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瀑布发电方法与装置

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：侯小迅

[导读] 摘要：瀑布是一种自然现象，它与风能、太阳能、潮汐能一样都是一种能够转换为可以利用的绿色能源。

        （北京澎达自控系统科技有限公司北京 100000）
        摘要：瀑布是一种自然现象，它与风能、太阳能、潮汐能一样都是一种能够转换为可以利用的绿色能源。因为水是有重量的，当水从高处落下时就会产生动能，所以说瀑布也是一种能源，但是目前在全世界瀑布还是一种不能够被利用的能源，其主要原因是瀑布的水流量大都比较小，瀑布发电是目前一个世界难题，要想利用瀑布发电一定要有一个全新的发电理念，目前的水力发电是利用大坝的蓄水高度和容量来发电，大坝蓄水越高水的压力就越大，相对效率就越高，库容越大产生的流量就越大，发电的功率就越高。
        关键词：瀑布发电；水流量；设计；装置
        瀑布的缺点就是流量大都比较小很难被利用，但是瀑布也有一个优点就是相对稳定，瀑布就是受雨水的影响比较大，雨季流量大，旱季流量小，但是在一天里几乎没有变化，可是风却是早上、中午、晚上都可能不一样，光伏发电也只能是白天发电，夜晚不能发电，但是社会上的用电需求却是一天24小时不间断供电，所以能够一天24小时稳定供电的系统要好于间歇供电的系统，瀑布就是一个很稳定的优质能源，它可以一天24小时不间断稳定的工作，这是风力发电和光伏发电做不到的，所以瀑布发电的稳定性要比风力发电、光伏发电要好很多，它还可以节约价格昂贵的蓄电池充放电系统，使制造成本大幅降低，只不过是瀑布一般流量都不大，如果采用目前的水轮机发电技术是不能够发电的，如果采用我们的瀑布落差发电技术就能够解决这些存在的问题，因为我们利用的是瀑布的落差和流量不是压力和流速，他的特点就是效率高，小水流也能发电，根据我们的实验结果证明就是水龙头大小的流量，只要有足够的落差都可以发电，只是发电功率大小的问题。
        水是有重量的，当水流从高处落下就会产生动能，关键的问题是这些能量怎么利用？瀑布的水流从高处坠落到地面大概需要几秒钟的时间，根据我们的实验证明，水在空中停留的时间越长产生的效能就越高，如果我们把瀑布水流坠落地面的时间延长到几分钟甚至更长时间，那么它就能够产生巨大的能量，我们叫它重力重复叠加做功，我们采用的方法是利用重量叠加技术把这些能量叠加起来重复做功，叠加的优点是提高工作效率高使得小水流也能发电，只要有较高的落差都可以发电并且工作效率比水轮机要高很多，如果把这些能量利用起来就会造福于人类，我们的瀑布发电就是利用这个工作原理，我们也叫它落差重复叠加做功原理。
        我们研发的瀑布发电系统是利用水的落差和重量来发电，落差越大做功的效率就越高，流量越大发电的功率就越大。它与传统的水轮机发电方式正好相反，水轮机是利用水的流速和压力发电，瀑布发电是利用水的落差和重量来发电，水轮机发电是从水坝的底部取水，这样水的压力大、流速高。落差发电是从顶部取水，这样可以重复利用的次数多效率高，瀑布发电是一种全新的能源转换方式，我们的技术创新点就是落差重复叠加做功，这是一种全新概念的绿色能源转换方式。
        目前世界上所有的动力装置基本上都是一次性工作，利用率非常低，我们叫它减法工作方式。如汽油机的利用率是27-30%，柴油机的利用率是30-35%，火力发电系统利用率是30-40%。火力发电的工作原理是高压锅炉将水加热成为高压蒸汽推动汽轮机叶片旋转高压蒸汽就完成了它的使命，汽油机的工作原理是汽油经雾化后在气缸内燃烧产生压力推动活塞做功，活塞运动到位后，高压气体就被放掉了。由于一次性工作效率较低大量的浪费了能源。在现在提出和谐社会，循环经济，提高能源的利用率减少环境污染是国际社会普遍关注的问题。
        什么是重力叠加：
        重力叠加就是在一个物体上再加上一个物体就是重力叠加，如果我们在一个吊秤上悬挂一条绳索，再在绳索上挂一个10公斤的重物，那么在吊秤上显示的是10公斤，如果我们在绳索上再加一个10公斤的重物，在吊秤上显示的就是20公斤，这就是重力叠加（见图1）。

                   图1
        什么是重力叠加做功：
        重力叠加做功就是将动能一次做功产生的能量叠加起来利用，来提高设备的工作效率。如果我们利用一个10米落差的水流，在10米的高度上安装一个带有循环链条的主传动齿轮，1米的地方安装一个从动齿轮，在链条上每一米安装一个储水桶共安装20个储水桶，那么主传动轴就相当于吊秤，链条就相当于绳索，水桶就相当于重物，其中有10个是负载下行桶，10是空载上行桶，如果一个桶可以装100㎏的水，由于地球具有吸引力，当水流将第一个下行水桶灌满后，在重力的作用下装满水的桶会拉动链条向下运动同时带动齿轮旋转做功，第一个下行桶灌满以后会在主传动轴上会形成100㎏的拉力，在重力的作用下第一个桶会向下行走，使第二个下行桶进入灌水位置，第二个下行桶灌满水以后在主传动齿轮上就会形成200㎏的拉力以此类推，当10个下行桶全部装满水后每灌满一桶水，那么在主传动轴上就会形成约1000㎏的理论拉力，我们输入的是100㎏重量的水，按照目前的动力装置一次做功原则，在主传动齿轮上应该得到的是不大于100㎏的拉力或扭力，但是经过叠加以后得到的是1000㎏的理论拉力（但要减除空桶上行、齿轮旋转造成的机械磨损等阻力系数），这就是重力叠加做功。
        什么是重复做功：
        重复做功就是将动能反复的进行利用就是重复做功，例如水电站的一个出水口目前只安装一台水轮机组，高压水流推动水轮机叶片旋转后水就被放掉了，这就是一次性做功，如果在一个出水口串联安装十台水轮机组，这就是重复做功，但是它存在一个实际问题，就是水的冲击力会逐级降低，不能满足所有的水轮机组满负荷工作。但是落差重复做功确不会出现动能逐级降低的问题，因为水的重量在任何高度都是一样的，可以满足所有的动力单元满负荷工作，就是重复做功了100次重量也不会发生变化，但是工作效率却提高了100倍。
        落差叠加重复做功原理：
        为什么我们要把叠加做功和重复做功结合起来使用，因为叠加做功的工作原理没有问题，在低落差的瀑布使用也没有问题，但是在高落差的环境下，链条的安装与维护非常困难，所以我们把每一个叠加组合做成模块结构，再让每一个模块进行重复做功，这样安装与维护非常简单，效果也会更好。
        具体实施方法是根据落差我们在瀑布下方叠加N个做功模块单元1，每个做功模块单元1内安装两组转轮2，每个转轮2上安装N组储水桶3，当瀑布下泻的水流通过导流槽及漏斗6将最高处做功模块单元1最顶端的储水桶3注满水，在重力的作用下，储水桶3会拉动转轮2向下旋转同时拉动第二个储水桶3进入充水位置以此类推，当第一个灌满水的水桶旋转到转轮下部时翻转挡板将储水桶3桶内的水翻转，将第一次做功后的水，通过漏斗6灌入到下一个做功模块单元1，转轮2最顶端的储水桶内，进行第二轮重复做功，以此类推循环作业，每个做功模块就相当于一台水轮机组，再把每个做功模块串联起来，形成多级重复做功组合来提高工作效率，高落差的水流在空中停留的时间越长产生的效能就越高，做功时间是根据转轮的直径、储水桶的容量和做功模块的数量来决定的，转轮的直径越大它的旋转速度就越慢，储水桶的容量越大转轮的转速越快，水的落差越大做功模块单元的数量就越多，做功时间就越长，做功效率就越高。
        根据我们的实际测试，转轮的直径每增加14公分转速会降低一倍，同时扭力也会提高一倍，但是大转轮与小转轮的轴功率是一样的，加大转轮的直径，转轮的旋转速度会降低，这就延长了储水桶的灌水时间，同时也增加了储水桶的数量，储水桶的容量是根据水的流量来设计的，因为发电机的转速是恒定的，这就需要采用增速齿轮箱提高转速来达到发电机的转速要求。
        每个做功模块也可以采用传动轴将扭力输出连接在一起，由一组发电机统一发电，也可以每个转轮独立成为一组发电单元，实施方法就是将每个转轮单元安装一套增速齿轮箱，一套发电机组，成为一套独立的发电系统，最后将所有的发电机组输出电源并联，这样设备安装会更简单，维护更方便。由于瀑布存在一个雨季流量大，旱季流量小的问题，如果按照旱季发电流量设计发电系统，雨季的时候很多的流量就浪费了，为了解决这个问题我们在每个模块上安装了两组转轮，在旱季流量小的时候，采用单转轮工作，雨季流量大的时候采用双转轮工作。
        落差重复叠加做功实际是一种工作原理，他的核心就是将动能重复叠加利用来提高工作效率，但是重复叠加做功的工作效率不是恒定的，它是根据每个瀑布落差来确定的，每一个瀑布的工作效率都是不一样的，落差越大发电模块的数量就越多，做功的效率就越高，水的流量决定着储水桶的尺寸，水的流量越大，储水桶的尺寸就越大，做功的功率就越高。瀑布的落差决定着机架模块的数量，

        1、做功模块单元 2、转轮 3、储水桶 4、泄水挡板 5、转轮传动轴 6、漏斗
        7、做功模块单元连接法兰 8、增速齿轮箱 9、发电机组。

                         侧视图
        这种模块化结构便于工厂大规模批量生产，生产成本很低，安装也非常方便，施工非常简单，只要在瀑布下方修建一个基础平面就可以了，一套瀑布发电装置的生产成本低于一台风力发电机组的成本，但是产生的效能却高于风力发电机，落差发电机的工作原理和风力发电差不多，都是低转速、大扭力，但是结构要比风力发电机组简单很多。
        按照动力设备一次性做功的原则，工作效率一般在30%-40%左右，100%是一条不可能逾越的红线，但是对于落差重复叠加做功100%却很容易实现，因为落差重复一次效率就提高一倍，每一组模块就是按照25%的利用率来计算，重复4次就是100%，就是1000%也不是一件非常困难的事情，这是一种全新的工作原理，它是将普通动力装置一次性做功产生的能量存储与叠加起来重复利用来提高设备的工作效率，这就解决了瀑布水流量小，利用率低的问题，叠加重复做功可以成倍的提高工作效率，所以我们叫它加法工作方式。
        以下是我们的试验数据，我们研发的落差重复叠加发电理论，经过一百多次反复试验已经能够证明，我们的落差重复叠加做功理论是完全正确的，试验数据也能够证明，落差越大效率越高，我们的重力叠加试验装置的利用率已经超过了100%以下是我们的试验数据。
        落差重复叠加发电试验装置的试验数据
        实验环境与条件：
        1.水泵：品牌韩一型号 PB-100-5 工作电压 220V 功率100W、扬程 5M、流量 7.8t/T/H
        2.扭力.转速测试仪：品牌三晶型号JN338 转速量程 6000/分钟转矩量程 30N
        3、发电机：品牌三禾型号SHF-260-2 转速300转/分钟启动力矩＞0.1 Nm 输出功率300W。
        4.落差叠加实验机架高度：2M
        5.主传动齿轮直径：14cm
        6.储水桶体积：17×17×30=0.0867m³ 每个储水桶储水重量7.3㎏
        7.储水桶数量：16个其中下行负载桶8个，上行空载通8个。
        8.增速齿轮箱变速比 1：21
        落差叠加实验装置静态实际测试数据：
        储水桶在不同数量的情况下经过21倍齿轮箱变速后，在扭力.转速测试仪上显示的数值：

        静态每增加1个灌满水的下降桶在扭力、转速测试仪上的平均值为：0.21 Nm。
        落差叠加实验装置工作状态测试数据：
        主传动轴转速：22转/分钟、扭力14.6 Nm 增速21倍后 234转/分钟扭力：0.696 Nm，动态每增加1个下降桶在扭力、转速测试仪上的平均值：0.087 Nm，
        实验结果与存在的问题
        根据实验装置每个储水桶的储水重量为7.3㎏，按照一次做功的效能在主传动轴上应该产生不大于7.3㎏的拉力或扭力，实验装置经过8组叠加，主传动轴静态实测扭力为14.6 Nm。实验装置静态经过21倍齿轮增速后8个储水桶实际测量数据为1.68Nm，由于实验装置实际测量数据为21倍增速后的数据，根据传动力矩计算公式，速度提高21倍，扭力相应降低21倍。由于储水桶力矩叠加了8次，利用率已经超过了100%，存在的问题是在动态的环境下，主传动齿轮转速太快，水还没有灌满储水桶就下去了，解决的办法是加大主传动齿轮的直径降低转速延迟灌水时间，来提高做功的效能。
        根据水泵最大扬程5米、水泵电机功率100W，实验机架实际高度2米，储水桶16个其中下降储水桶为8个，每个储水桶储水重量7.3㎏。经过联机测试，经过21倍增速后输出轴转速234转/分钟，扭力为0.696 Nm、输出轴功率0.0191KW。如果流量不变，实验机架升高到10米，储水桶可以达到84个其中下降储水桶为42个，42个储水桶储水总重量为1530㎏，如果主传动齿轮直径不变，2米高度的实际测量数据是0.696 Nm，10米高度的输出的扭力可以达到3.48Nm、转速234转/分钟，按照市场上销售的苏州三禾公司生产的永磁发电机来计算，型号SHF380-1额定功率1000W额定转速150转/分钟、输出电压115V、额定电流17.8/8.9、启动扭矩<0.3，这样的转速和扭力带动1000WD的发电机应该没有问题，10米水流的动态输出轴功率可以达到0.095KW，那么20米的落差就可以带动2000W的发电机工作，如果按照100米的瀑布来计算，扭力可以达到34.8 Nm、输出轴功率0.955KW，但是100W水泵产生的流量 7.8t/T/H根本就称不上瀑布，最小的瀑布流量也是他的几百倍。
        落差重复叠加技术同时也适用于“蓄能电站”这种高落差的发电项目，落差重复做功最大的特点就是用水量非常小，同样是一立方的水落差重复叠加发电会比水轮机发电发出更多的电能，水轮机发电的高压水流速是按照米/秒来计算的，瀑布发电的低压水流量是按照米/分来计算的，节约了水的使用量实际就是提高了工作效率，落差重复叠加做功实际就是一个工作原理，根据这个工作原理所有的数据都是可以计算出来的。
        如果按照北京十三陵莽山蓄能电站来计算，他的毛水头达到440米，输出流量可调，如果采用落差重复叠加发电，440米最少可以安装40组10米立方的做功模块，每一组模块安装两组转轮和两套发电模组共计80组，每个转轮直径9米，可以安装14个2个立方米的储水桶，其中7个下行负载桶，7个上行空载桶，输入流量约为11760tT/H，按照我们实际测试的数据直径每增加14公分扭力提高1倍，每个转轮实际可产生的扭力为7134400 Nm，9米转轮的转速约为4-5转/分钟，永磁发电机的工作转速应该在100转/分钟，增速齿轮箱需要将主轴的输出转速提高25倍，扭力输出同时也会降低25倍，那么每个转轮增速以后输出扭力应该为285376 Nm可以驱动2Mw的永磁低速发电机，80个转轮叠加以后输出电能就是160Mw.这就相当于一个80台风力发电机同时满负荷运转，还有储水桶的储水量是可以任意调整的，只要修改设计，你想要多大的扭力都是可以办到，这比水轮机发电会节约大量的水，可以将莽山蓄能电站的发电量提高好几倍。
        根据我们实验存在的问题，第一个问题就是由于实验场地高度所限，实验装置无法按照水泵的实际扬程设计，第二个问题就是主传动齿轮速度太快，储水桶刚灌了三分之一水桶就下去了，说明主传动齿轮直径太小，由于公司的实力与试验经费有限，没有能力进行大规模的试验，还由于我公司没有专业的水电设计人员，在一些计算方法上可能会有一些欠缺，但是经过我们的实际测试有一点是可以肯定的，落差重复叠加的做功的工作原理可行的，效率比一次性做功的效率要高很多倍，落差重复叠加发电的用水量比水轮机的用水量要节约很多，这是无可非议的。
        目前国内有成千上万个瀑布，到现在都没有被利用，我们瀑布落差发电系统可以解决有瀑布的山区用电困难的问题，这就是经济绩效，原来办不了的事情现在可以办到了，并且瀑布落差发电系统建设成本非常低，一个落差叠加模组的发电系统成本比一台风力发电机组要低很多倍，结构要比风力发电机组简单，由于它可以一天24小时不间断发电，产生的经济效益要比光伏发电、风力发电机组要高很多，还有一个原因是是没有竞争，专利在中国人手里。我们的落差发电技术还可以应用在蓄能发电站上，目前国家有二十几个蓄能发电站，现在国家投资建设一个蓄能发电站需要一百多个亿，落差叠加发电系统最大的特点就是它能够极大的节约发电用水，同样一库水如果采用落差发电技术，会比水轮机发电节约数倍的发电用水，也就是说可以提高数倍的发电量，那么给国家带来的经济效益是无法衡量的。
        社会效益分析
        瀑布落差发电最大的社会效益就是我们研发的落差重复叠加做功理论，根据这个理论它可以极大的提高发电设备的做功效率，大量的节约水力发电的用水量，使国内千万个没有利用的瀑布造福于国内的老百姓，使我们人类又增加了一种绿色能源发电技术。
        瀑布落差发电如果能够投入使用，第一个出现的就是产业链，因为全国有成千上万个瀑布没有被利用，这会促进社会上千个亿的基础建设投入，如果投入国际市场应该有上万亿的市场，对于人才的培养，人员的就业都有非常大的促进作用，我们国家偏远山区的用电问题，始终是一个老大难的问题，因为偏远山区相对架设输电线路成本太高，如果有瀑布的地方自己可以发电那么会给国家减少大量的基础建设的资金投入，我们也希望同有实力、有意愿的企业进行合作。发明人：侯小迅。

        重力重复叠加参加了北京国际科技博览会

        落差叠加发电试验装置
        作者简介：
        侯小迅（1951.10-），汉，籍贯：河南，研究方向：自动控制。