CN101910617B - 小型水力发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种小型水力发电系统包括外壳体和内壳体。所述外壳体可接收在预定压力范围下沿第一方向流动的液体流。所述液体流的压力和速度可增加预定量，且被引导至水力发电机，所述水力发电机被包括在具有入口喷嘴的所述内壳体中。在将所述液体流中的动能传递至所述水力发电机时，所述内壳体可进行旋转。所述液体流随后可沿所述第一方向被引导并被引出所述壳体，且非层状流特性被降至最低限度。

Description

小型水力发电系统
技术领域
本发明总体上涉及电力生产，并且特别是涉及通过小型水力发电系统进行水力发电。
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水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
本发明披露了一种小型水力发电系统。所述小型水力发电系统可用在那些液体在确定的压力范围和流速范围内流动的任何应用场合中。例如，所述小型水力发电系统可用于将功率供应至水处理系统。在一种典型构型中，所述小型水力发电系统可包括限定出内室的罩壳和被设置在所述内室中的发电机。所述发电机可包括多个轮叶、转子和定子，所述转子包括永磁体，所述定子包括线圈。所述发电机可被构造以便进行旋转从而通过所述永磁体的磁场在所述线圈中感应出电流。
所述小型水力发电系统还可包括与所述罩壳相联的入口喷嘴。所述入口喷嘴可包括入口通道，所述入口通道被构造以便接收沿第一方向流动的液体流并对所述液体流进行引导以使其撞击到所述轮叶上并沿第二方向流动，所述第二方向总是大体上垂直于所述第一方向。所述发电机被构造以便在所述液体流的作用下沿所述第二方向进行旋 转。所述小型水力发电系统还可包括出口喷嘴，所述出口喷嘴与所述罩壳相联以使得所述多个轮叶被设置在所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间。所述出口喷嘴可被构造以便接收沿所述第二方向流动的所述液体流并对所述液体流进行导引以使其再次大体上沿所述第一方向流动。
在另一种典型构型中，所述小型水力发电系统可包括外壳体和被设置在所述外壳体内的内壳体。所述内壳体可包括入口喷嘴和与所述外壳体固定地相联的出口喷嘴。所述内壳体还可包括涡轮转子，所述涡轮转子具有被设置在形成于所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间的中心通道中的多个桨叶。所述入口喷嘴和所述出口喷嘴可被构造以便围绕着所述涡轮转子的一部分，且所述入口喷嘴、所述出口喷嘴和所述涡轮转子的组合件可被构造以便形成所述内壳体和所述内壳体内部的腔体。所述小型水力发电系统还可包括定中心杆，所述定中心杆与所述入口喷嘴和所述出口喷嘴不能旋转地相联并延伸通过所述内壳体。所述涡轮转子可在所述外壳体内围绕所述定中心杆旋转。
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。其中不能被视为以下限定本发明范围的权利要求书的限制。
附图说明
图1示出同水力发电系统的一个实施例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桨叶的透视图；
图20表示沿着线20-20截取的图19所示桨叶的截面图；
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；
图28表示水处理系统的透视图；
图29表示图28所示的水处理系统的分解透视图；
图30表示包括在图29的水处理系统内的阀主体的透视图；
图31表示包括在图29的水处理系统内的歧管的透视图；
图32表示图31的歧管的另一透视图；
图33表示图29的包括在水处理系统内的过滤器模块和歧管的分解透视图；
图34表示图29的包括在水处理系统内的过滤器模块和反应器容器的分解透视图；
图35表示包括在图34所示反应器容器内的弯头的分解透视图；
图36表示拆卸壳体一部分的图28所示的水处理系统的透视图；
图37表示图29所示的水处理系统一部分的方框图；
图38是表示图29所示水处理系统操作的流程图；
图39是图38的流程图的第二部分；
图40是另一典型的小型水力发电系统的剖视图；
图41是图40所示小型水力发电系统的分解视图；
图42A-图42B是图40和图41所示小型水力发电系统中包括的涡轮转子的视图；
图43A-图43D是图40和图41所示小型水力发电系统中包括的入口喷嘴的视图；和
图44A-图44D是图40和图41所示小型水力发电系统中包括的出口喷嘴的视图。
具体实施方式
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刚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路30。通路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％。通路30对喷嘴14的预定的长度保持第一预定直径32。通路30的其余部分通过使通路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的通路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。
通路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。通路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路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，其包括狭槽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。狭槽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狭槽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磁极。公开于本实施例的绕组中的磁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、多个凸出的磁极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磁极118。在该实施例中，可以有八个凸出的磁极118，其分别围绕以线圈120。
将凸出的磁极118形成在定子114上使它们以周向地包围转子壳体102。每个凸出的磁极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磁极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的一端插入第一轴环130而其另一端插入第二轴环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轴环130和第二轴环132上的坚固的区域。第一轴环130和第二轴环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。第一轴环130和第二轴环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，第一轴环130和第二轴环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并由出口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形成水流通过的通路156。涡轮喷嘴140固定地定位在通路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可以位于通路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、卡合固定、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固定地支持在通路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，并且液体接着导引到转子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可转动地固定在通路156内使流入通路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，其沿周向包围转子轴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由通路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固定地定位于通路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)上以沿周向包围转子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 在通路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和流入通路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导引而获得对涡轮叶片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5000RPM和大约10000RPM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)以上转动。5000RPM以上的转动可以取决于在大约415Kpa到大约690kpa(大约60到100lbs./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60PS I)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，通路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30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，磁极的数量以及线圈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开始供电和较高的电压水平。在开始供电以后，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，其能够开始给UV光源供电。在给UV光源的开始供电以后，线圈被选择性地再组成并联结构以提供在能够保持给UV光源供电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，一个分接头可用于开始供电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供电以前，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开始供电给例如水处理系统10中的UV光源。 在给UV光源开始供电以后，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)从而可以连续地供电给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。
多个套管1116可以和内壳体1104连接并围绕对中杆1106。每个套管1116可以是由塑料、金属或其它类似材料制成的衬套。套管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。套管1116中的开口可以足够大以便使得套管1116围绕对中杆116在外壳体1102内转动，而不接触对中杆1106。套管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和套管1116一起转动。另外，套管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向外延伸的多个桨叶1118。桨叶1118可以由塑料、碳纤维、金属或其它类似材料制成。桨叶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，每个桨叶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导引通过桨叶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包括通路1202，通道是朝着喷嘴出口1202(图11)减小直径的轴向孔。包括在通路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的通路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，通路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，通路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，通路1202的直径可以是例如大约5.8毫米的预定第一喷嘴直径。通过通路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内的通路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可以通过将通路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路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。在通路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。
挤出液流可以在桨叶1118处受到导引。在冲击桨叶1118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，每个桨叶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桨叶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，某些液体可冲击桨叶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和桨叶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和桨叶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的弧形通路。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内的是套管1116、桨叶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，并且与套管1116协同操作以便提供定子1808的对中功能。套管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的第一端内的套管开口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可以位于与包括套管开口 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。多个狭槽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。因此狭槽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，例如烧结或粘结钕铁硼(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延伸的通路。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和围绕套管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5lb/sq.in和大约60lb/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。套管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，围绕转动套管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，桨叶1118可形成同心围绕内壳体1104的环件。桨叶1118可以是与内壳体1104的外表面连接的单独制造的部件。每个桨叶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，桨叶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。
桨叶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的直径以及桨叶1118的直径可以变化，而不显著改变单独桨叶1118的几何形状。第一和第二轮毂1802和1804内的每个单独桨叶1118以及保持环1820的构造可以相互协作以便将桨叶1118在缺口1824中保持就位。
图19是图18所示一个桨叶1118的实例的同时。所示桨叶1118可以是大致凹入的并且包括底部1902、第一桨叶部分1904、第二桨叶部分1906和狭槽1908。底部1902可以形成为安装在第一和第二轮毂1802和1804(图18)的相邻狭槽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，当桨叶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。每个桨叶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桨叶1118。
图20是表示第一和第二桨叶部分1904和1906和支脚1914的图19的桨叶1118的截面顶视图。同样表示的是桨叶1118的后表面2002。当桨叶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桨叶1118的支脚1914的表面1920(图19)。每个 桨叶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。桨叶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，第一和第二桨叶部分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，每个第一和第二桨叶部分1904和1906可以是椭圆形的，以便使得液流最佳地冲击桨叶部分1904和1906。当内壳体1104(图11)以高RPM转动时，狭槽1918使得液流有效地冲击每个桨叶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150lbs./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的外表面上的桨叶1118处导引液流。
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内的通路和导管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可接收电能输入线2330上的来自发电模块2110(图21)中的发电机的输入电能。所述输入电能还可以对第一电容器2402进行充电。因此，当所述发电机停止产生电力时，处理器2308可被提供来自第一电容器2402的输入电能。
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上的多个桨叶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。桨叶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的桨叶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包括桨叶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。
在液流冲击桨叶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，液体与桨叶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桨叶2612碰撞的区域。轨线矢量2706表示液体根据分散角在与桨叶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桨叶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桨叶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。
图28是作为水龙头2802的另一示例性洁具的透视图。水龙头2802可以是如所示的水池龙头、洒水龙头、淋浴龙头或任何其它能够有选择地提供例如水的液流的洁具。安装在水龙头2802的端部上的是水处理系统2804。在其它实例中，水处理系统2804可通过软管或其它导管与洁具连接并且是台上构造或台下构造等。另外，在其它实例中，水处理系统2804的部件可以是分开的。例如，某些部件可安装在水龙头的端部处，并且可以是台上构造或台下构造一部分的其它部件可以通过软管或其它类型的导管与安装有该部件的龙头的端部连接。
所示示例性水处理系统2804包括与壳体2808连接的转换机构2806。转换机构2806可通过卡扣、摩擦配合、螺纹连接、焊接或任何其它的连接机构与壳体2808连接。作为选择，转换机构2806可以形成壳体2808的一部分。壳体2808和转换机构2806可以由塑料、碳纤维、钢、铝和/或任何其它非多孔材料形成。
水处理系统2804包括从水龙头2802接收液流的入口2810和从水处理系统2804排出液流的出口2812。出口2812包括第一出口2816和第二出口2818。从第一出口2816流出的液体可流过第一流动路径并且通过水处理系统2804处理。从第二出口2818流出的液体可流过第二流动路径并且未处理。转换机构2806包括开关2824，开关可以拨动以便选择液体从第一出口2816还是从第二出口2818流出。在其它实例中，包括水处理系统2804内的另外出口可以通过一个或多个开关选择以便提供处理或未处理的液流。例如，水处理系统2804可包括通过开关选择以便提供类似于水池喷头的淋浴喷头类型的未处理液流的出口。
图29是图28的水处理系统2804的实例的分解透视图。水处理系统2804包括转换机构2806和壳体2808。转换机构2806与壳体2808连接并且与水龙头2802可拆卸地连接，而且可以选择来自于水处理系统2804的处理或未处理液流。
转换机构2806包括开关2824、套环2902、上部第一垫片2904、适配器2906、上部第二垫片2908、阀主体2910、杆2912、弹簧2914、球2916、阀密封件2918、阀芯2920、外部下部垫片2922和内部下部垫片2924。形成转换机构2806的部件可以是钢、塑料、铝和/或任何其它非多孔材料。套环2902可以如所示通过螺纹连接、卡口安装件或任何其它连接机构与阀主体2908连接。适配器2906可通过套环2902贴靠阀主体2910保持。上部第一垫片2904和上部第二垫片2908可分别定位在套环2902和适配器2906以及套环2902和阀主体2910之间。适配器2906可与水龙头2802形成液密连接，例如所示的螺纹连接。作为选择，适配器2906可通过任何其它形式的连接与龙头2802形成液密连接。来自于水龙头2802的液体可流过套环2902、第一上部垫片2904、适配器2906、上部第二垫片2908并进入阀主体2910。
液体流入形成在阀主体2910内的空腔2932。杆2912包括第一柱2934和第二柱2936，并且形成为安装在空腔2932内。第一柱2934延伸通过阀主体2910以及通过形成在阀主体2910上的环2938。第一柱2934上的O形圈2940可提供液密密封，以便防止液流从空腔2932泄漏。第一柱2934与开关2824连接，使得在开关2824拨动时，第一柱2934可转动，由此在空腔2932中枢转第二柱2936。第二柱2936可形成为容纳弹簧2914和球2916，使得弹簧2914通过密封件2918上的球2916保持恒定压力。枢转第二柱2936可在包括在密封件2918内的第一座2941和第二座2942之间运动球。第一和第二座2941和2942可各自包括提供到达阀芯2920的分开流动路径的孔口。阀芯2920可形成为容纳密封件2918并且包括第一孔口2950和第二孔口2952。
图30是图29所示的示例性阀芯2920的透视底部视图。第一孔口2950和第二孔口2952穿过阀芯2920的上壁3002，并且各自通过突唇3004同心围绕。每个第一和第二座2941和2942(图29)可通过各自的第一孔口2950和第二孔口2952接收，并且朝着突唇3004延伸。阀芯2920还包括通过上壁3002、垂直于上壁3002延伸的外壁3008和内壁3010形成的外部空腔3006。外壁3008延伸到外斜切表面3012和平行于上壁3002的外部下表面3014。内壁3010垂直于上壁3002延伸到同样平行于上壁3002的内部下表面3016。内壁3010和上表面3002形 成外部空腔3006内的内部空腔3020。内部空腔3020通过内壁3010与外部空腔3006完全分开。
第一孔口2950和第二孔口2952中的每个通过从突唇3004延伸的盖3022部分包围。部分包围第一孔口2950的盖3022从突唇3004延伸到外部斜切表面3012，并且形成为将流过第一孔口2950的液体只引导到内部空腔3012。另一方面，部分包围第二孔口2952的盖3022从突唇3004延伸到内部下表面3016，并且形成为将流过第二孔口2952的液体只引导到外部空腔3006。因此，第一孔口2950和内部空腔3020形成第一流动路径(处理液体)的一部分，并且第二孔口2952和外部空腔3006形成第二流动路径(未处理液体)的一部分。由于内壁3010，第一和第二空腔3006和3020提供分开和独立的流动路径。
再次参考图29，阀主体2910的空腔2932形成为容纳杆2912、弹簧2914、球2916、密封件2918和阀芯2920。阀芯2929还包括阀密封件2954以便防止流动液体从空腔2932泄漏。阀主体2910可通过螺纹连接与壳体2808连接，使得壳体2808将阀芯2920等保持在空腔2932内。在其它实例中，阀主体2910和壳体2808可通过任何其它机构连接。
现在参考图29和30，外部下部垫片2922和内部下部垫片2924在转换机构2806和壳体2808之间形成密封。外部下部垫片2922可靠近外部下表面3014定位，并且内部下部垫片2924可靠近内部下表面3016定位。因此，内部下部垫片2924保持第一和第二流动路径中流动的液体分开，并且外部下部垫片2922防止第二流动路径中流动的液体逃逸。第一或第二流动路径中流动的液体流入壳体2808。
壳体2808可由塑料、碳纤维、铝、钢或任何其它非多孔材料形成。如图29所示，壳体2808包括多个模块，该模块包括作为过滤器模块2960的第一隔室、作为发电模块2962的第二隔室、作为紫外线(UV)辐射剂量模块2964的第三隔室以及作为电子模块2966的第四隔室。过滤器模块2960和紫外线辐射剂量模块2964靠近定位并且形成壳体2808的大致圆柱形部分。发电模块2962形成安装在壳体2808的圆柱形部分上的壳体2808的大致球形部分。在其它实例中，水处理系统2804的构造和/或形状可以变化，并且在壳体2808中包括或多或少的模块以便适用于水处理系统2804的功能。
壳体2808还包括可以插入壳体2808的中央部分2970的歧管2968。歧管2968可以是塑料、碳纤维、铝、钢或任何其它非多孔材料。在所示实例中，歧管2968在壳体2808的大致圆柱形部分内在过滤器模块2960和紫外线辐射剂量模块2964之间靠近发电模块2962定位。歧管2968包括靠近过滤器模块2960定位的歧管盖2972。歧管2968形成第一流动路径的一部分，并且接收从阀芯2920的内部腔室3020(图30)流出的液体。歧管2968在过滤器模块2960、紫外线(UV)辐射剂量模块2964和发电模块2962之间引导液流。歧管2968的单件式构造有利地避免了多个软管、装配件和连接件，并且使得液体在模块之间液密流动。因此，可以改善制造效率、维护便利性和可靠性。
图31是图29所示示例性歧管2968的透视图。歧管2968包括形成为容纳液流的第一通路3102和第二通路3104。每个第一和第二通路3102和3104形成第一流动路径(处理液体流动路径)的一部分。第一通路3102包括第一通路入口3114，并且第二通路3104包括第二通路出口3118。
图32是图31所示示例性歧管2968的相对侧的透视图，表示第一通路3102、第二通路3104、第一通路入口3114和第二通路出口3118。大致圆柱形的第一通路3102同心定位以便围绕大致圆柱形的第二通路3104。歧管内壁3202和歧管分割壁3204限定第一通路3102。分割壁3204还限定第二通路3104，并且保持第一和第二通路3102和3104分开。分割壁3204包括沟槽3206，以便容纳歧管盖2972的一部分(图29)。歧管内壁3202包括凸脊3208以便通过例如超声波焊接将歧管盖2972(图29)连接到歧管2968上。在其它实例中，歧管盖2972可通过螺纹连接、卡扣配合、粘接或任何其它连接机构与歧管2968连接。
再次参考图31，歧管2968还包括喷嘴保持件3106和灯座3124。喷嘴保持件3106构造成接合并且保持与歧管2968连续刚性连接的喷嘴1108。喷嘴1108还形成第一流动路径的一部分。灯座3124包括多个指形件3126，指形件从歧管2968朝着UV辐射剂量模块2986向外延伸。指形件3126构造成容纳并且支承包括在UV辐射剂量模块2986(图29)内的UV光源(未示出)。
同样包括在歧管2968内的是形成为分别容纳第一垫片3132和第二垫片3134的第一凹槽3128和第二凹槽3130。所示歧管2968是大致 圆柱形的，并且形成为在壳体2808的大致圆柱形部分内提供液密密封。在歧管2968插入壳体2808的中央部分2970并且定位成接收来自于阀芯3020的液流(图29)时，液密密封形成在第一和第二垫片3132和3134以及壳体2808的内壁之间。从阀芯2920的内部空腔3020接收到壳体2808内液体可以通过第一通路入口3114引导到第一通路3102。第一通路3102将液流引导到过滤器模块2960。
如图29所示，过滤器模块2960包括布置在过滤器空腔2974内的过滤器2972。过滤器2972可由任何多孔材料形成，以便从流过过滤器2972的液体中去除颗粒等。另外，过滤器2972包括例如活性碳等材料，以便从液流中去除气味、氯、有机化学物等。整个过滤器2972和/或过滤器2972的各部分可以更换。过滤器模块2962形成第一液体流动路径的一部分，并且可以沿着第一液体流动路径填充流过壳体2808的液体。在所示的示例性构造中，第一液体流动路径内流动的液体流过过滤器入口管线2976并且充满围绕过滤器2972的过滤器空腔2974的部分。液流通过过滤器2972，并且经由过滤器出口管线2978离开过滤器空腔2974到歧管2968。
图33是过滤器模块2960、歧管2968和歧管盖2972的分解透视图。歧管盖2972可由塑料、碳纤维、铝、钢或可成形以覆盖第一和第二通路3102和3104的任何其它材料形成。歧管盖2972包括形成有各自突唇3306的第一盖通道3302和第二盖通道3304。第一盖通道3302的突唇3306形成为延伸到第一通路3102内并且通过缺口3206接收。另外，第一盖通道3302可形成为接收过滤器入口管线2976，并且使用过滤器垫片3310提供液密连接。第一通路3102内的液流可流过第一盖通道3302并且进入过滤器入口管线2976。第二盖通道3304的突唇3306可形成为延伸到第二通路3104内。另外，第二盖通道3304可形成为接收过滤器出口管线2978，并且使用过滤器垫片3310提供液密连接。通过过滤器出口管线2978的液流可经由第二盖通道3304通过第二通路3104接收。流过第二通路3104的液体流过第二通路出口3118到UV辐射剂量模块2964。
再次参考图29，UV辐射剂量模块2964包括端盖2980、观察口2981和UV辐射剂量系统2982。端盖2980形成壳体2808的一部分，并且提供UV辐射剂量系统2982的可拆卸进出口。端盖2980可通过螺纹连接、 卡扣或任何其它可拆卸的连接机构与壳体2808的其它部分连接。观察口2981可以是例如聚碳酸酯的窗口材料，由此可以视觉确认UV辐射剂量系统2982正在操作。
UV辐射剂量系统2982包括UV光源2984、插座2986和反应器容器2988。UV光源2984可以是能够发出例如紫外线的大约100到大约280纳米范围内的UVC能量的紫外线能量的任何装置，以便中和存在于流动液体中的例如细菌、藻类等有机微生物。示例性UV光源包括低压汞式、冷阴极式或发光二极管(LED)式。所示UV光源2984是两个泡体的UV光源，该光源可通过例如大约三到大约六瓦的交流电流的操作瓦特数连续操作。另外，UV光源2984可开始通过例如大约八到大约十二瓦交流电流的所确定瓦数启动。UV光源2984通常可以拆卸并且可以与插座2986电连接。在所示实例中，UV光源2984包括插入插座2986内的开口2990以形成电连接的柱(未示出)。
插座2986可通过螺纹连接、粘接、紧固件或任何其它机构同心安装在壳体2808内。UV光源2984可靠近反应器容器1988与插座2986连接。反应器容器2988可以是对于紫外线能量透明的任何材料，例如Teflon，并且能够形成用于液流的螺旋成形通道。透明材料使得流过反应器容器2988的液体暴露于UV光源2984产生的紫外线能量下。在所示实例中，反应器容器1988形成有容纳UV光源2984的中央空腔。UV光源2984可与反应器容器2988同心安装并由其围绕，使得流过反应器容器2988的液体最大程度地暴露于紫外线能量下。UV光源2984与插座2986相对的端部可接合并静置在参考图31描述的灯座3124内，以便在反应器容器2988内保持UV光源2984的位置。
图34是与图29所示的反应器容器2988连接的歧管2968的透视图。反应器容器2988包括作为第一流动路径的一部分的直线区段3402、弯头3404和螺旋区段2406。虽然未示出，第二通路出口3118(图31)使用例如摩擦配合的液密连接与直线区段3402连接。直线区段3402是通过螺旋区段3406从反应器容器2988的第一端部3410附近延伸到第二端部3412附近的导管。弯头3404在直线区段3402和螺旋区段3406之间提供液密连接。
图35是示例性弯头3404的透视图。弯头3404包括可以由塑料、碳纤维、铝、钢或任何其它非多孔材料形成的第一半件3502和第二半 件3504。第一和第二半件3502和3504可通过粘接、超声波焊接或能够形成液密密封的任何其它连接机构连接。第一半件3502包括大致直线并且形成为接收在反应器容器2988(图34)的直线区段3402(图34)内的入口短管3506。入口短管3506限定进入由第一和第二半件3502和3504限定的弯头空腔3508的通路。以类似于螺旋区段3406的曲率半径弯曲的出口短管3510同样通过第一和第二半件3502和3504限定。经由入口短管3506进入弯头空腔3508的液流可经由出口短管3510离开弯头空腔3508到反应器容器2988的螺旋区段3406(图34)。作为选择，直线区段3402和螺旋区段3406可形成为单个连续通路，并且可以省略弯头3404。
如图34所示，螺旋区段3406包括螺旋入口3416和螺旋出口3418。螺旋入口3416形成为接收出口短管3510并且形成液密连接。螺旋出口3418位于靠近直线区段3402的出口的第一端部3410处。因此，液体在相同端部处流入和流出反应器容器2988。螺旋出口3418形成为与喷嘴1108(图29)连接，并且形成液密密封。图34还表示与喷嘴保持件3106接合的喷嘴1108和形成为接收UV光源2984的螺旋区段3406内的空腔(图29)。
参考图29和34，反应器容器2988形成具有安装在壳体2808的UV辐射剂量模块2964内的外直径以及容纳UV光源2984和直线区段3402的内直径的螺旋。在UV辐射剂量模块2964内，反应器容器2988可通过反射器(未示出)围绕，以便朝着螺旋区段3406内的空腔反射UV光源2984发射的UV能量。作为选择，靠近反应器容器2988的壳体2808的内壁可具有反射表面。当UV光源2984同心定位在螺旋区段3402内时，液体可平行于UV光源2984流过直线区段3402并且围绕UV光源2984通过螺旋区段3406循环，以便使得液流进行最大程度地暴露于辐射。液体可从第二通路出口3118经由直线区段3402、弯头3404、螺旋区段3406和螺旋出口3418流到喷嘴1108。由于液体只在反应器容器2988内流动，UV辐射剂量模块2964保持大致干燥。
来自于螺旋区段3406的液流可进入喷嘴1108并且从喷嘴1108作为液体射流喷出。在进入喷嘴1108的位置处，液流通过过滤器模块2960过滤，并且通过UV辐射剂量模块2964以UV能量辐射剂量，而且认为 是处理的液体。如这里使用那样，术语“处理的液体”和“处理的水”指的是进行过滤并且经受UV能量的液体。
如上所述，喷嘴1108增加压力液体的速度。在第一速度下供应的压力液体流过喷嘴1108并且在显著高于第一速度的第二速度下从喷嘴1108排出。喷嘴1108构造成将液流转换成从喷嘴1108喷出的液体射流。被喷出的液体射流在发电模块2962中通过喷嘴1108排出。
如图29所示，发电模块2962包括所示的水力发电系统。水力发电系统包括喷嘴1108和水力发电机2992。水力发电机2992包括作为内部壳体1104的发电机壳体、对中杆1106和与参考图11-27描述的实施例类似的浆片1118。因此，将不重复前面描述的水力发电系统的详细说明。应该注意到类似于前面描述的水力发电系统的实施例的特征和/或部件可包括在发电模块2962中。
发电模块2962还包括形成作为通过壳体2808的第一流动路径(处理液体流动路径)的一部分的第一液体流动通路的外部壳体2994。外部壳体2994类似于参考图11-22描述的外部壳体1102和/或类似于参考图26-27描述的外部壳体2602。提供处理液体的第一出口2816从流过外部壳体2994的液体供应。
发电模块2962还包括第二液体流动通路。第二液体流动通路是形成第二流动路径一部分的未处理液体通路2996。第二出口2818可提供从未处理液体通路2996供应的未处理液体。未处理液体通路2996形成有外部壳体2992的外表面和壳体2808的内表面。换言之，未处理液体通路2996用于未处理液体，并且在发电模块2962内的外部壳体2992的外侧分开和独立地流到第二出口2818。
因此，发电模块2962供应第一和第二出口2816和2818两者。形成在外部壳体2992内的第一液体流动通路将未处理液体提供给第一出口2816，并且未处理液体通路2996将未处理液体提供给第二出口2818。第一或第二液体流动通路之一内的液流保持与其它液体流动通路分开和独立。
图36是图28-35所示水处理系统2804的侧视图，其中去除壳体2808的一部分。在操作过程中，在开关2824在第一位置时，压力液体从水龙头2802流过阀主体2910到内部空腔孔口(图29)，并且进入第一空腔3020。内部下部垫片2924防止液流泄漏到外部空腔3006内。 液流通过壳体2808内的未处理液体通道3602引导到歧管2968的第一通路入口3114。由于挡板3602，沿着壳体2808内的第一流动路径(处理液体路径)流动的液体不进入第二流动路径(未处理液体通路2996)。如上所述，液体流过过滤器模块2960和反应器容器2988，并且通过喷嘴1108以高速喷射到外部壳体2994内。
液体射流穿过空气，并且冲击水力发电机2992。更特别是，液体射流冲击安装在内部壳体1104的表面上的浆片1118，以便转动内部壳体1104。内部壳体1104的转动产生电能，以便启动并且保持UV光源2984。作为选择，储能装置3740可与水力发电机结合使用，以便开始启动并保持UV光源2984的启动，如随后描述那样。在与浆片1118冲击之后，液体容纳在外部壳体2994内，并且流到第一出口2816处，其中对于水处理系统2804的使用者来说液体可以作为处理液体获得。
当开关2824拨动到第二位置时，来自于水龙头2802的压力液体沿着第二流动路径流过阀主体2910到第二孔口2952(图30)并且进入外部空腔3006。外部下部垫片2922和内部下部垫片2924防止液流从外部空腔3006泄漏。从外部空腔3006，液体引导到未处理液体通路2996并且接着到第二出口2818。
再次参考图29，可通过电子模块2966来提供水处理系统2804的操作、监测和控制。在所示实例中，电子模块2966可以是形成壳体2808一部分的液密隔室。在其它实例中，电子模块2966可以是多个较小的隔室、液密隔室和/或提供所述功能的任何其它构造。
图37是同样包括UV光源2984和水力发电机2992的电子模块2966的方框图。示例性电子模块2966包括处理器3702、显示器3704、UV开关3706和电源3708。在其它实例中，可以使用另外或较少的部件，以便描述电子模块2966的功能。
处理器3702可以是能够与接收输入和/或产生输出相结合进行逻辑和/或指令以便至少指示、监测、控制和操作水处理系统的任何装置。处理器3702可包括例如存储装置的存储器，以便存储指令和数据。储存器可包括易失性或非易失性存储装置。另外，处理器3702可包括信号转换能力，例如模拟和数字转换能力。处理器3702还可包括传递和接收电信号的信号输入/输出能力以及传递和接收数据和/或指令的外部通讯口。
水力发电系统所产生的电能的监测、指示、控制和分配可通过处理器3702来进行。水力发电机2992的监测包括接收每分钟转数(RPM)、功率输出、温度和/或与水力发电机2992相关的任何其它操作参数。在所示实例中，处理器3702在功率输出线3712上接收表示水力发电机2992的功率输出的信号。根据由水力发电机2922产生的交流电流(AC)的频率，处理器3702可确定水力发电机2922的RPM。RPM(AC电能)还可通过处理器3702使用，以便确定流过第一流动路径(处理液体流动路径)的流速。因此，可以通过处理器3702跟踪和记录过滤器寿命、UV光源寿命、总加仑数或任何其它使用相关的参数。
作为选择，电子模块2996还包括例如UV传感器、A级传感器、流量传感器等一个或多个传感器3714。传感器3714可通过处理器3702在传感器监测线3716上监测，以便确定例如UV光源是否操作、流过系统的液体接收的UV辐射剂量、流动容积和速度等。作为选择，处理器3702可在存储器内存储辐射剂量曲线的预定表格。根据供应到UV光源2984的电能大小和液流暴露于UV能量的时间长度，灯辐射剂量曲线可提供UV能量的足够辐射剂量。
使用该表格和水力发电机2992的功率输出，处理器3702可确定UV光源2984进行辐射所需的工作时间量。如这里使用那样，术语“辐射剂量”指的是需要满意地净化以测量流速流过反应器腔室2988(图29)的液流的UV能量输出量。通过具有这种信息表格以及知道当前水力发电机2992的功率输出大小，微处理器3702可确定灯到达所需辐射剂量的所需工作时间。应该认识到UV光源的“工作时间”指的是冲击电弧并离子化气体以获得释放UV能量(开始光输出(ILO))的等离子体所需的时间周期。
系统状态指示器还可通过处理器3702驱动。显示器3704可以是任何形式的视觉和/或音频指示器，例如发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、光指示器、压电器件、信号器灯。显示器3704可在电子模块2996上/内。作为选择，显示器3704可容易看到的位置上在壳体2808(图29)上/内定位在其它地方，例如在壳体2808的大致球形部分上/内(图29)。通过处理器3702经由显示器3704驱动的视觉和/或音频指示器可指示UV光源2984的剩余寿命(使用)、过滤器2972的剩余寿命(使用)、是否和何时UV光源2984到达辐射剂量、是否 缺少电能驱动UV光源2984、系统缺省值、系统操作、液体流速或任何其它系统和/或操作指示/状态。处理器3702可在显示线3718上提供信号来驱动显示器3704。
通过处理器3702进行控制可包括UV光源2984的起动和操作控制。如上所述，UV光源2984可开始通过水力发电机2992产生的电能启动并且随后连续驱动。处理器3702可监测水力发电机2922的RPM和/或功率输出，并且在RPM和/或功率输出在所确定范围内时启动UV光源2984。应该理解到水力发电机的RPM及其产生的功率输出是相关的。因此，当RPM增加时，功率输出相应增加，并且当RPM减小时，功率输出相应减小。功率输出的所确定范围可以进行选择，以便减小UV光源2984的工作时间。换言之，UV光源2984到达辐射剂量所需的起动时间可通过处理器3702减小。起动时间可通过在最佳操作状态下有选择地驱动UV光源2984经由处理器减小，例如在水力发电机的RPM在所确定范围内时。起动时间的减小可提供水处理系统的所需“瞬时接通”能力。瞬时接通能力可减小流过第一流动路径的未处理液体量。
UV光源2984的起动时间还可根据UV光源2984的构造有利地减小。与可以有利地构造的UV光源2984构造相关的参数包括UV光源2984的细丝尺寸、UV光源2984内的气体混合物和任选预热控制器3720的施加。
UV光源2984的高能起动以冲击电弧可将UV光源2984内的等离子体升高到热离子温度。使得UV光源2984提供的UV能量的稳定性和持久性最大的热离子温度是需要的。过低的热离子温度可造成高能起动形成的等离子体不稳定。另一方面，如果热离子温度过高，可使得反应退化。
对于UV光源2984来说可以研究等离子体热离子温度的范围。为了获得所确定范围内的等离子体热离子温度，所确定范围的起动电压(以及RPM)可以在处理器3702的方向上施加在UV光源2984上。等离子体热离子温度的所确定范围可在简单形成等离子体而不考虑其稳定性所需的等离子体热离子温度以上。由于等离子体热离子温度需要较高，以便位于所确定范围内，所确定范围的起动电压同样在幅值上较大。UV光源2984内细丝可相应设置相对大的尺寸，以便适应位于所需热离子温度范围内所需的起动电压幅值。因此，在处理器3702的方 向上由水力发电机2992供应的起动电压可以在幅值上较大，而没有不利影响，并且起动时间可以减小。
为了使得形成等离子体的反应的热离子温度最大，在UV光源2984中可以使用氖和氩的所确定混合物。例如，该混合物可以在高达大约5％的氖以及余量为氩的范围内。作为选择，氖的范围可以在大约5％到大约15％。在另一选择中，氖可以是大约25％或更少，并且氩可以是大约75％或更少。
由于水力发电机2992产生的电能可用来冲击电弧并使得气体离子化以产生所需温度范围内的反应的所需热离子温度，可以使用最糟情况的液体流速和液体温度来确定所产生的电能以及热离子温度。一旦确定最佳热离子温度范围，处理器3702可监测水力发电机2992的参数，以便只在气体离子化时热离子温度在最佳热离子温度范围时驱动UV光源2984。
UV开关3706可通过处理器3702控制，以便控制从水力发电机2992到UV光源2984的电能供应。UV开关3706可以是继电器、FET或可以通过处理器3702驱动的某种其它的转换机构。处理器3702可通过作为启动线3722上的输出信号提供的启动信号指导UV开关3706。UV开关3706可从水力发电机2992在高压电源线2724上接收电能，并且在启动时在电源线3726上将水力发电机2922产生的电能传递到UV光源2984上。
UV辐射剂量系统2988(图34)和水力发电机2922还可设计成“负载匹配”，以便在多种液流条件下将足够的辐射剂量提供给液流。可以确定液体流速变化时水力发电机2992的电压输出变化。另外，还可确定由于水力发电机2992的波动电压(RPM)造成的UV光源2984的UV能量输出中的变化。根据这些确定，水力发电机2992和UV光源2984可设计成辅助匹配，以便在任何流速条件下在液体流速的所需范围内提供足够的辐射剂量。另外，UV辐射剂量系统2988的例如直线区段3402和螺旋区段3406的其它方面(图34)可设计成在变化的流速下提供足够的辐射剂量。
预热控制器3718可以是例如与UV光源2984连接的辉光泡体的机械控制器。在气体开始离子化时，辉光泡体可短路UV光源2984内的细丝。一旦离子化完成并且UV光源2984内的反应达到热离子温度的 所需范围，辉光泡体可去除短路。作为选择，可控硅元件或热电偶可进行类似的功能。在另一选择中，预热控制器3718可以是通过处理器3702控制的例如舌簧继电器或三端双向可控硅开关的短路开关。处理器3702可有选择地激励并且断电短路开关，以便减小UV光源984到达辐射剂量的工作时间。预热控制器3718的激励和断电可通过预热线3728上的来自于处理器3702信号来启动。
电源3708可利用水力发电机的输出功率来提供调节的DC控制电压，以便供应处理器3702。一旦水力发电机2992开始转动，调节DC控制电压可在DC控制线3730上供应到处理器3702上。因此，处理器3702可开始激励并且大致在水力发电机2992开始转动的同时开始监测水力发电机2992的功率输出。
水力发电机2992可在高压模式下作为高压发电机操作，或者在低压模式下作为低压发电机操作。例如，在高压模式下，水力发电机2992可包括构造成产生高压功率输出以便为UV光源2984供电的线圈。作为选择，在低压模式下，水力发电机2992可包括构造成产生低压功率输出以便为UV光源2984供电的线圈。
如这里使用那样，术语“高压模式”指的是由水力发电机2992产生的足够大以直接起动并操作UV光源2984的任何幅值的操作电压。例如，高压模式可提供大约300-400V AC的开始激励电压(在水力发电机2992上没有负载时的起动电压)以及一旦完成起动保持UV光源2984激励的大约20-40V AC。术语“低压模式”指的是由水力发电机2992产生的由镇流器使用以起动并操作UV光源2984的任何幅值的操作电压，如说明描述那样。例如，水力发电机可在低压模式下提供大约6-20VAC。在其它实例中，其它电压模式和构造可用于水力发电机2992以便起动和操作UV光源2984。
如果水力发电机2992在高压模式下操作，高压功率输出可在高压功率线3724上供应到UV开关上。另外，水力发电机2992可包括构造成提供低压功率输出以便在AC输出线3732上供应电源3708的线圈。供应到UV开关3706上的相对高压的AC功率可通过处理器3702直接使用，以便在具有最佳操作条件时冲击UV光源2984内的电弧。
如果水力发电机2992在低压模式下操作以产生相对低压的功率输出，从而供应UV光源2984，电子模块2966可包括镇流器3730。镇 流器3730可在UV开关3706和UV光源2984之间连接在电源线3726内。UV开关3706还可与电源3708连接。在此构造中，根据来自于在低压模式下操作的水力发电机2992的功率供应，UV开关3706可通过电压3708在整流的未调节DC电压下供应，例如大约3-12VDC。整流的DC电压可在DC电压供应线3734上供应。在达到最佳操作条件时通过处理器激励UV开关3706的情况下，整流的DC电压可通过镇流器3730转换回到AC电能，并且供应到UV光源2984。
在通过高压模式下操作的水力发电机2992起动时，UV光源2984如上所述利用最小电流和高压。在离子化期间，UV光源2984的阻抗从例如1兆欧的相对高的阻抗变化到例如100欧姆的相对低的阻抗。使用水力发电机2992作为直流电源有利地提供可以构造成与UV光源2984的变化阻抗相互协作的电源。
高压模式下操作的水力发电机2992可设计成提供确定的起动电压以便开始直接激励UV光源2984。确定的起动电压可以在如下所述的电压范围内，即该电压范围是使用最糟情况下所预计的液体流速和温度来预料水力发电机2992在没有负载的条件下的第一RPM以及起动电压、输出而设计在水力发电机2922内。处理器3702可在UV光源只在水力发电机2992的RPM在能够提供所确定的起动电压的所确定范围内时激励UV光源。另外，水力发电机2992可构造成提供一个运行电压，该运行电压在开始激励之后通过对于最糟情况下所预计液体流速和温度的相应第二RPM进行设计来保持UV光源2984的激励。
可在高压模式下操作的水力发电机2992还可通过飞轮效应设计，以便大致保持第一RPM以及起动电压长达所确定的时间周期，该时间周期足够长以完成UV光源2984的开始激励。大致保持第一RPM使得水力发电机2992在负载条件下供应足够的电能，以便冲击电弧并在热离子温度的所需范围内使得UV光源2984内的气体离子化。所确定的时间周期可以例如是800微秒。处理器3702可监测水力发电机2992的飞轮效应(起动电压)并且调节RPM的所确定范围，从而实现所确定的时间周期。因此，处理器3702可连续调节最佳时间，以便开始激励UV光源2984，从而减小UV光源2984的随后起动。由于UV光源2984的连续负载，水力发电机2992的RPM可接着减小，以便提供保持UV光源2984激励所需的操作电压幅值。
在水力发电机2992在低压模式下操作时，处理器3702可再次确定最佳时间，使得UV开关3706开始激励UV光源2984。对于所确定范围来说，处理器3702可监测水力发电机2992的RPM(或电压)。在到达所确定范围时，UV开关3706可提供DC电压到镇流器3730上，以便冲击UV光源2984内的电弧。由于所确定的范围，镇流器3730可提供能够在热离子温度的所需范围内冲击UV光源2984内的电弧的电压幅值。
在高压或低压模式下操作的水力发电机2992可以通过处理器3702的控制与UV光源2984有效地“阻抗匹配”。处理器3702可监测水力发电机2992的RPM并且有选择地激励UV开关3706，以便在RPM达到所确定的范围以减小起动时为UV光源2984供电。通过在从水力发电机2992提供足够的电能时只冲击UV光源2984内的电弧，UV光源2984的寿命可以最大化。另外，UV光源2984内的所得等离子体可在所需范围的热离子温度内，所需范围的热离子温度使得所产生的UV能量的稳定性最大并且变化最小。
在任一模式下，电弧的冲击可略微延迟，而处理器3802等待RPM(或电压)达到所需范围。延迟可以是由于将水力发电机2992的转动惯量变化到所需RPM范围所需的时间。延迟可在水力发电机2992缓慢升高到完全速度的同时有利地避免从水力发电机2992抽取能量。因此，可以实现UV光源2984的快速和有效的起动，使得离子化气体的稳定性最大。
电子模块2966还可包括任选的存储装置3740和充电/放电控制器3742。存储装置2740可以是电容器、电池、或能够存储和放电的任何其它的储能机构。充电/放电控制器3742可以是任何形式的转换机构，例如能够有选择地传导电能的继电器或FET。处理器3702可通过充电/放电线3744上的信号来控制充电/放电控制器3742。充电/放电控制器3742还可通过储能线3746与存储装置3740连接，并且通过储能线3748与电源3708连接。
存储装置3740可以通过处理器3702使用，以便在水力发电机2992没有产生电能时将电能供应到水处理系统。另外，存储装置3740可通过处理器3702使用，以便满足超过水力发电机2992的当前功率输出的功率需求。例如，如果由于水力发电机2992的RPM不足，处理器3702 不能启动UV光源2984，处理器3702可使得充电/放电控制器从存储装置3740的电能补充所得电能，并且接着使得UV开关3706启动UV光源2984。在水力发电机2992产生足够量的电能以将电能存储在存储装置3740内时，处理器3702还可有选择地启动充电/放电控制器2984。
在又一实例中，处理器3702可通过来自于存储装置3740的电能开始激励UV光源2984。在处理器3702监测到水力发电机2992转动时，处理器3702可启动UV开关3706。换言之，当处理器3702监测到沿着第一流动路径的液流时。水力发电机2992的RPM(或电压)可接着通过处理器3702监测，直到达到能够保持UV光源2984激励的所确定范围为止。处理器3702可接着通过同步开关(未示出)将来自于存储装置3740的电能供应转换到水力发电机。存储装置3740可接着通过水力发电机产生的电能充电。因此，水处理系统可包括用于UV光源2984的瞬时接通能力，并且可以自供电。包括存储装置3740的选择还可以低成本和方便的方式在例如某些第三世界国家的液体压力条件下提供处理液体。
图38-39是表示前面参考图28-37描述的水处理系统2804操作的示例性操作流程图。在所示的示例性操作中，假设水处理系统2804已经进行操作并且保持有液体。在液流进入转换机构2806时，操作在图38的方框3802处开始。在方框3804，如果水处理系统2804的使用者选择通过拨动开关2824来接收处理液流时，液体沿着第一流动路径流过转换机构2806并且接着进入壳体2808。在方框3806，存在于第一流动路径内的液体开始流动。由于前面使用的水处理系统2804，保持已经存在的液体。
在方框3808，前面存在的液体在水力发电机2992处以高速喷出射流的方式喷射，并且水力发电机2992开始转动。在方框2810，水力发电机2992开始产生电能。在方框3812，电能激励处理器3702。在方框3814，处理器3702监测水力发电机2992的输出功率以便确定是否达到RPM的所确定范围。如果达到RPM的范围，处理器3702启动UV开关3706，以便在方框3816激励UV光源2984。
如果在方框3814处，RPM没有在所确定的范围内，处理器3702监测液流量，并且在方框3820确定液流是否超过所确定的量。所确定液流量可以是已经通过UV能量辐射的存在于反应器容器2988内的当 前存在的液体量。如果超过所确定的液流量，在方框3822，处理器3702可提供液流没有充分处理的报警或其它指示。
现在参考图39，在方框3824，处理器3702确定是否超过例如三秒的所确定的时间周期。如果没有超过所确定的时间周期，操作返回到方框3814，以便监测所确定的RPM范围。如果超过了时间周期，在方框3826，处理器3702可通过显示器3704产生报警，指示所得到的电能不足以起动UV光源2984，并且操作返回到方框3814(图38)。作为选择，处理器3702可起动存储装置3740(如果有的话)，以便如上所述提供另外的电能。
一旦UV光源在方框3817(图38)激励，处理器3702在方框3832监测并跟踪流量、过滤器寿命(使用)、UV光源寿命(使用)等。如果存储装置3740用来起动UV光源2984，处理器3702还可进行监测，以便根据所确定的RPM范围，确定何时由存储装置3740供应电能转换到由水力发电机2992供应电能。在方框3834，处理器3702可利用表格来确定是否液体经过足够辐射剂量的UV能量。作为选择，传感器3714可通过处理器3702监测，以便进行确定。如果液体已经进过足够的辐射剂量，在方框3836，处理器3702经由显示器3704指示使用者液体进行处理。如果液体没有经过足够的辐射剂量，在方框3838，处理器3702可在显示器3704上产生报警。
在方框3840，进入转换机构2806的液流进入歧管2968并且沿着第一流动路径引导到过滤器2972。液体在方框3842过滤。在方框3844，过滤的液流返回歧管2968，并且沿着第一流动路径引导到反应器容器2988。在方框3846，过滤液流在反应器容器2988内暴露于UV能量下。在方框3848，辐射后的液流再次返回到歧管2968，并且通过喷嘴1108沿着第一流动路径引到。液流在水力发电机2992处通过喷嘴1108以液体射流形式喷出，并且在方框2850，沿着第一流动路径引导离开第一出口2816。
再次参考图38，在方框3802，如果使用者选择未处理液体，在方框2854，液体沿着第二流动路径流过转换机构2806。在方框3856，液流进入壳体，并且沿着第二流动路径流过未处理液体通路2996。在方框3858，在第二出口2818处提供未处理的液流。
当使用者停止液流，处理器3702可保持足够的维持电能以便在非易失性存储器内直接存储操作和使用数据。作为选择，存储装置3740可为处理器3702供电。在数据存储完成之后，处理器3702可断电，并且关闭水处理系统。
图40是另一种典型的小型水力发电系统4000的剖视图。该小型水力发电系统4000可用于任何前述应用中，例如用于水处理系统内、用于管道设备固定装置内、用于旋塞系统的端部中等等，正如本文所述地那样。此外，该小型水力发电系统4000可包括硬件和/或软件的前述典型构型中的任何一种或多种构型，如处理器、阀体、歧管、反应器容器、过滤器、功率控制器等，正如本文所述地那样。该小型水力发电系统4000是小型系统，所述系统产生了少量功率，如30瓦特或更低的功率。因此，该小型水力发电系统4000可用于需要电功率源的商业应用中，例如为休息室中的管道设备固定装置供电，或者用于非商业应用中，例如为家用或个人水处理系统中的指示面板供电。
该典型的小型水力发电系统4000包括外壳体4002和内罩壳4004。该外壳体4002可大体上呈圆柱形且由塑料、金属或不透液体的任何其它刚性材料制成。在其它实例中，外壳体4002可呈方形、椭圆形或任何其它形状。外壳体4002包括位于中心的外罩壳、第一外端盖4008和第二外端盖4010。在其它实例中，可设置一个或多个独立罩壳作为外壳体4002的一部分。
在该实例中，第一外端盖4008和第二外端盖4010可被成形以便包括具有大体上均匀的剖面面积的内壁4012和具有更大的剖面面积的套筒4014，所述套筒被成形以便围绕着该位于中心的外罩壳4006的相应的相对端部。第一外端盖4008和4010可通过摩擦配合、胶粘剂、超声波焊接部(一处或多处)或任何其它联接机构与该位于中心的外罩壳4006固定地相联，以便形成液密连接。此外，在该实例中，第一外端盖4008和第二外端盖4010可分别包括套筒密封件4016，所述套筒密封件被定位在相应的套筒4014中以便在相应的外端盖4008和4010与位于中心的外罩壳4006之间形成液密连接。此外，对于套筒密封件4016而言，还可包括凸脊、搭扣配合连接或一些其它形式的止挡部，以使得该位于中心的外罩壳4006仅可进入相应的套筒4014内的预定深度处。
位于中心的外罩壳4006可具有单件式设计，且可被成形以便具有介于该位于中心的外罩壳4006的入口4022与出口4024之间的剖面面积均匀减少的内壁，所述内壁限定出内室。在如图所示的实例中，位于该位于中心的外罩壳4006内的内室包括具有第一预定剖面面积的第一部段4026、具有比该第一部段4026更小的第二预定剖面面积的第二部段4028和具有比第二部段4028更小的第三预定剖面面积的第三部段4030。在其它实例中，该位于中心的外罩壳4006的内室可均匀地渐细，或可包括数量更少或更多的阶梯状内壁表面，或可在所有这三个部段4026、4028和4030的整个范围内都具有均匀的剖面面积。
内罩壳4004可以是被设置在该位于中心的外罩壳4006的内腔体内的壳体。内罩壳4004可包括入口喷嘴4034、出口喷嘴4036和涡轮转子4038。入口喷嘴4034、出口喷嘴4036和涡轮转子4038可由塑料、钢、碳纤维或不透液体的任何其它刚性材料制成。在该实例中，入口喷嘴4034、出口喷嘴4036和涡轮转子4038的组合形成了内罩壳4004的大体上完整的外表面且还在内罩壳4004内形成了内腔体。在该内罩壳4004的内腔体内，可设置包括定子4042、转子4044和轴4046的发电机。
在运行过程中，具有预定压力范围和速度范围的液体流可进入内罩壳4004内，同时与壳体4002的中心轴线4050大体上平行地流动，如箭头4052所示。液体流可在入口喷嘴4034的作用下朝向内罩壳4004的内壁转向，并流动通过入口喷嘴4034到达涡轮转子4038。在液体流撞击涡轮转子4038时，转子4044可围绕轴4046以介于约4000与约8000转/分钟之间的速度围绕4046旋转，由此在定子4042中感应出电流。在与涡轮转子4038撞击之后，液体流可随着旋转的涡轮转子4038而大体上垂直于中心轴线4050进行流动，直至液体流到达出口喷嘴4036。正如稍后描述地那样，出口喷嘴4036可使液体流再次转向而大体上平行于中心轴线4050。此外，出口喷嘴4036可排出液体流，从而使得液体具有大体上层状的流，而基本上不会出现紊流。
图41是图40所示水力发电系统4000的分解视图，所述系统包括内罩壳4004、位于中心的外罩壳4006、第一外端盖4008、第二外端盖4010、入口喷嘴4034和出口喷嘴4036。图中还示出了套筒密封件4016和套筒保持器4102。正如前面所讨论地那样，当该位于中心的外罩壳 4006被插入相应的外端盖4008和4010内时，套筒密封件4016在该外端盖4008和4010与该位于中心的外罩壳4006之间提供了密封。套筒保持器4102可提供止挡，从而使得在水力发电系统4000的制造过程中，该位于中心的外罩壳4006可仅被插入第一外端盖4008和第二外端盖4010的套筒4014内的预定距离处。
如前所述，内罩壳4004包括入口喷嘴4034、涡轮转子4038和出口喷嘴4036，这些部件形成了内罩壳4004的外表面和内罩壳4004的内腔体。定子4042、磁体4104、保持环4106和轴4046被设置在内罩壳4004的内腔体中。
磁体4104可以是永磁体，如烧结或粘结钕铁硼(NdFeB)稀土磁体。磁体4104可被成形为连续的单个结构，该结构具有沿该结构构造而成的所需数量的北极和南极。另一种可选方式是，多个单独的磁体可被成形为预定形状、与保持环4106对齐且相联。
保持环4106可以是钢或一些其它材料，所述材料能够对磁体4104的磁场进行集中和引导。磁体4104可通过与保持环4106进行磁吸引的方式与保持环4106相联。此外，或另一种可选方式是，磁体4104可通过胶粘剂、焊接、搭扣配合、摩擦配合或用于使磁体4104与保持环4106固定地相联的任何其它机构。磁体4104与保持环4106的组合可形成发电机的转子4044而与保持环4106相联。磁体4104与保持环4106的组合件可形成发电机的转子4044。另一种可选方式是，保持环4106可被省略，且可用发电机的转子4044作为磁体4104。
其中安装有磁体4104的保持环4106可被安装到涡轮转子4038的内表面4108上。保持环4106可通过胶粘剂、超声波焊接、搭扣配合、摩擦配合或任何其它联接机构与内表面4108相联。定子4042可与轴4046固定地相联。在如图所示的实例中，定子4042可经由定子套管4110而与轴4046相联。在其它实例中，定子4042可与轴4046直接相联。
定子4042可被形成而具有多个磁极4114，每个磁极分别包括芯体，在芯体上卷绕了一个或多个固定绕组(未示出)，如前所述。定子4042可被定位在涡轮转子4038中，以使得磁体4104被定位在定子4043周围，且其间存在预定空气间隙。
定子4042和转子4044可被构造以便将小型水力发电系统4000内的内部损耗降至最低限度。发电机中出现的反电动势或反转矩可能是由于由该发电机供电的负载的原因加之发电机本身内的低效造成的。为了将损耗(例如，并非由负载导致出现的反电动势)降至最低限度，定子4042中的磁极4112可被设计而没有传导磁能的芯体(无芯)，或者具有传导磁能的芯体。
如果定子4042被构造成“无芯定子”，则每个磁极4114可包括卷绕在并不传导磁能的芯体材料，如塑料，上的绕组。因此，由于仅有芯体上的绕组被磁吸引到磁体4104上，因此，定子4042受到磁体4104的磁吸引被大大减少。因此使得大大减轻了表现为变动转矩的反电动势。
如果定子4042所包括的磁极4112具有传导磁能的芯体材料，则每个芯体可由导磁材料如铁制成。这些导磁芯体中的每个芯体可被成形为导磁材料层，且层被联接在一起以便形成芯体。导磁材料还可被称作磁通量集中器，这是因为由磁体4104产生的磁通量被导磁材料集中在其相应的绕组中。为了将由于多层芯体中的每个芯体与磁体4104之间的吸引造成的反电动势(变动转矩)降至最低限度，多层芯体中的各个层可沿磁体4104的旋转方向而偏离彼此，从而大体上延长每个磁极4112。因此，在运行过程中，当磁体4104旋转越过磁极4112时，由于磁极4112的分布更加均匀，因此磁体4104的磁场所产生的磁吸引的分布也更等同，且变动转矩被降至最低限度。
导磁芯体或通量集中器使得磁体4104的磁场产生了集中。旋转的磁场在绕组中产生了电流。由于无芯定子中不存在导磁芯体(通量集中器)，因此可能需要相对较大的绕组和磁感应强度相对较高的磁体，才能获得与包括导磁芯体的相应发电机相当的功率输出。
对于除了负载以外的其它原因造成的反电动势而言，也可通过降低该小型水力发电系统4000中的活动部件之间的风阻和/或其它摩擦损失的方式使该反电动势最小化，如前文所述。此外，对于发电机内附加的反电动势而言，可通过实施定子和转子磁极的多种组合、消除通量集中器和/或使每个线圈/磁体中的定子磁极产生偏离以便避免磁通量集中的方式使该反电动势最小化，如前文所述。
定子4042可以湿法操作或以干法操作，这是因为可用非传导材料对绕组(一个或多个)进行密封，所述非传导材料例如为涂覆在金属丝上的用以形成绕组的瓷漆涂层。另一种可选方式是，可利用包注模技术在绕组(一个或多个)上包上塑料、橡胶或其它防水材料。
转子4044与定子4042的组合可形成产生三相交流功率的发电机。另一种可选方式是，发电机可产生单相AC功率。定子4042与磁体4104之间的空气间隙可通过磁体4104的磁场与轴4046的结合被保持，这与前述实例是相似的。定子4104可与轴4046相联。因此，在涡轮转子4038进行旋转时，且因此在转子4044进行旋转时，该旋转的磁场在定子4042的绕组(一个或多个)中感应产生了电功率。由发电机产生的功率可被置于供电线路4116上。供电线路4116可被电连接至定子4042的绕组(一个或多个)。供电线路4116可按一定路线穿过这样的通路，所述通路沿中心轴线4050延伸通过轴4046。除了功率以外，转子4044的旋转和/或产生的功率可被监测以便进行基于流体的测量，如前所述。
在操作过程中，涡轮转子4038、且因此转子4044被构造以便围绕轴4046和中心轴线4050进行旋转。因此，涡轮转子4038和转子4044总是在大体上垂直于中心轴线4050的平面中旋转。第一轴承4120与涡轮转子4038相联且被定位以便在与入口喷嘴4034紧邻的位置处围绕着轴4046。轴承固持器4122与涡轮转子4038相联且与第一轴承4120相对。轴承固持器4122可通过胶粘剂、焊接、摩擦配合、搭扣配合或任何其它联接机构与涡轮转子4038固定地相联。第二轴承4126与轴承固持器4122相联，所述第二轴承被定位以便在与排出喷嘴4036紧邻的位置处围绕着轴4046且被设置在轴承孔4127中，所述轴承孔被设置在轴承固持器4122中。
第一轴承4120和第二轴承4126中的每个轴承沿周向围绕着轴4046的一部分，如图40最佳示出地那样。轴承4120和4126可随着涡轮转子4038一起旋转，或可与轴4046保持静止。如前所述，第一轴承4120和第二轴承4126可包括滚柱轴承，或可呈现出低摩擦接触表面的形式。第一轴承4120和第二轴承4126可以是石墨碳、特氟隆、滚珠轴承、陶瓷、超高分子量(UHMW)聚乙烯或能够承受转子轴166 的旋转的其它相似材料。第一轴承4120和第二轴承4126的润滑和冷却可由流动通过外壳体4002的液体实现。
在图41中，涡轮转子4108被形成以便包括套筒4124，且轴承固持器4122被形成而具有直径略大于套筒4124的轴环，从而使得轴承固持器4122的轴环可接收套筒4124。
液体可通过入口孔口4130被供应至第一外端盖4008。液体可在预定压力和速度下被供应，所述预定压力和速度取决于供应液体的系统。例如，一些市政公共水系统在介于约414KPA(60磅/平方英寸)与约827KPA(120磅/平方英寸)之间的水压下运行。入口孔口4130可与中心轴线4050垂直地透过第一外端盖4008的外表面，以便经由第一外端盖4008将液体流引导至位于中心的外罩壳4006。
在图41中，第一外端盖4008包括两个入口孔口4130以便在液体流到达入口喷嘴4034之前将液体流更平均地分布在该位于中心的外罩壳4006内。在其它实例中，可使用任何数量的入口孔口4130。此外，第二外端盖4010包括出口孔口4132以便将液体流引导出外壳体4002。在图41中，第二外端盖4010包括两个出口孔口412，所述出口孔口与中心轴线4050大体上垂直地透过第二外端盖4010的外表面。第二外端盖4010可包括两个出口孔口4132以便将液体流更均匀地分布在第二外端盖4010内并避免压力积聚在所述第二外端盖内。在其它实例中，可设置任何数量的出口孔口4132。
在另一实例中，外壳体4002可具有单一整件式构造，这种构造包括位于中心的外罩壳4006、第一外端盖4008和第二外端盖4010的功能。在又一实例中，外壳体4002可具有单一整件式构造，这种构造具有通过其中的通路，所述通路具有与图9相似的大体上均匀的剖面面积。在又一实例中，入口孔口4130和出口孔口4132可与中心轴线4050平行地和/或以在所述中心轴线上的方式透过相应的第一外端盖和第二外端盖的表面，以便应用于成一直线的场合中。在该实例中，入口孔口4130和出口孔口4132中的每个孔口可都包括多个不同尺寸的孔口，从而使得孔口4130和4132可接收具有多种预定直径中的任何直径的液体供应管道和液体排出管道，所述直径例如为4.76mm、9.53mm和12.7mm。这种液体供应管道可供应由小型水力发电系统4000接收的 液体流，且这种排出管道可将液体流排出小型水力发电系统4000，而不会产生明显的背压。
图42A和图42B示出了典型的涡轮转子4038。图42A示出了从入口喷嘴侧观察到的涡轮转子4038的视图，且图42B是图42A所示涡轮转子的剖面侧视图。图中所示的涡轮转子4038是壳体，所述壳体包括多个轮叶4202、底部4024和轴承保持器4206。轮叶4202或桨叶被成形以便与中心轴线4050大体上垂直地从底部4204伸出。轮叶4202被成形而具有预定形状以便接收来自入口喷嘴4034的液体流(图41)。轮叶4202可与底部4204一体成形。例如，在涡轮转子4038由塑料模制成型的情况下，轮叶4202可间隔开来且被成形，以使得可通过单一模制成型操作在单个模具中形成涡轮转子4038和轮叶4202。
底部4204形成了涡轮转子4038的外表面，和内表面4108，磁体4104被联接至所述内表面，正如前面结合图41所讨论地那样。底部4204包括套筒4124，所述套筒被形成以使得能够与轴承固持器4122相联(图41)，正如前面讨论地那样。底部4204也与轴承保持器4206相联。在图42B中，底部4204、轴承保持器4206和套筒4124被成形为单一的单件式结构。在其它实例中，底部4204、轴承保持器4206和套筒4124可以是进行了固定联接的任何数量的独立部件。轴承保持器4206被形成以便限定出轴承孔4208。轴承孔4208可与中心轴线4050同心地被定位且被制成一定尺寸以便容纳第一轴承4120。
如图41和图42进一步示出地，在一个实例中，第一轴承4120和4128可被形成以便包括第一凸缘，所述第一凸缘的直径大于轴承保持器4206的轴承孔4208和轴承固持器4122的轴承孔4127。此外，第一轴承4120和第二轴承4128可被形成以便包括第二凸缘，所述第二凸缘的尺寸分别与轴承孔4208和轴承孔4127大约相同。因此，第一轴承4120和第二轴承4128可分别被定位在轴承孔4208和轴承孔4127内，且第二凸缘伸出而穿过相应的轴承孔4208和4127。第一凸缘可作为止挡器操作以便防止第一轴承4120和第二轴承4128进一步前进进入相应的轴承孔4127和4208内。
图43A、图43B、图43C和图43D示出了典型的入口喷嘴4034。图43A是入口喷嘴4034的前视图，图中示出了入口通道4302。图43B是图43A所示入口喷嘴4034的剖切侧视图。图43C和图43D是从两个不同角度观察到的图43A所示入口喷嘴4034的一部分的顶部透视图。入口通道4302被成形为入口狭槽以便包括入口狭槽进入口4304和入口狭槽排出口4306。入口通道4302所形成的入口狭槽包括内壁4322和外壁4324。内壁4322和外壁4324在入口狭槽进入口4304与入口狭槽排出口4306之间从更宽渐细为更窄，从而使得入口狭槽进入口4304的剖面面积是入口狭槽排出口4306的剖面面积的至少两倍，如图43C和图43D最佳示出地那样。
剖面面积的减少使液体流的压力和速度增加了预定量，该预定量取决于液体进入入口狭槽进入口4304时，该液体流的压力和速度。由于液体的压力和速度可根据液体来源产生变化，因此可利用入口狭槽进入口4304与入口狭槽排出口4306之比来获得大体上接近于所需的速度和压力增量的压力和速度增量范围。在该液体为水的一个实例中，在预期液体流速为4.546升(1加仑)/分钟，压力为414BCPA(六十磅/平方英寸)的情况下，入口狭槽进入口4304与入口狭槽排出口4306之比为8∶1。
由于不同液体源的液体特性、以及流速和压力将有所不同，因此可利用流体动力学模型针对特定的液体的不同比率建立液体源流速和压力的范围。基于涡轮转子4038的特性(图40)，可确定发电机上的预期负载和小型水利发电系统4000内的损耗、液体流在入口狭槽排出口4036处的所需速度和压力范围。利用液体流在入口狭槽排出口4306处的所需速度和压力范围，基于液体源的预期压力和流速范围，可利用动力学模型技术建立入口狭槽进入口4304与入口狭槽排出口4306之比，以便在入口狭槽排出口4306处实现所需流速和压力。
除了渐细以外，入口通道4302的内壁4322和4324中的每个壁部还可被成形以便具有预定弧，所述弧使得当液体流从入口狭槽排出口4306中被挤出时，液体流的方向相对于中心轴线4050改变了约45度的角度。内壁4322和外壁4324中的每个壁部形成了预定弧以便改变流向，同时将引入液体流内的紊流或其它非层状流特性的情况降至最低限度。
如图43C和图43D最佳示出地，入口通道4302的内壁4322形成了内弧，且外壁4324形成了外弧。内弧的表面由第一曲率半径限定。外弧的表面由第二曲率半径限定。在一个实例中，该内弧的第一曲率 半径可比该外弧的相应的第二曲率半径更短。在该实例中，在沿相应弧的每个点处，第一曲率半径可短于第二曲率半径。此外，由于存在这种渐细，第一曲率半径与第二曲率半径之间的距离可在入口狭槽进入口4304与入口狭槽排出口4306之间以连续方式或不连续方式逐渐降低。
形成了内弧的内壁4322包括第一弧部段4326和第二弧部段4328。第一弧部段4326被设置在入口通道4302中，且第二弧部段4328被设置在入口狭槽排出口4306中。第一弧部段4326和第二弧部段4328可并不在内壁4322中被成形为一个连续的弧。代替的是，在一个实例中，第一弧部段4326可在内壁4322中被成形为不同于第二弧部段4328的曲率半径。另一种可选方式是，第一弧部段4326可在内壁4322中被成形为具有一定曲率半径，且第二弧部段4328可被成形为内壁4322的平的部分。在又一种可选方式中，第一弧部段4326和第二弧部段4328可在内壁4322中被成形以便具有相同的曲率半径。
在操作过程中，流动通过入口通道4302的液体作为物质流从入口狭槽排出口4306中被挤出。液体流的第一部分可在到达第二弧部段4328之前(或在到达所述第二弧部段时)与入口通道4302分开。液体流的第二部分可在流过第二弧部段4328之后与入口通道4302分开。液体与入口狭槽排出口4306分开并与涡轮转子4038的轮叶相撞。在一个实例中，大多数液体流都是在与第二弧部段4328接触之后与入口通道4302分开的，且少数液体流是在与第二弧部段4328接触之前或接触时与入口通道4302分开的。因此，相对少量的动能通过液体流的第一部分被传递给涡轮转子4038的旋转能，随后有相对较多的动能通过液体流的第二部分产生了传递。因此，从液体流向涡轮转子4038产生了更平滑的动能过渡，且液体流中的紊流和其它非层状流特性被降至最低限度。另一种可选方式是，液体流的第一部分和液体流的第二部分可大体上相同，从而提供类似于均匀非紊流流体的结果。
与轮叶4202的相撞使液体流向相对于中心轴线4050进一步改变了约45度的角度。液体流向的这种改变将动能从液体流向涡轮转子4038的旋转进行的传递最大化。因此，在被引导通过入口通道4302且与轮叶4202相撞之后，液体流的方向产生了改变从而使流向大体上垂 直于中心轴线4050(或者相对于中心轴线4050改变了约90度)，且大多数动能被传递至涡轮转子4038。
在改变方向之前和之后，在液体流中可存在具有液体紊流或其它非层状流特性的流。因此，液体流向从与中心轴线4050大体上平行地流动变为与中心轴线4050大体上垂直地流动。此外，在改变方向之后，液体的紊流和/或其它非层状流特性的大小会比改变方向前要明显得多，然而，液体流已经改变了方向从而与中心轴线4050大体上垂直地流动。因此，液体流的压力和速度产生了预定的增加，且液体流向在入口狭槽进入口4304与入口狭槽排出口4306之间产生了第一预定变化，且液体流向在与涡轮转子4038相撞时产生了第二预定变化。
如图43A和图43B所示，入口喷嘴4034可例如还包括如图43A中的虚线所示的多条入口通道4302。入口通道4302可被分布在入口喷嘴4034周围以便分别接收进入该位于中心的外罩壳4006的液体流的一部分(图40)。每条入口通道4302可相似地使液体流的压力和速度增加预定量，同时还改变了液体流向从而使其以预定入射角度与涡轮转子4038相撞。
入口喷嘴4034还可包括盖4038、多个肋部4310和入口轴套筒4312。肋部4310和盖4308被构造以便固定地保持入口轴套筒4312的位置。此外，肋部4310增强了盖4308耐受由与中心轴线4050大体上平行地进入该位于中心的外罩壳4006(图40)的液体流施加的压力的能力(图41)。在其它实例中，如果无需对盖4308进行增强以便将入口轴套筒4312固定地保持就位而耐受轴向和/或旋转转矩和/或承受液体流的压力的话，则可省略该肋部4310。
在运行过程中，盖4308的外表面，如尖端，会接触与中心轴线4050大体上平行地流动的液体流并使该液体流向外朝向该位于中心的外罩壳4006的内壁产生转向，正如前面讨论地那样。一旦产生了转向，则液体流进入入口狭槽进入口4304，但保持与中心轴线4050平行地流动。在进入入口狭槽进入口4304之后，液体流的方向在限定出入口通道4302的入口狭槽的壁部的作用下产生转向而远离中心轴线4050，且液体流的压力和速度增加预定量。因此，液体流在大体上预定的压力和速度下排出入口狭槽排出口4304，并撞击涡轮转子4038的轮叶 4202。在与轮叶4202相撞之后，液体会沿大体上垂直于中心轴线4050的方向流动。
入口轴套筒4312被成形以便与第一轴承4120的中心孔接合并被所述孔部分地封闭(图41)。入口轴套筒4312还包括键槽4314。该键槽被成形以便接收轴4046(图41)。在一个实例中，键槽4314可与如图所示的新月形孔口键合。在将具有相似成形特征的轴4046插入键槽4314内时，当涡轮转子4038旋转时，轴4046且因此该定子4042可被保持固定。入口喷嘴4034还可包括柱杆4316。柱杆4316与中心轴线4050可以是同心的(图41)且可被构造以便在第一部段4026内(图40)与该位于中心的外罩壳4006的内壁接合。尤其是，入口喷嘴4034可被定位在第一部段4026的周部处，从而使得杆柱4316接靠在形成于第一部段4026与剖面面积更小的第二部段4028之间的肩部上，如图40最佳地示出地那样。
再次参见图40-图42，在更高的压力和速度下沿大体上垂直于中心轴线4050的方向流动的液体流在入口喷嘴4034的作用下被引导在涡轮转子4038的轮叶4202处。涡轮转子4038的轮叶4202被设置在中心通道4054中，所述中心通道是由入口喷嘴4034、出口喷嘴4036、涡轮转子4038的底部4204、和该位于中心的外罩壳4006的第二部段4028的内壁组合起来形成的。液体流从入口狭槽排出口4306被挤出并与轮叶4202相撞以便将液体流中的动能传递给轮叶4202，从而使发电机在大体上垂直于中心轴线4050的平面中旋转，以便产生电流。在与轮叶4202相撞之后，液体沿大体上相同的方向流动，且大体上在旋转的涡轮转子4038的速度下在中心通道4054内流至出口喷嘴4036。
图44A、图44B、图44C和图44D示出了典型的出口喷嘴4036。图44A是出口喷嘴4036的前视图，图中示出了出口通道4402。图44B是图44A所示出口喷嘴4036的剖切侧视图，且图44C和图44D是从两个不同角度观察到的图44A所示出口喷嘴4036的一部分的顶部透视图。出口通道4402被成形为出口狭槽以便包括出口狭槽进入口4404和出口狭槽排出口4406。与入口通道4302相对地，由出口通道4402形成的出口狭槽包括内壁4422和外壁4424。内壁4422和外壁4424在出口狭槽进入口4404与出口狭槽排出口4406之间从较窄渐变为较宽，从而使得出口狭槽排出口4406的剖面面积与出口狭槽进入口4404的 剖面面积之比处在约一半至约八倍之间，如图41、图44C和图44D最佳示出地那样。在一个实例中，出口狭槽排出口4406的剖面面积为出口狭槽进入口4404的约4倍。在另一实例中，出口狭槽排出口4406的剖面面积为出口狭槽进入口4404的剖面面积的约5倍。
剖面面积的膨胀使得，液体流的压力和速度基于液体流在液体进入出口狭槽进入口4404时的压力和速度而降低了预定的量。技术人员可基于需要借助于小型水力发电系统4000从液体流中提取出的电功率的量来确定中心通道4054中的液体流的压力与出口喷嘴4036中的液体流的压力之间的压力差。将要产生的电功率越大，压力降应该越高。在一个实例中，中心通道4054中的液体压力与出口喷嘴4036中的液体压力之间的压力降可介于约34KPA(5磅/平方英寸)与约275KPA(40磅/平方英寸)之间。在图44A、图44C和图44D所示的实例中，出口狭槽进入口4404和出口狭槽排出口4406沿平行于中心轴线4050的平面被部分对齐，以使中心通道4054的压力与该位于中心的外罩壳4006的第三部段4030的压力之间存在所需压力差。
因此，在中心通道4054中流动的液体(图40)易于由于该位于中心的外罩壳4006的第三部段4030中的压力更低而进入出口狭槽进入口4404(图40)。由于液体的压力和速度可根据入口通道4034和液体源的构型而有所不同，因此可利用流体动力学模型和出口狭槽进入口4404与出口狭槽排出口4406之比来获得与所需的速度和压力降范围大体上接近的压力和速度范围。
除了渐细以外，出口通道4402的内壁4422和外壁4424还被成形以便具有预定弧，所述弧使液体流向从在中心通道4054中流动时的大体上垂直于中心轴线4050的方向(图40)变为大体上平行于中心轴线4050，如图41、图43A、图43C和图43D最佳示出地那样。内壁4422的预定弧所限定出的曲率半径大于限定出外壁4424的曲率半径的预定弧。此外，内壁4422的预定弧与外壁4424的预定弧之间的距离可在出口狭槽进入口4404与出口狭槽排出口4406之间以连续或不连续方式增加。因此，内壁4422和外壁4424被成形以便协同工作，从而改变流向，同时将引入液体流内的紊流或其它非层状流特性降至最低限度。
在液体流向改变之前和之后，在液体流中可存在紊流和/或其它非层状流特性。因此，液体流向从大体上垂直于中心轴线4050地流动变为大体上平行于中心轴线4050地流动。此外，在改变方向之后，液体的紊流和/或其它非层状流的大小会比改变方向之前明显更多或更少；然而，液体流已经改变了方向，而大体上平行于中心轴线4050地流动。因此，在出口狭槽进入口4404与出口狭槽排出口4406之间，液体流的压力和速度产生了预定的降低，且液体流向也产生了预定变化。
在图44A和图44B中，出口喷嘴4036可例如还包括如图44A中的虚线示出的多条出口通道4402。出口通道4402可被分布在出口喷嘴4036周围以便分别从中心通道4054中接收液体流的一部分(图40)。每条出口通道4402可相似地使液体流的压力和速度降低，同时还改变了液体流的方向，使其返回与中心轴线4050大体上平行的方向。
出口喷嘴4036还可包括盖4408、多个肋部4410和出口轴套筒4412。肋部4410和盖4408被构造以便固定地保持出口轴套筒4412的位置。此外，肋部4410增强了盖4308抵抗施加在轴4046上的轴向和旋转或成一定角度的力的能力(图40)。在其它实例中，如果不必要对盖4408进行结构增强以便将出口轴套筒4412固定地保持就位并承受轴向和旋转转矩的话，则肋部4410可被省略。
在运行过程中，液体沿周向围绕发电机的外侧在中心通道4054中流动(图40)，直至到达出口狭槽进入口4404。由于出口狭槽进入口4404处于比中心通道4054更低的压力下(图40)，因此中心通道4054中的液体流进入出口狭槽进入口4404内。在进入出口狭槽进入口4404内之后，在限定出口通道4402的出口狭槽的内壁4422和外壁4424的作用下，液体流向产生了转向而远离了与中心轴线4050大体上垂直的方向，且液体流的压力和速度由于出口通道4402剖面面积的增加而降低了。因此，液体流在大体上预定的压力和速度下被排出出口狭槽排出口4406，且其流向大体上垂直于轮叶4202的旋转(图42A)。
出口轴套筒4412被成形以便与第二轴承4122的中心孔接合(图41)，且出口轴套筒4412的外表面被设置在第二轴承4122的中心孔中。出口轴套筒4412还可包括通路4414，所述通路被成形以便接收紧固件如螺钉。再次参见图40，图中示出了处在出口喷嘴4036的通路中的紧固件4056。紧固件4056可以是螺钉或者能够与轴4046相联的一 些其它机构。因此，轴4046被构造以便接收紧固件4056，例如当紧固件4056是带螺纹的螺钉时，所述轴可具有带螺纹的孔。
在紧固件4056与轴4046之间进行的联接可被调节以便调节中心通道4054的宽度，轮叶4202(图42)被可旋转地设置在所述中心通道中，换句话说，紧固件4056可用于调节出口喷嘴4036相对于入口喷嘴4034的位置。出口喷嘴4036与入口喷嘴4034之间的距离优选被调节以使得涡轮转子4038的轮叶4202可在中心通道4054中在垂直于中心轴线4050的平面中自由地旋转。
参见图44A-图44D，与入口喷嘴4024相似地，出口喷嘴4036也可包括杆柱4416。该杆柱4416可与中心轴线4050是同心的且被构造以便在第二部段4028内与该处在中心的外罩壳4006的内壁接合(图40)。尤其是，出口喷嘴4036可被定位在第二部段4028的周部处，从而使得杆柱4416接靠在形成于第二部段4028与剖面面积更小的三部段4030之间的肩部上，如图40最佳地示出地那样。
再次参见图40-图42，在与轮叶4202相撞之后，液体在中心通道4054内沿大体上相同的方向流动，且大体上以旋转的涡轮转子4038的速度流动。在沿大体上垂直于中心轴线4050的方向随着出口通道4402中的轮叶4202围绕发电机的外周进行循环时，液体流会由于压力差的存在而进入出口狭槽进入口4404内，且被引导通过出口喷嘴4036而到达出口狭槽排出口4406。在被引导至出口狭槽排出口4406的过程中，压力降至预定值、速度降至预定值，且液体流向回复至与中心轴线4050大体上平行的流向。随着液体流向回复至与中心轴线4050平行的流向，液体流的紊流和其它非层状行为由于出口通道4402的构型而被降至最低限度。由于液体流的非层状行为被降至最低限度，在操作过程中可始终保持预定的更低压力和速度。
尽管上面已经结合本发明的特定典型实施例对本发明进行了描述，但显然，可在不偏离本发明的精神和范围的情况下对这些实施例做出多种改变和变化。下文所述的包括所有等效方式在内的权利要求书旨在限定本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种小型水力发电系统，所述小型水力发电系统包括：
限定出内室的罩壳；
被设置在所述内室中的发电机，所述发电机包括壳体、被设置在所述壳体中的包括永磁体的转子、被设置在所述壳体中的包括线圈的定子、和被定位以便与所述壳体的外表面垂直地进行延伸的多个轮叶，所述发电机被构造以便沿轴向围绕所述罩壳的中心轴线进行旋转，从而通过所述永磁体的磁场在所述线圈中感应出电流；
与所述罩壳相联的入口喷嘴，且所述入口喷嘴被构造以便接收在与所述罩壳的所述中心轴线大体上平行的第一方向上流动的液体流，所述入口喷嘴包括入口通道，所述入口通道在液体流的流动方向上从更宽渐细为更窄，并将所述液体流导引为在与所述第一方向总是大体上垂直的第二方向上流动至所述多个轮叶以使所述发电机沿轴向围绕所述罩壳的所述中心轴线进行旋转；和
出口喷嘴，所述出口喷嘴与所述罩壳相联从而使得所述壳体被设置在所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间，所述出口喷嘴包括出口通道，所述出口通道在液体流的流动方向上从更窄渐变为更宽以便接收所述液体流并且与所述罩壳的所述中心轴线大体上平行地将所述液体流引出所述罩壳。
2.根据权利要求1所述的小型水力发电系统，其中所述入口通道包括入口狭槽，所述入口狭槽包括入口狭槽进入口和入口狭槽排出口，其中所述入口狭槽进入口的剖面面积是所述入口狭槽排出口的剖面面积的至少两倍大。
3.根据权利要求1所述的小型水力发电系统，其中所述出口通道包括出口狭槽，所述出口狭槽包括出口狭槽进入口和出口狭槽排出口，其中所述出口狭槽排出口的剖面面积与所述出口狭槽进入口的剖面面积之比介于约0.5倍与约8倍之间。
4.根据权利要求1所述的小型水力发电系统，其中所述入口喷嘴和所述出口喷嘴被定位以便在其间形成中心通道，且所述多个轮叶被设置在所述中心通道中，所述中心通道被成形以便与所述罩壳的所述中心轴线垂直地沿周向围绕所述壳体的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的小型水力发电系统，其中所述入口通道被构造以便导引所述液体流，使其在相对于所述多个轮叶成预定角度的情况下进入所述中心通道，且所述出口通道被构造以便接收来自所述中心通道的所述液体流，其中所述中心通道被构造以便通过介于所述入口通道与所述出口通道之间的所述多个轮叶在所述中心通道中引导所述液体流达预定距离。
6.一种小型水力发电系统，所述系统包括：
限定出内室的罩壳；
被设置在所述内室中的发电机，所述发电机包括多个轮叶、转子和定子，所述转子包括永磁体，所述定子包括线圈，所述发电机被构造以便进行旋转从而通过所述永磁体的磁场在所述线圈中感应出电流；
与所述罩壳相联的入口喷嘴，所述入口喷嘴被构造以便接收沿第一方向流动的液体流并对所述液体流进行引导以使其撞击所述多个轮叶并沿第二方向流动，所述第二方向总是大体上垂直于所述第一方向，所述发电机被构造以便在所述液体流的作用下沿所述第二方向旋转；和
出口喷嘴，所述出口喷嘴与所述罩壳相联以使得所述多个轮叶被设置在所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间，所述出口喷嘴被构造以便接收沿所述第二方向流动的所述液体流并对所述液体流进行导引以使其再次大体上沿所述第一方向流动。
7.根据权利要求6所述的小型水力发电系统，其中所述轮叶被设置在由所述入口喷嘴和所述出口喷嘴形成的中心通道中，且所述入口喷嘴包括入口狭槽排出口，所述入口狭槽排出口导引所述液体流在相对于所述多个轮叶成预定角度的情况下进入所述中心通道，且所述出口通道包括出口狭槽进入口，所述出口狭槽进入口被构造以便接收来自所述通道的所述液体流，其中排出所述入口狭槽排出口的所述液体流在所述液体流进入所述出口狭槽进入口之前围绕所述发电机流动预定距离。
8.根据权利要求6所述的小型水力发电系统，其中所述入口喷嘴和所述出口喷嘴在其间形成了中心通道，且所述多个轮叶被设置在所述中心通道中，且所述中心通道被构造以便接收介于所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间的所述液体流，所述中心通道被成形以便在垂直于所述第一方向的平面中沿周向围绕所述罩壳的至少一部分。
9.根据权利要求6所述的小型水力发电系统，其中所述入口喷嘴包括内壁和外壁，每个壁部被成形而包括具有预定曲率半径的弧，其中所述内壁的所述弧的所述预定曲率半径小于所述外壁的所述弧的所述预定曲率半径。
10.根据权利要求6所述的小型水力发电系统，其中所述入口喷嘴包括内壁、外壁，其中所述内壁包括具有第一预定曲率半径的第一弧和具有第二预定曲率半径的第二弧，所述第二预定曲率半径不同于所述第一弧的所述第一预定曲率半径。
11.一种在小型水力发电系统中引导液体流的方法，所述方法包括：
提供发电机，所述发电机包括定子、转子和多个轮叶，所述定子包括线圈，所述转子包括永磁体；
接收沿第一方向流动的液体流；
通过在液体流的流动方向上从更宽渐细为更窄的入口通道导引所述液体流以便与所述多个轮叶相撞；
使所述液体流在与所述多个轮叶相撞时从所述第一方向变为第二方向，所述第二方向总是大体上垂直于所述第一方向；
使所述发电机沿所述第二方向在所述液体流内旋转以便在所述线圈中产生电流；
通过在液体流的流动方向上从更窄渐变为更宽的出口通道使所述液体流从所述第二方向变回所述第一方向。
12.根据权利要求11所述的方法，其中接收沿第一方向流动的液体流的步骤包括接收与中心轴线大体上平行地流动的所述液体流，所述发电机围绕所述中心轴线进行轴向旋转。
13.根据权利要求11所述的方法，其中使所述发电机沿所述第二方向在所述液体流内旋转的步骤包括引导所述液体以使其在与所述发电机旋转速度大体上相同的速度下围绕所述发电机的外表面流动。
14.一种小型水力发电系统，所述小型水力发电系统包括：
包括外表面的壳体；
形成了所述壳体的所述外表面的一部分的入口喷嘴；
同样形成了所述壳体的所述外表面的一部分的出口喷嘴；
被成形而具有底部的多个桨叶，所述底部被可旋转地设置在所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间，从而使得所述桨叶从所述壳体的所述外表面在形成于所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间的中心通道中向外延伸；和
发电机，所述发电机包括被设置在所述壳体内的定子和转子，所述转子与所述底部相联，且所述定子被不能旋转地定位在紧邻所述转子的位置处。
15.根据权利要求14所述的小型水力发电系统，其中所述入口喷嘴包括入口通道，所述入口通道被构造以便接收沿第一方向流动的液体流并将所述液体流引导至所述中心通道以便以预定角度撞击所述桨叶，所述液体流在撞击之后在所述第二通道中沿大体上垂直于所述第一方向的第二方向流动。
16.根据权利要求14所述的小型水力发电系统，其中所述入口喷嘴包括入口通道，所述入口通道被构造以便接收沿大体上平行于所述壳体的中心轴线的方向流动的液体流、使所述液体流自所述方向转向约45度、并且导引所述液体流以便撞击在所述中心通道中的所述桨叶上，所述桨叶能够在所述中心通道中与所述方向垂直地旋转。
17.根据权利要求14所述的小型水力发电系统，其中所述入口喷嘴包括入口通道，所述入口通道包括内壁、外壁和入口狭槽排出口，所述内壁包括具有第一预定曲率半径的第一弧和具有第二预定曲率半径的第二弧，所述第二预定曲率半径不同于所述第一弧的所述第一预定曲率半径，所述第一弧被构造以便将所述液体流的第一部分引出所述入口狭槽排出口，且所述第二弧被构造以便将所述液体流的第二部分引出所述入口狭槽排出口。
18.一种小型水力发电系统，所述小型水力发电系统包括：
外壳体；
被设置在所述外壳体内的内壳体，所述内壳体包括入口喷嘴和与所述外壳体固定地相联的出口喷嘴；
所述内壳体进一步包括涡轮转子，所述涡轮转子具有被设置在形成于所述入口喷嘴与所述出口喷嘴之间的中心通道中的多个桨叶，所述入口喷嘴和所述出口喷嘴被构造以便围绕着所述涡轮转子的一部分；
所述入口喷嘴、所述出口喷嘴和所述涡轮转子的组合件被构造以便形成所述内壳体和所述内壳体内部的腔体；和
定中心杆，所述定中心杆与所述入口喷嘴和所述出口喷嘴不能旋转地相联并延伸通过所述内壳体，所述涡轮转子可在所述外壳体内围绕所述定中心杆旋转。
19.根据权利要求18所述的小型水力发电系统，进一步包括发电机，所述发电机包括永磁体和定子，所述永磁体被联接至所述内壳体的内表面，且所述定子与所述定中心杆相联，从而使得所述永磁体围绕所述定子进行旋转。
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