CN102282368B - 电能的产生 - Google Patents

Abstract

公开了系统和方法，其涉及一种包括发射管以及与发射管连接的发电机的系统。发电机使用多相材料（MPM）和压缩空气来把MPM的动能转换为电能。

Description

电能的产生

相关申请的交叉引用

本申请要求在2008年11月3日提交的具有序列号61/110,737的共同未决的临时专利申请以及在2009年4月20日提交的具有序列号61/170,869的共同未决的临时专利申请的优先权，其整体公开通过引用合并于此。

技术领域

本公开的实施例涉及一种用于产生电力的系统。

背景技术

当前，存在各种用于产生电力的系统。这些系统通常已证明由于总体效率低而在操作中不令人满意并且环境也不友好。

因此，需要开发高效地、有效地且以环境安全的方式产生电力的系统和方法。

发明内容

根据本公开的一个实施例，一种系统包括发射管以及与该发射管连接的发电机。发电机使用多相材料（MPM）和压缩空气把MPM的动能转换为电能。

根据本公开的另一个实施例，一种系统包括发射管以及与该发射管连接的发电机。发电机使用多相材料（MPM）和压缩空气把MPM的动能转换为电能。该发电机包括次级线圈，当MPM行进接近该次级线圈时，该次级线圈产生电能。

根据本公开的又一个实施例，一种产生电能的方法包括：使用多相材料（MPM）填充发射管，其中该发射管与发电机连接。该方法进一步包括：将压缩空气引入到发射管中以使MPM发射出该发射管进入发电机，该发电机将动能转换为电能。

在结合附图回顾本公开的以下非限制性详细描述之后，由权利要求唯一限定的本公开的其他方面和特征对于本领域的普通技术人员将变得明显。

附图说明

图1A是根据一些方面的发电机系统的框图的示例。

图1B是根据一些方面的发电机系统的示例。

图1C-1D是根据一些方面的发电机的示例。

图1E是根据一些方面的发电机的示例。

图1F是根据一些方面的图1E的发电机的俯视图。

图1G是根据一些方面的在操作中的发电机的示例。

图2A和2B图示了根据一些方面的发电机的其他示例。

图3是由图4A的发电机产生的信号的曲线图。

图4是根据一些方面的发电机的另一个示例。

具体实施方式

实施例的以下详细描述参照附图，所述附图图示了本公开的具体实施例。具有不同结构和操作的其他实施例未偏离本公开的范围。

可以采用系统的各种实施例。例如，可以使用采用多相材料（MPM）的发电机系统。

图1A是根据本发明的一些实施例的发电机系统300的示例的框图。系统300可以包括这里描述的部件中的一个或多个或者可以包括不仅仅是所公开的部件。示例性系统300包括空气压缩机102，存储箱104，快速作用阀106，发射管108，多相材料（MPM）通道（runner）110、110’，以及发电机112。在一些实施例中系统300可以包括电路，诸如功率控制器、数字控制器、驱动计算机、用于驱动计算机的控制接口、以及用于控制系统300的操作的任何其他电路。

作为能量过程的一般概述，根据一些实施例，MPM 107被填充到发射管108中。存储在存储箱104中的压缩空气经由快速作用阀106被迅速引入到发射管108中。该空气创建了冲击波，MPM 107一开始移动，就将创建该冲击波，其与MPM 107一同从发射管108基部向上传播出去，并且创建了低压（depression）波，其在发射管108中在相对方向上移动，使得MPM 107迅速朝向发电机112移动通过发射管108。电能由发电机112捕获并且被传输到电子电路。在MPM 107移动通过了发电机112或者离开发电机112之后，MPM 107返回到MPM贮存器，或者丢弃不可用的MPM。这个上述过程概述是本发明的过程的示例，并且应当注意，在该过程中可以包括各种其他步骤和备选步骤。下面是本发明的若干方面的更详细描述。

下面关于图1A-1G现在将讨论一些实施例中的发电机系统的各部分的讨论。

在系统中可以采用任何种类的空气压缩机102。在一个实施例中，其可以是活塞式压缩机，并且在另一个实施例中，其可以是螺杆式（screw type）压缩机。空气压缩机102将气体存储在存储箱104中，并且对该存储箱104加压直到气体准备好被递送到发射管108。在一个实施例中，空气压缩机102由于其是板上压缩机而应安装在车辆中，并且因而空气压缩机102应当是轻重量和高性能的。空气压缩机102与电路和存储箱104通信（communicative）。

存储箱104存储压缩空气并且与电路和快速作用阀106通信。存储箱104可以由复合材料制造以维持轻重量和耐久性。为了防止存储箱在撞击的情况下爆炸的可能性，箱的构造被配置为缓慢地减轻压力，而非立刻减轻压力并且因而爆炸。

快速作用阀106从存储箱104接收压缩空气并且用作分配器以按定时循环（cycle）将压缩空气分配到发电机112中。快速作用阀106的操作迅速地发生以激活MPM 107。对于每个定时循环，快速作用阀将压缩空气释放到保持MPM的腔体（等同于发射管）中。该释放从喷嘴末端朝向腔体的基部顺序地反向进行。该序列被定时以将MPM保持在作用阀下方的适当位置。当该序列朝向腔体的基部进行时，作用阀上方的MPM通过喷嘴向上射出（project），承载已由压缩空气的势能转换成的动能。

空气压力从压缩机102释放到发射管108中创建了贯穿发射管的冲击波，并且因此朝向发电机112以迅速的方式将迫使MPM向上离开发射管，并且将创建低压波。当MPM沿发射管向上行进时，从移动的MPM的动能转换为静电能，其最终由发电机捕获（如后面讨论的那样）。

在未决的美国专利申请号12/476,555中描述了在本发明中可以采用的示例性发射管108，其整体通过引用合并于此。如图1E所示，发射管108可以是能够接收和保持材料（例如，MPM）并且能够被加压的任何容器。发射管108可以具有任何形状或尺寸。例如，发射管108可以是圆柱形形状。发射管108的至少一部分最初是中空的。任何类型的材料构成发射管的主体，包括金属（例如，钢、铝等）、塑料（例如，PVC）等。在一个实施例中，发射管108是中空管道或者塑料管。发射管108具有至少一个开口108以接收MPM和/或加压的空气/气体。例如，发射管108可以具有多个开口以经由快速作用阀接收加压气体并且发射管108还可以具有其他开口以接收MPM 107，诸如来自贮存器的MPM和/或已被使用并且正被返回到发射管108（经由例如阀门）的MPM。

发射管108可以包括用于创建MPM 107的均匀流的均匀流系统。这种均匀流系统位于发射管内并且当MPM到达发电机112时创建MPM的均匀层流。该系统可以是任何装置系统，诸如图1G所示的一系列扩散器和喷管（effuser）113。这些扩散器和喷管113创建了MPM流上的文丘里（Venturi）效应，从而使得MPM均匀地流到发电机112中。在一个实施例中，这种喷管具有第一开口和第二开口以及大体圆锥形状，由此第一开口的表面积和第二开口的表面积是相等的。根据后面关于可以采用的示例性发电机的详细描述而更深入讨论的各种实施例，该喷管引导MPM通过在两个相邻磁体之间创建的磁场区域。 

扩散器和喷管113以使撞击发电机内壁的MPM的腐蚀作用最小化的方式引导MPM流。该扩散器和喷管还降低湍流并且创建发电机的内部结构周围的均匀层流。该扩散器和喷管还降低或者消除了MPM的集聚效应并且使MPM集中在发射管108的中心部分中。

在一些实施例中，MPM 107是具有多相复合结构的任何材料（例如，与气体、固体和/或气体和/或流体等组合的电介质材料）。这种MPM的示例包括沙子和气体混合物。MPM材料的其他示例包括与具有至少一个不同相的材料混合的石英、塑料等。在一个实施例中，MPM包括把多种元素键合在一起使得当这种键断开时释放能量的任何材料。MPM具有大于0但是小于或等于1的孔隙率。发射管108的内腔的至少一部分或者所有被填充有MPM。

在另一个实施例中，MPM具有诸如吸附的其他性质。在存在这些性质时，键的断开将仅在该材料的表面上发生，而机械结构可以是完好的并且材料将被长期使用而不更换。

如图1E和1G所示，在从供料器或其他源将MPM安置于发射管108中之后，快速作用阀使用来自存储箱104的压缩空气以定时序列进行操作。压缩空气的序列引入产生了冲击波以及相对方向上的低压波，其将动能赋予MPM材料，迫使MPM以迅速的步调（pace）通过发射管。

通道110、110’连接到发电机112。通道包括第一通道集合110和返回通道集合110’。这些通道承载去往和来自发电机的MPM。第一通道集合110可以被安装在发射管108的末端，但是在通向发电机112的入口之前。如前面讨论的，压缩空气迫使MPM通过发射管并且去往发电机。对于返回通道集合110’，这些通道在发电机之后被安装到通向MPM供料器的返回路径上。这些返回通道形成了MPM行进通过发电机之后的返回路径。返回通道110’将MPM和空气分离，其中分离的空气被排出系统而MPM被收集用于下次循环。

发电机112可以是基于行进通过发电机112的MPM而产生电能的任何设备。现在将描述发电机112的各种实施例。可以采用这种发电机系统的三个示例性实施例并且这里对它们进行描述： 

1）采用永磁体或暂时磁体和电介质MPM的磁流体动力发电机；

2）采用线圈和软磁MPM的发电机；以及

3）采用线圈和永磁MPM的发电机。

应当理解，使用MPM的发电机系统的各种其他实施例在本公开的范围内是可取的。下面描述了这些系统中的每个。应当注意，美国临时专利申请号61/110,737和61/170,869中描述了可以在本发明中采用的发电机的示例，其二者整体通过引用合并于此。

采用永磁体或暂时磁体和电介质MPM的磁流体动力发电机

根据一个实施例，发电机系统300可以包括两个相对部分117、119。发电机的基部115附着到发射管108的末端，并且两个相对部分从发电机基部成圆锥形地向外延伸。如图3C、3E和3F中最佳图示的，该发电机还包括两个磁体（即，北极121和南极123）。这些磁体121、123可以是两个分离的磁体或者是单个磁体的相对末端。无论如何，这些磁体121、123被定位在发电机112的基部并且直接位于发射管108的末端上方。MPM的均匀流在两个磁体121、123之间行进，使得MPM暴露于磁场。如图1F所示，这使得MPM分为与磁场方向垂直的两个方向。

作为一般概述，当MPM从发射管释放时，发电机112将移动的MPM的静电能和/或动能转换为电能。为此，如图1E所示，发电机112包括在两个相对部分117中的每个的末端处的网（mesh）和电极（被共同示为元件131）。当带电（electro-charged）MPM接近网和电极131传送时，MPM被吸引到网中并且离子化电极传送到电极中，其随后传送到电路。随后从MPM中释放静电能，并且随后于是把所使用的MPM返回到MPM供料器以重新使用。因而，通过对发射管中的MPM施加加压气体而产生了电能。

如前面讨论的，MPM可以由细粒电介质材料构成，如上文讨论的，该电介质材料由于其绝缘性质而将在它从发射管发射时显现（develop）电荷。以该方式，均匀流系统（例如，一系列互锁的喷嘴）以如下方式引导MPM：使得通过急剧增加电介质MPM材料的离子化来优化MPM动能到直流电荷的转换。此外，如前面讨论的，均匀流系统被设计为以使得撞击发电机内壁的MPM的腐蚀作用最小化的方式引导MPM流。根据材料的负电性，该均匀流系统将使得MPM的相当大的部分显现正电荷，而相等部分将带负电荷。

如图1C-1G所示，一“缕”带电MPM进入由诸如强钕稀土磁体的磁体提供的磁场。粒子经历由以下洛伦兹（Lorentz）方程描述的力：

这里q是电荷，

是速度向量，并且

是磁场向量。该力使正电荷和负电荷在相对方向上行进到它们由电极收集的位置，所述电极被安置为与场和速度向量成直角。由该力生成的表面电荷密度σ产生了由下式给出的电势：

其中d是电极间距，并且ε ₀ 是自由空间的介电常数，即产生电场强度的常数。随着电场的强度增加，带电MPM变慢从而将它的动能有效地转换为存储在所示的电容器中的电能。如同前面的发电机，该能量一旦由调节器调节随后就用于对车辆电机和电子装置供电。

采用线圈和软磁MPM的发电机

如前面提到的，前面描述的发电机112不是唯一的可以用于产生电能的发电机。事实上，可以采用各种其他发电机系统。

现在描述可以用于替代上述发电机112的备选发电机系统400。现在描述的发电机系统采用暂时磁MPM。这种暂时磁MPM由具有高磁化率但是低顽磁性的铁磁材料构成，诸如“软”铁合金（例如，“软”铁或者其他可以使用电磁体进行磁化的材料）。

暂时磁MPM被安置在发射管中并且被发射出发射管。该暂时磁MPM被称为一“缕”暂时磁MPM。

如图2A和2B所示，这“缕”暂时磁MPM通过励磁线圈402，该励磁线圈使每个MPM粒子的偶极矩对准，从而创建极化磁“流体”404，其变为一缕磁化材料。该磁“流体”404继续通过次级线圈406，其中根据法拉第电磁感应定律产生电动势。在一些实施例中，励磁线圈402和次级线圈406每个均是围绕中心点的一系列电线绕组。根据一些实施例，次级线圈406可以具有比励磁线圈402多的线圈绕组。此外，在另一个实施例中，可以使用用于励磁线圈402的附加控制器（未示出）。

但是，当该缕磁化MPM行进通过时在次级线圈中产生了正弦电流脉冲（参见图3），并且这种脉冲通过整流器被引导到电容器以存储生成的电能。

注意，在其中发射管需要时间间隔以“重新装载”MPM的实施例中，次级线圈中的电压不是连续产生的。然而，在本申请的范围内的是：在采用多个发射管（其中一些发射管在其他发射管正被重新装载时激活）的情况中，可以产生连续的电压信号。此外，在本发明中还设想了连续的重新装载过程，其中MPM连续地填充发射管并且是通过发电机连续发射的MPM（电介质MPM或磁MPM）。

但是，在MPM的动能被转换为电能时，MPM变慢并且被排气系统捕获。如前面讨论的，重力允许MPM从那里流回到供料器中。此外，可以通过将电容器连接到励磁线圈从而增加MPM的磁化来建立正反馈。有助于理解该过程的类比是常见的汽车交流发电机。目前，蓄电池在交流发电机的壳体内部的一系列线圈中建立磁场。由发动机的传动带旋转的转子移动通过该场并且生成电流，该电流随后流回到蓄电池中，因而提高了设备的整体效率。

实际上，次级线圈变为系统的发电机，使得当磁化的MPM进入次级线圈时，产生并捕获电流。

采用永磁MPM的发电机

在图4中图示的另一备选实施例中，（代替暂时磁MPM或者除了暂时磁MPM之外）使用永磁MPM的发电机可以用作用于整体发电机系统300的发电机112。永磁MPM包括产生磁场的永磁体材料。使用这种永磁MPM消除或最小化对励磁线圈402使MPM缕磁化的需要。注意，永磁MPM可以与暂时磁材料组合使用，并且不必限于同质磁材料。

无论如何，使用永磁MPM的发电机112与上述使用暂时磁材料的发电机系统相同地操作，除了励磁线圈是系统的可选部分。例如，一缕永磁MPM从前面描述的系统的发射管发射并且进入图4的次级线圈406而不行进通过励磁线圈。在一个实施例中，按照需要，永磁MPM缕行进通过励磁线圈以磁化任何可磁化材料。如前面讨论的，在永磁MPM缕行进通过次级线圈406时，生成了电流并且电能被接收并且利用或存储。

可以采用使用MPM的发电机的其他实施例，并且本申请不应当由这里公开的实施例限制。

例如，AC/DC、DC/DC或者DC/AC转换器可以捕获从发电机112生成的电能以及任何能量并且将这种能量存储在能量存储电路中。能量存储电路可以是能够存储能量的任何电路，诸如但不限于蓄电池、燃料电池、压缩空气以及用于存储电能的任何其他装置。在车辆中的发电机的应用中，将生成DC能量并且将使用上转换器来转换为更高的DC电压——标准的DC/DC。对于发电机的其他应用，可能需要AC并且将使用DC/AC转换器。示例将是向需要相位和频率二者中的同步的配电网提供电力。

在使用任何发电机配置来产生电能之后，可以使用电路以任何方式存储、消耗或使用电能。

虽然这里图示和描述了具体实施例，但是本领域的普通技术人员认识到：预期实现相同目的的任何布置可以替换所示出的具体实施例，并且本公开具有其他环境中的其他应用。本申请旨在涵盖本公开的任何适配或变化。所附权利要求决不旨在将本公开的范围限于这里描述的具体实施例。

Claims (24)

1.一种产生电能的装置，包括：

发射管，配置成接收多相材料MPM，其中所述多相材料MPM包括具有磁场的磁性材料；

包含压缩气体的箱；

将所述压缩气体释放到所述发射管的气体传递设备；以及

发电机，与所述发射管连接，在所述气体传递设备将所述压缩气体释放到所述发射管时所述发电机接收所述MPM来把所述MPM的动能转换为电能，所述发电机包括：

一系列线圈，用以当所述MPM的磁性材料行进通过所述一系列线圈，从而感应流到电负载并被所述电负载使用的电流时产生电流。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述MPM包括电介质材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述发电机包括至少一个磁体，所述磁体包括北极和南极。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述发电机包括基部、第一电极和第二电极，以及其中所述北极和南极在所述发电机的基部处被取向为将MPM引导至所述发电机的第一电极和第二电极。

5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：

用于将压缩气体递送到所述发射管的构件；以及

用于将所述MPM递送到所述发射管的构件。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述用于将压缩气体递送到所述发射管的构件包括快速作用阀，当MPM被装载到所述发射管中时，所述快速作用阀以同步的方式操作以将所述压缩气体递送到所述发射管。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述压缩气体包括压缩空气。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述MPM包括软磁材料，使得当暴露于磁场时允许所述软磁材料被磁化。

9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括：励磁线圈，用于当所述软磁材料暴露于由所述励磁线圈产生的磁场时磁化所述软磁材料。

10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：次级线圈，用于当所述软磁材料进行通过所述次级线圈时产生电流。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述MPM包括永磁材料。

12.根据权利要求11所述的装置，进一步包括：次级线圈，用于当所述永磁材料行进通过所述次级线圈时产生电流。

13.根据权利要求1所述的装置，其中通过将压缩气体引入到所述发射管中，使所述MPM移动通过所述发射管并且进入所述发电机。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述发射管包括第一末端、第二末端和被配置为保持所述MPM和接收压缩空气的容器，所述第二末端具有通向所述发电机的开口，以便MPM能够从所述发射管移动到所述发电机。

15.一种产生电能的装置，包括：

发射管，配置成接收多相材料MPM，其中所述多相材料MPM包括能够被磁化的磁性材料；

包含压缩气体的箱；

将所述压缩气体释放到所述发射管的气体传递设备；

励磁线圈，当软磁材料暴露在由所述励磁线圈产生的磁场时所述励磁线圈磁化所述软磁材料；以及

发电机，与所述发射管连接，在所述气体传递设备将所述压缩气体释放到所述发射管时所述发电机接收所述MPM，把所述MPM的动能转换为电能，其中所述发电机包括：

次级线圈，当所述MPM行进接近所述次级线圈时所述次级线圈产生电能。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述MPM包括软磁材料。

17.根据权利要求15所述的装置，进一步包括：励磁线圈，用于在所述软磁材料行进接近所述次级线圈之前磁化所述软磁材料。

18.根据权利要求15所述的装置，其中所述MPM包括永磁材料，以及其中当所述永磁材料行进通过所述次级线圈时，所述次级线圈生成电能。

19.根据权利要求15所述的装置，其中所述次级线圈包括导线。

20.一种产生电能的方法，包括：

使用多相材料MPM来填充发射管，所述多相材料MPM包括磁性材料；

所述发射管与压缩空气的储存箱和发电机连接；以及

从所述储存箱中释放所述压缩空气；

将所述释放的压缩空气引入到所述发射管中，以使所述MPM发射出所述发射管并通过一系列电线圈，从而使得当所述MPM的磁性材料行进通过所述一系列线圈从而感应电流时在所述一系列线圈中产生电流；

在所述发电机处接收所述电流从而使得所述发电机可将电流施加给负载。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述发电机包括用于将所述MPM引导到所述发电机的电极的磁体，当所述MPM接近所述电极传送时，所述电极从所述MPM吸引离子化的粒子。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述发电机包括次级线圈，当所述MPM行进接近所述次级线圈时所述次级线圈产生电流。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述MPM包括软磁材料，以及其中所述发电机进一步包括：励磁线圈，用于在行进接近所述次级线圈之前磁化所述软磁材料。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述MPM包括永磁材料。

Images