一種低水頭液氣能轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種低水頭液氣能轉(zhuǎn)換裝置，所述的裝置包括：安裝在水堰高水位一側(cè)的上行管，上行管與折流管連接，折流管與水堰低水位一側(cè)的下行管連接，下行管上設置通氣點，通氣點上設置連接空氣渦輪機的吸氣管，空氣渦輪機與發(fā)電機連接。：本實用新型所述的裝置以系統(tǒng)輸出效率最大為設計起點，設定各個約束條件，以此推出虹吸管液氣轉(zhuǎn)換裝置(水力空氣泵)兩個優(yōu)化的最基本參數(shù)：通氣點的高度和虹吸管的截面積。與傳統(tǒng)的虹吸管液氣轉(zhuǎn)換裝置相比，本實用新型所述裝置更加簡單、實用。所提出的液氣轉(zhuǎn)換效率計算方法與實測更加接近，從理論上推動了水力空氣泵的實際應用。理論研究表明，根據(jù)本實用新型所述的液氣轉(zhuǎn)換裝置的效率最大可以達到86％。
【專利說明】一種低水頭液氣能轉(zhuǎn)換裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種低水頭液氣能轉(zhuǎn)換裝置，是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，是一種將低水頭的水流能量轉(zhuǎn)換為氣能發(fā)電或抽水的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]水能是目前世界上唯一可大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的可再生能源。全世界水電資源技術(shù)上可開發(fā)量的預計是15000TWh/年，不過大約一半，即6000-9000TWh/年，目前被認為是不能經(jīng)濟開發(fā)的。一個主要原因是這些水電資源的水頭低，功率小。雖然利用水輪機能夠把水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但是系統(tǒng)統(tǒng)效率往往只能達到40%左右，裝置單位出力的高昂投資費用常常使得修建水電廠不經(jīng)濟，因而迄今還沒有被利用來發(fā)電。水力空氣泵是一種高效低成本利用微水頭發(fā)電的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是一種可以利用包括海洋波浪能在內(nèi)的低水頭，或極低水頭發(fā)電的可再生能源新技術(shù)。水力空氣泵依靠虹吸管在一定條件下的液氣能轉(zhuǎn)換原理，將水能轉(zhuǎn)換成氣能，然后可以利用空氣渦輪機將氣能轉(zhuǎn)換為機械能發(fā)電或抽水。
[0003]與傳統(tǒng)的水輪機發(fā)電廠不同，空氣渦輪機可以布置安裝在遠離河道的地方，可以避免洪水引起的河水升高防洪問題，廠房土建投資少；并且因為在水中只有虹吸管，沒有運動部件，維護成本低。另外，與水輪機相比，同樣功率的空氣渦輪機轉(zhuǎn)速常常是水輪機的幾倍，甚至幾十倍。另一方面，水力空氣泵所使用的空氣渦輪機的渦輪體積非常小，對于給定的功率輸出，較小的高速旋轉(zhuǎn)機器傳遞功率的成本較低。最重要的是，在水頭只有0.5-2m的地方，基于虹吸的水力空氣泵效率可達70%左右，而空氣渦輪機的效率可達85%以上。換句話說，將低水頭水能轉(zhuǎn)換成氣能，然后利用空氣渦輪機產(chǎn)生機械能的總效率在60%以上，而相應低水頭常規(guī)水輪機的效率在60% -70%之間，兩者效率非常接近。基于這些原因，水力空氣泵系統(tǒng)應當具有廣泛的商用市場前景。
[0004]為了預測水力空氣泵系統(tǒng)的效率和功率，F(xiàn)rench和Widden推導得到一個水力空氣泵效率的解析解。在分析的過程中，他們假設虹吸管斷面的沿程變化能夠保證水流的流速是常數(shù)。在恒定流條件下，由于管中水壓會隨著位置高度的下降而增加，從而引起斷面氣泡體積的壓縮，在水體壓縮性可忽略不計的條件下，為了滿足水流流速沿程不變的假設條件，則管道斷面必須隨著高程的減少而減小。應該說，他們的方法在了解水力空氣泵的性能方面是非常有幫助的，但是也可能引起誤解，使人們以為將虹吸管設計成這樣會獲得較高的效率。Howey和Pullen對一個這樣的虹吸系統(tǒng)進行了初步試驗，檢驗了理論預測與實測效率的差異，結(jié)果表明使用French和Widden的模型預測的效率和功率偏高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本實用新型提出了一種低水頭液氣能轉(zhuǎn)換裝置。所述的裝置是一種優(yōu)化設計的水力空氣泵。
[0006]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:一種低水頭液氣能轉(zhuǎn)換裝置，所述的裝置包括:安裝在水堰高水位一側(cè)的上行管，所述的上行管與折流管連接，所述的折流管與水堰低水位一側(cè)的下行管連接，所述的下行管上設置通氣點，所述的通氣點上設置連接空氣渦輪機的吸氣管，所述的空氣渦輪機與發(fā)電機連接，所述的通氣點在下行管上的位置是:
[0007]
【權(quán)利要求】
1.一種低水頭液氣能轉(zhuǎn)換裝置，所述的裝置包括:安裝在水堰高水位一側(cè)的上行管，所述的上行管與折流管連接，所述的折流管與水堰低水位一側(cè)的下行管連接，所述的下行管上設置通氣點，所述的通氣點上設置連接空氣渦輪機的吸氣管，所述的空氣渦輪機與發(fā)電機連接，其特征在于，所述的通氣點在下行管上的位置是:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的空氣輪機是軸流式渦輪機或向心式渦輪機中的一種。
【文檔編號】F03B11/00GK203404014SQ201320344654
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月17日
【發(fā)明者】楊開林, 郭新蕾, 付輝, 王濤, 郭永鑫, 李甲振, 董興林, 謝省宗 申請人:中國水利水電科學研究院