流体动力能量产生系统的制作方法

专利名称：流体动力能量产生系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体动力能量产生系统。特别地，本发明涉及利用在液体介质中气体 浮力性质的流体动力能量产生系统(或水压能量转化系统)。
背景技术：
传统上，通过使用矿物燃料如煤、天然气和石油产生如电功率这样的电力。然而， 最近，由于化石燃料储备降低和它们用于发电的环境影响，用于发电的更加清洁的替换物 已变得更为流行。尽管它们是相当环境友好的事实，这些可选择的发电技术(太阳、风、海浪、地热 等)由于它们在发电上的效率不高、它们与现有矿物燃料技术相比建造成本高和它们缺乏 审美要求(如风农场)，而努力争取获得广泛接受。因此，如果能提供有效发电而对环境没有有害影响的装置将是有利的。将清楚理解的是，如果本文中引用现有技术公开文献，该引用并不构成对以下的 承认在澳大利亚或其它国家的本领域中该公开文献形成部分公知常识。贯穿本说明书，术语"包括"及其语法等价词应该是包括在内的意思，除非上下 文使用另有说明。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能量产生系统，其能克服至少一些上述缺点，或提供 有用的或者商业的选择。在本发明的宽泛方面，提供一种能量产生系统，其包括至少一个轴杆；与所述至 少一个轴杆相连并相对于所述至少一个轴杆可移动的浮力装置，其中浮力装置相对于所述 至少一个轴杆的移动引起该至少一个轴杆绕纵轴转动；用于增加流体至所述浮力装置和/ 或从所述浮力装置去除流体以引起浮力装置移动的装置；以及与所述至少一个轴杆相连的 发电装置。在本发明的一个方面中，提供一种能量产生系统，其包括容器，该容器至少部分 填充有第一流体；位于所述容器内的至少一个轴杆；与所述至少一个轴杆相连并相对与所 述至少一个轴杆可移动的浮力装置，其中浮力装置相对于所述至少一个轴杆的移动引起该 至少一个轴杆绕纵轴转动；用于增加第二流体至浮力装置和/或从浮力装置去除第二流体 的装置，该第二流体的密度与所述第一流体的密度不同；以及与所述至少一个轴杆相连的 发电装置。在本发明的优选实施方案中，至少一个轴杆绕纵轴的转动引起发电装置发电。第一和第二流体可以是任何适当的流体，条件是第二流体的密度与第一流体的密 度不同。典型地，第二流体的密度将小于第一流体的密度，但应理解为各流体密度差可用于 引起浮力装置移动。第一和第二流体可以是液体、气体或溶液，或其组合。在本发明的优选 实施方案中，第一流体是水(淡水或盐水)，第二流体是空气。
优选的是浮力装置相对于轴杆移动且轴杆原位转动。添加第二流体至浮力装置 时，在密度更大的第一流体内的浮力装置的浮力增加，浮力装置在容器中向上移动。随着第 二流体从浮力装置中去除，浮力装置的浮力减小并且浮力装置在容器中向下移动。浮力装 置可以包括任何适当装置，然而优选浮力装置包括可膨胀容器。在本发明的优选实施方案 中，浮力装置是不透水和不透气的，以防止第二流体泄漏至容器中与第一流体泄漏至浮力 装置中。如前所述，浮力装置与至少一个轴杆相连。浮力装置可以使用任何适当技术连接 至轴杆。然而，在本发明的优选实施方案中，浮力装置构造为基本圆筒形、环形或具有与空 心中央通道类似的任何其它形状。在该实施方案中，轴杆适于穿过浮力装置的空心中央通 道。在本发明的一些实施方案中，可能存在与一个或多个轴杆相连的多个浮力装置。浮力装置相对于至少一个轴杆沿任何方向的移动可能引起至少一个轴杆的转动。 适当地，浮力装置、或至少一个轴杆、或者两者用以增强至少一个轴杆的转动。在本发明的 一个实施方案中，浮力装置包括一个或多个用于与至少一个轴杆相接合、并随着浮力装置 相对于至少一个轴杆的移动而引起该至少一个轴杆转动的接合装置。接合装置可以是任何 适当形式，但是在本发明的优选实施方案中，接合装置包括一个或多个凸起，以用于接合轴 杆表面。优选地，一个或多个凸起成型，可以引起轴杆随着浮力装置相对于轴杆移动而转 动。在本发明的一些实施方案中，一个或多个凸起可以与轴杆外表面的余部 (complimentary portion)接合。轴杆外表面的余部可以是随着浮力装置相对于轴杆移动 而增强轴杆转动的任何适当形式。在本发明的一些实施方案中，轴杆外表面可以设置有沟 槽、沟道、或膛线等。在本发明的可选择性实施方案中，轴杆外表面可以设置有一个或多个 连续螺旋形沟道，其沿着至少部分轴杆长度延伸。在本发明的该实施方案中，浮力装置的一 个或多个凸起与轴杆的一个或多个螺旋形沟道接合。随着浮力装置相对于轴杆移动，轴杆 转动。所述至少一个轴杆中的每一个，可以具有一个或多个与其相连的浮力装置。浮力装置可以是任何适当的构造。然而，浮力装置优选被构造为当其至少部分填 充有第二流体时是有浮力的，并且去除第二流体时其密度比第一流体密度大。以此方式，根 据容器中所容纳的第二流体量，能使浮力装置在容器内向上移动，或者在重力作用下在容 器内向下移动。浮力装置可以构造为韧性可膨胀的舱，或可以是刚性容器，或可以是两者组 合。优选地，浮力装置成型为当其穿过容器中的第一流体时利于减小阻力。通过控制浮力 装置在容器内移动，根据需要，轴杆的转动能够基本保持连续，这意味着能通过发电装置连 续发电。在本发明的优选实施方案中，基于例如表面积和第一流体密度的浮力公式确定浮 力装置的尺寸。在重力作用下可以实现浮力装置在容器中向下移动。然而，在本发明的一些实施 方案中，浮力装置设置有重物如压舱物，以辅助浮力装置穿过容器向下移动。重物可以是任 何类型，尽管在本发明的一些实施方案中，重物由不锈钢或类似的耐腐蚀材料制成，由于它 们暴露于容器内所容纳的第一流体中。重物的质量可以由为驱动交流发电机并由此发电而 所需的扭矩确定。在本发明的其它实施方案中，浮力装置相对于轴杆的移动可以用于发电。在本发
5明的这些实施方案中，重物可以起到转子的作用，轴杆可以起到定子的作用，或者反之亦 然。可以使用任何适当的转子/定子设备，例如但不限于轴杆设置为永久磁铁或具有磁性 部分，重物/浮力装置设置为或使其具有一个或多个电磁线圈。以此方式，随着重物相对于 轴杆移动，可以产生电流。或者，浮力装置可以设置有磁性装置，并可以设置有浮力装置往复移动时其能够 穿过的一个或多个线圈。典型地，线圈将与轴杆同轴装配。该电流可以在能量产生系统内使用，或者可以用于除了能量产生系统以外的一种 或多种其它用途。在本发明的一些实施方案中，浮力装置设置有辅助浮力装置相对于轴杆平滑移动 的导向装置。导向装置可以是任何适当装置，例如与轴杆平行设置的导向杆。优选地，浮力 装置设置有用于接合导向装置、并辅助浮力装置平滑移动的任何适当形式的接合装置。浮 力装置与导向装置的接合以及导向装置，将优选为防止浮力装置转动，由此辅助至少一个 轴杆的受迫转动。优选地，轴杆的一端与发电装置相连。轴杆的另一端可以适当地与容器顶部或底 部相连，尽管轴杆另一端与容器表面固定连接不是必要的。虽然轴杆是连接的，轴杆在容器 内能绕纵轴自由转动是必要的。在本发明最优选的实施方案中，轴杆在容器底部与支撑物 例如轴承相连，而轴杆另一端与位于容器顶部的发电装置相连。容器可以是任何适当形式，例如但不限于罐。容器的精确尺寸对于本发明的作业 不是特别重要。或者，应该理解为容器同样可以是水塔、矿井、或者浸没在水体如湖或海洋 之中的管或圆筒、或者可以容纳流体的任何其它场所或装置。用于添加第二流体至浮力装置和/或从浮力装置去除第二流体的装置可以是任 何适当形式。然而，在本发明的优选实施方案中，发电系统设置有至少一个可以储存第二流 体的储存库。至少一个储存库可以是能容纳所需体积的第二流体的任何适当结构、形状或 尺寸。在本发明的优选实施方案中，发电系统设置有两个储存库。在该实施方案中，第一储 存库位于容器下部，第二储存库位于容器上部。更优选地，第二储存库位于容器中第一流体 表面水平处、或刚好在容器中第一流体表面水平之上、或刚好在容器中第一流体表面水平 之下。本发明的至少一个储存库可以设置在容器的内部或外部。两个储存库出现在本发明的实施方案中，第一储存库可以用于从外部源汲取第二 流体至容器。如果例如第二流体是气体，则该气体能从气体产生系统、气瓶、鼓风机、风扇等 汲取气体。如果第二流体是空气，它可以直接从大气中汲取。优选地，浮力装置与第一储存库和第二储存库均流体连通。在本发明进一步实施 方案中，第一和第二储存库还可以彼此直接流体连通。储存库间的流体连通、以及储存库和 浮力装置之间的流体连通可以使用任何适当方法实现，如通过供给管、软管、导管或第二流 体可以流通的任何其它适当装置。优选地，能量产生系统设置有第二流体可以流通的柔性 软管。该软管可以由任何适当材料制造。然而，在本发明的优选实施方案中，软管可以由耐 久性耐腐蚀材料制造。该材料可以包括塑料，例如但不限于聚丙烯。在本发明的一些实施方案中，能量产生系统可以设置有用于一个或多个用于管、 软管或导管等的遮盖装置。遮盖装置可以是任何适当类型。优选地，遮盖装置可以用于确 保防止管、软管、导管等与轴杆和/或移动中的浮力装置缠绕。
在本发明的替换性实施方案中，能量产生系统可以设置有一个或多个对接装置。 对接装置可以与第一和第二储存库中的至少一个相连。当浮力装置在容器内移动时，对接 装置可以用于与浮力装置相连接。当浮力装置与对接装置相接触时，第二流体可以直接输 送至浮力装置或从浮力装置转移至储存库，消除了对第二流体可以流经的管和/或软管的 需要。对接装置可以设置为仅在浮力装置与对接装置接触时用以驱动的任何适当的结构。通过使用任何适当的方法，第二流体可以在第一储存库和浮力装置之间流动。然 而，在本发明的优选实施方案中，第一储存库设置有迫使第二流体进入浮力装置的装置。优 选地，用于迫使第二流体进入浮力装置的装置包括一个或多个活塞。随着第二流体被强制 进入浮力装置，浮力装置变得有浮力并且在容器中上升。在移动上限，可以从浮力装置去除 第二流体。从浮力装置去除的流体优选流进第二储存库，不过其同样可以直接通至大气中 (如经由容器顶部排出)。从浮力装置去除流体使得浮力装置在重力作用下在容器中向下 移动。从浮力装置去除的流体可以储存在第二储存库中。在本发明的各种实施方案中， 第二储存库中的流体可以排出至大气中，以降低第二储存库中的流体压力；或者可以返回 至第一储存库，以使压力均衡，并减少为准备下一次浮力装置膨胀而必须从容器外部汲取 的流体量。在本发明的替换性实施方案中，在储存库之间和/或在储存库与浮力装置之间的 流体流动通过因储存库在容器内的相对位置而在它们之间产生的压力差来实现。例如，由 于第一储存库的位置位于容器的底部，第一储存库中的流体将比浮力装置中的流体压力 高。因此，当第一储存库和浮力装置之间的阀门开启时，流体在相对高压力的第一储存库和 相对低压力的浮力装置之间的流动将自然地产生。类似地，为了使第二流体从相对高压力 的浮力装置转移到相对低压力的第二储存库时，浮力装置和第二储存库之间的阀门开启自 然会导致流体在相对高压力的浮力装置和相对低压力的第二储存库之间流动。以此方式， 使需要从外部能量源增加至流体动力能量产生系统的能量最少。储存库中的阀门开启可以通过使用任何适当的技术得以实现，例如通过提供外部 电源(例如电池、电力网、发电机、太阳能电池、或飞轮系统等，或其任何组合)。然而优选 地，选择用电源驱动阀门，以最少化对于使用外部能量(即，不是通过本系统产生的能量) 或附加能量的需求。在本发明的一些实施方案中，所述第一和第二储存库中的至少一个设置有一个或 多个活塞。在本发明的该实施方案中，所述一个或多个活塞沿第一方向的驱动可以迫使流 体从储存库中流出并流入至浮力装置中，同时该一个或多个活塞沿第二方向的移动可以导 致流体从浮力装置中被汲取出并引入至储存库中。在本发明的优选实施方案中，所述两储存库均设置有一个或多个活塞。可以为各 储存库设置单独的驱动器，或者可以使用两个储存库所共用的驱动器。在本发明的一些实 施方案中，驱动与一个储存库相连的活塞以迫使液体从该储存库中流出可以同时驱动与另 一个储存库相连的活塞以汲取液体至该另一个储存库中。在本发明的该实施方案中，往复 运动柱塞(reciprocating ram)或“反向推进器”可以用于引起活塞同时驱动，不过熟练技 术人员将理解也可以使用任何其它适当技术。在本发明的优选实施方案中，用以互连储存库和/或互连储存库与浮力装置的所有管、软管或导管，都设置有一个或多个允许流体仅沿一个方向流动的装置。该装装置可以 是任何适当类型，如单向阀或止逆阀。发电装置可以是任何适当形式。优选地，轴杆与发电装置相连，使得轴杆转动引起 驱动发电装置。发电装置可以是任何适当形式，例如但不限于一个或多个发电机、涡轮或飞 轮系统。可以使用任何适当的装置或技术，以将轴杆的转动能量转移至发电装置。然而，在 本发明的优选实施方案中，使用棘轮嵌齿(ratchet-cog)系统将轴杆的转动能量转移至发 电装置。通常，棘轮嵌齿系统会防止轴杆沿至少一个方向转动。用于驱动第一储存库的一个或多个活塞的所需能量、和/或用于驱动位于互连储 存库和/或互联储存库与浮力装置的流路上的止逆阀的所需能量，可以由如电力网、电池 和发电机等任何适当的能量源提供。然而，在本发明的优选实施方案中，发电系统设置有至 少一个太阳能采集装置。在本发明的该实施方案中，太阳能采集装置可以提供至少部分用 于驱动一个或多个活塞、和/或一个或多个阀门所需要的能量。以此方式，能量需求代表附 加能量。一个或多个活塞的表面积可作为以下一个或多个变量的函数来确定要转移的第 二流体体积，第一流体密度，储存库和第一流体表面之间的距离，等等。对于根据本发明实施方案的能量产生系统(包括通过能量产生系统产生的功率 输出的总和)的设计的计算列于下面的表1和表2中。对于根据本发明实施方案的能量产生系统的能量和质量守恒计算示于下表3中。
9
CN 101925738 A说明书6/15 页
m OOI 评-V| 8Ι09900 I0\ N\ 6ζο IS jSSiOIlNm=0.738Lbft |I sauref 甲ΓΜ1Λ Μ OI(S縣XI Zui ^εI1 垛里 AVJO OOA WISHO |ΜV-m/sOwm8 9QI软管A=m2\osmzZ Pa-N/m2IOOOOSZ￡UI-紗 M/J6 .Ζ98￡00'0^ ri IO PM C § X I uiM&SC I= 3M0jqi|井 ζοιεο ZLfOOLtlZ1Λ tsI__Suj=V县渰I 挈革畢啭萆ISI ^oi=JBqii 100001εω垛里M/JI ￡990￡fl0'0I 苗碑·ΖΜΛ |t2； (Tl喜壤Zμ！ wdj-wja|e08Z8OI6II d<d osooz II 柃逝tlI ^m1I￥赵辇耍I\zeiZ0LZ9l I-R|εζ9εει |I sjBq ζ"Λ Nω-ξ^ AVJIiU II AV-AVd I换-丄货H-)\UL0AV^-dHISHOI(ojavsdBqs)I m\ Λ fnI S/BI-華苌 Λ|ΙεεεεεβΠ Ioosei II %·晬视I|ειεπζοο·ο |<n (NIIV-AVi 不\tL%ZSZ.￡6096Z0'￡I AV、~摊 Z!I 《淨軎ι-1\Lns9vu I社I MN-^IIiiIs/ω盈萆|O铋擧掩祸粜躲ZI 3000社 并 830 |8fr08U8乙Ο 丨6乙《00.0609630￡000I ZS S H mΙΛ <SI q*辟 1rt\=s/f=s/uiM|\L99Zd%Ltl IUiN Λmmd荮革站蓉II *氺驿去￥浜唞荖* ιI 芊V粱器彩敏 JfN m| 8109900<s USZ906WOS\ν ζζ1 但6￡Z886Z.0'01 mun 01 S^nM-J Z!萆莱羣Ii IL99Z0'iLiZ_S ISa κ ΓΟ IIsero￥㈣·Ι9 I丨 SU90.0I 封躲潷翥IsoI IDN-WZ|si(mssWl V t<%I 0.3551 W1II Γ N^ ^zlΛ|960'0Z I\ 9ΖΥ69 9 IS O0(样3>胺*η\ζ6Ζ0 II 卬楙幸辟耷￥宙琳止fei哉《铃凇躲Ir4fS OI ZM-kgm/s IO ΓΛ MI S/UIN-W 余 I\90vezzz ιI Y辑傘辟体《丑笤葡窜毋對担笼《特啉萆I女rj O<sS\οHCCS1Z￥羣荽9600ZUXUI-趟粜坍O(WI)胳印Osο> S O-EOOOS/UIK 'SfW 籑特J铯 -EON|6ΙΕ ts X mOv O(N m|m0800II(ukjN)老银I 茧帮I-Hε 坡 H Λ想 S邸 4MM OI fltiOS'tlllI l99Z0Uil\I i806邙·Π1Ι*I i99308Z.er|SΓ i806肌 τ ]H Λ ON|56Ζ J-WO；Q OI ￡Ui/3>I0qj-nIlI ^=UiN *蓬冶鉴办阽钽研醉勘拟阖萆翠唞萆*]I昌g\ 甭琳辨IIεI 睪实封母斟I1BI (a^I)帘擲吉聆贺II 採/傘幹fl\ wmmI 摒/f 樹.呤(sdB3-2 jnd/o ra^od οχ) 裸-Z/RJ勘吉聆贸Γ 去Si咎猞荽莓衮II (躲薔兹谇箬萆ιm昌εC i簽？iC^ii明罌拟-取)i(i軍贸坫躲I 《贫铋土闻I iNH ^N Cf) J皿on
及用于添加流体至所述浮力装置和/或从所述浮力装置去除流体以引起浮力装置移动的 装置；并且其中至少一个工作轴的转动是由浮力装置沿与至少一个工作轴基本垂直的方向 移动引起的。在本发明另一方面，提供一种能量产生系统，其包括容器，该容器至少部分填充 有第一流体；导向装置；发电装置，其包括至少一个与所述导向装置相连的工作轴；与所述 导向装置相连的浮力装置；用于添加第二流体至所述浮力装置和/或从所述浮力装置去除 第二流体的装置，第二流体具有与第一流体密度不同的密度；并且其中至少一个工作轴的 转动是由浮力装置沿与至少一个工作轴基本垂直的方向移动引起的。如所述，浮力装置与导向装置相连。浮力装置可以以任何适当方式与导向装置相 连。然而，在本发明的优选实施方案中，浮力装置构造为基本圆筒形、环形或具有与空心中 央通道类似的任何其它形状。在该实施方案中，导向装置可以适于穿过浮力装置中的空心 中央通道。或者，浮力装置可以设置有一个或多个用于将浮力装置连接至导向装置的连接 装置。连接装置可以固定连接于浮力装置、导向装置、或两者。然而优选地，连接装置用于 允许导向装置和浮力装置沿至少一个方向彼此相对移动。连接装置可以是任何适当结构。 例如，连接装置可以包括基本圆筒形、环形或具有与空心中央通道类似的导向装置可以穿 过的形状。或者，连接装置可以包括至少暂时可移动地夹紧或固定浮力装置至导向装置的 任何适当形式。导向装置可以是任何适当类型或结构。例如，导向装置可以包括固定装置、可移动 装置、或其组合。在本发明的一些实施方案中，导向装置可以包括至少一个伸长构件，其从 位于或临近浮力装置的移动上限延伸至位于或临近浮力装置的移动下限。伸长构件可以是 任何适当形式，例如但不限于链、缆绳或线等。在本发明的一些实施方案中，导向装置可以与导向装置可以在其上缠绕和/或解 开的一个或多个存储装置(如圆筒、卷筒或锭子等)相连。或者，导向装置可以设置为无端 环(endless loop)的形式。在本发明的该实施方案中，导向装置可以与一个或多个用于确 保导向装置正确围绕其环线追踪的追踪装置相连。追踪装置可以是任何适当形式，例如但 不限于滑轮等。在本发明的优选实施方案中，在导向装置底端设置一个追踪装置，同时在导 向装置顶端设置第二追踪装置。在本发明的优选实施方案中，所述追踪装置中至少一个可以适于移动，如绕追踪 装置的轴转动。在本发明的一些实施方案中，至少一个工作轴可以与至少一个可转动的追踪装置 相连。在本发明的该实施方案中，追踪装置的转动可以引起至少一个工作轴的转动。优选 地，至少一个工作轴与发电装置相连，使得至少一个工作轴的转动引起发电装置发电。优选将至少一个工作轴以与浮力装置移动方向基本垂直的角度设置。由于优选浮 力装置的移动方向为基本垂直方向，因此优选至少一个工作轴基本水平设置。在本发明的一些实施方案中，浮力装置可以适于相对于导向装置沿至少一个方向 移动。在本发明的另一实施方案中，浮力装置沿至少一个方向的移动可以引起导向装置的 相应移动。优选地，浮力装置的移动引起导向装置仅沿一个方向的相应移动。在本发明的 该实施方案中，当浮力装置沿第二方向移动时，导向装置保持静止。引起导向装置相应移动 的浮力装置的移动方向并不关键，虽然在本发明的优选实施方案中，浮力装置向下移动引起导向装置相应移动，而当浮力装置向上移动时导向装置保持静止。导向装置的相应移动可以使用任何适当技术得以实现。优选地，浮力装置(或其 中存在的连接装置)设置有用于在浮力装置沿一个方向移动时接合导向装置的接合装置。 可以使用任何适当的接合装置，例如但不限于一个或多个夹钳、夹子、或棘轮等，或其任意 组合。优选地，当浮力装置仅沿一个方向移动时，接合装置用于与导向装置接合。由此，优 选为接合装置包括一个或多个棘轮。当浮力装置移动引起导向装置相应移动时，可以迫使导向装置绕其环线移动。因 为导向装置沿其环线移动，导向装置的移动引起至少一个追踪装置转动。可转动追踪装置 优选为与至少一个工作轴相连，意味着追踪装置转动引起至少一个工作轴转动，由此将移 动转移至发电设备并引起发电。优选地，可转动追踪装置设置有用于在追踪装置和导向装 置之间改善夹紧的夹紧装置，由此确保追踪装置随着导向装置移动而转动。第一和第二流体可以是任何满足第二流体密度不同于第一流体密度的适当流体。 典型地，第二流体密度低于第一流体密度，但是应当理解各流体密度差可用于引起浮力装 置移动。第一和第二流体可以是液体、气体或溶液，或其组合。在本发明的优选实施方案中， 第一流体是水(淡水或盐水)，第二流体是空气。浮力装置可以是任何适当结构。然而，是浮力装置优选被构造成当至少部分填充 有第二流体时是有浮力的，并且当去除第二流体时浮力装置比第一流体密度大。以此方式， 根据容器中所容纳的第二流体量，能使得浮力装置在容器中向上移动，或在重力作用下在 容器中向下移动。浮力装置可以构造为韧性可膨胀的舱，或可以是刚性容器，或可以是两者 组合。优选地，浮力装置成型为当其穿过容器中的第一流体时利于减小阻力。通过控制浮 力装置在容器内的移动，根据需要，能基本连续保持轴杆的转动，这意味着可以通过发电装 置连续发电。在本发明的优选实施方案中，基于例如表面积和第一流体密度的浮力公式，确 定浮力装置的尺寸。浮力装置在容器中向下移动可以通过重力作用实现。然而，在本发明的一些实施 方案中，浮力装置设置有重物如压舱物，以辅助浮力装置在容器中向下移动。重物可以是任 何适当类型，尽管在本发明的一些实施方案中，重物是由不锈钢或类似的耐腐蚀材料制成 的，由于它们暴露于容器内部所容纳的第一流体中。在本发明的一些实施方案中，重物可以 形成浮力装置的部分(或全部)基座。重物的质量可以由驱动交流发电机并由此发电所需 要的扭矩来确定。因此，能量产生或捕获可以通过至少一个工作轴沿两个方向转动发生。由 此，浮力装置向上或向下移动可以导致至少一个工作轴产生或捕获能量。在本发明的一些实施方案中，浮力装置设置有有助于浮力装置相对于导向装置平 滑移动的定位装置。定位装置可以是任何适当装置，例如与导向装置平行设置的杆、缆绳、 或链等。优选地，浮力装置设置有用于接合定位装置、并辅助浮力装置平滑移动的任何适当 形式的接合装置。接合装置可以由任何适当材料制成。然而，优选接合装置适于耐腐蚀。并 且，优选接合装置是被润滑或自动润滑的。因此，在本发明的优选实施方案中，接合装置可 以由适于海洋环境的高密度塑料制成。在本发明的优选实施方案中，定位装置由耐腐蚀材 料制成。可以使用任何适当材料，例如但不限于不锈钢。在本发明的一些实施方案中，可以是多个浮力装置与一个或多个导向装置相连。能量产生系统操作的控制可以使用任何适当技术实现。例如，能量产生系统的操作可以手动控制。在本发明的优选实施方案中，能量产生系统的操作可以使用适当的自动 装置来控制。在本发明的一些实施方案中，能量产生系统可以设置有电子控制系统如分布 式控制系统(Distributed Control System，DCS)。在本发明的该实施方案中，优选电子 控制系统设置有一个或多个用户界面。用户界面可以是任何适当形式，例如但不限于一个 或多个屏幕、控制面板、仪表板、或键盘等，或其任意组合。优选地，用户界面包括一些装置 (例如按钮、开关、或控制杆等)，以允许用户采用手控方式来消除系统的自动控制，并完成 例如但不限于启动、终止或重启系统等某些功能。优选地，在使用自动控制系统的本发明实施方案中，可以在自动和手动控制模式 之间切换系统。自动控制系统可以使用任何适当电源例如但不限于电力网、发电机、或电池等、或 其任意组合来供电。在本发明的一些实施方案中，至少部分用于控制自动控制系统的电力 可以通过能量产生系统产生。在使用控制系统的本发明实施方案中，有必要提供从容器外延伸至容器内的电缆 (如电线等)。在本发明的该实施方案中，优选为电缆可以埋设于容器壁和/或基座中，以 确保装置不漏水以及没有流体能泄漏至容器中或从容器中泄漏。然而在另一方面，本发明广泛在于一种能量产生系统，其包括容器，该容器至少 部分填充有第一流体；一个或多个隔室设置于该容器内部，其中防止第一流体进入该一个 或多个隔室；导向装置；发电装置，其包括有至少一个与所述导向装置相连的工作轴，该至 少一个工作轴至少部分位于一个或多个隔室内；与导向装置相连的浮力装置；用于添加第 二流体至所述浮力装置和/或从所述浮力装置去除第二流体的装置，第二流体密度不同于 第一流体密度；其中至少一个工作轴的转动是由浮力装置沿与至少一个工作轴基本垂直方 向的移动引起的。在本发明的一些实施方案中，导向装置可以设置有一个或多个用于提升工作轴转 速的装置。可以使用任何适当的装置。在本发明的优选实施方案中，导向装置设置有一个 或多个重物。优选地，一个或多个重物位于一个或多个隔室中。由此，导向装置移动时，一 个或多个重物的质量引起导向装置移动速度增加，从而增加工作轴的转速。一个或多个重 物的移动可以被控制，或可以为自由落体或近似为自由落体(考虑到浮力装置在第一流体 中的移动阻力)。然而，一般而言，由于在第一流体的压力下从浮力装置中去除第二流体，浮 力装置的阻力被最小化。此外，一个或多个重物的移动还可以引起一个或多个装置(例如压缩机)驱动。可 以使用任何适当的压缩机。由一个或多个装置所产生的压力可以被储存，然后在适当的时 候被释放至任何适当的可转动的装置或发电装置(例如涡轮机)上。在本发明的一些实施方案中，可以设置多个浮力装置。在文中所述的本发明所有方面和所有实施方案中，发电装置可以设置于系统内的 任何适当位置处。在本发明的一些实施方案中，发电装置可以位于系统的上部区域中(例 如，在容器顶端，或甚至在容器上方)。或者，发电装置可以设置于系统的下部区域中(例 如，在容器底端，或甚至在容器下方)。将发电装置设置于容器下部区域中的益处(即，在地 平面上)是，减少发电装置所需的支撑结构，以及增加进入发电装置的容易性以利于维修 等目的。


参考以下附图描述本发明的实施方案，其中图1说明根据本发明实施方案的能量产生系统的剖面图；图2说明根据本发明实施方案的浮力装置的细节图；图3说明根据本发明实施方案的第一储存库的细节图；图4说明根据本发明替换性实施方案的第一储存库的细节图；图5说明根据本发明实施方案的能量产生系统的剖面图；图6说明根据本发明替换性实施方案的能量产生系统的剖面图；图7-8说明根据本发明实施方案的工作轴和传动装置；图9说明根据本发明替换性实施方案的发电系统；图10-12说明根据本发明实施方案的往复运动柱塞组件；图13说明根据本发明实施方案的转子/定子组件。
具体实施例方式应当理解所提供的附图是为了说明本发明优选实施方案的目的，而不应认为本发 明仅限于附图中所示的特征。在图1中示出根据本发明实施方案的能量产生系统10。能量产生系统10包括 水罐形式的容器11和绕纵轴可转动的轴杆12。轴杆12具有螺旋形状(helical screw shape) 13。该轴杆在其底端与允许轴杆12绕其纵轴自由转动的轴承16相连。在顶端，轴 杆12与飞轮系统形式的发电装置17相连。轴杆12的转动能量可以通过使用棘轮嵌齿系 统20转移至发电装置17。可膨胀舱形式的浮力装置14与轴杆12相连。浮力装置14设置有线或杆形式的 导向装置15，以辅助浮力装置14相对于轴杆12平滑移动。系统10设置有位于容器11下部的第一储存库18和位于容器11上部的第二储存 库19。第一储存库18经过进气口 21从大气汲取空气。一旦第一储存库中的压力达到预定 值，活塞22驱动，迫使空气经过第一软管23进入浮力装置14。当浮力装置14被来自第一 储存库18的空气所充胀时，其开始在容器11中向上移动，因为空气密度使得浮力装置14 比容器11中的流体25 (如淡水或盐水)密度小。由此依次引起轴杆12旋转和发电装置17 驱动，由此发电。当浮力装置14达到起移动上限时，可以迫使浮力装置14中的空气流经第二软管 24进入第二储存库19。当将空气从浮力装置14去除时，在压舱物(未示出)的协助下浮 力装置14受重力作用在容器11中向下移动。由于空气从浮力装置14中去除，浮力装置14 变得比容器11中的流体25密度大，因此浮力装置在流体25中下沉。浮力装置14向下移 动引起轴杆12旋转，并驱动发电装置17，由此发电。如果第二储存库19中的压力过高，在第二储存库19中储存的空气可以通过排气 口 26排出至大气中。或者，空气可以从第二储存库19通过第三软管27流进第一储存库18 中，以至于浮力装置14达到其移动下限、并必须被来自第一储存库18中的空气再次膨胀 时，较少的空气必须被汲取至第一储存库18中。
所有软管23、24、27都设置有止逆阀28，以确保空气在系统10内可以仅沿一个方 向流动。根据需要，容器11可以设置有通风装置29。容器11还可以设置有进入平台31以 及梯子30形式的进入装置，使得可以根据需要对系统10进行维护。系统10可以进一步设置有太阳能采集装置32，以产生所需用于驱动活塞22和止 逆阀28的至少部分能量。太阳能采集装置32所产生的能量，还可以用于为灯或指示灯33 供电以显示系统10的位置。在图2中示出根据本发明实施方案的浮力装置14。浮力装置14包括可膨胀舱34。 该图示出了可膨胀舱34处于膨胀35和紧缩36时的壁面形状。空气经过软管23进入舱34 中，并经过软管24离开舱。浮力装置14进一步包括与舱34相连的套筒37，其设置有凸起(未示出)以用于 接合轴杆12的螺旋(helical screw) 13，由此引起轴杆12随着浮力装置14相对于轴杆12 移动而旋转。套筒37设置有压舱物38，例如在舱34紧缩时辅助浮力装置14向下移动的不 锈钢重物。浮力装置14与杆形式的导向装置15相连。浮力装置14包括一对接合装置39，其 接合导向装置15并辅助浮力装置14相对于轴杆12平滑移动。图3中示出根据本发明一个实施方案的第一储存库18。经过进气口 21汲取空气 至储存库18。储存库18包括与弹簧40相连的活塞22，活塞22设置有用以防止流体泄流 的密封垫41。当施压时，如沿箭头42的方向施加静水压时，活塞向储存库18左侧移动，压缩弹 簧40并迫使流体从流体出口 43流出。设置马达44以使活塞22反向移动。储存库18可以使用固定装置45固定至容器(未示出)底部。图4中示出第一储存库18的替换性结构。在本发明的该实施方案中，储存库18 被容置于含有第一流体25的容器11内。空气通过进气口 21进入储存库18并保持于储存 库18内的腔室46中。该储存库包括活塞22，活塞22向储存库18左侧的移动迫使腔室46 中的空气通过空气出口 43排出。活塞22的移动是由驱动轴杆48旋转的马达47的启动得以实现，该轴杆在其外表 面上设置有螺旋。马达47通过棘轮和嵌齿机构49将转动能量转移至轴杆48。在容器11 内表面上，机构49设置有弹簧加载密封垫50。驱动器51可以用于控制止逆阀28的开启和关闭以及马达47的驱动。图5中示出根据本发明实施方案的能量产生系统10，其中存在一对浮力装置14。 各浮力装置14与其各自的轴杆12相连，并可以彼此独立地在容器11中向上和向下移动。在图6中，说明本发明替换性实施方案。在本发明的该实施方案中，浮力装置60 包括圆柱形套筒状的连接装置61，链形式的导向装置62穿过该连接装置61。链62设置为 无端环，且与上部追踪装置63和下部追踪装置64相接。上部追踪装置63和下部追踪装置 64均为滑轮形式。上部追踪装置63可以经由支架65固定在容器(未示出)的顶壁(未示 出)，而下部追踪装置64可以经由支架66固定至容器(未示出)底壁(未示出)。连接装置61设置有棘轮形式的接合装置(未示出)，当浮力装置60沿向下方向移 动时，接合装置与链62的链节接合。由此，随着浮力装置60向下移动，链62也移动，从而
16引起上部追踪装置63和下部追踪装置64两者均沿顺时针方向转动。上部追踪装置63和 下部追踪装置64设置有一系列与链62的链节形状相应的锯齿状缺口 67。以此方式，链62 处于锯齿状缺口 67中并咬紧追踪装置(63，64)，由此确保追踪装置(63，64)转动。在图5中所示的本发明实施方案中，工作轴68与上部追踪装置63相连，使得上部 追踪装置63的转动引起工作轴68转动。工作轴68与浮力装置60移动方向基本垂直设置。 工作轴68与发电装置(未示出)相连，使得工作轴68的转动转移至发电装置(未示出)， 由此引起发电。在本发明的该实施方案中，可以设置缆绳形式的定位装置69。浮力装置60可以通 过缆绳69所穿过的第二连接装置70与定位装置69相连。缆绳69确保浮力装置60平滑 移动。在图7和8中，说明轴杆12和传动装置71。轴杆12具有螺旋形状13，而传动装 置71设置有具有多个凸起73的钻孔72，凸起73用于与轴杆12表面中的螺旋形沟道紧密 咬合。在使用中，轴杆12从钻孔72中凸出(如图8中所示)，传动装置71用于与浮力装置 (未示出)相连，使得浮力装置移动引起凸起73与螺旋形沟道咬合，由此引起轴杆12随着 浮力装置相对于轴杆12移动而转动。图9说明根据本发明替换性实施方案的能量产生系统74。系统74包括容器75， 其具有“湿”隔室(即填充流体的)76和一个或多个没有填充流体于其中的“干”隔室(在 这个实例中，一对干隔室77、78)。干隔室可以与容器75 —体化形成，或者可以分离地形成 并安装在那。干隔室可以由任何适当材料制造，例如但不限于混凝土、钢、玻璃纤维、塑料或 其任意组合。系统74进一步包括一对具有可紧缩的气囊状结构的浮力装置79。浮力装置79与 用以确保浮力装置79在容器75内向上和向下平滑移动的导向装置89相连。在图9中说明的本发明实施方案中，流体储存库86设置于容器75的底部。空气 形式的流体通过入口 87进入储存库86，而离开浮力装置79的流体则通过阀门88排出。排 出的流体可以被排除至大气中或再循环到储存库86中。每一个所述浮力装置79适于与链或绳索80的一端连接。重物82连接至链或绳 索80的另一端。链或绳索80与一系列的滑轮81相连，使得当浮力装置79膨胀与填充有 流体时，浮力装置79的浮力大于重物82的质量，并且浮力装置79在容器中上升。当浮力 装置79紧缩时，重物82的质量大于浮力装置79的浮力，并且浮力装置79在容器75中下沉。在图9中说明的本发明实施方案中，重物82设置于干隔室77、78中。这样设置有 很多理由，包括通过将重物82设置于干隔室77、78中，重物82沿向下方向的速度增加，因 此通过系统74产生的能量增加。重物82与第二绳索或链83相连，使得重物82的垂直移动引起第二绳索或链83 绕一对链轮84转动。为了产生动力(例如电功率)，由第二绳索或链83转动产生的转动能 量被转移至发电装置85 (如涡轮机等)。在图10中，说明根据本发明实施方案的往复运动柱塞组件90。往复运动柱塞组件 90包括通过轴承92支撑的普通轴杆91。轴杆91的一端93用于连接如马达等提供旋转的 装置(未示出)。轴杆91夹撑在支架94和基座95上。主动轮96通过键97固定至轴杆91。主动轮96具有与界面轮(interface wheel) 100上的齿轮相匹配的齿轮98。设置输送 轮101，其具有与主动轮96的齿轮相匹配的齿轮102，输送轮101和主动轮96可以在轴杆 91上转动或者固定。界面轮100设置于第二轴杆103上，该轴杆具有在原位夹持该轮的夹子104和闭 锁装置105。轴杆103装配有与凹槽99咬合的棘轮装配销(ratchet assembly pins) 106。 当轴杆103逆时针方向转动时，轴杆103与界面轮咬合。类似地，当轴杆103顺时针方向转 动时，轴杆103从凹槽99中脱离。由主动轮96的转动引起界面轮的移动。当没有负载时， 输送轮101经由界面轮100相对于主动轮96自由转动。然而，当施加扭矩于主动轮96时， 界面轮100被咬合并咬合输送轮101，以与主动轮96相同的方向转动。优选地，驱动往复运 动柱塞组件90的电力是附加的。在图11中，说明安装在容器107外部(以及其底部)的储存库106。储存库106 包括在储存库106内自由移动的活塞盘108。活塞盘108连接至一组波纹管109，压缩该波 纹管109以加压由出口 110离开储存库的空气，并且当活塞盘108由驱动杆112扩展时允 许空气通过单向阀111进入，驱动杆112在点113处与图10中的往复运动柱塞相连或由其 驱动。在图12中，说明第一储存库114和第二储存库115。这些储存库114、115设置于容 器(未示出)底部。各储存库114、115设置有与驱动杆117相连的一对活塞盘116、116A。 依次地，驱动杆117与往复运动柱塞118相连。一对活塞盘116、116A有效地将各储存库 114、115分为两个隔室，各隔室可用于保持相同或不同的流体。驱动往复运动柱塞118以迫使活塞盘116、116A在第一储存库114中向下通过第 一入口 119同时通过第二出口 120引入流体，而活塞盘116、116A向上移动迫使流体通过第 一出口 121流出储存库114同时通过第二入口 122流进储存库114中。类似设置存在于第 二储存库115中。往复运动柱塞118可以通过液压油缸123供电。优选地，液压油缸仅提供部分电 力至往复运动柱塞118。优选地，往复运动柱塞118可以使用附加电力供电。在图13中示出根据本发明实施方案的转子/定子组件。在本发明的该实施方案 中，浮力装置(未示出)经由缆绳125与转子124相连。转子124起到压舱物的作用，使得 流体从浮力装置(未示出)中去除时，转子124的重量引起浮力装置下沉。由此，随着转子 124相对于定子轴126向下移动，产生电流。类似地，当浮力装置(未示出)膨胀时，浮力装置(未示出)的浮力大于转子124 的重量，浮力装置(未示出)上升。随着转子124相对于定子轴126向上移动，产生电流。本领域技术人员会理解，本发明容许除了具体描述的那些以外的改变和修饰。应 当理解，本发明涵盖所有这样的改进和修饰，所有这些均落入本发明的精神和范围内。
18
权利要求
一种能量产生系统，包括至少一个轴杆；与所述至少一个轴杆相连且相对于所述至少一个轴杆可移动的浮力装置，其中所述浮力装置相对于所述至少一个轴杆的移动引起所述至少一个轴杆绕纵轴转动；用于添加流体至所述浮力装置和/或从所述浮力装置去除流体以引起所述浮力装置移动的装置；以及与所述至少一个轴杆相连的发电装置。
2.一种能量产生系统，包括容器，所述容器至少部分填充有第一流体；位于所述容器 内的至少一个轴杆；与所述至少一个轴杆相连且相对于所述至少一个轴杆可移动的浮力 装置，其中所述浮力装置相对于所述至少一个轴杆的移动引起所述至少一个轴杆绕纵轴转 动；用于添加第二流体至所述浮力装置和/或从所述浮力装置去除第二流体的装置，所述 第二流体的密度与所述第一流体的密度不同；以及与所述至少一个轴杆相连的发电装置。
3.根据权利要求1或2所述的能量产生系统，其中所述至少一个轴杆绕纵轴的转动引 起所述发电装置发电。
4.根据权利要求2或3所述的能量产生系统，其中所述第二流体的密度小于所述第一 流体的密度。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的能量产生系统，其中所述第一流体是水，所述第二流体是空气。
6.根据前述权利要求中任一项所述的能量产生系统，其中添加所述流体至所述浮力装 置引起所述浮力装置在所述容器中上升，而从所述浮力装置去除所述流体引起所述浮力装 置在所述容器中下沉。
7.根据前述权利要求中任一项所述的能量产生系统，其中所述浮力装置包括所述轴杆 适于穿过的空心中央通道。
8.根据前述权利要求中任一项所述的能量产生系统，其中所述至少一个轴杆在其外表 面上设置有一个或多个螺旋形沟道。
9.根据权利要求8所述的能量产生系统，其中所述浮力装置包括一个或多个凸起，所 述凸起用于接合所述至少一个轴杆外表面上的所述一个或多个螺旋形沟道。
10.根据前述权利要求中任一项所述的能量产生系统，其中所述流体储存于一个或多 个储存库中。
11.根据权利要求10所述的能量产生系统，其中所述一个或多个储存库与所述浮力装 置是流体连通的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的能量产生系统，其中所述系统包括两个或多个 浮力装置。
13.一种能量产生系统，包括导向装置；发电装置，其包括至少一个与所述导向装置 相连的工作轴；与所述导向装置相连的浮力装置；以及用于添加流体至所述浮力装置和/ 或从所述浮力装置去除流体以引起所述浮力装置移动的装置；其中所述至少一个工作轴的 转动是由所述浮力装置沿与所述至少一个工作轴基本垂直的方向移动引起的。
14.一种能量产生系统，包括容器，所述容器至少部分填充有第一流体；导向装置；发 电装置，其包括至少一个与所述导向装置相连的工作轴；与所述导向装置相连的浮力装置； 用于添加第二流体至所述浮力装置和/或从所述浮力装置去除第二流体的装置，所述第二 流体的密度与所述第一流体的密度不同；其中所述至少一个工作轴的转动是由所述浮力装 置沿与所述至少一个工作轴基本垂直的方向移动引起的。2
15.根据权利要求13或14所述的能量产生系统，其中所述浮力装置包括所述导向装置 适于穿过的空心中央通道。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的能量产生系统，其中所述导向装置包括伸长 构件。
17.根据权利要求16所述的能量产生系统，其中所述伸长构件是链、缆绳、或线等。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的能量产生系统，其中所述浮力装置的移动引 起所述导向装置的相应移动。
19.根据权利要求18所述的能量产生系统，其中所述浮力装置沿第一方向的移动引起 所述导向装置的相应移动，而所述浮力装置沿第二方向的移动不引起所述导向装置的相应 移动。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的能量产生系统，其中所述导向装置与一个或 多个可转动追踪装置相连，使得所述导向装置的移动引起所述一个或多个可转动追踪装置 的转动。
21.根据权利要求20所述的能量产生系统，其中所述可转动追踪装置用于与所述工作 轴相连，使得所述可转动追踪装置的转动引起所述工作轴的转动。
22.一种能量产生系统，包括容器，所述容器至少部分填充有第一流体；一个或多个 隔室位于所述容器内，其中防止所述第一流体进入所述一个或多个隔室；导向装置；发电 装置，其包括至少一个与所述导向装置相连的工作轴，所述至少一个工作轴至少部分位于 所述一个或多个隔室内；与所述导向装置相连的浮力装置；用于添加第二流体至所述浮力 装置和/或从所述浮力装置去除第二流体的装置，所述第二流体的密度与所述第一流体的 密度不同；其中所述至少一个工作轴的转动是由所述浮力装置沿与所述至少一个工作轴基 本垂直的方向移动引起的。
全文摘要
一种能量产生系统，包括至少一个轴杆；与所述至少一个轴杆相连且相对于所述至少一个轴杆可移动的浮力装置，其中该浮力装置相对于所述至少一个轴杆的移动引起该至少一个轴杆绕纵轴转动；用于添加流体至所述浮力装置和/或从所述浮力装置去除流体以引起所述浮力装置移动的装置；以及与所述至少一个轴杆相连的发电装置。
文档编号F03B17/00GK101925738SQ200880125663
公开日2010年12月22日 申请日期2008年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者詹姆斯·夸克 申请人:詹姆斯·夸克