瀑布发电方法与装置
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作者:候小迅
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。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。
关键词：瀑布绿色能源 发电技术 装置
中图分类号：TM307.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（c）-0030-03
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。
1 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10kg的重物，那么在吊秤上显示的是10kg，如果我们在绳索上再加一个10kg的重物，在吊秤上显示的就是20kg，这就是重力叠加（见图1）。
2 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10m落差的水流，在10m的高度上安装一个带有循环链条的主传动齿轮，1m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（见图2），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。
3 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，不能保证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。
4 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，链条的安裝与维护非常困难，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，这样生产、安装与维护非常简单，效果也会更好。
根据我们的实际测试，转轮的直径每增加14cm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。这种模块化结构非常简单，便于工厂大规模批量生产，生产成本很低，安装也非常方便，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远远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，但要简单很多，因为它不需要方向自动调整，不需要桨叶角度自动调整，不需要蓄电池充放电系统，只需要一套低转速、大扭力的永磁发电机和一套增速齿轮箱，一套变配电系统结构要比风力发电机组简单很多。但是产生的效费比却比风力发电机高很多。 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%却很容易做到，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。
4.1 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/min 转矩量程30N。
（3）发电机：品牌 三禾 型号SHF-260-2 转速300转/min 启动力矩>0.1N·m，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：0.21N·m。
落差叠加实验装置工作状态测试数据：
主传动轴转速：22转/min、扭力14.6N·m，增速21倍后 234转/min扭力：0.696N·m，动态每增加1个下降桶在扭力、转速测试仪上的平均值：0.087N·m。
4.2 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14.6N·m。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1.68N·m（见表1），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5m、水泵电机功率100W，实验机架实际高度2m，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/min，扭力为0.696N·m、输出轴功率0.0191kW。如果流量不变，实验机架升高到10m，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，2m高度的实际测量数据是0.696N·m，10m高度的输出的扭力可以达到3.48N·m、转速234转/min，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/min、输出电压115V、额定电流17.8/8.9A、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，10m水流的动态输出轴功率可以达到0.095kW，那么20m的落差就可以带动2000W的发电机工作，如果按照100m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量是按照m/s来计算的，瀑布发电的低压水流量是按照m/min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440m，输出流量可调，如果采用落差重复叠加发电技术，440m最少可以安装40组10m3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9m，可以安装14个2个m3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11760t/T/H，按照我们实际测试的数据转轮直径每增加14cm扭力提高1倍，每个转轮实际可产生的扭力为7134400N·m，转速约为4～5转/min，永磁发电机的工作转速应该在100转/min，增速齿轮箱需要将主轴的输出转速提高25倍，扭力输出同時也会降低25倍，那么每个转轮增速以后输出扭力应该为285376N·m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，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1/3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。
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。
参考文献
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