瀑布發(fā)電方法與裝置

候小迅

摘? ?要：瀑布是一種自然現(xiàn)象，它與風(fēng)能、太陽能、潮汐能一樣都是一種能夠轉(zhuǎn)換為可以利用的綠色能源。我們研發(fā)的瀑布發(fā)電系統(tǒng)是利用水的落差和重量來發(fā)電，落差越大做功的效率就越高，流量越大發(fā)電的功率就越大。它與傳統(tǒng)的水輪機(jī)發(fā)電方式正好相反，水輪機(jī)是利用水的流速和壓力發(fā)電，瀑布發(fā)電是利用水的落差和重量來發(fā)電，水輪機(jī)發(fā)電是從水壩的底部取水，這樣水的壓力大、流速高。落差發(fā)電是從頂部取水，這樣可以重復(fù)利用的次數(shù)多效率高，瀑布發(fā)電是一種全新的能源轉(zhuǎn)換方式，我們的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)就是落差重復(fù)疊加做功，這是一種全新概念的綠色能源轉(zhuǎn)換方式。

關(guān)鍵詞：瀑布綠色能源? 發(fā)電技術(shù)? 裝置

中圖分類號：TM307.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0030-03

目前世界上所有的動力裝置基本上都是一次性工作，利用率非常低，我們叫它減法工作方式。如汽油機(jī)的利用率是27%～30%，柴油機(jī)的利用率是30%～35%，火力發(fā)電系統(tǒng)利用率是30%～40%?；鹆Πl(fā)電的工作原理是高壓鍋爐將水加熱成為高壓蒸汽推動汽輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)高壓蒸汽就完成了它的使命，汽油機(jī)的工作原理是汽油經(jīng)霧化后在氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生壓力推動活塞做功，活塞運(yùn)動到位后，高壓氣體就被放掉了。由于一次性工作效率較低大量的浪費(fèi)了能源。在現(xiàn)在提出和諧社會，循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高能源的利用率減少環(huán)境污染是國際社會普遍關(guān)注的問題。

1? 什么是重力疊加

重力疊加就是在一個物體上再加上一個物體就是重力疊加，如果我們在一個吊秤上懸掛一條繩索，再在繩索上掛一個10kg的重物，那么在吊秤上顯示的是10kg，如果我們在繩索上再加一個10kg的重物，在吊秤上顯示的就是20kg，這就是重力疊加（見圖1）。

2? 什么是重力疊加做功

重力疊加做功就是將動能一次做功產(chǎn)生的能量疊加起來利用，來提高設(shè)備的工作效率。如果我們利用一個10m落差的水流，在10m的高度上安裝一個帶有循環(huán)鏈條的主傳動齒輪，1m的地方安裝一個從動齒輪，在鏈條上每一米安裝一個儲水桶共安裝20個儲水桶，那么主傳動軸就相當(dāng)于吊秤，鏈條就相當(dāng)于繩索，水桶就相當(dāng)于重物（見圖2），其中有10個是負(fù)載下行桶，10是空載上行桶，如果一個桶可以裝100㎏的水，由于地球具有吸引力，當(dāng)水流將第一個下行水桶灌滿后，在重力的作用下裝滿水的桶會拉動鏈條向下運(yùn)動同時帶動齒輪旋轉(zhuǎn)做功，第一個下行桶灌滿以后會在主傳動軸上會形成100㎏的拉力，在重力的作用下第一個桶會向下行走，使第二個下行桶進(jìn)入灌水位置，第二個下行桶灌滿水以后在主傳動齒輪上就會形成200㎏的拉力以此類推，當(dāng)10個下行桶全部裝滿水后每灌滿一桶水，那么在主傳動軸上就會形成約1000㎏的理論拉力，我們輸入的是100㎏重量的水，按照目前的動力裝置一次做功原則，在主傳動齒輪上應(yīng)該得到的是不大于100㎏的拉力或扭力，但是經(jīng)過疊加以后得到的是1000㎏的理論拉力（但要減除空桶上行、齒輪旋轉(zhuǎn)造成的機(jī)械磨損等阻力系數(shù)），這就是重力疊加做功。

3? 什么是重復(fù)做功

重復(fù)做功就是將動能反復(fù)的進(jìn)行利用就是重復(fù)做功，例如水電站的一個出水口目前只安裝一臺水輪機(jī)組，高壓水流推動水輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)后水就被放掉了，這就是一次性做功，如果在一個出水口串聯(lián)安裝十臺水輪機(jī)組，這就是重復(fù)做功，但是它存在一個實(shí)際問題，就是水的沖擊力會逐級降低，不能保證所有的水輪機(jī)組滿負(fù)荷工作。但是落差重復(fù)做功確不會出現(xiàn)動能逐級降低的問題，因?yàn)樗闹亓吭谌魏胃叨榷际且粯拥?，可以滿足所有的動力單元滿負(fù)荷工作，就是重復(fù)做功了100次重量也不會發(fā)生變化，但是工作效率卻提高了100倍。

4? 落差疊加重復(fù)做功原理

為什么我們要把疊加做功和重復(fù)做功結(jié)合起來使用，因?yàn)榀B加做功的工作原理沒有問題，在低落差的瀑布使用也沒有問題，但是在高落差的環(huán)境下，鏈條的安裝與維護(hù)非常困難，所以我們把每一個疊加組合做成模塊結(jié)構(gòu)，再讓每一個模塊進(jìn)行重復(fù)做功，這樣生產(chǎn)、安裝與維護(hù)非常簡單，效果也會更好。

根據(jù)我們的實(shí)際測試，轉(zhuǎn)輪的直徑每增加14cm轉(zhuǎn)速會降低一倍，同時扭力也會提高一倍，但是大轉(zhuǎn)輪與小轉(zhuǎn)輪的軸功率是一樣的，加大轉(zhuǎn)輪的直徑，轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度會降低，這就延長了儲水桶的灌水時間，同時也增加了儲水桶的數(shù)量，儲水桶的容量是根據(jù)水的流量來設(shè)計(jì)的，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的，這就需要采用增速齒輪箱提高轉(zhuǎn)速來達(dá)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。

每個做功模塊也可以采用傳動軸將扭力輸出連接在一起，由一組發(fā)電機(jī)統(tǒng)一發(fā)電，也可以每個轉(zhuǎn)輪獨(dú)立成為一組發(fā)電單元，實(shí)施方法就是將每個轉(zhuǎn)輪單元安裝一套增速齒輪箱，一套發(fā)電機(jī)組，成為一套獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，最后將所有的發(fā)電機(jī)組輸出電源并聯(lián)，這樣設(shè)備安裝會更簡單，維護(hù)更方便。這種模塊化結(jié)構(gòu)非常簡單，便于工廠大規(guī)模批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本很低，安裝也非常方便，只要在瀑布下方修建一個基礎(chǔ)平面就可以了，一套瀑布發(fā)電裝置的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本，但是產(chǎn)生的效能卻高于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，落差發(fā)電機(jī)的工作原理和風(fēng)力發(fā)電差不多，但要簡單很多，因?yàn)樗恍枰较蜃詣诱{(diào)整，不需要槳葉角度自動調(diào)整，不需要蓄電池充放電系統(tǒng)，只需要一套低轉(zhuǎn)速、大扭力的永磁發(fā)電機(jī)和一套增速齒輪箱，一套變配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要比風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡單很多。但是產(chǎn)生的效費(fèi)比卻比風(fēng)力發(fā)電機(jī)高很多。

按照動力設(shè)備一次性做功的原則，工作效率一般在30%～40%左右，100%是一條不可能逾越的紅線，但是對于落差重復(fù)疊加做功100%卻很容易做到，因?yàn)槁洳钪貜?fù)一次效率就提高一倍，每一組模塊就是按照25%的利用率來計(jì)算，重復(fù)4次就是100%，就是1000%也不是一件非常困難的事情，這是一種全新的工作原理，它是將普通動力裝置一次性做功產(chǎn)生的能量存儲與疊加起來重復(fù)利用來提高設(shè)備的工作效率，這就解決了瀑布水流量小，利用率低的問題，疊加重復(fù)做功可以成倍的提高工作效率，所以我們叫它加法工作方式。

以下是我們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們研發(fā)的落差重復(fù)疊加發(fā)電理論，經(jīng)過一百多次反復(fù)試驗(yàn)已經(jīng)能夠證明，我們的落差重復(fù)疊加做功理論是完全正確的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也能夠證明，落差越大效率越高，我們的重力疊加試驗(yàn)裝置的利用率已經(jīng)超過了100%以下是我們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.1 落差重復(fù)疊加發(fā)電試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境與條件：

（1）水泵：品牌韓一型號PB-100-5工作電壓 220V 功率100W、揚(yáng)程5m、流量7.8t/T/H。

（2）扭力.轉(zhuǎn)速測試儀：品牌三晶型號JN338轉(zhuǎn)速量程 6000/min 轉(zhuǎn)矩量程30N。

（3）發(fā)電機(jī)：品牌 三禾 型號SHF-260-2 轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/min 啟動力矩>0.1N·m，輸出功率300W。

（4） 落差疊加實(shí)驗(yàn)機(jī)架高度：2m。

（5）主傳動齒輪直徑：14cm。

（6）儲水桶體積：17×17×30=0.0867m3每個儲水桶儲水重量7.3㎏。

（7）儲水桶數(shù)量：16個其中下行負(fù)載桶8個，上行空載通8個。

（8）增速齒輪箱變速比1：21。

落差疊加實(shí)驗(yàn)裝置靜態(tài)實(shí)際測試數(shù)據(jù)：

儲水桶在不同數(shù)量的情況下經(jīng)過21倍齒輪箱變速后，在扭力-轉(zhuǎn)速測試儀上顯示的數(shù)值：

靜態(tài)每增加1個灌滿水的下降桶在扭力、轉(zhuǎn)速測試儀上的平均值為：0.21N·m。

落差疊加實(shí)驗(yàn)裝置工作狀態(tài)測試數(shù)據(jù)：

主傳動軸轉(zhuǎn)速：22轉(zhuǎn)/min、扭力14.6N·m，增速21倍后 234轉(zhuǎn)/min扭力：0.696N·m，動態(tài)每增加1個下降桶在扭力、轉(zhuǎn)速測試儀上的平均值：0.087N·m。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與存在的問題

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置每個儲水桶的儲水重量為7.3㎏，按照一次做功的效能在主傳動軸上應(yīng)該產(chǎn)生不大于7.3㎏的拉力或扭力，實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過8組疊加，主傳動軸靜態(tài)實(shí)測扭力為14.6N·m。實(shí)驗(yàn)裝置靜態(tài)經(jīng)過21倍齒輪增速后8個儲水桶實(shí)際測量數(shù)據(jù)為1.68N·m（見表1），由于實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)際測量數(shù)據(jù)為21倍增速后的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳動力矩計(jì)算公式，速度提高21倍，扭力相應(yīng)降低21倍。由于儲水桶力矩疊加了8次，利用率已經(jīng)超過了100%，存在的問題是在動態(tài)的環(huán)境下，主傳動齒輪轉(zhuǎn)速太快，水還沒有灌滿儲水桶就下去了，解決的辦法是加大主傳動齒輪的直徑降低轉(zhuǎn)速延遲灌水時間，來提高做功的效能。

根據(jù)水泵最大揚(yáng)程5m、水泵電機(jī)功率100W，實(shí)驗(yàn)機(jī)架實(shí)際高度2m，儲水桶16個其中下降儲水桶為8個，每個儲水桶儲水重量7.3㎏。經(jīng)過聯(lián)機(jī)測試，經(jīng)過21倍增速后輸出軸轉(zhuǎn)速234轉(zhuǎn)/min，扭力為0.696N·m、輸出軸功率0.0191kW。如果流量不變，實(shí)驗(yàn)機(jī)架升高到10m，儲水桶可以達(dá)到84個其中下降儲水桶為42個，42個儲水桶儲水總重量為1530㎏，如果主傳動齒輪直徑不變，2m高度的實(shí)際測量數(shù)據(jù)是0.696N·m，10m高度的輸出的扭力可以達(dá)到3.48N·m、轉(zhuǎn)速234轉(zhuǎn)/min，按照市場上銷售的蘇州三禾公司生產(chǎn)的永磁發(fā)電機(jī)來計(jì)算，型號SHF380-1額定功率1000W額定轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)/min、輸出電壓115V、額定電流17.8/8.9A、啟動扭矩<0.3，這樣的轉(zhuǎn)速和扭力帶動1000WD的發(fā)電機(jī)應(yīng)該沒有問題，10m水流的動態(tài)輸出軸功率可以達(dá)到0.095kW，那么20m的落差就可以帶動2000W的發(fā)電機(jī)工作，如果按照100m的瀑布來計(jì)算，扭力可以達(dá)到34.8 Nm、輸出軸功率0.955kW，但是100W水泵產(chǎn)生的流量 7.8t/T/H根本就稱不上瀑布，最小的瀑布流量也是他的幾百倍。

落差重復(fù)疊加技術(shù)同時也適用于“蓄能電站”這種高落差的發(fā)電項(xiàng)目，落差重復(fù)做功最大的特點(diǎn)就是用水量非常小，同樣是一立方的水落差重復(fù)疊加發(fā)電會比水輪機(jī)發(fā)電發(fā)出更多的電能，水輪機(jī)發(fā)電的高壓水流量是按照m/s來計(jì)算的，瀑布發(fā)電的低壓水流量是按照m/min來計(jì)算的，節(jié)約了水的使用量實(shí)際就是提高了工作效率，落差重復(fù)疊加做功實(shí)際就是一個工作原理，根據(jù)這個工作原理所有的數(shù)據(jù)都是可以計(jì)算出來的。

如果按照北京十三陵莽山蓄能電站來計(jì)算，他的毛水頭達(dá)到440m，輸出流量可調(diào)，如果采用落差重復(fù)疊加發(fā)電技術(shù)，440m最少可以安裝40組10m3的做功模塊，每一組模塊安裝兩組轉(zhuǎn)輪和兩套發(fā)電模組共計(jì)80組，每個轉(zhuǎn)輪直徑9m，可以安裝14個2個m3的儲水桶，其中7個下行負(fù)載桶，7個上行空載桶，輸入流量約為11760t/T/H，按照我們實(shí)際測試的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輪直徑每增加14cm扭力提高1倍，每個轉(zhuǎn)輪實(shí)際可產(chǎn)生的扭力為7134400N·m，轉(zhuǎn)速約為4～5轉(zhuǎn)/min，永磁發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)該在100轉(zhuǎn)/min，增速齒輪箱需要將主軸的輸出轉(zhuǎn)速提高25倍，扭力輸出同時也會降低25倍，那么每個轉(zhuǎn)輪增速以后輸出扭力應(yīng)該為285376N·m可以驅(qū)動2MW的永磁低速發(fā)電機(jī)，80個轉(zhuǎn)輪疊加以后輸出電能就是160MW。這就相當(dāng)于一個80臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，還有儲水桶的儲水量是可以任意調(diào)整的，這比水輪機(jī)發(fā)電會節(jié)約大量的水，可以將莽山蓄能電站的發(fā)電量提高好幾倍。

根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)存在的問題，第一個問題就是由于實(shí)驗(yàn)場地高度所限，實(shí)驗(yàn)裝置無法按照水泵的實(shí)際揚(yáng)程設(shè)計(jì)，第二個問題就是主傳動齒輪速度太快，儲水桶剛灌了1/3水桶就下去了，說明主傳動齒輪直徑太小，由于公司的實(shí)力與試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，沒有能力進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)，還由于我公司沒有專業(yè)的水電設(shè)計(jì)人員，在一些計(jì)算方法上可能會有一些欠缺，但是經(jīng)過我們的實(shí)際測試有一點(diǎn)是可以肯定的，落差重復(fù)疊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，落差重復(fù)疊加發(fā)電的用水量比水輪機(jī)的用水量要節(jié)約很多，這是無可非議的。

瀑布落差發(fā)電最大的社會效益就是我們研發(fā)的落差重復(fù)疊加做功理論，根據(jù)這個理論它可以極大的提高發(fā)電設(shè)備的做功效率，大量的節(jié)約水力發(fā)電的用水量，使國內(nèi)千萬個沒有利用的瀑布造福于國內(nèi)的老百姓，使我們?nèi)祟愑衷黾恿艘环N綠色能源發(fā)電技術(shù)。

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