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流体相对动能获取方法与装置

阅读:852发布:2020-12-24

专利汇可以提供流体相对动能获取方法与装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 作为一个颠覆性发明,公开了 流体 动能 获取方法与装置,包含有一个带动 力 的运动载体以及安装在运动载体上的数个流体动能获取与转化装置,在动力作用下驱使运动载体运动,从而使原本静止流体获得动能,并被流体动能获取与转化装置获取,实现 能量 放大或者节能效果。根据运动相对性原理,静 风 静 水 静流体对于运动载体有巨大动能,根据逆风无动力小车原理,化阻力为动力,实现净能量的获得。本发明从多种 角 度低成本无污染提供了多种流体动能获取方法与技术。本发明还引入引 流管 ,使得静风静水获能简 化成 自然态流水、风的能量提取,不用考虑阻力耗能得不偿失问题。为配套整个发明,顺便提供了2款高效能闭式风轮。本发明将取代现有以矿物 燃料 为主各种常见 能源 ,开启能源新时代。,下面是流体相对动能获取方法与装置专利的具体信息内容。

1.流体相对动能获取的方法,如图6,将数个流体相对动能获取与转化装置2固定在自身带有动的运动载体1上,运动载体1在动力驱使下运动从而使流体相对动能获取与转化装置2工作获取能量,其方法特征:
a,运动载体1要消耗能量;
b,原本静止流体相对运动载体产生流场;
c,流体流经流体相对动能获取与转化装置对装置做功,装置获得能量并且所得大于所失,既能获取净能量,能量放大倍数大于1;
d,如果获取能量用于对外输出,则c项获取净能量一定要大于a项消耗能量,如果获取能量仅限于给运动载体如交通工具提供动力,则c项获得净能量可小于a项消耗能量;
e,运动载体可以是作平动、旋转或者以上复合的复杂运动载体;
f,流体相对动能获取与转化装置分为叶轮式、压电式等,只要处在相对流场(静流场)获得净能量均可,叶轮式能将流体相对动能转化成叶轮动能再转化成所需能量形式,又分为叶轮发电式、叶轮动能式、叶轮空压机式、叶轮复合式等,压电式能将流体动压转化成电能,以上均具有能量放大特性;
g,所处流场是人为设计出来的理想流场,远远优越于自然界产生的的流场,建立在此基础上的流体动能获取与转化装置不同于用在自然态的类似装置具有其所独有结构设计特点,也是本专利所保护范围。
2.基于升力理论的一种高效闭式风轮,如图1、图2,其制造方法特征在于:
a,风帽3不仅有低阻引流外形,而且做的比较大,使得升力在基本不变情况下阻力减小;
b,低阻薄风轮叶片1弦长随半径增加而增加,叶尖处弦长最大,这样可通过增加静压作用面积提高升力;
c,相邻叶片距离适中,以叶片上下静压差较大、风干扰影响式微为前提,尽可能提高叶片数,提供最佳升力,当然在b,c点设计思想下也可以将数片叶片设计成1片螺旋形弯曲风轮;
d,低阻设计的闭环2与叶片1叶尖紧邻,闭环2阻隔叶尖1上下气流混流,从而大大提高叶尖处升力;
e,整个风轮需整体低阻设计,必要时进口做引流增风设计;
f,上面多种措施最基本为b,d,可以在此基础上增加越多越好;
g,另外,本制造方法在增加了导风装置后经适当改造也可以用于自然状态风能的高效捕捉也是本专利保护范围。
3.一种新型高效阻力型闭式风轮制造方法,如图3,在风轮半径大于1/2处,设有数个呈凹形流线形风槽1,风槽1两边设有内外薄圆筒5、4,其中内圆筒5与风槽1刚性固定在一起,外圆筒4不随风槽1转动,之间留有间隙,且有约1/4圆周或不到露出以进风,内圆筒
5、风槽1通过连接件7与动力输出轴3刚性连接,上下圆盖6、2压住、保护内外圆筒5、4、风槽1等,保证进入气流不容易从上下圆盖6、2与内外圆筒5、4中流出,其特征在于:
a,风槽1安装在风轮靠近外圆部分,不到风轮半径的一半;
b,风槽1凹形设计以及左右上下构成封闭流道,风不易散逸,更大程度转变成风轮转动能量,提高能效;
c,外圆筒减阻引流设计,不仅可以降阻而且可以增能,提高能效;
d,在风槽1、内外圆筒5、4构成封闭流道尾部动压较小,根据需要在外圆筒4部分位置挖空也可以;
e,内圆筒5形状不必非要标准圆柱体,类似于回转体也可以;
f,同时具有上面a,b,c三点或在此基础上适当改造成d或e;
g,用于自然态风能捕捉,至少需增加导风装置也是本专利保护范围。
4.忽略流体相对动能获取与转化装置阻力做功的一种引流管制造安装方法,其特征是:
a,运动载体运动方向与升力型叶轮轴流方向相垂直;
b,引流管从叶轮正后部或侧后部引入为佳,也允许从正面、侧面、斜向引入;
c,引流管截面为圆形或类圆形,大小与叶轮进口处相同或略大;
d,引流管处于外部流场中,外形也应该是低阻流线型,除非外部流场产生阻力极小;
e,总之,使用本方法可以使得流体对叶轮只做正功不做负功,对引流管即使做负功也比较小,在保留本思想前提情况下,工程技术人员可以有所改动创新创造,这也是本专利所保护范围。
5.基于权项1利用交通工具行驶本身产生相对流体动能其动力解决方案一个优选方法是将数个风(水)力机固定在交通工具上,风(水)力机在行驶过程中获得能量传递给交通工具补充动力,且获得能量具有如下特征,在设定时速实现交通工具行驶“零”能耗,超过该速度还能补充低速能量亏欠,不到这个速度可实现节能行驶;
用于发电优选利用轨道列车发电,方法是:如图9,火车2在动力作用下在轨道1上行驶,产生相对流场,通过连接件4固定在火车2上数个风(水)力发电机3在一定速度时叶轮转动开始获取电能,通过自身电缆5、弓6输送到架空电缆7上再输送到送变电站8适当整理调整再输送到电网或用户,其特征是获得电力远远大于列车行驶消耗的能量。
6.基于权项1优选旋转获能方法是:将数个流体动能获取与转化装置对称安装在带动力的旋转载体至少一个圆盘某半径处,当旋转载体在动力驱动下旋转时,流体动能获取与转化装置获得电能,其特征在于:
a,在原地,不发生位移;
b,获得能量超过旋转体消耗的能量;
c,当旋转本身作为机器必须运动时,实现“零”能耗或节能也是专利保护范围。
7.基于权项1在交通工具上优选旋转获能方法:将带叶轮的旋转载体安装在交通工具上,数个叶轮式流体动能获取与转化装置安装在旋转载体的数个圆盘上,当交通工具行驶到某个速度叶轮转动,叶轮转动驱使旋转载体旋转带动安装在其上的流体相对动能获取与转化装置获能,其方法特征在于:
a,经过平动与旋转2次放大,获取的能量具有2次放大效应;
b,在叶轮获得能量低于所需时,其特征在于可以另外增加辅助动力装置,以使得最终获取能量满足要求。
8.基于1的叶轮空压机制造空压方法:将数个叶轮空压机安装在运动载体上,运动载体在动力作用下运动,旋转叶轮使得叶轮动能转化成空压机空压能,其特征在于:
a,空压机制造空压能量来自于叶轮,而叶轮能量来自运动载体运动产生流体流场给其做的功,具有能量放大或节能特性;
b,给叶轮做功的流体不局限于空气,可以是水或其他;
c,处在相对流场中空压机由于受到流场流体对其做负功,要求处在流场中空压机要有流线型低阻外表,进风口降速、变向或安装流体动能获取与转化装置以吸收风能等;
d,空压机、叶轮可以是任意形式的,叶轮动力只要能实现空气压缩均可;
e,空压机所处运动载体是任意形式;
f,数个叶轮可以给一个空压机供能,也可以一个叶轮给数个空压机供能;
e,空压机上一些零部件可以转移到运动载体上或者转移到其他地方,使得效果更好。
9.流体相对动能获取装置,如图6,将数个流体相对动能获取与转化装置2固定在自身带有动力的运动载体1上,运动载体1在动力驱使下运动从而使流体相对动能获取与转化装置2工作获取能量,其特征:
a,运动载体1要消耗能量;
b,原本静止流体相对运动载体产生流场;
c,流体流经流体相对动能获取与转化装置对装置做功,装置获得能量并且所得大于所失,既能获取净能量,能量放大倍数大于1;
d,如果获取能量用于对外输出,则c项获取净能量一定要大于a项消耗能量,如果获取能量仅限于给运动载体如交通工具提供动力,则c项获得净能量可小于a项消耗能量;
e,运动载体可以是作平动、旋转或者以上复合的复杂运动载体;
f,流体相对动能获取与转化装置分为叶轮式、压电式等,只要处在相对流场(静流场)获得净能量均可,叶轮式能将流体相对动能转化成叶轮动能再转化成所需能量形式,分为叶轮发电式、叶轮动能式、叶轮空压机式、叶轮复合式等,压电式能将流体动压转化成电能,以上均具有能量放大特性;
g,所处流场是人为设计出来的理想流场,远远优越于自然界产生的风、水的流场,建立在此基础上的流体动能获取与转化装置不同于用在自然态的类似装置具有其所独有结构设计特点,也是本专利所保护范围。
h,包含有带动力的运动载体1和不止一个流体相对动能获取与转化装置2,其中后者通过连接件固定在运动载体1上。
10.基于升力理论的一种高效闭式风轮,如图1、图2,其制造装置特征在于:
a,装置由数片风叶1与动力输出轴4刚性相连,在叶尖处紧邻闭环2,输出轴4前端通过轴承固定或直接固定有较大直径的风帽3,后部与风轮动能转化装置(没画出)如变速器(非必要)、发电机相连,整个风轮通过动力轴4、动力轴上轴承、连接件与运动载体(没画出)相连,闭环2可以与叶轮一起转动或固定在运动载体上,两种连接方式只能选一种。
b,风帽3不仅有减阻引流作用,而且做的比较大,使得升力在基本不变情况下阻力减小;
c,低阻薄风轮叶片1弦长随半径增加而增加,叶尖处弦长最大,这样可通过增加静压作用面积提高升力;
d,相邻叶片距离适中,在叶片上下面静压差较大、流动干扰影响式微情况下,尽可能提高叶片数,提供最佳升力,当然在b,c点设计思想下也可以将数片叶片设计成1片螺旋形弯曲风轮;
e,低阻的闭环2与叶片1叶尖紧邻,闭环2阻隔叶尖1上下气流混流,从而大大提高叶尖处升力;
f,整个风轮需整体低阻流线型外形,必要时进口做引流增风设计;
g,本风轮用于自然状态风能的高效捕捉要增加导风装置。
11.一种新型高效阻力型闭式风轮,如图3,其结构特点是在风轮半径大于1/2处,设有数个呈凹形流线形风槽1,风槽1两边设有内外薄圆筒5、4,其中内圆筒5与风槽1刚性固定在一起,外圆筒4不随风槽1转动,之间留有间隙,且有约1/4或不到圆周露出以进风,内圆筒5、风槽1通过连接件7与动力输出轴3刚性连接,上下圆盖6、2压住、保护内外圆筒5、
4、风槽1等,保证进入气流不容易从上下圆盖6、2与内外圆筒5、4中流出。其特征在于:
a,风槽1安装在风轮靠近外圆部分,大小不到风轮半径的一半,使得动压主要作用在风轮靠近外圆部分而不是整个风轮半径处都受到动压推动,可以在动压基本不变情况下,风轮转速变慢同时风阻降低;
b,风槽1凹形设计以及左右上下构成封闭流道,促使动压能不散逸,更大程度转变成风轮转动能量,提高能效;
c,外圆筒(如图3)低阻引流设计,不仅可以降阻而且可以增能,提高能效;
d,在风槽1、内外圆筒5、4构成封闭流道尾部动压较小,根据需要外圆筒4可部分开孔泄风;
e,内圆筒非标准圆柱体,可根据需要为回转体也可;
e,增加导风装置可用于自然态风能捕捉。
12.忽略流体相对动能获取与转化装置阻力做功的一种引流管装置,其制造结构安装技术特征是:
a,运动载体运动方向与升力型叶轮轴流方向相垂直;
b,引流管从叶轮正后部或侧后部引入为佳,也允许从正面、侧面、斜面引入;
c,引流管截面为圆形或类圆形,大小与叶轮进口大小一致或略大;
d,引流管外形是低阻流线型,除非所处流场能量密度相对较小;
e,总之,使用本引流管,流体对叶轮只做正功不做负功,对引流管即使做负功也比较小,在保留本核心思想前提下,工程技术人员可以有所改动创造创新,这也是本专利所保护范围。
13.基于9利用交通工具行驶本身产生相对流体动能其动力解决装置一个优选装置是将数个风(水)力机固定在交通工具上,风(水)力机在行驶过程中获得能量传递给交通工具补充动力,且获得能量具有如下特征,在设定时速实现交通工具行驶“零”能耗,超过该速度还能补充低速能量亏欠,不到这个速度可实现节能行驶;
用于发电优选利用轨道列车发电,其装置是:如图9,火车2在动力作用下在封闭轨道
1上行驶,产生相对流场,通过连接件4固定在火车2上的数个风(水)力发电机3在达到一定速度时叶轮转动开始获取电能,通过自身电缆5、角弓6输送到架空电缆7上再输送到送变电站8适当整理调整再输送到电网或用户,其特征是获得电力远远大于列车行驶消耗的能量。
14.基于权项9优选旋转发电装置是:将数个流体动能获取与转化装置对称安装在带动力的旋转载体上至少一个圆盘的某半径处,当旋转载体在动力驱动下旋转时,流体动能获取与转化装置获得电能,其特征在于:
a,包含有带有动力能产生旋转的运动载体,旋转载体至少包含有一个圆盘,圆盘某半径处对称分布数个流体动能获取与转化装置;
b,旋转载体有低阻外形;
c,相邻叶片流场不发生干扰;
d,装置在原地转动,不发生位移;
e,获得电力超过旋转体消耗的能量,当旋转本身作为机器规定运动时,实现“零”能耗或节能也是专利保护范围。
15.基于权项9在交通工具上优选旋转获能装置:将带叶轮的旋转载体安装在交通工具上,数个流体动能获取与转化装置安装在旋转载体的数个圆盘上,如图12,交通工具9通过数个连接件8、轴承、轴承外套4等与带叶轮旋转载体刚性连接,交通工具9行驶驱使叶轮1转动,经过变速机构2驱使旋转载体旋转带动安装在数个圆盘7某半径处的数个流体相对动能获取与转化装置3获能,其特征在于
a,经过平动与旋转2次放大,获取的能量具有2次放大特性,获得大得多能量;
b,当叶轮获得能量低于所需时,其特征在于可以另外增加辅助动力装置如电机6、减速箱5,以使得最终获取能量满足要求;
c,平动、旋转载体均需要低阻外形。
16.基于权项9叶轮空压机获能装置:如图13将数个带叶轮1的空压机6通过数个连接件7安装在运动载体8上,运动载体8在动力作用下运动,旋转叶轮1、变速机构2(非必要)、经叶轮动力输出轴3、传动机构4(非必要)使使空压机动力输入轴5得到动力,压缩空气获得空压能,其特征在于:
a,空压机制造空压能量来自于叶轮,而叶轮能量来自运动载体运动产生流体流场给其做的功,具有能量放大或节能特性;
b,给叶轮做功的流体不局限于空气,可以是水或其他;
c,处在相对流场中空压机由于受到流场流体对其做负功,要求处在流场中空压机要有流线型低阻外表,进风口降速、变向或安装流体动能获取与转化装置以吸收风能等;
d,空压机、叶轮可以是任意形式的,叶轮动力只要能实现空气压缩均可;
e,空压机所处运动载体是任意形式;
f,空压机上一些零部件可以转移到运动载体上或者转移到其他地方,使得效果更好。
17.必须特别强调在保留本发明核心思想的前提下,适当增加、减少、叠加、变动,有所创新、创造、结合其他技术使之更符合各种实际需要,这是必要的,也是本专利保护范围,如现有交通工具动力改造,两种风轮复合以及复合运动背景下的复合风轮等等。

说明书全文

流体相对动能获取方法与装置

技术领域

[0001] 本发明具体涉及能源领域---流体相对动能领域,在静止的流体介质环境里,通过创建一个运动参照系从而使流体产生动能,再通过安装在运动系上的流体动能获取与转化装置获取流体能量并转化成所需能量形式。本发明开辟了一个全新能源领域---完全环保的流体相对动能领域,静静流体能源领域。

背景技术

[0002] 由于错误理解能量守恒与转化定律或者不熟悉化阻为动力在流体相对动能领域的应用,人类对动能的工业化应用局限在风与流水方面,对于静水、静止空气以及静止流体的相对动能获取几乎从未涉足,给依赖本领域技术的进步带来影响,制约能源的发展,同时给环境带来无可估量的损害。

发明内容

[0003] 为解决上述问题,本发明提供了化小部分能量创建一个运动系从而使周围流体介质(如空气、水)产生相对动能,再通过安装在运动系上的数个流体动能获取与转化装置获取流体能量并转化成所需形式。本发明特征就是以小博大,化小能量开启流体巨大的能量库,再从中获取大于付出小能量的适当能量为我所用,但在特殊情况下如交通工具行驶过程中,即使获得能量小于付出也能实现交通工具大幅度节能,这个也是本发明的目的之一,只要利用本技术节能效果优于现有水平也是本专利保护范围。必须特别指出,本发明创建的运动系使得原本静止流体产生了巨大动能已经超越能量守恒与转化定律的适用范围,但是流体动能的获取转化依然遵循能量守恒与转化定律。本发明一般来讲主要就是利用流体动能的相对性,通过主动消耗一部分能量创建一个运动系从而使流体如空气、水产生巨大动能,再通过流体的动能获取与转化装置提取、转化,实现能量放大或节能。
[0004] 具体来讲本发明技术方案如下:
[0005] 流体相对动能获取的方法与装置,如图6,包括有动力驱动的一个运动载体1,以及在运动载体1上安装数个流体动能获取与转化装置2。其运行机理见图7,在动力装置驱动下,运动载体开始运动从而使得周围流体对运动载体产生相对动能,这个相对动能被安装在运动载体上数个流体动能获取与转化装置部分获取并转化成所需能量形式,实现能量放大或节能。本发明用于交通工具,获取能量可用于驱动交通工具,可实现交通工具行驶的零能耗或者大幅度节能,甚至可以使交通工具成为一个能源站;本发明用于能源生产,以小能量换取大能量,可为社会提供所需电力或者其他形式的能量。
[0006] 一般来讲,驱动动力可以是电力、空压甚至是处在相对运动中的风(水)能等等,只要能驱动运动载体运动均可,本发明不作规定;流体一般来讲是静风、静水,也可以是其他静止流体,尤其是低粘度的,本发明均不作规定;本发明所创建的运动参照系,可以通过平动运动如交通工具来创建,也可以通过旋转来产生,甚至可以通过平动、旋转复合运动来产生如平动+旋转,平动+旋转+自转,平动+陀螺运动等等,这些都是合适的,本发明也不作规定。
[0007] 本发明所需流体相对动能获取与转化的装置可以有多种,最常见的有叶轮电机,如风(水)力发电机,也可以是带叶轮空压装置,甚至可以是利用压电效应的压电装置等等均可,装置一般有两部分组成,前一部分用于获取流体动能,后一部分将其转化成适当形式,当然也可以是一体式的。本装置特征在于当流体流经该装置,对装置做功,使装置获取能量而且获得的能量一定大于装置本身受到阻力消耗的能量,即装置具有能量放大特性。叶轮可以是升力型、阻力型或者是复合型,可以是多个叶片、多级组成,可以是翼型、凹形也可以是螺旋形等均可,只要安装在运动载体上具有能量放大特征均可,本发明不作规定。必须特别指 出,利用本技术本方法制造的流体动能获取与转化装置不同于现有的利用自然风、流水获能的风力机、水电设备,利用静水静风发电一般来讲所面对的流场都是恒定的理想的,是人为设定的,而自然界风、流水不仅能量密度小,而且变化无常的,两者面对工况根本不同,普通的风力发电风轮一般有导风装置,而且风轮叶片必须对较大范围内的风速都有尽可能高的风能利用率,有微风启动装置,电器控制系统极其复杂,除此之外,变化的输出功率也可能给电网带来很大影响。而本发明静风发电所处流场一般来讲非常稳定、理想,不需要导风机构,升力型一般来说不需要变桨距结构,叶片有更大的扭转度,风力发电机尺寸小但所发的电大而稳定,控制也极其简单。在水力发电领域,本发明所处静水流场,相对流速一般大且稳定,一般不用考虑静压,属于稳定高速径流发电;不存在枯水丰水期,发电功率可以稳定,发电时间可控;水流恒定,不需要复杂进水调节控制,电气控制都比较简单,这些都是和传统水力发电不一样的。与传统水(风)力发电根本不同的地方,静风静水发电阻力要消耗能量,但通过适当技术应用完全可以使阻力耗能影响式微或者没有影响。综上所述,本发明所需(静)流体动能获取与转化装置与现有(动)流体动能获取与转化装置(如风力、水力发电设备)有本质不同,本装置发明方法、本装置所特有的结构技术特点也是本专利所要保护的,如制取流体相对动能专用的不同于现有的风(水)力机静风静水获能装置,都属于本发明的保护范围。
[0008] 通过上述方案,本发明根据运动相对性原理,创建一个运动系使得流体具有巨大动能,根据逆风无动力小车原理,创建数个流体相对动能获取与转化装置,获取流体能量,达到小能量撬动大能量,小付出实现大所得。
[0009] 流体相对动能获取的方法与装置,彻底解决了人类生存与发展的两大瓶颈问题,一个是能源供应,一个是环境保护。使用本发明,静风静水就是一个巨大的免费能量库,取之不尽用之不竭,用于能源生产,没有原料投入,没有中间体产生,也没有最终产物生成,除了带走能量,(如果提取空压能,最终也是要回归自然。)不对环境有任何影响,是真正的原生态生产方式。因此本发明提供能源不仅清洁环保廉价而且永不衰竭,本技术是一种颠覆性能源生产技术,必将彻底改变能源业发展格局,创造历史。
[0010] 为全面促进提升流体相对动能的获取效率,本发明针对现有升力型风轮拘泥于贝茨理论,获能效率不高这一现实,本发明从另一种思路出发,从做功定义,力、力臂、转速出发,针对现有风轮设计缺陷,提供两种新型高效能风轮,一种是基于升力理论新型闭式风轮,另一种新型阻力风轮。
[0011] 为全面推广本发明,针对工程技术人员基于缺少叶轮阻(推)力的资料或者受老教材影响不容易理解,本发明通过改变流体的引流方向,回避了这个问题,使得叶轮获取能量的同时不用考虑升力叶轮的阻力(推力)耗能,仅仅考虑引流管受到阻(推)力在运动方向上的分量,这样可以利用现有相关设备、技术用于风能水能获取,至于流体流经引流管作用在管子的力,通过巧妙设计,化阻力为动力,创造主动力,可以使得阻(推)力影响忽略不计。
[0012] 总之,本发明不仅从多种角度提供流体相对动能解决方案,而且针对现有风轮效率不高提供2种回归本源的设计思路方法、装置,针对现有知识体系对静风静水静流体获能理解有困难的地方,本发明提供绕弯方案,把静风静水静流体获能在技术上等同于自然态风能水能开发应用,从而为流体相对动能的迅速推广开辟了道路。附图说明
[0013] 为了更清楚地说明本发明的具体实施或现有技术,下面对实施例或现有技术描述所需要的附图作一简要说明。
[0014] 图1,本发明实施例所公开的一种基于升力理论高效闭式风轮结构示意图正视图。
[0015] 图2,本发明实施例所公开的一种基于升力理论高效闭式风轮结构示意图侧视图。
[0016] 图3,本发明实施例所公开的一种新型高效阻力型闭式风轮结构示意图。
[0017] 图4,本发明实施例所公开的一种忽略流体相对动能获取与转化装置阻力做功的正后向引流 管安装图。
[0018] 图5,本发明实施例所公开的一种忽略流体相对动能获取与转化装置阻力做功的侧向引流管安装图。
[0019] 图6,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的结构示意图。
[0020] 图7,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的工作流程图
[0021] 图8,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的优选平动交通工具动力循环流程图。
[0022] 图9,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的平动轨道发电结构示意图。图10,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的旋转发电装置结构示意图正视图。
[0023] 图11,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的旋转发电装置结构示意图侧视图。
[0024] 图12,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的交通载体上旋转发电结构示意图。
[0025] 图13,本发明实施例所公开的基于流体相对动能获取方法与装置的叶轮空压机结构示意图。

具体实施方式

[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
[0027] 本发明根据运动相对性原理,通过创建一个运动系从而使原本静止的流体如空气、水具有巨大的动能,再根据逆风无动力小车原理,通过安装在运动载体上的数个流体动能获取与转化装置将流体的能量化阻力为动力、化负功为正功提取出来,获取比阻力消耗大的能量。
[0028] 由于长期以来对热力学第一定理的误解,流体相对动能制造技术长期得不到研究重视,动能的利用也仅限于自然状态下的风能、水能,从制造技术上讲,两者没有本质区别,主要区别在于流体相对动能制造技术是一主动流体动能获取技术,需要付出一定能量创建一个运动系此后才能获能,获得的流场是完全根据需要设计出来的理想流场,远比自然态流场优越得多,因此获得的能量数量、质量要比自然态被动利用的风能水能强得多,成本却要便宜得多,控制也简单得多。同时在静风静水相对流场中,由于有位移,受到的阻力要消耗能量,因此处在流场中的流体相对动能获取与转化装置必须进行低阻设计成流线型,使得获得能量大于阻力消耗,这个就是相对流场(静流场)中动能获取与转化装置不同于自然态流场装置的最本质区别,这种特性可以称之为这个装置能量的放大特性,其值也就是获能与耗能之比称为放大倍数,是个大于1的数字,其差值为相对动能获取与转化装置获得的净能量值。一般来讲,现代三叶片风轮在正常运行中阻力系数也就是推力系数小于0.1,而其能效系数一般在0.25到0.45之间,因此可以看出在正常工作态,三叶片风轮的能量放大倍数在2.5到4.5之间,净能效系数在0.15到0.35左右。高速径流水轮机水阻系数也就是推力系数可以设定为0.08,能效系数为0.8左右或更多,因此其能量放大系数在
10左右,净能量获取效率在0.7左右。由于流体相对动能获取需要创建一个运动系,故实际净能量获取还需要考虑创建该运动系消耗能量综合来定。
[0029] 风轮能效虽然符合贝茨理论,但仅仅是巧合,同样性质水轮能效就完全不符合贝茨理论,从力学分析来讲贝茨理论与风轮实际受力完全不符合,贝茨理论用到冲量定律说明轴向推力是风轮获得能量来源,实际轴向推力是风动压产生的,是阻力耗能,与事实不符,风轮获得能量是叶轮上下面静压差做功的结果,这两个力是性质完全不同的两个力,这种静压做功特质并没有在贝茨理论中得到任何反应提及。只有阻力型风轮是轴向推力给风轮做功,但是轴向阻力是半面做正功半面做负功,靠的是风轮凹凸形状产生轴向阻力矩差做的正功也与贝茨理论不符合,故叶轮型相对动能获取与转化装置能效必须从贝茨理论误区中走出来,本发明从基本做功概念出发,提供2款高效风轮设计方法以及制造装置,工程技术人员可以根据需要在此基础上适当创新、综合都是可以的,本发明不作规定。实施例一、二给出了新型高效 风轮的设计方法与制造装置。
[0030] 流体相对动能获取的方法与装置所需流场没有特别要求,一般低黏度静止流体均可以,本发明实施例中以静风、静水为例来说明,并不意味其他流体用于本发明就不受本专利的保护。
[0031] 流体相对动能获取的方法与装置所需运动参照系有多种可以是平动运动系也可以是旋转运动系,甚至可以是两者复合运动的运动系,工程技术人员可以根据需要选用,本发明不作规定,实施例四、五给出的平动系,实施例六给出的旋转系,实施例七给出的复合系,实施例八并未指定参照系,可以是任意运动系。
[0032] 流体相对动能获取的方法与装置所需核心设备流体相对动能获取与转化装置可以有多种多样:1,叶轮+转化装置,其中转化装置不定,可以是发电机、可以是动能传动装置、可以是空压机等;2,利用压电效应的压电装置等均可,其特征:1,本身能获取净能量;2,能将流体动能获取并转化成适当形式。实施例四给出的流体动能获取与转化装置是叶轮+发电机/动能传动装置(风力机、水力机),实施例五、六、七给出的水(风)力发电机,实施例八是叶轮空压机,实施例中未给出压电装置,并不意味着该装置用于本发明不受本专利的保护。
[0033] 鉴于现有资料很少有关于升力叶轮轴向阻力系数的,以及过去资料中的错误论述或误导,本发明提供一个方法通过设置引流管使得流体动能获取与转化装置受到的阻力和地面系相同无位移不做功,从而不用考虑装置本身阻力消耗能量,这样使得阻力消耗从装置本身转移到引流管阻(推)力在位移方向上做的负功,实际上如流体流向与运动载体方向一致还有可能做正功。这样就把静流场(静流体)转化成动流场(动流体),用动流场技术来设计考虑动能制造,实施例三简要说明引流管安装特点及工作情况。
[0034] 实施例一,基于升力理论一种新型高效闭式风轮制造方法与装置
[0035] 升力型风轮是利用静压差驱动叶轮获得风能,同时粘滞阻力、形状阻力给运动载体上的风轮做负功,两者之比为该风轮的能量放大倍数。
[0036] 提高风轮效率可以从以下几方面着手,一是加大能量场,二是加大动力,三是减小阻力。
[0037] 研究飞机翼型升力我们知道,升力不仅与上下静压差有关,而且与截面积有关,截面积越大提供的升力越大,另外叶尖处如果没有约束阻挡,由于存在静压差,下面静压力不是托住翼型提供升力而是要跑到上面去造成升力流失。风轮不过是个一头受到约束,能转动的翼型,升力在这里不是为了抵抗重力而是成为驱动力,翼型面积越大,静压差越大,升力越大,提供给风轮的动能就越大,因此叶片随着半径增大,翼型面积、弦长尽可能增大,在叶尖处最大,并且与低阻设计的闭环挨着,叶片要薄、低阻,数量取决于叶片的宽度、角度、形状与相邻叶片距离、相对流速等因素,在不影响气流在上下叶片间流动的情况下尽可能提高叶片数,闭环使得叶片上下面静压差不能从叶尖处流动趋于平衡从而造成升力损失,闭环与叶尖可以是刚性连接,也可以小间隙不连接。风轮还可以做成螺旋式。低阻设计导风帽直径可以做得适当大一点,占整个风轮的15%-60%,在保证升力基本不变情况下阻力减小,低阻薄叶片根据升力理论来设计,有扭转的叶片,翼型弦长随着半径增加而增加。
[0038] 如图1图2,基于升力理论的一种高效风轮,其方法是:1,风帽3不仅有低阻流线型外形,而且做的比较大,使得升力在基本不变情况下阻力减小;2,风轮叶片1叶尖处弦长比普通叶片弦长长得多而且随半径变小而变小,相邻叶片距离适中,以静压差较大风不干扰为宜,甚至整个叶轮可以由螺旋形弯曲叶片构成;3,低阻设计的闭环2与叶片叶尖紧邻,闭环2阻隔叶尖上下气流混流,大大提高叶尖处升力;4,整个风轮包括未画出的动力轴输出端安装的动能转化装置都需整体呈现低阻流线型外形;5,闭环必要时进口做低阻引流增风设计。
[0039] 基于升力理论的一种高效风轮,如图1图2,其装置由数片风叶1与动力输出轴4刚性相连,在叶尖处紧邻闭环2,输出轴4前端通过轴承固定或直接固定有较大直径的风帽3,后部与风轮动能转化装置(没画出)如变速器(非必要)、发电机相连。整个风轮通过动力轴4、动力轴上轴承、连接件与运动载体(图上没画出)相连,闭环2可以通过连接件5(A)与叶片1刚性连接与旋转轴4一起旋转,也可以通过连接件5(B)与运动载体系(没画出)刚性相连,两种连接方式只能选一种。
[0040] 本风轮应用在自然风环境中,要有适应自然风的工况设计,一般来讲,无需低阻外形,只需增加导风装置,有变桨距装置更好,完善电气控制就行,本发明不作规定。
[0041] 实施例二,一种新型高效阻力型闭式风轮制造方法与装置
[0042] 阻力型风轮是风动压驱动风轮转动获得能量的装置,将对运动载体来讲的阻力---动压力大部分化为主动力做正功获能装置,小部分对运动载体做负功,其比值为阻力型风轮的能量放大倍数。气体具有逸散性,同样气流作用在凹形凸形物体上,物体受到的力都是各不相同的,越凹受到的力越大,无法逃逸的气流产生动压越大;同样力作用在半径越大的地方旋转产生的旋转速度越小,速度越小,则阻力越小。
[0043] 如图3,根据以上特点制造一种新型高效阻力型闭式风轮,其方法是:在风轮半径外围大于1/2处,设有数个呈凹形流线风槽1,风槽1内、外设有薄圆筒5、4,其中内圆筒5与风槽刚性固定在一起,外圆筒4不转动与风槽1之间有间隙,且有不到或者约1/4圆周露出以进风,风槽1、内圆筒5与上下圆盖6、2刚性连接或者留有微小间隙,(如果留有间隙则外圆环4与上下底部圆盖6、2相连接,)风槽1、内圆筒5、通过连接件7刚性连接到动力输出轴3,当风吹到风槽1时,风槽1转动将风能输出到动力轴3。整个装置通过动力轴3、轴承连接到运动载体(图中没画出)上,外圆筒4也固定在运动载体上。外圆筒4需低阻流线型外形(图3前后均画出低阻外圆筒外形),甚至通过减阻引流提高进风量来提高能效(图3进口有一侧有低阻引流设计)。
[0044] 一种新型高效阻力型闭式风轮装置,它由旋转体与经低阻引流设计的外圆筒4组成。旋转体由动力输出轴3、数个连接杆7、内圆筒5、数个风槽1构成,上下圆盖6、2可以安装在旋转体上也可以安装在外圆筒4上,甚至各分2个都装均可。风槽1靠近风轮外部,特征是凹形,相邻风槽有适当距离,风在内外圆筒5、4构成通道内流动不易散逸,整个外圆筒4低阻设计,甚至通过低阻、进风口一侧或两侧引流提高进风量从而提高能效。
[0045] 本装置应用在自然风环境中,外圆筒4不需要低阻设计,但须增加导风装置,外圆筒4进风处有引流更好,当然如果需要还可以不用外圆筒4,本发明不作规定。
[0046] 必须特别强调实施例一二提供的两种高效风轮为阻力型和升力型的基本型,实际风轮还可以是两者结合型,针对不同流场,风轮还可以有多种变形,形成多种复合风轮变型,工程技术人员可以在领会本发明核心思想的前提下,适当取舍、改动、创新都是合适的,也是本专利所保护范围。
[0047] 实施例三,忽略流体相对动能获取与转化装置阻力做功的引流管制造安装方法与装置
[0048] 早期风力发电教科书,对于升力型风轮受到的风阻(轴向推力)认为非常大,一般风阻系数高达0.4-0.6甚至更多,而风轮实际风能利用率一般不到0.4,这样从能量守恒出发就否定流体相对动能获取的可行性。实际上,现代风轮受到的轴向推力(阻力)非常小,无论是水力机还是风力机,轴向阻力系数在正常运行状态都小于0.1,何况风车逆风行走早就说明,风轮获得的能量会超过本身受到各种阻力消耗。本发明从另外一种角度,在不用考虑升力型叶轮阻力情况下通过引入引流管,改变受力方向,从而使得流体流经叶轮给叶轮带来动能的同时,本身产生各种阻力由于没有位移而不消耗能量,阻力消耗能量转移到引流管上去,通过引流管恰当设计,使得引流管阻力做负功很小甚至不做负功做正功。在某些场合,尤其当水力发电机整个浸在水中带来各种不便时,可以考虑通过引流管安装到陆上。
[0049] 如图4图5,本发明提供两种引流管安装方法。第一种安装引流管与运动方向一致时,如图4,流体经90度弯变成向上(也可以向下)运动,到适当高度转90度于运动方向流动一致到适当距离再90度弯向下(也可以向上)使流体进入升力型叶轮,叶轮转动获取能量,同时由于轴向阻力与运动方向垂直没有位移,故叶轮只获得能量没有消耗能量。引流管由于内部流体流动产生沿程阻力损失及局部损失,流体进入叶轮会损失一点能量,同时流体给管子一个推力,假定流体阻力损耗相同,从图4可以看出第一个90度与第二个90度弯受到推力刚好大小相等方向相反中和了,平行于运动载体沿着运动方向流动的管子受到一个做正功的推力,另外第3个90度弯作用在管子上的力也是做正功的,这样通过引流管巧妙化解了运动 载体受到的阻力,反而产生了推力做正功。这种安装方法其特点引流管安装在叶轮的正后面,从叶轮后部沿着运动方向引流到叶轮。
[0050] 第二种方法从侧面安装引流管,如图5流体正面进入引流管即改变方向侧面上(或下)流动最后转弯流体进入叶轮,叶轮轴向方向与运动方向相垂直,这种安装方法叶轮受到阻力不消耗能量,只有进口处受到阻力才消耗能量。当然,最好引流管从侧后方引流,这样尽管增加沿程阻力、局部阻力损失,但是通过转弯向前,可以将管子受到阻力抵消甚至变推力,使得引流管受到推力给运动载体做正功而不是负功。这样通过引入引流管,无论是正面还是侧面,最好从叶轮后部引流入升力叶轮,这样使得叶轮、引流管都不消耗动力,而产生动力。通过引流管引入,可以将升力型叶轮所涉及的相对流体动能获取方法与装置大大简化了,可以当作自然状态下风能水能获能一样看待,回避了阻力耗能的问题。除了上面提到的,引流管外部处在流场中,外部也必须要低阻流线型外形,图中并没有画出;引流管以圆管或者类似于圆形管子为佳,直径和叶轮进口一样大或略大;甚至可以数个引流管供应一个叶轮或者一个引流管供应数个叶轮均可,本发明不作规定。
[0051] 必须特别指出,图4图5中,引流管都是直管,弯曲地方以90度连接,并且与运动方向要么垂直要么流向一致,但工程技术人员可根据需要,适当变更方向、角度都是合适的,只要保证核心思想流体给管子的推力做负功比较小,甚至不做负功做正功均可,本发明不作规定。
[0052] 必须特别指出下面的实施例虽有提到引流管的应用,但实际上,任何升力型叶轮式的流体动能获取与转化装置,均可根据需要确定是否选用引流管技术,有关引流管内容已经单独作为一个实施例详细说明,故以下实施例正常情况下不再叙述,是为了避免重复,工程技术人员可根据需要自由决定。
[0053] 实施例四,基于流体相对动能获取方法与装置的优选平动交通工具动力解决方法与装置
[0054] 交通工具行驶本身就产生一个运动系,行驶使得原本静止的空气、水具有巨大动能,这个动能一般来讲是对交通工具做负功的,这就要求交通工具本身要做低阻流线型设计使阻力做功最小,但是根据逆风无动力小车理论事实上可以将风能、水能化阻力为动力利用起来。本实施例就可以实现这样目的,在设定时速设定状况时,可以实现交通工具行驶动力全部来源于风能水能,在未达到设计时速工况时,交通工具处于节能行驶,在超过设计时速还可以将多余风能水能储存起来弥补低速行驶时动力损耗。通过适当设计,安装动能获取与转化装置(如风(水)力机),可以使得飞机、轮船、汽车、火车、电瓶车等各种交通工具实现大幅度节能甚至不消耗储备能源行驶。
[0055] 利用交通工具本身产生的运动系来获取相对动能,由于不再需要矿物燃料或者矿物燃料作为能源已经处于次要地位,动力优选选用电机为代表,当然也可以利用空压等作为动力。其工作流程见图8,能源储存单元提供电力给电机供能,促使交通工具行驶,当达到风(水)力机启动速度时,风(水)力机工作获得能量,这个获得能量根据需要有3种输出方式,一是通过传动机构直接输出动能,二是转变成电能整理后直接给电机供电,三是给储能装置输出,也可以多种方式同时存在。
[0056] 汽车、火车、轮船等常用交通工具动力装置优选电机电瓶,具体动力解决方案是:
[0057] 1,先确定交通工具所需总动力,在不同时速所需动力要求;
[0058] 2,确定安装在交通工具上动能获取与转化装置(如风力机水力机)的可能数量、规格、极限;
[0059] 3,确定在不同时速下风(水)能的能量密度,能量利用系数,确定在不同时速下阻力、耗能情况;
[0060] 4,一般来讲根据交通工具的最佳行驶速度作为不消耗储备电源零能耗状态来确定动能转化装置(如风力机水力机),根据上面1,2,3点确定最终方案。如果达不到零能耗状态,则一般就做节能设计;
[0061] 5,一般最终方案包括低速情况下适当节能设计,零能耗态设计,以及超过零能耗速度点还可以适当储备电能在电瓶里,更高速度可以启动发电机保护装置,电瓶充满可以启动电瓶保 护装置。
[0062] 下面以轮船为例,做进一步完整阐述:
[0063] 一般来讲,轮船航行不像汽车,速度比较稳定,而且比较低,一般在30-40km/h左右,高不过70-80km/h,技术简单,在绝大部分时间很容易做到零能耗行驶,其相对流体能源获取装置可以有多种选择,一种是船底设计有数个拱形船底面,从船头直到引水仓结束,引水管通过引水仓伸入拱形船底下把水引上来,再一般向前注入水力发电机发电,这个电量作为螺旋桨的动力。这种结构一般不用考虑水力发电机、引水管给轮船做的负功,只需考虑引水管沿程阻力局部阻力消耗能量,总获得能量=(水的动能-水的管道损耗(沿程损耗+局部损耗)-水的势能)*效率(一般80%)运动产生负功管外的理论低至在水的截面动能的0.02左右或更多,管内甚至可以为正,粗略估算可以忽略。这种方法好处就是安全、维修方便、不用考虑水力机阻力情况。
[0064] 另一种直接在拱形船底装贯流式水力机,其中水力机电机、增速机构部分装在单独船舱里,船外水轮装在拱形船底并通过水平传动轴与船内电机联在一起,传动轴与船之间做好密封。水力机获得的能量=水的动能*效率(一般0.85)移动方向产生的阻力外面流线型低阻设计理论在0.03,管道里面理论能做到0.1左右,实际能获得净能量70%左右。
[0065] 如果船需要的动力100千瓦,船上生活需要动力10千瓦,合计110千瓦,船正常速度12米/秒,则水动能密度864kw/m^2,水力机水能利用率0.8,选用引流管引流的,损失重力势能3米,管内能量损失假定为0.1,则实际发电效率为40.8%,则需要水力机功率为110千瓦,水轮机水轮直径约为0.63米。直接用贯流式水力机发电的,水力机功率为133kw,水轮直径为0.5米。
[0066] 如果轮船非常大,所需功率非常大,可以设计多个拱形船底,水流通过引流管或者直接进入水力机,或者加大水力发电机功率,工程人员根据需要确定,本发明不作规定;工程技术人员还可以根据需要选用风力机或者是风力机、水力机的组合来发电,本发明不作规定;下面实施例六、七、八也可以应用到轮船上给轮船提供动力,本发明也不作规定。
[0067] 接着以陆上交通工具汽车为例,作清晰阐述。假定汽车质量1500kg,迎风面积1.8平方米,通常路面摩擦系数0.02,汽车风阻系数大致为0.3,现分析汽车在不同速度时需要的能量值见表:
[0068]速度m/s 滚动摩擦损耗kw 风阻损耗kw 总损耗kw
5 1.5 0.04 1.54
10 3 0.32 3.32
15 4.5 1.09 5.59
20 6 2.56 8.56
25 7.5 5 12.5
30 9 8.64 17.64
35 10.5 13.72 24.22
[0069] 一般来讲,汽车可以在前部安装2个0.7米直径的风轮,顶上安装一个直径1.6米的风轮,考虑到现有风轮能效比较小,一般不超过0.45,故选用本发明实施例一的闭式风轮,假定能量利用率0.5,由于装在汽车前部2个小风轮吸收一半动能,汽车实际受到风阻会减去这部分动能产生的风阻,假定汽车顶上大风轮受到风阻系数为0.08,汽车超过30km/h风轮转动,则汽车在行驶过程中获得的能量有:
[0070]速度m/s 风轮风阻消耗kw 小风轮减少及获得的能量kw 大风轮获得能量kw 净能量kw
5 -0.015 / / -0.15
10 -0.12 0.37 0.6 0.85
15 -0.405 1.25 2.25 3.095
[0071]20 -0.96 2.96 4.8 6.8
25 -1.875 5.78 9.375 13.28
30 -3.24 9.99 16.2 22.95
35 -5.145 15.86 25.725 36.44
[0072] 从上面2种表格对比可以看出,在低速风轮不转动的时候风力电动汽车比没装风轮的更消耗能量,尽管这点能量非常微小,在10米/秒时,节省25.6%为0.85kw,在15米/秒,节省55.3%为3.095kw,在20米/秒时节省79.4%为6.8kw,当达到25米/秒时,汽车已经不消耗任何电了,反而还能给电池充电0.78kw,当到达30米/秒时,给电池充电功率数达到5.31kw,当汽车行驶速度到达国内最高限速时,获得能量已经大大超过汽车所需能量。
[0073] 从本例来看,汽车实际需要发电功率仅需27kw,由于在各个行驶速度风轮获能效率都要最佳,风叶片应该以转浆矩设计为佳,而且这样做也可以在特定高速保护发电机不过载,保护电池不过载损坏,当然手段并不局限于此,本发明不作规定。
[0074] 以上完整反应本发明流体相对动能获取方法与装置在汽车动力供给方面的典型设计思路,精确数据依赖于实验、实测,工程技术人员可以根据实际需要在此基础上进行适当发挥甚至再创造,或者借鉴实施例二、六、七、八等来提供动力解决方案,本发明不作规定。
[0075] 必须特别指出,流体相对动能获取方法与装置在以汽车、轮船为代表的交通工具上的应用并不局限于此,流体动能获取方法与装置在包括上面、下面的实施例均可用于交通工具动力供给。
[0076] 实施例五,基于流体相对动能获取方法与装置的平动轨道发电方法与装置[0077] 从实施例四可以看出,当速度超过某个值,交通工具不仅实行“零”能耗行驶,而且还能多出能量。利用此现象,可以用于发电,由于受到电力输送、电缆限制,以封闭轨道发电为佳,轨道发电又以火车为佳,火车车厢装载数个风(水)力机,火车在轨道上行驶从而使静风静水产生动能,风(水)力机获取流体动能,安装风(水)力机功率越大数量越多,发电量越大。下面进行能量分析:
[0078] 火车动力需要克服的能耗:火车重力(包括风力机水力机重力)受到的轨道滚动摩擦、火车受到的风阻、安装风(水)力机受到额外的风(水)阻
[0079] 火车得到的动力:风(水)力机获得的流体动能
[0080] 火车起始动力:有多种来源如火车储备能源(如电池)、柴油机、汽油机、电力电缆供电等,本发明不作规定。
[0081] 假定一列列车20节车厢,安装了40个6000千瓦的贯流式水力机或者高速径流水轮机之类的,方案选用引水管从列车侧后部或者后部引水进入水轮,根据实施例三得知,水轮受到轴向推力不消耗能量,水流推力可以对引流管做正功,为减轻水管水流阻力,水管可以选择大一号。由于选用引流管,可以不用考虑水轮轴向阻力消耗能量,把问题大大简化。这样不管引流管高度,水流在管中能量损失,每个6000kw发电机获得的净能量为6000kw,引流管高度、引流管水能损失,还有火车时速、水力机能效(当然火车时速要在一定范围内,)这些只能影响水轮机叶轮直径大小,引流管直径大小,当然对火车牵引动力也有一定影响。这样可以简单认为装40个6000kw水力发电机,能发电24万kw,当然这个要扣除火车牵引力做的功,火车牵引力消耗能量有2部分,一部分来自火车风阻,一部分来自路阻,这些能量消耗一般小于获能总数的8%。
[0082] 上面实施例选用水力发电机是因为水的能量密度是空气800多倍,有利于大规模获能,应该是此类发电的优选,水渠应该设在轨道两旁甚至轨道中央开沟引水,水力轨道发电适合平原地区,要求有水且地势要平整,水面与轨道面落差极小。否则只能风力轨道发电,风力发电要解决噪音问题,风速不能过大。轨道转弯半径要和轨道设计时速挂钩,半径不能太小,所以轨道周长一般最少也要5、6公里,具体看发电量来决定。用引流管是为了维修维护方便,也能更容易说明问题,不用引流管,必须清楚知道叶轮推力系数、推力大小。下面实施例六也可以应用到本实施例中,现有火车轨道、有轨汽车、地经过适当改造也可用于“零”能 耗行驶或者静风发电,所有这些都是合适的,工程技术人员可以根据需要来确定,本发明不作规定。
[0083] 轨道发电一般适合作为大中型电厂来做,如图9,其工作流程:火车2在动力作用下在轨道1上行驶,产生相对流场,数个风(水)力发电3在一定速度时叶轮转动开始获取电能,通过自身电缆5、角弓6输送到架空电缆7上再输送到送变电站8适当整理调整再输送到电网或用户。其中风(水)力发电机通过连接件4固定在火车上,彼此间隔一定距离。发电多少可以通过轨道长度、发电机多少等来确定,一般来讲一条10公里封闭轨道水力发电可达100万kw以上。火车在封闭轨道上周而复始,循环往复,以自动化行驶为最佳,火车动力可以有多种如电池、气(柴)油机、电力电缆等供电,如选用电池的,数个风(水)力机发的电需要为电池充电,选用电力电缆供电需在火车轨道上面架设电缆线,也可以开始使用储备动力,当发动机发电再用发电机的电,这些都是可以的,本发明不作规定。
[0084] 实施例六,旋转流体动能获取的方法与装置/旋转发电方法与装置[0085] 在流体相对动能获取方法与装置领域,借助于交通工具获能在山区、海岛是不具经济性,本发明通过创建一个旋转运动系,在原地实现可持续相对流体动能制造,不仅满足了交通不便地区的能源需求,而且不需要电网可广泛为个人、家庭、工厂提供廉价、清洁能源。
[0086] 旋转流体相对动能获取方法与装置,其工作机理是,如图10图11,在动力1如电机作用下,通过减速机2(非必要件)驱动中心轴3旋转,中心轴带动与其刚性连接的数个圆盘4旋转,这样周围流体介质相对于圆盘4切向产生相对动能,半径越大的地方动能越高,安装在某半径处均布数个流体动能获取与转化装置5就开始获得能量。整个装置可通过中心轴、轴承、轴承套、连接件或动力装置固定在地面。本实施例以旋转发电装置为例,清楚说明流体相对动能获取方法与装置。
[0087] 在不同转速不同半径处,获得风速及风能见下表:(V:速度m/s;E:能量密度kw/2
m)
[0088]0.5mV/E kw/m2 0.8mV/E kw/m2 1.2mV/E kw/m2 2mV/E kw/m2 3mV/E kw/m2
600r/min 31.4/18.5 50.2/75.7 75.3/255.7 125.6/1184 /
300r/min 15.7/2.3 25.1/9.5 75.3/255.7 62.8/148.6 94.2/501
120r/min 6.28/0.148 10/0.6 15/2 25.1/9.5 37.6/31.9
90r/min 4.71/0.06 7.85/0.29 11/0.82 18.8/4 28.2/13.4
60r/min 3.14/0.018 5/0.075 7.5/0.25 12.5/1.17 18.8/4
[0089] 从上表可以看出能量密度与半径、转速有关,转速越快半径越大能量密度越大,能量密度与转速、半径的立方成正比。
[0090] 当风轮直径较小,可以近似看做半径处风速为风轮风速,0.6s(wr)^3Cl=p,其中2
w为圆盘角速度(rad/s),r:风轮半径(m),p:风能密度(kw),s:风轮面积(m),Cl:风能效率,一般小于0.5,但是本发明提供的两种风轮可以超过这个效率。风轮半径r^2=Cl*E/
2 2
π其中:E是能量密度(kw/m);Cl能量获取效率。假定能效0.5,在2kw/m的风场里,直径
0.3m的风轮获取能量为70w;直径0.5m的风轮获取能量为196w;直径0.7m的风轮获得能量为384w;直径1m,能量为785w;直径1.5m,能量为1.76kw。假如能效0.5,要获取3kw功率,在25.1m/s风场里可选用直径0.9m风轮安装在转速120r/min,半径2米处;或者选用不到0.5m风轮安装在50.2m/s的风场中等等均可,根据实际情况选用不同转速半径等等。
当然上面获得的功率不是净功率还要扣除风阻消耗,风阻系数一般小于0.1,上面净发电实际是获得发电量的80%多。
[0091] 根据上面分析,下面以满足家庭用电8kw功率设计粗略提供旋转发电解决方案。风轮轴向阻力系数在正常工作状态一般不到0.1,则动力克服风阻做功不到0.8kw,考虑到整个圆盘在转动过程中的受到风阻、转动阻力、动平衡情况,动力选用1.1kw电机,发电机选用3个3kw均布在圆盘上。接下来确定转速、半径,假定风轮能效为0.8,直径约0.5米,
2
则所需流场 能量密度为19.1kw/m,风速为31.7m/s,对称安装在转速150rpm半径为2米的圆盘上。另外圆盘一定要经过减阻设计具有流线型造型,安全、噪音、音障、动平衡、控制系统等可以根据需要设定防护本发明不作规定。
[0092] 从上面列表可以看出,风能密度随半径、转速增加而增加,与转速、半径的立方成2
正比,当转速600rpm,半径2m,风速高达125.6m,能量密度达到1184kw/m,可以实现较大能量提取,当转速更高、半径更大时,由于叶轮叶尖的速度接近音速甚至要超过音速,受到阻力非常大远大于风速的平方,如果动力能克服音障,能实现更大能量的获取。低成本的大能量获取办法更好选择是水能,例如在上例8kw旋转发电解决方案用风力发电,整个圆盘直径至少4.5米,非常笨重,用水力发电,选用水轮直径0.4米,能效相同,水流场能量密度为
2
30kw/m,水流仅需3.1m/s,可以装在半径0.8米处转速为37rpm的圆盘上,这样整个装置从
4.5米缩小为2米,结构更为紧凑,少占地方。当然,在具体设计过程中还必须考虑低阻、动平衡、噪音、安全可靠性、控制系统,本发明不作规定。
[0093] 旋转流体动能获取的方法与装置,其特征在于立足于原地,化较小能量代价创建一个旋转载体,从而获取流体如空气、水的动能,对于机器旋转本身就是必要条件,可实现旋转机器节能甚至不消耗储备动力,对于能源制造领域,获得能量大于创建旋转载体成本付出。
[0094] 基于旋转流体动能获取方法与装置基础之上优选的旋转发电装置实施例,可以为小到个人家庭大到工厂提供电力解决方案,甚至可以数个旋转发动装置联合发电成为区域供电中心。本实施例可以使得流体相对动能获取从交通工具移到地面,不经过电网直接到用户,从而为更广泛的用户提供了更好的选择,本实施例将深刻改变以电网为核心现有能源供应格局。
[0095] 实施例七,复合运动下流体相对动能获取的方法与装置/基于交通载体上旋转发电方法与装置
[0096] 实施例四、五是单纯平动获能,实施例六是单纯旋转获能,在更复杂复合运动情况下,同样可以实现流体相对动能的获取,因为只要流体相对动能存在,就可以通过流体动能获取与转化装置获取能源,在一些特别场合尤其适合。本实施例以基于交通载体上旋转发电为例详细说明在复杂运动情况下获能方法与装置。
[0097] 如图12,交通工具9通过数个连接件8、轴承、轴承外套4等与带叶轮1的旋转载体刚性连接,交通工具9行驶驱使叶轮1转动,经过变速机构2驱使旋转载体旋转带动安装在数个圆盘7某半径处的流体相对动能获取与转化装置3获能。圆盘7数量根据需要来定,每个圆盘7上可以对称安装数个风(水)力发电机3,风(水)力机数量以彼此流场不干扰为上限。如果叶轮获得的输出扭矩、输出功率不够大,可以在输出轴的另一头安装辅助动力装置如电机6、减速机构5与旋转载体连接补充所需能量。所有风(水)力发电机获得的电能经过适当调整控制后用于输出/存储。
[0098] 在本实施例中,能量获取是2次放大的结果。其推理如下:忽略叶轮1后风(水)的动能、(实际风(水)力发电机受到风(水)是平动与旋转的合成,不能忽略,这里估算就化简了。)传动效率、电机损耗、旋转载体风损、转动动能等,为方便计,假定交通工具处于理想的匀速行驶状态,叶轮1能量放大倍数为5,即叶轮获得动能是本身受到风(水)阻耗能的5倍,后面数个风(水)力发电机3放大倍数也为5,如果叶轮1的驱动功率全部用于克服风(水)力发电机3的阻力,那么理论上最终获得的能量是原来叶轮1受到风阻损耗的25倍。这个就是本实施例最大好处所在,经过2次放大获得大得多的能量。
[0099] 在本实施例中,流体是空气,可以是水,甚至可以使平动与旋转所处的2个流场流体介质不同,均可,工程技术人员根据需要而定,本发明不作规定;本实施例可以为交通工具提供动力解决方案,甚至用于普通获能方案,但也仅仅是方案之一,工程技术可根据需要选择、改造、创新,本发明不作规定。
[0100] 实施例八,叶轮空压机制取空压方法与装置
[0101] 使用流体相对动能获取用的风力发电机、水力发电机最大问题就是发电机非常笨重而一般 要求结构紧凑轻便,尤其在旋转中笨重庞大的发电机会给运行带来非常不便,另外在某些场合电也不是一种合适的能源。故可以将叶轮动能转化成压缩空气使之成为空压能,大大减轻装置的重量,使得结构紧凑,获得空压能极易存储,而且不仅可以以空压形式输出而且也容易转化成其他所需能源形式。
[0102] 叶轮空压机获能特征在于通过化小部分能量创建一个运动系获得能量大得多的流体动能能源库,再用叶轮将流体动能提取出来作为空压机的动力来源获取空压能。如图13,运动载体8在自身动力作用下运动从而使周围流体介质产生大得多的动能,驱使数个叶轮1转动,通过变速机构2(非必要)、输出轴3、传动装置4(非必要)连接到空压机动力输入轴5上,使空压机6获得空压能。带叶轮1的空压机6通过数个连接件7等固定在移动载体8上。
[0103] 叶轮空压机所需空压机可以是任意形式的各种空压机,如单螺杆、双螺杆、增压涡轮式、离心式、活塞式、甚至超音速式,单级或多级,等等均可,只要能在叶轮动力作用下将空气压缩就行,本发明不作规定;叶轮所处流场可以是空气、水或其它,本发明不作规定;叶轮可以是升力型、阻力型或者复合型,单级或者多级式,形状可以任意包括螺旋形均可,本发明不作规定;移动载体可以是平动、旋转或者复合型,均可,本发明不作规定;根据所需动力大小及结构特点可以多个叶轮给一个空压机供能,也可以一个叶轮给多个空压机供能,这些都是可以的,本发明不作规定;由于叶轮空压机本身固定在运动载体上,尤其对于旋转载体,可以将叶轮空压机核心部件保留在运动载体上,将非必要部件移到地面,这样可以使装置更紧凑,更安全,效率更高,对于空压机产气核心部件是回转体,在回转体上还可以安装叶轮,使得结构更加紧凑,获能更多,提高有限空间获能率,这些设计均是可以的,本发明不作规定。必须特别指出,非超音速叶轮空压机在一般情况下,要求进气口风速越小越好,这样使得风阻消耗能量越小,因此风在进入进风口提前降速、变向、或将风能转化成动力,使得空气阻力对运动载体做负功越小越好。
[0104] 上面提到的八个实施例基本体现了流体相对动能获取的主要应用方面,实施例一和二是从风轮能效不高的角度出发,从最基本做功概念出发结合静压、动压做功机理提出对现有经典风轮进行颠覆性改造,大大提高风轮的获能效率,这种风轮是基本型经过适当改造可应用于各种风场中,也可应用于自然风场中;从自然流场以及人造相对流场针对升力型(静压)获能装置做功耗能的不同,本发明提出通过引流管使用,圆满回避了运动载体耗能的问题,这样可以用自然流场获能的方法、技术来获取相对流场的能量;针对平动状态下的能量获取途径,本发明提出一个优选的方案可以通过轨道交通来获取水能、风能;对于交通工具本身,本发明提出可以利用交通工具本身产生的相对流场来获能;考虑到交通工具获能在实际中不便,通过旋转在原地产生相对流场来获取相对动能,当然也可以平动与旋转结合来获取更多流体相对动能,这种获能特点就是能量有2次放大;最后针对发电机的笨重以及电力在某种应用场合不太安全,提出了叶轮空压机,大大拓展了流体相对动能利用的应用空间。所有这些应用都是可以的,看场合,看条件,可以应用一种或者多种同时应用均可,本发明不作规定。工程技术人员在保留本发明核心思想的情况下,可以任意发挥创造,本发明不作规定,例如,利用本发明对交通工具进行节能或者“零”能耗改造等等。
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