CN101346544A - 通过利用水的升力发电的方法和用于发电的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过利用水的升力发电的方法。该方法包括步骤：将填充空气的球体(1)沉没并锚固在水下，其中，阿基米德升力与水压结合形成向上竖直力(F)。所述力由旋转轴(2)传递至与水面隔开适当距离的单元M。力F被转变为水平旋转力(F1和F2)并被传送至发电机(8)的涡轮。本发明还涉及一种利用该方法的设备。该设备包括连接到旋转轴(2)的柔性空心球体(1)。旋转轴的一端是包括多个相互啮合的锥形齿轮(M1、M2、MI)的单元M的一部分。在单元M处，向上的竖直力(F)被收集并转变为水平旋转力，由于这种具有水平旋转轴和从动杆的系统，水平旋转力被传入发电机(8)的涡轮。单元M1、旋转轴系统和发电机布置在与水面隔开的平台(10)上。

Description

通过利用水的升力发电的方法和用于发电的设备
技术领域
本发明涉及一种发电，特别是涉及一种通过利用水的升力发电的方法，以及实现这种方法的设备。
背景技术
迄今为止，各种能源，比如热电、水电和核电广为人知并且已被使用。由于矿物资源正在耗尽，水电设备的建造非常昂贵而且导致损害环境、居民，并且核反应堆具有高的事故风险，因此需要寻找并使用清洁的能源，比如风力电、太阳能电或潮汐电。然而，由于许多不同的原因，例如风力变化、热分布、时间周期以及资金不足，清洁能源的开发与它们的潜能不相适应。
发明内容
在发现阿基米德原理之前，应用水运动方面的静水压力已为人知。从那时起，静水压力的应用已经变得更加科学和有效。很明显，静水压力是一种用不完的能源，这种能源存在于水中，即在河流、湖泊和海洋中。本发明涉及到通过利用产生和收集能量的设备开发和利用阿基米德升力和水压，随后用来旋转发电机的涡轮。
本发明提供一种方法，其中：沉入水中由填充空气呈水滴形式的大球体受到阿基米德升力和压力，这种升力和压力施加于其表面上，给球体提供向上的竖直升力，并因此使球体可漂浮。为了使球保持在水中，即持续地保持向上竖直升力，本发明提供一种用于传递力的竖直旋转轴；这个旋转轴被水平旋转轴固定。该水平旋转轴不仅起到对竖直旋转轴的固定元件的作用，而且还起到驱动轴的作用。水平旋转轴和竖直旋转轴的端部设有圆锥体，该圆锥体具有螺旋凹槽(或未示出的倾斜凹槽)，所述螺旋凹槽并排地布置在彼此啮合的圆锥体顶部上。在水平旋转轴和竖直旋转轴的接触面处，向上的竖直升力非常大，而这个接触面的面积却非常小，也就是摩擦力不大。在优选实施例中，旋转轴能在比如滚珠轴承之类的轴承上围绕其轴线旋转，当向上的竖直升力超过接触面的摩擦力时，由于螺旋凹槽具有一定的倾斜度，所以摩擦力将由静摩擦变为滑动摩擦并最终转变为滚动摩擦力。滚动摩擦力将使接触面在螺旋凹槽的相反方向上移动并使水平旋转轴在与螺旋凹槽相同的方向上旋转，这些螺旋凹槽并排地布置在各轴之间并且相互啮合。因此，向上的竖直升力被转变为用于驱动旋转轴的力。轴的旋转将经由驱动连接部传送至涡轮，从而发电。
附图说明
图1示出本发明静水能量的收集和改变方向的简图。升力F会聚于M再分成F1和F2，而后该力被收集并传送至发电机的涡轮。
图2示出本发明实施例的设备简图，所述设备包括两个主要部件：用于产生升力的球体和用于收集升力F并使其改变方向的部件M。
图3示出本发明实施例用于收集静水压力并使其改变方向的站的简图。
图4示出将静水压力传送至发电机的涡轮的简图。
图5是用于收集静水能量和发电的站的透视图。
图6示出当支撑框架处于收缩状态并且球体没有填充空气时球体的内部结构。
图7示出当支撑框架处于操作状态时球体的内部结构，其中，球体充满空气。
图8是本发明球体的支撑框架侧视图。
图9是本发明球体的支撑框架正视图。
图10是本发明球体的支撑框架平面图。
图11示出固定设备M和力传递轴。
图12示出轴环A。
图13是设备M的正视图。
图14是设备M的平面图。
图15是设备M的侧视图。
图16是静水压力发电站的平面图，该站包括力传递轴、M设备和发电机的涡轮。
具体实施方式
这里，参照图1提出对收集阿基米德升力，即静水压力和水压并使其改变方向来发电的方法的描述。原则上，沉没于水中的物品受到竖直朝上的阿基米德升力及其竖直朝下的自身重力。为了使这种物品浮到水面上，其重力必须小于升力。优选地，沉没的物品呈填充空气的球体形式，因为其重力最低。
在沉没状态下，球体受到与其体积相对应的阿基米德升力，这种升力产生作用在球体上以便使其浮到水面上的力F。当球体沉没于水中时，该球体还受到作用在其表面上的水压，而这种压力与球体至水面的距离成比例。球体沉没得越深，压力越高，并因此由阿基米德升力和作用在球体上的水压所产生的力F就越大。根据本发明，由于竖直轴连接至球体并且将该球体保持在水下，所以升力经由轴F1传递至单元M的MI处。在单元M处，竖直升力F借助于本发明的设备转换为水平旋转力F1和F2。
图2示出用于收集力F并使其改变方向的设备的示意图。力F是作用在呈水滴形式充满空气的弹性球体上的阿基米德升力。力F被定向在与轴2重合并会聚于MI的竖直方向F1上。轴2不仅起到使球体1保持在水下的锚固件的作用，而且还起到连接球体1与单元M的连接杆的作用。单元M包括锥形齿轮MI、M1和M2。锥形齿轮M1和M2连接至具有锥形齿轮1.1和2.1的连接杆24，锥形齿轮1.1又正交地连接至1.2，锥形齿轮2.1正交地连接至2.2。旋转轴M1-1.1，M2-2.1由连接杆24形成，该连接杆24由滚珠轴承支撑并通过轴环和锚固轴保持在适当位置。所有这些部件均布置在距水面N适当的距离。
图3示出用于产生和收集力F的站的示意图。根据本发明的实施例，所述站包括框架，该框架具有固定至水底D，例如海床的圆柱3。圆柱3通过支撑和阻尼杆4相互连接，滚珠轴承5和轴环布置在支撑和阻尼杆4的相交处，以保持旋转轴2。平台10布置在圆柱3的顶部，距水面N适当的距离。用于收集力F的设备、用于传递力的系统M和用于发电与输电的系统8布置在平台的表面上。球体1是用来在水下产生升力F并在平台10的表面上连接到旋转轴2的移动物体，旋转轴2由轴环和滚珠轴承5保持，而水平旋转轴24被锚固圆柱23锚固。
图4示出用于收集并通过将力传递至发电机的涡轮来发电的设备的布置，在平台的表面上：单元M包括锥形齿轮MI、M1和M2；其中，M1和M2与MI啮合，旋转轴具有锥形齿轮M1的另一端设有与锥形齿轮1-2啮合的锥形齿轮1-1。旋转轴具有锥形齿轮1-2的另一端设有从动杆所连接的气缸，该气缸与旋转轴M1-1.1正交地布置。类似地，具有设有锥形齿轮M2的端部的旋转轴的另一端设有锥形齿轮2-1。这个锥形齿轮与锥形齿轮2-2啮合，具有设有锥形齿轮2-2的端部的旋转轴的另一端设有气缸，与旋转轴M2-2.1正交布置的从动杆连接到该气缸。从旋转轴2传递至MI的力将停止并转换为M1和M2，而且同步地引起MI、M1和M2旋转，以便使全部旋转轴旋转。旋转轴M1-1.1的旋转方向31与旋转轴M2-2.1的旋转方向相反。然而，旋转轴1.2和2.2又都以相同的方向旋转。因此，两个从动杆30能同步地安装到旋转轴1.2和旋转轴2.2上，以增加传送至涡轮8用于发电的力。
平台和设备的尺寸取决于场地，比如湖泊、河流或海洋的自然条件。图5是收集用于发电的力F的站的透视图，其中，附图标记1表示充满空气并连接至旋转轴2的球体。旋转轴2包括多个杆，杆的数量取决于水的深度。旋转轴通过滚珠轴承5和平台10的表面从球体1连接到设在另一端的MI。优选地，旋转轴2是空心轴，该轴装有空气管道和马达的电线。附图标记3表示平台的圆柱，这些圆柱固定至底部的基座21上。圆柱通过支撑和阻尼杆4相互连接，滚珠轴承5布置在支撑和缓冲杆4的相交处，以稳定地支撑旋转轴2，同时围绕它们的轴线旋转。平台10安装在圆柱3的顶部，与水面N间隔适当的距离，设有容纳操作设备、旋转轴MI、M1-1.1、M2-2.1和1.2；2.2、发电机8的涡轮以及用于输电的系统41的平面。
图6示出当支撑框架处于收缩状态时球体的内部结构，其中，球体没有充满空气，即处于收缩状态。附图标记2表示用于从球体传递升力的旋转轴。旋转轴2起到将球体连接至MI的连接轴的作用。优选地，旋转轴2是空心轴，以容纳球体的空气管道27和马达11的电线28。附图标记12表示用于将球体连接至旋转轴2并且便于填充空气的支撑框架。支撑框架的数量取决于球体的尺寸。附图标记16表示水平杆，该水平杆插入通过设在支撑框架上的孔。附图标记17表示滑轮，而附图标记18表示用于通过滑轮17将连接杆29(将支撑框架12的端部相互连接)连接至马达11的轴的管线。附图标记14表示轴环，用于将球体的盖安装到其旋转轴2上。附图标记40表示球体的弹性盖。
图7示出球体的详图，这时马达11启动，以便减少管线18经由滑轮17的长度并因此扩展支撑框架12；空气经由管道27填充，以便使球体鼓起。在另一个实施例中，管线18的长度能手动地减少。附图标记16表示水平杆，该水平杆插过设在支撑框架上的孔并起到支点的作用，用于将固定位置的支撑框架固定在水平杆上，同时支撑框架的两个端部能够移动。附图标记17表示滑轮，用于插入将连接杆29连接至马达11的轴的管线。附图标记2表示空心旋转轴，用于在内部容纳空气管道27和电线28，附图标记14表示轴环，用于将球体的盖40安装到旋转轴2上。优选地，球体的盖40可由耐用性强的弹性材料制成。
图8示出球体处于收缩状态的支撑框架的正视图：附图标记2表示空心旋转轴，用于容纳空气管道27和马达11的电线28。水平杆16、滑轮17、马达11和旋转轴2均设在轴2上。附图标记18表示管线，用于将连接杆29(该连接杆29连接支撑框架12)通过滑轮17连接到马达11的轴上。
图9是球体处于收缩状态的支撑框架的侧视图。附图标记2表示容纳空气管道27和向马达11供电的电线28的旋转轴。水平杆16、滑轮17和马达11均设在旋转轴2上。附图标记18表示管线，用于将连接杆29(该连接杆29连接支撑框架12)通过滑轮17连接到马达11的轴上，H-H是旋转轴2的横截面线。
图10示出沿旋转轴2的线H-H的横截面图和支撑框架的平面图。附图标记11表示马达，附图标记12表示支撑框架，附图标记16表示水平杆，附图标记18表示管线，用于将支撑框架12的连接杆29通过滑轮17连接到马达11的轴上；附图标记2表示旋转轴，附图标记27表示空气管道，附图标记28表示电线。
图11示出用于在单元M停止并收集升力F的设备和轴传递力的一部分。设备示出在A’-A-B位置，其中：A’-A-B表示锚固圆柱和用来保持用于传递力的旋转轴的轴环的位置。附图标记2表示传递来自球体的升力的旋转轴，附图标记5表示旋转轴2的轴环和滚珠轴承，MI表示会聚来自旋转轴2的力的锥形齿轮；M1和M2表示与MI啮合并接收从MI传递的力的锥形齿轮，附图标记23表示圆柱旋转轴24被锚固，附图标记25表示用于保持旋转轴24的轴环和滚珠轴承。
图12示出旋转轴24的轴环25和外轴环22沿线A-B的横截面的详图，其中，附图标记26表示轴24沿线A-A和双滚珠轴承的横截面，包括旋转轴24、滚珠轴承42和轴环25。
图13是M设备的正视图，其中，附图标记2表示传递来自球体升力的旋转轴，MI表示会聚从旋转轴2传递的力的锥形齿轮；M1和M2表示与MI啮合并接收从MI传递的力的锥形齿轮，附图标记24表示在水平方向上传递力的旋转轴，附图标记35表示螺旋凹槽(可以采用倾斜凹槽)。附图标记27表示空气管道，而附图标记28表示马达的电线。附图标记31表示旋转轴的旋转的方向。
如上所述，单元M是MI上M1和M2的接触和啮合点。锥形齿轮M1-MI和M2-MI连接中的螺旋凹槽面积非常小。因此，由M1和M2引起以保持MI的摩擦力非常小，而MI处的升力非常高。结果，静摩擦转换为滑动摩擦和滚动摩擦。因此很明显，升力F高于摩擦力并且滚动摩擦力将在螺旋凹槽的相反方向上移动接触面，而旋转轴没有固定，而是通过滚珠轴承围绕其中心轴线可旋转。由于接触面旋转引起的移动将使MI、M1和M2在与螺旋凹槽相同的方向上围绕其中心轴线旋转。
由于这种旋转，竖直升力F在水平方向上从M至M1和M2转换为旋转力F1和F2。然后，F1和F2被传送至发马达的涡轮中。
图14是设备M的平面图，其中：MI表示会聚来自旋转轴的升力的锥形齿轮；M1和M2表示起到与MI啮合点的作用并接收来自MI的力的锥形齿轮，附图标记24表示在水平方向上传递力的旋转轴，K-K表示横截面线，附图标记35表示螺旋凹槽；附图标记27表示空气管道，而附图标记28表示电线。
图15是沿K-K横截面的设备M的侧视图，其中：
MI表示会聚来自旋转轴2的升力的锥形齿轮，M2是与MI的啮合点并接收来自MI的力；附图标记35表示螺旋凹槽，附图标记5表示旋转轴2的轴环和滚珠轴承。
图16示出布置在平台上传递用于发电的力的设备的平面图，其中：MI表示会聚来自球体的升力的锥形齿轮，M1和M2表示与MI啮合并接收从MI传递的力的锥形齿轮。当旋转轴围绕其中心轴线旋转时，力F被利用并同时由旋转轴M1-1.1和M2-2.1传送至轴1.2和2.2，以使这些轴旋转；所有旋转轴M1-1.1；1.2和M2-2.1；2.2都由锚固圆柱23和滚珠轴承25支撑。从动杆30布置在旋转轴1.1和2.2的端部，用于连接到涡轮的轴，以使发电机8旋转。

Claims (3)

1.一种通过利用阿基米德升力和水的压力发电的方法：
-将带有被空气填充的弹性盖的空心球体沉入水中并通过用于传递力的轴将球体保持在水下；球体不仅受到与其体积成比例的阿基米德升力，而且还受到作用在球体表面上的水压，该水压与从球体至水的表面的水柱的高度成比例；阿基米德升力与水压产生在竖直方向上的升力(F)，以使球体浮到水的表面上；
-通过旋转轴收集升力(F)，所述力(F)被传递至单元(M)，该单元(M)布置在与水面间隔开适当距离的平台上，并且包括多个专门构造成将向上的竖直力(F)转变为多个水平旋转力(F1和F2)的锥形齿轮；
-经由多个相互串联连接的旋转轴传送水平旋转力(F1和F2)，以使发电机的涡轮旋转。
2.一种设备，其用于收集升力(F)并将其传递至单元(M)，并将升力(F)从竖直方向改变方向成水平旋转力(F1和F2)，然后传送旋转力(F1和F2)以使发电机的涡轮旋转，该设备包括：
-一个具有弹性盖的球体(1)，球体的上部被轴环(14)固定到旋转轴(2)的端部，旋转轴被插入穿过轴环和滚珠轴承，所述轴环和滚珠轴承设置在包括圆柱(3)和平台(10)的主框架的支撑和阻尼杆(4)的相交处，旋转轴(2)的端部设有锥形齿轮(MI)，来自水下球体(1)的升力在该锥形齿轮(MI)处被会聚；
-单元(M)，包括用于会聚升力的锥形齿轮(MI)和与用于会聚升力的锥形齿轮(MI)啮合的锥形齿轮(M1和M2)，锥形齿轮(MI、M1和M2)设有在圆锥体顶部会聚的螺旋凹槽(35)(或设置倾斜凹槽)，这些螺旋凹槽在两个锥形齿轮(MI-M1)和(MI-M2)的接触线处互相配合；锥形齿轮(M1)连接到在另一端设有锥形齿轮(1.1)的长旋转轴上，锥形齿轮(M2)连接到在另一端设有锥形齿轮(2.1)的长旋转轴上，锥形齿轮(1.1)的螺旋凹槽配合在锥形齿轮(1.2)的螺旋凹槽中，锥形齿轮(1.2)连接到在另一端设有锥形齿轮的长旋转轴上，所述锥形齿轮具有用于安装从动杆的平行凹槽；类似地，锥形齿轮(2.1)的螺旋凹槽配合在锥形齿轮(2.2)的螺旋凹槽中；锥形齿轮(2.2)连接到另一端设有锥形齿轮的长旋转轴上，该锥形齿轮具有用于安装从动杆的平行凹槽；每个长旋转轴(24)设有外轴环(22)并插入到锚固圆柱(23)上的滚珠轴承(25)的轴环(26)中；
当来自球体的升力高于锥形齿轮(M1)和(M2)的摩擦力时，所述摩擦力发生在锥形齿轮(M1-MI)和(M2-MI)的接触面处，该接触面将被移动，这种移动引起旋转轴系统的旋转；
-具有弹性盖的球体(1)，旋转轴(2)的一部分插入到该球体(1)中，旋转轴是空心体，用于容纳空气管道(27)和马达(11)的电线(28)或牵引线；水平杆(16)连接到旋转轴上，该旋转轴插入通过支撑框架(12)的孔；当启动时，支撑框架竖立并且空气经由管道(27)填充球体(1)，以增大球体的体积并在向上竖直方向上产生传递至旋转轴(2)的力(F)；
-根据球体沉没的深度，旋转轴(2)能由多个杆形成。
3.根据权利要求2所述的球体(1)，其中，具有盖，该盖可由橡胶、碳纤维等制成。
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