CN102612596A - 流体动力能量转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了流体动力能量转换系统（HKECS），包括适合于将潮汐或河流内的流动能有效地产生为有用的机械能量的设计配置，用于执行比如发电或抽水任务。该设备包括一套叶片，具有在水平或竖直闭环轨道上移动的翼型横截面轮廓，据此，由净切向提升力（而非拖曳力）通过水推动叶片，以便有效地将流水的动能转换为有用的动力。

Description

流体动力能量转换系统
相关申请的交叉参考
该申请要求2009年11月12日提交的美国临时专利申请号61/281,034的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明通常涉及从水流或潮汐中获得能量（比如产生电力）。
背景技术
本发明涉及新型流体动力（潮汐或河流或运河）能量转换系统（HKECS），该系统开发海洋潮汐或河流/运河水流中过剩能量的使用，用来发电或为机械载荷提供动力，比如抽水。
清洁的可再生能源，比如太阳能、风力、海浪和潮汐或水流变得尤其具有重大意义，并且作为化石燃料的替换物已经成为日益增长的研发的主题。人们日渐意识到，有害的温室气体排放以及煤和核能有害的危险垃圾造成全球气温变化，并且如无必要，人们希望不再依靠消耗化石燃料储量，这就使得清洁的可再生能源在经济上和环境上有吸引力。
然而，这些能源中的某些并不是以具有相等或可靠能量密度的方式作为全球可用的。不同的地理位置和变化的气候条件使得清洁能源不一致或不可预测。而且，其能量密度有很大不同。比如，太阳能为大约0.15-1kW/m2，接近赤道具有更高的值；风能大约为0.2-1.0kW/m2；海浪大约为10-50kW/m；并且对于每年平均水流速度范围为1.0到3.5m/s的潮汐流来说可提供0.5-20kW/m2。
与风能或太阳能相比，更可预测潮汐和河流能量。由太阳、月球和地球之间可预测的且规则的引力驱动潮汐，而风能和太阳能受太阳辐射以及大气、海洋、拓扑以及地球旋转的相互作用控制，这经常造成不均匀的和不可预测的分布。天然河流系统和人工运河系统在降水位置与海洋之间的坡度上运行，该坡度通常超过维持标称流态所需要的值并且造成土壤侵蚀（soil erosion）。可有利地使用这种过剩的动能，会带来额外的利益，比如泥土保持或回收。比如，据估计，印度每年接收大约400,000,000公顷-m的降雨，如果这发生在平均海拔为500m处，那么会拥有2×1019J或5.5×109MWhr的能量，其为印度每年的全部水流发电的5倍。
潮汐能量以循环的方式随着组合的日-月活动周期变化，每天具有四个周期，具有大约50分钟的可预测相移。潮汐能量的大小取决于潮汐的强度，而该强度由月亮和太阳的位置改变、地球旋转的作用以及海床和海岸线的局部形状而确定。尤其地，众所周知，逆着涌浪流动的水流会增大波高，而当在相同的方向具有两种现象时会减弱该波高。也需要考虑季节变化和地理潮汐位置。虽然如果已知局部潮汐流是能够预测给定位置上的潮汐能的，但是潮汐池（tidal basin）形状和其他因素影响潮汐能，并且可为重要的设计因素。对于潮汐能系统具有吸引力的地区在具有快速水流的地区，其中自然水流集中在受限的沿海结构中，比如在海湾和河流的入口处、岩石点和海角周围、岛屿之间以及受限的或浅水深度区域内。这些因素的组合导致在定位和设计潮汐动力能量系统时必须考虑复杂动力学。
河流，尤其是那些由雨水和融化的冰川形成的河流，也是丰富的可预测的能源。河流能量的大小取决于河流的流速和容量，流速由坡度和河道的粗糙度和形状确定，容量由流域盆地的尺寸、植被、气候以及底岩的渗透率确定。这些因素的组合导致在定位和设计河流动力能量系统时必须考虑复杂动力学。
水比空气具有更高的密度（832倍），因此，与风流（wind current，气流）相比，单个潮汐或河流发电机在低潮汐或河流流速下就可提供很大的动力。而且，由于与空气相比，水具有更小的动力粘度值（几乎为1∶20），与在空气中相比，以高雷诺数操作的小型叶片（100-200mm的翼弦）在水中会大大提高空气（流体）动力性能。设计为以相似的雷诺数进行操作的风力机需要的叶片比翼弦大10倍，以便在低速下有效。
从现有的风力涡轮机技术中取用现有技术中的水力涡轮机设计，并且该设计自然与风力涡轮机的设计相似：螺旋桨式水平轴风力涡轮机（“HAWT”）、或竖直轴风力涡轮机（“VAWT”），包括戴瑞斯型（Darrieus-type）和螺旋叶片Gorlov式涡轮机。用于潮汐源和风源的传统能量转换装置具有公知的基于传统1-D模型的空气动力（或流体动力）能量提取限制，即所谓的16/27“Betz限制”(59.3%)，并且在较高的叶尖速度比值（5-8）下具有峰值性能，由功率系数值Cp表示。同样，转子速度的变化非常大，并且切出风速低，由绝对的叶尖速度所限制。
在已知的流体动力涡轮机设计中，叶片围绕固定的竖直（VAWT）或水平（HAWT）轴旋转。轮毂包括固定至其上的对称叶片（用于双向潮汐涡轮机），从两侧接受水流。对于给定的潮流（tidal current）速度，具有传送最大动力的旋转速度和自由旋转转速。
与水内的传统固定轴涡轮机设计相关的某些问题在于，机械上复杂的轮毂被浸没水中，并且该轮毂需要最小的水深以便于操作。此外，转子叶片在轮毂和叶尖处的相对速度的差异降低了HAWT涡轮机的抽取效率。在水内，可变的水下流速还加剧了该问题-越靠近水面处该流速越快，并且接近底部时明显降低。具有大直径转子的可逆转式涡轮机产生低转速问题，并且具有较低的性能和更高的成本，而且与非逆转式涡轮机相比更复杂。仅能够通过改变转子直径（由于无论多大的尺寸，所需要的叶片的数量均为2或3）而改变这些涡轮机的尺寸，这些设计不能有效地适合于具有不同宽度和深度的地方。
潮汐或河流涡轮机设计也必须考虑海底环境的困难，包括长期浸没在比风力更稳定并且更一致的水和强潮汐或水流内。此外，要在局部地形下进行安装、操作和维修，应考虑该局部地形。浸没在水下的机械设备必须设计为在水下运转，并且需要合适的结构、绝缘并且密封，不受到海洋或江河水的腐蚀影响。而且，也需要考虑受到潮汐、波浪和水流影响的支撑结构的振动以及所产生的机械应力、磨损以及撕裂。最后，该设计必须经济上可行。
不到半米的海拔差异产生3m/s的水流速度。水电涡轮机的传统布置（其中，全部水流必须被导入和导出水力涡轮机）对于具有非常小的头部和非常大流量的能源来说不是可用的解决方法。
印度专利申请号：910/MUM/2006、1106/MUM/2006和1563/MUM/2007、PCT IN2008/00878以及美国专利号7,709,971涉及新颖线性风力发电机，适合于超低速度2级风场。这些基本概念和原理可用于流体动力水力发电机，但是必须考虑水流速度（比风速低3-4倍）、运动粘度（比风的运动粘度小20倍）和密度（比风的密度高800-1100倍）。而且，在使上述风力涡轮机适用于水流内时，需要解决河道深度造成的自由表面、自然坡度、可变速度以及河道横截面造成的水流变化。
发明内容
本发明介绍若干个新颖特征，这些特征有效地解决了流体动力涡轮机设计遇到的问题，所述流体动力涡轮机设计即由自然水流驱动的用于发电（包括产生电力或抽水）的涡轮机。
因此，本发明提供了线性流体动力发电机设备，其具有基本上非圆形闭环轨道，包括基本线性部分，该线性部分与水路内的水流方向垂直，其中该轨道包括至少一个导轨。该设备具有至少一个叶片组件，所述叶片组件适合于在轨道的整个长度上移动。每个叶片组件具有至少一个导轨系统连接件和至少一个翼型叶片，所述导轨系统连接件适合于将叶片组件固定连接至轨道，所述翼型叶片的一部分至少部分浸没在水流内且适合于响应于水流线性移动。每个叶片均具有合适的翼型横截面轮廓和桨距角（pitchangle），以使得响应于水流而作用在翼型上的提升力和拖曳力的切向分量以比水流内的水流速度更大的速度在轨道的线性部分上沿运动方向推进叶片。动力产生装置与叶片在轨道上的运动操作地相关联。所产生的动力为旋转动力或电力产生。在各个实施例中，该设备可具有旋转式动力装置，比如旋转式发电机或水泵，与该设备所产生的旋转动力操作地相关联。在另一个实施例中，发电机安装在每个叶片组件上。在另一个实施例中，线性发电机从叶片在轨道上的运动中产生电力。在一个实施例中，本发明可使用多个叶片组件。在一个实施例中，任何叶片组件可包括多个叶片。
附图说明
图1a到1d示出了线性水力发电机设备的各个实施例；
图2a和2b示出了所述设备的导轨系统连接件的详图，图2a为透视图中，图2b为截面图；
图3通过前视图示出了叶片组件的详图，示出了大齿轮和固定旋转式发电机；
图4示出了轨道实施例的透视图，具有互相间隔开且与两个其他同心导轨平行的两个同心导轨；
图5示出了图4中所示的实施例的叶片组件；
图6示出了从上面观看时轨道形状布置的两个示意性实施例；以及
图7示出了围绕闭环轨道的叶片运动的图示。
具体实施方式
本发明提供了流体动力能量转换系统（HKECS），包括轨道、响应于水流在轨道上移动的一组叶片以及动力产生装置。术语“流体动力”表示由水流提供动力。本发明的关键方面在于，叶片具有合适的翼型形状，包括横截面、翼弦、弧面（camber）以及纵横比，因此当沿着水流内的轨道推进叶片时，这些叶片具有提升力的净切向分量。控制叶片的运动所产生的能量用于产生电力或其他形式的动力。因此，水流（可为江河、运河、潮汐盆地等等内的水）内的能量可转换为有用的动力。如下所述，本发明可用于发电或抽水，但是可具有其他有用的能量形式，这些能量形式可使用轴的旋转能量。
因此，在其最广的实施例中，本发明提供了线性流体动力发电机设备，具有基本上非圆形闭环轨道，包括基本线性部分，该线性部分与水路内的水流方向垂直，其中该轨道包括至少一个导轨。该设备具有至少一个叶片组件，适合于在轨道的整个长度上移动。每个叶片组件具有至少一个导轨系统连接件和至少一个翼型叶片，其中，所述导轨系统连接件适合于将叶片组件固定连接到轨道，翼型叶片的一部分至少部分浸没在水流内且适合于响应于水流线性地移动。每个翼型叶片具有合适的翼型横截面轮廓和桨距角，以使得响应于水流而作用在翼型上的提升力和拖曳力的净切向分量以比水流内水流的速度更大的速度在轨道的线性部分上沿运动方向推进叶片。动力产生装置与叶片在轨道上的运动操作地相关联。所产生的动力可为旋转动力或电力产生。
因此，在本发明中，通过水与翼型叶片（该叶片在轨道上被推进）的相互作用，将来自流水中的动力转换为有用的动力。本发明中的术语“叶片”表示具有空气动力形状的翼状装置。这包括翼型横截面轮廓。在本发明中，翼型叶片设计为与流水而非空气相互作用。本发明的叶片被设计为以提升式（而非通过拖曳）的方式与流水相互作用。比如，主要通过拖曳来推进大三角帆、船桨或明轮结构，其中媒质（空气或水）流的压力对着所述结构的面朝水流的表面。拖动推进式结构中的水流推压该结构，以便产生推进力。在拖曳推进式结构中，水流比该结构移动得更快。
相反，在提升式结构内，该结构的翼型横截面轮廓与水流相互作用，由于在移动翼型结构的前侧和后侧上流动的局部水流以及翼型的两侧上相对水流的净压差，产生提升力。当飞机穿过空气以便产生用于飞机的上升力时相似的力作用在飞机翼型的翼型上。因此，与拖曳动力装置相比，本发明的上升叶片从水流中控制更大的能量。在水内提升叶片以水流速度的大约1.5倍到8.0倍的推进速度被推进。该范围由用在给定轨道上的这种翼型的翼型形状、尺寸和数量确定。
因此，在本发明的该设备中，响应于通过水流的翼型形状的叶片的运动，提升力的净切向分量实质上超过了作用在翼型上的拖曳力的切向分量。由此所产生的提升力的净切向分量以比水流的速度更大的速度在轨道的线性部分上沿运动方向推进叶片。
叶片安装在叶片组件上，而叶片组件又安装在轨道上。本发明中最简单的轨道设计为延长的闭环形状，比如椭圆形，如图6中的2所示。该轨道可为水平的或安装在垂直方向中。在一个实施例中，该轨道升高到水位以上，比如支撑在桥塔上或由顶部结构（比如桥梁）支撑。叶片安装在叶片组件上，相对于轨道的线性部分具有固定的桨距角。此处所使用的术语“桨距角”与水流内的翼型的冲角同义。图7中示意性示出了叶片在组件上的运动和叶片相对于轨道的桨距角。在图7中，示出了叶片100沿运动120方向（即沿逆时针方向）围绕椭圆形闭环轨道80移动。
从上方看时，本发明的闭环轨道可具有多种形状，但是轨道最简单的形式为细长和线性椭圆形（见图6中的2）。本发明出于设计考虑，通常要求轨道的至少一部分是笔直的并且与水流垂直。通过使得至少一部分与水流垂直，叶片最小化地暴露在水中，以便从水流的动能中获得能量。
除了椭圆形，也能够具有其他轨道设计，并且该设计最好取决于水路的性质。比如，如果拐角附近的叶片组件的速度需要更低的话，图6中4所示的哑铃形状在某些情况下可有利。在端部具有更大半径的轨道可降低拐角处叶片组件上的离心力，这会增大切出速度，在该速度下，该装置在更高的水流速度下也不会产生有用的动力。因此，增大切出速度会增大本发明的设备能够产生有用的动力的速度范围。
在另一实施例中，轨道可通过轨道前导部分上的与水流方向垂直的第一线性部分以及轨道曳尾部分上的与水流垂直的第二线性部分限制基本上椭圆形的闭环路径。如果叶片在这两个线性部分上具有相等的提升力，那么该配置的优点在于理论上将Betz限制增大到16/25。
本发明中所使用的术语“轨道”表示刚性结构，沿着上述的路径行进。在一种意义上，该轨道提供克服来自于水流流动的法向力而支撑叶片的刚性。该轨道也包括至少一个承载导轨，所述承载导轨提供刚性，支撑叶片组件的重量，并且克服来自水流的压力而支撑叶片组件。这种导轨可称为承载。图1a到1d中示出了轨道实施例的各种视图。
在一个实施例中，轨道可具有双导轨，如图1a中所示。该视图示出了轨道8具有两个共面的同心导轨，即，外导轨10和内导轨12。导轨基本位于相同的平面上，但是在轨道的拐角区域内可呈堤状（banked）。通过使导轨成堤状，降低拐角处的离心力，这增大了叶片的切出速度。图1a中所示的轨道通过曳尾线性部分124和与水流110垂直的前导轨道部分122限制基本上椭圆形的路径。另外，图1a示出了横向支撑结构18和竖直支架20，该支架从下面支撑轨道设备。比如，支架20可锚固在运河的底部。
在另一实施例中，可从上方支撑该轨道。比如，如图1c中所示，可支撑轨道，其中支架20位于轨道8上方。在该实施例中，可由桥梁或顶部桁架结构支撑该设备。比如，该轨道可由顶部结构支撑，比如桥梁或跨越水路的桁架。
图1b中示出了轨道配置的另一实施例，示出了两个互相间隔开的平行导轨。如图1b中所示，具有上导轨22和直接支撑在上导轨下面的下导轨24。另外，在图1b中示出了轨道支架18和设备支架20。图1b包括支撑叶片100的叶片组件30和导轨系统连接器32的实例。实际上，在该设备中可能具有多个叶片组件。图1b示出了动力获取方法，包括通过连接器44连接到叶片组件30的传输带46以及位于轨道的每个端部处的滑轮50。在轨道上推进叶片时，连接至传输带的叶片组件移动，并且传输带使滑轮转动。位于至少一个滑轮的中心处的轴52连接至产生电力的固定发电机54（未显示）。将动力从传输带输送到发电机轴的滑轮在此也称为“大齿轮（bullwheel）”。
图1b中示出的动力获取方法使用的力传输装置可包括连接到每个叶片组件的缆线、传输带或链条。传输带可为同步带。在一个实施例中，叶片组件具有用于将叶片组件固定至缆线的夹具，如图4中的指示62所示。力传输装置与叶片组件协力地移动。力传输装置驱动大齿轮，该大齿轮将本发明设备的动力转换为旋转动力。旋转动力具有多种用途，比如转动发电机的电枢进行发电，或驱动水泵。
在图1b和1c的改进的实施例中，示出了旋转式发电机，可装备一个以上的发电机。比如，如图1c中所示，可具有两个发电机。在具有两个发电机的情况下，例如，如果电力需求或水流不充足，那么比如可切断其中一个发电机中。通过在该设备中使用其他大齿轮，可提供其他发电机。比如，图1c中所示的实施例在轨道的中心处具有第三大齿轮，可用于驱动发电机。
如图1b中所示，互相间隔开的平行导轨轨道定向为与水流垂直且与水路的表面平行。在该所示的实施例中，叶片竖直地定向。在另一实施例中，轨道可处于竖直定向中，与水路的表面不平行。在该定向下，叶片将水平定向。而且，在该替换中，轨道最可能设计为完全浸没水中。
图1c示出了与图1a相似的轨道变体，具有两个基本上共面的同心导轨、以及传输带和大齿轮动力获取设备，如图1b中所示。图1c也示出了水位线28，在一个实例中，轨道设备悬挂（从上面）在水路的上面和外面。比如，从河流（该河流包含轨道8）的上的桥梁中悬挂轨道。叶片组件30上的叶片100围绕该轨道的运动提供动力。叶片组件30连接到传输带46，该传输带使大齿轮50转动。图1c中示出了三个大齿轮。大齿轮50驱动轴52，该轴使发电机54转动以产生电力。
图1c中的虚线28示出了在轨道8支撑在水外的近似水位线。箭头29示出了水流的方向，与轨道的线性部分垂直。
图1d为与图1a的配置相似的轨道，但是具有线性发电机动力实施例，示出了插在导轨之间的线圈40（下面进行讨论）。也示出了具有固定到其中的叶片100的叶片组件30。
另一轨道实施例为单轨（未显示）。市场上可购买到用于机械装置的工业单轨，比如THK（www.thk.com）的线性运动装置提供单轨和引导系统。
在一些实施例中，可将轨道设计为整个浸没在水流内。或者，可将轨道设计为支撑在水流的上方，将叶片配置为从轨道延伸到水内。
本发明的叶片组件需要合适的导轨系统连接件，以便将组件保持在轨道上，并且还支撑至少一个翼型叶片。图2-4中示出了叶片组件的代表性实例。在一个实施例中，如图2中所示，示出了可与图1a中所示的轨道实施例结合使用的叶片组件。图2a和2b示出了相同的设备，其中图2a为透视图，图2b为横截面图。该实施例阐述了叶片组件主体30和与导轨10和12相互作用的导轨系统连接件32。叶片组件主体30也支撑叶片100（为了简便起见在图2中省略）。示出了作为叶片组件30整体部分的导轨系统连接件32具有与导轨相互作用的辊38（三组），所述辊保持所述叶片组件牢固地附着至导轨，但仍允许叶片组件沿着导轨自由地滚动（roll）。另外，图2中示出了动力实施例，其中每个叶片组件携带发电机34（为了简便起见在图2a中省略），发电机通过轴35由机构32内的一组导向轮38驱动。这样产生的电力由电极36从叶片组件输送到导电导轨14。所显示的导电导轨14为非承载式。导电导轨反过来必须与耗电装置电连通。实际上，这可包括具有电力负载的任何装置，并且可包括电压和交流调节器。
本发明中的叶片组件支撑至少一个翼型叶片。在各个实施例中，叶片组件可具有两个或两个以上的叶片。
在图3中示出了另一叶片组件实施例。图3为引导组件的正视图，示出了与图2中的实施例相似的实施例，具有包含三组辊的导轨系统连接件，所述辊用于将叶片组件牢固地保持在轨道上，但仍允许叶片组件自由滚动。在图3中所示的实施例中，动力获取方法包括连接到叶片组件30的传输带46（在图1b和1c中也以立体图示出）。因此，当水作用在翼型叶片上产生了净切向提升力并且沿着轨道推进叶片时，叶片组件迫使传输带移动并且转动滑轮或大齿轮50。大齿轮轴52可连接至发电机54，以便产生电力，如图1c中所示。或者，大齿轮轴可用于驱动水泵或某个其他旋转式动力装置。
在导轨系统连接件的其他实施例中，具有至少一个轮子、滑轮或轴承，所述轮子、滑轮或轴承适合于在轨道的导轨上滚动并且将叶片组件牢固地保持在轨道上。比如，如图2和图3中所示，一组辊轮将叶片组件连接至轨道。如图2和图3中所示，至少两个轮子、滑轮或轴承适合于在轨道上在不同轴上滚动。导轨系统连接件不限于轮子、滑轮或轴承，并且可包括用于将叶片组件牢固地连接至轨道的滑动装置。比如，在另一实施例中，叶片组件可装有在轨道上滑动的滑行器（skid）。两个滑行器可适合于在轨道上的不同轴上滑动，以便将叶片组件牢固地保持在轨道上。
图4和图5示出了另一轨道和叶片组件实施例。在该实施例中，图5中所示的轨道包括两组平行的导轨，其中第一组的两个同心导轨22a和22b互相间隔开且与第二组的两个其他同心导轨24a和24b平行。第二组导轨24直接位于第一组导轨22的下面。在叶片组件101的顶部和底部处，图4中所示的叶片组件101上的每个滑轮式辊64介于同心导轨如22a和22b（图4中未显示）之间。还示出了通过缆线夹具62连接至叶片组件101的缆线60。当围绕轨道和滑轮推进叶片100时，叶片组件迫使缆线协力地移动。缆线驱动大齿轮50，该大齿轮又驱动轴52，所述轴52可使发电机（未显示）的电枢转动。支撑托架51支撑大齿轮设备。
虽然图5示出了轨道设备沿水平方向定向，但是在另一实施例中，该轨道可沿竖直方向定向。
如上所述，本发明中可能具有从叶片在水中的运动中产生电力的多种方法。在图2中所示的一个实施例中，每个叶片组件携带发电机，通过轨道上的叶片组件的运动使得该发电机转动。另一个实施例（图1b、1c、3、4和5）是由叶片的运动所驱动的缆线、传输带或链条，所述缆线、传输带或链条使得转动发电机的大齿轮滑轮转动。另一实施例为线性发电机（图1d），其中，轨道上的导轨之间的线圈从固定至每个叶片组件的永磁体的运动中产生电力。
在线性发电机实施例中，每个叶片组件可具有固定至其上的永磁体，并且该轨道可包含一系列线圈（图1d中的40），以使得叶片组件中磁体在感应线圈上的运动产生电力。感应发电机线圈布置在轨道上，并且通过固态开关（未显示）共同连接到共用母线（未显示），以便能够提取电源。每个线圈可具有固态开关（未显示），通过近程式传感器（未示出）（非限制性实例包括霍尔效应开关、磁簧开关以及诸如LDR的光敏晶体管等等）可启动该固态开关。在替换实施例中，沿着轨道的长度可具有一系列永磁体，并且叶片组件携带线圈以及从该设备中输送动力的方法，比如导电导轨，比如图2a或2b中的14。
叶片组件可携带永磁体（可移动的磁体设计）或铁芯电磁体（在支架上发电的设计）或铁电枢。独立电磁组件或由永磁体隔开的电磁组件与上述相反地安装，并且这些电磁组件固定。而且，所有线圈不必是相同的，并且取决于它们在轨道上的物理位置，可优化其设计。通过任何合适的并且可容易得到的固态切换装置可将一组这样的线圈切换为有效的电气路径（电路）。实例包括但不限于闸流晶体管、晶体管或固态继电器。
在上面的实施例中，在叶片上产生电力时，叶片的运动可彼此独立，或者可成组地移动。在一个实施例中，多个叶片组件不操作性地彼此连接，并且每个叶片组件可独立于任何其他的叶片组件移动，其中通过线性发电机和相关的电子控制可控制每个叶片组件的位置。
缆线和大齿轮实施例的优点在于，轨道可连同缆线和大齿轮浸没在水流内，这对于每个叶片组件上的发电机或线性发电机实施例来说要困难些。本发明的缆线部分可具有其他实施例，比如传输带或链条。
在本发明的动力实施例中，围绕轨道移动的叶片的机械动力用于抽水，而不产生电力。比如，轴52可驱动叶轮水泵而非发电机。该实施例对偏远地区的灌溉系统非常有用，期望所述灌溉系统向上抽水，并且电动系统不实用。在另一实施例中，在外部能量需求低时，可将水抽入到更高海拔处的池塘或湖内，并且当能量需求更高时，可讲储存在更高海拔的湖或池塘处的水释放出来。
区分本发明与具有相似的总配置的现有技术装置的一个重要方面在于，本发明HKECS设备的叶片产生提升力，该提升力大大增大其效率。当移动的叶片与叶片上的流体运动的水相互作用时，是空气（流体）动力性能使得提升分量超过拖曳分量。相反，大部分现有技术的水力获取装置都是拖曳装置。比如，传统水轮或美国专利号7075191中所公开的设备（在水实施例中）仅为拖曳装置。
提升装置的一个重要方面在于，叶片的速度比水流的速度更快，至少快1.5倍，可能高达8倍。优选地，叶片速度比水流速度快2-6倍。相反，在拖曳推进的装置中，叶片速度比水流速度慢。叶片速度与水速的比率可表示为：
λ=U/V
其中U为叶片速度或速率，V为水流速度或速率。因此本发明的λ因数的范围在大约1.5到大约8.0之间，优选地在大约2.0到6.0之间。由于低效设计或高冲角导致更低的λ因数（小于2）会降低效率。更高的λ因数由翼型叶片的切出速度限制，该速度由该设备上的机械限制决定，比如最大的安全操作速度和非常低的冲角造成的更低效率。
为了使本发明装置上的叶片产生净提升力，所述叶片必须具有适当的翼状外形、翼型横截面和桨距角（冲角）。通常，翼型叶片具有翼弦、上下外倾角以及前导边缘和拖曳边缘。翼型具有通常为流线型的二维横截面，但是具有指定的坐标、斜率、曲率和曲率变化率的精确几何体。比如，NACAxxxx翼型接近五次曲线和前导边缘半径。实际上，标准翼型形状需要改进，用于提高的水性能。适当设计的翼型穿过流体媒质，比如空气或水，产生空气动力，其中与相关流体运动的方向垂直的提升力分量比拖曳分量大得多。在本发明中，该空气动力以比流体速度更大的速度推进轨道上的叶片。
在一些实施例中，叶片可装有端板或小翼，这提高了叶片在水内的气动特性（净提升力）。在图1c和1d中由104表示。
本发明的设备内的翼型叶片基本上在与水流垂直的线性路径上移动。因此，叶片可具有对称的翼型形状，以便在椭圆形闭环轨道的两个支腿上产生提升力，其中相对于相同的水流叶片沿相反的方向移动。在一些实施例中，对于叶片的整个长度，叶片可具有一致的翼型横截面和翼弦。在其他实施例中，翼弦和横截面在叶片的长度上可变化。
叶片的长度与翼弦的比率为纵横比。通常，使用更大的纵横比具有空气动力的优点，因为具有更大纵横比的翼型具有更低的感应拖曳力。在一个实施例中，本发明的HKECS设备的叶片在叶尖处携带合适尺寸和形状的板（称为端板、护罩或小翼），以便消除感应拖曳力。
本发明的辅助空气动力特征在于基于轨道上使用的叶片的数量的刚度。刚度为无因次因数，由下列等式给出
σ=(N·C)/R
其中，刚度为σ，N为叶片的数量，C为叶片翼弦，R为圆形旋转磨机的轨道半径，或者对于直线路径L来说，
σ=(N·C)/L
应为指定的翼型选择叶片翼弦C以使得雷诺数Re至少为1,000,000，
Re=(V·C)/v
其中V为相对于叶片的平均流体速度，C为翼弦，v为运动粘度。只要在结构上可行，叶片的长度足够大，其具有优化流体动力效率的不等弦和端板的形状。
动力产生效率Cp为σ和λ的函数，因此对于任何指定的λ均具有最佳的σ，其使得能量最大化地转换为机械形式。该计算可用于针对给定的流速和水河道宽度优化叶片的数量。
与现有技术中HAWT水力涡轮机设计相比，本发明设计的另一优点在于，翼型叶片具有一致的表面区域，暴露在任何指定的水深中。这较为重要，因为各种深度具有不同的水流速度。从流体动力学中已知，越接近水河道壁水流越慢，包括河流的河堤和河底。刚好位于表面下面的水河道的中心处的水流最快。因此在河流或运河中，在河道的中心中水流最快，并且最多的动能可利用。与HAWT-基涡轮机设计相比，本发明装置能够更好地获取该更快的水流。
本发明中可使用的另一特征为起动机设备的使用，能够启动轨道上的叶片的运动，因为在一些实施例中，启动水流速比正常操作的水流速高。换句话说，在没有初始加速度以启动运动的情况下，叶片不会开始运动（以提升的模式进行操作）。比如，通过与该设备结合使用萨伏纽斯（Savonius）转子或螺旋式旋转磨机来启动叶片在轨道上的运动可解决该问题。可选择具有启动速度低和优先离合器的萨伏纽斯转子或螺旋式旋转磨机。如果在叶片开始运动后具有充足的水流，那么只要水流速度保持高于切入速度，叶片就会继续在轨道上移动。该切入速度为水流速度，低于该速度时，设备的叶片不再具有净切向提升力，并且停止在轨道上的移动。
或者，启动设备可包括小型电池驱动电机，该电机连接至输送带或缆线，可用于以提升的模式启动叶片的运动。在另一替换中，对于旋转式或线性发电机，电池可用于给发电机提供动力以用作用以启动设备的电机。通过正常的发电活动，可给电池重新充电。

Claims (46)

1.一种线性流体动力能量转换设备，包括：
a.基本上非圆形闭环轨道，包括基本线性部分，所述线性部分定位成与水路内的水流方向垂直，其中所述轨道包括至少一个导轨；
b.至少一个叶片组件，适合于在所述轨道的整个长度上移动，其中所述至少一个叶片组件包括至少一个导轨系统连接件和至少一个翼型叶片，所述导轨系统连接件适合于将所述至少一个叶片组件牢固连接至所述轨道，其中所述至少一个翼型叶片的一部分至少部分地浸没在水流内且适合于响应于水流线性地移动；
c.所述至少一个翼型叶片具有翼型横截面轮廓和桨距角，以使作用在所述翼型上的力处于所述至少一个翼型叶片的运动方向，所述力来自于提升力的切向分量与拖曳力的切向分量的差异，并且所述力响应于所述水路内的水流沿着所述轨道推动所述至少一个叶片组件；以及
d.动力产生装置，与所述轨道上的所述至少一个翼型叶片的运动力操作地相关联，其中所产生的动力选自旋转动力和发电。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道通过与水流方向垂直的线性部分限制基本上椭圆形的路径。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道通过所述轨道的前导部分上的第一线性部分和所述轨道的曳尾部分上的第二线性部分限制基本上椭圆形的路径，所述第一线性部分与水流方向垂直，所述第二线性部分与水流垂直。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道的形状在至少一端处具有扩大的半径形状。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道从下方或上方选择性地被支撑。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道未浸没在所述水路内，并且所述至少一个翼型叶片适合于充分地浸没在所述水路内，以便为所述设备提供动力。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道的线性部分定向为与水流垂直且与所述水路的表面平行。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道的线性部分定向为与水流垂直且与所述水路的表面不平行。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道包括单个承载导轨。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述单个导轨被构造成使得任何叶片组件在拐角处呈堤状。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轨道包括两个或两个以上承载导轨。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述轨道包括四个承载导轨。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述轨道在近似相同的水平面上包括至少两个同心导轨。
14.根据权利要求13所述的设备，进一步包括所述轨道中位于所述轨道的拐角处的堤部。
15.根据权利要求11所述的设备，其中，所述轨道包括至少两个互相间隔开的平行导轨，其中第一导轨系统连接件连接到至少一个导轨，第二导轨系统连接件连接到第二平行导轨。
16.根据权利要求15所述的设备，包括第一组的两个同心导轨，所述两个同心导轨互相间隔开且与第二组的两个同心导轨平行。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述动力产生装置包括选自旋转式发电机和水泵的旋转式动力装置，与所述轨道上所述至少一个翼型叶片的运动操作地相关联。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述电力产生装置包括：
a.线性力传输装置，选自缆线、传输带以及链条，其中所述力传输装置连接到至少一个叶片组件，其中充足的滑轮支撑且引导所述力传输装置；以及
b.由所述力传输装置驱动的至少一个大齿轮，其中，所述大齿轮的轴驱动旋转式发电机。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述轨道、所述至少一个叶片组件、所述至少一个叶片以及所述发电机均浸没在水流内。
20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述动力产生装置包括：
a.安装在每个叶片组件上的发电机，其中，所述发电机由轴驱动，所述轴适合于响应于所述组件在所述轨道上的运动进行旋转；
b.所述轨道上的导电导轨以及与所述导电导轨电接触的每个叶片组件上的电极；以及
c.电缆，连接到所述导电导轨，用于向电力负载导电。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述导电导轨为附加的非承载导轨。
22.根据权利要求1所述的设备，其中，所述动力产生装置包括线性发电机，其中每个叶片组件具有安装在其上的永磁体，并且所述轨道进一步包括一系列电线圈，其中所述磁体在所述叶片组件上的运动产生连接到电力负载的电力。
23.根据权利要求1所述的设备，其中，所述动力产生装置包括线性发电机，其中每个叶片组件具有安装在其上的线圈，并且所述轨道进一步包括一系列永磁体，其中所述线圈在所述叶片组件上的提升推进运动产生连接到电力负载的电力。
24.根据权利要求1所述的设备，包括多个叶片组件。
25.根据权利要求1所述的设备，其中，每个叶片组件包括两个或两个以上叶片。
26.根据权利要求1所述的设备，包括多个叶片组件，其中，所述多个叶片组件不彼此操作地连接，并且每个叶片组件可独立于任何其他的叶片组件移动，其中，通过线性发电机和相关的电子控制能够控制每个叶片组件的位置。
27.根据权利要求1所述的设备，其中，所述导轨系统连接件具有至少一个轮子、滑轮或轴承，适合于在所述轨道的导轨上滚动，并且将所述至少一个叶片组件牢固地连接在所述轨道上。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述导轨系统连接件具有至少两个轮子、滑轮或轴承，适合于在所述轨道上在不同的轴线中滚动。
29.根据权利要求1所述的设备，其中，所述导轨系统连接件在所述轨道上滑动。
30.根据权利要求29所述的设备，其中，所述导轨系统连接件具有至少两个滑行器，适合于在所述轨道上的不同的轴线上滑动。
31.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个翼型叶片处于竖直定向，并且所述至少一个翼型叶片的底部至少部分浸没在水流内。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，每个翼型叶片完全浸没在水路内。
33.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个翼型叶片处于水平定向，所述轨道处于竖直定向且所述轨道完全浸没在水流内。
34.根据权利要求1所述的设备，其中，每个翼型叶片的结构选自端板和小翼，适合于增大叶片在水内的提升力。
35.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个翼型叶片的翼型横截面沿着所述叶片的整个长度对称。
36.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个翼型叶片对于所述叶片的整个长度具有相同的翼弦和横截面。
37.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个翼型叶片具有在所述叶片的长度上变化的翼弦和横截面。
38.根据权利要求1所述的设备，其中，通过下列等式计算叶片速度与水流内水流的速度的比率λ：
λ=U/V
其中U为叶片在所述轨道上的线性速度，V为水流内水流的速度，其中λ的范围在大约1.5到大约8.0之间。
39.根据权利要求38所述的设备，其中λ在大约1.8到大约6.0之间。
40.根据权利要求38所述的设备，其中λ在大约2.0到大约5.0之间。
41.根据权利要求38所述的设备，其中λ在大约2.0到3.0之间。
42.根据权利要求38所述的设备，其中λ为大约4.0。
43.根据权利要求38所述的设备，其中λ为大约6.0。
44.一种线性流体动力能量转换设备，包括：
a.基本上非圆形闭环轨道，包括基本线性部分，所述线性部分定位成与水路内的水流方向垂直，其中所述轨道包括至少两个互相间隔开的平行导轨；
b.至少一个叶片组件，适合于在所述轨道的整个长度上移动，其中所述至少一个叶片组件包括至少一个翼型叶片，其中所述至少一个翼型叶片的一部分至少部分浸没在水流内且适合于响应于水流线性地移动，并且所述至少一个叶片组件进一步包括至少两个导轨系统连接件，其中第一导轨系统连接件连接到至少一个导轨且第二导轨系统连接件连接到第二平行导轨，
c.所述至少一个翼型叶片具有翼型横截面轮廓和桨距角，以使作用在所述至少一个翼型叶片的翼型上的力处于所述至少一个翼型叶片的运动方向，所述力来自于提升力的切向分量与拖曳力的切向分量的差异，并且所述力响应于所述水路内的水流沿着所述轨道推动所述至少一个叶片组件；以及
d.旋转式动力产生装置，与所述轨道上的所述至少一个叶片的运动力操作地相关联，包括线性力传输装置，选自缆线、传输带以及链条，其中所述力传输装置连接到所述至少一个叶片组件；以及由所述力传输装置驱动的至少一个大齿轮，其中所述大齿轮的轴驱动选自发电机和水泵的旋转式动力装置。
45.一种产生动力的方法，包括：
a.基本上非圆形闭环轨道，包括基本线性部分，所述线线部分定位成与水路内的水流方向垂直，其中所述轨道包括至少一个导轨；
b.至少一个叶片组件，适合于在轨道的整个长度上移动，其中所述至少一个叶片组件包括至少一个导轨系统连接件和至少一个翼型叶片，所述至少一个导轨系统连接件适合于将所述至少一个叶片组件牢固连接到所述轨道，所述至少一个翼型叶片的一部分至少部分浸没在水流内且适合于响应于水流线性地移动；
c.所述至少一个翼型叶片具有翼型横截面轮廓和桨距角，以使作用在所述翼型上的力处于所述至少一个翼型叶片的运动方向，所述力来自于提升力的切向分量与拖曳力的切向分量的差异，并且所述力响应于所述水路内的水流沿着所述轨道推动所述至少一个叶片组件；以及
d.动力产生装置，与所述轨道上的所述至少一个翼型叶片的运动力操作地相关联，其中所产生的动力选自旋转动力和电力产生。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所产生的动力为旋转动力，所述旋转动力驱动选自发电机和水泵的装置。
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