瀑布發電方法與裝置

候小迅

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

關鍵詞：瀑布綠色能源? 發電技術? 裝置

中圖分類號：TM307.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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。如汽油機的利用率是27%～30%，柴油機的利用率是30%～35%，火力發電系統利用率是30%～40%。火力發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葉片旋轉高壓蒸汽就完成了它的使命，汽油機的工作原理是汽油經霧化后在氣缸內燃燒產生壓力推動活塞做功，活塞運動到位后，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了能源。在現在提出和諧社會，循環經濟，提高能源的利用率減少環境污染是國際社會普遍關注的問題。

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生的能量疊加起來利用，來提高設備的工作效率。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于吊秤，鏈條就相當于繩索，水桶就相當于重物（見圖2），其中有10個是負載下行桶，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動同時帶動齒輪旋轉做功，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，在主傳動齒輪上應該得到的是不大于100㎏的拉力或扭力，但是經過疊加以后得到的是1000㎏的理論拉力（但要減除空桶上行、齒輪旋轉造成的機械磨損等阻力系數），這就是重力疊加做功。

3? 什么是重復做功

重復做功就是將動能反復的進行利用就是重復做功，例如水電站的一個出水口目前只安裝一臺水輪機組，高壓水流推動水輪機葉片旋轉后水就被放掉了，這就是一次性做功，如果在一個出水口串聯安裝十臺水輪機組，這就是重復做功，但是它存在一個實際問題，就是水的沖擊力會逐級降低，不能保證所有的水輪機組滿負荷工作。但是落差重復做功確不會出現動能逐級降低的問題，因為水的重量在任何高度都是一樣的，可以滿足所有的動力單元滿負荷工作，就是重復做功了100次重量也不會發生變化，但是工作效率卻提高了100倍。

4? 落差疊加重復做功原理

為什么我們要把疊加做功和重復做功結合起來使用，因為疊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，但是在高落差的環境下，鏈條的安裝與維護非常困難，所以我們把每一個疊加組合做成模塊結構，再讓每一個模塊進行重復做功，這樣生產、安裝與維護非常簡單，效果也會更好。

根據我們的實際測試，轉輪的直徑每增加14cm轉速會降低一倍，同時扭力也會提高一倍，但是大轉輪與小轉輪的軸功率是一樣的，加大轉輪的直徑，轉輪的旋轉速度會降低，這就延長了儲水桶的灌水時間，同時也增加了儲水桶的數量，儲水桶的容量是根據水的流量來設計的，因為發電機的轉速是恒定的，這就需要采用增速齒輪箱提高轉速來達到發電機的轉速要求。

每個做功模塊也可以采用傳動軸將扭力輸出連接在一起，由一組發電機統一發電，也可以每個轉輪獨立成為一組發電單元，實施方法就是將每個轉輪單元安裝一套增速齒輪箱，一套發電機組，成為一套獨立的發電系統，最后將所有的發電機組輸出電源并聯，這樣設備安裝會更簡單，維護更方便。這種模塊化結構非常簡單，便于工廠大規模批量生產，生產成本很低，安裝也非常方便，只要在瀑布下方修建一個基礎平面就可以了，一套瀑布發電裝置的生產成本遠遠低于一臺風力發電機組的成本，但是產生的效能卻高于風力發電機，落差發電機的工作原理和風力發電差不多，但要簡單很多，因為它不需要方向自動調整，不需要槳葉角度自動調整，不需要蓄電池充放電系統，只需要一套低轉速、大扭力的永磁發電機和一套增速齒輪箱，一套變配電系統結構要比風力發電機組簡單很多。但是產生的效費比卻比風力發電機高很多。

按照動力設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，但是對于落差重復疊加做功100%卻很容易做到，因為落差重復一次效率就提高一倍，每一組模塊就是按照25%的利用率來計算，重復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生的能量存儲與疊加起來重復利用來提高設備的工作效率，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。

以下是我們的試驗數據，我們研發的落差重復疊加發電理論，經過一百多次反復試驗已經能夠證明，我們的落差重復疊加做功理論是完全正確的，試驗數據也能夠證明，落差越大效率越高，我們的重力疊加試驗裝置的利用率已經超過了100%以下是我們的試驗數據。

4.1 落差重復疊加發電試驗裝置的試驗數據

實驗環境與條件：

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

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

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

（4） 落差疊加實驗機架高度：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）儲水桶數量：16個其中下行負載桶8個，上行空載通8個。

（8）增速齒輪箱變速比1：21。

落差疊加實驗裝置靜態實際測試數據：

儲水桶在不同數量的情況下經過21倍齒輪箱變速后，在扭力-轉速測試儀上顯示的數值：

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

落差疊加實驗裝置工作狀態測試數據：

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

4.2 實驗結果與存在的問題

根據實驗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該產生不大于7.3㎏的拉力或扭力，實驗裝置經過8組疊加，主傳動軸靜態實測扭力為14.6N·m。實驗裝置靜態經過21倍齒輪增速后8個儲水桶實際測量數據為1.68N·m（見表1），由于實驗裝置實際測量數據為21倍增速后的數據，根據傳動力矩計算公式，速度提高21倍，扭力相應降低21倍。由于儲水桶力矩疊加了8次，利用率已經超過了100%，存在的問題是在動態的環境下，主傳動齒輪轉速太快，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速延遲灌水時間，來提高做功的效能。

根據水泵最大揚程5m、水泵電機功率100W，實驗機架實際高度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㎏。經過聯機測試，經過21倍增速后輸出軸轉速234轉/min，扭力為0.696N·m、輸出軸功率0.0191kW。如果流量不變，實驗機架升高到10m，儲水桶可以達到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高度的實際測量數據是0.696N·m，10m高度的輸出的扭力可以達到3.48N·m、轉速234轉/min，按照市場上銷售的蘇州三禾公司生產的永磁發電機來計算，型號SHF380-1額定功率1000W額定轉速150轉/min、輸出電壓115V、額定電流17.8/8.9A、啟動扭矩<0.3，這樣的轉速和扭力帶動1000WD的發電機應該沒有問題，10m水流的動態輸出軸功率可以達到0.095kW，那么20m的落差就可以帶動2000W的發電機工作，如果按照100m的瀑布來計算，扭力可以達到34.8 Nm、輸出軸功率0.955kW，但是100W水泵產生的流量 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。

落差重復疊加技術同時也適用于“蓄能電站”這種高落差的發電項目，落差重復做功最大的特點就是用水量非常小，同樣是一立方的水落差重復疊加發電會比水輪機發電發出更多的電能，水輪機發電的高壓水流量是按照m/s來計算的，瀑布發電的低壓水流量是按照m/min來計算的，節約了水的使用量實際就是提高了工作效率，落差重復疊加做功實際就是一個工作原理，根據這個工作原理所有的數據都是可以計算出來的。

如果按照北京十三陵莽山蓄能電站來計算，他的毛水頭達到440m，輸出流量可調，如果采用落差重復疊加發電技術，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輪和兩套發電模組共計80組，每個轉輪直徑9m，可以安裝14個2個m3的儲水桶，其中7個下行負載桶，7個上行空載桶，輸入流量約為11760t/T/H，按照我們實際測試的數據轉輪直徑每增加14cm扭力提高1倍，每個轉輪實際可產生的扭力為7134400N·m，轉速約為4～5轉/min，永磁發電機的工作轉速應該在100轉/min，增速齒輪箱需要將主軸的輸出轉速提高25倍，扭力輸出同時也會降低25倍，那么每個轉輪增速以后輸出扭力應該為285376N·m可以驅動2MW的永磁低速發電機，80個轉輪疊加以后輸出電能就是160MW。這就相當于一個80臺風力發電機同時滿負荷運轉，還有儲水桶的儲水量是可以任意調整的，這比水輪機發電會節約大量的水，可以將莽山蓄能電站的發電量提高好幾倍。

根據我們實驗存在的問題，第一個問題就是由于實驗場地高度所限，實驗裝置無法按照水泵的實際揚程設計，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，由于公司的實力與試驗經費有限，沒有能力進行大規模的試驗，還由于我公司沒有專業的水電設計人員，在一些計算方法上可能會有一些欠缺，但是經過我們的實際測試有一點是可以肯定的，落差重復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，落差重復疊加發電的用水量比水輪機的用水量要節約很多，這是無可非議的。

瀑布落差發電最大的社會效益就是我們研發的落差重復疊加做功理論，根據這個理論它可以極大的提高發電設備的做功效率，大量的節約水力發電的用水量，使國內千萬個沒有利用的瀑布造福于國內的老百姓，使我們人類又增加了一種綠色能源發電技術。

參考文獻

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