CN102459885A - 用于产生伞动力的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的实施例，提供用于从例如空气或水等流体发电的系统。所述系统包括轨道系绳及工作伞，所述工作伞以可移动方式安装到所述轨道系绳以使得所述工作伞在所述工作伞的工作冲程期间沿所述轨道系绳的第一方向由所述流体供应动力。工作系绳在所述工作伞的至少所述工作冲程期间将所述工作伞耦合到发电机，且马达在所述工作伞的至少恢复冲程期间耦合到所述工作伞，所述恢复冲程的方向与沿所述轨道系绳的所述第一方向相反。

Description

用于产生伞动力的系统及方法
相关专利申请案
本专利申请案主张2009年5月4日申请的第61/215,201号美国临时专利申请案的权益，且主张2009年5月4日申请的第No.61/215,202号美国临时专利申请案的权益，且主张2009年5月4日申请的第61/215,204号美国临时专利申请案的权益。上述美国临时专利申请案的全部教示以引用的方式并入本文中。
背景技术
由于对廉价发电的需求以及对矿物燃料供应以及其应用对环境的影响的关注，目前我们需要干净、廉价且环保的发电来源。使用风力有希望满足这些需求，但目前我们需要功率高且功率输出恒定的风力发电技术。
发明内容
根据本发明的实施例，提供用于从流体发电的系统。该系统包括轨道系绳；以及工作伞，所述工作伞以可移动方式安装到轨道系绳以使得工作伞在工作伞的工作冲程期间沿轨道系绳的第一方向由流体供应动力。工作系绳在工作伞的至少工作冲程期间将工作伞耦合到发电机。马达在工作伞的至少恢复冲程期间耦合到工作伞，恢复冲程的方向与沿轨道系绳的第一方向相反。
在进一步相关实施例中，流体可包括空气或水。该系统可包括以可移动方式安装到轨道系绳的一个以上工作伞，每一工作伞在每一工作伞的至少工作冲程期间耦合到其自身的工作系绳，且在每一工作伞的至少恢复冲程期间耦合到至少一个马达。所述一个以上工作伞的工作冲程可能彼此异相。每一工作伞可以可移动方式安装到轨道系绳的不同部分。该系统可进一步包括耦合到轨道系绳的空中引导装置。空中引导装置可包括风筝或气球。该系统可进一步包括平衡伞，所述平衡伞沿轨道系绳固定在适当位置。
在进一步相关实施例中，该系统可进一步包括用以在工作冲程结束时关闭工作伞的机构。用以关闭工作伞的机构可包括：上部制动器；上部滑动器，其耦合到工作伞的中心；以及下部滑动器，其耦合到工作伞外围的至少一根绳子。上部滑动器可包括磁铁且下部滑动器可包括磁铁。上部滑动器可包括可移动式端头机构。该系统可进一步包括用以在工作冲程开始时打开工作伞的机构。用以打开工作伞的机构可包括：下部制动器；下部滑动器，其耦合到工作伞外围的至少一根绳子；以及上部滑动器，其耦合到工作伞的中心。下部制动器的尺寸可经定制以允许下部滑动器沿轨道系绳经过下部制动器，但阻止上部滑动器沿轨道系绳经过下部制动器。上部制动器的尺寸可经定制以阻止上部滑动器沿轨道系绳经过上部制动器。工作冲程所花费的时间可能是工作冲程加上恢复冲程的总时间的60％或60％以上，或可能是工作冲程加上恢复冲程的总时间的80％或80％以上，或可能是工作冲程加上恢复冲程的总时间的90％或90％以上。
在进一步相关实施例中，该系统可包括耦合到至少一个发电机的一个以上轨道系绳。每一轨道系绳均可包括工作伞，其以可移动方式安装到每一轨道系绳以使得每一工作伞在每一工作伞的工作冲程期间沿轨道系绳的第一方向由流体供应动力。工作系绳可在每一工作伞的至少工作冲程期间将每一工作伞耦合到所述至少一个发电机；且至少一个马达可在每一工作伞的至少恢复冲程期间耦合到每一工作伞，每一工作伞的恢复冲程的方向与沿轨道系绳的第一方向相反。该系统可包括耦合到所述一个以上轨道系绳的旋转台。至少一个齿轮箱可耦合到该系统的工作系绳中的至少一个。齿轮箱可包括至少一个离合器。齿轮箱可包括用以在工作冲程期间将工作系绳耦合到发电机的定向离合器以及用以在恢复冲程期间将马达耦合到工作伞的离合器。工作伞的直径可能至少为5米或可能至少为10米。该系统可产生0.5MW或0.5MW以上的功率，或1MW或1MW以上的功率，或10MW或10MW以上的功率。该系统可进一步包括自动控制系统以控制工作冲程的长度、恢复冲程的长度、工作冲程开始的定时、恢复冲程开始的定时、工作伞沿轨道系绳的位置以及该系统所输送功率的负载平衡中的至少一个。轨道系绳的长度可为以下各项中的一个：至少500米、至少2000米、至少4000米、至少7000米以及至少10,000米。控制系绳可耦合到工作伞。对于流体(包括水)来说，该系统可进一步包括至少一重物以使得该系统的至少一部分保持在水下；且工作伞和平衡伞中的至少一者可经定形以允许水载物体穿过工作伞和平衡伞中的至少一个的内部的至少一部分。
在根据本发明的进一步实施例中，提供用于从流体发电的系统。该系统包括轨道系绳构件，其用于以可移动方式安装工作伞构件；以及所述工作伞构件，其以可移动方式安装到轨道系绳构件从而在工作伞构件的工作冲程期间沿轨道系绳构件的第一方向由流体发电。该系统进一步包括工作系绳构件，其用于在工作伞构件的至少工作冲程期间将工作伞构件耦合到发电机；以及马达，其在工作伞构件的至少恢复冲程期间耦合到工作伞构件，恢复冲程的方向与沿轨道系绳构件的第一方向相反。
在进一步相关实施例中，该系统可包括以可移动方式安装到轨道系绳构件的一个以上工作伞构件，每一工作伞构件在每一工作伞构件的至少工作冲程期间耦合到其自身的工作系绳构件且在每一工作伞构件的至少恢复冲程期间耦合到至少一个马达。该系统可进一步包括用于在工作冲程结束时关闭工作伞的构件，且可包括用于在工作冲程开始时打开工作伞的构件。
在另一实施例中，提供用于从流体发电的系统。该系统包括轨道系绳；工作伞，其可以可移动方式安装到轨道系绳以使得工作伞在工作伞的工作冲程期间沿轨道系绳的第一方向由流体供应动力；以及工作系绳，工作伞在工作伞的至少工作冲程期间可通过工作系绳耦合到发电机，且在工作伞的至少恢复冲程期间可通过工作系绳耦合到马达，恢复冲程的方向与沿轨道系绳的第一方向相反。
本发明提供相关方法。
附图说明
前述内容将从以下在附图中图解说明的对本发明示例性实施例的更具体描述中变得显而易见，在附图中类似的参考元件符号在各附图中都指代相同的部分。附图不一定按比例绘出，而是重点图解说明本发明的实施例。
图1是根据本发明的实施例的图解说明使得发电用伞稳定的技术的图。
图2是根据本发明的实施例的具有多个伞的伞阶梯的图。
图3显示根据本发明的实施例的伞打开状态下用于空中工作伞的开闭机构。
图4显示根据本发明的实施例的伞关闭状态下用于空中工作伞的开闭机构。
图5显示根据本发明的实施例的包含单个工作伞的发电用伞阶梯系统。
图6显示根据本发明的实施例的包含一个以上工作伞的发电用伞阶梯系统。
图7显示根据本发明的实施例的利用圆盘传动式旋转台使得多个伞阶梯系统结合以形成较大发电系统的系统。
图8显示根据本发明的实施例的可使用的齿轮组合件。
图9是根据本发明的实施例的在使用可移动式端头开闭机构的系统中伞打开和上升状态下处于工作模式的伞的图。
图10是根据本发明的实施例的由上部制动器停止并准备下降的伞的图。
图11是根据本发明的实施例的重新回到其起始点并准备打开以进行下一工作周期的伞的图。
图12显示根据本发明的实施例的用于利用水流能量的伞阶梯系统。
具体实施方式
下文描述本发明的示例性实施例。
很多人都有放风筝的经验。风筝实际上可升到系绳允许的高度。由于一般的风筝因其有限的受风面积而拉力非常有限，因此通常可将风筝的系绳握在手里。一旦风筝成功升入空中，其便可在适当的风况下稳定飞行。相反，由于伞在空中无法独自保持平衡，因此不管是圆形还是另一形状的伞，都不可能像风筝一样以这种方式飞行。
根据本发明的实施例，提供有使得一个或一个以上伞在空中保持打开并稳定飞行的方法。具体来说，提供有用于利用风力的伞阶梯系统。该系统包括系绳、风筝以及具有至少一个伞的伞阶梯。伞阶梯由系统顶部的风筝引导并稳定。
图1是根据本发明的简化实施例的图，其图解说明使得发电用伞稳定的技术。在图1的实施例中，系绳101的一端系到风筝102上，且另一端固定到地上的重物或牢固柱子(未显示)上。伞103具有多个长度相等的绳子104，这些绳子与系绳101在适当的位置105处捆在一起。管106附着在伞的中心处。系绳101穿过管106以使得伞103不会脱落。伞103可沿着系绳101向上或向下自由地滑动。
运用图1的实施例时，风筝102与伞103之间必须保持适当距离以使得风筝102能够首先升入空中。在风筝102稳定飞行时，系绳101逐渐延伸直到伞103也被拉入空中。如果风足够强，则伞103将被风自动打开并将稳定保持打开状态。如果将系绳101握在手里，则会感觉到伞103产生强得多的拉力。稳定飞行的风筝会使得系绳相对于地面保持角“a”。风增强时此角将变小，且风减小时此角将变大。
在图1的实施例中，正是角“a”使得伞持续朝向风倾斜以使得在伞上加载相对恒定的风力，并使得伞保持打开和稳定状态。图1实施例中的拉力与伞103的面积成比例。然而，由于伞103在系绳101上所施加的反作用力，建议伞103的面积应不超过风筝102面积的七倍，优选是风筝102面积的两到五倍。伞103与风筝102的前述面积比为估值，且不应当被当做是限制。伞103的形状最好是(但不限于)圆形或多边形(如六边形或八边形)。绳子104的数目不应当少于三，虽然可使用其它数量的绳子。就多边形来说，伞103外围的每个角处最好都有绳子104。伞103的材料应耐用且具有柔性。优选候选材料包括(但不限于)尼龙和涤纶。管106达到允许系绳自由穿过(但所述管106不系到系绳上)的目的。其它任一装置(如链轮)可用以达到与管106相同的目的。
图2是根据本发明的实施例的具有多个伞的伞阶梯的图。具有较多伞的目的是增强伞的受风面积从而产生更强的拉力。图2的实施例包括系绳201、风筝202、第一伞203以及第二伞207。风筝和伞由柔软且耐用的材料制成。第一伞203的受风面积可能比风筝202的受风面积大几倍，且第二伞207的受风面积可能比第一伞203和风筝202的面积和大几倍。举例来说，第一伞203的面积比风筝202的面积约大两到七倍，且第二伞207的面积比第一伞203和风筝202的面积和约大两到七倍。应注意，高达约七的面积比为估值，且不应当被当做是限制。由于第二伞207的受风面积大很多，因此与图1的实施例相比拉力可显著增大。虽然第一伞203也有助于总拉力，但其主要功能是使第二伞207稳定，假定第二伞207的面积大很多。在没有第一伞203的情况下，可能很难或甚至不可能使得第二伞207在空中保持稳定，这取决于所涉及的相对尺寸。由于与风筝202相比，第二伞207的受风面积大很多，因此由第二伞207产生的拉力可能比风筝202单独产生的拉力大很多。类似考虑适用于具有三个或三个以上伞的系统。然而应了解，第一伞和第二伞以及另外任何伞的相对尺寸并不一定必须基于该系统中其它伞的面积和而增加；可使用其它面积比方案。只要系绳足够牢固且足够长，伞的数量可增至(例如)数十或甚至数百个，从而显著增强该系统的拉力。
由于由根据本发明的实施例的伞阶梯产生的拉力极大，因此风力可能会得到更有效的利用。所述阶梯系统在发电和其它用途中得到广泛的应用。
根据本发明的进一步实施例，提供用于打开和关闭风筝引导式伞阶梯系统的工作伞的机构。在打开状态下时伞上升，而在关闭状态下时伞下降。工作伞上升时由其引入较大的拉力，所述拉力可用于发电。提供带有常见轨道系绳和多个工作伞的系统以进行有效且大规模的发电。
为利用伞引起的拉力进行风力发电，根据本发明的实施例提供用以在空中打开和关闭伞并使得该伞上下行进以作为一个完整的工作和恢复周期的机构。由于不同于用于稳定目的的伞，因此这里我们称所述伞为工作伞。
图3和图4显示根据本发明的实施例的用于空中工作伞的开闭机构。参考图3的实施例，工作伞307具有允许系统系绳301自由穿过的两个管308和309。上部管308安装在伞的中心处，且下部管309将工作伞307外围的所有绳子捆在一起。两块磁铁310分别安装在两个管上。上部制动器311和下部制动器312分别附着在系绳301相对于伞307的上部位置和下部位置处。单独的伞系绳313与下部管309相连，且用于将伞引起的拉力传输到地面上的机械机构以进行发电。环型夹具314使得两个系绳313和301保持在一起，但允许伞系绳313自由地穿过。两个制动器311和312界定工作伞307的行程范围(即工作冲程)。上部制动器311阻止上部管308沿着系绳301进一步上升。下部制动器312允许下部管309穿过，但阻止上部管308沿着系绳301进一步下移。在某些风况下，伞307自动打开并上升。上部制动器311使得上部管308停止，但伞的剩余部分由于风力和惯性力将沿着系绳301持续上移。伞307最后会翻过来，并将下部管309向上拉到与上部管308接触或离上部管308足够近的位置。由于附接的磁铁310，这两个管现将粘在一起以使得伞307将保持关闭状态。
图4的实施例显示关闭状态下的伞407，其中在图3和图4中利用类似的参考元件符号标记类似的元件。当伞407处于关闭状态时，其受风面积最小化，且因此通过拉动/重绕伞系绳413可使得伞407能够很轻易地沿着系绳401下降。应了解(如本文所用)，用于伞的术语“关闭”或“关闭状态”不需要指代用于普通伞的“关闭”的典型意义。相反，这里这些术语希望意指伞(如图4实施例中的伞407)处于一种状态，其中伞的受风面积减少或最小化以使得该伞能够更轻易地逆着风向(或在下文所述系统中，水流或其它流体流的方向)缩回。因此举例来说，在图4中，关闭状态的伞407在上部制动器上翻转。
根据图5中的实施例，下部制动器412将使得下部管409穿过但使得上部管408停止。通过进一步向下拉动伞系绳413，会迫使这两个管分离，然后在某些风况下(比如说最小3m/s的风速)，伞407将由风力再次自动打开。然后伞407开始另一上升周期，从而继续拉动工作系绳413并驱动地基机构(或类似物)的转子以进行发电。伞407的工作冲程在下部制动器412的正上方开始且在上部制动器411的正下方结束。伞407处于关闭状态时，通过向下拉动伞407来恢复其周期的初始位置。
根据本发明的实施例，应注意，这两个磁铁410的磁性应在适当的范围内：足够强以可靠地将关闭状态的伞下拉，但不会太强以致阻止这两个管408和409相对轻易的分离。还应注意，使用磁铁只是少数优选方法中的一种且不应当被当做是限制；举例来说，出于相同的目的，可使用粘性衬垫而不是磁铁。进一步来说，在关闭和打开伞的过程中使用制动器411和412的方式不应当被当做是限制。举例来说，可通过突然提高伞系绳413的重绕速度来使两个管408和409分离，以使得下部制动器412可删除或仅用作预防机构。再如，可使用绳索达到相同的目的。绳索的一端连接到上部制动器411且另一端连接到伞407的上部管408，并且绳索的长度与伞的工作冲程相等。绳索已经充分延伸后，两个管子408和409可由绳索和伞系绳413(而不是由下部制动器412)拉动分开。应进一步注意，管408和409是用于使得伞保持在轨道中(即沿系绳401滑动)的一种装置，但也可使用其它装置(如链轮)。
根据本发明的实施例，工作伞407完整的行进周期包括从下部制动器412到上部制动器411的上升距离(工作冲程)以及从上部制动器到下部制动器的下降距离(恢复过程)。虽然下降距离与上升距离相等，但恢复时间可能比工作时间要短得多，这是因为当伞处于关闭状态时在不使用强作用力的情况下可迅速下拉伞。
图5显示根据本发明的实施例的具有单个工作伞507的相对完整的发电用伞阶梯系统。该系统包括引导风筝502、平衡伞503、工作伞507、系统系绳或轨道系绳501以及工作系绳513。请注意，图5中未显示该系统的地面部分，所述地面部分可能包含发电机和传动系统。轨道系绳501固定在地面上，且工作系绳513可卷绕在驱动地基发电机的转子的轴上。平衡伞503的数量可为一个以上，以使得工作伞507保持稳定。图5所示系统的一个缺点是在每一完整的行进周期中，当工作伞507下降(关闭状态下)时会中断发电。
图6显示根据本发明的实施例的经改进的发电用伞阶梯系统，其包括一个以上工作伞——这里为两个工作伞607和615。这两个伞的上升/下降定时应经调整以使得其能够互相补偿其周期中的非工作部分。如图6中所示，利用工作系绳616使得工作伞615在区域A中行进，同时利用工作系绳613使得工作伞607在区域B中行进。工作伞615和工作伞607共享同一轨道系绳601，但不会互相接触。由于系绳613需要穿过区域A，因此制动器617应有孔或其它装置以使得系绳613穿过，或者是足够小以便不会影响系绳613的移动。出于同样的原因，伞615的上部管618和下部管619也应具有使得系绳613自由穿过的装置。
根据本发明的实施例，单个轨道系绳上的工作伞的数量可能远远超过两个。由于每一工作伞均具有其自身的工作系绳，因此在轨道系绳上添加更多的工作伞不会显著增加轨道系绳上的负载。然而，由于当工作伞由其上部制动器突然停止时，轨道系绳将遭受来自该伞的冲击力，因此所有这些工作伞的周期应彼此异相以便其不会同时向轨道系绳施加冲击力。该系统中，在风筝与第一伞之间应有适当的间隔；例如，间隔20米。该系统可包括引导风筝(或其它空中引导装置)，其使得轨道系绳保持一定的角度；至少一个平衡伞，有风时其始终是打开的且在轨道系绳上具有固定位置；以及至少一个工作伞，随着其在摆动周期中沿轨道系绳上下移动而打开和关闭。每一工作伞可在所界定的空间(图6中的A和B)中工作，所述空间可为(例如)500英尺、1000英尺或另一长度距离。工作伞的周期的工作部分与其恢复时间的比率可能是(例如)60％或更多的工作时间与40％或更少的恢复时间之比；或80％或更多的工作时间与20％或更少的恢复时间之比；或90％或更多的工作时间与10％或更少的恢复时间之比；或另一比率。
根据本发明的实施例，使用发电用的风筝引导式伞阶梯系统的一些优点为：
(1)高功率：单个轨道系绳可承载多个工作伞，这形成大规模的风力发电，例如从一个轨道系绳中产生多达5兆瓦(MW)的功率。
(2)效率：每一伞的非工作时间都可能是周期很小的一部分，如10％或更少。
(3)可靠性：更多的工作伞并不会给共同的轨道系绳添加更多的负载。每一伞独立工作且不会影响其它伞。
(4)稳定性：该系统的输出是多个工作伞的平均值。进一步来说，可在地面上方很高的高度处使用伞阶梯系统，包括(例如)使用超过10,000米长的轨道系绳，这使得能够利用相对恒定的高空风能。
(5)与等效功率的地基塔式风系统相比，地面占据面积要小得多。
应了解，虽然上文对风筝引导式系统进行描述，但仍可能使用另一空中装置为该系统引导。举例来说，可使用气球或甚至马达驱动式无线电控制飞机代替风筝以使得轨道系绳与风保持一定的角度，从而为该系统引导。除所述空中引导装置外，还可使用一个或一个以上平衡伞以及一个或一个以上工作伞。
图7显示根据本发明的实施例的利用圆盘传动式旋转台使得多个伞阶梯系统结合以形成较大发电系统的系统。在图7实例中使用四个伞阶梯系统，但也可使用其它数量的伞阶梯系统。图7的实施例包括大直径的旋转台720、发电机721、四个齿轮组合件722、四个牢固固定式支架723、四个定向框架724以及四个伞阶梯系统(此处仅显示其四个工作系绳713)。旋转台720的中心与发电机721的轴相连。台720由四个工作系绳713经由四个齿轮组合件722驱动。四个齿轮组合件722与在台外围的下表面上的行星齿轮结构相连。无论风向和风速如何，定向框架724经设计以使得齿轮组合件722上所施加的系绳拉力的方向保持不变。工作系绳713的拉动和重绕周期最好是彼此同等地异相，以使得所述台尽可能平稳地旋转。
图8显示根据本发明的实施例的可使用的齿轮组合件。如图8中所示，每一齿轮组合件722(图7中)可包括齿轮825、定向离合器826、轴827、另一定向离合器828以及马达829。工作系绳813紧紧缠绕在轴827上以使得系绳的拉力转移到轴827。当工作系绳813处于拉动或重绕模式时，定向离合器826使得轴827连接到齿轮825或与齿轮825分离。当该系绳处于重绕或拉动模式时，离合器828与离合器826类似地工作，且使得轴827连接到马达829或与马达829分离。马达829具体来说准备用于周期性地重绕工作系绳829。齿轮825可直接或经由改变齿轮转速的齿轮箱(如有必要)连接到图7中的圆盘传动台720的行星齿轮结构。应了解，根据本发明的实施例，可使用其它类型的齿轮箱和传动装置；例如，可使用车型传动装置。
与单个伞阶梯系统相比，图7的实施例中的圆盘传动系统不仅极大地按比例增加发电，而且可使该系统的功率输出平稳。进一步来说，即使当一个或两个个别伞阶梯系统出于维护或其它原因而不在工作时，圆盘传动系统也可继续发电。应了解，可使用其它机械布置将多个伞阶梯系统结合在一起。
根据本发明的实施例，可使用大的工作伞，例如直径为5米或5米以上、10米或10米以上、20米或20米以上或30米或30米以上的工作伞。工作伞可产生大约10吨或10吨以上的拉力。每一工作伞可具有大约0.5MW或0.5MW以上的功率。举例来说，通过以多个工作伞方式使用直径长达20至30米的伞，每一轨道系绳可能产生大约1MW或1MW以上的功率。举例来说，通过利用图7的实施例中的旋转台将多个系统结合在一起，可能由经结合的系统产生10MW或10MW以上、20MW或20MW以上或100MW或100MW以上的功率。
根据本发明的实施例，可使用本文中所描述的对系统的自动控制。举例来说，机械、电和/或计算机实施的自动控制系统可用于控制工作伞的操作，包括控制工作伞的工作冲程或恢复冲程的长度、工作伞的工作周期与恢复周期的比率、工作伞重绕和/或释放到其工作相位中的定时以及每一工作伞沿系绳的位置。举例来说，在图8的实施例中，离合器826和828可能受机械和/或电机构控制(所述机械和/或电机构可能受计算机系统控制)以实施前述控制操作中的任一操作。进一步来说，工作伞的高度和/或位置可基于各个高度和/位置处的风速而由控制系统实现优化。可使用其它控制机构。举例来说，风筝或其它空中引导装置可能受控制系统(如无线电控制)控制。进一步来说，控制系统可用于与对连接有伞系统的电力网实施电力负荷平衡的其它控制系统通信。在一些实施例中，采用安装在该系统任何地方的相机或其它传感器装置有益于提供关于一个或一个以上系统组件(如工作伞)的状态的监视或反馈。举例来说，相机或其它传感器组件可提供关于工作伞或其它组件是打开、关闭、适当操作还是需要维修的信息。控制系统可能是完全自动化的或是经由机械、电和/或计算机系统接口接受人的输入。在控制之下使用的计算机系统可经专门编程以控制该系统的操作。
图9是根据本发明的实施例的在使用替代开闭机构的系统中伞打开和上升状态下处于工作模式的伞的图。图9中的系统包括系统系绳901、工作伞体907、上部制动器911、下部制动器912、下部滑动器909、上部滑动器908、工作系绳913以及伞外围绳子904。图10和图11实施例中使用类似的标号。应了解，虽然所使用的与图9至11有关的术语“下部滑动器”和“上部滑动器”用以指代与本文其它地方称作“下部管”和“上部管”的术语类似的术语，但这些术语没有必要采取管的形式——根据本发明的实施例可使用其它形状的滑动器。
根据图9中的实施例，上部滑动器908在其侧壁上具有至少一可移动式端头930。如果并未由于其它部分而受限，则所述可移动式端头930的顶部始终是突出的，且可容易地挤回侧壁中。这可通过使得端头930本身作为弹簧或通过使用单独的弹簧将端头930的顶部外推而实现。图9显示上升工作模式下的工作伞907。
图10是根据图9中实施例的由上部制动器1011停止并准备下降的工作伞1007的图。图10显示上部滑动器1008由上部制动器1011停止，且伞软体1007(其中心部分除外)继续上移并将下部滑动器1009上拉。下部滑动器1009最后与上部滑动器1008啮合并将可移动式端头1030挤入上部滑动器的壁中，且最终由伞体1007或上部制动器1011停止。一旦下部滑动器1009已上移并经过可移动式端头1030，端头1030的顶部会再次自动弹出，从而阻止伞1007打开。然后可通过重绕工作系绳1013容易地将整个伞1007下拉。下拉时，上部滑动器1008和下部滑动器1009会保持啮合直到由下部制动器1012停止。
图11是根据图9中实施例的重新回到起始点并准备打开以进行下一工作周期的工作伞1107的图。如图11中所示，上部滑动器1108的下部现与下部制动器1112啮合，且可移动式端头1030(见图10)由下部制动器挤入。此处，上部滑动器1108通过上移而能够自由地与下部滑动器1109分离。工作伞1107会由风力再次自动打开，由此开始下一工作周期。
根据本发明的实施例，伞风力系统(如本文中所述)可用于高空风力发电。举例来说，轨道系绳的长度可为500米或500米以上；包括长度为2000米或2000米以上的轨道系绳；或长度为4000米或4000米以上的轨道系绳，或长度为7000米或7000米以上的轨道系绳，或长度为10,000米或10,000米以上的轨道系绳。这类使用提供利用高空中存在的强大且恒定的风的优势。然而，不必在所述高度处使用该系统；可使用其它长度的系统。
根据本发明的进一步实施例，提供用于有效利用水流能量以进行清洁能源发电的伞阶梯系统。在与上述风系统类似的方式下，所述实施例使用伞阶梯系统以利用水流(如海洋、河流、溪流或其它水体中的水流)进行发电。
图12显示根据本发明的实施例的用于利用水流能量的伞阶梯系统1200。伞阶梯系统1200包括共同轨道系绳1201、平衡伞1203以及工作伞1207。轨道系绳1201牢固捆在基座上，所述基座可包含发电机及其它机械和电子设备。平衡伞1203用于使得轨道系绳1201保持笔直。工作伞1207经由前管1209和后管1208悬挂在轨道系绳1201上。工作伞1207所有外围的绳子捆在前管1209上。工作伞可沿轨道系绳1201滑动，且其移动范围受到安装在轨道系绳1201上的前制动器1212和后制动器1211的限制。前管1209和后管1208分别与工作系绳1213和控制系绳1234相连。轨道系绳1201上配备有环型夹具1214以将工作系绳1213和控制系绳1234保持在适当位置。利用重物1231使得阶梯系统1200保持在水下，重物1231由绳索1232悬挂在平衡伞1203附近的适当位置1233处。
根据图12中的实施例，工作伞的工作周期如下所述。控制系绳1234松动时，工作伞1207由于水流的强度而打开且在工作系绳1213上产生强大的拉力，所述工作系绳1213缠绕在轴上或用于驱动发电机(未显示)的类似物上。工作伞1207拉动工作系绳1213，且远离前制动器1212而移动直到后管1208由后制动器1211停止。由于水流和惯性力，前管1209继续移动而更接近后管1208以使得工作伞1207的有效应力面积显著减少。因此，工作伞1207相对容易地由与后管1208相连的控制系绳1234拉回到前制动器1212。同时，工作系绳1213经重绕以准备进行下一工作周期。整个工作周期包括工作冲程和恢复行程。工作冲程在前制动器1212处开始且在后制动器1211处结束，而恢复行程在后制动器1211处开始且在前制动器1212处结束。虽然恢复距离与工作距离相等，但恢复时间可比工作时间短得多。伞的材料应耐用且具有柔性。伞的形状最好是(但不限于)圆形或多边形(如六边形或八边形)。工作伞或平衡伞的数量并不限于一个。当工作伞为一个以上时，一个工作伞的非工作恢复周期可能被另一个伞的工作周期覆盖。应注意，多个工作伞的工作周期应彼此异相以使得到达对应后制动器的定时将不同，以便避免同时向轨道系绳施加冲击力。根据本发明的实施例，由于与空气相比水的密度增加，因此相对于类似的风系统，使用水力可增加功率输出。水系统不必像高空风系统一样使用很长的轨道系绳。多个水系统可以与上文图7和图8中使用圆盘传动装置和齿轮箱系统的类似的方式结合在一起。可如上文针对风系统所述使用类似的控制系统。该系统可包含至少一重物以使得系统的至少一部分保持在水下，例如工作伞的至少一部分。工作伞和平衡伞中的至少一个可经定形以允许水载物体穿过工作伞和平衡伞中的至少一个的内部的至少一部分。举例来说，每一伞(平衡伞或工作伞)在其中心附近(或其中心外部)可具有至少一个适当直径的孔以避免垃圾或鱼困在伞中。
虽然已参考本发明的实例实施例对本发明进行具体显示和描述，但所属领域的技术人员应理解，可在不脱离随附权利要求书所包含的本发明的范围的前提下对本发明的形式和细节作各种改变。

Claims (95)

1.一种用于从流体发电的系统，所述系统包括：
轨道系绳；
工作伞，其以可移动方式安装到所述轨道系绳以使得所述工作伞在所述工作伞的工作冲程期间沿所述轨道系绳的第一方向由所述流体供应动力；
工作系绳，其在所述工作伞的至少所述工作冲程期间将所述工作伞耦合到发电机；以及
马达，其在所述工作伞的至少恢复冲程期间耦合到所述工作伞，所述恢复冲程的方向与沿所述轨道系绳的所述第一方向相反。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体包括空气。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体包括水。
4.根据权利要求1所述的系统，其包括以可移动方式安装到所述轨道系绳的一个以上工作伞，每一工作伞在每一工作伞的至少工作冲程期间耦合到其自身的工作系绳，且在每一工作伞的至少恢复冲程期间耦合到至少一个马达。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述一个以上工作伞的所述工作冲程彼此异相。
6.根据权利要求4所述的系统，其中每一工作伞以可移动方式安装到所述轨道系绳的不同部分。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括耦合到所述轨道系绳的空中引导装置。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述空中引导装置包括风筝。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述空中引导装置包括气球。
10.根据权利要求7所述的系统，其进一步包括平衡伞，所述平衡伞沿所述轨道系绳固定在适当位置。
11.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括平衡伞，所述平衡伞沿所述轨道系绳固定在适当位置。
12.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括用以在所述工作冲程结束时关闭所述工作伞的机构。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述用以关闭所述工作伞的机构包括：
上部制动器；
上部滑动器，其耦合到所述工作伞的中心；以及
下部滑动器，其耦合到所述工作伞外围的至少一根绳子。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述上部滑动器包括磁铁且所述下部滑动器包括磁铁。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述上部滑动器包括可移动式端头机构。
16.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括用以在所述工作冲程开始时打开所述工作伞的机构。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述用以打开所述工作伞的机构包括：
下部制动器；
下部滑动器，其耦合到所述工作伞外围的至少一根绳子；以及
上部滑动器，其耦合到所述工作伞的中心。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述上部滑动器包括磁铁且所述下部滑动器包括磁铁。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述上部滑动器包括可移动式端头机构。
20.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括用以在所述工作冲程结束时关闭所述工作伞的机构以及用以在所述工作冲程开始时打开所述工作伞的机构。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述用以关闭所述工作伞的机构以及所述用以打开所述工作伞的机构包括：
上部制动器；
下部制动器；
上部滑动器，其耦合到所述工作伞的中心；以及
下部滑动器，其耦合到所述工作伞外围的至少一根绳子。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述上部滑动器包括磁铁且所述下部滑动器包括磁铁。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述下部制动器的尺寸经定制以允许所述下部滑动器沿所述轨道系绳经过所述下部制动器，但阻止所述上部滑动器沿所述轨道系绳经过所述下部制动器。
24.根据权利要求21所述的系统，其中所述上部制动器的尺寸经定制以阻止所述上部滑动器沿所述轨道系绳经过所述上部制动器。
25.根据权利要求1所述的系统，其中所述工作冲程所花费的时间是所述工作冲程加上所述恢复冲程的总时间的60％或60％以上。
26.根据权利要求1所述的系统，其中所述工作冲程所花费的时间是所述工作冲程加上所述恢复冲程的总时间的80％或80％以上。
27.根据权利要求1所述的系统，其中所述工作冲程所花费的时间是所述工作冲程加上所述恢复冲程的总时间的90％或90％以上。
28.根据权利要求1所述的系统，所述系统包括耦合到至少一个发电机的一个以上轨道系绳，每一轨道系绳包括：
工作伞，其以可移动方式安装到每一轨道系绳以使得每一工作伞在每一工作伞的工作冲程期间沿每一轨道系绳的第一方向由所述流体供应动力；
工作系绳，其在每一工作伞的至少所述工作冲程期间将每一工作伞耦合到所述至少一个发电机；以及
至少一个马达，其在每一工作伞的至少恢复冲程期间耦合到每一工作伞，每一工作伞的所述恢复冲程的方向与沿所述轨道系绳的所述第一方向相反。
29.根据权利要求28所述的系统，所述系统包括耦合到所述一个以上轨道系绳的旋转台。
30.根据权利要求29所述的系统，其进一步包括耦合到所述系统的所述工作系绳中的至少一个的至少一个齿轮箱。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述齿轮箱包括至少一个离合器。
32.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括耦合到所述工作系绳的齿轮箱。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述齿轮箱包括至少一个离合器。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述齿轮箱包括用以在所述工作冲程期间将所述工作系绳耦合到所述发电机的定向离合器以及用以在所述恢复冲程期间将所述马达耦合到所述工作伞的离合器。
35.根据权利要求1所述的系统，其中所述工作伞的直径至少为5米。
36.根据权利要求1所述的系统，其中所述工作伞的直径至少为10米。
37.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统产生0.5MW或0.5MW以上的功率。
38.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统产生1MW或1MW以上的功率。
39.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统产生10MW或10MW以上的功率。
40.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括自动控制系统以控制所述工作冲程的长度、所述恢复冲程的长度、所述工作冲程开始的定时、所述恢复冲程开始的定时、所述工作伞沿所述轨道系绳的位置以及所述系统所输送的所述功率的负载平衡中的至少一个。
41.根据权利要求1所述的系统，其中所述轨道系绳的长度为以下各项中的一个：至少500米、至少2000米、至少4000米、至少7000米以及至少10,000米。
42.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括耦合到所述工作伞的控制系绳。
43.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体包括水，所述系统进一步包括至少一重物以使得所述系统的至少一部分保持在水下。
44.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体包括水，且其中所述工作伞和平衡伞中的至少一个经定形以允许水载物体穿过所述工作伞和所述平衡伞中的所述至少一个的内部的至少一部分。
45.一种用于从流体发电的方法，所述方法包括：
在工作伞的至少工作冲程期间将所述工作伞耦合到产生器，所述工作伞以可移动方式安装到轨道系绳以使得所述工作伞在所述工作伞的工作冲程期间沿所述轨道系绳的第一方向由所述流体供应动力；以及
在所述工作伞的至少恢复冲程期间将马达耦合到所述工作伞，所述恢复冲程的方向与沿所述轨道系绳的所述第一方向相反。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述流体包括空气。
47.根据权利要求45所述的方法，其中所述流体包括水。
48.根据权利要求45所述的方法，其中一个以上工作伞以可移动方式安装到所述轨道系绳，所述方法包括在每一工作伞的至少工作冲程期间将每一工作伞耦合到其自身的工作系绳且在每一工作伞的至少恢复冲程期间将每一工作伞耦合到至少一个马达。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述一个以上工作伞的所述工作冲程彼此异相。
50.根据权利要求48所述的方法，其中每一工作伞以可移动方式安装到所述轨道系绳的不同部分。
51.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括利用空中引导装置来引导所述轨道系绳。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述空中引导装置包括风筝。
53.根据权利要求51所述的方法，其中所述空中引导装置包括气球。
54.根据权利要求51所述的方法，其进一步包括利用平衡伞使得所述轨道系绳稳定，所述平衡伞沿所述轨道系绳固定在适当位置。
55.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括利用平衡伞使得所述轨道系绳稳定，所述平衡伞沿所述轨道系绳固定在适当位置。
56.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括使用用以在所述工作冲程结束时关闭所述工作伞的机构。
57.根据权利要求56所述的方法，其中所述用以关闭所述工作伞的机构包括：
上部制动器；
上部滑动器，其耦合到所述工作伞的中心；以及
下部滑动器，其耦合到所述工作伞外围的至少一根绳子。
58.根据权利要求57所述的方法，其中所述上部滑动器包括磁铁且所述下部滑动器包括磁铁。
59.根据权利要求57所述的方法，其中所述上部滑动器包括可移动式端头机构。
60.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括使用用以在所述工作冲程开始时打开所述工作伞的机构。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述用以打开所述工作伞的机构包括：
下部制动器；
下部滑动器，其耦合到所述工作伞外围的至少一根绳子；以及
上部滑动器，其耦合到所述工作伞的中心。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述上部滑动器包括磁铁且所述下部滑动器包括磁铁。
63.根据权利要求61所述的方法，其中所述上部滑动器包括可移动式端头机构。
64.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括使用用以在所述工作冲程结束时关闭所述工作伞的机构以及使用用以在所述工作冲程开始时打开所述工作伞的机构。
65.根据权利要求64所述的方法，其中所述用以关闭所述工作伞的机构以及所述用以打开所述工作伞的机构包括：
上部制动器；
下部制动器；
上部滑动器，其耦合到所述工作伞的中心；以及
下部滑动器，其耦合到所述工作伞外围的至少一根绳子。
66.根据权利要求65所述的方法，其中所述上部滑动器包括磁铁且所述下部滑动器包括磁铁。
67.根据权利要求65所述的方法，其中所述下部制动器的尺寸经定制以允许所述下部滑动器沿所述轨道系绳经过所述下部制动器，但阻止所述上部滑动器沿所述轨道系绳经过所述下部制动器。
68.根据权利要求65所述的方法，其中所述上部制动器的尺寸经定制以阻止所述上部滑动器沿所述轨道系绳经过所述上部制动器。
69.根据权利要求45所述的方法，其中所述工作冲程所花费的时间是所述工作冲程加上所述恢复冲程的总时间的60％或60％以上。
70.根据权利要求45所述的方法，其中所述工作冲程所花费的时间是所述工作冲程加上所述恢复冲程的总时间的80％或80％以上。
71.根据权利要求45所述的方法，其中所述工作冲程所花费的时间是所述工作冲程加上所述恢复冲程的总时间的90％或90％以上。
72.根据权利要求45所述的方法，所述方法包括将一个以上轨道系绳耦合到至少一个发电机，耦合每一轨道系绳包括：
在每一工作伞的至少工作冲程期间利用工作系绳将每一工作伞耦合到所述至少一个发电机，每一工作伞以可移动方式安装到其轨道系绳以使得每一工作伞在每一工作伞的工作冲程期间沿其轨道系绳的第一方向由所述流体供应动力；以及
在每一工作伞的至少恢复冲程期间将马达耦合到每一工作伞，所述恢复冲程的方向与沿每一轨道系绳的所述第一方向相反。
73.根据权利要求72所述的方法，其包括将所述一个以上轨道系绳耦合到旋转台。
74.根据权利要求73所述的方法，其进一步包括将至少一个齿轮箱耦合到所述工作系绳中的至少一个。
75.根据权利要求73所述的方法，其中所述齿轮箱包括至少一个离合器。
76.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括将齿轮箱耦合到所述工作系绳。
77.根据权利要求76所述的方法，其中所述齿轮箱包括至少一个离合器。
78.根据权利要求77所述的方法，其包括使用用以在所述工作冲程期间将所述工作系绳耦合到所述发电机的定向离合器以及使用用以在所述恢复冲程期间将所述马达耦合到所述工作伞的离合器。
79.根据权利要求45所述的方法，其中所述工作伞的直径至少为5米。
80.根据权利要求45所述的方法，其中所述工作伞的直径至少为10米。
81.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括产生0.5MW或0.5MW以上的功率。
82.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括产生1MW或1MW以上的功率。
83.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括产生10MW或10MW以上的功率。
84.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括使用自动控制系统以控制所述工作冲程的长度、所述恢复冲程的长度、所述工作冲程开始的定时、所述恢复冲程开始的定时、所述工作伞沿所述轨道系绳的位置以及所述系统所输送的所述功率的负载平衡中的至少一个。
85.根据权利要求45所述的方法，其中所述轨道系绳的长度为以下各项中的一个：至少500米、至少2000米、至少4000米、至少7000米以及至少10,000米。
86.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括将控制系绳耦合到所述工作伞。
87.根据权利要求45所述的方法，其中所述流体包括水，所述方法进一步包括使用至少一重物以使得所述工作伞的至少一部分保持在水下。
88.根据权利要求45所述的方法，其中所述流体包括水，其进一步包括允许水载物体穿过所述工作伞和平衡伞中的至少一个的内部的至少一部分。
89.一种用于从流体发电的系统，所述系统包括：
轨道系绳构件，其用于以可移动方式安装工作伞构件；以及
所述工作伞构件，其以可移动方式安装到所述轨道系绳构件以使得在所述工作伞构件的工作冲程期间沿所述轨道系绳构件的第一方向由所述流体供应动力；
工作系绳构件，其用于在所述工作伞构件的至少所述工作冲程期间将所述工作伞构件耦合到发电机；以及
马达，其在所述工作伞构件的至少恢复冲程期间耦合到所述工作伞构件，所述恢复冲程的方向与沿所述轨道系绳构件的所述第一方向相反。
90.根据权利要求89所述的系统，其中所述流体包括空气。
91.根据权利要求89所述的系统，其中所述流体包括水。
92.根据权利要求89所述的系统，其包括以可移动方式安装到所述轨道系绳构件的一个以上工作伞构件，每一工作伞构件在每一工作伞构件的至少工作冲程期间耦合到其自身的工作系绳构件且在每一工作伞构件的至少恢复冲程期间耦合到至少一个马达。
93.根据权利要求89所述的系统，其进一步包括用于在所述工作冲程结束时关闭所述工作伞的构件。
94.根据权利要求89所述的系统，其进一步包括用于在所述工作冲程开始时打开所述工作伞的构件。
95.一种用于从流体发电的系统，所述系统包括：
轨道系绳；
工作伞，其可以可移动方式安装到所述轨道系绳以使得所述工作伞在所述工作伞的工作冲程期间沿所述轨道系绳的第一方向由所述流体供应动力；以及
工作系绳，所述工作伞在所述工作伞的至少工作冲程期间可通过所述工作系绳耦合到发电机，且
在所述工作伞的至少恢复冲程期间可通过所述工作系绳耦合到马达，所述恢复冲程的方向与沿所述轨道系绳的所述第一方向相反。
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