石－水位能轉換發電法的製作方法

2023-05-08 20:48:41 1

專利名稱：石－水位能轉換發電法的製作方法
石—水位能轉換發電法是一種利用石頭、泥沙、礦渣等物體的重力位能作能源的「新」能源發電法，它先將石頭、泥沙、礦渣等物體的重力位能轉換為水的位能，然後再利用水的位能來發電，它的發電形式和水力發電基本相同，但本質不同，在這裡水只是為方便發電引入的一種工作物質而非能源，由於這種發電方法使用石頭、泥沙等物質作能源，因此也可把它簡稱和謔稱為石頭、泥沙發電法。
如果有人告訴你，石頭、泥沙、礦渣等物體可以用來發電，你相信嗎？如果你有懷疑的話，這篇文章也許會使你相信石頭、泥沙、礦渣等物體不僅可以用來發電，而且，如果需要的話，它甚至有可能滿足人類未來相當長一段時間(幾十、幾百年或更長)對清潔能源的部分或大部分需要。
眾所周知，地球上任意物體從高處落下時都會釋放出位能，原則上這種位能都可以用來發電，但迄今為止，人們只利用了水的位能來發電，這是什麼原因呢？主要有二①水的位能資源是一種再生資源，人們可以不斷利用這種再生能源來發電；②水具有流動性，便於輸運、貯存和驅動水輪機旋轉帶動發電機發電。
石頭、泥沙、礦渣從高處落下時也一樣會釋放出位能，但它們不具備水的以上二個特點，它們不是再生能源且不具有流動性，很難直接利用它們來發電，石頭、泥沙等的這二個缺點我們應該怎樣來看待它們，有沒有可能克服呢？不是再生能源這個缺點我們認為應該這樣來看待石頭、泥沙等物體的位能資源雖然不是一種再生能源，但如果一個地方它們的儲量很大，可滿足人們一段時間或較長時間的需要，只要經濟上合算，顯然也就具有開發和利用的價值；沒有流動性這個缺點，則可通過能量轉換的辦法來解決，可先將石頭、泥沙等物體的重力位能轉換成具有流動性的物質，如水的位能，然後再利用水的位能來發電，沒有流動性這個缺點便可輕而易舉地得到解決。
由以上分析可知，我們完全可以像利用水的位能資源來發電一樣，利用石頭、泥沙等物體的位能資源來發電，以滿足人們對電能的需要。
地球上，由於地球表面極其凹凸不平，石頭、泥沙等物體的位能資源是非常豐富的，石頭、泥沙的容重(單位體積的重量)大於1，因此不僅陸地上存有大量這種資源，湖泊、海洋之中也存有大量這種資源(水的容重為1，水的位能資源只能存在於下水源水面之上)，將地面上任意一塊石頭或一堆泥沙從高處扔至低處或扔入湖泊、海洋之中，或將淺水中的石頭、泥沙扔至深水之中，便可將它們的重力位能釋放出來，因此，地球上任意一塊石頭或一堆泥沙都可以認為是一種能源，可見地球上蘊藏的這種石頭、泥沙能源是何等地豐富，雖然它們不能再生，但蘊藏量之大幾乎是取之不盡、用之不竭的。
但是，要把石頭、泥沙所蘊藏的這種無比豐富的位能資源開發出來供人類使用還需解決一個方法問題，本專利下面將要討論的便是這個問題。
本專利的目的是，指出石頭、泥沙等物體的重力位能資源是一種可供人類使用的儲量極為豐富的非再生能源，建議採用石—水位能轉換發電法來開發這種能源，並提供幾種具體的石—水位能轉換發電法供感興趣開發這種能源的人士參考。
在介紹具體的石—水位能轉換發電法之前，我們先來介紹石頭、泥沙重力位能的計算方法。
水面之上和水面之下(水中)石頭、泥沙的重力位能可用以下二式來計算
E2=(-1)V367.2H=367.2H-V367.2H]]>
式中E1——水面之上物體的位能；E2——水面之下(水中)物體的位能；γ——物體的容重(噸/米3)；V——物體的體積(米3)；H——落差(米)。
由①、②式可知，在水面之上，因石頭、泥沙的γ＞1(γ＝1.5～5)，在落差相同時，它們的位能為相同體積水的γ倍；同體積同落差時，石頭、泥沙在水中可釋放的位能E2比在水面之上可釋放的位能E1小，數值上等於E1減去同體積同落差的水在水面之上的位能，原因是，石頭。泥沙在水中受到水對它的向上浮力的作用，此浮力等於與石頭、泥沙同體積的水的重量，故它在水中下落時的實際重力需從重量中減去此浮力。
下面我們利用①、②二式來計算E1、E2幾個特殊值供下文討論使用。
在水面之上，1噸水或1噸石頭、泥沙落差為367.2米時，位能均為1千瓦時；落差為3672米時，位能均為10千瓦時；在水中，容重為γ的1噸石頭、泥沙，因V＝1/γ，由②式可得，落差為367.2米時，位能為(1-1/γ)千瓦時。一般泥沙的γ＝2.6～2.7；花崗石的γ＝2.5～3；大理石的γ＝2.5～2.8噸/米3，為了計算簡單起見，我們取石頭、泥沙的γ＝2.5噸/米3，代入(1-1/γ)可得，落差367.2米時，1噸石頭、泥沙可釋放的位能為0.6千瓦時；落差3672米時，可釋放的位能為6千瓦時。
利用上述數據進一步可求得，如將γ＝2.5的1.7噸的石頭、泥沙扔入水下367.2米時，可釋放的位能均為1千瓦時；扔入水下3672米時，可釋放的位能均為10千瓦時，不計耗損，利用它們來發電，可生產的電能即為1千瓦時和10千瓦時(為簡化起見，本文以後的討論都暫不計算各種耗損)。
本專利引用和提供的石—水位能轉換發電法共7種，下面我們結合

圖1～圖10來作詳細描述圖1升降機式石—水位能轉換發電法工作原理圖；圖2戽鏈式石—水位能轉換發電法工作原理圖；圖3氣球提升式石—水位能轉換發電法工作原理圖；圖4飛艇運輸式石—水位能轉換發電法工作原理圖；圖5浮沉式石—水位能轉換發電法工作原理圖一；圖6浮沉式石—水位能轉換發電法工作原理圖二；圖7沉箱式石—水位能轉換發電法工作原理圖；圖8園形發電沉箱外形結構示意圖；圖9深潛潛水發電船石—水位能轉換發電法工作原理圖；圖10自帶挖泥鏟鬥的深潛潛水發電船外形結構示意圖。
7種石—水位能轉換發電法介紹如下1.升降機式石—水位能轉換發電法如圖1所示，本法使用一種類似於目前人們使用的乘人、載物垂直升降機那樣的裝置(如需要，也可具有一定的傾斜度)來實現石—水位能的轉換發電，圖1為三種不同情形下的使用方法a——H1(水位提升高度)＝H2(石頭、泥沙下降落差)；b-H1＞H2；C——H1＜＜H2，其中a、b使用石頭、泥沙在水面之上釋放的位能來提升水位；c使用石頭、泥沙在水中釋放的位能來提升水位，工作原理如下設計時令盛水箱2的自重(或力矩)略大於盛石箱1的自重(或力矩)，故二箱皆空時，2自動下降至最低位置，浸入下水源3中，並帶動1上升至最高位置，1在最高位置時，將7中石頭、泥沙注入其中，當1的總重量(或力矩)＞盛滿水的2的總重量(或力矩)時，1下降至最低位置並將2提升至最高位置，2至最高位置後，將其中水注入上水池4中，注畢將1中石頭、泥沙傾出，2又將自動下降至最低位置，1又可上升至最高位置，過程便可再次重複，上水池4中的水沿水管5流下便可驅動水輪發電機組6發電，尾水返回3中，由於水是循環使用的，上水池4的貯水量不必很大，能滿足6連續發電需要即可；2.戽鏈式石—水位能轉換發電法本法使用沿垂直方向運動或有一定傾斜度的戽鏈1來實現石一水位能的轉換發電，如圖2所示，其中a使用石頭、泥沙在水面之上下落時釋放的位能使戽鏈旋轉；b使用石頭、泥沙在水中下落時釋放的位能使戽鏈旋轉，a在落差較大時，可將多個戽鏈級聯起來使用；3.氣球提升式石—水位能轉換發電法本法使用具有大升力或巨大升力的氣球或氣球群來實現石—水位能的轉換發電，如圖3所示，其中，a為陸上情形，使用石頭、泥沙在水面之上下落時釋放的位能來提升水位；b為水中情形，使用石頭、泥沙在水中下落時釋放的位能來提升水位，為防止氣球大幅擺動，可考慮建造一個形狀像煙筒那樣的大金屬網，讓氣球或氣球群在網內上下浮動，如風力很大，也可將網做成封閉形式。
a的工作過程如下，氣球1下吊一個盛水箱2和一個盛石箱3，氣球1處於最低位置時將2灌滿水，然後解開繩索令氣球上升至最高位置，系牢氣球後將2中水注入上水池中，注畢向盛石箱3注入石頭、泥沙，然後解開繩索讓氣球下降返回最低位置，將2灌滿水後，將3中石頭、泥沙傾出，便可開始下一次提升循環，此法比較適合具有較大落差的陡峭山區使用，假如落差2000米，盛水箱盛水量50噸，日提升20次，日可將1000噸水提升至2000米高的水池中，日發電量可達5000千瓦時，據報導，俄羅斯目前已在建築工地上使用可將100噸重的建築材料吊至幾百米高空的氣球，可見，要製造提升力50噸，提升高度2000米的氣球目前已不會有什麼大的困難，提升力更大、提升高度更高的氣球將來也是有可能製造出來的。
b的工作過程如下氣球群1下吊一盛水箱2，2下端系一條繩索4，4末端吊一浸於湖泊或海洋中的盛石箱3，當3處於閘門打開的空載狀態時，1的升力可將盛滿水的2上吊至最高位置，2到達最高位置後將其中水注入上水池5中，然後關閉3閘門將石頭、泥沙注入3中，1在3重力作用下下降至最低位置後，將下水池6中水注入2中，注畢將3中石頭、泥沙傾出，便可再次循環，如1的提升力為100噸，提升高度H1＝400米，日循環40次，日提水量為4千噸，日發電量可達4000千瓦時，假如水深很深，如4000米，為充分利用石頭、泥沙在水中全部落差中釋放的位能，也可採用類似圖6所示的方法，這時N＝10，3下降至水底一次可提水1000噸，如日循環至水底4次，日提水量為4千噸，日發電量亦可達4000千瓦時，以上二種情形發電量雖然相同，但石頭、泥沙的消耗量不同，後者僅為前者的十分之一；4.飛艇運輸式石—水位能轉換發電法在下水源和上石源之間距離較遠地形比較複雜的地方，可藉助飛艇來實現石—水位能的轉換，如圖4所示，利用飛艇將下水源的水吊運上高山，利用高山上的石頭、泥沙作壓重使飛艇下降，故只需消耗不多的能源便可不斷將下水源的水提升到上水池中，為縮短提升周期、增加提升次數，可採用整體置換吊艙的辦法來縮短裝卸時間，此法比較適合在具有很大落差的地方使用，例如某地落差3000米，飛艇提升力80噸，日提升20次，日提水量1600噸，日發電量達1.2萬千瓦時。
據報導，目前世界上不少國家正在大力研製大升力飛艇，如俄羅斯的ALA-600碟形飛艇，直徑200米，載重661噸；法國的Titan飛艇，載重500噸；美國歐文教授設計的長2.4公裡巨型飛艇等，說明用飛艇進行運輸又重新引起人們的興趣和熱情，未來的飛艇必定會愈做愈大，一旦提升力小的問題得到解決，飛艇這種運輸工具，由於具有機動靈活、耗能少、提升高度大、不受地形限制、對地面設施要求少，容易轉移工作場所等許多優點，最終有可能成為陸地上實現石—水位能轉換發電的最好形式。
5.浮沉式石—水位能轉換發電法本法使用一種可沿垂直方向上下浮沉的浮盆提水器A來實現石—水位能的轉換，如圖5、圖6所示，圖5a使用石頭、泥沙水面之上釋放的位能來提升水位；圖5b和圖6使用石頭、泥沙在水中釋放的位能來提升水位。圖5浮盆提水器A1、A2由1-浮箱；2-支柱；3-盛水箱；4-盛石箱四部分組成，A1的4在3之上；A2的4在1之旁、3、4下端均有閘門，設計時令1的浮力在4空載、3滿載時可使A1、A2上升至最高位置；在4滿載、3閘門打開的情況下可使A1、A2下沉至3沒入水中的最低位置(圖中虛線所示)，A1、A2工作過程如下3、4均空載時，A1、A2上浮至最高位置，關閉4閘門注入石頭、泥沙，注畢A1、A2下沉至最低位置，關閉3閘門後打開4閘門將4中石頭、泥沙傾出，A1、A2上浮，到達最高位置後打開3閘門將水注入上水池中，注畢便可開始下一循環，此二法要求下水源水深大於水位提升高度，如下水源水深不足，可在水底挖一深井。當下水源水深極深時，為充分利用石頭、泥沙落至水底全部落差中釋放的位能，可使用圖6所示的浮盆提水器A3，A3由浮箱1、支柱2、盛水箱3三部分組成，它的盛石箱4與A3分離，吊在環繞滑輪組上的繩索6的一端上，6的另一端吊平衡重物5，設計時令4閘門打開的空載情形下，5的重力可使4上升至最高位置，6的長度H2(≈水深)＝NH1(H1為支柱高度，即水位提升高度；N為4下沉至水底一次A3的提升次數)，在繩索6上每隔H1長度安裝一個園環XN，在A3浮箱1的側邊安裝一個可開合的接頭7，7與XN可扣上也可脫開，當4盛滿石頭、泥沙時，如7與XN扣上，4的重力可使A3下沉至3沒入水中的最低位置(a)；7與XN脫開後，A3靠1的浮力可將盛滿水的3推至最高位置(b)，令A3每上下一次7順序與XN扣上和脫開一次，故4從最高位置下降至水底時，A3便可上下N次，將N箱水提升至上水池中，4到達最低位置後，打開閘門將石頭、泥沙傾至水底，4在5的作用下便可自動返回最高位置，開始下一次循環。水深很深時，繩索6很長，如很重，在設計時它的重量需計算在內，不能忽略。
為防止浮盆提水器晃動，可建造垂直方向的導軌，令浮盆提水器沿著導軌上下浮動。
浮盆提水器A1、A2、A3的大小和高度不受原理的限制，條件許可時，可以建造提水量很大、提升高度很高的浮盆提水器。一個在深海海面的工作平臺，可帶多個A2、A3，讓它們輪流上下浮沉，實現連續發電，例如，一平臺帶4個A3，H2＝4000米，H1＝400米，N＝10，3的盛水量為1萬噸，4日至水底3次，日總提水量可達120萬噸，日發電量為120萬千瓦時，等於一座功率5萬千瓦電站的日發電量。在大海上要建造功率更大的這種石—水位能轉換發電站也是有可能的；6.沉箱式石—水位能轉換發電法本法使用一種本身帶有浮力可上下浮沉的沉箱來實現石—水位能的轉換發電，如圖7所示，本法和以上幾法不同，它不是利用石頭、泥沙的重力位能來提升水位，而是轉化為水的壓力(實質上也是水的位能)，利用水的壓力來發電，在水深很深或極深時，為充分利用石頭、泥沙降至水底所釋放的全部位能，可考慮使用此法。如圖7、圖8所示，沉箱B由5個主要部分組成1-浮艙；2-盛水艙；3-盛石艙；4-發電(或發電、制氫、氧)車間；5-支腳；其中1艙永久封閉，2、3艙下端有閘門，2艙閘門關閉後水密封，3艙不必水密封，為使1、2艙能承受住深水高壓，內部可考慮採用類似於蜂窩的柵格狀結構，為了便於控制浮沉和防止意外，1、2、3艙可分隔成許多個分艙，每一分艙各有自己獨立的閘門。設計時，應使1的浮力在3艙空載、2艙內部盛滿水情形下，能使B向上浮動，將2艙全部閘門打開內部水不斷向外排出的情況下，B可上浮直至2艙全部露出水面(這時2艙中水可全部排出艙外)；在2艙閘門全部關閉內部空載、3艙盛滿石頭、泥沙的情形下，能使B下沉直至水底，B的工作過程如下設初始時，2、3空載，B浮在水面(a)，先將2艙全部閘門關閉，然後關閉3艙閘門向3艙注入石頭、泥沙、注滿後B下沉至水底(b)，這時便可用高壓水驅動發電車間4中的水輪發電機組發電，生產高壓或液化氫、氧，有條件時也可用電纜將電能輸往陸地，尾水注入2中，2灌滿水後(為使2能夠灌滿水，用軟管將空氣排出水面或用其它方法排出)中止發電，打開3艙閘門將石頭、泥沙傾至水底，B向上浮動，打開2艙閘門後，2艙最終將會浮出水面，便可開始下一輪循環。沉箱B的結構形式可多種多樣，圖8為一種園形發電沉箱外形結構示意圖，可供設計參考。
沉箱B通常用拖輪拖至深海工作區錨泊，可在一定範圍內自由上落，可遙控工作也可配備少量工作人員，浮沉周期約1～5天，由運石船直接供應石頭、泥沙，為增加每次下沉的發電量，盛水艙容積愈大愈好，如可在1千～500萬米3間，故B是一個體積極為龐大的物體，假設一個B的盛水艙容積為500萬米3，下沉深度6000米，每下沉一次發電量為7500萬千瓦時，年100次計，總發電量可達75億千瓦時，相當於一座功率100萬千瓦電站的年發電量，如需要連續對外供電，可在一個工作區配置幾個沉箱讓它們輪流發電；7.深潛潛水發電船石—水位能轉換發電法深潛潛水發電船C是一種本身具有動力可在水面航行和在水中潛航的大型或巨型沉箱，如圖9所示，其中C1為停靠碼頭裝載石頭、泥沙的深潛潛水發電船；C2為自帶挖泥鏟鬥的深潛潛水發電船，它可在水深幾十～1、2百米的淺海區自挖泥沙(也可採用氣吸或其它方式來裝載泥沙)，一艘C2可配置幾十部鏟鬥，以縮短裝載時間。在結構上，C1、C2比圖7沉箱B多一個壓載艙6、C2多一個支架7用來架高盛水艙和發電車間以增加挖泥深度。潛水發電船C與潛水艇有些相似，但有一個根本性的區別，潛水艇的浮沉全由壓載艙來調節，而C的下沉主要靠石頭、泥沙的重力，6僅能在C沉入水中之後調節C的深度。C在水面航行時，可使用礦物能源，也可使用貯存下來的先前自身發電電能；潛航時可使用貯存能源也可使用本身實時發電電能，如使用實時發電電能，潛航深度應儘量降低，以充分利用石頭、泥沙的位能。C1、C2的工作過程與B基本相同，區別是它們自行航行或潛航至碼頭和淺海裝載石頭、泥沙和自行潛航至工作區海底進行發電。C2的外形結構示例如圖10所示。
利用自帶挖泥鏟鬥的深潛潛水發電船發的電來開採洋底豐富的錳結核礦在經濟上是十分合算的，可不消耗其它能源便能將錳結核石提升至洋面，這種用途的發電船，為了能將錳結核石帶上水面，它的浮艙1的浮力需增大一些，增大部分等於每次攜帶上浮的錳結核石的最大重量。
深潛潛水發電船也可改作為使用石頭、泥沙位能來航行的深潛潛水運輸船，它裝載石頭、泥沙後下沉，用潛航方式來運送人員和貨物，到達目的地後，卸掉石頭、泥沙後浮上水面，它潛航時只需使用自身實時發電電能，或直接利用高壓水來驅動水輪機工作帶動螺旋槳旋轉推動船舶前進，故可不消耗其它能源由一地航行至另一地。
方法1～4使用的裝置和設備不是新設計，早已廣泛應用在工農業生產和人們日常生活之中，因為可以用來進行石—水位能的轉換，這裡一併將它們列出來供人們參考；方法5～7使用的裝置比較新穎是新設計，但原理十分簡單，製造技術也不複雜，水深不大情況下不難把它們製造出來，但下潛深度很深或極深體積龐大的沉箱和發電船，由於深水水壓極大(水深6000米時為600個大氣壓)，目前還不可能製造出來，這方面目前達到的技術水平是，世界上有一些國家，如美、日、英、法、意、俄等和我們中國，已有能力製造下潛深度6000米或更深的小型載人或不載人的潛水深測器和水下機器人，一些國家，如美、日，深海挖掘船也已在建造中，我們相信，如果有需要的話，上述體積龐大的深水沉箱和深潛潛水發電船，未來人類是有可能把它們製造出來的。
利用目前的潛艇製造技術已有可能製造下潛1000米左右的中、小體積的發電沉箱和潛水發電船，它們的製造技術比目前世界上許多國家熱衷研製的戰略核潛艇簡單得多，它唯一需要解決的技術困難是如何克服巨大的水壓，有興趣實施者，建議可先試製下潛深度為400～1200米、盛水艙容積為0.1～10萬米3的發電沉箱和潛水發電船，以此來檢驗這種發電方法的可行性，雖然由於潛水深度較淺，它們的石頭、泥沙的位能利用率較低，但可為未來積累經驗和增加信心！石—水位能轉換發電法雖然是一個可以利用來發電的方法，卻不是一個在任何情形下均適宜使用的方法，原因是，石頭、泥沙的開採和運輸也需要消耗能源，且它們的發電效率很低，單位重量的石頭、泥沙可發電量遠遠少於其它礦物能源，因此使用這種發電方法時必需慎重考慮、精密計算、綜合分析各種因素、權衡各種利弊，確實有利可圖時，才可以使用。
在什麼情形下可以考慮使用這種方法呢？大概有以下五種情形1、如果一個國家或一個地區，每年由於工、礦業生產、開發和建設等經濟活動，產生大量現成的石頭、泥沙、礦渣等「廢料」，且堆積如山、難以處理，則可考慮利用這些「廢料」的位能來發電，變廢為寶；2、如果一個國家或一個地區，極端缺乏可直接利用來發電的能源，但卻有大量和豐富的不能或不宜直接用來發電的能源，如火藥、畜力、人力、裂變和聚變核原料，或有大量廢棄和準備銷毀的炸彈、炮彈、炸藥、原子彈頭、氫彈頭等，則可先利用這些能源來開採石頭、泥沙，然後再用石—水位能轉換法來發電；3、某些大型或特大型建築、交通、水利等工程，如果需使用大量土石方，有可能時，可先利用這些土石方的位能來發電，然後再使用這些土石方；如果產生大量多餘的土石方，有可能時，也可利用這些多餘的土石方來發電；4、在大規模改造地球的地形地貌、改變地球的局部氣候和改造地球的生態環境等的超大型「地球改造工程中」，可考慮採用此法來為工程本身提供能源，增加工程的經濟效益，縮小工程的投資規模；5、在石油資源枯竭、為減少二氧化碳排放量和消除放射性汙染，煤炭和核能被嚴禁使用、新的清潔能源還未能大量進入社會、能源處於青黃不接的極端困難時期，可將石頭、泥沙能源作為一種應急能源來使用，以解燃眉之急，直至被其它高效清潔能源所取代為止。
下面我們來作一個假設性的計算，看看萬一將來其的有一天，全世界和我們中國所需的全部或部分電能需要由石頭、泥沙來提供時，每年究竟需要多少石頭和泥沙？為簡化起見，我們假設，未來世界人口為100億，中國人口為15億，人均年耗電量為2000千瓦時(達目前發達國家水平)，全世界年需電量為100×2000＝20萬億千瓦時，中國年需電量為15×2000＝3萬億千瓦時，(注目前我國年發電量已超過1萬億千瓦時)。
假定全部電能均採用將陸地上具有4000米落差的高山、高原上的石頭、泥沙「扔」至山下，或將陸地或淺海大陸架上的石頭、泥沙「扔」入水深大於4000米的深海的方法來生產，設石頭、泥沙的γ＝2. 5，全世界總共需要石頭、泥沙的量為1.7×2＝3.4萬億噸；中國需要的量為1.7×0.3＝5100億噸(以上均按「扔」入水中情形計算)，1立方公裡γ＝2.5的石頭、泥沙重量為25億噸，故全世界總共需要1360、中國需要204立方公裡的石頭和泥沙。
以上是全部所需電能均由石頭、泥沙來提供的情形，這種情形是不可能出現的，因為即使礦物能源全部用完或被禁用，還有水力、太陽能、風力等能源可以使用，假定這些清潔能源提供總需量的三分之一；石頭、泥沙提供三分之二，則上述數字可降為898和136立方公裡。
從勞動力角度來看，一個勞動力用開採石頭、泥沙的方法來生產一個人一年所需要的2000千瓦時的電能，需要付出多少天的勞動呢？落差4000米時，生產2000千瓦時的電能大約需要石頭、泥沙200噸(陸上)或340噸(水中)，以每日開採10噸計，約需一個月左右時間，換言之，一個勞動力一年的勞動在能量需求上可「養活」12個人，這是最壞情形，因還可以利用生產的部分電能來增加開採的機械化程度，提高開採效率。但即使1人只能「養活」12人，在能源危機的困難年代，估計人們或許是可以接受的，因總比沒有能源使用要好！地球陸地上有大量的高山、高原、沙石和泥土，大海大洋中有面積極為潦闊的水深僅幾十至1、2百米的淺海大陸架，如我國的青藏高原、雲桂高原、黃土高原、內蒙古高原，海拔1000～8000多米，面積超過半個中國；渤海，面積9.7萬平方公裡，平均水深28米；黃海，面積40餘萬平方公裡，平均水深44米(其中長江口外東西100公裡的淺灘，水深僅30米)；南海北部和西北部大陸架，最大寬度285公裡，平均水深55米，每年從這些地方將幾十、幾百立方公裡石頭、泥沙「扔」到山下或深海之中，幾十、幾百年或更長時間也是「扔」不完的，可見地球上石頭、泥沙的位能資源確實是一種可供人類使用很長一段時間的能源。
如果單純為了獲得電能(非綜合開發)，最理想的做法是將比較靠近深海的淺海大陸架上的泥沙「扔」入附近深海，利用它們釋放的位能來發電，這樣做有許多好處泥沙來源豐富、開挖泥沙耗能較少(大約只佔釋放位能的幾十分之一)、運輸距離短能耗少、落差大發電效率高、對陸地和海洋形態不產生影響、不會對海洋增加新的汙染、不會引起海平面的上升、不會遭到人們的反對等，因為這些泥沙本來就在大海大洋之中，只不過將它們移動一下位置吧了！只要將大海大洋中的一些泥沙在海洋中移動一下位置，便能獲得人類極其需要的能源，這件事似乎是很值得我們人類認真加以考慮的！如果採用將陸地上的石頭、泥沙「扔」入大海的方法來發電，會不會引起海平面的上升、會不會對海洋造成汙染呢？前者的耽憂是不必要的，因地球上的海水一共有13億7千多萬立方公裡，即使每年將幾百立方公裡的石頭、泥沙扔入大海，也只不過佔大海大洋容積的137萬分之零點幾；後者則是需要注意的，但可採用法律手段來解決，只要嚴格禁止將含有汙染物質的石頭、泥沙、礦渣等物體扔入大海，是可以防止對大海大洋造成汙染的。
最後，我們舉一些可以考慮使用石—水位能轉換發電法來生產電能的具體例子供人們參考。
1.在人口稀少，無水力資源和礦物能源的邊遠山區，可考慮建小型石—水位能轉換電站來生產電能，例如，某地人口1000人，人均日耗電1千瓦時，附近有落差2000米的高山，則每天只需將200噸石頭、泥沙「扔」下山，便可生產出1000千瓦時的電能，利用每年扔下山的7萬多噸石頭、泥沙，還可在山下平整出一小塊土地；2.在高度較高的山上建造大型採石場時，可考慮同時建一石—水位能轉換電站，假定山高在2000米以上，每天生產成品、半成品和廢品石料2000噸，則日發電量可達1萬千瓦時，此電能可用來開採、加工、運輸石料，有餘還可對外輸送。
3.如某附近有高山的城市，擬在附近建造大型現代化機場，卻找不到大面積的較平整的土地，這時可考慮向高山開刀，將高山上部分的泥石「扔」下山谷，一方面發電，一方面填埋山谷，在山谷處平整出一塊機場用地；4.如某地勢高的工礦區，每年有5000萬噸廢礦石和廢礦渣，可考慮在附近低地處建一石——水位能轉換電站，假如低地落差200米，年可發電2500萬千瓦時；5.如某地勢較高的城市，每天有生活垃圾2000噸，擬建垃圾焚燒廠來處理這些垃圾，可將廠址選在附近儘可能低的地方，在焚燒之前先利用垃圾下降至低地釋放的位能來發電，如低地落差400米，除焚燒垃圾發電外，每天還可額外多生產2000千瓦時電能。地勢較低的城市也可使用此法，但需挖一深坑。一切需要燃燒、汽化大量物質的工廠，也都可以通過降低廠址來利用這些物質的位能，額外多生產出一些電能，如燃煤、燃油發電廠等；6.遠離大陸的海上孤島，無法用輸電線路向它供電，可考慮用島上的石頭、泥沙來發電。假定島上有20人，人均日需電2千瓦時，如果島上有高山，山高200米，每天只需將80噸石頭、泥沙「扔」下山便可生產出40千瓦時的電能；如島上無高山，可採用將地面或沙灘上的石頭、泥沙「扔」下海的方法來發電，可在島上建一座100米高的水池，將海水提升至水池中，假定泥沙γ＝2.5，水深100米，每日將272噸泥沙「扔」下海，可提水160噸，日發電量便可達40千瓦時，如水深1000米，N＝10，則只需「扔」下27噸泥沙；如水深4000米，N＝40，則每天只需「扔」下區區7噸泥沙便可滿足需要；7.某一水深1200米的海邊漁村，3000人口，人均日需電量1千瓦時，一周共需電量2.1萬千瓦時，可建一盛水艙體積7000立方米(直徑約30米，高約10米)的發電沉箱，每周裝載大約1.2萬噸γ＝2.5的石頭、泥沙下沉一次，日平均可發電3000千瓦時，周可發電2.1萬千瓦時；8.某廢棄礦區地下800米有總容積20萬立方米的廢坑道，用地面上的石頭，泥沙、礦渣填埋這些坑道可以發電，總共需平均γ＝2.5的石頭、泥沙、礦渣50萬噸，它下落時釋放的位能可將400萬噸水從地面提升至地面上方高100米的水池中，總共可發電100萬千瓦時，這相當於114千瓦電站一年的連續發電量，如用時一年，則平均日發電量可達2736千瓦時；9.黃河是我國一條含沙量極大的河流，年平均輸沙量近16億噸，約12億噸輸入大海，4億噸淤積在下遊河床，致使河床日益增高，洪水極易泛濫、運輸能力日減，為徹底根治黃河，除加大力度對中上遊地區進行水土保持之外，是否可考慮對黃河下遊河床來一次徹底大疏通，將千百年來淤積在河床上的泥沙運走，利用將它們傾倒至東海衝繩或琉球海溝所生產的大量電能和收益來進行這一規模空前的水利工程，如每年動員200萬民工挖沙，人均年挖沙3000噸計，年總挖沙量為60億噸，設泥沙γ＝2.5，平均水深4000米，則年總發電量可達353億千瓦時，連續20～30年，可清除掉1200～1800億噸淤沙，相當於黃河300～450年的淤沙量，此工程可考慮在2020年我國目前正在河南省建造的小浪底大型水利工程的蓄沙能力消失之後進行。其它河流、湖泊，如長江口、洞庭湖等的淤塞問題，也可照樣辦理；
10.我國東南沿海諸省浙江、福建、臺灣、廣東、海南、廣西，地處丘陵地帶，山多平原少，耕地面積很少，是否可考慮將其中一些沒有什麼用的高山、大山移走，利用它們來發電，增加高原平原和耕地的面積，離海岸線遠的地區，可利用大山的陸地落差來發電，變山地為高原或盆地；離海岸線近的地區，可以將山石開採出來運至深海，利用深海極大落差來發電，我國大陸接近海岸線的地方，沒有水深很深的深海，這對我國利用深海大落差發電是很不利的，但在我國領海之內，有幾個地方水深相當深，如臺灣東岸蓮花港外35公裡處，水深達3700米；臺灣東面火燒島、蘭嶼島外35公裡處的菲律賓海盆，水深達5000米；海南島以南中沙和南沙群島之間的深海平原，南北長1500公裡、東西寬150～660公裡，水深在3400～4400米之間；西沙和南沙群島之間，還有一狹長的深海窪地，最深處達5567米，這幾個地方雖然離大陸較遠，但還不算太遠，是我國利用深海大落差發電可供選擇的地方。
11.據報紙報導，我國近年在商界很有名氣的南德集團總裁——牟其中先生，極其關心並支持科學家提出的一個設想把喜馬拉雅山炸開一個50公裡寬、2公裡深的豁口，將印度洋的溼暖氣流引入我國西北乾旱區沙漠區，可使乾旱區變為降雨區、沙漠變綠洲，這是一個極為誘人的設想，也是一個極其艱巨投資極大的工程，如何才能實現它呢？採用石—水位能轉換發電法有可能使這一工程變為現實，我們可以在喜馬拉雅山南麓和崑崙山北麓3-4000米落差處建造若干座大型石—水位能轉換發電站，利用開採出來的50×2×100＝10000立方公裡的石頭、泥沙來發電(假定豁口平均厚度100公裡)，如平均γ＝2.5，石頭、泥沙的總重量為25萬億噸，總發電量可達150萬億千瓦時，相當於功率1800萬千瓦三峽電站750年的連續發電量，生產的電能部分用來開挖豁口，部分供西藏、尼伯爾、不丹、巴基斯坦、印度等國使用，可見這確實是一個一舉二得的好方法。牟其中先生是否有興趣採用此法來實現這一設想呢？12.為了從根本上徹底解決我國和全人類面臨的諸多重大危機問題，可考慮在未來的適當時候，制定一個改造我國和改造世界地形地貌和生態環境的分階段總體長遠規劃，通過大規模改造我們人類居住的星球的地形地貌來達到開發清潔能源、增加耕地面積、改變局部氣候、增加水源供應、改善生態環境、發展水陸交通、增加就業人口等目的，在這一規劃中，可考慮大量地利用石頭、泥沙能源來促進這些工程項目的實施和實現。
本專利和其它專利有一點很大不同，其它專利幾乎都希望得到實施，本專利則希望儘量不要實施，尤其是被逼大規模實施，因為它的被逼大規模實施意味著人類社會步入了能源危機的悲慘年代，歷史將會倒退，這不是世人包括本篇文章作者希望看到的，提出本專利的目的之一，僅是告之人們，有一種石頭、泥沙能源，在人類未來能源短缺到走投無路時可以使用，它也許能幫助人類渡過難關，但願這種情形永遠也不要發生！但從積極方面來看，由於石頭、泥沙能源能為需要和產生大量土石方的大型和特大型工程提供自給能源，增加經濟效益，因此有可能鼓勵、促進、推動人們去構思、規劃、設計、實施這類工程，將千百年來人類改造自然、改造地球的許許多多的奇思妙想付諸實施，從而早日把地球改造成為一個更加適合人類居住的星球、一個人類可以在其上無憂無慮幸福生活的樂園！
權利要求
1.一種新型石—水位能轉換發電法，其特徵是a.此發電法利用石頭、泥沙、礦渣等物體從高處落至低處所釋放的位能來發電，由於石頭、泥沙、礦渣等物體的容重γ＞1，因此不僅水面之上而且水面之下(水中)所釋放的位能均可使用，在水中，由於石頭、泥沙等物體受水浮力的作用，釋放的位能數值上等於同體積同落差石頭、泥沙等物體在水面之上所釋放的位能減去同體積同落差的水在水面之上所釋放的位能；b.此發電法不直接利用石頭、泥沙、礦渣等物體的位能來發電，而是採用某種石—水位能轉換方法，先將石頭、泥沙、礦渣等物體的重力位能轉換為水的位能(或水壓)，然後再利用水的位能(或水壓)來發電，可供使用的石—水位能轉換發電法有以下7種①升降機式石—水位能轉換發電法；②戽鏈式石—水位能轉換發電法；③氣球提升式石—水位能轉換發電法；④飛艇運輸式石—水位能轉換發電法；⑤浮沉式石—水位能轉換發電法；⑥沉箱式石—水位能轉換發電法；⑦深潛潛水發電船石—水位能轉換發電法；c.方法①～④使用的石—水位能轉換裝置是一些目前已在工農業生產和人們日常生活中廣泛使用的裝置，本法引用這些裝置來實現石—水位能的轉換，本法使用這些裝置與常規使用方法不同，本法利用石頭、泥沙等物體的重力位能來驅動這些裝置工作，不使用或僅使用少量其它能源；d.浮沉式石—水位能轉換發電法使用一種可上下浮沉的浮盆提水器A1、A2、A3來實現石—水位能的轉換，A1、A2由浮箱1、支柱2、盛水箱3、盛石箱4四部分組成，A1的4在3之上；A2的4在1之旁，1的浮力在4空載、3滿載時可使A1、A2上升至最高位置；在4滿載、3閘門打開的情況下可使A1、A2下沉至3沒入水中的最低位置，因此通過向4注入石頭、泥沙令A1、A2下沉、排出石頭、泥沙令A1、A2上浮的辦法，可將盛水箱3中之水向上提升，實現石—水位能的轉換；A3由浮箱1、支柱2、盛水箱3三部分組成，它的盛石箱4與A3分離，吊在環繞滑輪組上的繩索6的一端上，6的另一端吊平衡重物5，令4閘門打開的空載情形下，5的重力可使4上升至最高位置，6的長度H2(≈水深)＝NH1(H1為支柱高度，即水位提升高度；N為4下沉至水底一次A3的提升次數)，在繩索6上每隔H1長度安裝一個園環XN，在A3浮箱1的側邊安裝一個可開合的接頭7，7與XN可扣上也可脫開，當4盛滿石頭、泥沙時，如7與XN扣上，4的重力可使A3下沉至3沒入水中的最低位置；7與XN脫開後，A3靠1的浮力可將盛滿水的3推至最高位置，令A3每上下一次7順序與XN扣上和脫開一次，故4從最高位置降至水底時，A3使可上下N次，將N箱水提升至上水池中，4到達最低位置後，打開閘門將石頭、泥沙傾至水底，4在5的作用下便可自動返回最高位置，如此不斷循環使可到達利用石頭、泥沙落至水底全部落差所釋放的位置來提升水位的目的；e.沉箱式石—水位能轉換發電法使用一種本身帶有浮力可上下浮沉的沉箱B來實現石—水位能的轉換發電，B由浮艙1、盛水艙2、盛石艙3、發電(或發電、制氫、氧)車間4、支腳5五部分組成，1艙永久封閉，2、3艙下端有閘門，2艙閘門關閉後水密封，3艙不必水密封，為使1、2艙能承受住深水高壓，內部可採用類似於蜂窩的柵格狀結構，為了便於控制浮沉和防止意外，1、2、3艙可分隔成許多個分艙，每一分艙各有自己獨立的閘門，令1的浮力在3艙空載、2艙內部盛滿水情形下，能使B向上浮動，將2艙全部閘門打開內部水不斷向外排出的情況下，B可上浮直至2艙全部露出水面；在2艙閘門全部關閉內部空載、3艙盛滿石頭、泥沙的情形下，能使B下沉直至水底，B在水底時，利用高壓水驅動4中的水輪發電機組水輪機使機組發電、生產高壓或液化氫、氧，有條件時也可用電纜將電能輸往陸地，尾水注入2中，2灌滿水後(為使2能夠灌滿水，需用一條軟管通至水面或用其它方法排出空氣)中止發電，將3艙石頭、泥沙傾至水底，使B上浮，因此利用向3注入石頭、泥沙使B下沉、排出石頭、泥沙使B上浮的辦法，便可實現石—水位能的轉換發電，B可遙控工作也可配備少量工作人員，用拖輪拖至工作區錨泊，用運石船來供應石頭和泥沙；f.深潛潛水發電船石—水位能轉換發電法使用一種本身具有動力可在水面航行和在水中潛航的深潛潛水發電船C1、C2來實現石—水位能的轉換發電，C1停靠碼頭裝載石頭、泥沙；C2自帶挖泥鏟鬥可在水深幾十米～1、2百米的淺海區自挖泥沙(也可採用氣吸或其它方式來裝載泥沙)，C1、C2比沉箱B多一個壓載艙6用來調節潛水深度，C2多一個支架7用來架高盛水艙和發電車間以增加挖泥深度，C1、C2和B的區別是它們自行航行或潛航至碼頭和淺海裝載石頭、泥沙和自行潛航至工作區海底進行發電，潛航時可使用貯存下來的先前自身發電電能，也可使用本身實時發電電能，如使用實時發電電能，潛航深度應儘量降低，以充分利用石頭、泥沙的位能。
全文摘要
石－水位能轉換發電法是一種利用石頭、泥沙、礦渣等物體的重力位能作能源的「新」能源發電法,它先將石頭、泥沙、礦渣等物體的重力位能轉換為水的位能,然後再利用水的位能來發電,這種發電方法,由於發電效率很低,只適宜在能源極端缺乏,迫切需要電能的情況下使用,但利用此法,在一些需要和產生大量土石方的建築、交通、水利和改造地球地形地貌的大型工程中來發電,則可為這類工程生產出部分或全部所需電能,提高工程的經濟效益。
文檔編號F03G3/00GK1199140SQ9711130
公開日1998年11月18日 申請日期1997年5月11日 優先權日1997年5月11日
發明者林宇威 申請人:林宇威