地下水抽取装置
阅读：40发布：2020-05-11
专利汇可以提供地下水抽取装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且地下 水 抽取 装置，属于分配或运送液体的装置，特别涉及利用 太阳能 实现抽取 地下水 的技术，通过制造中小规模的太阳能烟囱装置，将 涡轮 旋转 动能 直接通过机械传动装置驱动 活塞 式水 泵 抽取地下水，并实现太阳能集热棚的自清洗。本装置的动 力 驱动部分由集热棚、位于其中部的烟囱、安装在烟囱底部的 涡轮机 组成，动力驱动部分通过圆锥 齿轮 组、 曲轴 联杆传动机构连接活塞式水泵。本 发明 弥补现有太阳能光伏中池抽取地下水成本高的缺点，避免修建超高烟囱的难题，提高 能量 转换效率，实现了烟囱系统的自清洗过程，适用于干旱地区饮用和 灌溉 水源。，下面是地下水抽取装置专利的具体信息内容。
技术领域
本发明为用于分配或运送液体的装置，特别涉及利用太阳能实现抽取地下水 的技术。
背景技术
水资源是解决荒漠化地区人类生存所需的饮用水源和绿化植被所需的灌溉水 源的关键。抽取地下水是解决干旱地区水资源的一种有效途径。由于在荒漠化地 区交通困难，经济落后，电力匮乏，传统的电网供电驱动电动机抽取地下水的方 法难以实现。目前，国内有在西部地区开展用太阳能光伏电池提供电能来抽取地 下水的研究。但是太阳能光伏电池的成本太高，目前还停留在小规模实验阶段， 难以大规模应用。还有利用风力发电作为能源来抽取地下水，不足的是在许多风 力资源贫乏的地区就不能适用。
太阳能烟囱的概念最早是1978年由德国的Schlaich教授提出的，目标是建造 大规模的太阳能烟囱电站。太阳能烟囱发电技术的特点是规模越大，太阳能的热 转换效率越高，0.1MW的电站的平均效率为0.2％，烟囱高200m，集热棚占地面 积5×104m2，1000MW的太阳能烟囱电站的平均效率达到1.8％，烟囱高900m，集 热棚占地面积0.9×108m2。但是太阳能烟囱电站也存在3个缺点：一是超高烟囱的 稳定性一直受到人们的质疑，目前世界上最高的人工建筑物是加拿大的多伦多电 视塔只有550米高；二是占地面积大，荒漠地区的灰尘很容易覆盖在集热棚表面， 大大降低太阳光的透过率，降低发电效率；三是大规模的太阳能烟囱发电站一次 性投资大，还存在一定风险，然而小规模电站能量转化效率低，经济效益也不划 算。斯里兰卡在中国提出的关于太阳能发电装置的申请，是在第一座太阳能烟囱 装置修建后的20年之后，而且只是涉及到利用太阳能烟囱装置产生的热效应进行 蒸发换热。国外较早开展了太阳能烟囱装置的建造和研究，大部分是关于发电和 改善建筑物通风方面的研究报道。
太阳能烟囱的概念最早是1978年由德国的Schlaich教授提出的，目标是建造 大规模的太阳能烟囱电站。太阳能烟囱发电技术的特点是规模越大，太阳能的热 转换效率越高，0.1MW的电站的平均效率为0.2％，烟囱高200m，集热棚占地面 积5×104m2，1000MW的太阳能烟囱电站的平均效率达到1.8％，烟囱高900m，集 热棚占地面积0.9×108m2。但是太阳能烟囱电站也存在3个缺点：一是超高烟囱的 稳定性一直受到人们的质疑，目前世界上最高的人工建筑物是加拿大的多伦多电 视塔只有550米高；二是占地面积大，荒漠地区的灰尘很容易覆盖在集热棚表面， 大大降低太阳光的透过率，降低发电效率；三是大规模的太阳能烟囱发电站一次 性投资大，还存在一定风险，然而小规模电站能量转化效率低，经济效益也不划 算。斯里兰卡在中国提出的关于太阳能发电装置的申请，是在第一座太阳能烟囱 装置修建后的20年之后，而且只是涉及到利用太阳能烟囱装置产生的热效应进行 蒸发换热。国外较早开展了太阳能烟囱装置的建造和研究，大部分是关于发电和 改善建筑物通风方面的研究报道。
发明内容
本发明提出一种地下水抽取装置，其目的是通过建造中小规模的太阳能烟囱 装置，将涡轮旋转运动的动能直接通过机械传动装置驱动活塞式水泵抽取地下水。 这样能量的转化效率大大提高，只有机械传动装置的能量损耗，省掉了涡轮发电 机的效率损失以及电能到机械能的转换效率损失；同时抽取的地下水能移方便地 实现太阳能集热棚的自清洗，以保证太阳能烟囱的正常运行。
本发明的一种地下水抽取装置，包括动力驱动部分和活塞式水泵，活塞式水 源包括圆形水管外筒和其内的传动杆、活塞、活门，动力驱动部分通过圆锥齿轮 组、曲轴连杆传动机构连接活塞式水泵的传动杆，其特征在于所述动力驱动部分 由集热棚、位于其中部置与其连通的烟囱、安装在烟囱底部的涡轮机组成。
所述的地下水抽取装置，其进一步的特征在于该装置设有水塔、所述驱动部 分集热棚上方装有喷淋设施，所术活塞式水泵出水管连通水塔、后者通过管道连 通喷淋设施。
本发明的优点一是利用太阳能烟囱技术进行太阳能能量的转换抽取地下水。 弥补了现有利用太阳能光伏电池取抽取地下水成本太高的缺点，太阳能烟囱技术 中太阳能集热棚下面的地面具有蓄热的功能，不但白天可以工作，晚上释放的热 能也可以进行抽水工作。二是避免了太阳能烟囱发电技术推广应用中修建超高烟 囱的难题。自从世界上第一座50kw示范性太阳能烟囱发电站在西班牙建成以来， 已经20多年时间了，工业规模的太阳能烟囱发电站一直未能建成。其中一个主要 原因是太阳能烟囱发电系统只有建成超大规模才能获得较高的能量转换效率以保 证工业电站的经济运行，而超大规模的太阳能烟囱发电系统必须修建将近1000m 左右的超高烟囱，超高烟囱的防风抗震性能一直受到置疑；本发明利用太阳能的 热能转换不用来发电，而是直接通过机械能的转换抽取地下水，这样就可以修建 中小规模的太阳能烟囱系统，消除了超高烟囱的安全隐患，提高了能量的转换效 率。三是实现了烟囱系统的自清洗过程。太阳能烟囱的集热棚占地面积大，而且 处在人口稀少的北方地区，在运行的过程中，很容易被灰尘所覆盖而降低能量转 换效率。定期的清洗过程往往要从很远的水源地取水清洗。本发明利用太阳能烟 囱抽取的地下水，一方面可以用于饮用水源和灌溉水源，另一方面可以方便地进 行集热棚表面灰尘的自清洗，保证太阳能烟囱装置的高效正常运行。
附图说明
图1为本发明的示意图，
图2为本发明的装置中活塞水泵结构示意图，其中(a)为活塞水泵处于下行 程的状态、(b)为活塞水泵处于上行程的状态。
本发明的一种地下水抽取装置，包括动力驱动部分和活塞式水泵，活塞式水 源包括圆形水管外筒和其内的传动杆、活塞、活门，动力驱动部分通过圆锥齿轮 组、曲轴连杆传动机构连接活塞式水泵的传动杆，其特征在于所述动力驱动部分 由集热棚、位于其中部置与其连通的烟囱、安装在烟囱底部的涡轮机组成。
所述的地下水抽取装置，其进一步的特征在于该装置设有水塔、所述驱动部 分集热棚上方装有喷淋设施，所术活塞式水泵出水管连通水塔、后者通过管道连 通喷淋设施。
本发明的优点一是利用太阳能烟囱技术进行太阳能能量的转换抽取地下水。 弥补了现有利用太阳能光伏电池取抽取地下水成本太高的缺点，太阳能烟囱技术 中太阳能集热棚下面的地面具有蓄热的功能，不但白天可以工作，晚上释放的热 能也可以进行抽水工作。二是避免了太阳能烟囱发电技术推广应用中修建超高烟 囱的难题。自从世界上第一座50kw示范性太阳能烟囱发电站在西班牙建成以来， 已经20多年时间了，工业规模的太阳能烟囱发电站一直未能建成。其中一个主要 原因是太阳能烟囱发电系统只有建成超大规模才能获得较高的能量转换效率以保 证工业电站的经济运行，而超大规模的太阳能烟囱发电系统必须修建将近1000m 左右的超高烟囱，超高烟囱的防风抗震性能一直受到置疑；本发明利用太阳能的 热能转换不用来发电，而是直接通过机械能的转换抽取地下水，这样就可以修建 中小规模的太阳能烟囱系统，消除了超高烟囱的安全隐患，提高了能量的转换效 率。三是实现了烟囱系统的自清洗过程。太阳能烟囱的集热棚占地面积大，而且 处在人口稀少的北方地区，在运行的过程中，很容易被灰尘所覆盖而降低能量转 换效率。定期的清洗过程往往要从很远的水源地取水清洗。本发明利用太阳能烟 囱抽取的地下水，一方面可以用于饮用水源和灌溉水源，另一方面可以方便地进 行集热棚表面灰尘的自清洗，保证太阳能烟囱装置的高效正常运行。
附图说明
图1为本发明的示意图，
图2为本发明的装置中活塞水泵结构示意图，其中(a)为活塞水泵处于下行 程的状态、(b)为活塞水泵处于上行程的状态。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的实施情况。图1所示：太阳光透过集热棚1(塑料 或玻璃)加热地面。为了增加地面的蓄热性能，将地面铺设一层厚的砂子或煤粉 作为保温和蓄热材料。由于温室效应，集热棚内空气温度升高，受热空气膨胀而 沿径向向集热棚中部流动，进入集热棚中部的烟囱2。在实验室小规模的装置中烟 囱可以用PVC塑料制作，实际应用的烟囱一般采用钢筋混凝土结构，以保证一定 的强度和防风抗震性能。上升的气流由于烟囱效应在烟囱中加速，推动安装在烟 囱底部的涡轮机3旋转。轴4的垂直旋转运动通过圆锥齿轮组5转化为轴6水平 旋转运动。轴6的水平旋转运动通过曲轴连杆的机械传动机构7推动传动杆8作 垂直往复运动。传动杆8驱动抽水机9工作，地下水通过过滤器10后提升到出水 管11，水流可以进入到附近的高位水塔12，通过喷淋设施13进行集热棚表面灰 尘的清洗，也可以输送到远处。
活塞水泵的内部结构及工作原理见图2。最简单常见的活塞水泵是由一个圆形 水管外筒14和一个活塞15组成。圆管底部是进水口，并安装有过滤器10，出水 口是在圆管的顶部，活塞上装有一个单向活门16。当活塞行程向下时，见图2(a)， 圆管底部活门17关闭，同时活塞活门16被水压冲开而水流入活塞以上部位。当 活塞上行程时，见图2(b)，活塞活门16由于上部水压而关闭，同时圆管底部的 单向活门17被吸开，并把水吸入到圆管内，活塞活门16上部的水就被提到安装 在其顶部的水管。这种简易的抽水装置，只有足够的太阳能烟囱装置带动曲轴连 杆机构产生的往复运动的功率，就可以把地下水抽到很高的水塔内或输送到很远 的地方。在一定的装置下，抽水和输送所需的功率主要考虑扬程和管道内的摩擦 阻力损失。
实施例1
烟囱高100m，集热棚直径150m，能产生10KW以上的驱动功率。下面通过 计算建造配套的抽取地下水的自清洗系统，所能获得的抽取地下水的流量。
假设地下水位深45m，太阳能集热棚离地高度为8m，修建高位水塔离地面高 度为15m，沿水平方向输送的距离为90m，输送水的管道的直径都为2英寸钢管。 水泵效率为0.7。抽水和输送所需的功率主要由扬程和管道内的摩擦阻力损失所确 定，可以按照下面公式进行计算。
式中，P——水泵抽水的功率，w；
Hw——扬程，等于地上扬程和地下扬程之和，m；
Hf——摩擦阻力扬程，m；
Q——抽水的平均流量，m3/s；
Ep——水泵效率，百分数。
摩擦阻力扬程由各段管道长度、管径以及弯头个数确定，可以用下面经验公 式计算：
Hf＝ξ(L+4N) (2)
式中，Hf——摩擦阻力扬程，m；
ξ——水头损失系数，由管径D和流量Q查经验曲线获得，取ξ＝1；
L——管道长度，m；
N——90°弯头个数，假定弯头总个数为3个。
由公式(1)和公式(2)可以估算出10kw的水泵功率能够抽取地下水的平均 流量为3.2×10-3m3/s(193L/min)。也即是烟囱高100m，集热棚直径150m的太阳 能烟囱装置能够将45m深的地下水抽到15m高的水塔中，平均抽水的流量为 193L/min。
实施例2
按照西班牙的太阳能烟囱进行建造，烟囱高度为200m，集热棚覆盖区域直径 约为250m，就能产生日平均功率50KW以上驱动功率。太阳能集热棚离地距离为 10m。下面通过计算建造配套的抽取地下水的自清洗系统，所能获得的抽取地下水 的流量。
假设地下水位深45m，修建高位水塔离地面高度为20m，沿水平方向输送的距 离为200m，输送水的管道的直径都为2英寸钢管。水泵效率为0.7。假定整个管 道系统90°弯头个数为3个。水头损失系数ξ＝2。由公式(1)和公式(2)可以 估算出50kw的水泵功率能够抽取地下水的平均流量为5.76×10-3m3/s(346L/min)。 也即是烟囱高200m，集热棚直径250m的太阳能烟囱装置能够将45m深的地下水 抽到离开集热棚中心距离200m远、离地20m高的水塔中，平均抽水的流量为 346L/min。完全能够满足一定规模抽取地下水的目的和集热棚自清洗的目的。
活塞水泵的内部结构及工作原理见图2。最简单常见的活塞水泵是由一个圆形 水管外筒14和一个活塞15组成。圆管底部是进水口，并安装有过滤器10，出水 口是在圆管的顶部，活塞上装有一个单向活门16。当活塞行程向下时，见图2(a)， 圆管底部活门17关闭，同时活塞活门16被水压冲开而水流入活塞以上部位。当 活塞上行程时，见图2(b)，活塞活门16由于上部水压而关闭，同时圆管底部的 单向活门17被吸开，并把水吸入到圆管内，活塞活门16上部的水就被提到安装 在其顶部的水管。这种简易的抽水装置，只有足够的太阳能烟囱装置带动曲轴连 杆机构产生的往复运动的功率，就可以把地下水抽到很高的水塔内或输送到很远 的地方。在一定的装置下，抽水和输送所需的功率主要考虑扬程和管道内的摩擦 阻力损失。
实施例1
烟囱高100m，集热棚直径150m，能产生10KW以上的驱动功率。下面通过 计算建造配套的抽取地下水的自清洗系统，所能获得的抽取地下水的流量。
假设地下水位深45m，太阳能集热棚离地高度为8m，修建高位水塔离地面高 度为15m，沿水平方向输送的距离为90m，输送水的管道的直径都为2英寸钢管。 水泵效率为0.7。抽水和输送所需的功率主要由扬程和管道内的摩擦阻力损失所确 定，可以按照下面公式进行计算。
式中，P——水泵抽水的功率，w；
Hw——扬程，等于地上扬程和地下扬程之和，m；
Hf——摩擦阻力扬程，m；
Q——抽水的平均流量，m3/s；
Ep——水泵效率，百分数。
摩擦阻力扬程由各段管道长度、管径以及弯头个数确定，可以用下面经验公 式计算：
Hf＝ξ(L+4N) (2)
式中，Hf——摩擦阻力扬程，m；
ξ——水头损失系数，由管径D和流量Q查经验曲线获得，取ξ＝1；
L——管道长度，m；
N——90°弯头个数，假定弯头总个数为3个。
由公式(1)和公式(2)可以估算出10kw的水泵功率能够抽取地下水的平均 流量为3.2×10-3m3/s(193L/min)。也即是烟囱高100m，集热棚直径150m的太阳 能烟囱装置能够将45m深的地下水抽到15m高的水塔中，平均抽水的流量为 193L/min。
实施例2
按照西班牙的太阳能烟囱进行建造，烟囱高度为200m，集热棚覆盖区域直径 约为250m，就能产生日平均功率50KW以上驱动功率。太阳能集热棚离地距离为 10m。下面通过计算建造配套的抽取地下水的自清洗系统，所能获得的抽取地下水 的流量。
假设地下水位深45m，修建高位水塔离地面高度为20m，沿水平方向输送的距 离为200m，输送水的管道的直径都为2英寸钢管。水泵效率为0.7。假定整个管 道系统90°弯头个数为3个。水头损失系数ξ＝2。由公式(1)和公式(2)可以 估算出50kw的水泵功率能够抽取地下水的平均流量为5.76×10-3m3/s(346L/min)。 也即是烟囱高200m，集热棚直径250m的太阳能烟囱装置能够将45m深的地下水 抽到离开集热棚中心距离200m远、离地20m高的水塔中，平均抽水的流量为 346L/min。完全能够满足一定规模抽取地下水的目的和集热棚自清洗的目的。
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