一種將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，包括取水單元、位于地平面以下的取熱單元、補水單元和與取水單元有適當水頭落差的水力發(fā)電單元，水力發(fā)電單元通過引水管道與取水單元連接，補水單元與水力發(fā)電單元的尾水管道連通；取熱單元用于向補水單元輸出熱能；補水單元包括水溫調(diào)節(jié)罐和溫度差驅(qū)動補水裝置；水溫調(diào)節(jié)罐的進水端與尾水管道連接，其內(nèi)部設有水溫調(diào)節(jié)裝置，水溫調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)水溫調(diào)節(jié)罐中水的溫度；溫度差驅(qū)動補水裝置與水溫調(diào)節(jié)罐出水端連接，用于將進入水溫調(diào)節(jié)罐罐內(nèi)的發(fā)電后的減少了勢能的水注回所述引水管道中。本實用新型利用溫度差驅(qū)動實現(xiàn)熱能向著水勢能轉(zhuǎn)換，再利用水勢能進行發(fā)電，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】
一種將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)
技術領域
[0001]本實用新型屬于利用熱能進行發(fā)電的應用領域，特別涉及一種將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，通過將熱能轉(zhuǎn)換為水的勢能，再通過水力發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電。
【背景技術】
[0002]能源是人類生存及經(jīng)濟發(fā)展所不可缺少的。地球表面積的70%是海洋，而海洋是巨大的能源庫。當今利用海洋溫差發(fā)電的主要方式有閉式循環(huán)系統(tǒng)和開式循環(huán)系統(tǒng)，其中閉式循環(huán)系統(tǒng)最為成熟，已經(jīng)基本上達到商業(yè)化水準，而開式循環(huán)系統(tǒng)的主要困難是低壓汽輪機的效率太低。閉式循環(huán)系統(tǒng)的主要組件包括蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪機、工作流體栗以及溫海水栗與冷海水栗。此系統(tǒng)中所有栗的動力消耗占了相當大的一部分發(fā)電功率，據(jù)計算當海洋溫差發(fā)電設備電功率為I麗時，廠用電約占50%，當電功率為10MW時，廠用電仍需占20%，因此減少栗的耗功對于提高海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電效率具有極其重大的意義。
[0003]另外，地球的內(nèi)部儲藏巨大的熱量。據(jù)估計全球99%的物質(zhì)處于100tC以上的高溫狀態(tài)，只有不到1%處于100°C以下，盡管其中可利用部分很小，但僅利用現(xiàn)有技術可以開發(fā)利用的地熱能就大于目前所有化石能源儲量30倍以上。同時地熱能蘊藏于地層內(nèi)，不易受外部自然環(huán)境因素的影響，易于實現(xiàn)可控制的持續(xù)開采，提供持續(xù)穩(wěn)定的能源供應，這是大規(guī)模能源供應網(wǎng)絡運行所必須具備的條件，是今后開發(fā)利用地熱能的方向。目前地熱電站效率很低，只有10%?15%，由于地熱電站通常以地表水作為冷卻水源對汽輪機排汽進行冷凝，冷卻水溫度較高，不僅制約了地熱電站效率的提高，同時要求地熱電站必須修建出力比火電廠大得多的冷卻系統(tǒng)。
[0004]但就發(fā)電方式而言，當前流行的水力發(fā)電技術多是通過建設水壩攔水發(fā)電，而熱力發(fā)電也是通過將熱能轉(zhuǎn)換為可對外做功的機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為動能，轉(zhuǎn)換效率不尚O
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型為解決公知技術中存在的利用熱能和水勢能進行聯(lián)合發(fā)電的問題，提供了一種將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)熱力發(fā)電的能量利用和轉(zhuǎn)換流程。
[0006]本實用新型為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是:
[0007]—方面，本實用新型提供了一種將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，包括取水單元、位于地平面以下的取熱單元、補水單元和與取水單元有適當水頭落差的水力發(fā)電單元，所述水力發(fā)電單元通過引水管道與所述取水單元連接，所述補水單元與所述水力發(fā)電單元的尾水管道連通；
[0008]所述取熱單元用于向所述補水單元輸出熱能；
[0009]所述補水單元包括水溫調(diào)節(jié)罐和溫度差驅(qū)動補水裝置；
[0010]所述水溫調(diào)節(jié)罐的進水端與所述尾水管道連接，其內(nèi)部設有水溫調(diào)節(jié)裝置，所述水溫調(diào)節(jié)裝置用于將所述水溫調(diào)節(jié)罐內(nèi)的多余熱量排出，調(diào)節(jié)所述水溫調(diào)節(jié)罐中水的溫度，使發(fā)電尾水保持適當?shù)臏囟染S持溫度差驅(qū)動補水裝置的冷卻水與加熱水之間的溫度差。
[0011 ] 所述溫度差驅(qū)動補水裝置與所述水溫調(diào)節(jié)罐出水端連接，用于將進入所述水溫調(diào)節(jié)罐罐內(nèi)的發(fā)電后的減少了勢能的水注回所述引水管道中。
[0012]所述溫度差驅(qū)動補水裝置包括一循環(huán)加熱室、循環(huán)冷卻室、溫差相變提升室、地下水箱和傳輸栗；
[0013]所述地下水箱分別與所述循環(huán)加熱室、溫差相變提升室相連通，其腔室內(nèi)設有與所述取熱單元相連通的所述加熱管道，用于將所述循環(huán)加熱室內(nèi)的水進行加熱；
[0014]所述循環(huán)冷卻室的進水端與所述尾水管道連通，所述循環(huán)冷卻室的出水端與所述水溫調(diào)節(jié)罐的進水端連通，所述循環(huán)冷卻室的腔室內(nèi)設有與所述溫差相變提升室相連通的冷卻管路，所述冷卻管路與所述地下水箱連通；
[0015]所述溫差相變提升室包括循環(huán)腔室和相變驅(qū)動缸，所述相變驅(qū)動缸內(nèi)設有一活塞，所述活塞將所述相變驅(qū)動缸分為原水提升室和工質(zhì)相變室，所述工質(zhì)相變室位于所述循環(huán)腔室內(nèi)，所述原水提升室上分別設置一與所述水溫調(diào)節(jié)罐連通的進水口和一與所述引水管道相連通的出水口；
[0016]所述傳輸栗用于將所述循環(huán)加熱室中熱水和所述循環(huán)冷卻室中的冷水交替?zhèn)鬏斨了鲅h(huán)腔室中，使所述相變驅(qū)動缸驅(qū)動發(fā)電后的減少了勢能的水注回所述引水管道中。
[0017]所述取熱單元包括地熱補水井、地熱取熱井、地熱源、地熱加熱井、地熱補水管道和地熱取熱管道，所述地熱加熱井位于所述地熱源的巖層中，所述地熱補水管道與所述地熱補水井連通，所述地熱補水井和所述地熱取熱井分別與所述地熱加熱井連通，所述地熱取熱管道與所述地熱加熱井連通;所述循環(huán)加熱室與所述的地熱取熱管道相連通。
[0018]所述的地熱取熱單元中還設有儲熱箱和與所述儲熱箱相連通的地熱應用用戶，所述儲熱箱通過所述地熱取熱管道與所述地熱加熱井連通，所述水溫調(diào)節(jié)裝置與所述儲熱箱連通，用于將所述水溫調(diào)節(jié)罐中的多余熱量輸送至所述儲熱箱中。
[0019]所述的水溫調(diào)節(jié)裝置為一與所述水溫調(diào)節(jié)罐相連通的熱栗，其通過熱栗管道與所述儲熱箱連通。
[0020]所述的地熱源為干熱巖地熱源，所述地熱加熱井水平位于干熱巖地熱源中。
[0021]本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是:
[0022]本實用新型利用水勢能，將水從取水單元通過引水管道引入水力發(fā)電單元進行發(fā)電，發(fā)電后的水再利用溫度差驅(qū)動補水裝置，通過取自地熱源中的熱能對循環(huán)加熱室中的水加熱，使循環(huán)冷卻室中的溫度較低的水與循環(huán)加熱室中溫度較高的水交替作用到相變提升室中，使相變提升室內(nèi)的工質(zhì)發(fā)生相變，從而推動活塞對原水提升室中的原水做功，將發(fā)電后的無壓原水變成有壓原水，并注入至水力發(fā)電單元的引水管道中進行發(fā)電，同時把水力發(fā)電系統(tǒng)中的水作為冷卻水，實現(xiàn)了熱能到水勢能的轉(zhuǎn)換，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，對于地熱能發(fā)電或干熱巖發(fā)電的大規(guī)模應用具有非常重要的意義。
【附圖說明】
[0023]圖1是本實用新型所提供的一種水力發(fā)電系統(tǒng)平面示意圖；
[0024]圖2是圖1中的溫度差驅(qū)動補水單元的結構布置示意圖；
[0025]圖3是圖2中的地熱取熱單元結構示意圖。
[0026]圖中:
[0027]1-取水單元;2-水溫調(diào)節(jié)裝置，21-熱栗管道；
[0028]3-取熱單元，31-地熱補水井，32-地熱取熱井，33-地熱源，34-地熱加熱井，35-地熱補水管道，36-地熱取熱管道，37-儲熱箱，38-地熱應用用戶；
[0029]4-補水單元，41-水溫調(diào)節(jié)罐，42-溫度差驅(qū)動補水裝置，421-循環(huán)加熱室，422-循環(huán)冷卻室，423-溫差相變提升室，4231-循環(huán)腔室，4232-相變驅(qū)動缸，42321-原水提升室，42322-工質(zhì)相變室，4233-活塞，424-地下水箱；
[0030]5-引水管道;6-發(fā)電單元;7-加熱管道;8-冷卻管路;9-單向閥；10-截止閥；20-儲水箱;30-尾水管道。
【具體實施方式】
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[0031]為能進一步了解本實用新型的【實用新型內(nèi)容】、特點及功效，茲例舉以下實施例說明如下:
[0032]結合圖1和圖2所示，本實用新型提供了一種將熱能轉(zhuǎn)化為勢能再通過水力發(fā)電系統(tǒng)進行水力發(fā)電，主要使用具備可供利用的熱能，利用高層建筑+深井+地下廠房的結構創(chuàng)造水勢能條件，或利用現(xiàn)有水電站的水力發(fā)電設施，具體包括取水單元1、位于地面以下的取熱單元3、補水單元4和水力發(fā)電單元6，水力發(fā)電單元6的位置低于所述取水單元I的位置，二者存在水頭落差，水力發(fā)電單元6通過其引水管道5與取水單元I連通，水力發(fā)電單元6的尾水管道30與補水單元4相連接；
[0033]其中的取熱單元3為地熱取熱單元，用于向補水單元4輸出熱能；
[0034]補水單元4包括水溫調(diào)節(jié)罐41、溫度差驅(qū)動補水裝置42;水溫調(diào)節(jié)罐41通過尾水管道30與水力發(fā)電單元6連接，水溫調(diào)節(jié)罐41中設有水溫調(diào)節(jié)裝置2，用于調(diào)節(jié)水溫調(diào)節(jié)罐41中循環(huán)水的溫度，保持溫度差驅(qū)動補水裝置42用于驅(qū)動補水的溫度差;溫度差驅(qū)動補水裝置42與水溫調(diào)節(jié)罐41的出水端連接，用于將水溫調(diào)節(jié)罐41內(nèi)的水注入水力發(fā)電單元6的引水管道5中，實現(xiàn)循環(huán)發(fā)電；這里的水力發(fā)電單元6和補水單元4可以設置在能提供合適水頭的地下廠房或利用現(xiàn)有水力發(fā)電廠房設施內(nèi)。
[0035]其中的溫度差驅(qū)動補水裝置42如圖2所示，包括一循環(huán)加熱室421、循環(huán)冷卻室422、溫差相變提升室423、地下水箱424和傳輸栗;地下水箱424分別與循環(huán)加熱室421、溫差相變提升室423相連通，其腔室內(nèi)設有與地熱取熱單元3相連通的地熱管道7，用于將循環(huán)加熱室421內(nèi)的水進行加熱；循環(huán)冷卻室422的進水端與尾水管道30連通，其出水端與水溫調(diào)節(jié)罐41的進水端連通，在循環(huán)冷卻室422的腔室內(nèi)設有與溫差相變提升室423相連通的冷卻管路8，冷卻管路8與地下水箱424連通;而溫差相變提升室423包括循環(huán)腔室4231和相變驅(qū)動缸4232，相變驅(qū)動缸4232內(nèi)設有一活塞4233，活塞4233將相變驅(qū)動缸4232分為原水提升室42321和工質(zhì)相變室42322，工質(zhì)相變室42322位于循環(huán)腔室4231內(nèi)，原水提升室42321上分別設置一與水溫調(diào)節(jié)罐41連接的進水口和一引水管道5相連通的出水口 ；其中的傳輸栗用于將循環(huán)加熱室421中熱水和循環(huán)冷卻室422中的冷水交替?zhèn)鬏斨裂h(huán)腔室4231中，使相變驅(qū)動缸4232驅(qū)動發(fā)電后的減少了勢能的水注回引水管道5中，進行持續(xù)發(fā)電。
[0036]溫度差驅(qū)動補水裝置的原理是，通過將熱水和冷水交替地輸入循環(huán)腔室4231中，使工質(zhì)相變室42322中的特殊工質(zhì)(如某特殊工質(zhì)在45°C，6Mpa壓力下，可以變成氣態(tài)，但在20°C，6Mpa下就可以變成液態(tài))交替發(fā)生氣相和液相的變化對外做功驅(qū)動活塞，主要包含兩個過程:
[0037]I)工質(zhì)相變室中的特殊工質(zhì)在循環(huán)腔室輸入熱水時變成氣態(tài)，對外膨脹做功，驅(qū)動活塞，同時，進水單向閥關閉，出水單向閥打開，將相變驅(qū)動缸中的水壓入引水管道5中，完成水力發(fā)電單元的補水工作；
[0038]2)工質(zhì)相變室中的特殊工質(zhì)在循環(huán)腔室輸入冷水時變成液態(tài)，活塞回落，同時，出水單向閥關閉，進水單向閥打開，將另外一側(cè)的尾水管道30中的水吸入相變驅(qū)動缸中；
[0039]3)重復過程I)、2)，不斷循環(huán)水的壓出和吸入過程；實現(xiàn)溫差驅(qū)動補水的持續(xù)進行。
[0040]通過獲取熱能可以將循環(huán)熱水加熱到45°C_65°C，與我國北方的常溫海水(低溫態(tài):冬季，4.4 °C ;中間態(tài):春秋7 °C-17 °C，高溫態(tài):17 °C-26 °C )之間有溫度差，該溫度差可以通過特殊工質(zhì)的相變用于對外做功，完成補水工作。
[0041]其中的取熱單元3優(yōu)選為地熱取熱單元，如圖3所示，包括地熱補水井31、地熱取熱井32、地熱源33、地熱加熱井34、地熱補水管道35和地熱取熱管道36，地熱加熱井34位于地熱源33的巖層中，地熱補水管道35與地熱補水井31連通，地熱補水井31和地熱取熱井32分別與地熱加熱井34連通，地熱取熱管道36與地熱加熱井34連通;循環(huán)加熱室421和水溫調(diào)節(jié)罐41分別與地熱取熱管道36相連通，儲水箱20中的水進入地熱補水管道35，并流入干熱巖地熱源中，高溫的干熱巖使水蒸發(fā)形成高溫蒸汽，通過地熱取熱管道36輸出，作為循環(huán)加熱室中的加熱源。本實用新型優(yōu)選的地熱源33為干熱地熱巖，當然也可以采用其它熱源，地熱加熱井34水平位于干熱地熱巖中。
[0042]為了使多余的蒸汽進行回收，在地熱取熱單元中還設有儲熱箱37和與儲熱箱37相連通的地熱應用用戶38，儲熱箱37通過地熱取熱管道36與地熱加熱井34連通，并儲存起來應用于其它地熱使用用戶，水溫調(diào)節(jié)裝置2與儲熱箱37連通，用于將水溫調(diào)節(jié)罐41中的多余熱量輸送至儲熱箱37中。
[0043]本實用新型中優(yōu)選的水溫調(diào)節(jié)裝置2為一與水溫調(diào)節(jié)罐41相連通的熱栗，其通過熱栗管道21與儲熱箱37連通，通過調(diào)節(jié)水溫調(diào)節(jié)罐中水的溫度，使發(fā)電尾水保持適當?shù)臏囟?，以維持溫度差驅(qū)動補水裝置的冷卻水與加熱水之間的溫度差。
[0044]具體發(fā)電工藝是:將水通過引水管道引至水力發(fā)電單元進行勢能發(fā)電，發(fā)電后的水進入補水單元，同時在補水單元中的水溫調(diào)節(jié)罐中引入熱栗系統(tǒng)，對水進行調(diào)溫處理，把冷卻水吸收的多余熱量輸送到儲熱箱中；同時在補水單元中的溫差驅(qū)動補水裝置中引入地熱熱能，驅(qū)動水溫調(diào)節(jié)罐中的水重新注入水力發(fā)電單元的引水管道中進行發(fā)電。
[0045]本實用新型中的溫度差驅(qū)動補水裝置是通過地熱蒸汽加熱的循環(huán)水提供熱量，熱蒸汽從通過注水到地熱井的120 °C_200°C的干熱巖中汽化后抽取，也可以其他方便的方式獲取地熱能。
[0046]利用水的勢能進行發(fā)電后輸送到國家電網(wǎng)，在系統(tǒng)中通過設置補水單元，在需要電力時可以利用熱能補充水勢能后持續(xù)進行水力發(fā)電，多余的地熱能量可用于高層建筑的用戶取暖，或制作人工溫泉。
[0047]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型創(chuàng)造的保護范圍之中。
【主權項】
1.一種將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括取水單元(I)、位于地平面以下的取熱單元(3)、補水單元(4)和與取水單元(I)有適當水頭落差的水力發(fā)電單元(6)，所述水力發(fā)電單元(6)通過引水管道(5)與所述取水單元(I)連接，所述補水單元(4)與所述水力發(fā)電單元(6)的尾水管道(30)連通； 所述取熱單元(3)用于向所述補水單元(4)輸出熱能； 所述補水單元(4)包括水溫調(diào)節(jié)罐(41)和溫度差驅(qū)動補水裝置(42); 所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)的進水端與所述尾水管道(30)連接，其內(nèi)部設有水溫調(diào)節(jié)裝置(2)，所述水溫調(diào)節(jié)裝置(2)用于調(diào)節(jié)所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)中水的溫度； 所述溫度差驅(qū)動補水裝置(42)與所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)出水端連接，用于將進入所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)罐內(nèi)的發(fā)電后的減少了勢能的水注回所述引水管道(5)中。2.根據(jù)權利要求1所述的將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于，所述溫度差驅(qū)動補水裝置(42)包括一循環(huán)加熱室(421)、循環(huán)冷卻室(422)、溫差相變提升室(423 )、地下水箱(424)和傳輸栗； 所述地下水箱(424)分別與所述循環(huán)加熱室(421)、溫差相變提升室(423)相連通，其腔室內(nèi)設有與所述取熱單元(3)相連通的加熱管道(7)，用于將所述循環(huán)加熱室(421)內(nèi)的水進行加熱； 所述循環(huán)冷卻室(422)的進水端與所述尾水管道(30)連通，所述循環(huán)冷卻室(422)的出水端與所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)的進水端連通，所述循環(huán)冷卻室(422)的腔室內(nèi)設有與所述溫差相變提升室(423)相連通的冷卻管路(8)，所述冷卻管路(8)與所述地下水箱(424)連通； 所述溫差相變提升室(423)包括循環(huán)腔室(4231)和相變驅(qū)動缸(4232)，所述相變驅(qū)動缸(4232)內(nèi)設有一活塞(4233)，所述活塞(4233)將所述相變驅(qū)動缸(4232)分為原水提升室(42321)和工質(zhì)相變室(42322)，所述工質(zhì)相變室(42322)位于所述循環(huán)腔室(4231)內(nèi)，所述原水提升室(42321)上分別設置一與所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)連通的進水口和一與所述引水管道(5)相連通的出水口； 所述傳輸栗用于將所述循環(huán)加熱室(421)中熱水和所述循環(huán)冷卻室(422)中的冷水交替?zhèn)鬏斨了鲅h(huán)腔室(4231)中，使所述相變驅(qū)動缸(4232)驅(qū)動發(fā)電后的減少了勢能的水注回所述引水管道(5)中。3.根據(jù)權利要求2所述的將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述取熱單元(3)包括地熱補水井(31)、地熱取熱井(32)、地熱源(33)、地熱加熱井(34)、地熱補水管道(35)和地熱取熱管道(36)，所述地熱加熱井(34)位于所述地熱源(33)的巖層中，所述地熱補水管道(35)與所述地熱補水井(31)連通，所述地熱補水井(31)和所述地熱取熱井(32)分別與所述地熱加熱井(34)連通，所述地熱取熱管道(36)與所述地熱加熱井(34)連通;所述循環(huán)加熱室(421)與所述的地熱取熱管道(36)相連通。4.根據(jù)權利要求3所述的將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的地熱取熱單元中還設有儲熱箱(37)和與所述儲熱箱(37)相連通的地熱應用用戶(38)，所述儲熱箱(37)通過所述地熱取熱管道(36)與所述地熱加熱井(34)連通，所述水溫調(diào)節(jié)裝置(2)與所述儲熱箱(37)連通，用于將所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)中的多余熱量輸送至所述儲熱箱(37)中。5.根據(jù)權利要求4所述的將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的水溫調(diào)節(jié)裝置(2)為一與所述水溫調(diào)節(jié)罐(41)相連通的熱栗，其通過熱栗管道(21)與所述儲熱箱(37)連通。6.根據(jù)權利要求3-5任一所述的將熱能轉(zhuǎn)換為勢能的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的地熱源(33)為干熱巖地熱源，所述地熱加熱井(34)水平位于干熱巖地熱源中。
【文檔編號】F03G7/04GK205532997SQ201620300708
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】范海燕, 王娜
【申請人】范海燕