CN103930670A - 用于改进的水转子的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

根据一些实施例，一种转鼓可以淹没在水中并且沿着在该转鼓的第一侧上的一个第一点与该转鼓的与该第一侧相反的第二侧上的一个第二点之间的一条中心轴线水平地延伸。三个曲线形叶片可以附接至该转鼓上而使得这些叶片在有一个垂直于该轴线的水流作用于其上时是可操作来产生围绕该轴线的旋转的，其中每个叶片的、与该转鼓基本上相反定位的一个边缘部分限定了一个平面，该平面基本上平行于由该转鼓的、位于该边缘部分与该轴线之间的一个表面所限定的平面。联接至该转鼓上的一个发电机可以将由围绕该轴线的该旋转所产生的旋转能量转化成电能。

Description

用于改进的水转子的系统和方法
技术领域
本披露总体上涉及用于经由水动力产生电能的系统和方法、并且更具体地涉及用于改进的水转子和/或水轮机的系统和方法。
背景技术
使用可再生能源仍是满足能量需求而同时实质性降低环境影响的一个重要因素。例如，太阳能、水能和水资源技术持续地降低成本并提高效率，而同时实际上消除了不利的环境影响。然而许多常规的可再生资源产能技术需要大量的资产和/或不动产来实施。例如，关于水力发电设施，典型的水转子可能建造起来昂贵和/或可能要求位于快速运动的水中。被设计用于通过水的能量流来旋转的水转子典型地落入两个宽范畴中：带桨叶的螺旋桨或涡轮机系统，它们使用以大于水流速度的速度旋转的桨叶来转化能量从而产生电力；以及替代地一个范畴是典型地低效萨窝纽斯式水转子，它们以比水流慢的速度捕获流动从而将能量直接转换成转矩。典型的萨窝纽斯式水转子或萨窝纽斯式涡轮机将具有大致0.08(或8％)的功率系数(“CoP”),从而使得它们从经济性观点来看对于使用是低效的。第一范畴“螺旋桨状”系统尽管非常高效，但要求相对快的水流动以捕获能量、是相对脆弱的并且以大尺寸建造是相对昂贵的。替代地，萨窝纽斯式水转子可以在非常慢的水速下运行并且建造和运行是相对低廉的。
因此，对于解决了在现有技术中存在的这些和其他问题的、用于改进的水转子的系统和方法存在着需要。
附图说明
图1A至1C是根据一些实施例的系统的框图。
图2A至2C是根据一些实施例的水转子的侧视图。
图3展示了根据一些实施例的一种转子。
图4是根据一些实施例的一种水转子的前视图。
图5是根据一些实施例的一种水转子的侧视图。
图6和7是根据一些实施例的水流动型态。
图8是根据一些实施例的一种系统的框图。
图9是根据一些实施例的一种方法的流程图。
图10展示了根据一些实施例的一种可运输的水转子。
图11展示了根据一些实施例的一种经部署的水转子。
图12是根据一些实施例的具有多个侧向发电机的一种水轮机的前视图。
图13是根据一些实施例的具有一个中心发电机的一种水轮机的前视图。
图14展示了根据一些实施例在多种水速下的潜在发电。。
具体实施方式
根据一些实施例，提供了用于系留式水转子和/或水轮机的系统和方法。响应于正常水力而围绕水平轴线旋转的系留式水轮机可以用于例如产生电能。在一些实施例中，系留式水轮机可以是至少略微漂浮的。根据一些实施例，这些涡轮机至少部分地通过麦格纳斯效应或萨窝纽斯(Savonius)效应和/或其他提升效应而保持更加垂直而较少偏斜。例如，这样的涡轮机可以是相对低廉的、容易部署的和/或管理的、和/或可以另外提供超过之前系统的优点。根据一些实施例，在紧急情况下、按照需要、和/或在移动应用中部署小型系留式水轮机。在一些实施例中，可以部署许多更大的涡轮机(例如，几百米长或更大的)。一些实施例可以提供捕获低速水流中的水流动能量而且还能够产生高动力输出的能力，这类似于螺旋桨状的带桨叶系统，甚至高达CoP大致为0.30(或30％)的能量提取，比典型的萨窝纽斯型水转子大了300％以上。作为一个系留式装置，部署可能不需要支柱或其他刚性的保持设备。进一步，水转子可能比水更重或更轻，这可能允许一个单元直立地或倒置地高效运行。从上方被浮标、船只或桥梁固定，或替代地从底部被锚定而向上漂浮以在水道交通下方的水流中运转等等。
首先参见图1A，示出了根据一些实施例的一种系统100的框图。描绘在此说明的这些不同的系统是用于解释而并非限制所描述的这些实施例。可以使用在此说明的这些系统的不同的类型、布局、量和构型而不背离某些实施例的范围。可以使用比关于在此说明的这些系统所示出的更少或更多的部件而不背离某些实施例的范围。
例如，系统100可以包括一条基本上水平轴线102、位于该轴线102上的一个第一点104、和/或位于该轴线102上的一个第二点106(例如，位于该系统的与第一点104相反的另一侧上)。在一些实施例中，该系统包括一个系留式水轮机，该水轮机具有一个转鼓110作为本体。例如，该系留式水轮机可以包括基本上在第一点104与第二点106之间延伸的一个转鼓110。例如，转鼓110可以是部分或完全被淹没的。在一些实施例中，该系留式水轮机还可以或替代地可以包括联接至转鼓110上的一个或多个叶片120。例如，这些叶片120可以是可操作来让一个水力作用于其上(例如，如图1A中的三条水平虚线所指示的)从而致使转鼓110围绕轴线102旋转。
在一些实施例中，转鼓110可以在两个侧向圆盘130之间水平地延伸。例如，这两个圆盘130可以包括联接至转鼓110上的一个内表面和/或包括一个突出部的一个外表面。在一些实施例中，这些突出部可以是与水平轴线102基本上对齐的轮轴。根据一些实施例，联接了一个或多个发电机170以便将旋转能量(例如，来自转鼓110和/或突出部126围绕轴线102的旋转)转化成电能。例如，这些发电机170可以机械联接至这些突出部上和/或可以悬挂其上。根据一些实施例，这些发电机170与一个水密密封齿轮箱相关联。
在一些实施例中，这些发电机170还可以或替代地可以联接至一个或多个轭件上。例如，这些轭件可以包括轴衬、轴承(例如，球轴承)和/或可操作来辅助和/或允许转鼓110和/或这些突出部围绕轴线102旋转而同时将这些发电机170定位成可操作来接收来自旋转的转鼓110和/或突出部的旋转能量的其他装置(未示出)。在一些实施例中，这些轭件是在轴线102上的第一点104和第二点106处和/或其附近旋转联接至这些突出部上的。根据一些实施例，这些轭件还可以或替代地可以是这些发电机170的部件和/或部分。例如，这些轭件可以包括与发电机170相关联的或附接至发电机上的一个或多个凸缘、突出部、联接器和/或其他物体。
根据一些实施例，这些轭件还可以或替代地可以联接至一根或多根系绳140上。在一些实施例中，这些系绳140可以联接至转鼓110、侧向部分160、突出部、和/或发电机170上。例如，这些系绳140可以将转鼓110联接到相对于该转子稳定的(例如，在水流底部或如果转子不是漂浮的则在水面上方)一个第三点(在图1A中未示出)上。在一些实施例中，这些系绳140可以包括任何数量的绳索、缆线、丝线、和/或包括已知的或变得已知的或可实践的其他联接装置。根据一些实施例，这些系绳140可操作来将水轮机110联接至该第三点上和/或将来自发电机170的电能朝该第三点(例如，朝水面)传递。
在一些实施例中，这些侧向圆盘130可以充当或者替代地包括一个或多个稳定器。例如，这些稳定器可以是联接至这些突出部上的基本上盘形的装置。根据一些实施例，这些稳定器150可以有助于水轮机(例如，就轴线102而言)垂直于主导水流来定向。例如，这些稳定器150可以允许水轮机在主导水流改变方向时自定位和/或自动重新定位。
根据一些实施例，水力横过水轮机的这种穿流(和/或顺时针或旋转的向后方向)有助于提升该水轮机110。例如，即使该涡轮机的某一部分填充有一种不比水轻的物质(例如，水本身)，与转鼓110围绕轴线102的旋转相关联的麦格纳斯效应仍可以向水轮机提供一个提升力。根据一些实施例，其他提升力(例如，与萨窝纽斯效应相关联的)还可以或替代地可以辅助该水轮机的部署。
图1A中的实例展示了一个漂浮系统110，并且因此这些系绳140在系统110下方延伸以防止该系统向上移动。然而要注意，替代地可以提供一个比水重的系统，在此情况下系绳可以在该系统下方延伸以防止该系统下沉。
根据一些实施例，一个水偏流板150可以引导水进入这些叶片120中。偏流板150或前部定子可以具有靠近这些叶片120的桨叶的、并且在与系统100相关联的一个停驻点上方的尾缘。要注意该停驻点可能存在某种波动(例如，一定水平的振荡或脉冲波动)。前进进入水转子中的水流体积在每个旋转过程中改变从而产生在‘扫过面积’或作为动力被转化成转矩的水和流动的能量方面的波动。这种波动在水转子不具有前部偏流板的情况下是尤其明显的。根据一些实施例，可以允许偏流板150一定的移动自由度以便将尾缘定位在一个与特定水流速度相关的停驻点处或在其上方(例如，可以允许该尾缘略微上下运动)。图1B展示了一种系统162，其中一个偏流板152引导水来旋转一个转子。根据一些实施例，偏流板152的尖端可以相对于一个与该转子相关联的停驻点来放置(例如，这个尖端可以定位在该停驻点处或在其下方)。
要注意，水流速度引起了这种与水转子的旋转速率相关的停驻点定位，并且因此当以不同的水速产生动力时，可以允许该偏流板的尾缘自由地移动而实现改进的动力输出的结果。也就是，转子的停驻点可能会基于该转子的旋转而移动。例如，图1C展示了当转子没有旋转时的转子停驻点172(停驻点172为中心死点)与当转子在旋转时同一转子的停驻点174相比的情况。具体而言，图1C中展示的停驻点在转子旋转时向下移动。根据一些实施例，这些分离箭头可以朝定子的边缘向下移动。要注意，停驻点典型地背离旋转方向而朝下移动(停驻点是发生流动分离的点)。还要注意，如果转子上下颠倒，则停驻点(流动分离点)将背离旋转方向朝上移动。这种移动是麦格纳斯或萨窝纽斯效应的结果(即，面向旋转而流动的较高压力和随着旋转而移动的流动的较低压力引起了分离点或停驻点的改变)。
根据一些实施例，这些发电机170包括沿着这些侧向圆盘139(和/或一个额外的中心圆盘)的边缘的一个轮缘发电机。例如，发电机170可以与一个巨大的磁性定子(例如，多个单独的磁铁)相关联，该磁性定子具有在一个环壳体内静止的电枢。以这样的手段，就可以不需要齿轮箱和/或中心驱动。此外，甚至在相对慢的每分钟转数(“RPM”)下也可以产生实质量的电。
要注意，转子转鼓和/或叶片可以用多种不同方式来形成。例如，图2A是具有三个叶片的转鼓200的侧视图。要注意，每个叶片或桨叶的尖端可以实质性地模拟在叶片下方的转鼓表面，如图2A中的虚线202所展示的。作为另一个实例，图2B展示了一种转子204，其中三个相同的区段208可以是螺栓连接在一起的或是以其他方式附接的以便产生该转鼓和叶片。如图2B中所示，每个叶片或桨叶的尖端可以实质性地模拟在叶片下方的转鼓表面，如图2B中的虚线206所展示的。
图2C是根据一些实施例的一种水转子240的侧视图。转子240包括具有三个曲线形叶片220的一个转鼓210。此外，可以提供一个或多个侧向圆盘230。仅举例而言，转鼓210可以具有6英尺的直径，而这些叶片230背离转鼓310延伸的最小值总计为3英尺。这些侧向圆盘230可以具有大于6英尺加上3英尺乘以二的和的一个直径，这是对于转子240的两侧而计算的(例如，大于12英尺)。例如，这样的方式可以提供出奇高的CoP，例如超过0.30或甚至0.34的CoP。要注意，这些叶片220可以包括横跨转鼓210水平放置的三个双面“鲨鱼鳍形”桨叶。进一步要注意，在特定高度处，这些侧向圆盘230可以增大一种压力驱动泡囊从而改进效率。此外，该装置包括叶片220、转鼓210和侧向圆盘230在内的这些比例(与大小无关)可以改变CoP。根据一些实施例，每个叶片220的实质上与转鼓210相反定位的边缘部分限定了一个平面，这个平面基本上平行(例如，在10度以内平行)于由转鼓210的、位于该边缘部分与转鼓220的中心之间的一个表面所限定的平面，如图2C的虚线所示。
类似地，一个前部定子的设计(在大小和曲率以及尺寸两方面)以及这些定子在所有维度上的比例(正面和背面曲线形表面)可以影响CoP以及定子的水平尾缘的放置，和/或该尾缘或“唇缘”可以减少回流并减少非定子脉冲波动(例如，当高于一个“一般化停驻点”时)。此外，这些锚定器缆线和锚定器布置可以影响CoP。要注意，在一些实施例中，转鼓210可以围绕一个延伸穿过转鼓210的水平静态保持轮轴滚转。此外，转鼓210和该轮轴可以用水密轴承或轮轴滑环进行密封。根据一些实施例，一个发电机机构位于转鼓210内。例如，磁铁可以与转鼓210相关联并且在该转鼓内移动，并且电枢可以是“静态的”不移动的轮型或盘型装置(例如，并且可以不需要齿轮箱)。
图3展示了根据一些实施例的一种转子300。具体而言，一个转鼓310可以淹没在水中并且沿着一条中心轴线在该转鼓310的第一侧上的一个第一点与该转鼓310的与该第一侧相反的第二侧上的一个第二点之间水平地延伸。三个曲线形叶片320可以附接至该转鼓310上而使得这些叶片320在有一个垂直于该轴线的水流作用于其上时是可操作来产生围绕该轴线的旋转的，其中每个叶片的、与该转鼓310基本上相反定位的一个边缘部分322限定了一个平面，该平面基本上平行于由该转鼓310的、位于该边缘部分322与该轴线之间的一个表面所限定的平面。此外，联接至该转鼓310上的一个发电机可以将由围绕该轴线的该旋转所产生的旋转能量转化成电能。
也就是，由水力所产生的旋转可以包括转鼓围绕轴线的旋转(并且该转鼓的旋转可以在水中在转鼓310上产生向上或向下的力，例如麦格纳斯或萨窝纽斯效应力)。
根据一些实施例，每个叶片320和转鼓310的最大高度是基本上等于或大于转鼓310的半径的。此外，一个第一侧向圆盘可以定中心在该第一点处并且平行于该转鼓310的第一侧，并且一个第二侧向圆盘可以定中心在该第二点处并且平行于该转鼓310的第二侧，并且该第一和第二侧向圆盘可以延伸经过每个叶片的总高度与转鼓之间的最大距离。此外，该发电机可以包括联接至该第一侧向圆盘上的一个第一发电机和连接至该第二侧向圆盘上的一个第二发电机。例如，这些发电机可以经由以下各项中的至少一项而联接到这些侧向圆盘上：(i)链条、(ii)齿轮、或(iii)摩擦联接器。根据一些实施例，该发电机的至少一部分位于转鼓310内。此外，该发电机可以包括至少一个磁铁和至少一个导电线圈，它们由于围绕该轴线的该旋转而相对于彼此移动。
根据一些实施例，一个偏流板可以随着转鼓310一起被淹没以便将水流的至少一部分引导到由一个叶片320限定的区域中。例如，该偏流板的一个实质性邻近于叶片320的边缘部分可以基本上定位在一个停驻平面处或在其相反侧处，其中该停驻平面上方的水流流过转鼓310并且该停驻平面以下的水流在转鼓310下方流动。要注意，该偏流板的边缘部分可以设置成实质性邻近于这些叶片320以便限定一个与由转鼓310的、位于该边缘部分与该轴线之间的表面所限定的平面基本上平行的平面。此外，该偏流板可以包括基本上平行于转鼓310的第一侧的一个第一侧以及基本上平行于转鼓310的第二侧的一个第二侧。根据一些实施例，该偏流板包括一个上表面而使得水流在该偏流板上产生一个向下的力，并且包括一个下表面而使得水流在该偏流板上产生一个向上的力。此外，该偏流板可以包括位于转鼓310前方的一个第一偏流板并且进一步包括位于转鼓310后方的一个第二偏流板。
根据一些实施例，转子300是漂浮的并且经由至少一根柔性缆线而锚定到水下的底板上。在此情况下，可以提供与每根柔性缆线相关联的一个主动卷扬机(例如，用于将转子300上下移动)。根据其他实施例，转子300可以比水重并且经由至少一根柔性缆线而系到该系统上方的一个点上，例如桥梁、船只、大坝、浮标或游艇上。在此情况下，每根柔性缆线也可以与一个主动卷扬机相关联(再次用于使转子300中水中移动)。
因此，根据在此描述的一些实施例可以提供改进的水转子。要注意，在全球范围内，水电提供了世界上电力的约20％并且是用于发电的一种重要的可再生能源。然而，由于需求超过供应而存在严重的短缺，并且缺口正在增加。由水平移动的水流来产生动力的低落差水电可以潜在地增大电力产量并且堵住这个缺口。然而，低落差水电的贡献较低，因为传统的解决方案不是经济可行的，它们需要相对高的流速并且存在生态问题。可以提供几十亿千瓦(“kW”)电力的几千条河流和溪流尚未被开发。
在此描述的一些实施例可以提供简单、高效且制造起来经济的先进水流发电机。具体而言，在此描述的一些实施例代表了先进的萨窝纽斯型转子，该转子可以包括一个风格化的转鼓，该转鼓带有附接至一个流动辅助转鼓上的最佳曲线形的双面桨叶以及有效捕获水流并提取动力的多个流动定子。这些侧向圆盘可以进一步帮助克制和引导或维持水流压力从而辅助改进的能量传递。转子是依赖于转矩而不是更高速的水速，从而允许它在几乎任何流速下运转。已经成功测试了包括在小于2MPH水流下的水流动能量传递。最大流动速度可以是不受限的并且能量传递可以仅受限于水转子的结构限制因素。
此外，多种实施例可以从单独使用放大到组网应用，包括可以与小型私人单元或船只大小的单元、商用中等大小的单元、潮汐流单元、和大型洋流大小的单元相关联的转子。此外，这些转子可以产生几百瓦特或直至许多兆瓦。
在此描述的实施例可以实现最大转矩从而得到高的功率系数。这可以直接涉及功率对比尺寸对比水流速度。对于范围从1英里每小时(“MPH”)到20MPH以上的水流速度而言可以提供改进的能量提取，并且可以实现24％的能量提取至34％以上的效率等级。
再次参见图1A，该前部的固定偏流板150或“定子”可以定位在较低流速的“冲突”区域中。偏流板150可以提供宽的扫过“动力”面积。此外，这三个叶片120是曲线形的，从而使得桨叶的正面是兜凹的以用于捕获并且容易地释放所捕获的水流动。这样的构型为这三个叶片120各自提供了在它们旋转时的三个同时的阶段或位置：(1)推进“偏流”，(2)捕获“动力”，以及(3)拉动或“后退”。当这些桨叶前进和后退到各个阶段位置中时，发生了若干水动力效应。这些效应包括在桨叶背面上的提升、进入桨叶杯体中的压力、从停驻点到桨叶杯体中的流动分离和偏流(由于核心转鼓充当了偏流装置并且得到前部偏流板150(定子)的辅助)。
“停驻点”或典型地这个将流动分成朝上流并且流过转子、或朝下流并且在转子下方流动的中点是由这种设计控制成使得基本上所有的迎面面积的水流都被引导向上或进入转子叶片320的运动的旋转中。这可以被称为“扫过面积”并且包括在转子前部处的总的朝前面积。这种设计的优点是可以提供从任何速度的水流中捕获超过0.30或30％能量的一个效率等级。根据一些实施例，该系统在面对流动时可以倒置地(或以任何角度)工作并且可以不需要水平定位。
要注意，这个前部不移动的并且相对于桨叶和转鼓精确定位的偏流板150或定子可以遮罩出来向流动的分离，这可以减少与返回叶片120的流动冲突、并且将额外的动力流动引入驱动叶片120中。定子可以提高效率和转矩，从而从没有偏流板的24％提高到超过30％。该定子还可以减少在它们旋转进入和离开适当位置时这三个桨叶阶段各自之间发生的脉冲。
转子的滚转作用(滚转方向)可以用于帮助减小向后倾斜并且麦格纳斯或萨窝纽斯效应可以有助于稳定性和/或定位。旋转的转子的旋转方向可以引起麦格纳斯提升和/或萨窝纽斯效应，总体上称为萨窝纽斯，因为这种滚转并不比介质的流动(水流)快。因此，取决于转子是漂浮的且锚定的还是比水重且从上方被固定(例如固定至桥梁、船只、浮标或游艇上)的。引入这种转子旋转方向来产生向下的提升力(在垂吊下的构型中)或向上的提升力(在锚定的形式中)。这种作用可以帮助该单元相对于其保持点保持在可用的“倾斜”或“站”直的范围内(例如，在保持缆线上以较小角度倾斜)。此外，多个实施例可以具有对由于旋转方向引起的提升和拖曳进行控制的能力。这种作用将把转子保持例如在小于最大倾角为45度的倾角下，这有助于停留在水或洋流的中心。
这些叶片120可以具有正面曲率和背面曲率，并且一个尖锐的尖端边缘可以辅助最大流动分离和能量提取。而且，在转子转鼓110的末端处的这些侧向圆盘130可以将该转鼓110和桨叶侧密封至圆盘上。这些圆盘130可以至少延伸至截面的尖端高度或更高，以便辅助捕获水流动并且保持该流动不在这些侧面周围漏出。这些侧向圆盘具有的直径与叶片120的尖端高度一样宽并且可以有助于增大水压力“泡囊”或流动捕获。更高的侧向圆盘130(与桨叶尖端高度相比)因此可以进一步增大流动捕获。捕获水流的这些特征(桨叶的前后曲率、尖锐的尖端、转鼓曲率、以及这些侧向圆盘)可以产生实质性高的CoP。要注意，通过转矩可以实现高水平的旋转能量。多个实施例可以在低至1MPH而高达几十MPH流速的水速中运转。
如在此说明的，转子可以被设计成由锚定器固定的漂浮装置、或替代地在桥梁、游艇、船只或浮标下方的一个比水重的装置。此外，完全可运输的移动单元可以是上至20千瓦的规格。
要注意，较小的水转子(例如，直至20kW)可以使用由大的侧向圆盘驱动的外部发电机。较大的水转子可以使用整合在中央核心转鼓内的大圆盘发电机。例如，较大的发电机可以具有一个移动部分(例如，磁铁可以在中央核心转鼓内并且随着该转鼓旋转，因为它们环绕着静止的发电机线圈)。在任一情况下，这个慢但有力的旋转能量都可以产生电力。
在此描述的一些实施例可以被分类为“低落差”系统，意思是穿过整个系统的流动是水平的或接近水平的。不像典型的低落差系统，一些实施例可以用除了开放式螺旋桨状的桨叶式涡轮机或‘机翼状’涡轮机(它们在流动中会加速到高于流动本身的尖端速度)外的方式来实施。在此描述的实施例可以将来自由水流本身的实际速度获得的转矩的能量进行转化并且以纯转矩来得到必需能量，这与可能要求更高流速的带有螺旋桨状桨叶的系统形成对比。
图4是根据一些实施例的一种水转子400的前视图。转子400包括一个带有三个叶片420的转鼓410和一对侧向圆盘430，从而形成了一个“兜凹”，水经由一个偏流板450被引导到该兜凹中。位于每个侧向圆盘430处的发电机470可以将本体410和叶片420的旋转能量转化为电能。图5是根据一些实施例的、图4的水转子的侧视图。转子500包括一个圆形转鼓510、多个叶片520和多个侧向圆盘530。一个偏流板550引导水进入这个当前的上叶片520以便推进旋转。根据一些实施例，一个发电机570可以包括穿过转鼓510的一个静态轮轴，该轮轴每端带有密封轴承以允许转鼓510和叶片520在水流中围绕该轮子滚动。例如，在密封的转鼓510内部联接并放置了一个发电机570，该发电机包括附接至内转鼓510面层上的多个磁铁以及附接至该静态轮轴上的一个不移动的线圈或电枢。这样的发电机570将仅具有一个移动的部分(通过这些静态线圈的这一圈磁铁)来产生电力。根据其他实施例，在这些转鼓侧向圆盘530的外侧上可以提供与外部侧向发电机570相关联的侧向齿轮箱。
附接至核心转鼓510上的这三个带尖端的“鲨鱼鳍”形叶片520各自可以包括从一个位置平行于转鼓510的表面延伸的一个边缘。每个桨叶可以具有前曲率和背侧复合曲率，这有助于为这种风格化的转子500赋予高的CoP。进一步，这些侧向圆盘530可以超过这些叶片520的尖端的竖直高度或最大宽度(圆周)从而形成在转子500的360°旋转过程中一致的一个水流压力泡囊。还进一步，前部偏流板550铲斗或定子可以相对于来向水流的停驻点(在没有该定子的情况下假想的停驻点)进行定位。该停驻点(没有定子的情况下)可以由于麦格纳斯效应而从一个中点移动到一个较低位置。对该定子添加在所产生的停驻点之处或上方的定子尾缘或背边缘可以进一步辅助产生更高的CoP输出。根据一些实施例，可以提供双定子构型，例如用于潮汐流(双向流)应用。双定子构型可以包括类似于前部定子但位于相反侧上并且在相反位点偏离的一个定子。在此情况下，该背面定子可以继续引起相同方向上的持续旋转，而与流动是来自前方还是后方无关，例如在潮汐情况下。
要注意，关于图4和5所展示的装置可以具有不同的尺寸。例如，该装置可以为20至30英尺宽，而侧向圆盘具有10英尺的直径。作为另一个实例，该装置可以为240英尺宽，而侧向圆盘具有100英尺的直径。
图6和7是根据一些实施例的水流动型态。具体而言，图6展示了三个转子阶段610、620、630。对于这种三桨叶式转子的每一转而言，每个桨叶移动进入如在这三个旋转位置中所示的“峰”位置之一中。要注意，在这三个阶段610、620、630位置的每一个位置中，桨叶的杯体、中央核心转鼓面的曲率、以及桨叶的背面都同时起作用。当转子转动时，每个桨叶按顺序从一个位置移动到另一个位置，从而导致就位并且在每个桨叶进入下一个位置时进行后退。简言之，流动经过转子的水612同时做了三件事情：(1)推动上部杯体面，(2)沿着转鼓面向上流入杯体面中、并且(3)桨叶的背面产生在某些位置中也可以有助于拉动桨叶旋转的一个较低压力表面。
停驻点614可以代表流动发生分离而“向上”或“向下”流动的地方，在图6中用虚线表示。由于转子的旋转以及如上所述的这些阶段610、620、630，停驻点614可以取决于这些旋转的桨叶的位置而上下波动。在停驻点上方是积极辅助的流动能量，而在停驻点下方是有害的拖曳流动。转子的动力来自在停驻点上方的上部流动，被称为“扫过面积”。这个扫过面积可能是难以计算的，因为转子每一转其流动面积都改变了三次。也就是，每个阶段610、620、630可以与不同的捕获尺寸相关联。这个变化的扫过面积的流动可以产生一种脉冲效应，其中通过转子在水流612中转动时的旋转作用传递了一种脉冲式的增大然后减小的能量。
为了帮助减小这种效应，图7展示了在添加了一个偏流板或定子740来引导水流712时转子旋转的三个阶段710、720、730。在转子前方的这个固定的定子740或曲线形的偏流板遮蔽了在顶部从最高停驻点位置714到略微低于转动的转子桨叶的总直径地定位的这个流动面积。定子714可以定位在最高停驻点位置处或在其上方并且尽可能地接近转子桨叶的直径，以便使得水流在某些位置处的不利行程最小化。定子740的背面可以如图所示是更加竖直的，因为在前方从下而上过来的这个下部的、被遮蔽的桨叶在该桨叶处于前下象限中时会推动其前面的水(这可以帮助阻挡回流)。根据一些实施例，定子740与转子横过水流的宽度一样宽。某些形式的定子可以在底部较长(铲斗长度)并且在前下部的“口嘴”处是或变得更宽以便辅助在桨叶旋转的所有三个阶段的过程中向上流入叶片的面中。要注意，该积极的扫过面积可以由于定子740而保持相对恒定，因此可以在没有脉冲波动效应的情况下实现提高的流动能量(例如，可以实现高达或高于0.30的CoP)。要注意，该转子可以放置成“上下颠倒”地在相反的水流中同样有效地工作。
根据一些实施例，定子740的背面可以被减小成与正面类似的曲率，从而采用新月形的形状。这可以有超过图7中所展示的“较厚”定子设计的两个优点：(i)它可以在定子的背侧上引起伯努利效应，并且(ii)导致发生流动附连，从而使通过的较低紊流沿着定子的背面曲线引导向上，以实现这些转子桨叶的更高效率。这样的薄定子740设计还可以减小回流压力并且有助于总体向上的流动特征，从而提高旋转动力(例如，转矩增加)。
转向图8，是根据在此描述的任何实施例可以运行的一种系统800的框图。例如，系统800可以包括一条基本上水平的轴线802，沿着该轴线802的一个第一点804、沿着该轴线802的一个第二点806、和/或围绕轴线802旋转以产生电能的一个水轮机810。例如，该水轮机810可以包括一个淹没的水转子812，该水转子具有一个或多个叶片816和/或一个或多个发电机830。在一些实施例中，水轮机810联接至一根系绳840上和/或可以包括一个或多个稳定器850。例如，系绳840可以将水轮机810联接至一个水上地面站870。例如，地面站870可以将由水轮机810产生的电能(例如，经由馈电线路876a-b)供应给一个或多个电气装置890和/或电网892。
根据一些实施例，系统800的这些部件在构型和/或功能性方面可以类似于与在此描述的任何实施例相关联的部件。在一些实施例中，在系统800中可以包括比图8中所示更少或更多的部件。
根据一些实施例，由水轮机810产生的电能是经由系绳840提供给地面站870。例如，系绳840可以包括任何数目、类型和/或构型的结构和/或电气缆线、系带、丝线和/或其他装置。在一些实施例中，系绳840可以包括用于在水轮机810与地面站870之间维持物理连接的一种结构缆线、用于将来自水轮机810的电能传递至地面站870的一种电缆、和/或用于提供水轮机810的电接地的一种接地电缆。
根据一些实施例，地面站870可以将电能经由第一馈电线路876a提供给一个电气装置890。在水轮机810包括例如小型(例如，直径和/或长度为约十至三十英尺)背包和/或紧急电源形式时，水轮机810被用于直接向一个或多个电气装置890供电。例如，这些电气装置890可以包括营地灯笼、电视机、收音机、和/或其他器具或装置。在一些实施例中，电气装置890可以包括直接由来自水轮机810(例如，经由地面站870和第一馈电线路876a)的和/或由来自地面站870的蓄电池(未示出)的蓄电池电力来供电的DC装置，该蓄电池与水轮机810相关联和/或由该水轮机来充电。
根据一些实施例，地面站870可以将从水轮机810接收的DC功率转化为AC功率。例如，该AC功率可以用来经由第一馈电线路876a向一个或多个AC电气装置890供电。在一些实施例中，该AC功率还可以或替代地可以经由第二馈电线路876b被供应给电网892。例如，电网892可以包括与公共设施、市政电网和/或私人电网的互联。在一些实施例中，电网892可以包括任何配电系统和/或装置。例如，电网892可以包括变电站、电杆、变压器、地下电线和/或保险盒、和/或车辆和/或建筑物(例如住宅和/或公司)的接线系统。在一些实施例中，多根系绳840和/或多个水轮机810被联接至地面站870和/或与之相关联。根据一些实施例，多个地面站870还可以或替代地可以将由一个或多个水轮机810产生的电能供应给一个或多个电网892和/或电气装置890。例如，可以用有多个系留式水轮机810的“农场”和/或“集群”来提供环境友好的电能以满足耗电需要。
现在参见图9，示出了一种根据一些实施例的方法900。在一些实施例中，方法900可以由在此说明的任何系统和/或任何系统部件来执行和/或通过利用它们而被执行。在此说明的流程图无需暗示这些动作的固定次序，并且多个实施例可以是按实用的任何次序来执行的。要注意，在此说明的任何方法都可以通过硬件、软件(包括微代码)、固件、手动装置或其任何组合来执行。例如，一种存储媒体上可以储存指令，这些指令在被机器执行时将产生根据在此描述的任何实施例的性能。
在一些实施例中，该方法900可以是通过在902部署一种根据在此描述的任何实施例的水轮机来开始的。根据一些实施例，该水轮机是通过用水至少部分地填充该水轮机的转鼓来部署的。在一些实施例中，自然浮力和/或麦格纳斯/萨窝纽斯效应均可以致使水轮机保持在部署深度处。
根据一些实施例，方法900可以通过在904处接受由该系留式水轮机产生的电能来继续。例如，该水轮机可以围绕水平轴线旋转和/或转动以便驱动一个或多个发电机来产生电能。在一些实施例中，电能被一个装置、实体和/或其他物体如地面站、建筑物、结构(例如，桥、塔和/或其他结构)和/或车辆(例如，轮船、航空器、火车和/或其他车辆)接收。在一些实施例中，辅助了、实施了该水轮机的部署(例如，在902)和/或以其他方式与之关联的这同一个实体和/或装置可以接收这种电能。根据一些实施例，这种电能可以被利用、逆变、转化、储存和/或以其他方式管理。例如，从水轮机接收的DC电能可以被转化或逆变成AC电能、和/或被储存在一个或多个蓄电池或蓄电池组中。
根据一些实施例，方法900可以通过在906处输送电能以用于向一个或多个电气装置供电来继续。例如，电能可以输送至与部署水轮机(例如，在902)相关联的和/或与从水轮机接收电能(例如，在904)相关联的装置、物体和/或实体所在当地的一个或多个电气装置。
在一些实施例中，该电能还可以或替代地可以被输送用于向其他电气装置供电和/或用于辅助对其他电气装置的供电。例如，在电能被输送至电网(例如，由较大水轮机和/或由一个水轮机集群)的情况下，电能可以简单地添加至电网利用来向不同电气装置(例如，不同家庭和/或公司)供电的电能池中。例如，图10以1000展示了一种商用大小的水转子1010，根据一些实施例，该水转子可以由平板卡车1020来运输。仅举例而言，该转子可以为17英尺宽并且具有直径为5或6英尺的多个侧向圆盘。
根据其他实施例，远足者、乘船者、房屋所有者和/或其他实体或个人可以利用小型的水轮机来例如向一个或多个露营、划船和/或家用电气装置供电。例如，图11以1100展示了根据一些实施例的淹没在水体的表面1120以下的一种水转子1110。具体而言，水转子1110被附接至一个水上平台1130以向一个蓄电池1140供电。
根据一些实施例，由该水轮机产生的电能可以被出售、交易和/或以其他方式提供给多个消费者。在一些实施例中，例如这些电能的消费者可以利用电能来向不同的电气装置供电。在一些实施例中，该电能是与同用于产生电能的水轮机和/或方法的可再生和/或环境友好的性质相关联的多种动机和/或其他利益相关联的。消费者可以支付额外费用和/或例如以其他方式明确选择利用由水轮机产生的部分能量或全部能量(和/或代表由水轮机产生的电能的能量)。根据一些实施例，其他固有利益或外部效应可以是与利用水轮机和/或由其生产的“绿色”电能相关联的。
图12是根据一些实施例的具有多个侧向发电机的一种水轮机的前视图1200。当叶片1220、1222被水流推动时，一个轮轴1210可以移动。位于轮轴1210的两侧的一对发电机1270包括多个磁铁1272和不移动的静止线圈1274。当这些磁铁1272移过线圈1274时，将产生电流。要注意，针对在此描述的实施例可以提供许多变体和/或实现方式。例如根据一些实施例，叶片可以附接至被淹没的转鼓(并且因此致使这个被淹没的转鼓旋转)上。在其他实施例中，这些叶片可以旋转而这个被淹没的转鼓不旋转。根据一些实施例，发电机1270不是使用具有多个移动磁铁的一个轮缘而是实际上使用这个不移动的线圈1274两侧附接至该轮缘上的两个具有磁铁1272的圆盘。这样的方式可以提供一个直径大的发电机并且用于克制抵抗桨叶1220、1222的水压负载。发电机1270可以容纳在一种金属箱或玻璃纤维箱中。
根据其他实施例，可以将一个单一发电机放置在水转子的中心。例如，图13是根据一些实施例的具有一个中心发电机1370的一种水轮机的前视图1300。如前所述，当叶片1320、1322被水流推动时，一个轮轴1310可以移动。位于轮轴1310中心处的发电机1370包括多个磁铁1372和多个不移动的静止线圈1374。当这些磁铁1372移过线圈1374时，将产生电流。在这个实施例中，这两个外部圆盘可以包括风格化的浮力附件，并且整个中心的核心“静态”轮轴可以是附接至不移动的电枢或“线圈”保持辐条上的大管道(非实心)，这些磁铁围绕该管道旋转。中心轮轴1310可以定中心在转鼓内的一个管道中，该管道是内转鼓中心的一部分，一个核心管道作为转鼓的内侧的一部分横向地从一侧延伸到另一侧。例如，这个转鼓管道可以比静态轮轴大以便不产生干涉或摩擦。可以提供轴承来将发电机舱或圆盘与外部元素(即，水)密封隔离。
这样的转子可以提供一个20kW的发电机系统，其中该中央的大圆盘发电机1370能够在非常低的RPM下产生电效率。这种类型的发电机1370仅具有一个移动部分(为外转鼓和磁铁，因为它们滚转经过带有静态线圈的这个固定的、中心-辐条式电枢)。例如，该系统可以牢固地锚定到河床上，其中转子悬在水面下一个具有最大流速的深度处。于是电力可以经由一个水下缆线传导至用户社区。根据一些实施例，这样的系统可以是完全移动式的并且被设计成匹配在标准的货运拖挂车之中或之上。
图14展示了根据一些实施例的在多种水速下的潜在发电1400。要注意，在4mph的流速下，在此描述的一些实施例可以产生约20kW，在此情况下涉及200平面英尺(例如，10英尺乘20英尺)的扫过面积或迎面面积。随着流速增加，电力输出可以增加，如图表中指示的。要注意，一些实施例可以提供相对小的消费者使用单元，包括“船用滚栏(boater’s rollingfender)”水转子，这种水转子可以在处于缓慢流动的水流中时向锚定的船只提供电力。该可折叠装置可以投入水流中、自动充水、并且在水流中旋转。要注意，每单位“扫过面积”的电力输出是与相对该装置反映了高CoP的大小成线性地增大或减小的输出成比例地增加的。
在此描述的这几个实施例仅是出于展示的目的。本领域技术人员要注意，可以对在此描述的这些实施例作出不同的替换而不背离本发明的精神和范围。例如，虽然在此描述的是部署一个单一水转子的实例，但要注意，可以将多个实施例部署为水转子的集群，包括水平或竖直的转子列队、平行或相继的转子组、和/或2D或3D的转子矩阵。进一步要注意，一些实施例可以提供在水下基本上竖直取向的水转子(例如，代替如在此所主要描述的基本上水平的取向)。也就是，可以水平或竖直地、或以其间的任何方式使用多个实施例，只要它是朝向水流定向的即可。例如，水转子可以在以其侧面站立在转子“堆叠”中时进行工作(例如，只要面向角度和迎面扫过面积是与在此的描述一致)，例如在相对浅的水中。本领域技术人员还将从本说明中认识到，可以通过仅受限于权利要求书的多种修改和变更来实践其他的实施例。

Claims (25)

1.一种系统，包括：
一个转鼓，该转鼓淹没在水中并且沿着在该转鼓的第一侧上的一个第一点与该转鼓的与该第一侧相反的第二侧上的一个第二点之间的一条中心轴线水平地延伸；
三个曲线形叶片，这三个曲线形叶片附接至该转鼓上而使得这些叶片在有一个垂直于该轴线的水流作用于其上时是可操作来产生围绕该轴线的旋转的，其中每个叶片的、与该转鼓基本上相反定位的一个边缘部分限定了一个平面，该平面基本上平行于由该转鼓的、位于该边缘部分与该轴线之间的一个表面所限定的平面；并且
一个发电机，该发电机联接至该转鼓上以用于将由围绕该轴线的该旋转所产生的旋转能量转化成电能。
2.如权利要求1所述的系统，其中，由水力产生的该旋转包括该转鼓围绕该轴线的旋转。
3.如权利要求2所述的系统，其中，在水中该转鼓的旋转在该转鼓110上产生了向上或向下的提升力。
4.如权利要求3所述的系统，其中，该提升力包括麦格纳斯或萨窝纽斯提升力。
5.如权利要求1所述的系统，其中，每个叶片和该转鼓的最大高度基本上等于或大于该转鼓的直径。
6.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
一个第一侧向圆盘，该第一侧向圆定中心在该第一点处并且平行于该转鼓的第一侧；以及
一个第二侧向圆盘，该第二侧向圆盘定中心在该第二点处并且平行于该转鼓的第二侧，其中该第一和第二侧向圆盘延伸跨过了每个叶片的总高度与该转鼓之间的最大距离。
7.如权利要求6所述的系统，其中，该发电机包括联接至该第一侧向圆盘上的一个第一发电机和连接至该第二侧向圆盘上的一个第二发电机。
8.如权利要求7所述的系统，其中，这些发电机经由以下各项中的至少一项而联接至这些侧向圆盘上：(i)链条、(ii)齿轮、或(iii)摩擦联接器。
9.如权利要求1所述的系统，其中，该发电机的至少一部分位于该转鼓内。
10.如权利要求9所述的系统，其中，该发电机包括至少一个磁铁和至少一个导电线圈，它们由于围绕该轴线的该旋转而相对于彼此移动。
11.如权利要求1所述的系统，进一步包括随该转鼓一起被淹没的一个偏流板以便将该水流的至少一部分引导到由一个叶片限定的一个区域之中。
12.如权利要求11所述的系统，其中，该偏流板的一个实质性邻近于这些叶片的边缘部分是基本上定位在一个停驻平面处的或在其相反侧处的，其中该停驻平面上方的水流流过该转鼓并且该停驻平面以下的水流在该转鼓下方流动。
13.如权利要求11所述的系统，其中，该偏流板的一个实质性邻近于这些叶片的边缘部分限定了一个平面，该平面基本上平行于与由该转鼓的、位于该边缘部分与该轴线之间的一个表面所限定的平面。
14.如权利要求11所述的系统，其中，该偏流板包括基本上平行于该转鼓的第一侧的一个第一侧以及基本上平行于该转鼓的第二侧的一个第二侧。
15.如权利要求11所述的系统，其中，该偏流板包括一个上表面而使得水流在该偏流板上产生一个向下的力、并且包括一个下表面而使得水流在该偏流板上产生一个向上的力。
16.如权利要求11所述的系统，其中，该偏流板包括位于该转鼓前方的一个第一偏流板，并且进一步包括位于该转鼓后方的一个第二偏流板。
17.如权利要求1所述的系统，其中，该系统是漂浮的并且是经由至少一根柔性缆线而锚定到水下的一个底板上。
18.如权利要求17所述的系统，进一步包括与每根柔性缆线相关联的一个主动卷扬机。
19.如权利要求1所述的系统，其中，该系统比水重并且经由至少一根柔性缆线而系到该系统上方的一个点上。
20.如权利要求19所述的系统，其中，该点是与以下各项中的至少一项相关联的：(i)桥梁、(ii)船只、(iii)大坝、(iv)浮标、或(v)游艇。
21.如权利要求19所述的系统，进一步包括与每根柔性缆线相关联的一个主动卷扬机。
22.一种方法，包括：
部署一个淹没的水轮机，其中,该水轮机包括：
一个转鼓，该转鼓淹没在水中并且沿着在该转鼓的第一侧上的一个第一点与该转鼓的与该第一侧相反的第二侧上的一个第二点之间的一条中心轴线水平地延伸，
三个曲线形叶片，这三个曲线形叶片附接至该转鼓上而使得这些叶片在有一个垂直于该轴线的水流作用于其上时是可操作来产生围绕该轴线的旋转的，其中每个叶片的、与该转鼓基本上相反定位的一个边缘部分限定了一个平面，该平面基本上平行于由该转鼓的、位于该边缘部分与该轴线之间的一个表面所限定的平面，并且
一个发电机，该发电机联接至该转鼓上以用于将由围绕该轴线的该旋转所产生的旋转能量转化成电能；并且
接收来自该水轮机的电能；并且
输送该电能以用于向一个或多个电气装置供电。
23.如权利要求22所述的方法，进一步包括：
在输送该电能以供使用之前将该电能转化成一种不同的形式。
24.一种方法，包括：
利用电能来向一个电气装置供电，其中，该电能是由一个淹没的水轮机产生的，该水轮机包括：
一个转鼓，该转鼓淹没在水中并且沿着在该转鼓的第一侧上的一个第一点与该转鼓的与该第一侧相反的第二侧上的一个第二点之间的一条中心轴线水平地延伸；
三个曲线形叶片，这三个曲线形叶片附接至该转鼓上而使得这些叶片在有一个垂直于该轴线的水流作用于其上时是可操作来产生围绕该轴线的旋转的，其中每个叶片的、与该转鼓基本上相反定位的一个边缘部分限定了一个平面，该平面基本上平行于由该转鼓的、位于该边缘部分与该轴线之间的一个表面所限定的平面；以及
一个发电机，该发电机联接至该转鼓上以用于将由围绕该轴线的该旋转所产生的旋转能量转化成电能。
25.由一个淹没的水轮机产生的电能，其中，该淹没的水轮机包括：
一个转鼓，该转鼓淹没在水中并且沿着在该转鼓的第一侧上的一个第一点与该转鼓的与该第一侧相反的第二侧上的一个第二点之间的一条中心轴线水平地延伸；
三个曲线形叶片，这三个曲线形叶片附接至该转鼓上而使得这些叶片在有一个垂直于该轴线的水流作用于其上时是可操作来产生围绕该轴线的旋转的，其中每个叶片的、与该转鼓基本上相反定位的一个边缘部分限定了一个平面，该平面基本上平行于由该转鼓的、位于该边缘部分与该轴线之间的一个表面所限定的平面；以及
一个发电机，该发电机联接至该转鼓上以用于将由围绕该轴线的该旋转所产生的旋转能量转化成电能。
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