压缩空气驱动水力发电装置及其工作方法技术领域
本发明属于发电装置技术领域，具体地，涉及一种利用压缩空气作为驱动的水力
发电装置，以及该发电装置的工作方法。
背景技术
当今社会主要依赖于传统的化石能源，全球总能耗的74％来自煤炭、石油、天然气
等矿物能源。化石能源的应用推动了社会的发展，但资源却在日益耗尽。同时化石能源的无
节制使用，造成了严重的环境污染和气候变化问题。近年来，面对能源危机、金融危机以及
人类对气候危机越来越清晰地认识，全球范围内新能源出现超常规发展态势。各国对新能
源的投资大幅度增长，新能源产能也急剧扩大。尽管新能源发展受到金融危机的冲击，但前
景依然看好。可再生能源发电是新能源发展的核心，水电是在技术和成本上最具竞争力的
新能源形式。尽管短期内新能源还无法替代传统化石能源，但世界范围内资源的供需紧张
以及全球为应对气候变化而对温室气体排放所做的限制为新能源发展铺就了宽广的道路。
新能源技术的发展和市场的扩大超乎想象，许多可再生能源资源将逐渐变成商业项目。可
以预见，不同能源形式的逐渐替代将改变世界经济和政治版图以及人类的生存和生活方
式。世界各国纷纷把发展可再生能源与新能源作为未来能源战略的重要组成部分，截止到
目前，全球有三十多个发达国家和十几个发展中国家制定了本国的可再生能源发展目标。
国家发改委指出，在煤炭、石油、天然气等化石能源大量消耗的今天，加强新能源，
特别是可再生能源的技术创新，有效开发和利用生物质能、风能、太阳能、地热能和海洋能
等新型能源是我国战略持续发展的重要选择。今后将重点开展三方面的工作：第一要进一
步加强新能源技术发展和产业示范。第二要加强新能源体系化建设。第三要开展国际合作，
充分利用国际资源。
目前，风电、水电、太阳能发电、生物质能发电这种再生能源，可以保证人类永远使
用，但是无法控制一年365天每天达到全天候使用，不可以控制规模、不可以控制使用时间、
很难大规模储备能量。燃煤发电、燃油发电、燃气发电、核燃料发电，是一种在短期内可控制
生产规模，保证人类用电需求的发电方法，但也是人类不可控制的发电方法，随着储备减少
而会尽快消失，只能是短期内为人类服务。
国内目前每年的用电量约50000亿千瓦﹒时，随着经济发展，每年还会以6-7％增速
增加，到2025年将达到70000亿千瓦﹒时。目前我国能源结构以煤为主，煤电占比约70％，不
但消耗了大量资源(煤是燃料，但同时也是工业原料)，同时造成了严重污染，粉尘(雾霾)、
酸雨(SO2)、温室气体(CO2)主要都是由燃煤造成的。然而，生产、生活都离不开电，在没有可
靠的、实用的、可无限建造的、成本低廉的发电方式之前，我们还没有一种能完全取代煤电
的发电方式。即使现有的清洁能源，因发电不稳定，都必须配套火电调剂。如三峡电站附近
就建有配套火电站调剂，新疆哈密建设了大量的光电场、风电场，但必须配套相应的火电调
剂。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压缩空气驱动水力发电装置及其工作
方法，利用压缩空气驱动水力发电，无需任何燃料，对环境零排放，发电性能稳定。
为了实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：
压缩空气驱动水力发电装置，包括气压水罐、水轮发电机和空气压缩机，所述水轮
发电机分别与所述气压水罐的进水口和出水口连接，所述空气压缩机与所述气压水罐的进
气口连接。
进一步地，所述水轮发电机的出水口连接有水箱。
进一步地，所述水轮发电机的进水口通过高压水管与气压水罐的出水口连接，所
述水箱的出水口通过进水管与气压水罐的进水口连接，所述空气压缩机的出气口通过高压
气管与气压水罐的进气口连接。
进一步地，所述气压水罐的进水口和进气口设置在其上部，所述气压水罐的出水
口设置在其下部。
进一步地，所述气压水罐的进水口、出水口和进气口分别设置有电动阀，所述气压
水罐内部设置有液位控制器，所述电动阀和液位控制器分别与一控制系统连接。
进一步地，所述气压水罐和水轮发电机设置有至少一组，各组中的气压水罐通过
连通气管互相连接，且所述连通气管设置有电动阀。
进一步地，所述气压水罐包括一级气压水罐和二级气压水罐；所述水轮发电机包
括一级水轮发电机和二级水轮发电机；所述一级气压水罐的出水口通过一级高压水管与一
级水轮发电机的进水口连接，所述水箱的出水口通过一级进水管与一级气压水罐的进水口
连接；所述二级气压水罐的出水口通过二级高压水管与二级水轮发电机的进水口连接，所
述水箱的出水口通过二级进水管与二级气压水罐的进水口连接。
水力发电的工作原理，是利用河流的自然落差，高处的水存在势能，在重力作用下
形成一定的流量和水头，水的势能转换为水的动能，再通过水轮机将水的动能转换为水轮
机的动能，带动发电机发电。发电量公式为：
P＝9.8QHKn；
其中，P-功率(kW)；9.8-重力加速度常数(m/s2)；Q-流量(m3/s)；H-水头(m)；K-水轮
发电机组的总效率＝水轮机能量转换为电能效力×水能转换水轮机能量效力，其值为
0.70-0.90，水轮机能量转换为电能效力通常按0.97计算；n-效率×水流动压力损失、泄漏
损失、机械传动损失等因素，故预计降效到85％。
综上可知，将水泵送到一定高度，再引入水力发电机组即可发电。但是，采用普通
水泵来抽水，由于机械效率的问题，水泵所消耗的电能相比于水力发电机组所发出的电能
更多，因此得不偿失。
例1：
一台水泵，其流量-80m3/h(80/3600＝0.0222m3/s)，扬程90m，电机功率37kW；
P＝9.8QHKn＝9.8×80/3600×90×0.97＝19.012kW；
则37-19.012＝17.988kW；在没有乘以85％效率的情况下，就已亏损17.988kW，这
显然不可行。
然而，采用本发明泵水发电则可发生颠覆性变化，先将水注入一个气压水罐内，通
入压缩空气，出水发电即可。0.1MPa的压强可将水压到9.8m的高度，此时，这部分水的势能
等于mgh，其中，m-泵到高度的水的质量，g-重力加速度，h-将水泵到的高度，但是我们完全
没有必要真正将水泵到一定高度再放下来，这样会多增加大量的管道及上水池，既增加了
成本，还增加了建设难度，延长管道长度的同时也增加了压力损失，本发明直接将带有
0.1MPa压力的水输入水轮发电机，这样，与从9.8m高度放下来的水效果完全一样。
例2：
采用二台最常见的小型空气压缩机，流量和扬程与前面的水泵相同，ZLCD-0.6/8，
电机功率4kW；压力0.8MPa,排量0.6m3/min(2×0.6/60＝0.02m3/s),
P＝9.8QHKn＝9.8×0.02×80×80％＝12.544kW,
则12.544-4×2＝4.544kW,由此可见，除去二台空气压缩机自身消耗的电能，在无
需消耗其他能源，无需利用自然条件的情况下，凭空得到了4.544kW的余量。若提高空气压
缩机的压力，则效果更明显。
例3：
选用一台ZLCD-0.6/14，电机功率5.5kW，压力1.4MPa，排量0.6m3/min，此型号的空
气压缩机作比较：
P＝9.8QHKn＝9.8×0.02×140×80％＝21.952kW，
则21.952-5.5＝16.452kW，凭空得到了16.452kW的余量。其原因在于：空气的密度
为1.29kg/m3，水的密度为1000kg/m3，空气压缩机压缩空气所消耗的电能很小，而一定压力
的压缩空气则可以将水压至相当压力的高度。根据动能公式：W＝1/2mv2可以看出，在流速v
不变的情况下，质量m由空气变成了水，故动能增加了1000/1.29×空气体积压缩倍数＝
775/空气体积压缩倍数。
上述压缩空气驱动水力发电装置的工作方法，包括如下步骤：
a、一级气压水罐的进水口电动阀开启，注满水后关闭；
b、一级气压水罐的进气口电动阀和出水口电动阀同时开启，空气压缩机开始工
作，产生的高压空气从一级气压水罐上部进气口压入，水在压力的作用下从出水口流出，通
过一级高压水管进入一级水轮发电机，开始发电；
c、当一级气压水罐内的水被全部压出后，关闭一级气压水罐的进气口电动阀和出
水口电动阀，然后开启连通气管处的电动阀；
d、此时二级气压水罐已预先注满水，二级气压水罐的工作过程同一级气压水罐，
二级水轮发电机的工作过程同一级水轮发电机。
根据理想气体状态方程：
PV＝nRT；
其中，P-理想气体的压强，V-理想气体的体积，n-理想气体物质的量，T-理想气体
的热力学温度，R-理想气体常数。
由一级气压水罐与二级气压水罐的关系可得到P1V1/T1＝P2V2/T2；此时，T变化很
小，可视为常量，而V1＝V2，即P1＝P2。
例4：
P2＝P1V1/(V1+V2)＝1.4×/2＝0.7MPa；
套入水轮发电机发电量公式：
P＝9.8QHKn＝9.8×0.02×0.7×80％＝10.976kW，
通过二级利用后，又多得到了10.976kW的余量，那么发电总功率＝16.452+10.976
＝27.428kW。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：今天，一种全新发电方式诞生了，它就是
压缩空气驱动水力发电装置。本发明是一项人类崭新的能源与环保项目，是世界人类共同
应用、共同受益的国际型项目。这个项目将彻底解决世界人类的能源问题、彻底解决世界人
类因使用能源造成的环境污染问题、彻底解决世界各国的国家能源安全问题、彻底解决世
界上因缺少能源的国家造成的国家贫困问题。将逐步取代火力发电，减少温室气体排放，重
现蓝天白云。因此，这是一项世界新千年最大工程。
附表：
几种主要发电方式对比
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附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的多级发电结构示意图；
附图中标记对应的部件名称如下：
1-气压水罐，11-一级气压水罐，12-二级气压水罐；
2-水轮发电机，21-一级水轮发电机，22-二级水轮发电机；
3-空气压缩机；
4-水箱；
5-高压水管，51-一级高压水管，52-二级高压水管；
6-进水管，61-一级进水管，62-二级进水管；
7-高压气管；
8-连通气管；
9-基座及支架。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细介绍，如图1、2所示，本发明可按照如
下方式实施，压缩空气驱动水力发电装置，包括气压水罐1、水轮发电机2和空气压缩机3，所
述水轮发电机2分别与所述气压水罐1的进水口和出水口连接，所述空气压缩机3与所述气
压水罐1的进气口连接。
具体地，本发明的各设备通过基座及支架9来起到支承和保护的作用。所述水轮发
电机2的出水口连接有水箱4。所述水轮发电机2的进水口通过高压水管5与气压水罐1的出
水口连接，所述水箱4的出水口通过进水管6与气压水罐1的进水口连接，所述空气压缩机3
的出气口通过高压气管7与气压水罐1的进气口连接。所述气压水罐1为一封闭罐体，其进水
口和进气口设置在其上部，出水口设置在其下部。
所述气压水罐1的进水口、出水口和进气口分别设置有电动阀，所述气压水罐1内
部设置有液位控制器，所述电动阀和液位控制器分别与一控制系统连接。
所述气压水罐1和水轮发电机2设置有至少一组，各组中的气压水罐1通过连通气
管8互相连接，，且所述连通气管8设置有电动阀。所述气压水罐1包括一级气压水罐11和二
级气压水罐12；所述水轮发电机2包括一级水轮发电机21和二级水轮发电机22；所述一级气
压水罐11的出水口通过一级高压水管51与一级水轮发电机21的进水口连接，所述水箱4的
出水口通过一级进水管61与一级气压水罐11的进水口连接；所述二级气压水罐12的出水口
通过二级高压水管52与二级水轮发电机22的进水口连接，所述水箱4的出水口通过二级进
水管62与二级气压水罐12的进水口连接。
上述压缩空气驱动水力发电装置的工作过程为：
a、一级气压水罐11的进水口电动阀开启，注满水后关闭，此步骤为注水和排气过
程；
b、一级气压水罐11的进气口电动阀和出水口电动阀同时开启，空气压缩机3开始
工作，产生的高压空气从一级气压水罐11上部进气口压入，水在压力的作用下从出水口流
出，通过一级高压水管51进入一级水轮发电机21，开始发电；
当一级气压水罐11内的水被全部压出后，本该再次进行注水和排气过程，进入下
一次循环，但此时，一级气压水罐11内的压缩空气本身就具备一定的能量，不能白白浪费，
将其连通另一注满水的同体积的气压水罐，能量可进行二次使用。
c、当一级气压水罐11内的水被全部压出后，关闭一级气压水罐11的进气口电动阀
和出水口电动阀，然后开启连通气管8处的电动阀；
d、此时二级气压水罐12已预先注满水，二级气压水罐12的工作过程同一级气压水
罐11，二级水轮发电机22的工作过程同一级水轮发电机21。
另外，上述过程不能连续，当然不能进行工业应用，那么，设置两组、三组、甚至更
多组气压水罐即可以实现连续工作，连续发电。通过电动阀、液位控制器及控制系统的设
置，即可实现上述工作过程的自动控制。
本发明的发电装置是由一系列设备组合而成，包括气压水罐、空气压缩机、水轮发
电机、水箱、管道、电动阀、液位控制器和控制系统等，以上设备全部是现有技术，本领域技
术人员看到本发明后完全能够付诸实施。本发电装置的气压水罐体积大小可根据实际情况
设置，水轮发电机的功率也可根据实际情况选择，大至百万kW级，小至百kW级均可。水轮发
电机的功率越大，建造和管理成本越低；反之则越高。而小型发电装置可以制造成移动式，
便于在野外作业使用。