CN101311525A - 具有多样能源输入的水电*** - Google Patents

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Abstract

本发明是一个多样的能源转化***，它使用液体、空气和电磁场为介材以产生电源。所运用的力能有：1.水喷射动力，这是后水锤压(Post－water Hammer)从主水管释放而来的；2.真空吸力，其是当大量高压水喷射后形成于主水管内的压差真空吸力，其从水库吸取水液直注入主水管；3.喷射反冲力；4.重力引起的水高势位能头；5.缓冲室所产生的气压缩力；6.旋转的惯性力；7.大地气压能；8.电泵的压能头。输出的则是单一集结的电能。此***有闭路能源环和一条再增能源路线。

Description

具有多样能源输入的水电***
技术领域
本发明涉及一种水电***，更具体而言，涉及一种利用水液的势位能头，速能头与其弹性潜能产生电能的水电***。
背景技术
力(force)是一股推或拉吸东西的分量，它可以是天然界产生的，也可以是机械产生的。它是以牛顿(newton)计算的，用力产生的移位谓工(N·m)。所施的工是与所产生的移位距离成正比例，施于一固定的物量，越大的力即产生越大的移位距离。
机械能(Mechanical Energy)的定义是一股可以施工的能量，所施的工包含着一定分量的力，能量与工是有同一表示，即焦耳(joule)或newton·meter(N·m)，因为工也是代表所转移能量的计算。
存在于机械能内，有一潜在的即力分量。
机械能量可以产生力量，比如：施于压弹簧(compressionspring)的力量是跟缩短差距ΔM成正比的，这施于弹簧的工是相等于弹性潜能(Elastic Potential Energy，即N·m)，这能量是蓄存在弹簧里，当压力移开时，这弹簧潜能立即发放产生一定量的工，从而产生一股力量(N)用以伸长弹簧一定的差距Δm。
这两个单位——力(N)与能(N·m)是不相同也不相等，但是它们是有相互交织的本质。
依据“能量守恒原理”，能源是不能加以创造或毁灭的，它只能被转化，转移，收集，蓄藏或消耗掉。它即可被使用于有益的运作如产生电能或可被消耗为无用的废能。
现今的大水电***都是建设于天然大水源处，比如美国的胡佛坝(Hoover Dam)发电厂是设在哥罗拉都河的流域。兴建水坝是为着增加蓄水量与提高水库的水势位能头(Elevation Head)。这是现代的水电***，其单一的输入能源为地吸力引发于水液的势位能头，可其一，转化为速能头(Velocity Head)以运用于高头喷击型(HighHead Impulse Type)伯尔顿水轮发电机组，或其二，转化为压能头(Pressure Head)以运用于低势头反应型(Low Head ReactionType)，如法兰西斯(Francis Turbine)水轮发电机与螺旋桨水轮机(Propeller Type Turbine)，单一的输出为电能。
这传统的水电***没有电能的输入。
目前，水电是最优良的能源之一，它不使用有限的石化燃料，它不污染环境，它是使用大地水循环(Water Cycle)来发电的。
可是，这现今的水电***总是有它的限制和负面的影响。
第一，它只能建设于特定的地方，也即有大水源处。一般而言，这带有大水源的地域通常是远离需求电力耗量强大的都市，以致必须应用昂贵又有消耗电能的输电网输送。
其二，现今的水电***运作是完全依赖季节性的降雨量，故此，它只能达到大约50％的使用率。
其三，建水坝可能会淹没富沃的农地，社会所负的代价是非浅的。
其四，水坝的兴建需花非常长的时间。
其五，土木工程所需的资金是非常的大的。
其六，持续清除上游杂物废器是件繁杂的保护工作，淤积沉泥是个大问题。
最后，水坝的可能失误崩裂危机带着不可思议的生命与财产的损失。
另外，由本申请的申请人提出的国际申请号为PCT/PH2005/000015、公布号为WO 2006/085782、名称为“RE-CIRCULATING WATER IN CLOSE-LOOPED HYDROPOWER SYSTEM”的申请公开了一个水电***，该申请的全部内容在此通过引用的方式完整纳入本说明书中。该公开的水电***受到持续的摩擦耗力和地重力的影响，这将使所输出的能量缓慢下来，直到***内的能量耗尽。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服上述已有技术的缺陷的改良与扩大的水电***，该水电***具有新设计的机构，相对于上述已有技术向前迈进了一大步。
首先，该***具有一台再增压泵(27)，用以周期性地输入增压力能于***中。该再增压泵的能源来自一个开动/再增压发电机(3)，这样的运作是为了创造一个可持续提供能源输出量的条件。
另外，根据本发明的***具有一台渐缩反冲喷口(29)，该喷口利用水喷射的反冲力。这股反冲力具有相等的力量和相反的方向，用以推动一个在压力室(30)内的活塞(31)以施其工。比如，可以使用它以增加压力能于***，这是由压液通过液压管(34)进入主水管(9)实现的；或者，可以使用这股压力能来淡化海水。
根据本发明的水电***是由八样力能推演的，而且其中绝大部分是自然界的力能，该水电***把所输入的能源大量转化为电能，其中仅有一类输入能是使用电能的，那即是电动马达泵，这小分量的电能输入是整个***产生的单一集结输出电能的一小部分。这是在一闭路(Closed Loop)连续以有一定水量循环发电的***。周期性地，当所产生电能有减弱时，则可从这能源闭路(Energy Loop)以外，施加注入再增能源，以保持***间的能源定量。
开动时，从一地面主水库(1)的水施加高压能，此压能是由电泵而来的，把水液推前入一条长大约1200米的厚主水管(9)，管路经过释压阀、缓冲室、真空入吸管，达到终点，即是一单向球型阀(5)，这是在发电厂内部的高位上。
这连续旋转的单向球型阀，把快速的水柱以“快关”(RapidClosure)形式停住。使这长水柱内拥有的所有动能、压能与弹能转化为一高水压，瞬间后，当阀开启时，压能又再转化为高动能水喷射，冲击伯尔顿水轮盘子产生电能。
耗水降落于底水库，然后再经外流水管以地重力流回原先的主水库(1)，如此，完成水流闭路。
这***有另一环副水流闭路，当球型阀快速开启时，大量的喷射水瞬间从主水管释放，促成主水管内即上游处低压真空的形成，其引发的吸力，将输入水液，从主水库直通过真空吸管注入主水管，回避绕过主泵水路线圈，这吸水输送水液的形式有如电泵的作用，但却没消耗任何的电能，所吸入的水量起了稳定主水管内的负压力与增加主水管所需要的水份量的作用。有一副泵(24)相互维持主水管所需的全部水份与其压力。
同瞬间，当水喷射释放时有一股相等又相反的反冲力发生于反冲喷口，反冲的力能可以以多样方式加以使用，其一是用以推动压力室(30)内的活塞(31)，把压液注入液压管(34)以增加主水管间的压能。
耗水降落于底水库，然后再经外流水管以地心吸力流回原先的主水库，绕过电泵部分而完成水流的副闭路。
这些水流圈是与能源流圈是一致的。
反冲力也可以用于其他方式，如(A)其往复运作可以用于拉动一个直线运作转为连续旋转运作的装件如同引擎，此装件的旋转盘连接于一发电机的转轴子(Rotor)以产生电能；(B)其压能可用于淡化海水(Desalination)或净化污染水，净化是使用过滤膜(OsmoticMembrane)进行的。
任何的移动能源***如果持续地受到摩擦力和地重力的影响，其动能效应会渐渐缓慢下来，故此，***中，设有一个能源流圈以外的再增压能的电泵(27)，这是用于维持周期性所需设计的能源输入与能源输出量。
本发明的***是比传统的水电***具有较好的几点：
第一，这***是使用一定水量循环方式发电，其使用率是来得更高。
其二，兴建的地点选项是很广泛的。它可以建立于大都会的边缘，地形可以是一片平原，或是一个山坡带有一片平原，这块土地必须是稳固的地盘岩，也必须是个有水源的，水源可以是地表上的江河或是地下的泉水，可以是淡水，也可以是海水。
其三，建筑的时间是比较短。
其四，经建费是比较经济。
附图说明
图1现示***上游部份，它具有主水泵(6)，闸阀(8)，释压阀(12)，两个缓冲室(13)和主水管(9)。
图2现示伯尔顿发电机组(14与15)受到主水管A(9-A)释出水喷射的冲击，此主水管是全打开的，同时，相对的主水管B(9-B)是完全关闭的(反冲喷口未展示)。
图3现示主单向球型阀(5)运作的程序，先是促成水锤压，再释放高动能的水喷射。
图4现示单向阀的正面观。
图5现示从主水管向外喷射的预估水量表。
图6现示从两个水主管向外喷射的两个预计相叠水量表。
图7现示副泵(24)和副单向球型阀(26)取水于主水库(1)。
图8现示反冲渐缩喷口(29)具有一压力室(30)连接于主单向球型阀(5)的即下游，此喷口具有一个空气室(29-a)，一个排气孔(29-b)，弹簧(29-e)，钢柱(29-c)与导轨(29-d)。压力室(30)内有活塞(31)把室内的水液推入液压管(34)以施其工，活塞的回弹将由吸入管(32)吸引水液入室进行。
图9即图8的平面观，现示反冲喷口的向内缩节段。
图10现示主球型阀(5)与副球型阀(26)瞬间的相对位置。
图11现示本发明的水电***的平面观，带有一条闭路圈外的再增压泵(27)线。
图12现示本发明的水电***的能源闭路圈表，带有一条圈外能源再增压输入线。
图13现示水补充管(21)取水于近距水源以注入***中的主水库(1)。
图14现示本发明的水电***的第二类项，即以高位水库(22)的势位能头代替主水泵(6)的压能头为其能源输入。
具体实施方式
水锤压的定义是一股超越例常水管测压能线(Hydraulic GradeLine Pressure)的突然高水压，它的由来是在一长水管中的稳流水柱，突然遭到流速的变化，最高的水锤压的产生是发生于阀“快速关闭”(Rapid Closure)时，即完全关闭的速度＜2L/Wp，式中的L是指管的长度，Wp是指水压波速，在20℃时，此为1476m/s。水压波速是水弹性模数Ev的性能，该水弹性模数为2.18×109PA，水波速的计算为Wp＝(Ev/Dm)1/2＝(2.18×109/1000)1/2＝1476m/s。水管中的总压力是相等于水锤压加上管里原有的压能头。
本发明是使用水液，空气和电磁场为介材，以采集多样的能源再进行转化的一独特的电能***(图12)。自然界永恒的能源，如地重力、大地气压与物质间的动态力能；例如后水锤喷射力、真空吸力、喷射反冲力、气压缩力与惯性力，皆可加以采集，转化为一水电***的重大输入能量(Energy Input)。此***是藉伯尔顿水轮发电机组(Pelton Turbine Generator)产生电能的。另外，包括一马达驱动的泵为原动源，它的能源是由一台开动/再增压发电机(3)供给的。由此，组成一套水电能源转化输送***。
本发明的水电***的讲述与计算是有以下的特定范围：
(A)所使用的是淡水，在海平线上，淡水的密度为1000公斤/立方公尺。以较大的范围，其他的液体可被使用，如果是海水，其密度则为1030公斤/立方公尺。
(B)主水管的内直径为一米，以较大的范围，其可以是从30厘米到一米。
(C)主泵的压能头为260米，以较大的范围，其幅度是130米到400米或以上。
计算水锤压PH的方程式为：
PH＝Dm V Wp
式中Dm是指水的质量密度(Mass Density)，其单位为Kg/m3或公斤/立方公尺；
V是指主水管稳定流状态(Steady State Flow)时的水流速，其单位为m/s或米/秒；
Wp是指水压波的速度，单位为m/s或米/秒，这是水的固有本性。
设有一条长1200公尺的钢水管，内有稳定满流，水速为12.66m/s，它被一快速的阀关停，设水压的波速为1428m/s，那么，水锤压PH的计算是：
PH＝Dm V Wp
  ＝1000Kg/m3(12.66m/s)(1428m/s)
  ＝18078480(Kg m/s2)(1/m2)
  ＝18078480N/m2
以水压能头计算为：P/Wsp
式中  P   是压力，单位为N/m2；
      Wsp 是水的比重，单位为9810N/m3，
则18078480PA/Wsp＝18078480PA/9810N/m3＝1842米。
这1842米的压能头是高高地超越原有稳定常流，这从阀出口所拥有的速能头(Velocity Head)。计算原有速能头：
V2/2g，式中g是指重力加速度＝9.81m/s2
V2/2g  ＝12.662/2(9.81)＝8.17米
从8.17米的速能头(也为阀即上游处的压能头)，突然冲高形成1850(1842+8.17)米的压能头，这很大的能头差别，是本发明的水电***的主要因素之一。
在已证实的科学论中，液体分子间存在着固有的动能(KineticEnergy)，即使是在静止状态，也是如此。这是因为液体分子间(Inter-molecule)有不停的包恩氏运动(Brownian Motion)，这也被形容作为一股动力或分子间的互动力能。
这股互动力形成如“微型弹簧”存在于分子间，当空气间的液体受到外来高压力，其体积即有所缩小，进而压缩分子间的空间，这外来的高压力立即把“微型弹簧”压住而转化为另再增加的弹性潜能。
这现象大大地提高水锤的压力能。
在所举的例案中，水柱是被压缩0.83％，相等于大约10公尺长，这水量即于解压时立刻被释放为高动能的水喷射。
***的建筑物与设备
图11现示本发明的水电***的平面观，设有以下的建筑物与设备：
A.主水库(1)，一个天然或人造水源库体，其水表面有足够大以散发高温，从基准线(Datum)至少有3米的势位能头；
B.入口水管(2)，形如铃；
C.开动/再增压发电机(3)，它是供应主水泵(6)和球型阀(5)所需的开始原动力，也是当本***输出电能有所下降时，供应再增压能的电能源；
D.主水泵(6)施压形成压能头于主水管(9)，其马达为多速型的(Variable Speed Motor)；
E.渐缩管(7)；
F.闸阀(8)，控制流入主水管的水量；
G.两个主水管(9-A与9-B)，各有1200米长，内直径为一米，其终点为发电厂内的高位处，大约为十米；
H.释压阀(12)，此释压定位于高出主水泵(6)能头的20米，有保护泵的功效，当水锤压波达到此位时，即与泵压能水相撞，那撞击打开此释压阀，让过余的压能水溢出主水管而进入主水库(1)；
I.空气缓冲室(13-A与13-B)，可收入高水压缩时产生的冲击溢水量，也可随后于低压时，释回所蓄的水量，两个缓冲室顶端设有单向阀(4)，以阻止空气外释，使室内形成气压力，此阀又能让大地空气流入呈现低压时的缓冲室；
J.主单向球型阀(5)连接于主水管的末端，是有坚固抗衡基础的设计；
K.伯尔顿水轮机(Pelton Turbine)(14)示于图2，有一轴连接于主发电机(15)，该主发电机上有惯性飞轮(16)以持续机电转子的一定速度；
L.渐缩反冲喷口(29)如图8与9所示，连接于主球型阀(5)，喷口带有一液压室(30)，一个空气室(29-a)，一个泄气孔(29-b)，弹簧(29-e)，钢合金支柱(29-c)和导轨(29-d)；
M.液压室(30)具有一活塞(31)随着释放的喷射前后移动，在高压时段，水液被推入液压管(34)，随后于扩大低压时段，底水库的水经入吸管(32)被吸入液压室，有一单向阀(33)控制回流，液压室可以改装为一淡化海水的设备，淡化是使用过滤膜进行的；
N.底水库(17)处于发电厂内，它接受耗水又利用地重力将水经外排管(18)引入主水库(1)；
O.真空水吸管(19-A，19-B，19-C)供给主水管瞬间所需的水量以稳定管内压力，具有单向阀(20-A，20-B与20-C)，该单向阀设于主水管的下方以防回流，所吸入水的分量是依据吸力的大小，压力的差距，即主水库至少三米的势位能头合并大地气压10.3米，这是符合能源永恒原理的，即当主水管间高压能突然转化为动能时产生低压的真空；
P.副泵(24)从主水库抽取水液直注主水管，以增加管内的水量至足以应付下一回的水锤运作；
Q.副泵水管(25)连接于副泵与主水管，它的内直径为主水管内直径的一半；
R.副单向球型阀(26)控制流入主水管的水量，其尺寸与旋转速度是相同于主单向球型阀(5)，如图10所示，该副单向球型阀与主单向球型阀(5)具有相对的运作的位值，其即下游处设一单向阀(26-A)以避免水锤压的消失；
S.再增压泵(27)周期性地加增压能源于***，这是当***所输出的电能有所下降，为达到所设计的电能量而开动的，其电源是取自开动/再增压能发电机组(3)，此能源线是闭路能源圈以外的(图12)；
T.单向阀(28)设于再增压管与主水管之间；
U.补加水管(21)如图13所示从周边天然水源处，取水补加进入主水库，以补足被蒸发水份；
V.一个高势位水库(22)如图14所示，是本***的第二类建筑物，其势位能头取代原本的主水泵压能头；
W.电泵(23)输送循环水液回到高势位水库(22)，这亦是第二类建设之一。
***的水循环流向道线
图11展示着水液起初从主水库(1)涌进入口水管(2)，经由主泵(6)施于高压能头，使水液冲入渐缩管(7)，流经闸阀(8)进入1200米长的主水管(9)，其间水流经过释压阀(12)与两个缓冲空室(13A与13B)。水液再往前直涌整条主水管，其间流经单向阀(20-A，20-B与20-C)，末端即是单向球型阀(5-A与5-B)，这已经是处于发电厂内。电动单向球型阀的开与关的运作产生了主水管内的高水锤压与后水锤压释放的高动能水喷射，水喷射通过反冲喷口直撞击伯尔顿水轮发电机组产生电能，耗水现在落入底水库(17)。从底水库，水液通过地吸力流穿外流管(18)进入原先的主水库(1)，由此，完成主闭路的循环道线。
再者，诸真空吸水管连接于靠近发电厂的主水管部分，后水喷射时所形成的真空吸力拉动了水液而从主水库(1)直接输送大水量注入主水管，一同与副泵输入的水量及反冲液压管输入水量完成次闭路(Sub-loop)水循环，即从主水库，分别经过吸水管、副泵水管、液压管(34)等，流入主水管，再到水轮机，底水库，终于回到原来的主水库，回避主水泵(6)与上游主水管的部分。
电动球型阀的运作
图2所示的是两个球型阀(5-A与5-B)皆是向单一方向旋转的。(为有比较清楚的展示，反冲喷口未予展示。)图中横置的有伯尔顿水轮机(14)，它有垂直的轴连接于主发电机(15)的转子。
阀5-A是处于全开之刻的状态，两个球型阀的尺寸是一致的，它们是通过马达连续旋转的，球型阀设于坚固抗衡基础盘上。
从图3-A到图3-I，显示着球型阀(5)的剖面，该球型阀具有一出口门孔(Outlet)，这出口门孔占有圆周的四分之一，直穿球阀中心到入口门孔(Inlet)，入口门孔也是圆周的四分之一。在此形式下，圆周是分成四部分的，两部分是空洞，而另两部分是阀的关塞部位。
阀是在半秒间全开(图3-F至图3-H)，再维持半秒的全开(图3-H至图3-I和图3-A至图3-B)，随后的半秒即转为全关(图3-B至图3-D)，再维持半秒的全关(图3-D至图3-F)，它们的周期是每四秒一周转，可谓是个15RPM阀，它们个别开与关的值是相差一秒，参看图6和图10。
图3-A到图3-I展示着球型阀在运作中，在球的侧面有两个凹穴，凹穴是为增加其面积与扭力，使这部位承负较大的逐长水锤压。
力和面积与压力的相关方程式为：
F＝P×A
N＝N/m2×m2
力＝压力×面积
方程式表示着，面积和力是成正比例的，承受压力的面积越大，其所受的施力就越大。在有凹穴的部位将承受比没有凹穴部位较强大的压力，此不平衡的力将增强球阀旋转的力矩(Torque)，从而可估计以较小的马达来推动它。
图4表示着球型阀出口门孔的正面形式。
此阀是由强耐钢铁制造的，以便能抵得住高水锤压的不停冲击磨损。
主发电机(15)的转轴必须具有足够的分布质量(Mass)以扩大其惯性矩，来弥补周期性的喷射水动能输入的不足。故此，有需要备加飞轮(16)。
水液体积压缩的计算
在高压下，水液体积缩小率Rc的方程式为：Rc＝-P/Ev
式中：P是指所施的压力，单位为KPA；
Ev是水液弹性模数(Volume Modulus ofElasticity)，在温度为20℃时，此为2.18×106KPA。
举例中的主水管有1200米长，内直径为一米。在20℃的温度下施于1850米的压能头，相等于1850×9.81KN/m2＝18148KPA，其压缩率为：
Rc＝-P/Ev
＝-18148KPA/2.18×106KPA
＝-0.0083
所施的18148KPA的压力会把水柱压缩0.83％。所缩失的体积为1200×0.785×0.83％＝7.82m3。水柱被压缩短7.82/0.785＝9.96米，水柱承受越高的压力就越短，意味着所蓄积的弹性潜能(ElasticPotential Energy)就越大。这弹性潜能是从水液分子间的固有动能转化而来的。
水压波速调整的计算
设20℃水温，其压波速为1478m/s。
此速度将受到管原料和其厚度(15公分)的影响有所改变，其调速的时速程度MWp方程式为：
MWp＝Wp{1/[1+(Ev/E)(D/t)]}1/2
式中：Wp是水压波速值，此例为1478m/s，20℃水温；
Ev是水的弹性模数，大约为2.18×106KN/m2；
E是水管原料的体积弹性模数，钢铁大约是207×106KN/m2，是水的100倍，可谓，水的可压缩体积量是钢铁的大约100倍；
D是水管的内直径，此例为一公尺；
t是水管的厚度，此例为0.15公尺，代入即：
MWp＝Wp{1/1+[(2.18×106)/(207×106)]×[1/0.15]}1/2
        ＝1478{1/(1+0.07)}1/2
        ＝1428.8m/s
在此特定的水管和温度下，水压波速是1428.8m/s。
***能源运作的计算(反冲力输入姑且未论)
使用260米压能头的泵，主水管的末端是高出开始位线10米，此主水管内直径为一米，其水涌流的能头方程式为：
260＝V2/2g+HTL+10
式中：HTL为损失的能头，大约为水速能头的30.8倍。
故：260＝(1+30.8)V2/2g+10
结果V＝12.66m/s
这是稳定流时的水速，其流量Q为：Q＝12π/4(12.66m/s)＝9.93m3/s。
当电动单向球型阀(5)在半秒间关掉水流，那所产生的水锤压为：
PH＝DmVWp＝1000(12.66)(1428)
＝18087KPA
以压能头计算，其是18087/9.81＝1842米。
从一稳定流8.17米的速能头，阀的快速关闭能令压力头冲上到1850米(1842加8.17米)高。于半秒间，阀全打开，再持续半秒的全开方位，在此瞬间，一股带有强大的动能的水喷射，出于主水管，朝向伯尔顿水轮机冲击。此动能的发放之际，也是主水管内水压能头急猛下降之时。
在图5中所示的是预计的流量表(Discharge Graph)。在T＝0时，阀是全关闭的，主水管内的水锤压能头是1851米，接下来的半秒，球型阀旋转开放，从T＝0秒到T＝0.75秒之间，水压能头快速下降，我们预计此瞬间T＝0.75秒时(Instantaneous Moment)，预计能头为1600米，这已不再是原有的1850米的能头。
液体速能头Hv的方程式为：
Hv＝V2/2g
则Vel＝(2gHv)1/2
如所预计，在T＝0.75秒瞬间的能头为1600米，得
Vinst＝(2g×1600)1/2＝177m/s
其瞬间水流量Qins t方程式为：Qinst＝AVinst
式中：A    是水管孔的面积，单位为m2；
      Vinst是瞬间水冲速度，单位为m/s。
在一固定水管孔面积与瞬间水冲速为177m/s的情形下，瞬间水流量为：
Qinst＝[(12)π/4](177m/s)
       ＝0.785(177)＝137m3/s
所预计的水流量曲线图，将有接近以下方程式的曲线：
Y＝139(2.66x-1.77X2)，限(0＜x＜2)
式中：Y是指水流量；
X是指时秒。
图5表示此一关系。
从T＝0.25秒到T＝1.25秒间，水流量是最高的，所含动能也是最大的，以微积分计算，此水流量为：
∫ 0.25 1.25 139 ( 2.66 X - 1.77 X 2 ) dX = 139 ( 1.33 X 2 - 1.77 X 3 3 ) [ 0.25 1.25
Q＝118.43m3/s。
从水流量方程式，我们可得到其预计的平均速度：
Vave＝Q/A＝118.43/0.785＝150.86m/s故，从T＝0.25到T＝1.25秒间的平均水速能头为：
Vel2/2g＝150.862/19.62＝1160米
此一秒间所发放的水喷射功率为：
Hydrodynamic Power＝QWspHave/1000，单位为KW，
式中：Q  是指此秒间的水流量，单位为m3/s；
      Wsp是水的比重，单位为9810N/m3；
      Have是喷射水的平均能头，单位为米。
故：PowerT＝0.25到T＝1.25＝118.43(9810)(1160)/1000
                           ＝1347680KW或1347.68MW
如果，从动能(Kinetic Energy)方面去计算所产生的功率，方程式为：
KE＝1/2MV2
式中：M是指水喷射的总质量，单位为公斤(Kg)，118.43m3的水含有118430公斤的质量；
V是指水喷射的平均速度，单位为m/s，此例为150.86m/s。
故：KE＝1/2(118.430)(150.862)
       ＝1,347,667KN·M
此动能是在一秒间释放的，故此项可称为1347667KN·M/sec。我们知道KN·M/sec的另一表示为KW，所以，此1347MW的功率跟以水动力学方程式所得的1347MW是一致的。
假设水轮发电机组的效率为80％，净功率则为：1347MW×80％＝1064.8MW。如图6所示，此功率是由一组主水管于1.5秒间所产生的。理论上，两组主水管于1秒间的功率应为(2×1347)/2.5＝1077MW。如果只有一组主水管在运作，那么，所产生的功率为538MW。
这所产生的功率是由下列天然力能维持相互运作：压差真空吸力；水喷射反冲力；地心吸力；气缩压力；惯性力与大地气压再加上主泵；副泵和周期性的再增压泵的压能输入于***中。
***的主泵所需要的功率
主泵(6)施压于主水管稳定流而具有260米的压能头所需的功率为：
Ppump＝9.93(9810)(260)/1000＝25.33MW
设泵的效率为80％，其总功率为31.66MW。
两个主泵同时并行运作需要63.32MW的功率。从所产生的1077MW减去63.32MW，再减去副泵、再增压泵、球型阀与电厂内所需的大约20MW，净功率为995MW，可外输送于外界的电网。
水喷射反冲力能
水喷射反冲力是个相等与以相反方向的一种动力，此力能可以使用于几种方法，其一，此力能可转化为压力能而施压于主水管(9)以激增***的功率；其二，可施于一个直线往复钢棒以连续旋转配件，该配件的旋转盘连接于一发电机的转轴(Rotor)，以产生电能；其三，可转化为淡化海水的压力能，这是使用过滤膜进行的。
从一主水管在T＝0.25s ec到T＝1.25s ec与其往后的循环水喷射力为：
F＝Dm Q Vel，
式中Dm为水的密度；Q为流量，单位为m3/sec；Vel为水柱的流速。故：F＝1000×118×150＝17,700KN，这也是施于喷口的相反动力。
A)其一功用，如果设计以20m3的水量注入主水管(9)，那流量的计算是：
Q＝Apipe x Vpipe＝Achamber x Vchamber＝20m3/s
注入主水管的液压管(34)，其有内直径为1公尺，其面积为0.785m2，流速为25.4m/s。在圆形液压室内的面积应为10m2，相等于有大约为3.5公尺的内直径，液压室的流速为2m/s，方程式为：
Q＝0.785×25.4＝10×2＝20m3/s
压室内的压力为P＝F/A＝17,700/10＝1770KPA，相等于压能头P/Wsp≈1770/9.81≈177米。
液压管(34)的速能头计算为：
V2pipe/2g＝(Dcham/Dpipe)4V2cham/2g＝(3.5/1)40.2≈30m。
依伯努利(Bernoulli)连续性方程式，力能的转移为：(管的摩擦损失为大约：2×V2pipe/2g)
V2 CH/2g+PCH/Wsp+10＝V2pipe/2g+Ppipe/Wsp+Hloss
0.2m+177m+10≈30+97.22m+2(30)
功率为Power＝QWspH/1000＝20×9.81×30≈6MW
B)反冲力用以发电，那是通过使用一个直线往复钢棒来连续旋转配件，该配件的旋转盘连接于一发电机的转轴子(Rotor)以产生电能，那往复棒有净长度一公尺，速度为1m/s，反冲的17,700KN的力可产生大约15,000KN·m/s ≈15MW的电能。(减掉压缩弹簧力和越超配件的摩擦阻力。)
C)反冲力用以淡化海水，所需的压能为8,000KPA，那活塞的面积应为
Area＝Force/Pressure≈17,700/8,000≈2.2m2
圆室的内直径为(2.2÷0.785)1/2≈1.67m。
另一方案是取用单向球型阀(5)直接作为反冲喷口(免去了渐缩的喷口)，这配件同样有以上所说明的部分与同样的功用，如液压室、活塞、弹簧、液压管与其单向阀、真空吸入管与其单向阀、空气室、泄气孔、钢合金柱和导轨。
***的水补充方法
***中的水液因蒸发而有所减少，故此，我们需要周期性地从周边天然泉源取水来补充(参看图13)。经加水管(21)，水液可直接注入主水库(1)。
主水库是建置于发电厂以外，其也可以是个天然湖泊，其表面应足够大以降低水高温。高温水是***运作时所产生摩擦导致的，流经变压器和其他机械时所产生的高温，是以水和大气冷风散发热能。如图11所示，高温水与耗水一同从底水库流穿外流管(18)注入主水库散热。水温应适当监测，以避免水温超高；如有此现象，则可使用其他的冷却器。
本水电***的第二类设计
如图14所示，本发明的水电***有其第二类别设计，即主泵(6)所施的压能头被一高位水库(22)的势位能头所代替，势位能头Z减去向下流水管摩擦损失能头相等于主水泵的压能头，其他的建筑与机械的尺寸与功能运作是相似于前面所细述的设计。
第二类设计设有一电泵(23)，此电泵连接于发电厂内的底水库，用以输送水液到高势位水库(22)以循环使用。***中有低位水库如同原先的主水库(1)，用于散热和供给水量给真空吸水管、副泵水管与再增压泵水管道。
两类的设计将产生相似的总功率的电源输出。
这水电***的运作可以用以下的表格表明其能源与质量的使用平衡，其总可转化能源/质量的输入相等于能源的输出加上能源/质量的损失：
  总能源/质量输入＝   能源输出+   能源/质量损失
  a.地心吸力引发于主水库与底水库的势位头。b.1200米的水喷射速能头，是后水锤压转化而来的。压力能包含着从液体分子间固有动能转化来的部分。c.水喷射的反冲力。d.真空吸力，即后喷射产生于主水管内，将大量的高压水吸入低压处。e.缓冲室中所蓄的气压能，即产生于水涨的高压时段。f.转子运作时产生的惯性力能。g.10.3米水压的大地气压力冲入缓冲室而施于下降的水液表面。h.电的机械能，即用于主水泵、副泵、周期性再增压泵及球型单向阀的。i.周期性引进主水库的外界水液。   a.所产生的电能，至少为50MW。   a.摩擦损失的能头。b.能源转化为热能而消耗的部分。c.管壁膨胀所耗能源。d.水分子的蒸发消失。
本发明是被设计为基层负载发电厂(Baseload Generator)，如遇电需量下降时，过余的能源可使用于发电厂范围里可操作的机组。
另一选项，我们可以采用的是把主泵马达的转速下降(马达是可变速型的Variable Speed Motor)，使主水管的速能头缓慢下来，从而产生一个较低的水锤压，以达成一个较低的发电功率。
本发明可建成为一独立发电厂，它也可以建为现有发电厂的下属发电厂，故此，其可以被视为能源加倍的机组***。
以上所形容说明的只是为示范本发明而已，而非对本发明进行限制。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (28)

1.一个水电***，具有以下的建设物与设备：
一座主水库(1)设于地面上，其可以是天然湖泊或是人造水库，它必须从基准线上有至少三公尺的势位能头，它可以是淡水或海水；
一条入口水管(2)形如铃；
一个电动水泵(6)，压能头施于下游主水管(9)，其马达是多样速度型的；
一条渐缩水管(7)；
一个闸阀(8)控制着水液进入主水管(9)；
一条长1200米的厚钢合金制造的主水管(9)，终于发电厂里大约10米的高位，其内直径可有10cm到100cm大，其厚度为内直径的大约15％，该主水管是条强坚无缝钢铁合金水管，其内表镀有一层厚厚的平滑合金，此内表如遭气蚀严重损破，则可以重新镀之，该主水管的中线为基准线，其间有多个膨胀式接头(Expansion Joint)连接着；
一个释压阀(12)，用以保护主泵(6)，避免水冲的撞击，被释水液从主水管进入主水库(1)；
一列气压缓冲室(13A与13B)，可吸收高压缩时产生的冲击溢水量，随后于低压时，即可释回所蓄的水量，缓冲室顶端有小型单向阀，该小型单向阀常态为关闭的以阻止空气外释，而蓄成气缩压能又能于低压时使其开启以吸收大地气压的空气；
一个单向球型阀(5)，它是由电动马达以单方向旋转运作的，连接于主水管的末端，它的构造像球型阀(Ball Valve)但却有连续360°自转的功能，该阀有一球型开关的元件配上同形的阀座，具有足以均匀密封的应力，由穿孔把球圆表面分为四部分，其中两部分是用于把该阀开通，而另两部分则是用于把该阀关掉，球圆旋转面有两边的转陀螺形凹穴，以增加旋转力矩(Torque)，该阀的“快速关闭”即关时＜2L/Cp，把整条主水管内所含的动能、压能与弹能转化为1400米水锤压能头，即随该阀的再开启，压能再转化为高动能水喷射撞击伯尔顿发电机组，该阀的旋转时速为每四秒一自转，开启时段应使高水压释回原有的低流速，阀孔的直径是主水管内直径的两倍，该阀有坚固抗衡的基础建设；
一个渐缩反冲喷口(29)设于阀(5)的即下游；
一组伯尔顿发电机组(Pelton turbine-generator)(14与15)，其斗盘接受高动能的水喷射，其轴连接于主发电机(15)以产生电能，该主发电机上设有飞轮以蓄存机械能于转轴(Rotor)，使它维持稳定的旋转速度，该发电机组的功率为至少五万千瓦或以上；
一个底水库(17)，设于发电厂内，接纳耗水；
一条外流管(18)输送耗水，耗水经用地吸力流回主水库(1)；
一列压差真空吸水管(19-A，19-B，19-C)连接主水管(9)于主水库(1)，每条吸水管的直径是和主水管直径一样大，其水源于主水库，当后水锤释放大量水喷射后所形成的低压真空吸力，压差是由主水库至少三米的势位能头再加上大地气压10.3米的水压力能头，其将大量吸进水液使水液涌入主水管，这是为避免严重的气蚀破损，水流是由单向阀(20-A，20-B，20-C)控制的，该单向阀放置于主水管的下部；
一个副泵(24)，从主水库(1)引水进入主水管以充实下一回水锤压所需的五米的压能头；
一条副泵水管(25)连接副泵(24)于主水管(1)，其内直径只有主水管内直径的一半；
一副单向球型阀(26)，其与主球型阀(5)有一样的尺寸与速度，它控制着从主水库经过副泵水管流入主水管的水量，它有一单向阀(26-A)处于其下游，为避免水锤压的消减，此两个球型阀(5和26)具有相对的开关运作的位值；
一组开动/再增压发电机(3)，用以供应主水泵、球型阀等所需的开始动能，它也是闭路能源圈以外再加增压能的输入能源；
一个再增压泵(27)，用以周期性地增加输入压能于闭路能源圈，以达到所设计的维持输出电能的标准；
一条加水管(21)，每当水量因蒸发而有所减少时，则应加入水液以保持一定的势位能头，水液是从周边天然水源处引进的。
2.如权利要求1所述的水电***，其特征在于，被设计为主动地使主球型阀(5)以“快速关闭”引起连续的高水锤压，使整条主水管内的水流所拥有的动能、压能与弹性力能瞬间全转化为一高压能，其中弹性力能是由水液分子间固有的动能转化而来的，该高压能的值为水液密数乘以其流速与其压波速的积数，这是根据能源永恒原理与水的原有本质的，即水的比重和其弹性模数Ev能产生1476m/s的压波速，从而从一至少5米的稳流速能头可转化冲高到1400米的压能头；随后该阀又全开，再现压能头转化为高动能的水喷射，从主水管冲出撞击伯尔顿发电机组以产生电能。
3.如权利要求1所述的水电***，具有一股巨大的压差(Pressure Differential)真空吸力，当主水管(9)内所压缩的水液大量喷射出时，即形成上游处一股巨大的真空吸力，压力的差距是由主水库至少三米的势位能头再加上大地气压的10.3米，由此引进大量的水液涌入主水管以促成压力的均衡，也同时起了充涌大量的带快速能头的水以持续下一回的水锤运作的作用，此运作是根据“能源永恒原理”的，即当水压能转化为水动能时，压能就随之急降，如同在文杜利管(Venturi Tube)的脖子处所产生的现象，这急降压力拉动一波水液的转移，从主水库(1)输送水液进入主水管(9)，此输送功能好比一台电动泵，只不过没有使用任何的电功率。
4.如权利要求1所述的水电***，具有一副泵(24)，该副泵的能源来自电动马达，该副泵用以从主水库引水进入主水管，使其间的水份量与压能适合于应对下一回的水锤压。
5.如权利要求1所述的水电***，具有一条副泵水管(25)，该副泵水管连接副泵于主水管(9)，其内直径是主水管内直径的一半。
6.如权利要求1所述的水电***，具有一副单向球型阀(26)，该副单向球型阀跟主单向球型阀(5)有同样的尺寸与旋转速度，这两个阀(5与26)的旋转方式是这样的：即副球型阀先于主球型阀(5)一小瞬间开启，其全关也是先于主球型阀(5)以避免水锤压的消失。
7.如权利要求1所述的水电***，具有一渐缩反冲喷口(29)，该反冲喷口位于主球型阀(5)的下游方，喷射反冲力推动一根钢棒以施其工。
8.如权利要求7所述的水电***，其特征在于，还包括一反冲棒，该反冲棒为一活塞(31)，该活塞处于液压力室(30)内，其运作使压液输入液压管(34)以施其工，喷口是用钢柱(29-c)支撑着，并延导轨(29-d)往反运作，喷口设有弹簧(29-e)用以蓄积与释放力能以推回喷口到原有位置，喷口还有一个排气孔(29-b)用以让空气可自由出入空气室(29-a)。
9.如权利要求8所述的水电***，其特征在于，压力室(30)具有一条吸入水管(32)用以在真空低压时吸入底水库的水，并具有一条外流的液压管(34)用以在高压时供应压液以施其工，这两条管(32和34)分别由单向阀(33和35)控制。
10.如权利要求8所述的水电***，其特征在于，液压管(34)所产生的液压用以增加压能和水液于主水管(9)。
11.如权利要求7所述的水电***，其特征在于，往复活塞(31)施动一个直线运作以连续旋转运作配件(Linear toRotary)，该配件的旋转盘连接于一个发电机的转轴(Rotor)以产生电能。
12.如权利要求7所述的水电***，其特征在于，活塞棒施压其力能于一淡化海水的压室，压室使用过滤膜去除盐份，过滤除盐膜须要压力为8,000KPA。
13.如权利要求1到权利要求12中任一项所述的水电***，其特征在于，取用单向球型阀(5)直接作为反冲喷口，从而免去了渐缩的喷口，这配件同样具有以上所说明的部分和功用，如液压室、活塞、弹簧、液压管与其单向阀、真空吸入管与其单向阀、空气室、泄气孔、钢合金柱和导轨。
14.如权利要求1所述的水电***，具有一列缓冲室(13)，该缓冲室的顶端设有常态时关闭的单向阀(4)，用以蓄积气压能于缓冲室上部，该气压能是在高压时段水面向上涨紧而产生的，此蓄积的压能又在下段的低压时释放于主水管内为压力源，这气压能呈现一种液与气体边界间互动的力能，此力能的产生是没有使用电能的，再者，当缓冲室内的压力降到比外界大地气压更低时，瞬间，单向阀(4)就会开启，让大地气压的空气更将室内的水位压下；如此，使水压力施进主水管而不消耗任何电能。
15.如权利要求1所述的水电***，具有一伯尔顿水轮发电机组，该发电机组的装机容量至少为(50MW)五万千瓦或以上，具有惯性飞轮用以蓄积与释回机械力能，该飞轮具有足够的质量来维持平衡转子的设计速度，故一旋转力能使用飞轮蓄藏其能量及将该能量释回于转子。
16.如权利要求1所述的水电***，具有一主水泵(6)，其压能头有130米到400米或以上的程度，其马达的能力足够大以产生在主水管的稳流时至少5米的速能头，此速能头和主水管内压能测线的压能头一起成为该***最初的力能用以产生水锤压，使该***能进行能源的转化，其中使用的马达为多速样型的。
17.如权利要求1到权利要求16中任一项所述的水电***，其特征在于，它形成一独特的能源转化圈，即包含多样能源的输入，而却只有单一集结的能源输出，即电能。
18.如权利要求1到权利要求17中任一项所述的水电***，具有一台开动/再增压发电机组(3)，任何的移动能源***，如果持续地受到摩擦力和地心吸力的影响，其动能效应会渐渐缓慢下来，故此有需要周期性地促增能源，这是通过从能源圈以外设置再增压泵(27)以恢复能源圈的再平衡实现的。
19.如权利要求1到权利要求18中任一项所述的水电***，具有第二条的主水管，其尺寸、设备与功能都跟主水管(9)一致，其位置跟主水管(9)相对应。
20.如权利要求2到权利要求19中任一项所述的水电***，具有两个相同的单向球型阀，它们以轮流开关的方式交替蓄积与释放后水锤压喷射以保持发电机组运作的高效率。
21.如权利要求1到权利要求20中任一项所述的水电***，具有一股相续可转化的力能，以八种不同形态输入，其中只有一种是需要电能源的，即(a)电泵的压能头，其他的七种皆是天然界与物理力界产生的力能与其转化形态，如(b)地心吸力引发于主水库与底水库的水势位头，其也是促成大地气压10.3米的水压头和水液的特有重量；(c)水喷射速能头，是后水锤压转化而来的；(d)引发的压差真空吸力，是大量水喷射后产生的，所产生的真空吸力将大量的水液从高压处转移冲入低压处；(e)一股同等又相反方向的反冲力，即当水喷射冲出主水管时所产生的反冲力能，这是依据牛顿的第三运动定律的；(f)高压时段蓄积于缓冲室中的气压能；(g)呈现于大地气压的气压能头向缓冲室中的低压水所施的压力能；(h)发电机主轴(Rotor)具有的周转惯性力能。
22.如权利要求1到权利要求21中任一项所述的水电***，其特征在于，其运作的能源与质量的使用平衡可以这样表示：即，其总可转化能源/质量的输入相等于能源的输出加上能源/质量的损失，其中可转化能源/质量的输入包括：地心吸力引发于主水库与底水库的势位头；1200米的水喷射速能头，是后水锤压转化而来的，其中压力能包含着从液体分子间固有动能转化来的部分；水喷射的反冲力；真空吸力，即后喷射产生于主水管内，将大量的高压水吸入低压处；缓冲室中所蓄的气压能，即产生于水涨的高压时段；转子运作时产生的惯性力能；10.3米水压的大地气压力冲入缓冲室而施于下降的水液表面；电的机械能，即用于主水泵、副泵、周期性再增压泵及球型单向阀的；以及周期性引进主水库的外界水液，
能源的输出包括：所产生的电能，至少为50MW，
能源/质量的损失包括：摩擦损失的能头；能源转化为热能而消耗的部分；管壁膨胀所耗能源；以及水分子的蒸发消失。
23.如权利要求1到权利要求22中任一项所述的水电***，其特征在于，具有这样的能源运作：即有“单一集结的输出能源”，该“单一集结的输出能源”的值大过电机械能输入量，该能源转化***可相比于风力发电***，后者的单一能源输入为天然界的风力，所输出的为单一的电能，有不同于该水电***，该水电***的多样输入能源亦大部份为天然界的力能，此外加上一项电能的输入，而该水电***总输出的为“单一集结的电能”，并且该水电***不是仅靠一项的输入能源，而是靠多样的能源输入，来产生单一集结的总输出电能，该多样的能源输入中大部分为天然界与物理界的力能，此电能输出量大于单项的电化马达能源输入量。
24.如权利要求1到权利要求23中任一项所述的水电***，具有一闭路的水液圈，水液从一个地面主水库(1)，经主水泵(6)施压而涌进一条1200米长的主水管(9)，其间流过释压阀(12)、缓冲室(13-A与13-B)、真空吸水管(19-A，19-B与19-C)、再增压水管，流到末端为一单向球型阀(5)，该单向球型阀置位于电厂(11)里的高处，持续旋转的球型阀(5)把快流的水柱以“快速关闭”状态全关，使整条水柱内所含的动能与压能瞬间转化为一个具有高压能的水锤，随即，该阀再全打开，高压水又转化为高动能的水喷射冲出主水管(9)撞击伯尔顿水轮发电机来产生电能，耗水降落于底水库(17)，从底水库，水液由地心吸力经外流管(18)流返主水库(1)完成水循环，如此持续操作。
25.如权利要求1到权利要求24中任一项所述的水电***，具有另一个次闭路水液圈，当单向球型阀(5)全开时，巨量的水喷射出主水管(9)而产生一股真空吸力，此吸力将使大量的水液从主水库(1)流经真空吸水管(19-A，19-B与19-C)直注主水管(9)，回避流过主水泵与上游的主水管，该流经真空吸水管的水液再加上液压管(29)带来的压液与副泵(24)带来的水份，一同涌到伯尔顿水轮机，再到底水库，然后由地心吸力引回主水库(1)完成次闭路水液圈，如此持续操作。
26.如权利要求1到权利要求25中任一项所述的水电***，其特征在于，主水泵(6)的压能头被一高位水库(22)的势位能头所代替，该高位水库设置于山坡上，势位能头Z减去向下流水管摩擦损失能头相等于主水泵(6)的压能头。
27.如权利要求26所述的水电***，具有一台电泵(23)用以运送底水库(17)的水液到高位水库(22)中以使其循环操作。
28.如权利要求1至权利要求27中任一项所述的水电***，其特征在于，所使用的液体可以是水以外的液体，例如汞、油等。
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