nèi)外氣體溫差梯度一旦平衡，煙囪也就會(huì)失去它抽吸煙塵的作用，所以單純的大氣壓差不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力。近年，澳大利亞一家公司計(jì)劃利用大氣梯度溫差，搭建一個(gè)20平方公里的玻璃或塑料溫室大棚，建造一座900多米高的巨型煙囪，利用溫室大棚內(nèi)的熱空氣從煙囪里上升產(chǎn)生的動(dòng)力發(fā)電，預(yù)計(jì)可為32個(gè)渦輪機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)電20萬(wàn)千瓦，供20萬(wàn)個(gè)家庭使用，估計(jì)耗資6.7億美元。這個(gè)計(jì)劃雖好，但是難度及耗資卻很大，而且900多米的高煙囪存在一定安全隱患。國(guó)內(nèi)2002年有一《空氣能發(fā)電方法》的發(fā)明，其原理就是對(duì)大氣梯度溫差的利用，方法是搭建一座高度100m以上的敞口錐形管道，在錐形管道下口“喉部”處安置發(fā)電機(jī)組葉輪，使從管道內(nèi)上升的空氣流推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電。此發(fā)明是目前國(guó)內(nèi)利用大氣梯度溫差發(fā)電的一個(gè)典型例子，也可能達(dá)到實(shí)用程度。但是，其不足有二一是要達(dá)到很大的功率，勢(shì)必上部錐形管需要足夠的高度，錐形管越向上延伸，其體積、敞口將越大，類(lèi)似于煙囪的吸筒作用會(huì)逐漸減小至消失，并且在較高的空間一個(gè)大漏斗狀的結(jié)構(gòu)不易建造與控制；二是空氣在上升離開(kāi)地球的過(guò)程中做工，首先需要克服地心引力，地心引力在此起到負(fù)作用。因此，需要對(duì)地心引力能和大氣梯度溫差能做進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種綜合利用地心引力與大氣梯度溫差能源的方法及其裝置。通過(guò)“U”形管的作用，使大氣梯度溫差引起的氣流上升動(dòng)力與地心引力對(duì)大氣施加的下降重力度偶聯(lián)，從而獲得更大的動(dòng)能效果用以發(fā)電，以滿人們對(duì)于電能更多的需求以及人類(lèi)對(duì)“綠色能源”渴求的實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了一“U”形管道連接高腳酒杯狀儲(chǔ)氣池與沿陡峭山體搭建的內(nèi)螺旋抽氣管道。儲(chǔ)氣池上口裝置雨棚及柵欄式活動(dòng)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閘門(mén)，儲(chǔ)氣池中央采用鋼架固定風(fēng)能發(fā)電機(jī)組，儲(chǔ)氣池底部與“U”形管進(jìn)氣口端狹窄頸部密閉連通，此狹窄頸部為風(fēng)能發(fā)電機(jī)之轉(zhuǎn)軸右旋葉輪位置處?！癠”形管氣流上升段內(nèi)，安置數(shù)個(gè)篩網(wǎng)狀空氣加熱器，“U”形管氣流上升段末端連接內(nèi)螺旋抽氣管道，內(nèi)螺旋抽氣管道最高末端處安裝防雨棚及避雷裝置并用支架固定高出地面部分?！癠”形管底部最低處，裝置一帶活塞瓣門(mén)的出水小管，置于水坑內(nèi)。整個(gè)儲(chǔ)氣池與“U”形管懸空部分，用高強(qiáng)度金屬架或鋼筋混凝土支架支撐保護(hù)。
本發(fā)明的工作原理如下首先要求所搭建的內(nèi)螺旋抽氣管道垂直高度H達(dá)1500m以上，理想的垂直高度是2500m左右。這樣，儲(chǔ)氣池與內(nèi)螺旋抽氣管頂端之間的大氣梯度溫差可以達(dá)到10～15℃，這樣的溫差足以啟動(dòng)抽氣管內(nèi)的空氣快速上升流動(dòng)。儲(chǔ)氣池需要一定的直徑和高度，其主要作用是使池內(nèi)的空氣不受外界風(fēng)的橫向干擾，以保證發(fā)電機(jī)葉輪處有足夠穩(wěn)定的氣流供給?！癠”形管與儲(chǔ)氣池連接處狹窄頸部的作用是使發(fā)電機(jī)葉輪處的空氣流速加大，以推動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。內(nèi)螺旋抽氣管道的“內(nèi)螺旋”，是由三條深度1cm的逆時(shí)針不對(duì)稱螺旋槽構(gòu)成，其作用是使空氣在上升過(guò)程中形成逆時(shí)針螺旋渦流(在南半球須為順時(shí)針螺旋)，在抽氣管道內(nèi)造成上升型“龍卷風(fēng)”效應(yīng)，以增加管內(nèi)上升氣流的動(dòng)力。在這樣一個(gè)裝置系統(tǒng)內(nèi)，一旦空氣流動(dòng)，儲(chǔ)氣池內(nèi)每平方米約10噸重的大氣就會(huì)伴隨著加速度向下傾瀉，以推動(dòng)發(fā)電機(jī)右旋葉輪高速旋轉(zhuǎn)而達(dá)到發(fā)電之目的。如果內(nèi)螺旋抽氣管道的抽吸力度不足，可將其電機(jī)自身發(fā)出的電能加熱“U”形管氣流上升段內(nèi)的篩網(wǎng)狀空氣加熱器，使空氣溫度增加，氣流速度加快，葉輪旋轉(zhuǎn)加速，以增加發(fā)電量。如果空氣流量過(guò)大、過(guò)快，可通過(guò)控制儲(chǔ)氣池上部的柵欄式活動(dòng)調(diào)節(jié)閘門(mén)，減少單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入儲(chǔ)氣池的空氣量，起到減速的作用。這兩種調(diào)節(jié)裝置均可通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、裝置系統(tǒng)中的“U”形管把大氣梯度溫差能與地心引力能偶聯(lián)在一起，使兩者在該系統(tǒng)中各自發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，即地心引力蘊(yùn)藏在大氣中的能量在下降的流動(dòng)過(guò)程中做工，大氣梯度溫差產(chǎn)生的上升氣流因未遇到過(guò)多的阻力而暢通上升；2、抽氣管道內(nèi)壁的“逆時(shí)針不對(duì)稱螺旋槽”具有加速氣流上升的作用，它通過(guò)三個(gè)關(guān)聯(lián)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種作用一是空氣在儲(chǔ)氣池下降流動(dòng)推動(dòng)發(fā)電機(jī)葉輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于反推力的作用已經(jīng)引發(fā)逆時(shí)針氣旋，旋轉(zhuǎn)的氣流進(jìn)入抽氣管道上升過(guò)程中，受管壁逆時(shí)針不對(duì)稱螺旋槽的作用而加快旋轉(zhuǎn)，逐漸形成上升高速氣旋；二是逆時(shí)針高速氣旋會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的離心力，從而增加氣流上升動(dòng)力；三是上升高速氣旋的中心壓力很低，具有“抽吸”管道下端氣流的作用，使儲(chǔ)氣池內(nèi)的氣體流經(jīng)發(fā)電機(jī)葉輪處加速；3、簡(jiǎn)單易行，安全可靠，投資少，見(jiàn)效快，易推廣；4、我國(guó)西部地區(qū)，崇山峻嶺，垂直高度1500m以上的山峰很容易找到，本發(fā)明是解決邊遠(yuǎn)山區(qū)能源供給的有效途徑；5、本發(fā)明的推廣、普及，將大大改變目前的能源結(jié)構(gòu)狀況，這種永久性的“綠色能源”將逐漸取代有污染性的能源。


圖1是裝置系統(tǒng)示意圖。其中H為垂直高度，應(yīng)達(dá)1500m以上，1.柵欄式活動(dòng)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閘門(mén)，2.儲(chǔ)氣池，3.由鋼架固定于儲(chǔ)氣池中央的發(fā)電機(jī)組，4.“U”形管進(jìn)氣端狹窄頸部，5.與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸直接連接的右旋(順時(shí)針)葉輪，6.不銹鋼“U”形管及內(nèi)開(kāi)式減壓門(mén)(圓圈處)，7.“U”形管底部出水小管及活塞瓣門(mén)，8.“U”形管上升段內(nèi)篩網(wǎng)狀空氣加熱器，9.沿山體搭建的內(nèi)螺旋抽氣管道，10.抽氣管道頂端防雨棚及避雷裝置，11.儲(chǔ)氣池及“U”形管懸空部金屬或鋼筋混凝土支撐保護(hù)架，12.陡峭的山體，13.山頂螺旋抽氣管道高出地面段支架。圖2為內(nèi)螺旋抽氣管道放大示意圖。其中bc為三條平行1cm深的逆時(shí)針不對(duì)稱螺旋槽，箭頭示內(nèi)螺旋上旋方向。
實(shí)施方式1、地形選擇選擇山體坡度45°左右(最好是45°以上，90°以下)，山峰垂直高度在1500m以上的山腳處開(kāi)始建造、安裝設(shè)備。
2、本發(fā)明系統(tǒng)裝置的材料大小、規(guī)格視具體需要而定，山體垂直高度越高，各管道系統(tǒng)內(nèi)徑越大，其發(fā)電能力越強(qiáng)。結(jié)合到具體實(shí)施，就需要綜合考慮供電范圍的需求量、地形地貌、交通設(shè)施、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等因素。
現(xiàn)以供應(yīng)1萬(wàn)戶居民(3～5萬(wàn)人)用電，驅(qū)動(dòng)1萬(wàn)千瓦功率的發(fā)電機(jī)為例說(shuō)明實(shí)施方案首先用厚度1cm，內(nèi)徑3.5m的不銹鋼管制作一弧形部分9m長(zhǎng)、兩側(cè)直部各6m，兩直部尾端緊接將內(nèi)直縮小為3m延續(xù)2m的一“U”形管6(可用焊接方式連接，內(nèi)表面要求平滑)，“U”形管弧形底部正中鑿一直徑10cm圓孔，以備連接出水小管7?！癠”形管底部離地面50～80cm，直立部一側(cè)與山腳本土或崖石緊貼固定，也可將其嵌埋入山體壁的土、石中固定，“U”形管弧形懸空部及另一側(cè)直立部用金屬支架或鋼筋混凝土支架固定11?！癠”形管山體側(cè)末端連接內(nèi)徑3m、厚度3cm的逆時(shí)針不對(duì)稱內(nèi)螺旋槽硬塑(pvc)管道。為了便于運(yùn)輸，每節(jié)不對(duì)稱內(nèi)螺旋槽硬塑管可鑄造為8～10m的長(zhǎng)度，安裝時(shí)以接頭扣套連接固定，要求“逆時(shí)針不對(duì)稱螺旋槽”對(duì)接連續(xù)入扣。沿山體向上鋪設(shè)時(shí)，盡量減小彎曲度和減少?gòu)澢螖?shù)，以降低空氣流動(dòng)時(shí)的阻力。對(duì)于不理想的山體，可以采取鑿?fù)跍喜矍堵窈吞畛渫菹輭|襯的施工措施，以保持管道相對(duì)直行。管道鋪設(shè)至山頂處，應(yīng)高出地面10m左右，以牢固支架固定13，避免雨雪等雜物進(jìn)入管內(nèi)，并裝置防雨棚及避雷針。“U”形管另一端狹窄頸部連通儲(chǔ)氣池底部4。儲(chǔ)氣池上部?jī)?nèi)徑12m、高10m，呈杯狀2，用厚度3.5cm的硬塑料板鑲嵌于金屬支架或用鋼筋混凝土澆鑄而成，后者其厚度不小于10cm。制作儲(chǔ)氣池前，先設(shè)計(jì)建造儲(chǔ)氣池及發(fā)電機(jī)支架3、11，可先吊裝發(fā)電機(jī)并將其葉輪準(zhǔn)確固定于“U”形管狹窄頸部中央4，再制作儲(chǔ)氣池壁。儲(chǔ)氣池支架須與“U”形管的支架連為一體。儲(chǔ)氣池支架上緣，每間隔50cm，直立焊接3cm直徑、3m高的鋼筋柱，鋼筋柱上方用與儲(chǔ)氣池支架上緣相應(yīng)大小鋼筋圈梁焊接相連。鋼筋柱及鋼筋圈梁的作用有二一是安裝柵欄式可調(diào)節(jié)進(jìn)氣閘門(mén)，二是支撐雨棚。雨棚呈傘狀錐形，下緣直徑15m，由透明塑料板塊襯以鋼骨支架構(gòu)成。另外，“U”形管弧形部靠?jī)?chǔ)氣池一側(cè)管壁，設(shè)置一直徑3.5m的圓形與管內(nèi)徑一致的“內(nèi)開(kāi)式減壓門(mén)”6，內(nèi)開(kāi)達(dá)90°處安裝固定結(jié)構(gòu)，此門(mén)的作用是內(nèi)開(kāi)90°時(shí)阻止管內(nèi)氣體流動(dòng)，便于系統(tǒng)安置和檢修。
此裝置的效應(yīng)12m直徑的儲(chǔ)氣池上部面積為113m2，承受約1130噸的大氣重量；與儲(chǔ)氣池緊接的“U”形管狹窄頸部?jī)?nèi)徑3m，面積7m2，承受70噸大氣重量；“U”形管主體部分直徑3.5m，面積9.6m2，可接受96噸大氣重量，此處擴(kuò)大內(nèi)徑，為了起減壓作用，以加速“狹窄頸部”氣流的效果。一旦“U”形管處的“內(nèi)開(kāi)式減壓門(mén)”關(guān)閉，管內(nèi)立即產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流足以驅(qū)動(dòng)1萬(wàn)千瓦功率的發(fā)電機(jī)葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電。
權(quán)利要求
1.一種地心引力與大氣梯度溫差綜合發(fā)電方法及其裝置，其特征在于利用金屬“U”形管道(6)，將高腳酒杯狀儲(chǔ)氣池(2)的底部與垂直高度大于1500m的逆時(shí)針不對(duì)稱內(nèi)螺旋槽抽氣管道(9)的下端連接，此裝置系統(tǒng)使大氣梯度溫差能所致的熱空氣上升驅(qū)動(dòng)力與地心引力儲(chǔ)備于大氣中的重力能伴隨加速度向下流動(dòng)相偶聯(lián)，從而在“U”形管狹窄頸部(4)產(chǎn)生強(qiáng)大氣流，推動(dòng)固定于儲(chǔ)氣池內(nèi)的發(fā)電機(jī)軸葉輪高速旋轉(zhuǎn)而發(fā)電(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述地心引力與大氣梯度溫差綜合發(fā)電方法及其裝置，其特征為“U”形管為1cm厚不銹鋼材料，其中段弧度部與兩側(cè)直部三部分長(zhǎng)度比例相當(dāng)(6)，直部?jī)赡┒思s2m長(zhǎng)段內(nèi)直徑減少50cm左右，縮小部的一端與螺旋抽氣管道(9)相連接，另一端與儲(chǔ)氣池底部相連接相通(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之逆時(shí)針(南半球須為順時(shí)針)不對(duì)稱螺旋槽抽氣管道，其特征為螺旋槽抽氣管道材料為3cm厚的PVC硬塑料，三條平行于管內(nèi)壁的1cm深逆時(shí)針不對(duì)稱螺旋槽(圖2及其bc)，其作用是形成高速上升氣旋，增加氣流上升動(dòng)力，逆時(shí)針不對(duì)稱螺旋槽抽氣管道沿山體安裝的垂直高度應(yīng)不低于1500m(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之“U”形管，其特征為在其弧形段裝置一向內(nèi)開(kāi)90°的“內(nèi)開(kāi)式減壓門(mén)”(6)、一10cm孔徑的圓形出水小管以及上升段的數(shù)個(gè)篩網(wǎng)狀加熱裝置(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述“U”形管儲(chǔ)氣池端的狹窄頸部，其特征為在其中央部位安置發(fā)電機(jī)組葉輪，緊接著為加速“U”形管狹窄頸部氣流速度而擴(kuò)大內(nèi)徑(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述之儲(chǔ)氣池，其特征為儲(chǔ)氣池材料為3.5cm厚的硬塑料或10cm厚的鋼筋混凝土，其底部及周?chē)媒饘倩蜾摻罨炷林Ъ苤?、固定，支架上緣焊接鋼筋柱及鋼筋圈梁，用以裝置可調(diào)式活動(dòng)進(jìn)氣閘門(mén)及防雨棚(1)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種地心引力與大氣梯度溫差綜合發(fā)電的方法及其裝置。選擇垂直高度1500m上的陡峭山體鋪設(shè)搭建一條內(nèi)螺旋管道系統(tǒng)，螺旋管道底端用“U”形管將其與儲(chǔ)氣池連接相通。當(dāng)“U”形管山體側(cè)一端地面空氣借助梯度溫差從螺旋管道內(nèi)上升的同時(shí)，引發(fā)“U”形管另一側(cè)儲(chǔ)氣池內(nèi)的大氣借助地心引力所產(chǎn)生的重力快速下降，并推動(dòng)“U”形管狹窄頸部的發(fā)電機(jī)軸葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電。本發(fā)明最主要的特征是利用地心引力所產(chǎn)生的大氣重力在下降的過(guò)程中伴隨著加速度做工，使地心引力能得到了有效的利用，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用地心引力能與大氣梯度溫差能的偶聯(lián)提供了可行性方案。本發(fā)明的推廣、普及，將逐步改變目前的能源結(jié)構(gòu)狀況。
文檔編號(hào)F03G7/04GK1619143SQ20031011660
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月18日
發(fā)明者梁和平 申請(qǐng)人:梁和平