CN103429871A - 重力发电厂技术 - Google Patents

Abstract

公开了一种装置、系统和方法，在一方面，通过允许具有重质量的物体自由下落以利用由其产生的能量和输出而将由重力所做的功最大化，而在另一方面，通过由另一相近的质量平衡该重质量来将效率最大化，这样只有所述两个质量之间的净差值需要通过输入动力机制来做功，以便沿重力方向或其它方向提升已经下落的物体使其向上回到其初始位置，从而重复以上循环。以同步串联的方式使用多个这种单元，以便维持连接高输出发电机的齿轮/飞轮/轴的稳定转速(RPM)。此外，公开了进一步提高系统效率的辅助能量产生机制。

Description

重力发电厂技术

技术领域

本发明涉及利用重力的领域，以及涉及通过将重力转换成其它形式的能量和/或功所做的功转换。更具体地，本发明涉及通过单独地利用重力或与其它形式的(可再生或不可再生)能源相结合地利用重力来产生电能，其特别注重资源经济性，将污染和外部性(externalities)最小化。

背景技术

工业革命从根本上影响人类生活的几乎每一方面，且追求成熟和进步，人类对其的依赖性不仅发生了偏移，而且以指数级增加。当今由人类创造的机器已经支配人类的生活-人类的家庭、商业、交通运输、农业产出、粮食加工、战争、经济，并且决定人类未来的品质。由于所有的机器需要电力(能量)来处理它们的输入，因此电力需求也以指数级增加，且当今能够产生足够电力的能力是决定国家在国际经济和政治舞台上高度的关键因素之一。直到最近的几十年来，关注焦点一直集中在对传统的不可再生资源(化石燃料，诸如煤、石油，以及天然气，还有后期的诸如来自放射性铀的核电类型，以及某些地下蓄水层)上以满足电力需求。但是，我们的电厂和加热-冷却-蒸解-燃烧的做法在当今产生比我们对于保持稳定气候可容忍的限度更多的温室气体。国际气候科学界告诫我们要大幅地削减我们的碳排放量。此外，我们现在正在接近石油和天然气生产的巅峰，其中已经使用了已知的全球供应总量的一半，会迎来价格的稳步上升；以及“清洁煤”、“可持续生物质”、“安全核能”和其它类似的陈词滥调似乎仅仅是幻想。由国际科学界引述的对于我们的能源未来而言剩下的唯一选择是“可再生能源”-水力发电、地热、生物质、太阳能热利用、太阳能发电、风力、潮汐、海浪、海洋热梯度，以及新颖的非常规技术，诸如真空(零点)能量、低温非放射性核反应(“冷”核聚变)，和先进的氢水化学(hydrogen andwater chemistries)。

现有的不可再生能源和可再生能源发电技术以及它们对全球能源的贡献大约是这样的：不可再生能源(93％)以及可再生能源(7％)；其中不可再生能源(93％)包括：1.石油燃料的燃烧(39％)；2.天然气的燃烧(24％)；3.煤及其衍生物的燃烧(24％)；4.从石油、天然气或煤衍生的氢；5.高放射性的基于铀和钚裂变的核反应堆(5％)；6.“热核聚变”(7％)；而可再生能源(7％)包括：7.基于风力的发电系统(0.2％)；8.基于太阳能的加热和发电系统(0.1％)；9.基于地热的加热和发电系统(0.4％)；10.生物燃料(乙醇和生物柴油)(1％)；11.生物质燃烧(主要是术屑)(2％)；12.燃料电池；13.废物厌氧消化成生物气；14.传统的水力发电机(3％)。

在很大程度上仍尚未开发的另一种可再生资源是重力，其是清洁的、免费的和无处不在的。利用重力的多项实验和发明形成与电力行业相关文献的一部分。然而，许多发明者采取的共同做法是建立利用重力发电的自我维持的机器-这可能在理论上似乎是可行的，但实践并非如此-尤其是在产生大量电力以便获取来运行其它机器/设备的背景下。这主要是由于下述事实造成的：通过重力在给定的(自我维持)机器上所做的功仅足以维持其本身，因此指望额外的发电是不现实的。例如在US20090115195中，重力发电机制试图通过运行倾向于仅在一侧上向外伸展的一系列单方向摆动臂来运行发电单元，随着所述摆动臂绕所述单元运转来产生较大的正扭矩(据称是是由于在一侧上向外伸展的臂所导致的)，其将推动和维持该单元的连续旋转运动。然而，这在实践中是不成立的，其原因在于更多数量的折叠臂在相对侧上聚集且抵消了由较少的向外伸展臂所产生的正扭矩。在印度专利207600(649/MUM/2004)中，所要求保护的设备试图利用重力作用于通过绳索和滑轮悬吊的下落物体上来使得飞轮(据称存储旋转动能)旋转；以及据称飞轮旋转又使得(已经下落)的物体向上提升；据称所述配重的交替向上-向下运动的该循环用于使得发电机轴旋转来发电。这对于有效发电而言同样不是一种可持续维持的设计，其原因在于其违背了热力学第二定律，该热力学第二定律声明，在系统中的一些能量总会损失(包括在传动过程中)，因此一台机器不能产生多于其所使用的能量，或者甚至不能产生足以维持其自身无限运行的能量。

因此，必须采用外力来维持由机器(尤其是使用重力的机器)所做的额外功。因此，在US6445078中，升高的水池加注多个容器，所述容器在水重量的作用下向下行进，这种“受控”的受重力作用的运动用于驱动发电机，而所述容器在向下到达之后由专设的动力机制来清空且向上运载返回。在US5905312中也应用类似的理念，即其中来自升高的水池的水或其它流体流入二级水池，所述二级水池在重力的作用下沿受控的向下路径滑移且清空到另一底部水池。利用该向下重力所导致的运动在齿轮的协助下使得发电机轴旋转。由所述二级水池清空的水由专设的动力泵泵送回到升高的水池内。然而，在这些系统中，向下运动是“受控的”而不是自由下落，因此不能利用通过重力在负载上所做的全部功，这直接影响所述系统的效率。此外，包括用于将水加注到每个容器/水池内所花费的时间、将水/流体送回到水池的速度、以及每个容器/水池的最大可行尺寸等的因素限制了该装置的可扩展性，且对于非常高的发电需求(诸如给城镇居民供电或甚至给相当大的工业设施供电的那些需求)而言是不理想的。在US8011182、US20110179784和US20110162356中，重力作用于紧固到链或皮带上的一系列桶上，所述桶由于它们的质量/重量(重力)而在液体介质中下降。一旦桶到达底部，则使得它们充满气体或其它更轻的流体/介质，上述气体或其它更轻的流体/介质使得桶具有从而导致桶上升(向上)，而在桶到达顶部之后，使得气体从桶释放出来。利用这种循环的向上-向下运动来使得发电机轴运转来产生电力。在此同样地，下降速度、以及用于将气体再加注到每个桶内的速率、桶的最大可行尺寸、以及由此可产生的扭矩等限制该发明的可扩展性，其不能用于高发电需求。

因此从现有技术(多项发明)清楚的是，迄今位置基于重力的模型还没有能够满足较大规模的或甚至中等规模的电力需求。重力针对可行解决方案提供了满足迫切的以及长期需求的一种途径，该可行技术方案安全且可持续，其可尤其以非常大的规模来有效地利用重力以及有效地将由重力所做的功转换成其它形式的能量，尤其是电能，其中重力是免费的、持久不断的、无处不在的、生态安全的、且最重要的是-直接成比例于所关注物体的质量产出(这预示显著的效率)，且不受气候、季节、天气、风、阳光、潮汐、雨水、地理资源或其它资源等的影响。

本发明人已经研发出一种装置、系统和方法，上述装置、系统和方法可有效地利用重力且有效地将由重力所做的功转换成其它形式的能量，尤其是电能，其是多用途的且在其可扩展性方面几乎不受限制。

发明内容

因此，本发明的主要目的是以经济的、生态友好的和安全的方式来有效地利用由重力所做的功，以及有效地将由重力所做的功转换成其它形式的能量和/或功，更具体地是转换成电能。

本发明的另一个主要目的是将所述装置、系统和方法设计和实施成利用和转换重力以便产生较大规模、中度规模和较小规模的电力，由此可扩展性方面几乎不受限制，且在任意地方和一年中的任何时间都适用。

本发明的另一个主要目的是增强利用重力能量的有效性。

本发明的另一个主要目的是提高将重力能量转换成其它形式的能量、尤其是电能的效率。

本发明的另一个主要目的是允许重质量在重力的作用下自由下落，以便增加可利用和转换的所做的总功；以及使得通过平衡装置来控制其下落以及使得所述重质量向上提升返回，从而被提升的净重量是两者(即重质量和平衡装置的重量)之间的差值，从而提高了系统的效率。

本发明的另一个目的是最优化所采用单元的数量，以及具有重质量的一个或多个物体自由下落的距离和速度，由此在任意给定单元内的主配重或平衡配重的向上或向下的运动是无动力(passive)的，且完全由重力单独地驱动，从而获得最小的输入功率以及最高的效率。

本发明的另一个目的是在重力发电系统中提供辅助的发电机制，以便提高发电的总输出，从而提高系统效率。

因此根据本发明，提供一种装置、系统和方法，在一方面，通过允许具有重质量的物体自由下落以利用由其产生的能量和输出而将由重力所做的功最大化，而在另一方面，通过由另一相近的质量平衡该重质量来将效率最大化，这样只有所述两个质量之间的净差值需要通过输入动力机制来做功，以便沿重力方向或其它方向提升已经下落的物体使其向上回到其初始位置，从而重复以上循环。以同步串联(synchronized tandem)的方式使用多个这种单元，以便维持连接高输出发电机的齿轮/飞轮/轴的稳定转速RPM。此外，本发明还设想利用本领域内已知的辅助能量产生机制来进一步提高系统的效率；每一这样的单元包括：

(i)中空垂直通道，其竖立在地平面以上，沿其内壁设有至少两根导轨，主配重(ii)通过所述中空垂直通道，所述主配重(ii)包括：称为“头部”的上部组件(ii)(a)，其由具有合适质量和密度的材料制成，优选由钛制成，优选相应于通道的横截面来成形，且在其周边设有一种装置，所述装置与所述垂直通道的所述导轨的形状相符，且滑动通过所述垂直通道的所述导轨并沿着所述垂直通道的所述导轨；以及作为垂直轴的下部组件(ii)(b)，其由具有合适质量和密度的材料制成，优选由钛制成，其支承着至少位于其长度一侧上的多个齿，所述齿与主齿轮(iii)啮合，所述主齿轮依次直接地或通过飞轮和/或一个或多个二级齿轮使得发电机的水平轴(iv)旋转，所述垂直轴随着主配重由于重力的下落而向下运动。所述主齿轮构造成类似飞轮，以便当所述垂直轴向下运动时允许发电机的所述水平轴的双向啮合以及单向旋转。

(a)所述主配重的所述上部组件(ii)(a)优选为(但不限于)圆柱形、或椭圆柱形、四角棱柱形或其它这样的形状，其与所述中空垂直通道相对应且取决于项目的特定要求。例如，当项目适合其中使用非常重且大的配重的大规模发电的情况下，优选使用圆柱形、椭圆柱形或四角棱柱形的形状，以便容纳用于悬吊所述配重的较大数量的绳索。由于上述主配重在重力的作用下进行向下的自由下落，其上部组件或头部到达中空垂直通道的底部，在该处在减速/停止装置(v)的协助下其上部组件或头部逐渐停止，所述减速/停止装置(v)包括但不局限于下述的一个或多个：气囊、空气推顶器(Air Pusher)、弹簧、制动器、电磁铁、施加楞次力的装置、平衡配重在另一侧上的相反运动；以及作为所述主配重的下部组件的垂直轴进入到垂直的地下中空管(vi)内。

所述配重由来自滑轮系统(viii)的绳索(vii)悬吊，其中所述绳索的另一端附连到平衡配重(ix)上，所述平衡配重(ix)安装到升降装置(x)上，这样所述升降装置(连同所述平衡配重)被悬吊以便在平行于所述中空垂直通道竖立的垂直框架(xi)内向上和向下滑动，这样主配重的运动方向与平衡配重的运动方向是相反的，取决于本发明给定的实施例/变体/变型的设计，所述平衡配重的重量可与主配重的重量相同，或略重于或轻于主配重。

对主配重进行平衡的平衡配重安装到动力升降系统上以便以预定的速度携载该平衡配重向上和向下运动以便与主配重的下落同步，这样可保持发电机水平轴的转数恒定。在每一单元内的所述绳索在滑轮系统上运行；每一系统包括多排滑轮，其设计成提供辅助发电，以便允许安装线圈/磁铁来产生电力。

主配重和平衡配重的向上和向下运动的同步在传感器和信号装置(xii)的协助下执行，以便同步以及控制平衡配重的速度，从而同步以及控制一个或多个单元内的主配重的速度，进而维持发电机轴的稳定转速RPM。

附图说明

图1：示意性地示出两个单元及其组成部分，其中以同步串联的方式，一个单元的主配重处于其自由下落/下降阶段，而另一单元的主配重处于升起阶段。

图2：以透视图示出适于三个单元及其相应组成部分的总体布局。

图3：示出当主配重下降到中空垂直通道的底部同时减速和停止装置作用于其上时的主要集中在主配重上的放大图。

图4：以透视图示出悬吊平衡配重的滑轮和绳索系统以及升降装置(以及主配重-其在该图中未示出)。

附图所示部件的索引：

1.中空垂直通道

2.绳索

3.滑轮系统

4.主配重的头部

5.主配重的垂直轴

6.中空垂直通道内的停止和制动系统

6-A作为制动系统一部分的空气推顶器

6-S作为制动系统一部分的弹簧

7.传感器和信号装置

7-(1).传感器-1

7-(2).传感器-2

8.主齿轮

9.垂直的地下中空管

10.垂直框架

11.平衡配重

12.升降装置

13.水平轴

13-A在滑轮系统内的辅助发电单元

13-H.水平轴保持器

14.发电机

15.辅助发电单元

15-P.在滑轮系统内的辅助发电单元

具体实施方式

应该指出，本文的描述意旨为了解释本发明通过其可更具体地且尤其以适用于(但不限于)高容量发电厂的方式来工作的设计、结构和方法，但对所描述的部件、结构和方法的明显改变、变型和改进没有限制；且本文中的图示/附图并不是按比例绘制的，而是仅用于示意性地解释本发明的结构、工作理念，且代表部件的宽泛尺寸、形状、空间布置和相互之间的关系，但对它们的互换或其它明显的变型和/或改进没有限制。

本发明预期可以使用为了描述工作实施例、它们的各种形式、改进和变体而具体提到的那些材料之外的材料，且可以使用在用于制造发电设备领域内常用的各种其它金属合金和其它组合。

对于不值得具体提及的以及对于本领域的技术人员而言是公知和显而易见的明显且非常琐碎的细节都没有提及和/或解释和/或绘制，但是它们也的确是本发明的一部分。

因此，本文的描述不应该被解释为过度地限制本发明的范围、精神和界限。

优选实施例I的详细描述和操作：

根据优选实施例，提供一种有效地利用和有效地转换重力/能量以便产生较大规模电力的装置、系统，其包括三个相同的单元(但不限于三个，以及更具体地是为了提供简单的实例和解释说明)；其中每个单个单元包括：

(i)第一中空的垂直圆柱形通道，其高48米，内径为1米30厘米(即1.3米)，以及壁厚为50厘米，竖立于地平面以上，沿其内壁设有至少两根导轨，主配重(ii)通过所述垂直圆柱形通道，所述主配重(ii)包括：称为“头部”的上部组件(ii)(a)，其优选由钛(但不限于此)制成，高30厘米，重500公斤，直径1米，形状为对应于该通道横截面的圆柱形，且在其周边设有辊子，所述辊子与所述垂直通道的所述导轨的形状相符，滑动通过所述垂直通道的所述导轨并沿着所述垂直通道的所述导轨；以及作为垂直轴的下部组件(ii)(b)，其优选由钛(但不限于此)制成，45米长，每米高度重100公斤，总共重4500公斤，且其支承着位于沿着其长度的从顶部第五米到底部第44米的40米的一侧上的多个齿，所述齿与具有1米周长的主齿轮啮合，所述主齿轮依次直接地使得发电机的半径为0.96米的水平轴旋转，所述垂直轴随着主配重由于重力的下落而以3米/秒的速度向下运动，下降40米需要13.3秒，即，适当考虑到大气中的空气阻力，以及由水平轴上的齿轮提供的阻力，水平轴上的齿轮与作为垂直轴的下部组件上的齿相啮合且随其旋转。所述主配重的所述上部组件或头部(ii)(a)优选为(但不限于)圆柱形、或椭圆柱形、四角棱柱形或其它这样的形状，其与所述第一中空垂直通道相对应且取决于项目的特定要求。例如，当项目适合其中使用非常重且大的配重的大规模发电的情况下，优选使用圆柱形、椭圆形或四角棱柱形的形状，以便容纳用于悬吊所述配重的较大数量的绳索。所述主齿轮构造成飞轮，以便即当所述垂直轴向下运动时允许发电机的所述水平轴的双向啮合以及单向旋转。

(a)由于所述主配重在重力的作用下进行向下的自由下落，其上部组件或头部到达中空垂直通道的底部，在该处在下述组合的协助下其上部组件或头部逐渐停止，所述组合包括：气囊、空气推顶器、弹簧、制动器、电磁铁、以及平衡配重在另一侧上的相反运动；以及作为所述主配重的下部组件的垂直轴进入到垂直的地下中空管内深达45米。

所述配重由来自滑轮系统的24毫米的重型牵引绳索来悬吊，所述重型牵引绳索由自润滑的合成纤维牵引绳索(但不限于此)构成，其中所述绳索的另一端附连到平衡配重(iii)上，所述平衡配重安装到升降装置上，这样所述升降装置(连同所述平衡配重)被悬吊以便在平行于所述中空垂直通道竖立的垂直框架内向上和向下滑动，这样主配重的运动方向与平衡配重的运动方向是相反的，根据该实施例，所述平衡配重的重量略重于主配重，即5100公斤。

对主配重进行或多或少平衡的平衡配重安装到动力升降系统上以便携载该平衡配重以预定的速度向上和向下运动以便与下落的配重同步，这样保持发电机水平轴的转数恒定。所述升降装置由20马力的马达提供动力，所述升降装置以15秒内45米的速度来提升平衡配重，由此所需的能量在15秒内为12KW。因此，在包括三个单元的该实施例中，由三个升降装置一天所消耗的总功率是(12千瓦×4×60×24)＝69MW。每个单元的主配重和平衡配重由一组9根24毫米的重型牵引绳索悬吊。

在每个单元内的所述绳索沿滑轮系统运行；每个系统包括12排滑轮，因此在包括三个单元的该实施例中使用总共36个滑轮。每个滑轮由锰青铜制成，并具有50厘米的直径。每个滑轮系统设计成提供辅助发电，以便允许安装线圈/磁铁来产生电力。

主配重和平衡配重的向上和向下运动的同步在磁传感器的协助下执行，所述磁传感器放置在距离第一垂直通道顶点为40米的距离处，以便控制平衡配重的速度，从而控制主配重的速度。

当所述主配重的头部达到深度为40米的第一中空垂直通道底部时，在单元I内的磁传感器会激活单元I的升降装置内的电子信号，以便通过在与单元I的主配重的相同方向上的制动或运动施加必要的减速效果，从而首先控制/减慢所述主配重的下落，并随后将其设置成在相反方向上运动以便向上行进回到其初始位置。

单元I内的所述传感器也将激活单元II的升降装置内的电子信号以便开始单元II中的主配重的自由下落阶段。该循环由单元II内的磁传感器以串联(tandem)方式重复，以便发出激活单元III内升降装置的信号，从而开始单元III中的主配重的自由下落阶段；类似地，该循环由单元III内的磁传感器以串联的方式重复，以便发出激活单元I内升降装置的信号，从而开始单元I中的主配重的自由下落阶段，由此确保(三个单元之一的)至少一个垂直轴将在任意给定的时间下处于其下降/下落阶段。

产生功率/发电的过程/方法：

启动：

(a)根据该实施例，由于平衡配重的重量大于主配重的重量，在启动之前的默认位置将是主配重在第一中空垂直通道内升高高达45.5米的高度，而平衡配重(连同升降装置)位于垂直框架的底部。因此启动操作除其它之外将涉及使得所述升降装置在向上方向上运行，以便使得主配重下降。该过程步骤尤其是在该步骤开始时消耗较高的输入功率/能量，其原因在于所述升降装置(连同平衡配重)的运动方向与重力相反，但是当升降装置向上运动时，其上的载荷仅仅是主配重和平衡配重的重量之间的差值，所述差值不超过下落配重的10％。此外，当下落配重在重力的作用下获得动量时，其稳步加速，从而其速度趋于线性增加，且在单位时间内所经过的距离趋于以平方的关系增加。在该阶段中，由重力做出最大的功，利用所述功来将主配重的垂直轴与发电机的水平轴啮合从而使其旋转。然而，当主配重下降且到达底部时，其通过减速和停止机构而柔和地减速和停止，所述减速和停止机构包括(但不限于)制动器以及升降装置(连同平衡配重)在另一侧上的相反运动。

常规操作

(b)在下一步骤(即，在主配重下降之后)中，升起到垂直框架上端部处的升降装置(连同平衡配重)由如上所述的传感器和信号机制触发以便开始向下运动。该向下的运动消耗最小的功率/能量，其原因有两个：(i)其原因在于平衡配重(连同升降装置)的总重量大于在另一侧上的主配重的总重量；以及(ii)该向下的运动是沿着重力方向的(因此由重力额外地进行辅助)。在包括较大数量的这种单元的实施例中，甚至可在升降装置非动力运行的情况下来执行该步骤，其原因在于更重的平衡配重会自动地超过主配重的重量且将其向上提升返回。

(c)传感器和信号机制将升降装置连同平衡配重的运动和方向同步，以确保(三个单元之一的)至少一个垂直轴在任意给定的时间下将处于其下降/下落阶段，从而保持发电机水平轴的恒定转速RPM。

(d)因此，该实施例可产生在每天至少562兆瓦范围内的净功率输出(考虑到消耗功率输入的30％用来维持主配重和平衡配重的向上和向下运动)。

(e)因此，适于发电厂的理想配置将基于功率需求量，从而最优化所采用单元的数量，以及具有重质量的物体自由下落的距离和速度，由此在任意给定单元内的主配重或平衡配重的向上或向下运动是无动力的，且完全由重力单独地驱动，从而获得最小的输入功率和最高的效率。

实施例II：

在另一个实施例中，输入功率需求可进一步最小化，其中所有其它条件、参数都与上面在优选实施例I中详细描述的相同，其区别特征是：

(i)水平地定位于垂直腔室和框架上方的滑轮系统连接到一个或多个马达，所述马达通过外部源或通过由本发明所产生的输出功率的一部分来提供动力，以便以顺时针方向和/或逆时针方向旋转，从而使得主配重或平衡配重提升或下降，根据具体情况而定，主配重或平衡配重的提升或下降可利用除了在上述实施例I中所述那样的所述升降装置之外的任意升降装置或在不使用任意升降装置的情况下进行。

(ii)在该实施例中，在所述滑轮上运行和悬吊配重的装置需要在滑轮上施加足够的摩擦力和抓握力，以防止打滑。优选实施例I中所述绳索的优良替代品是(但不限于)本领域内已知的由合适材料制成的皮带，其设有与所述滑轮的齿相啮合的齿，带轮进行适当的变型，以便类似于带有齿的齿轮，从而与所述皮带中的那些齿相对应。

(iii)因此，在该实施例中，主配重和平衡配重优选在质量和重量上是相等的，因此，一旦主配重和平衡配重由旋转滑轮设置成处于运动中，仅仅弹指轻击(fillip)就足以使得主配重加速下降，从而节省输入功率以及提高输出效率。

实施例III：

在另一个实施例中，输入功率需求可进一步最小化，其中所有其它条件、参数都与上面在优选实施例I中详细描述的相同，只不过区别特征是：

(i)主配重和平衡配重是完全相等的；

(ii)主配重和平衡配重的每一个进一步附连到位于相应的配重(即主配重或平衡配重)上方的上部升降装置和位于相应的配重(即主配重或平衡配重)下方的下部升降装置，其中所述上部和下部升降装置的每一个可以从其相应的配重分离。

(iii)传感器和信号机制基于将距离、转速/速度和系统中单元的数量进行合理化和最优化的计算，控制所述升降装置从它们的相应平衡配重按程序附连和分离。

(iv)每个所述升降装置都具有自身的质量和重量，所述质量和重量在给定单元内的升降装置中是恒定的。

(v)当给定的升降装置将其自身附连到其相应的配重上，而另一个升降装置将其自身从其相应的配重分离时，带来失衡或不平衡，这依次又导致一个或两个升降装置从其分离的配重自动地被升起，因为另一侧上的配重附连有其相应的两个升降装置，因此更重从而下降，上述下降可以在重力的作用下自由地进行，或者是由于相应升降装置的动力推动的运动。

(vi)该向上和向下运动最大限度地利用重力，从而最大限度地减少输入功率的需求，从而获得系统的最高发电效率。

Claims (19)

1.一种装置和系统，其通过允许具有重质量的物体自由下落以便将由重力所做的功最大化，以及通过由另一相近的质量平衡该重质量来将效率最大化，从而只有所述两个质量之间的净差值需要通过输入动力机制来做功，以便沿重力方向或其它方向提升已经下落的物体使其向上回到其初始位置，从而重复以上循环，其中以同步串联的方式使用多个这种单元，以便维持连接高输出发电机的齿轮、飞轮和轴的稳定转速(RPM)；每一这样的单元包括：

中空垂直通道(i)，其竖立在地平面以上，沿其内壁设有至少两根导轨；

(ii)主配重，其包括：

(ii)(a)称为“头部”的上部组件，其优选对应于通道的横截面来成形，且在其周边设有一种装置，所述装置与所述垂直通道的所述导轨的形状相符，滑动通过所述垂直通道的所述导轨并沿着所述垂直通道的所述导轨；以及

(ii)(b)下部组件，该下部组件为垂直轴，其支承着至少位于其长度一侧上的多个齿；

(iii)主齿轮，其与所述垂直轴的齿相啮合，且其连接到飞轮和/或其它二级齿轮上；

(iv)发电机的水平轴，其直接地通过所述主齿轮或通过飞轮和/或一个或多个中间二级齿轮来旋转，所述垂直轴随着主配重由于重力的下落而向下运动；

(v)减速和停止装置，当自由下落的主配重的所述头部到达中空垂直通道的底部时，所述减速和停止装置用于使得自由下落的主配重的所述头部在预定的时间和距离内柔和地减速和停止，以便同步；

(vi)垂直的地下中空管，用于当主配重的所述头部到达所述中空垂直通道的底部时容纳所述主配重的所述垂直轴；

(vii)平衡配重，其对位于相对侧上的主配重进行平衡，其安装在动力装置上以便携载所述平衡配重以预定的速度向上和向下运动以便与下落的配重同步，从而保持发电机水平轴的转数恒定；

(viii)一根或多根绳索，用于在滑轮系统的两侧悬吊所述主配重和平衡配重，以便使其向上和向下运动；

(ix)一个或多个滑轮系统，每一系统包括多个滑轮，在每一单元内的所述绳索在所述滑轮上运行，以便携载所述主配重和平衡配重进行提升和下降或向下滑动；

(x)用于启动和维持所述主配重或平衡配重或两者的向上和向下运动的装置；

(xi)平行于中空垂直通道竖立的垂直框架，所述装置使得主配重或配置以平衡的方式在所述垂直框架内向上或向下运动；

(xii)传感器、信号装置和测速仪，其用于控制和同步多个单元的所述平衡配重的速度，从而控制和同步所述主配重的速度，以便维持发电机轴的稳定转速(RPM)；

从而，在操作过程中的任意给定时刻，至少一个主配重(包括其垂直轴)处于其自由下落的阶段，以便啮合发电机的水平轴(的齿轮)且使其旋转。

2.根据权利要求1所述的装置和系统，其特征在于，所述主配重的所述上部组件(ii)(a)是圆柱形、或椭圆柱形、四角棱柱形或其它这样的形状，其与所述中空垂直通道相对应以满足给定项目的特定要求。

3.根据权利要求1和2所述的装置和系统，其特征在于，所述主齿轮构造成类似飞轮，以便当所述垂直轴与其啮合时，当所述垂直轴下降/向下滑动时允许发电机的所述水平轴的双向啮合以及单向旋转。

4.根据权利要求1至3所述的装置和系统，其特征在于，当自由下落的主配重的所述头部到达中空垂直通道的底部时，所述减速和停止装置用于使得自由下落的主配重的所述头部柔和地减速和停止，所述减速/停止装置为下述的一个或多个：

(a)气囊；

(b)空气推顶器；

(c)弹簧；

(d)制动器；

(e)电磁铁；

(f)施加楞次力的装置；

(g)平衡配重在另一侧上的相反运动。

5.根据权利要求1至4所述的装置和系统，其特征在于，所述平衡配重的重量与所述主配重的重量相同。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置和系统，其特征在于，所述平衡配重的重量比所述主配重的重量重3％至10％。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置和系统，其特征在于，所述平衡配重的重量比所述主配重的重量轻3％至10％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置和系统，其特征在于，用于携载所述平衡配重的装置与传感器和信号装置协作来对主配重进行平衡，使其以预定的速度向上和向下运动以便与下落的配重同步，从而保持发电机水平轴的转数恒定。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置和系统，其特征在于，用于携载所述主配重或平衡配重的所述装置能够从所述主配重或平衡配重分离，且由外部动力源提供动力。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置和系统，其特征在于，用于携载所述主配重或平衡配重的所述装置能够从所述主配重或平衡配重分离，且由本发明的一个或多个单元所产生功率的回馈部分来提供动力，或者部分地或替代地由外部动力源提供动力。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置和系统，其特征在于，用于控制和同步一个或多个单元的所述平衡配重的速度，从而控制和同步所述主配重的速度，以便维持发电机轴的稳定转速(RPM)的传感器是下述中的一个或多个：(a)磁传感器；(b)光束/激光传感器；(c)无源红外传感器；(d)爆震传感器；(e)压力传感器；(f)接近度传感器；(g)电传感器。

12.根据权利要求1至11所述的装置和系统，其特征在于，用于辅助发电的装置通过进行适当的改进/变型来提供，以便安装线圈和磁铁，从而在下述组件或部件的一个或多个中产生电力：(a)滑轮和杆；(b)垂直通道和主配重；(c)垂直框架和平衡配重；(d)水平轴和齿轮；(e)垂直轴和地下中空管。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置和系统，其特征在于，用于启动和维持主配重和平衡配重向上和向下运动的装置是装配到所述滑轮系统的一个或多个滑轮上的动力马达。

14.一种发电方法，该方法采用根据权利要求1至13中任一项所述的多个单元来发电，其特征在于，在任意给定的单元内，允许具有重质量的物体在重力的作用下从较大高度自由下落，以便使得其速度线性增加，同时其在一定时间内所经过的距离趋于以平方的关系增加，从而通过引导所述力以便直接地或通过飞轮和/或齿轮使得高功率发电机的轴旋转而提供能够利用的最大的重力。

15.根据权利要求14所述的发电方法，其特征在于，具有重质量的物体的所述自由下落的重量由平衡配重始终进行平衡，从而净重量仅是两者之间的差值，从而提高系统的效率，其中所述净重量通过外部动力源或者通过从该系统输出的功率反馈而提升。

16.根据权利要求14和15所述的发电方法，其特征在于，结合具有重质量的物体自由下落的距离和速度，对所采用单元的数量进行最优化，由此在任意给定单元内的主配重或平衡配重的向上或向下的运动是无动力的，且完全由重力单独地驱动，以便获得最小的输入功率以及最高的效率。

17.根据权利要求14、15和16所述的发电方法，其特征在于，主配重和平衡配重的时间、距离和速度是同步的，从而至少一个单元的垂直轴在任意给定时刻处于其自由下落/下降阶段，以便维持发电机轴的稳定转速，在此期间，其它单元的垂直轴处于被提升的过程中以便以同步串联的方式向下下落。

18.一种装置和系统，其通过允许具有重质量的物体自由下落以便将由重力所做的功最大化，以及通过由另一相近的质量平衡该重质量来将效率最大化，从而只有所述两个质量之间的净差值需要通过输入动力机制来做功，以便沿重力方向或其它方向提升已经下落的物体使其向上回到其初始位置，从而重复以上循环，其中以同步串联的方式使用多个这种单元，以便维持连接高输出发电机的齿轮、飞轮和轴的稳定转速(RPM)，基本上如本文所述那样。

19.采用多个单元来发电的方法，其特征在于，在任意给定的单元内，允许具有重质量的物体在重力的作用下从较大高度自由下落，以便使得其速度线性增加，同时其在一定时间内所经过的距离趋于以平方的关系增加，从而通过引导所述力以便直接地或通过飞轮和/或齿轮使得高功率发电机的轴旋转而提供能够利用的最大的重力，基本上如本文所述那样。

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