專利名稱：用于各種水流條件的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及利用旋帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生水電力的裝置。更具體地說，本發(fā)明是一種在有關(guān)自定向和分階段啟動(dòng)方面對(duì)水流的處理有所改進(jìn)的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
同時(shí)待審的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)柕?9/628,786號(hào)揭示了一種旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，并應(yīng)用在峰值負(fù)載抑制系統(tǒng)中。不過，旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的模塊化性質(zhì)使其能應(yīng)用在其它的場(chǎng)合，如用于自由流動(dòng)流和變化水流的環(huán)境中。
因此，如果一種系統(tǒng)能改進(jìn)旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)在自由流動(dòng)流以及變化水流環(huán)境中的運(yùn)作，則將是很有用的。

發(fā)明內(nèi)容
如下文將更加全面地討論的，本發(fā)明的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備包括有關(guān)在水流內(nèi)的系統(tǒng)定向和處理各種水流條件方面的改進(jìn)。一安裝在前部的樞軸或系繩與一安裝在后部的阻曳裝置一起工作，以在水流中定向發(fā)電機(jī)。使用蓄電池和允許下一段進(jìn)行旁通的多段使各種水流條件下的實(shí)用性得以改進(jìn)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種水力發(fā)電系統(tǒng)，與目前所需要的設(shè)備構(gòu)建資金的費(fèi)用相比，該系統(tǒng)使所述費(fèi)用明顯降低。
本發(fā)明的另一目的是提供一種水力發(fā)電系統(tǒng)，它可適用于各種水力條件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種自定向的水力發(fā)電系統(tǒng)。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備包括一條帶狀的彎曲形狀構(gòu)件，它用金屬或者其它合適的材料制成，并附接至一中心軸，且整個(gè)設(shè)備容納在一管子中，該管子在其整個(gè)長(zhǎng)度上直徑不變。管子的前部有一樞軸或系繩，管子的后部有一諸如翼片之類的阻曳裝置，以使管子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直至其定向成平行于水流。
在本方法的另一實(shí)施例中，旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備的電輸出連接至蓄電池，以在水流較大時(shí)存儲(chǔ)能量，而補(bǔ)償在水流較小時(shí)的發(fā)電不足。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)發(fā)電段串聯(lián)地布置，以適于水流的變化并提供平穩(wěn)的啟動(dòng)。在各段之間設(shè)置旁通排出口和聯(lián)接裝置。水流使一第一段工作，并經(jīng)由旁通流出，直至達(dá)到充分旋轉(zhuǎn)。然后接合聯(lián)接件并關(guān)閉旁通，以使下一段工作。以這種方式，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)就可分階段地工作。


圖1示出本發(fā)明的自定向發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)。
圖2示出本發(fā)明的另一實(shí)施例。
圖3示出本發(fā)明的基本條帶零件。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一帶有排出口的分階段發(fā)電機(jī)。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參見圖3，示出了該設(shè)備的內(nèi)部設(shè)計(jì)。中心軸34上附接有一條帶32。可見的是，該表示圖看起來很像附接在一中心芯部上的螺釘螺紋。條帶在一圍管30中旋轉(zhuǎn)。當(dāng)整個(gè)木塞螺旋起子狀的設(shè)計(jì)在圍管30內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，水沿著箭頭的方向流動(dòng)穿過發(fā)電系統(tǒng)。
水初始時(shí)在位置A處進(jìn)入圍管30，并遇到圈數(shù)稀疏的盤條，該圈數(shù)稀疏的盤條相對(duì)流入的水的軸向水流呈大致30度逐漸彎曲。條帶發(fā)生改變，并在水的出口位置發(fā)展到一緊密的彎曲角度(圈數(shù)稠密的盤條)，且在該位置B處的所述角度幾乎垂直于流過該設(shè)備的水流，從而進(jìn)一步減小流過該設(shè)備的水流速度(這個(gè)角度并不是意味著對(duì)該設(shè)備的一種限值，因?yàn)槠渌慕嵌纫部赡鼙蛔C實(shí)是有利的)。
水速度的減小是能量從水傳遞到設(shè)備所產(chǎn)生的后果，并由此轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的中心軸34和條帶32。旋帶狀設(shè)備的旋轉(zhuǎn)在圈數(shù)稀疏的盤條處開始，隨著水撞擊初始的圈數(shù)稀疏的盤條使設(shè)備緩慢地旋轉(zhuǎn)，逐漸前進(jìn)至圈數(shù)更稠密的盤條并產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)速，所傳遞的能量不斷增加，最終水接觸到最后的圈數(shù)稠密、緊密彎曲的盤條，在該處產(chǎn)生最大的能量的傳遞。
設(shè)備的中心軸34在一圍管30中工作，以防止能量側(cè)向損失，而典型的敞開式水力渦輪型設(shè)計(jì)就會(huì)發(fā)生這樣的側(cè)向損失的情況。設(shè)備的中心軸34可以附接至各種發(fā)電裝置中的任意一種，并向其提供動(dòng)力。以這種方式，可通過使用齒輪、皮帶輪或各種技術(shù)組合中的任意一種，將動(dòng)力從發(fā)電設(shè)備的中心軸34傳送至電力發(fā)生裝置?；蛘?，該系統(tǒng)也可以構(gòu)造成將軸旁通并直接誘導(dǎo)發(fā)電，盡管這仍被認(rèn)為是一種用于這里所揭示內(nèi)容的目的的“發(fā)電裝置”。
彎曲狀的條帶可以是杯狀的37，并可用金屬、塑料、復(fù)合物或其它堅(jiān)固的材料制成。條帶的環(huán)圈密度(frequency)可以是固定的(靜止的)或者可變的(動(dòng)態(tài)或可調(diào)節(jié)的)?？赏ㄟ^將條帶分成小段成鉸接、互鎖或重疊葉片的相鄰段來實(shí)現(xiàn)可變，諸葉片可由于沿著條帶帶子長(zhǎng)度的連桿機(jī)構(gòu)或滑動(dòng)鍵槽(或本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其它手段)而是可動(dòng)的；或者，也可通過線性伸長(zhǎng)或收縮來實(shí)現(xiàn)可變。條帶最內(nèi)側(cè)的中心邊緣附接在中心軸上，中心軸可包括縱向滑動(dòng)的管狀節(jié)段，或者包括在其內(nèi)可調(diào)節(jié)條帶最內(nèi)側(cè)邊緣的附接部分以滑動(dòng)的狹槽，或者通過其它的方法。條帶材料可具有受限但一定的柔性/可延長(zhǎng)性，以能在水流源發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。管子30也可以具有直徑變化的較小部分38、39。
參見圖1，它示出了用于本發(fā)明的自定向條帶的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)100的基本實(shí)施例。諸如樞軸之類的一裝置18附接在管子10的前部，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的翼片16或其它的阻曳裝置附接在管子10的后部。當(dāng)裝置18是一樞軸且旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)100放置在一水流中時(shí)，作用在翼片16上的阻力將致使管子10繞樞軸18旋轉(zhuǎn)，直至它對(duì)齊成平行于水流。這是一種被動(dòng)控制的方法。
在某些情況下，可能希望使用一種主動(dòng)控制的方法，諸如使用一機(jī)械或機(jī)電反饋系統(tǒng)來將旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)100定向成與水流平行。可選擇的結(jié)構(gòu)包括、但不局限于由傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)(未圖示，如水流傳感器或其它的水流方向傳感裝置)操縱的可動(dòng)的控制表面(翼片16)或可動(dòng)的支承裝置(裝置18)。
圖2示出了旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)100的另一實(shí)施例，其中發(fā)電機(jī)100可用來對(duì)漂浮在一航道120中的浮標(biāo)110上的一燈或鈴170進(jìn)行供電，且所述航道有一水流180。一組合的系繩和電力傳輸線130附接在發(fā)電機(jī)100的前部，翼片或其它傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的阻曳裝置附接在后部。一錨索190將浮標(biāo)保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫⑶遗c系繩130一起工作，用來將發(fā)電機(jī)100與水流180對(duì)齊以產(chǎn)生電力。從100產(chǎn)生出的電力經(jīng)由線路130傳遞到一電力管理單元(PMU)140，以對(duì)鈴或燈170進(jìn)行供電。多余的電能被送至蓄電池150。在PMU140上還可附接一個(gè)光學(xué)的太陽能電源160。
圖4示出了本發(fā)明分階段的實(shí)施例，該實(shí)施例具有一初始的圈數(shù)稀疏的盤條節(jié)段3、一圈數(shù)中等疏密的盤條節(jié)段2以及一最后的圈數(shù)稠密的盤條節(jié)段1。如圖所示，示出節(jié)段3和節(jié)段2已經(jīng)起動(dòng)，并經(jīng)由排出口42A和聯(lián)接件44A的附接而聯(lián)接。通過不聯(lián)接聯(lián)接裝置44B且敞開排出口42B以使流體能在46處流出，使節(jié)段1是旁通的。如在42C處所示，也可以使用諸如樞轉(zhuǎn)排出口之類的其它裝置。
聯(lián)接件44A-B可以是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如粘性耦合器、機(jī)械或電氣致動(dòng)的離合器、可動(dòng)花鍵等等。
該設(shè)備可基于其所用于的特定空間或者區(qū)域的性質(zhì)限制而采用各種尺寸。也可以基于特定安裝場(chǎng)合的特殊要求，以各種組隊(duì)的布置成對(duì)、三個(gè)、四個(gè)等等、以及并聯(lián)或串聯(lián)地采用該設(shè)備。這樣的靈活性將允許在以前認(rèn)為由于水深不夠、水量不夠和/或水流速度不夠等原因而不適于進(jìn)行水力發(fā)電的區(qū)域中進(jìn)行水力發(fā)電的工作。
與目前可用的技術(shù)現(xiàn)在所要求的相比，本發(fā)明的可量測(cè)性和模塊化的特性使其能實(shí)現(xiàn)使設(shè)備構(gòu)建資金的費(fèi)用明顯降低的目標(biāo)。
本發(fā)明的可量測(cè)性和模塊化特性還使其能實(shí)現(xiàn)所需水量明顯減小的目標(biāo)，從而無需大范圍溢流和荒廢大塊土地而來容納目前可用技術(shù)所要求的大量的水。
本發(fā)明的可量測(cè)性和模塊化使其能實(shí)現(xiàn)在以前被認(rèn)為是水深、水量和/或水流速度不足以支持水力發(fā)電工作的區(qū)域中可進(jìn)行工作的目的。
逐漸增加在旋帶上的盤條的環(huán)圈密度可使線性能量沿著條帶整個(gè)長(zhǎng)度高效地轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能量。
權(quán)利要求
1.一種旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，它包括具有在一第一端處的一入口和在一第二端處的一出口的一管子；由從管子的第一端至第二端以螺旋方式延伸的盤條形成的至少一條可旋轉(zhuǎn)的條帶，其中管子每單位長(zhǎng)度的盤條環(huán)圈密度從管子的第一端向第二端增加；在所述管子中的一中心軸向軸，所述條帶在一內(nèi)邊緣處固定在所述軸上，并徑向向外延伸以形成與管子的內(nèi)壁相鄰的一外邊緣；與所述軸和條帶相關(guān)聯(lián)的發(fā)電裝置，用來將它們的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電力；以及用來相對(duì)流體流自定向管子的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述用來相對(duì)流體流自定向管子的裝置包括在所述管子上的一前部零件和在管子后部上的阻曳裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述前部零件選自包括一系繩和一樞軸的裝置組。
4.如權(quán)利要求2所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述阻曳裝置是翼片。
5.如權(quán)利要求1所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述用來相對(duì)流體流自定向管子的裝置包括一主動(dòng)控制的支承裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述用來相對(duì)流體流自定向管子的裝置包括主動(dòng)控制的可動(dòng)控制表面。
7.如權(quán)利要求1所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，所述條帶是杯狀的，以沿著面向入口的方向有一凹入的曲率。
8.如權(quán)利要求1所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，條帶由選自包括金屬、復(fù)合材料、塑性聚合物以及陶瓷的材料組中的剛性材料制成。
9.如權(quán)利要求1所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，管子或一部分的直徑是變化的。
10.如權(quán)利要求1所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備，其特征在于，還包括連接至所述發(fā)電裝置的一蓄電池。
11.一種旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，它包括多個(gè)串聯(lián)地分階段的節(jié)段，各節(jié)段包括具有在一第一端處的一入口和在一第二端處的一出口的一管子；由從管子的第一端至第二端以螺旋方式延伸的盤條形成的至少一條可旋轉(zhuǎn)的條帶，其中管子每單位長(zhǎng)度的盤條環(huán)圈密度從管子的第一端向第二端增加；在所述管子中的一中心軸向軸，所述條帶在一內(nèi)邊緣處固定在所述軸上，并徑向向外延伸以形成與管子的內(nèi)壁相鄰的一外邊緣；與所述軸和條帶相關(guān)聯(lián)的發(fā)電裝置，用來將它們的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電力；其中，在各串聯(lián)地分階段的節(jié)段之間設(shè)有一軸聯(lián)接件和一流體排出口。
12.如權(quán)利要求11所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述條帶是杯狀的，以沿著面向入口的方向有一凹入的曲率。
13.如權(quán)利要求11所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，條帶由選自包括金屬、復(fù)合材料、塑性聚合物以及陶瓷的材料組中的剛性材料制成。
14.一種旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電方法，它包括提供具有在一第一端處的一入口和在一第二端處的一出口的一管子；旋轉(zhuǎn)至少一條安裝于軸上的條帶，所述條帶由從管子的第一端至第二端以螺旋方式延伸的盤條形成，其中管子每單位長(zhǎng)度的盤條環(huán)圈密度從管子的第一端向第二端增加；相對(duì)水流自定向所述管子，以使水直接流入第一端；用條帶來減小水的動(dòng)量的軸向分量，以使條帶和軸旋轉(zhuǎn)；以及從所述旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生出電力。
15.如權(quán)利要求14所述的旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電方法，其特征在于，自定向所述管子選自包括以下方式的一組方式利用阻力被動(dòng)地定向管子，利用可動(dòng)控制表面主動(dòng)地定向管子，以及利用可動(dòng)支承裝置主動(dòng)地定向所述管子。
16.一種操作如權(quán)利要求11所述的設(shè)備的方法，它包括在第一節(jié)段與第二節(jié)段之間的軸聯(lián)接件未聯(lián)接且第一節(jié)段與第二節(jié)段之間的流體排出口打開時(shí)，開始旋轉(zhuǎn)第一節(jié)段。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括在第一節(jié)段的軸到達(dá)一預(yù)定轉(zhuǎn)速時(shí)，附接第一節(jié)段與第二節(jié)段之間的軸聯(lián)接件并關(guān)閉第一節(jié)段與第二節(jié)段之間的流體排出口。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括在前一節(jié)段的軸到達(dá)所要的轉(zhuǎn)速時(shí)，附接各相繼的節(jié)段之間的軸聯(lián)接件并關(guān)閉各相繼節(jié)段之間的流體排出口。
全文摘要
旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備包括一條帶狀的彎曲形狀構(gòu)件，它用金屬或者其它合適的材料制成，并附接至一中心軸，且整個(gè)設(shè)備容納在一管子(10)中，該管子在其整個(gè)長(zhǎng)度上直徑不變。管子的前部有一樞軸或系繩(18)，管子的后部有一諸如翼片(16)之類的阻曳裝置，以使管子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直至其定向成平行于水流。在本方法的另一實(shí)施例中，旋帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電設(shè)備的電輸出連接至蓄電池，以在大水流時(shí)存儲(chǔ)能量，而補(bǔ)償在較小水流時(shí)的發(fā)電不足。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)發(fā)電段串聯(lián)地布置，以適于水流的變化并提供平穩(wěn)的啟動(dòng)。在各段之間設(shè)置旁通排出口和聯(lián)接裝置。水流使一第一段工作，并經(jīng)由旁通流出，直至達(dá)到充分旋轉(zhuǎn)。然后接合聯(lián)接件并關(guān)閉旁通，以使下一段工作。以這種方式，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)就可分階段地工作。
文檔編號(hào)F01D1/38GK1643260SQ03807038
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月25日
發(fā)明者喬納森·B·羅塞弗斯基 申請(qǐng)人:喬納森·B·羅塞弗斯基