小型水力发电系统的制作方法

专利名称：小型水力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及发电，并且更特别地涉及具有小型水力发电系统的水力发电。
背景技术：
其中从流动增压水中提取动能并用来转动发电机以便产生电能的水力发电是公知的。另外，使用例如气体、蒸汽等压力流体转动发电机是公知的。对于采用例如河流或堤坝的大规模水源操作的大型水力发电来说，使用百万加仑的流动水可以产生成千上万兆瓦的电能。因此，将流动水中的动能转换为电能可能包括显著的低效率，并不能提供经济和可以接受程度的性能。
随着水电发电设备的尺寸变得更小，所产生的电量也变得更小。另外，从中提取动能的流动水量变得更少。因此，将流动水中的动能转换为电能的效率变得很重要。当存在许多低效率时，只有少量的动能从增压流动水中提取出来。因此，所产生电量随着水力发电设备变得更小而减小。
具有许多小型系统，该系统包括流动增压流体并需要电能来操作。某些实例包括民用水处理系统、自动洁具、流速监测器、水测试设备等。
具有多种不同的水处理系统，该系统包括碳基过滤器单元和紫外线(UV)单元以便在使用之前对水进行过滤和净化。碳基过滤器单元使用惰性材料来过滤颗粒和有机污染物。从紫外线单元发射的紫外线辐射用来中和水中存在的有害微生物。
为了启动紫外线单元和水处理系统中的任何其它电能消耗系统，需要电源。传统水处理系统使用来自标准电插座的电能或电池电源以便驱动包括紫外线单元的水处理系统中的所有部件所需的电能。在通过电插座供电的水处理系统的情况下，该系统限制了便携性能并在电插座电源损坏时不能操作。
由电池电源操作的水处理系统只包括在水处理系统的操作或存储过程中可以用完的有限电能供应装置。另外，必须能够更换电池以便使得水处理系统可以操作。如果需要长效电池电源，需要更大的电池，由此显著地增加了水处理系统的重量和尺寸。
某些现有水处理系统能够使用标准电插座或电池电源，电池电源可以通过电插座电源补充。尽管这些水处理系统不需要更换电池，虽然以电池电源操作，电池的容量和尺寸决定水处理系统的操作长度。必须同样采用电插座电源经常补充电池电源。另外，这些水处理系统需要另外的电路和部件，以便由两种不同电电源操作。
例如盥洗室阀和水池龙头的自动洁具可以包括电操作的阀和传感器。传感器可以检测自动洁具的使用者是否存在并操作电操作阀以响应提供水流。电操作阀和传感器两者需要电能来操作。电能可以通过安装从配电板到自动洁具的电缆来获得。在自动洁具安装在现有建筑物内的情况下，配电板和/或电缆的安装成本高、费时并且是困难的。
出于以上原因，需要一种小型水力发电设备，该设备足够小以便安装在例如水处理系统、自动洁具等系统内，并能够以高效率操作来产生足以操作系统的电能。

发明内容
本发明披露一种克服与现有技术相关的问题的小型水力发电系统。小型水力发电系统的实施例能够有效地提供充分的电能以便通过在例如5000RPM以上的每分钟高转速(RPM)下转动来操作电气装置。由于在流动液体中使得损失最小并使得动能最大地转化成转动动能，以产生电能，可以进行高RPM操作。
水力发电系统可以包括大致圆柱形的壳体，可以具有定位成从壳体的外表面向外延伸的多个浆叶。浆叶可以是大致凹入形状并从壳体的外表面垂直延伸。水力发电系统可还可包括喷嘴、对中杆和发电机。喷嘴可以构造成引导浆叶处的高速液体流，以便产生壳体的转动。对中杆可以延伸通过包括在壳体内的空腔。壳体可以围绕对中杆转动以响应液体冲击浆叶。
发电机可以是定位在壳体空腔内的永磁体发电机。发电机包括与壳体连接的转子和与对中杆路连接的定子。当壳体转动时，转子可以定位在壳体内以便围绕定子转动并且产生电能。转子可以产生围绕定子轴向对准地悬浮转子的磁场。壳体包括围绕对中杆的套筒。由于转子围绕定子悬浮，壳体围绕对中杆悬浮。套筒因此围绕对中杆，其中在壳体和对中杆之间具有少量或没有接触，以便在壳体转动时减小转动摩擦，并进一步改善效率。
壳体可以由与第二轮毂连接的第一轮毂形成，以便形成空腔。在第一和第二轮毂接合时浆叶保持在第一和第二轮毂之间。浆叶可以形成同心围绕壳体的浆叶环。壳体还包括多个排放口，排放口构造成在壳体转动时从空腔内排放液体以便减小流体阻力。由于浆叶经受来自喷嘴的液体流，并且壳体以高RPM转动，空腔因此保持大致干燥。
壳体可以完全定位在外壳体内。外壳体可以包括内表面和出口。内表面可以包括减小液体喷射并因此减小在浆叶处引导液体流时的流体阻力的导管。导管可以包括指形件和通道以便减小液体喷射，并还将液体引导离开外壳体。根据从转动壳体溅射的液体分布图案，指形件和通孔可以在内表面上构造成漩涡图案。液体可以通过导管连续引导离开外壳体，使得外壳体保持大致干燥。内壳体和喷嘴可以因此在不浸入液体的情况下操作，以便进一步减小流体阻力并改善有效的能量传递。
水力发电系统还可包括例如自动盥洗室冲洗附件的洁具。洁具包括电操作阀、储能装置、功率控制器、传感器和发电机。发电机可以通过液体流动产生电能并用来驱动功率控制器、传感器和电操作阀。当传感器检测到使用盥洗室时，电操作阀可以启动以便开启并提供液体流。液体流可以被发电机用来产生电能以便为储能装置充电。功率控制器可以监测储能装置内存储能量的大小。如果存储的能量大小变得很低时，功率控制器可以启动电操作阀以开启，并且发电机可以对储能装置充电。
结合附图，本发明的这些和其它特征和优点将从当前优选的实施例的以下详细描述中变得清楚。以上描述只通过介绍来提出。其中不能作为以下限定本发明范围的权利要求的限制。


图1示出同水力发电系统的实施例案相连接的水处理系统；图2示出图1所示喷嘴的实施例的截面图；图3示出图1所示的水处理系统和水力发电系统转动90°的截面图，其中水力发电系统被剖视一个部分；图4示出水力发电系统的另一实施例的截面图；
图5示出沿着截取5-5线截取的图4所示喷嘴的截面图；图6示出图4所示的水力发电系统转动90°的截面图，其中水力发电系统被剖视一部分；图7表示同水处理系统相连接的水力发电系统的另一实施例的截面图；图8表示图7所示的水力发电系统的实施例的顶视图，其中定子壳体被剖视一部分；图9表示水力发电系统的另一实施例的截面图；图10表示图9的水力发电系统一部分的截面图；图11表示水力发电系统的另一实施例的侧视图；图12表示图11所示喷嘴的端视图；图13表示沿着线13-13截取的图12所示喷嘴的截面图；图14表示沿着线14-14截取的图12所述喷嘴的另一截面图；图15表示沿着线15-15截取的图11所示水力发电系统的外壳体一部分的截面图；图16表示图11所示水力发电系统的侧视图，其中拆卸了内壳体；图17表示沿着线17-17截取的图11所示水力发电系统的外壳体底部的截面图；图18表示包括在图11所示水力发电系统中的内壳体的分解透视图；图19表示包括在图1所示水力发电系统中的浆叶的透视图；图20表示沿着线20-20截取的图19所示浆叶的截面图；图21表示包括洁具的水力发电系统的透视图；图22表示图21所示洁具的截面侧视图；图23表示包括在图22的洁具内的功率控制器的一个实例的示意图；图24表示包括在图22的洁具内的功率控制器的另一实例的示意图；图25表示图21-24的洁具内的水力发电系统的操作流程图；图26表示水力发电系统的另一实施例的局部截面图；图27表示图26的水力发电系统的另一截面侧视图。
具体实施例方式
下文参照具体的结构描述本发明的示例性实施例，并且本领域的那些技术人员应该理解对这些具体结构可以进行各种改变和变型而同时不超出权利要求的范围。本优选的实施例可以与任何需要电源和包括水流动的水处理系统一起使用；然而，这些实施例是为住它的或可移动的使用的水处理系统而设计的。本领域的那些技术人员也应该理解这些实施例可以与不是水的流体一起使用并且术语“水”和“水电”的使用不应该被认作一个限定。
图1为与优选的水力发电系统12相连接的水处理系统10的侧视图。在该实施例中，水力发电系统12包括喷嘴14、壳体16、叶轮18和壳体出口20。喷嘴14通过管道22连接于水处理系统10。管道22由聚氯乙烯(PVC)塑料或类似材料制成并且通过螺纹连接、摩擦配合或其它类似的连接机构连接于喷嘴14。
在操作过程中，增压水从水处理系统10中经由喷嘴14流入水力发电系统12中，如箭头24所示。喷嘴14同壳体16连接成使水流过喷嘴14并被迫使通过壳体16流到壳体出口20。在替代的实施例中，水力发电系统12可以定位在水处理系统10的内部或定位成使其在水进入水处理系统10以前可以接收一定量的增压水。
图2示出喷嘴14的一个实施例的截面图。该优选的喷嘴14为一声速喷嘴，其提高流过它的增压水的流速。在该实施例中，喷嘴14能够将水的流速提高到亚声速。喷嘴14由不锈钢或其它类似的铡性材料制成并且包括喷嘴入口26和喷嘴出口28。喷嘴入口26如上所述连接于水处理系统10。喷嘴出口28通过摩擦配合、卡扣固定、螺纹连接或能够在其间形成液密连接的其它类似连接机构连接于壳体16。喷嘴14可以在任何位置插入壳体16中，只要该位置形成喷嘴14与叶轮18的适当对准即可，如将在下文讨论的。
喷嘴14包括为水流通过而设置的通道30。通道30在喷嘴入口26形成有第一预定直径32和在喷嘴出口28处的第二预定值径34。在该实施例中，第二预定直径34约为第一预定直径32的26％。通道30对喷嘴14的预定的长度保持第一预定直径32。通道30的其余部分通过使通道30成锥度均匀地至第二预定直径34而形成。在该实施例中，喷嘴14的通道30在第一预定直径32与第二预定直径34之间的锥角约为18°。
通道30的形状确定从喷嘴14流出的水的流速。此外，在喷嘴出口28处的水流速取决于水源的压力和喷嘴下游的背压。要求的喷嘴出口28处的预定流速范围可以利用由水处理系统10(图1所示)在喷嘴入口26处提供的预期的压力范围来确定。例如，在一家用的水系统中，水源的压力在约20至60磅/平方英寸(PSI)的范围内。通道30还在喷嘴出口28处提供连接而均匀的水流。在操作过程中流过喷嘴14的水在预定的高速范围内以预定的路线流入壳体16中。
再参照图1，壳体16形成管道，其可以由塑料或能够形成刚性水通道的其它类似的防水材料制成。在该实施例中，壳体16包括如图1所示的半透明的部分以便可以观察壳体16的内部。壳体16被形成围绕叶轮18，叶轮18与在水流出喷嘴出口28以后流过壳体16时的水流体连通。
叶轮18包括多个叶片42，其刚性地固定到轮毂44上。叶片42在壳体16中定位成使从喷嘴14流出的水以预定的角度冲击叶轮18的叶片42。该预定的角度根据水在喷嘴入口26处预期的压力、在喷嘴出口28和的背压和要求的叶轮18的每分钟转数(RPM)来确定。在操作过程中，流动的水作用在叶轮18上使其在壳体16中沿单方向转动。如下文所详细讨论的，当叶轮18转动时，水力发电系统12的这个实施例将流动水中的能量转换为转动动能量，其又转换为电能。在该实施例中，叶轮18浸在流过壳体16的水中。
图3示出图1所示的实施例转动90°的截面图，其中壳体16被剖视一部分。如图所示，叶轮18通过纵向延伸的轴48共轴地固定于发电机46。轴48可以是不锈钢或其它固定地连接叶轮18的类似的刚性材料。叶轮18的轮毂44共轴地连接于轴48的一端而为发电机46的一部分的发电机轴50共轴地连接于其另一端。轴48与叶轮18和发电机46的刚性连接可以通过焊接、压配合或其它类似的刚性连接。
可转动的轴48纵向延伸而通过液密的密封52插入壳体16中，该密封52用橡胶或其它类似的材料制成。液密的密封52连接于壳体16并构成使轴48可以自由转动而不从壳体16内部向外漏水。轴48纵向延伸至邻近壳体16定位的发电机46。虽然图中未示出，发电机46的外表面可以连接于壳体16，例如借助于螺母与螺钉、铆钉或其它能够固定地连接壳体16与发电机48的类似的机构。
在操作过程中，当水流过壳体16和叶轮18转动时，轴48、50相应地转动，导致由发电机46产生电能。在替代的实施例中，采用磁性联接器(未示出)代替轴48以排除贯穿壳体16的需要。在该实施例中，叶轮18包括具有足够的磁强度的磁体以便与固定在壳体16外部的发电机轴50上的类似磁体刚性地连接。在操作过程中，当叶轮18转动时，取向在叶轮上的磁体与取向在发动机轴50上的磁体间的吸引力使发电机轴50转动从而由发电机46产生电能。
在该实施例中，发电机46可以是能够产生直流电(DC)或交流电(AC)的永磁体发电机。在替代的实施例中，发电机46能产生AC和DC电流。电能从发电机46通过多个导电体54传送，该导电体54可以是电线、汇流排或其它能够导电的类似材料。产生的电能的电压水平是叶轮18的每分钟转数的函数。如上所述，从喷嘴14流出的水的流速可以设计在预定范围内从而控制由发电机46产生的电能的电压输出值。
由该实施例产生的交流电或整流直流电可以用于驱动水处理系统10和也可以用于给储能器(未示出)例如蓄电池或电容器充电。叶轮18的转动或产生的电能的持续时间也可以供给基于流动的测量的机构，例如流率或已流过水处理系统10的水量的测量。叶轮18的转动或产生的电能的持续时间可以与发电机46的反电磁力(EMF)组合供给基于流动的测量。本领域的那些技术人员应该理解该水力发电系统12除水处理系统10外也可以用于其它的系统。
图4示出水力发电系统12的另一实施例的截面图。该实施例同样连接于水处理系统10如图1所示实施例那样并且包括喷嘴14、壳体16、叶轮18和壳体出口20。类似于上述的实施例，喷嘴14以高速提供水，其在可转动的叶轮18上导向。然而，在该实施例中，叶轮18在操作过程中不浸入壳体16内部的水中。因而，水从喷嘴14中形成喷流，其喷射在叶轮18上。
喷嘴14类似于上述的图2所示喷嘴14可以是声速喷嘴。喷嘴14插入壳体16并且通过安装板56与其连接。安装板56邻接壳体16的外表面定位。本领域的那些技术人员应该理解存在其它的可以用于连接喷嘴14与壳体16的方法。
图5示出定位于该实施例的安装板56上的截面图。安装板56包括纵向的长孔58和一对耳部60，后者使喷嘴14可以相对于叶轮18调整到一个最佳的位置。在该实施例中，喷嘴14在通过将螺钉插入耳部60而达到最佳位置时可以固定地安装到壳体16上。在替代的实施例中，当紧固件例如螺钉、铆钉或销将安装板56固定地安装在壳体16上时该安装板56为喷嘴14提供单一的预定的所需位置。
再参照图4，要求的喷嘴14的位置是使喷嘴14纵向伸进壳体16中。该实施例的壳体16包括由壳体16的内壁限定的壳体内腔62，如图4所示。壳体内腔62为空气空间，其包括其中定位的叶轮18。在操作过程中，水从喷嘴14以预定的路线喷射入壳体内腔62中以便以预定的角度冲击叶轮18。该预定的角度根据要求的叶轮的RPM和由水处理系统供给喷嘴的水压范围来确定的。喷嘴14和叶轮18的协同操作不限于利用增压水来进行，同样也可以利用其它的流体，例如空气。
如图4中还示出的，叶轮18包括多个叶片64。该实施例的每一叶片64在一端固定地连接于叶轮轮毂66并且包括在另一端形成的桨叶68。叶轮轮毂66如上述实施例中一样固定地连接于轴48。本领域的那些技术人员应该理解叶片64的数量和叶轮18的尺寸可以根据用途改变。
图6示出图5所示的水力发电系统12的实施例转动90°的截面图，其中壳体16被剖视一部分以便于说明。如图所示，水力发电系统12包括利用轴48连接于发电机46的壳体16如在上述的实施例中那样。此外，可转动的轴48通过液密的密封52从叶轮18纵向伸入发电机46中。在替代的实施例中，轴48可以改用磁性联接器，如以上所述，从而排除壳体16的贯穿和液密的密封52。如图所示，轴48可转动地将叶轮18定位于壳体内腔62内的空气空间中从而利用桨叶68使之绕轴48转动。
如图6所示，该实施例的每一桨叶68形成抛物面形状，其包括槽口70。该桨叶68的抛物面形状为存在于从喷嘴14(图5所示)喷射的水中的能量提供均匀的接受器。槽口70在叶轮18转动时使喷射水的能量进入下一个桨叶68。将喷射水的能量转给下一个桨叶使从水到叶轮18传送的能量的效率为最大。在替代的实施例中，各叶片64可以形成其它的形状和结构而有助于有效的传送从喷嘴14喷射的其它流体的能量。例如，当流体为空气时，叶片64可以形成为螺桨、翅片或其它能够将能量从流动的空气转换为叶轮18的转动的类似结构。
在操作过程中，在水喷流以预定的角度冲击叶轮18以后，水靠重力如箭头72所示落向壳体出口20。因而，水集合在壳体出口20处并从而被导出壳体16。由于叶轮18不浸入水中，从水喷流到叶轮18传送的大部分能量被形成为对轴48的转动力。
轴48的转动使发电机46的一部分转动。发电机46的一个实施例包括转子76、第一定子78和第二定子80，后两者定位在发电机壳体82的内部。转子76固定地连接于轴48并随其转动。第一和第二定子78、80固定地连接于发电机壳体82并且周向地包围轴48。转子76定位在第一与第二定子78、80之间以形成发电机46。
该实施例的转子76可以是包括多个永磁体84的盘的形式。永磁体84均匀地置于转子76内的预定位置以同第一和第二78、80协同操作。在该实施例中的第一和第二定子78、80的每一个也可以形成包括多个线圈86的盘。线圈86均匀地定位在第一和第二定子78、80的内部以同永磁体84协同操作。可把线圈86电连接以形成一个或多个用于产生电能的绕组。第一和第二定子78、80的极数和设计取决于许多因素。这些因素包括由永磁体84和反EMF形成的高斯磁场的强度，以及要求的RPM和要求发电机46的功率输出。
在该实施例中，转子76的转动使由永磁体84产生的磁通量同样转动从而在第一和第二定子78、80中产生电能。转子76和第一与第二定子78、80协同操作以产生交流电(AC)。AC可以由发电机46整流和稳定化以既提供AC又提供直流电(DC)。在替代的实施例中，永磁体84可定位在第一和第二定子78、80上使发电机46可用于产生直流电(DC)。在另一替代的实施例中，发电机46类似于关于图3讨论的发电机46。
在操作过程中，可以从水处理系统10(图1所示)中向水力发电系统12输送增压水。如同在以前的实施例中，水力发电系统12的各个替代的实施例可以向水处理系统10输送水或定位在水处理系统10的内部。在该实施例中，如上所述，水从处理系统10输送给喷嘴14。
增压水流过喷嘴14并以高速喷射入壳体内腔62从而以预定的入射角冲击叶轮18上的桨叶68上。当水冲击桨叶68时，喷射水的能量转送给叶轮18使其沿单方向转动。当叶轮18转动时喷射水的一部分也通过槽口70喷射并冲击叶轮18上的另一些桨叶68。在水冲击桨叶68和能量的同时传送以后，水靠重力落到壳体出口20并流出壳体16。因此，在操作过程中壳体内腔62保持空气空间并且在操作过程中不完全充满水。
叶轮18的转动使轴48转动从而转动发电机46的转子76。在该实施例中，转子76以约2400每分钟转数(RPM)转动。转子76的转动引起供给水处理系统10的电能的产生。如上所述，由发电机46产生的电压水平的范围是根据流过喷嘴14的水的流速范围确定的。因此，发电机的电压范围可以通过选择流过喷嘴14的水的流速范围来选择。
图7示出水力发电系统12的另一实施例的截面图，其优选连接于水处理系统10。如图所示，水力发电系统12包括转子壳体102和定子壳体104。转子壳体102形成管道，其可以由塑料或其它类似的刚性材料构成并且包括入口106和一出口108。在操作过程中入口106按箭头110所示接收流动的水而出口108将流动的水引到水处理系统10。在各替代的实施例中，该水力发电系统12可以固定在水处理系统10的内部或固定成可接收流出水处理系统10的水。如上所述，流过水力发电系统12的水流量可以由水处理系统10加以控制。
如图7所示，转子壳体102包含转子112而定子壳体104包含定子114。该实施例的转子112可以是具有六个北/南极组合的十二级永磁体转子。如下文所详述的，该实施例的定子114可以是设计有八个北/南极组合的一环状圆环。转子112和定子114在操作过程中协同操作以产生电能。如在本领域中已知的，定子包括固定的绕组，其可以根据需要的电压输出大小构成可容纳任何数目的电极。公开于本实施例的绕组中的电极数目不应被认作是对本发明的一个限定。
图8示出图7所示实施例的顶视图，其中为说明起见定子壳体104被剖视顶部。定子114固定地定位于定子壳体104中以周向地包围转子壳体102。定子114包括芯体116、多个凸出的电极118和多个线圈120。芯体116可以由铁、钢或其它类似材料构成并且被形成可包括凸出的电极118。在该实施例中，可以有八个凸出的电极118，其分别围绕以线圈120。
将凸出的电极118形成在定子114上使它们以周向地包围转子壳体102。每个凸出的电极118包括成形端，其作为极靴122在本领域中是已知的。极靴122邻近转子壳体102放置。极靴122传导恒定的由转子112通过线圈120形成的磁通量。线圈120可以是电线或其它能够传导电能的类似材料并且围绕凸出的电极118缠绕。虽然未示出，线圈120相互电连接以形成绕组，如在本领域中已知的，用于每一线圈120的电线圈数由电压和功率要求、最小和最大转子112的转数、最大允许的反压、需要的电感和磁高斯数来确定。
再参照图7，定子114横向垂直于转子壳体102的中心轴线定位。由于定子114定位在转子壳体102的外面，其与在转子壳体102内部的流动水脱离了流体连通。定子壳体104固定地连接于转子壳体102从而为定子114提供在转子壳体102上的预定位置。在该实施例中，定子壳体104通过摩擦配合与转子壳体102的外表面相连接。本领域的那些技术人员应该理解存在不同的其它的转子壳体102与定子壳体104的连接方式。
在该水力发电系统12的实施例中，转子112包括永磁体124，其可以由金属、烧结金属、挤压金属或陶瓷材料制成。永磁体124形成恒定的磁通量并且与转子轴126相连接。可转动的转子轴126从永磁体124的两端纵向外伸并可以由不锈钢或其它刚性耐腐蚀材料构成。永磁体124的中心轴线形成与转子轴126共轴线。永磁体124的外表面可以形成流线形以包括至少一个转子叶片128。该实施例的永磁体124构成桶形，具有形成转子叶片128的单螺旋螺脊。在替代的实施例中，转子叶片128可以是涡轮叶片或其它能够在受到流动的水冲击时引起转子112转动的类似装置。
如图7所示，转子112固定在转子壳体102的内部与转子壳体102的中心轴线共轴线。转子112的转子轴126的一端插入第一连接盘130而其另一端插入第二连接盘132。在该实施例中，转子轴126的两端增大直径以形成便于固定于第一连接盘130和第二连接盘132上的坚固的区域。第一连接盘130和第二连接盘132由塑料或其它类似的材料形成并且建立垂直于转子壳体102的中心轴线的横向支承件。第一连接盘130和第二连接盘132均包括轴承134或其它类似的装置以便使转子轴126可以自由转动。此外，第一连接盘130和第二连接盘132以预定的相互间距连接于转子壳体102使转子112可以悬挂在它们之间。
转子112定位在转子壳体102中使流过转子壳体102的水冲击形成转子112的一部分的转子叶片128。转子叶片128用作为一桨叶使流动的水作用在转子112上。流动的水使转子112绕转子壳体102的中心轴线沿单一方向转动。转子112定位在定子114的内部使转子112的轴线同心于定子114的轴线。转子112同定子114协同操作而构成发电机。
在操作过程中，当水流动和转子转动时，由转子112产生的恒定磁通量也转动并透入定子114从而实质上产生电能。在转子112与定子114之间必须保持特定距离的气隙以便使来自转子112的恒定磁通量可以引起由定子114产生的电能。在这些实施例中，在转子112的永磁体124与定子114的极靴122之间的“气隙”包括流动的水和转子壳体102。流体的流动和转子壳体102并不影响恒定的磁通量。因此，来自转动的转子112的转动恒定磁通量引起由定子114的线圈120产生电能。
当水流过转子壳体102而使转子112转动时，转动的恒定磁通量传给定子114的绕组并产生电能。该电能流过导电体54以驱动一个装置，即在该实施例中的水处理系统10。图7和8所示的该实施例的水力发电系统12产生交流电(AC)，其可以用来驱动水处理系统10。在替代的实施例中，该水力发电系统12通过将永磁体124定位在定子114上可以产生直流电(DC)。在另一替代的实施例中，水力发电系统12通过使交流电(AC)整流和稳定化给水处理系统10既提供AC电流又提供DC电流。DC电流还可以用来给储能器(未示出)充电。转子112的转动和电能产生的持续时间也可以用于供给基于流动的测量，例如流率或流过水处理系统10的水量的测量。
图9示出水力发电系统12的又一实施例的截面图，其在原理上类似于关于图7和8公开的上述的实施例。该实施例包括转子112、定子114和固定于壳体142中的涡轮喷嘴140。壳体142构成管道，其具有入口144和出口146。当水或其它流体按箭头148所示流入入口114时，水流过壳体142并由出146引出壳体142。在一个实施例中，水力发电系统12可以固定在水处理系统10(图1所示)的内部，位于水处理系统10或输送水给该水处理系统10的后边。
壳体142可以由塑料或类似的能够导水的刚性材料制成。该实施例的壳体142包括第一部分152和第二部分154以便于组装和维护。第一和第二部分152、154可以通过粘接、摩擦配合、螺纹连接或其它构成类似的刚性连接的装置结合在一起。壳体142形成水流通过的通道156。涡轮喷嘴140固定地定位在通道156的内部。
该实施例的涡轮喷嘴140可以是大体上锥形形状并且可以由塑料或其它类似的刚性材料制成。涡轮喷嘴140可以成整体构成包括顶部158和多个支承件160。顶部158可以位于通道156的中心并且用于向外朝着壳体142的内壁喷射流动的水。各支承件160通过例如摩擦配合、卡和固定、螺纹连接或其它类似的刚性连接固定地连接于壳体142的内壁。
支承件160将涡轮喷嘴140固定地支持在通道156中并且包括多个通道162以使水可以流过壳体142。通道162的尺寸可以调整以控制水的流速。如以上参照图2所述的喷嘴14中，可以确定预定的速度范围，该预定的流速范围根据流入入口114中预期的水的压力范围以及水力发电系统12的背压来确定。此外，各支承件160可以按预定的形状定向而用作为螺桨以面向流动的水。流动的水可以以预定的方式对准作用在转子112上，以便消除紊流，从而调整压力降或提高操作效率。
图10是剖视图9的水力发电系统12一部分的顶视图，表示出壳体142的第一部分152内的喷嘴140和支承件160。支承件160可以围绕喷嘴140的外部相互定位在例如4.42毫米(0.174英寸)的预定距离1002上，以便形成通道162。每个支承件160包括导引端1004和拖尾端1006。靠近支承件160定位的导引端1004可以形成入口导管，并且靠近支承件160定位的拖尾端1006可以形成出口导管。如箭头148所示液体流首先到达导引端1004并进入入口导管。在通道162内，液体在到达支承件160的拖尾端1006之前增加速度。
通道162的宽度可以朝着拖尾端1006逐渐变窄，如同所示。因此，通道之间的截面面积减小预定量，例如大约10％-20％。由于增压液体被迫进入逐渐变窄的通道162，速度增加。通道162之间的截面面积逐渐减小使得背压最小，同时增加流动液体的速度。另外，通过逐渐变窄通道162可以使得通道162内液体的非分层流动最小。
支承件160还可包括多个直流器1008。直流器1008可以包括在通道162内以便进一步减小非分层流动。与支承件160类似，直流器1008可以和第一部分152的内壁固定连接并延伸到通道162内。示例性直流器1008可包括和主体1012连接的叶片。叶片1010可以是从导引端1004附近朝着每个支承件160的拖尾端1006延伸的直流器1008的大致直的部分。主体1012可以是定位在相邻定位的支承件160的拖尾端1006形成的出口导管的上游预定距离上的球形主体。在其它实例中，直流器1008可以是任何其它流体动力形状，以便限定液体的流动并最大程度地均匀流过通道162。
如图10进一步所示，喷嘴140可以分成压缩区域1016，随后是沉降区域1018。在压缩区域1016内，可以出现液体流动方向的突然转换。由于第一部分152内的液体容积增加，紊流增加。随着容积减小，液体的压缩和速度增加。可以预先确定压缩区域1016中容积减小，以便根据所需流动液体的压力范围实现所需流速。在压缩区域1016内，流动液体被迫朝着壳体142的内壁流出，这可以增加紊流和/或非分层流动。
沉降区域1018提供具有液体能力的均匀容积的区域，使得流动液体中的紊流衰减并且液体具有更加分层的流动。根据流动液体中紊流的预计大小，沉降区域1018可以是预定长度。液体的非分层流动可以在进入通道162之间减小。在通道162内，流动液体的速度进一步增加，并且液体接着引导到转子112。
再次参考图9，该实施例的转子112包括涡轮转子164、转子轴166和永磁体168。转子112可转动地固定在通道156内使流入通道156的水可以引起转子112绕壳体142的中心轴线170转动。在流动的水作用在涡轮转子164上时产生转子112的转动。涡轮转子164可以由不锈钢、铝、塑料或其它类似的刚性材料制成，该刚性材料能够耐得住转动力和流动的水力。涡轮转子164包括至少一个涡轮叶片172和主体174。
涡轮叶片172定位成可接收来自流过支承件160的水的能量。涡轮叶片172可以是多个螺桨、螺旋形凸脊或其它形成在主体174上的装置，其能够将流动的水的能量转变为转动动能量。该实施例的涡轮叶片172与主体174整体构成并且延伸到邻近壳体142的内壁的位置。主体174可以构成为限定内腔176，其沿圆周包围转子轴166的一部分。
读者应该注意相对于壳体142的内壁来说，通道162的深度小于涡轮叶片172的深度。不同深度提供流动水的循环，如下面说明。另外，水的流动路径设置成直线地通过定子114。流动路径的容积同样在通道162之后是较大的，以便提供流动水压力中预定压力降。当水流过涡轮叶片172时，流动水因此将大量动能释放到转动涡轮叶片172上。流动水中的动能通过涡轮叶片172有效地提取，而没有显著的损失和低效率，这是由于只有涡轮叶片172直接位于流动水的高速流中。
转子轴166是可转动的并且可以与涡轮转子164构成整体或者转子轴166通过压配合、螺纹连接或类似的连接装置固定地连接于涡轮转子164。转子轴166可以是不锈钢或其它类似的刚性材料，其可以纵向贯穿永磁体168。永磁体168可以是挤压磁体，其可以由金属、烧结金属、陶瓷材料或其它类似的具有磁性的材料制成。永磁体168可以通过摩擦配合、模压或其它类似的装置固定地连接于转子轴166。转子112通过多个轴承178可转动地定位。
轴承178在永磁体168的两端沿周向地包围转子轴166的一部分。轴承178可以是碳石墨、聚四氟乙烯、滚珠轴承、陶瓷、超高分子量(UHMW)聚乙烯或其它能够经受转子轴166的转动的类似轴承。在该实施例中，轴承178由通道156中存在的水润滑。此外，流动的水可用来冷却轴承178，如将在下文描述的。轴承178由定子114固定和定位。
该实施例的定子114包括多个排水引导螺桨180、翅片182、多个线圈184和盖186。如图9所示，定子114通过排水引导螺桨180固定地定位于通道156中。各排水引导螺桨180通过例如粘接、摩擦配合、卡扣固定或类似的刚性装置同壳体142的内壁固定地连接。排水引导螺桨180纵向平行于壳体142的内壁延伸并形成水流通过的通道。排水引导螺桨180形成可将流动的水引向出口146以减小紊流、气泡、背压和其它的会影响有效操作的流动的水的类似性能。翅片182同样形成可将流动的水引向出口146。
尽管未示出，排水引导螺浆180可以形成螺旋图案，该图案与和中心轴线170同心的螺旋形线圈类似。排水引导螺浆180可以在翅片182的方向上逐渐展开，以便逐渐变成大致平行于中心轴线170。在此构造中，排水引导螺浆180可以减小紊流并形成分层流动。
在操作中，由于涡轮叶片172的转动，由排水引导螺浆180接收的液体可包括涡流的趋势。液体中的涡流趋势可以大致与排水引导螺浆180的螺旋图案大致匹配。因此，液体进入排水引导螺浆180，而不造成紊流的突然改变方向。虽然通过排水引导螺浆180引导，液体中的涡流趋势可以通过排水引导螺浆180的逐渐展开而逐渐减小。因此，液体可以通过大致分层的流动排出排水引导螺浆180，以便尽可能有效地操作。
线圈184形成在芯体(未示出)上以沿圆周包围转子112并形成绕组。线圈184与转子112隔开一定气隙188。线圈184同排水引导螺桨180固定地连接。此外，线圈184可以同轴承178和翅片182固定地连接。线圈184可以通过例如粘接或与其形成整体固定地连接于排水引导螺桨180、轴承178和翅片182。在该实施例中，线圈184固定在通道156的内部，但是防水的以避免与流动的水形成流体连通。线圈184可以通过例如外裹环氧树脂、注塑橡胶或塑料、超声密封或通过类似的防水装置另外隔水来制成防水的。在替代的实施例中，线圈184可以位于壳体142的外边，如以上参照图7和8所述的实施例中那样。
线圈184还可以由盖186防水。盖186定位在密封线圈184邻近涡轮转子164的一端的位置，如图9所示。盖186可以通过螺纹连接可拆式连接于线圈184或可以通过粘接固定地连接于线圈184或与其成整体形成。盖186形成部分地包围轴承178并经向延伸预定的距离，其等于定子114的半径。盖186的该预定的距离延伸到比涡轮转子164的主体174更接近壳体142的内壁。从壳体142的内壁到盖186和主体174的距离差保证流动的水的循环，如将在下文讨论的。
在操作过程中，流过入口144和流入通道156的水在增压水流过通道162时得到了预定的增速。流动的水由支承件160引导而获得对涡轮叶片172的预定的入射角，其使转子112转动。在该实施例中，转子112以约15000每分钟转数(RPM)转动。由于通道162、涡轮叶片172和盖182的不同的深度，流动的水被循环于内腔176中。流动的水在内腔176中的循环提供邻近定位的轴承178的冷却和润滑。
在此实施例中，转子112例如在大约4000RPM和大约5000RPM之间范围内或者在大约4000RPM和大约12000RPM之间的范围内以大约每分钟5000转(RPM)转动。5000RPM以上的转动可以取决于在大约415Kpa到大约690kpa(大约60到100ibs./sq.inch)液体压力范围内的液体压力以及大约3.78升/分钟到大约11.35升/分钟(大约1-3加仑/分钟)的液体流速。5000RPM以上的转动还可取决于在大约103.4Kpa到大约415kpa(大约15到60PSI)液体压力范围内的液体压力以及大约0.76升/分钟到大约3.78升/分钟(大约0.2-大约1加仑/分钟)的液体流速。根据液体的物理性能和/或制造容差、尺寸、RPM，这里所述的压力和流速可以变化多达10％到20％。
为了在这种RPM范围内操作，水力发电系统可以进行最小化以便减小由于流体阻力(或风阻损失)造成的低效率。如这里使用那样，术语“流体阻力”限定成流体摩擦和/或不利于将动能最大程度地转换成转动动能的任何其它流体作用。
水力发电系统的最小化使得在转子112转动时经受流体的表面面积最小化。另外，水力发电系统的重量最小化。例如，通道156的直径在大约6.35毫米到大约51毫米(大约0.25英寸到大约2英寸)的范围内。另外，通道162的深度可以是大约0.76毫米到大约2.54毫米(大约0.03英寸到大约0.1英寸)并且涡轮叶片172的深度可以是大约0.89毫米到大约3.8毫米(大约0.035英寸到大约0.15英寸)。
由于最小化造成所得RPM更高以及流体阻力减小可以使得发电效率最大。例如，在大约5000RPM和10000RPM之间转动时，发电机可以产生大约0.27和39之间的瓦数。另外，永磁体168的尺寸(重量)可以设置成使得水力发电系统12的发电最佳。
在水力发电系统12操作时，在定子114内转子112的高RPM转动有效地产生电能。水力发电系统12能够产生交流电(AC)。在可选择实施例中，水力发电系统12可以产生直流电(DC)。在另一可选择实施例中，水力发电系统12可设计成通过交流电的整流和稳定来产生直流电和交流电。如上所述，电极的数量以及线圈184的构造和尺寸取决于背压、所需RPM以及水力发电系统12的目标能量输出。
现在参照图3、6、7、8和9，结合这些图的实施例所讨论的水力发电系统12的另一实施例用于提供多个电压与电流电平。通过在串联结构和并联结构之间切换水力发电系统12的线圈提供多个电压与电流电平。虽然未示出，可以检测水力发电系统12的电压与电流电平和水处理系统10的当前电压与电流需求的微处理器或其它类似的控制装置可以用来选择性地切换串联结构与并联结构之间的线圈。线圈的选择开关可以用于产生直流电(DC)或交流电(AC)的实施例。
例如，某些紫外(UV)光源需要较低的预定交流电用以初始供能和较高的电压水平。在初始供能以后，UV光源需要较高的交流电但需要较低的电压水平以保持供给的能量。在例如水处理系统中，UV光源可以是低压汞灯或冷阴极等，并且通过镇流器提供启动电源和运行状态电压。另外，水力发电系统12可以提供下面描述的镇流器功能，并且可以省略镇流器。汞灯和/或冷阴极等可以从水中去除细菌和其它杂质。
在操作过程中，当水力发电系统12产生电能时，由微处理器选择地将线圈置于串联结构中。该串联结构以预定的电压水平产生预定的交流电，其能够初始给UV光源供能。在给UV光源的初始供能以后，线圈被选择性地再组成并联结构以提供在能够保持给UV光源供能的预定电压水平下的预定的交流电。水力发电系统12的线圈的切换，如上所述，可以为由水力发电系统12供电的任何系统中的任何电装置提供不同的电压与电流要求。
在另一实施例中，结合以上所述实施例所讨论的水力发电系统12可以设有多个分接头以表示不同的形成各绕组的线圈组。这些分接头可用于通过电连接不同的线圈数目以形成各绕组来提供多个不同的预定电压水平。水处理系统10可以构成使在操作过程中利用微处理器或其它类似的装置在各分接头之间进行切换。因此，在上述的UV光源实例中，一个分接头可用于初始供能而另一分接头可用于连续操作。此外，不同的分接头可以在运行着的基础上用于根据电装置的电能要求操作水处理系统10中的各不同的电装置。分接头切换还可以用来控制发电机的RPM。在RPM低于所需阈值时，例如，分接头可以调节以便脱离线圈，由此增加RPM。水力发电系统12的分接头切换还可为由水力发电系统12供电的任何系统提供不同的电压级。
在结合上述实施例所讨论的水力发电系统12的又一实施例中，存在的反电磁力(EMF)被有利地减小。如在本领域中已知的，永磁体发电机的反EMF因通量集中器而增加，后者是由发电机芯体中的许多金属叠片形成的。通量集中器可用于改进发电机的发电效率，但必须克服传送的反EMF以便转动转子。
在水力发电系12应用于水处理系统10的情况下，某些UV光源在启动和操作过程中具有不同的电能需要。采用水力发电系统12的上述实施例并且不包含通量集中器时，可以满足UV光源的操作要求。
在操作过程中，在给水处理系统10供能以前，水力发电系统12上的转动载荷(反EMF)可以是较小的。转动载荷可以是较小的是因为该实施例的水力发电系统12并不包含通量集中器并且水处理系统10还没有利用电能。消除通量集中器造成变动力矩减小，由此水电发电机快速加快转动。因而，当水流过水力发电系统12时，转子可在较短的时期内加速到预定的较高RPM。
较高的RPM以预定的交流电流(AC)提供预定的电压(启动电压)，该预定的交流电流能够初始供能给例如水处理系统10中的UV光源。在给UV光源初始供能以后，水力发电系统12上的转动载荷增加从而降低转子的RPM。该较低的转子RPM提供预定的低电压与相应预定的交流电(AC)从而可以连续地供能给UV光源。读者应该理解由该实施例的水力发电系统12提供的“即时”能力可以排除水处理系统10中为驱动UV光源所需要的储能装置，这是由于UV光源几乎在水开始流动时启动。
图11是以部分截面图表示的水力发电系统12的另一实施例。与前面实施例类似，水力发电系统12可以用于水处理系统10。另外，水力发电系统12可以包括在具有流动增压液体的任何其它形式的系统中。水力发电系统12还可包括水处理系统的例如UV光源、过滤器、电子器件等结构。
所示的水力发电系统12包括已经拆卸侧盖的外壳体1102。另外，水力发电系统12包括内壳体1104、对中杆1106和喷嘴1108。外壳体1102可以是塑料、金属、碳纤维或其它刚性材料并包括空腔1110。空腔1110是一个气隙，该气隙设置尺寸以便容纳内壳体1104，而使得内壳体1104接触外壳体1102的内表面1112。同样包括在外壳体1102中的是出口1114。出口1114可以是开口，该开口使得外壳体1102中存在的液体通过重力从空腔1110排出，以便在操作中保持气隙。
内壳体1104可以是大致圆柱形的并由塑料、金属、碳纤维或其它类似材料制成。内壳体1104可以安装在外壳体1102上以便在外壳体1102的空腔1110内围绕对中杆1106的至少一部分。对中杆1106可以和外壳体1102固定连接并延伸到内壳体1104内。对中杆1106可以是例如不锈钢的任何刚性、纵向延伸材料。
多个套筒1116可以和内壳体1104连接并围绕对中杆1106。每个套筒1116可以是由塑料、金属或其它类似材料制成的衬套。套筒1116可以形成容纳对中杆1106的开口以及形成为安装在内壳体1104的外表面内的开口内的外表面。套筒1116中的开口可以足够大以便使得套筒1116围绕对中杆116在外壳体1102内转动，而不接触对中杆1106。套筒1116的外表面可以和内壳体1104的外表面固定连接，使得内壳体1104和套筒1116一起转动。另外，套筒1116和内壳体1104可以单独围绕对中杆1106转动。
内壳体1104还可包括多个固定连接并从内壳体1104的外表面1120向外延伸的多个浆叶1118。浆叶1118可以由塑料、碳纤维、金属或其它类似材料制成。浆叶1118可以垂直于内壳体1104的外表面定位，使得当内壳体1104转动时，每个浆叶1118在某些点处靠近喷嘴1108定位。
喷嘴1108可以安装成延伸到内壳体1104和出口1114之间的空腔1110内，如图所示。与图1-5所示的喷嘴14类似，喷嘴1108增加增压液体的速度。以第一速度供应到喷嘴入口1122的增压液体流过喷嘴1108，并以第二速度从喷嘴出口1124排出，第二速度显著高于第一速度。通过喷嘴1108排出到空腔内的液体引导通过浆叶1118处的气隙。
图12是从喷嘴入口1122观看(图11)的喷嘴1108的端视图。喷嘴1108包括通道1202，通道是朝着喷嘴出口1202(图11)减小直径的轴向孔。包括在通道1202的是凸肋1204。凸肋1204与喷嘴1108的内表面1206连接并从内表面1206向外朝着喷嘴1108的中心轴线1208延伸。
图13是图12所示包括凸肋1204的喷嘴1108的剖视底视图。穿过喷嘴1108的通道1202包括靠近喷嘴入口1122的第一倾斜部分1302，随后是第一直部分1304、渐缩部分1306、第二倾斜部分1308以及形成喷嘴出口1124的第二直部分1310。在喷嘴入口1122处，通道1202可以是例如10.8毫米预定入口直径。在第一倾斜部分1302内，通道1202的直径可以朝着喷嘴出口1124相对于中心轴线1208呈例如大约20度的预定角度θ均匀减小直径。
在第一直部分1304处，通道1202的直径可以是例如大约5.8毫米的预定第一喷嘴直径。通过通道1202的第一直部分1304，内表面1206可以大致平行于中心轴线1208，并因此保持在第一喷嘴直径上。在渐缩部分1306，内表面1202可以具有曲率半径。曲率半径可以形成具有例如8.7毫米的预定半径的圆的一部分。第二倾斜部分1308内的通道1202的直径可以朝着喷嘴出口1124相对于中心轴线1208呈例如大约20度的预定角度θ均匀减小。第二直部分1310可以通过将通道1202保持在例如1.85毫米的预定第二喷嘴直径上而形成喷嘴出口1124。
第一和第二喷嘴直径可以根据供应到喷嘴1108的液体压力的所得范围来确定。在一个实例中，第一直部分1304的直径可以保持相对不变，并且第二直部分1301的直径可以根据引入喷嘴1108的液体压力来改变。例如，第一直部分1304的直径可以保持在大约5.8毫米，并且第二直部分1301的直径形成大约1.9毫米或更小。因此，喷嘴1108的第二直部分1301的直径(喷嘴出口1124)是喷嘴1108的第一直部分1304直径的大约33％或更少。
在另一实例中，对于喷嘴入口1122处的液体压力在大约34kPa和850kPa(大约5和125PSI之间)来说，第二直部分1301可以形成在大约0.8毫米和大约1.9毫米之间(大约0.03和0.075英寸)的范围内。在此实例中，喷嘴1108可以在喷嘴1108的第一直部分1304直径的大约14％和大约33％之间。此实例中通过喷嘴1108的所得流速可以在34kPa下的大约0.44升/分钟到大约850kPa下的大约4.16升/分钟(大约0.115加仑/分钟到大约1.1加仑/分钟)的范围内。
凸肋1204可以是减小流过通道1102的液体涡流和其它非分层性能的任何构造。所示凸肋1204在喷嘴入口1122处开始并沿着中心轴线1208延伸预定距离通过第一倾斜部分1302、第一直部分1304，并进入渐缩部分1306。尽管示出具有均匀宽度，在其它实例中，凸肋1204可以包括一个或多个渐缩宽度部分、泡体、弯曲或任何其它构造，以便提高液体通过喷嘴1108的分层流动。另外，凸肋1204的长度可以比所示更长或更短，以便更好地消除液体流过通道1202的涡流。
图14是包括图12所示凸肋1204的喷嘴1108的剖视侧视图。在通道1202的喷嘴入口1122处，示例性的凸肋1204从内表面1206朝着中心轴线1208向外延伸预定第一距离。当凸肋1204沿着中心轴线1208朝着喷嘴出口1124延伸时，凸肋1204从内表面1206延伸的距离逐渐减小到零。在所示实例中，凸肋1204渐缩以便在凸肋1204沿着中心轴线1208朝着喷嘴出口1124延伸时延伸逐渐进一步离开中心轴线1208的距离。另外，内表面1206和中心轴线1208之间的距离朝着喷嘴出口1124变得更小，进一步渐缩凸肋1204，如图所示。在其它实例中，凸肋1204可形成任何其它形状，以便减小涡流作用并增加液体通过喷嘴1108的分层流动。
再次参考图11，在操作中，流过喷嘴1108的液体可以保持分层流动，同时液体的速度在喷嘴1108内加速。液体可以高速从喷嘴1108排出。由于大致的分层流动，在排放之后，液体流可保持具有与喷嘴出口1124大致相同直径的良好限定的液流。因此，由液流产生的液体飞溅减小，并且流动液体的动能集中在相对小的区域内。
液流可以在浆叶118处引导。在冲击浆叶118时，液体中的动能有效地转换成内壳体1104的转动动能。当内壳体1104转动时，每个浆叶1118可进入从喷嘴1108排出的高速液流中，并接收流动液流中的大致所有的动能。
一旦动能从液体提取，液体通过重力落到出口1114，并引导离开外壳体1102。由于通道引导，外壳体1102大致没有液体。尽管由于从喷嘴1108排出的恒定液流，会存在某些液体，通道引导可以使得外壳体1102内的液位保持足够低，使得喷嘴1108和内壳体1104不浸入液体中。因此，喷嘴1108和内壳体1104在外壳体1102内的气隙中操作，其中流体阻力损失最小。
某些液体临时保持在浆叶1118上，并且通过内壳体1104的转动力甩到外壳体1102的外表面1112上。另外，某些液体可冲击浆叶1118，并反射到内表面1112上。
内表面1112可形成导管以便减小空腔1110内的液体飞溅。通过将多余的液体保持离开转动内壳体1104，空腔1110内液体飞溅的减小使得转动内壳体1104的液体阻力损失最小。包括在内表面1112上的导管还可形成螺旋图案，该图案设计成有效地收集液体飞溅并将液体引导到出口1114。因此，在操作期间空腔1110大致保持没有液体，并大致填充空气(或其它气体)，使得喷嘴1108的喷嘴出口1124不浸入液体中。
图15在图11的外壳体1102的截面图中表示内表面1112的一个实例。内表面1112包括以从内表面1112朝着内壳体1104(图11)向外延伸的多个指形件1502为形式的导管。每个指形件1502可以形成单独的金字塔形构件。换言之，指形件1502可以是凹槽、环件、支承件、轨道或外壳体1102的内表面1112内的任何其它不规则形状。指形件1502可以定位成预定图案。根据从转动内壳体1104和浆叶1118飞溅的液体的模拟或分析，该图案可以是螺旋图案，以便减小液体飞溅，并且使得液体最大限度地引导到出口1114(图11)。
指形件1502可减小接触外壳体1102的内表面1112的液体的液体飞溅。另外，指形件1502可以构造成将水引导到中心通道1504和包括在外壳体1102内的外通道1506。中心通道1504和外通道1506可以是V形凹槽或导管的某些其它形式，以便将液体朝着出口1114引导(图11)。内表面1112还可包括多个分支通道1508。分支通道1508可以是内表面1112内的弧形通路，该通路将液体引导到中心通道1504或外通道1506。根据从转动内壳体1104和浆叶1118飞溅的液体的模拟或分析，通道还可定位成螺旋图案，以便减小液体飞溅，并且使得液体最大限度地引导到出口1114(图11)。
指形件1502可沿着每个分支通道1508定位。在指形件1502上的液体可以被指形件1502“截留”。液体可流动离开指形件1502进入分支通道1508，并接着进入中心通道1504或外通道1506。
图16是图11所示外壳体1102的侧视图，其中拆卸内壳体1104和对中杆1106以便于说明。外壳体1102的内表面1112包括沿着形成用于内表面1112内的液体的弧形通路的多个分支通道1602放置的指形件1502。通过指形件1503“截留”的液体流动离开指形件1502进入分支通道1602，并引导到外通道1506中(图14)和/或出口1114。
图17是图11所示包括出口1114的外壳体1102的底部的截面图。壳体1102的底部类似地包括多个分支通道1702，分支通道是将液体引导到出口1114的弧形通道。指形件1502可以沿着每个分支通道1702放置。
图18是图11所示包括对中杆1106的内壳体1104的分解透视图。同样包括在内壳体1104内的是套筒1116、浆叶1118、第一轮毂1802、第二轮毂1804、转子1806和定子1808。对中杆1106可以沿着中心轴线1812延伸通过内壳体1104，并且与套筒1116协同操作以便提供定子1808的对中功能。套筒1116可以形成为轴向安装在形成在每个第一和第二轮毂1802和1804的第一端内的套筒开口1816内。
第一和第二轮毂1802和1804可以由塑料、碳纤维或任何其它刚性材料制成。每个第一和第二轮毂1802和1804可以是大致圆柱形并形成具有开口端1818的空腔。开口端1818可以位于与包括套筒开口1816的第一端相对的第二端处。第一和第二轮毂1802和1804可以在开口端1818连接在一起，以便形成内壳体1104的外表面1120(图11)。
每个第一和第二轮毂1802和1804包括保持环1820。保持环1820包括围绕平行于中心轴线1812的开口端1818的边缘向外延伸的多个凸耳1822。多个细槽1824可以形成在保持环1820内的每个凸耳1822之间。凸耳1822可以对准以便在第一和第二轮毂1802和1804在开口端1818处连接时相邻地相互接触。因此细槽1824还可在第一和第二轮毂1802和1804之间对中以便形成开口。
第一和第二轮毂1802和1804还包括围绕内壳体1104的外表面同心顺序布置的多个排放口1826。排放口1826形成使得内壳体1104内的空腔和内壳体1104外部流体连通的开口。因此，液体可经由排放口1826进入或流出内壳体1104。
当内壳体1104转动时，由于形成与转动相关的离心力，内壳体1104内的液体经由排放口1826流出。因此，通过在内壳体1104以高RPM转动时将液体经由排放口1826及时排出，减小由于内壳体1104内的液体造成的流体阻力损失。转动内壳体1104因此可以保持空腔内大致没有液体。空腔可以大致干燥并填充空气(或某些其它气体)。尽管空腔可以是潮湿的，空腔可保持少量液体，足以实现有效的操作。排放口126还提供穿过内壳体1104的气流以便冷却。
多个保持件1828位于形成在每个第一和第二轮毂1802和1804内的空腔内，保持件从第一和第二轮毂1802和1804向外朝着中心轴线1812延伸。保持件1828可以隔开预定距离定位，以便在保持件1828之间形成多个缺口1830。保持件1828可以形成第一和第二轮毂1802和1804的整体部分。另外，保持件1828可以由塑料、金属、碳纤维或与各自空腔内的每个第一和第二轮毂1802和1804的内表面连接的任何其它刚性材料分开制成。
转子1806可包括保持环1834和磁体1836。保持环1834可以是由铁或类似铁素体(或非铁素体)材料形成的圆柱形套筒。当第一和第二轮毂1802和1804连接在一起时，保持环1834的一部分定位在每个第一和第二轮毂1802和1804的空腔内。保持环1834可以和每个第一和第二轮毂1802和1804内的保持件1828连接，使得保持环1834和内壳体1104一起转动。保持环1834可以构造成通量集中器，以便和磁体1836操作，来改善发电机效率。
磁体1836可以和保持环1834连接，并且同样和内壳体1104一起转动。磁体1836可以是永磁体，例如烧结或粘接的钕铁硼(NdFeB)稀土磁体。磁体1836可以形成连续的单个结构，该结构具有沿着该结构构造的所需数量的北极和南极。另外，多个单独的磁体可以和保持件1834对准并与其连接。
通过将磁体1836和保持件1828直接连接，可以有利地减小发电机的反EMF。因此，可以消除保持环1834。如上所述，减小反EMF可以更快加速，这对于例如提供UV光源的“及时”性能的某些负载来说是有利的。
定子1808可以形成缠绕一个或多个定子绕组(未示出)的多个极1840，如上所述。极1840可以是与安装板1842连接的金属层压件。安装板1842可以是金属、塑料或任何其它材料，并可以和对中杆1106连接。定子1808可以定位在由第一和第二轮毂1802和1804形成的空腔内，使得磁体1836围绕靠近极1840的定子1808定位，其中具有气隙。
由于绕组可以由在线材上涂覆例如搪瓷的非传导材料，以便形成绕组，定子1808可以湿式或干式操作。另外，绕组可以覆盖模制塑料、橡胶或其它防水材料。除了提供防水性能以外，这种覆盖模制还可减小内壳体1104以高速围绕定子1808转动时的流体阻力损失。
转子1806和定子1808相结合可以形成产生三相电能的发电机。另外，发电机可以产生单相电能。由发电机产生的电能可以提供到电能供应线1844上。电能供应线1844可以电连接到定子1808的绕组上。电能供应线1844可以引导通过沿着穿过对中杆1106的中心轴线1812延伸的通道。除了电能之外，转子的转动和/或产生的电能可以进行监测，以便根据流动进行测量。
定子1808和磁体1836之间的气隙可以通过磁体1836的磁场和对中杆1106和围绕套筒1116相结合来保持。定子1808可以和对中杆1106连接。因此，当内壳体1104以及转子1806转动时，转动的磁场在定子1808的绕组内产生电能。
在操作中，内壳体1104可以通过单个高速液流以例如5000RPM以上的相对高的每分钟转数(RPM)转动。由于内壳体1104的相对小的尺寸以可以实现相对高的RPM，并减小流体阻力损失。大致圆柱形内壳体1104的直径可以小于大约40毫米，例如在大约40毫米到大约10毫米之间的范围内。由于喷嘴1108的喷嘴出口1124的直径(图11)可以在大约1.9毫米到0.8毫米的范围内，喷嘴出口1124在壳体1104直径的大约4.75％和大约8％之间。
内壳体1104的转动速度以及由发电机产生电量可以取决于由喷嘴1108排出的液体速度(图11)以及内壳体1104的直径。因此，对于在液体压力和流速范围内的喷嘴1108的喷嘴出口1124(图11)的直径范围以及内壳体1104的直径范围来说，可以输出一定范围的电能。例如，在大约0.8毫米和大约1.9毫米之间的喷嘴1108的喷嘴出口1124的直径范围可以排出大约0.44升/分钟和大约4.16升/分钟(大约0.115加仑/分钟和大约1.1加仑/分钟)的量。流速可以取决于喷嘴入口1122(图11)处的大约34kPa和大约413kPa之间的压力范围(大约51b/sq.in和大约601b/sq.in)。内壳体1104的所得转动可以产生大约0.25瓦和大约30瓦之间的电能。在此实例中来自发电机的电能可以直接驱动UV灯或电子器件和/或可以整流以便为例如电容器、超级电容器、超高电容器和/或电池的储能装置充电。
磁体1836还可提供内壳体1104的平衡和对准。磁体1836的重量可以构造成转动平衡内壳体1104的转动以便增加效率。因此，壳体1104可以在高PRM下平稳转动，其中使得与不平衡转动相关的振动或其它作用最小。如上所述，由于在高RPM下有效地发电，还可减小磁体1836的重量。
另外，磁体1836的磁场可以保持转子1806以及内壳体1104和定子1808对准。磁体1836的大致相同分布的磁场可以轴向对准转子1806和定子1808。因此，内壳体1104可还可轴向对准对中杆1106。套筒1116和对中杆1106可以帮助对准内壳体1104，但是，内壳体1104可以通过磁体1836的磁场与对中杆1106对准地悬浮。因此，围绕转动套筒1116和非转动对中杆1106之间的摩擦损失可以最小。另外，当水力发电系统12垂直、水平安装时，磁场可以保持内壳体1104和定子1808之间的相对位置关系，而不使用固定件、锁栓或任何其它机构来保持相对定位。
如图11和18所示，浆叶1118可形成同心围绕内壳体1104的环件。浆叶1118可以是与内壳体1104的外表面连接的单独制造的部件。每个浆叶1118可以保持就位在一个缺口1824内，以便在第一和第二轮毂1802和1804连接在一起时形成环件。另外，浆叶1118可以通过粘接、焊接、摩擦配合或任何其它机构单独连接或成组连接到第一和/或第二轮毂1802和1804上。
浆叶1118可以单独制造并接着组装成环件以便减小成本并改善制造性能。另外，内壳体1104的直径以及浆叶1118的直径可以变化，而不显著改变单独浆叶1118的几何形状。第一和第二轮毂1802和1804内的每个单独浆叶1118以及保持环1820的构造可以相互协作以便将浆叶1118在缺口1824中保持就位。
图19是图18所示一个浆叶1118的实例的同时。所示浆叶1118可以是大致凹入的并且包括底部1902、第一浆叶部分1904、第二浆叶部分1906和细槽1908。底部1902可以形成为安装在第一和第二轮毂1802和1804(图18)的相邻细槽1824内(图18)。底部1902可包括下表面1912和支脚1914。下表面1912可以与第一和第二轮毂1802和1804(图18)的内表面的曲率半径类似的预定曲率半径弯曲。支脚1914可以是大致三角形形状并包括第一倾斜表面1916、第二倾斜表面1918和表面1920。
现在参考图18和19，当浆叶1118安装在内壳体1104中时，底部1902可布置在每个第一和第二轮毂1802和1804的相邻定位的缺口1824中。每个浆叶1802的支脚1914可通过第一和第二轮毂1802和1804上的凸耳1822保持在缺口1824中。在所示实例中，第一和第二倾斜表面1916和1918可以各自相邻地接触每个第一和第二轮毂1802和1804上的一个凸耳1822。另外，表面1920可以相邻地接触相邻安装的浆叶1118。
图20是表示第一和第二浆叶部分1904和1906和支脚1914的图19的浆叶1118的截面顶视图。同样表示的是浆叶1118的后表面2002。当浆叶1118安装在内壳体104上时(图11)，后表面2002可以相邻地接触相邻安装的浆叶1118的支脚1914的表面1920(图19)。每个浆叶1118的底部1902可以形成靠近内壳体1104的外表面的完整同心环的一部分。浆叶1118可以通过摩擦配合、粘接、焊接或任何其它连接机构或材料保持就位。
再次参考图19，第一和第二浆叶部分1904和1906可各自设置能够接收高速液流的分开的凹口或凹入部。如图20清楚示出，每个第一和第二浆叶部分1904和1906可以是椭圆形的，以便使得液流最佳地冲击浆叶部分1904和1906。当内壳体1104(图11)以高RPM转动时，细槽1918使得液流有效地冲击每个浆叶1118。
前面所述的水力发电系统12还可包括水处理系统的能力。在一个实例中，水力发电系统12可以安装在水龙头或其它洁具上。安装在水龙头上的水力发电系统12的入口可以连接到水龙头的水出口端上。除了所述的发电能力之外，水力发电系统12可以包括碳过滤器和紫外线(UV)灯。另外，水力发电系统12可以包括液体转换器以便在不需要处理水时旁通水力发电系统12。水力发电系统12还可包括例如微处理器的以便监测UV灯和过滤器的寿命的处理装置。水力发电系统12可提供所述的液流检测以便用来监测过滤器寿命。另外，可以采用微处理器来监测UV灯寿命结束。另外，可以通过微处理器动态指示分接头和/或线圈切换，以便提供用于所述的开始启动UV灯以及随后驱动UV灯的第一电压。
还可通过水力发电系统12提供需要电源并涉及增压液流的其它应用。例如，具有需要电源来操作的运动检测器、电操作阀或任何其它装置的洁具可以被包括作为水力发电系统12的一部分。
图21是用于被包括作为水力发电系统一部分的例如坐便器或小便池的盥洗室的示例性洁具2100的透视图。洁具2100包括用于接收水的水入口2102和用于排出水的水出口2104。洁具2100还包括阀模块2106、电子模块2108和发电模块2110。在其它实例中，水龙头、喷头或具有控制阀的、水入口和水出口的任何其它洁具类似地包括在水力发电系统中。如这里使用，术语“洁具”限定成包括例如水龙头、盥洗室冲洗机构、喷射器以及喷头的卫生间相关装置。另外，洁具可包括用来在小于大约1034kPa(大约150ibs./sq.inch)的压力下控制和/或引导液流的喷射器、喷洒器或任何其它装置和机构。
图22是包括入口2102、出口2104、阀模块2106、电子模块2108和发电模块2110的图21所示示例性洁具2100的剖视侧视图。
阀模块2106包括电操作阀2202。电操作阀2202可以是能够用电压和电流致动以便开启和关闭液体流路的任何电子机械阀装置。在启动时，电操作阀2202可运动到经由阀模块2106开启液体流路的位置。当液体流路开启时，入口2102供应的增压液体可流过阀模块2106以及发电模块2110到出口2104。在断电时，电操作阀2202可闭合液体流路，经由阀模块2106和发电模块2110停止液流。
发电模块2110包括与图11-20所述实施例类似的外壳体1102、内壳体1104、对中杆1106和喷嘴1108。因此，将不重复这些结构的详细描述。在其它实例中，与任何其它所述实施例类似的结构和/或部件可以包括在发电模块2110中。外壳体1102还可包括排水口2204，以便在和内壳体1104冲击之后将液体朝着出口2104引导。内壳体1102可作为一个单元从洁具中取出以便维护和/或修复。供应到入口2102的增压液体通过喷嘴1108加速到高速，并在定位在内壳体1104的外表面上的浆叶1118处引导液流。
高速液流中的大部分动能转换成转动动能以便以高RPM转动内壳体1104。液体通过重力落入洁具2100的水出口2104。外壳体1102的空腔内的液体飞溅还可通过外壳体1102的内表面1112和排水口的构造引导到水出口2104。内壳体1104的高RPM转动通过包括在内壳体1104中的永磁体发电机产生电能。电能通过电能供应线1844上的发电机产生。电能供应线1844可以采用对中杆1106内的通道和导管2206引导到电子模块2108。
电子模块2108可包括用于洁具2100的任何相关电路和部件。电子器件壳体2108包括阀控制器2226、储能装置2228、功率控制器2230和传感器2332。阀控制器2226可以是电操作阀2202的一部分，并可以是使用电压和电流启动电操作阀2202开启和闭合的任何装置。阀控制器2226可以包括电马达、转动致动器、电磁阀或能够运动阀机构的任何其它装置。另外，阀控制器2226可以包括限制开关或任何其它形式的位置检测装置，以便确定电操作阀2202的位置。阀控制器2226可以通过储能装置2228供电。
储能装置2228可以是电池和/或电容器和/或能够以电压和电流形式储能的任何其它回路或装置。功率控制器2230和阀控制器2226以及储能装置238连接。功率控制器2230可具有能够监测储能装置2228内的电压大小并控制电操作阀2202的操作的任何回路或装置。
在操作中，储能装置2228内的电压大小通过功率控制器2230来监测。当电压减小到预定阈值以下时，电操作阀2202可以启动以便通过功率控制器2230开启。电能从储能装置2228供应到阀控制器2226以便启动电操作阀2202。当电操作阀2202开启时，增压液体流过阀模块2106到喷嘴1108。增压的高速液流在内壳体1104处通过喷嘴1108引导以便产生电能。电能用来重新充电储能装置2228。
传感器2232还可启动电操作阀2202。传感器2232可以是运动传感器、温度传感器或能够检测洁具2100附近环境内的一个或多个参数的任何其它形式或检测装置。在此实例中，传感器2232可以是能够检测运动的运动传感器。为了响应运动，传感器2221可使用来自储能装置2228的电能来启动电操作阀2202以便开启。储能装置2228可以随后通过从发电模块2110中的发电机由液体流动产生的电能充电。
图23是储能装置2228和功率控制器2230的实例的电路图。所示的储能装置2228包括第一储能装置2302、第二储能装置2304和第三储能装置2306。功率控制器2230包括处理器2308、第一充电开关2310、第二充电开关2312、第三充电开关2314、串联/并联开关2316和负载控制开关2318。在其它实例中，可以使用或多或少的储能装置。
第一、第二和第三储能装置2302、2304、2306可以是能够存储电能的任何装置。在所示实例中，第一储能装置2302是电池，第二和第三储能装置2304和21306是电容器以便使得充电性能最大。电容器可以是一个或多个电解质电容器或电化学电容器，例如超级电容器和/或超高电容器。在其它实例中，可以使用电池、电容器或电池和电容器的任何其它构造。每个第一和第二储能装置2302和2304和地线2320电连接。第三储能装置2306可以通过串联/并联开关2316和地线2320电连接。
处理器2308可以是能够实施指令以便监测输入并提供输出的任何形式的计算装置。处理器2308的输入包括由电能输入线2330上的发电模块2110(图21)内的发电机供应的输入电能。由发电机供应的电能可以是用一个或多个二极管整流以便为处理器2308提供DC电能的三相或单相AC电能。
处理器2308的其它输入包括用于第一充电线2332上的第一储能装置2302的第一充电指示和用于各自第二和第三充电线2334和2336上的各自第二和第三储能装置2304和2306的各自第二和第三充电指示。充电线2332、2334和2336为处理器2308指示各自储能装置2302、2304和2306内存储的电量。另外，在所示实例中，第一充电指示和第二充电指示作为输入各自提供给第一充电线2338和第二充电线2340上的处理器2308。第一充电指示提供作为第二储能装置2304的电容器的放电量。第二充电指示提供作为第三储能装置2306的电容器的放电量。
来自处理器2308的输出包括控制第一充电控制开关2310、第二充电控制开关2312和第三充电控制开关2314操作的控制信号。第一充电控制开关2310的启动可以将第一充电电压提供给第一充电线2342上的第一储能装置2302。当第二充电控制开关2312闭合时，第二充电电压可以提供给第二充电线2344上的第二储能装置2304。第三充电控制开关2314可以启动以便将第三充电电压提供给第三充电线2346上的第三储能装置2306。
处理器2308还可提供输出控制信号以便指示负载控制开关2318控制负载供应线2348上的电压。负载供应线2348可提供电能到负载。在此实例中，负载包括电操作阀2202(图22)和包括在电子模块2108中的电子器件(图21)。在其它实例中，任何其它负载可以由负载供应线2348供应。
负载供应线2348上的电能可以通过处理器2308从发电模块2110中的发电机和/或从一个或多个储能装置2302、2304和2306中存储的电能供应。例如，当发电机产生电能时，处理器2308可以提供电能直接到负载供应线2348上的负载上。另外，处理器2308可以提供充电电压以便通过发电机产生的电能充电一个或多个储能装置2302、2304和2306。另外，当例如发电机不产生电能(或者不产生足够电能)时，处理器2308可以将一个或多个储能装置中存储的电能提供电能到负载供应线2348上。
处理器2308还可在阀控制线2350上提供控制输出，以便控制电操作阀2202的操作。来自状态线2352上的处理器2308的输出可以提供操作状态。操作状态可包括错误指示、储能装置2302、2304、2306上充电状态、电操作阀2202的位置(图22)或者任何其它与操作相关的指示或参数。状态线2352可以和任何形式的用户界面连接，例如发光二极管(LED)、显示器、音频报警等。
串联/并联开关2316包括串联开关2356和并联开关2358。处理器2308可以提供输出以便指示串联开关2356和并联开关2358的操作。串联开关2356和并联开关2358可以并联构造或串联结构来构造第二和第三储能装置2304和2306。
在并联结构中，较小的放电电压可以通过第二和第三储能装置2304和2306单独供应到负载。在串联结构中，较大的放电电压可以通过第二和第二储能装置2304和2306的组合放电来供应到负载。处理器2308、充电控制开关2310、2312和2314、串联/并联开关2316以及负载控制开关2318可以采用专用集成电路(ASIC)。另外，可以使用分开的部件或分开的成组部件。
存储在存储器内的指令可以通过处理器2308实施以便提供第一、第二和第三储能装置2302、2304和2306的充电和放电控制。采用处理器2308进行控制可以取决于确定的阈值电压、确定的阈值充电水平以及由放电模块2110内的发电机供应的输入电能。
每个储能装置2302、2304和2306的确定阈值充电水平可以是根据单个储能装置的性能来确定的完全充电的状态。还可确定每个储能装置2302、2304和2306的第一、第二和第三放电水平阈值。每个放电水平阈值可以包括放电极限和放电终止。放电极限可以表示充电水平消耗到完全充电状态以下某些程度。放电终止表示充电消耗到最大所需充电消耗以下。
另外，处理器2308可以包括计时功能以便提供储能装置230、2304和2306的状态的指示。充电计时器可以通过处理器2308启动以便在一个储能装置充电时开始计时。根据充电的特定储能装置的充电线上的充电指示，充电计时器的计时可以用来确定完全充电的百分比、充电速度等。与充电相关的确定可以提供到状态线2352上。类似地，放电计时器可以通过处理器2308启动，以便在每个第二和第三储能装置2304和2306的放电循环中开始计时。各自放电线2338和2340上的放电指示可以被放电计时器使用，以便在状态线2352上指示每个第二和第三储能装置2304和2306的放电百分比、放电速度等。
当发电模块2110中的发电机产生电能时，处理器2308可有选择地充电一个或多个储能装置2302、2304和2306。例如，当在相对高压下液体流动相对高，发电机可以在相对高压下产生足够量的电能。在这些条件下，处理器2308可以同时启动第一充电开关2310、第二充电开关2312和第三充电开关2314以便充电所有的储能装置2302、2304和2306。另外，在产生较小或较低的电压电能时，处理器2308可启动比所有第一、第二和第三充电开关2310、2312和2314少的开关。
在操作中，当一个或多个储能装置2302、2304和2306中存储的电能在确定放电极限以上时，负载控制开关2318可以通过处理器2308启动，以便供应电能到负载上。当负载消耗电能，并因此使得一个或多个储能装置放电到放电极限以下时，处理器2308可通过阀控制线2350上的控制信号启动电操作阀2202(图22)以便开启。当负载供应线2348上的负载电能损失时，电操作阀2202(图22)可保持开启并且发电模块2110中的发电机可连续供应电能。另外在损失电能时，电操作阀2202可以闭合，来自发电机的输入电能可以停止并且来自储能装置2302、2304和2306的电能可以通过处理器2308使用，以便在状态线2352上指示错误。错误可通过例如闪光发光二极管(LED)指示。
在电能从一个或多个储能装置2302、2304和2306放电时，处理器2308可有选择地转换串联/并联开关2316，以便使得放电时间最大。另外，在出现放电时负载供应线2348上的电压可以通过有选择地转换串联/并联开关2316来保持，以便使得效率最大。另外，处理器2308可通过有选择地转换串联/并联开关2316将输出电压的大小转换成其它的电压大小。例如，来自大约6VDC的发电机输入电压可以通过处理器2308转换成3VDC。在另一实例中，从发电机供应的1.5VDC可以通过处理器2308转换成6VDC。
图24是储能装置2228和功率控制器2230的另一示例性电路图。在此实例中，功率控制器2230包括处理器2308。储能装置2228包括具有电连接到地线2410上的第一电容器2402、第二电容器2404、第三电容器2406和第四电容器2408的多个储能装置。在另一实例中，可以使用储能装置的其它构造和数量，例如电池代替第四电容器2408。
处理器2308可以通过充电控制线2412来控制第四电容器2408的充电和放电。第四电容器2408的充电可以采用电能输入线2330供应的电能。第四电容器2408的放电可以取决于由负载供应线2348供应的负载。负载可以包括电操作阀2202(图22)和/或电子模块2108(图21)中的任何其它电子器件。
处理器2308可以提供调节的输出电压到负载供应线2348上的负载上。负载供应线2348上供应的电能可以来自发电机、第一电容器2402和/和第四电容器2408。第二和第三电容器2404和2406可以提供负载供应线2348上存在的任何高频瞬变的噪声抑止。
与图23的实例类似，处理器2308可以监测第四电容器2408的电量消耗到充电极限程度以下并传输阀控制线2350上的控制信号，以便开启电操作阀2202(图22)。所得液流可以高RPM转动发电模块2110(图21)中的发电机，以便在电能输入线2330上产生电能。如果第四电容器2408上的电量消耗到放电终止程度，在状态线2350上可以产生错误，电操作阀2202(图22)可以断电，并且断开到达负载的电能。
图25是表示图22-23的功率控制器2230的示例性操作的流程图。在处理器2308中建立并存储去往负载的所需输出电压、所需充电水平和所需放电水平阈值(放电极限以及放电终止)时，在方框2502开始操作。在方框2504处，处理器2308可以实施指令以便监测电能输入线2330上的供应电压，以及储能装置2302、2304和2306的充电和放电电压。
在方框2506处，处理器2308确定供应电压的大小是否等于或大于去往负载的所需输出电压。如果供应电压大于所需输出电压，处理器2308启动一个或多个充电开关2310、2312和2314，以便从电能供应线2330供应电能，从而在方框2508处充电一个或多个储能装置2302、2304、2306。在方框2510处，处理器2308可以启动监测储能装置的一个或多个充电计时器2310、2312和2314。另外，在方框2512处，处理器2308可以使得电能从输入电能线2330供应到负载供应线2348上的负载。接着操作返回到方框2504，以便继续监测电压和充电。
如果在方框2506处，供应电压不大于或等于所需输出电压，在方框2518处，处理器2308确定输入电能线2330上的供应电压是否小于所需输出电压预定量。如果供应电压小于所需输出电压至少一个预定量时，在方框2520处，处理器2308使得一个或多个储能装置2302、2304、2306开始对存储电能线2332、2334和2336上的存储电量放电。处理器2308可以在负载供应线2348上提供作为输出电压和电流的存储电量，以便供应负载。在方框2522处，处理器2308启动放电计时器，以便监测电能从每个储能装置2302、2304和2306放电。操作接着返回到方框2504，以便继续监测电压和充电。
如果在方框2518处供应电压不小于所需输出电压，处理器2308确定所有的储能装置2302、2304、2306是否在方框2526处完全充电。如果所有的储能装置2302、2304、2306完全充电，在方框2528处，处理器2308确定电操作阀2202是否开启。如果电操作阀2202没有开启，操作返回到方框2504，并且监测电压。如果电操作阀2202开启，处理器2308在阀控制线2350上发送信号以便在方框2530处闭合电操作阀2202。当电操作阀2202闭合时，发电模块2100中的发电机停止产生电能。
在方框2532处，放电计时器复位并且操作返回到方框2504以便监测电压和充电。如果储能装置2302、2304和2306没有在方框2526处完全充电，在方框2536处，处理器2308确定任何储能装置2302、2304、2306是否放电到小于放电终止。如果储能装置2302、2304、2306放电到小于放电终止，在方框2538处，处理器2308中断输出电能线2348上的输出电能供应。另外，在方框2540处，处理器2308在阀控制线2350上发送信号，以便闭合电操作阀2202。在方框2542处，处理器2308在状态线2352上提供不充电储能装置2302、2304和2306的指令。操作接着返回到2504以便监测电压和充电。
如果在方框2536处，没有储能装置2302、2304和2306放电到小于放电终止，在方框2546处，处理器2308确定任何储能装置2302、2304和2306是否放电到小于放电极限。如果任何储能装置2302、2304和2306放电到小于放电极限，在方框2548处，处理器2308在阀控制线2350上发送控制信号，以便开启电操作阀2202。当电操作阀2202开启，发电模块2110内的发电机在电能输入线2330上产生电能。操作返回到方框2504，以便充电储能装置2302、2304和2306，并且从发电机将电能供应到负载。如果方框2546处，没有储能装置2302、2304和2306放电到小于放电极限，操作返回到方框2504并监测电压和充电。
在另一实例中，与图21类似，水力发电系统可以包括作为水龙头系统的洁具。水龙头系统可包括阀模块2106、电子模块2108和发电模块2110。发电模块2110中的发电机可以在发电模块2108中的至少一个储能装置中充电。包括在电子模块2108中的功率控制器可以进行直接充电，直到储能装置充电为止。这将使得水龙头系统在液体流过水龙头系统的时间周期以外使用存储电能。另外，如果水龙头系统不长时间使用时，简单瞬时手动按钮可造成液流转动发电模块2110中的发电机，以便重新充电储能装置。
在又一实例中，水力发电系统可包括作为淋浴头的洁具。淋浴头可包括无线电和/或其它防水电子器件。无线电可以是防水的，并包括AM、FM、致密盘或任何其它娱乐装置。水力发电系统包括与图9和10所示系统类似的结构。由在定子内转动的涡轮形成的发电机可以是为电容器、超级电容器或超高电容器充电的电源。这为不需要维护循环的电子器件提供电源，以便例如在电源是电池的情况下更换电源。淋浴头还可包括具有报警器和预热指示器的淋浴计时器，以便保持淋浴计时。报警器可用来保持淋浴的长度在预定时间内。另外，淋浴头可包括具有在进行淋浴时照亮的显示器的时钟。在没有液流的情况下，时钟可以由储能装置操作，而不照亮以便节省电能。
图26表示包括外壳体2602、内壳体2604、对中杆2606和喷嘴2608的水力发电系统12。内壳体2604定位在外壳体2602内形成的空腔2610内，并包括定位在内壳体2604的外表面2613上的多个浆叶2612。外壳体2602包括出口2614和内壁2616。图26所示的水力发电系统12的结构在许多方面与水力发电系统的所述实例类似。因此，出于简明目的，以下描述将集中在与所述实例不同之处。
在所示实例中，外壳体2602包括内壳体部分2618、喷嘴部分2620、排放部分2622和流动收集部分2624。内壳体部分2618形成相邻地围绕内壳体2604的一部分。浆叶2612靠近内壳体部分2618的内壁2616定位，以便减小流体阻力。如同所述实例那样，内壳体部分2618中的内壁2626可包括朝着出口2614引导液体的导管(未示出)。
喷嘴部分2620形成外壳体2602的顶部并构造成接收喷嘴2608。喷嘴2608定位成穿过外壳体2602并在内壳体2604的浆叶2612处引导大致垂直的液流。大致垂直的液流可以从喷嘴2608的喷嘴出口2626以良好限定的大致分层流动方式以相对高速排出。排放之后液流可大致保持具有喷嘴出口2626的直径。可因此减小液体飞溅，并且液流中的动能可以集中在相对小的区域内。
图27是包括外壳体2602、内壳体2604、对中杆2606和喷嘴2608的水力发电系统12的剖视侧视图。内壳体2604包括浆叶2612。外壳体2602包括内壳体部分2612、喷嘴部分2620、排放部分2622和流动收集部分2624。
在液流冲击浆叶2612之后，液流可进入排放部分2622。由于冲击，液流可变成具有一个直径的分散液流，该直径大于喷嘴出口2624的直径。另外，可通过冲击以及内壳体2604的转动产生液体飞溅。分散液流的直径(喷射图案)可以取决于液流速度和发电机上的电负载量。当在发电机上有小负载时，内壳体2604可相对自由转动。因此，分散液流的分散量相对小，例如相对于与喷嘴2608排出的液流同轴的中心轴线2702形成30度的分散角。相反，当具有大负载时，需要很大的力保持内壳体2604转动，并且分散液流的分散可造成分散角大到相对于中心轴线2702呈90度。无论负载如何，液体与浆叶2612的碰撞可产生液体飞溅以及分散液流。为了进行说明，假设分散液流的分散角是大约45度。在其它实例中，可以使用或大或小的分散角。
同样如图27所示的是冲击点2704和多个轨线矢量2706。冲击点2704可以是由喷嘴2608排出的良好限定的大致线性液流与浆叶2612碰撞的区域。轨线矢量2706表示液体根据分散角在与浆叶2612碰撞之后的路径。跟随更加靠近中心轴线2702的这些轨线矢量2706的液体可以直接进入收集部分2624，并引导到出口2614。
轨线2706中的液体进一步离开中心轴线2702，同时与排放部分26内的内表面2616碰撞。该液体有效地引导到出口2614以便减小流体阻力。另外，减小了由于与内表面2616喷嘴产生的液体飞溅。在排放部分2622，内表面2616构造成预定形状，以便有效地引导液体到出口并减小液体飞溅。因此，不需要前面所述的内表面2616上的导管。相反，第二部段2710内的内表面可保持大致平的，并成形用作反射器，并有效地从外壳体2602排出液体，并减小流体阻力。因此，空腔2610可保持大致干燥，其中液体流速在大约0.44升/分钟到大约4.16升/分钟的范围内。
如图27进一步所示，排放部分2622内的内表面2616可以构造成预定形状。预定形状可以取决于形成在每个轨线矢量2706和排放部分2622内的内表面2626之间的轨线流动角度2708。轨线流动角度2708限定成内表面2616和分散液流和由于与浆叶2612冲击造成的液体飞溅之后的轨线矢量2706相交处的角度。内表面2616的形状可以设计成将分散液流之后的轨线流动角度2708保持小于大约20度。根据制造容差和/或与液体相关的物理性能，通过加减5度来变化轨线流动角度2708。
所示实例中第二部段2710的内表面2616的形状构造成大致锥形的火箭喷嘴。内表面的形状可以取决于由于与转动浆叶2612冲击而造成的分散液流的模拟或分析。通过将分散液流之后的轨线流动角度2708保持在内表面2616的大约20度内，液体可保持在较少非分层流动的更加稳定的状态下。
更加稳定的状态使得空腔2610相对更快地排空。因此，外壳体2602的总体尺寸可以减小，并同时在液体从喷嘴2608排出时始终保持内壳体2602和外壳体2604大致干燥。另外，流出出口2614的液流由于与内表面和轨线实例2706的形状类似而具有某种大小的速度。另外，更加稳定的液流可以减小液体飞溅以及涡流，因此减小流体阻力，并使得动能最大程度地转换成转动动能。
外壳体2602的排放部分2622的形状还可用于水力发电系统的前面所述实例中。例如，参考图11的水力发电系统12，外壳体1102可转动90度，使得喷嘴1108垂直排放液流。另外，出口1114可以运动到与喷嘴1108相对的外壳体1102的壁上，并且外壳体可以重新成形以便对于大约29度或更小的轨线矢量来说实现轨线流动角度。在图21的示例性水力发电系统中，洁具2100的出口2104上游的外壳体12可简单地重新成形以便对于大约29度或更小的轨线矢量来说实现轨线流动角度。
水力发电系统的优选的实施例为包括在例如洁具或水处理系统的其它装置提供独立的电源。水力发电系统12提供从存在于流过水处理系统10的能量到电能量的有效转换。电能可以用来为水力发电系统内的电子器件和其它装置供电。另外，电能可以为例如水处理系统的其它独立系统供电。如本领域的普通技术人应该理解的，水力发电系统的应用不限于水，并且可以有利地用于其它的流体。
虽然参照具体的示例性实施例描述了本发明，但显然对这些实施例可以进行各种不同的变型和改变而并不背离本发明的精神和范围。附属权利要求包括所有的等价物，并用来限定本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种水力发电系统，包括外壳体；限定在外壳体内的内壳体，内壳体包括与第二轮毂接合的第一轮毂，以便在第一和第二轮毂内形成空腔，内壳体还包括构造成在第一和第二轮毂接合时保持在第一和第二轮毂之间的多个浆叶；不可转动地和外壳体连接并延伸通过内壳体的对中杆，内壳体可在外壳体内围绕对中杆转动；布置在内壳体内的发电机，其中发电机包括与对中杆连接的定子和与内壳体的内表面连接的转子，其中当内壳体转动时转子围绕定子转动；以及穿过外壳体的喷嘴，其中喷嘴构造成在浆叶处引导液流以便造成内壳体转动。
2.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，每个第一和第二轮毂具有在第一和第二轮毂接合时互锁的多个凸耳。
3.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，外壳体的内表面包括构造成减小外壳体内液体飞溅并将液体引导离开外壳体以便保持外壳体大致没有液体的导管。
4.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，内壳体包括构造成在空腔和外壳体之间形成流体连通的排放口，排放口构造成从空腔内排出液体，以便在内壳体转动时保持空腔大致没有液体。
5.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，每个浆叶大致是凹入的，并垂直于对中杆定位在内壳体的外表面上，并且从内壳体朝着外壳体向外延伸。
6.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，浆叶构造成相互接触，以便形成与内壳体同心的完整环。
7.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，浆叶各自包括具有第一倾斜表面和第二倾斜表面的支脚，其中第一和第二倾斜表面分别接触第一和第二轮毂。
8.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，每个浆叶包括表面和后表面，每个浆叶的表面接触另一浆叶的后表面，以便形成同心围绕内壳体的完整环。
9.如权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于，转子包括与磁体连接的保持环，保持环的一部分和磁体定位在每个第一和第二轮毂内。
10.一种水力发电系统，包括外壳体；定位成通过外壳体完全包围的内壳体，内壳体包括多个浆叶，浆叶构造成从内壳体的外表面朝着外壳体纵向向外延伸；与外壳体固定连接并延伸通过内壳体的对中杆，内壳体可在外壳体内围绕对中杆转动；布置在内壳体内的发电机，其中发电机包括定子和转子，定子与对中杆连接，并且转子与内壳体的内表面连接并当内壳体转动时围绕定子转动；以及外壳体的内表面包括构造成减小外壳体内液体飞溅的导管。
11.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，导管包括定位成螺旋图案的多个指形件，指形件形成为在外壳体内有效地收集液体飞溅。
12.如权利要求11所述的水力发电系统，其特征在于，指形件各自形成金字塔形构件，该构件从外壳体的内表面朝着内壳体向外延伸。
13.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，导管包括在内表面内形成螺旋图案的中心通道、外通道和多个分支通道，其中螺旋图案根据在内壳体转动时从内壳体飞溅的液体图案形成。
14.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，导管包括多个通道和多个指形件，指形件沿着通道定位以便有效地收集液体飞溅，并经由通道引导液体离开外壳体。
15.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，内壳体的转动可以进行监测以便提供液流的基于流动的测量值。
16.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，喷嘴定位成在内壳体和包括在外壳体内的出口之间穿过外壳体，并为液流提供大致与喷嘴出口直径大致相同的直径。
17.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，喷嘴构造成穿过外壳体定位，以便朝着包括在外壳体内的出口排放垂直液流。
18.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，导管构造成将液体引导离开外壳体，使得喷嘴和内壳体不浸入从喷嘴排出的液体中，并且在外壳体中保持空气空间。
19.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，还包括和发电机电连接的紫外线光源，其中定子包括多个分接头，分接头构造成在开始启动紫外线光源的启动电压和继续驱动紫外线光源的运行状态电压之间动态切换。
20.如权利要求19所述的水力发电系统，其特征在于，紫外线光源开始启动并在没有镇流器的情况下继续驱动。
21.如权利要求19所述的水力发电系统，其特征在于，紫外线光源是汞灯和冷阴极灯中的一种。
22.如权利要求10所述的水力发电系统，其特征在于，外壳体包括具有内表面的排放部分，内表面成形为在大约20度或更小的流动轨线角度上接收液体，其中通过排放部分接收的液体已经与浆叶碰撞。
23.一种水力发电系统，包括包括多个浆叶的内壳体，浆叶构造成从内壳体的外表面纵向向外延伸；不可转动地延伸通过内壳体的对中杆，内壳体可围绕对中杆转动；布置在内壳体内的发电机，其中发电机包括定子和转子，定子与对中杆连接，并且转子与内壳体的内表面连接并当内壳体转动时围绕定子转动；构造成在浆叶处引导液流以便造成内壳体转动的喷嘴；以及不可转动地与对中杆连接的外壳体，其中外壳体形成围绕内壳体的空腔，并包括排放部分，该部分构造成在液体冲击浆叶之后接收液体，并且排放部分成形为在引导流动轨线角度上接收液体，以便减小流体阻力。
24.如权利要求23所述的水力发电系统，其特征在于，流动轨线角度是大约20度或更小。
25.如权利要求23所述的水力发电系统，其特征在于，排放部分形成为大致锥形的火箭喷嘴的形状。
26.如权利要求23所述的水力发电系统，其特征在于，外壳体包括形成外壳体顶部并构造成接收垂直定位的喷嘴的喷嘴部分和构造成部分围绕壳体以便减小流体阻力的内壳体部分。
27.如权利要求23所述的水力发电系统，其特征在于，内壳体在空腔内以大约5000RPM以上的转速转动，并且排放部分构造成排放在大约0.44升/分钟和大约4.16升/分钟之间流动的液体，以便保持空腔大致干燥。
全文摘要
小型水力发电系统可以由液流产生电能。小型水力发电系统可包括具有多个浆叶的壳体，浆叶定位成从壳体的外表面向外延伸。系统还可包括喷嘴和延伸穿过壳体的对中杆。在来自喷嘴的液流引导到浆叶时，壳体可围绕对中杆转动。包括转子和定子的发电机可定位在壳体的空腔中。转子可以和壳体连接，并且定子可以和对中杆连接。转子可以高PRM围绕定子转动，以便在壳体转动时产生电能。电能可供应负载和/或可以存储在储能装置内。
文档编号H02K7/18GK101037985SQ20071008818
公开日2007年9月19日 申请日期2003年10月9日 优先权日2002年10月9日
发明者D·W·巴曼, T·L·劳珍黑塞尔 申请人:通达商业集团国际公司