[其他]空气作中间介质的水力电力转换系统

说明书

本发明涉及水力电力系统，特别是将液体水头能量（但不局限于这种形式的能量）转换到易于使用的能量形式（例如电能）的气动转换系统。本发明特别适用于河道这样的低水头情况以及可能出现潮汐的地方。本说明书所述的低水头是指1-10米的水头，采用本系统生产的电力功率在100千瓦到10兆瓦的范围。虽然本发明系统特别适用于上述范围的低水头，但是本发明系统并非不能适用于更高水头、更低水头或者更高功率、更低功率的情况。实际上，它可以用来转换液体的动能。

当人们提起生产电能的传统装置时，人们马上会想到利用矿物燃料的火力发电站和利用水的压头去驱动水轮机的水力发电装置。本发明系统类似于将水的压头和动能转化成易于使用能量形式的水电站;但是本发明系统与上述水力发电站和利用矿物燃料的火力发电站这两种传统系统相比，有较低的单位成本。

低水头水力发电自上世纪末以来得到广泛应用，那时候在许多欧洲河流上筑堰或堰坝来控制其流动以提供必要的水头。大多数河流上的建筑目前仍保留着，但未利用它作为动力源，因为使用普通的水轮机将这种建筑结构的低水头转换为电能只有较低的经济效益。这是由于用大直径低速水轮机转换低水头能量费用昂贵。鉴于近来电能生产成本迅速增加，这些闲置的建筑结构已引起人们更多的关注。

例如，对于发展中国家，从经济考虑水电站看来是最有吸引力的向本国供电的设施，但在多数情况高昂的基建成本和缺少配电设施使得这种传统的水电站超出发展中国家经济力量限度，而利用小水头的大量设计反而成为可行的比较经济的电力源。

在英国，最近制定的法律允许私营组织生产电能卖给中央电力管理局，对于那些在合适水力发电地点附近的私营组织来说，利用低水头能量转换系统从这些现成的水头来生产电能常常会产生很大的吸引力。在英国，有许多象磨坊这样的地方，在那里可输出小功率的电力向国营电网供电或满足电力用户的需要。

人们认为，在不远的将来，低水头水力发电的潜力可能会是很可观的。

最近至少已经提出了两种将低水头能量转换为另一种易于生产电能的能量形式的系统。第一种系统在英国专利申请2096706A中已公布，该申请公开了一种具有多个叶片的水力发动机，这些叶片排列成一个堰坝，在堰坝一侧的水头和/或动能对叶片产生一个反作用，驱动叶片沿着堰坝移动，直至达到极限位置，此时叶片改变其倾角，水的反作用使叶片向相反方向移动。这种叶片的机械往复运动可用来生产电能。人们认为，这种装置机械结构复杂，在运行时会出现问题。

另一种低水头系统，已在Coventry    Lanchester工业大学1984年9月提出的论文中公开，作者是Peatfield、Duckers、Locktt、Loughridge、White和West。该论文也以英国专利说明书No2143284形式出版了。该系统有一个密闭室，依靠开关其进口阀和出口阀来控制进入该密闭室的水流，该进、出口阀的开关是以这样的方式来进行的：使所选定地点处的大部分水头能被充分利用，变成充水和排空循环的有效驱动压力。运行循环从打开水的进口阀开始，让水流入空室内，此时排水阀是关闭的，往室里充水和在压力作用下驱使空气通过一个韦尔斯涡轮机排出，这种涡轮机为双向驱动型，推进流体可以双向流过其叶片驱动涡轮机，此涡轮机转动方向与通用的单向涡轮机相同，而通用的单向涡轮机却要求流体单向流过其叶片。在接近于完成一个充水循环的适当时刻，关上入口阀，然后打开出口阀，允许水流至挡水结构侧的下游。这个排空过程将空气从仍在转动的韦尔斯涡轮机抽回到密闭室中，于是从充水到排空的循环过程中韦尔斯涡轮机以最佳的效率来抽取能量。然后，在接近循环排空结束的恰当时刻关上出口阀，再从打开入口阀开始下一个循环程序。

上述系统必须每10秒钟打开和关上水流入口阀和出口阀一次，所以存在控制上的一些问题，长时间以如此高的频率进行操作，可能导致运行故障。

本发明与Coventry    Lanchester工业大学论文中的系统有一些相似之处：用水来排挤出空气，被排出的空气驱动韦尔斯涡轮机这样的装置。虽然在大多数情况下采用空气作为介质，但必须指出，也可以采用任何一种具有本说明书解释部分所提到的那些特性的气态或汽化态的介质。同样，水是本发明最经常采用的液体，而人们也可以用另一种不同的液体来代替水。因此，在下面直接采用水和空气这两个术语来进行描述。