CN104185733A - 从移动流体中最大化提取能量的双循环流体驱动引擎 - Google Patents

Abstract

与从前的从移动流体提取能量的方法违背的基本原理-通过几个量阶增加使得提取的能量的数量超过现在所使用的方法和系统：大量移动流体的部分（图3A-流动）或其较大集合允许流入密封件（305）内；然后，整个流动体的速度减速至零，或几乎为零，而所述移动流体的能量的整个初始级转移至密封装置/减速装置（340）或直接转移至能量使用者。

Description

从移动流体中最大化提取能量的双循环流体驱动引擎

背景技术

现有技术中，用于从大量移动或流动的流体中提取能量的装置通常使用浸渍（immersion）在移动的流体中的一个或多个叶片。叶片连接于旋转轴。试图通过叶片的适当设计和定位来优化在流动流体中的能量提取。通过叶片从移动流体中提取的部分能量通过使连接于叶片的轴旋转一定的转矩进行传递，所述转矩通常为通过移动流体发生以下情况的一些能量形态，即该部分能量还足以为连接于轴的负载（例如泵、发动机等）提供一些能量。这中现有技术中的能量提取装置的例子有风轮机（wind turbine）、水轮机（waterturbine）、汽轮机（steam turbine）、桨轮（paddle wheel）等。

当这种现有技术的提取装置具有较长且成功的历史时，在某些情况下这种装置缺乏效率且缺乏其它方面的便利性。例如，公知的贝兹法则（Betz's law）表明风轮机理论上仅能够最大提取传入涡轮机的风能的59%。实际上，提取的能量从未超过理论上贝兹极值的70%-80%；因此，能够对运行的风轮机的期望的最佳情况是提取的能量在前面所述能量的41%-47%之间。风轮机（像太阳能机（solar extracter））为间歇性的，并且实际上大多数风轮机仅在风速约为2.5至25米/秒（m/s）时才能提取能量。迫于压力，本领域经验丰富的从业者承认，所有目前可见的这种装置的全部传输期望将不超过我们从用于发电的移动流体中提取的实际上可用的能量的约30%。最令人沮丧的消息包括海洋潮汐运动，并且来自“水力发电（hydro）”起源的能量几乎不包括任何能源的“有见识的”预测。

从海洋提取能量的最新的尝试是各种各样的“造波机（wave machine）”；每个造波机利用海浪的垂直升高作为输入以有时直接驱动发电机，或者通过各种形式的液压装置或气动装置驱动发电机。由于每个装置的微薄的收益（meager yield），这些装置常常分组串联或是组装在一个容器中的成列的单元。

整个领域的PR（资金筹措的基本工具）已变得纷乱，并且很难判定真相。各种尝试的实际结果来自到目前为止大声宣布的这些，即《大众机械（POPULAR MECHANICS）》2010年6月刊在其可再生能源优秀评论的情况下，在74页上提出的“神话5号-潮汐发电事业注定失败”。当尝试从各种波形设备产生一些我们所需的能量做出很大的努力时，至今仍没有环境组织意识到（伴随着恐惧）我们的海岸线将会变成怎样，并且无尽的浮标（bouy）和巨大的金属箱的铰链会将近海弄得伤痕累累。苏格兰已经宣布自身的“海洋能源领域之沙特王国（Saudi Arabia of Marine Power）”，并且在此做出值得称赞的努力来整理这个领域。他们列举了（通过www.bwea.com/marine，注意：“英国风能协会（bwea）”现在称为“英国可再生能源协会（RENEWABLESUK）”）从潮汐或者“洋流（currents）”提取能量的“三种主要方法”，即“贯流式水轮机（Cross Flow Turbines）”、“往复式水翼（Reciprocating Hydrofoils）”和“轴流式涡轮机（Axial Turbines）”。《大众机械》在2008年的《纽约东河》（New York's East River）发表了“轴流式风机组（至少3台）运行超过9000小时发电70,000千瓦时”；如果这是真的，那么每台轴流式涡轮机产生约70000/(3×9000)=2.6kwh。这样的涡轮机的“输出”在广告中表示且绘制为35kw。英国石油公司（British Petroleum）（现在因为另一个非常不幸的原因而出名）在不久前宣传其缩写BP为“超越石油（Beyond Petroleum）”。然后，也许并不出人意料的是，在虚拟的放弃（virtualabandonment）中，石油巨头们似乎要放弃除化石燃料外能够可能产生世界每年15,406兆瓦时（Tera Watt Hours）的用电量的大部分的希望。（2004美国中央情报局世界图书（CIA World Book））注：1兆瓦时TWhr=1,000,000,000,000瓦时（Watt Hrs）。很多知名能源组织还转载（mirror）英国下议院的科学技术办公室（the Office of Science and Technology of theBritish Commons）1995年的报告，该报告称只要可以提取海洋能量的0.01%，这些能量将等于全世界能量需求的5倍。

大量流体的移动（特别是在海洋中）可以产生我们需要的所有能量。该申请希望开启朝向从每个装置提取更好、更多的能源量的运动，并且有可能加快不可避免地得到结论：“是的，我们可以！主要的方式是，变得对化石燃料的依赖越来越少，现在开始……优势”。

作为目前的“主要努力”之间的区别大小的判断，以及该申请试图实现的是：

放置在普通的三脚架上的三台轴流式涡轮机组的横截面（例如在《大众机械》74页上所描绘的）朝向流体流动方向占据约50英尺宽（3×每个涡轮机15英尺宽）乘以大概30英尺高=1500平方英尺的矩形。由上述尺寸的矩形横截面和2.5米/秒的流速（显示的涡轮机看起来以2.5米/秒的流速运行）限定的流体体积具有约1,000kw的能量容量。三台涡轮机运转，如果以100%的效率不停止地运行，仅需要3×35=105kw，或者约十分之一（10%）。在现实生活中，可能三台大约35-50kw的涡轮机，或者可利用少于流动流体部分的二十分之一（5%）。如果我们的方法和系统的效率应用于此，风力仅升至30%，我们将多次订购比提取最少约330kw的现有“主要方法”好的等级。随着我们建立实际的组合和测量并且纠正我们的发展，我们坚信的是我们将达到50%和85%之间的效率，因此目前由三台涡轮机组占据的从相同的流体流动段提取500kw-850kw的产量被称为其中一种目前的“主要方法”。但是，即使我们的效率将只有30%，我们的方法和系统能够从海洋中提取的能量使得它们在可再生能源领域像永远不可消除的巨人。并且，不像会将我们的海岸和海洋变得很杂乱而不允许其简单配置的各种造波机，我们的系统能够完全放入水下，从海岸上或海上不可见，能够较深地放置在航道下方；如果需要，水密发电室（water tight electricity production chamber）可以是该单元的部分。

实用新型内容

该摘要的目的不在于区分所要求的主旨的所有关键特征或重要特征，而是在于用作确定所要求的主旨的整个范围。

所有实施方式基于关于能量和动量的转换（从一个粒子或主要的集合转移至另一个物体）的牛顿的启示：以自然给定的速度V移动的大量流体的被选择部分变得完全或几乎完全停止；“停止”装置接收（受益于）部分流动流体原有的所有动能（1/2mV²），并且传递该能量直接立刻用于有益的使用，或将该能量储存在能量器中用于后续使用。

部分流动流体使得流体通过密封件（管道）进入；该“管道”的横截面（平方英尺）和流动流体的速度的平方决定将提取的能量总量的级的阶。

非大质量的障碍（起到翼板的作用）封闭管道的整个横截面，并且安装在在像轨道的至少四个铁道上自由移动的滚子推车上-设置在流体流入方向的路线上-并且通过流入流体的流动在油缸内像活塞一样驱动。

在障碍推进至（或接近）流动流体的现有速度后，障碍减速至零（或接近零速度），使得管道（或任何其它密封装置）内的流体的整体在障碍减速至零（或接近零速度）之后也降至零速度（或接近零速度）,障碍所有或接近所有与能量相关的速度作用至减速装置。

实际中，所述减速装置可以是任何有效的系统，该系统提供较高效率的接收和将从所述障碍和所述障碍之后的管道（或其它密封媒介）内容纳的大量流体中提取的所有机械能量直接传递给使用者或直接传递给使用者后续从中提取能量的能量器。

在此处描述的多个这种减速装置中的两个：一个减速装置使用在所述障碍和输出飞轮之间的快速变化的齿数比；另一个减速装置允许通过与势能储存器（potential energy storage sink）进行能量交换使所述障碍停止，之后使用者从势能储存器中取出能量。

通过下面的描述和附属权利要求，本发明的这些和其它特征将变得更加显而易见，或通过下文所述本发明的实践可以理解本发明的这些和其它特征。

附图说明

为了进一步阐明本发明的一些示例性的实施方式的各个方面，本发明的更具体的说明将参考其在附图中图示的特定的实施方式进行描述。应该理解的是这些附图仅描述了本发明图示的实施方式，而不应理解为其限制本发明的范围。将通过附图的使用结合额外的说明和细节说明和解释本发明，其中：

图1图示流体的移动体积；

图2是说明从流动流体提取能量的方法的流程图；

图3A是能量提取器的俯视图；

图3B是图3A中的能量提取器的侧视图；

图4A图示在通风窗打开状态下的能够移动的障碍；

图4B图示在通风窗关闭状态下的能够移动的障碍；

图5A图示线轴的端视图；

图5B图示线轴的横截面侧视图；

图6图示旋转离合器组件的横截面端视图；

图7图示能量提取器的目前优选的实施方式，也称为“双循环运动流体驱动引擎”；

图8图示可选择的能量提取器的立体图；

图9图示能量储存和提取装置的示例；以及

图10是图示控制器的操作方法的示例的流程图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的结构将标以相同的附图标记。应当理解的是，附图为本发明的一些实施方式的图解和图示，并且既不用于限制本发明，也不需要按比例绘制。

图1示出流体100的移动体积。在至少一种实施方式中，流体为在任何外力作用下都连续变形或流动的物质。流体为物质的相的子集，并且包括液体、气体、等离子体和塑性固体（某种程度上）。具体地，流体展示出不抵抗变形的这种性能，或者展示出仅能轻微地（粘度）抵抗变形的性能以及流动能力（也被称作呈现容器形状的能力）的性能。流体的例子包括液体（例如水）和气体（例如空气）。

本领域技术人员将理解的是流体100具有质量（M）。此外，因为流体100是移动的，所以所述流体将具有速度（V）和相应的动能（KE），该动能（KE）可以利用KE=1/2*M*V²计算。此外，所述流体包括其他能量；并且可以被提取的流体100的能量为流体100的机械能。本领域技术人员将理解的是，流体100的速度将与流体100内的单个粒子的速度不同。即，单个粒子具有能够与流体100速度不同的速度。

在至少一种实施方式中，可以将流体100密封。具体地，流体100可以为较大流体流的一部分，该较大的流体流以某种方式约束以提取能量。例如，所述较大的流体流可以包括风、河水流、洋流、潮汐、废水或任何其他流体流。约束所述较大的流体的一部分可以允许更多可预测的能量提取。

图1示出流体100可以密封在管道105内。然而，本领域技术人员将理解的是，流体100可以以任何最方便的方式密封。例如，流体100可以密封在如管道105中全部或大部分侧面上。此外或可选择地，流体100可以通过表面阵列（array of surface）密封，该表面阵列构造为延迟流体100的流动或者构造为以某种方式限制流体100。

图1还示出流体100可以朝向能够移动的障碍110。在至少一种实施方式中，流体100和能够移动的障碍110之间的接触可以使得能够移动的障碍110沿管道105在入口115和出口120之间移动。随着能够移动的障碍110从入口115移动至出口120，流体100将机械能传递给能够移动的障碍110。

图1进一步示出能够移动的障碍110的机械能和在能够移动的障碍110后面的流体100的机械能可以被可变连接件（variable coupling）125提取为机械能。在至少一种实施方式中，储存在可变连接件125中的机械能可以包括旋转动能。

在至少一种实施方式中，可变连接件125首先轻微地作用在能够移动的障碍110上（提供相对较小的载荷），允许流体100进入管道105，流体100进入管道105的速度等于或近似等于在没有管道105和能够移动的障碍110时的流动速度。随着能够移动的障碍110通过流入的流体加速，能够移动的障碍110向右朝向出口120移动，并且可变连接件125以增加的方式增加自身载荷或者更强地作用于能够移动的障碍110，并且延迟能够移动的障碍110和流体100的移动或者对能够移动的障碍110和流体100的移动加载。如下所述，可变连接件125最终使得能够移动的障碍110和流体100的移动被约束在可变连接件125之后的止挡件（stop）上。

在至少一种实施方式中，停止管道105内的流体移动，通过连接件125将限制在流体100的体积内的机械能传递给负载130，如果负载130是飞轮，来自流体100的机械能传递至所述飞轮，并且所述飞轮的转动速度增加。在至少一种实施方式中，至少一个负载130可以连接至连接件125。其他载荷可以连接在连接件125内，并且增加的机械能的最终结果（net result）可以传递至负载130。

在至少一种实施方式中，负载130可以包括连接于电力网、泵或其他能量器的发电机。本领域技术人员将理解的是，负载130可以包括任何能够保持或者利用由流体100传递来的能量的设备。例如，负载130可以包括发电机、泵、势能储存设备（potential energy reservoir）或其他任何有用的工作执行设备（work performing device）。

图2是描述从流体中提取能量的方法200的流程图。在至少一种实施方式中，所述流动流体包含机械能，可以将该机械能提取为电能，或者所述机械能可以用于执行工作。本领域技术人员将理解的是，移动流体可以为图1中的移动流体100；然而，移动流体并不限于图1中的移动流体100。

图2示出的方法包括约束205流体。在至少一种实施方式中，被约束的流体为流动流体的第一部分。具体地，被约束的流体可以包括流动流体的可以用于能量提取的任意部分。例如，约束205流体可以包括在流动流体中设置管或管道。特别地，管道的顶部、底部和侧部可以封闭，而端部可以开放，从而使得流体可以从中穿过。此外或可选择地，如果不必利用一侧或多侧引导所述移动流体，那么所述管道可以为一侧或多侧开放。

图2还示出了方法200包括将能够移动的障碍设置210在被约束的流体中。在至少一种实施方式中，所述能够移动的障碍包括第一表面。具体地，所述第一表面可以构造为阻止流动流体。即，所述第一表面可以构造为在所述流动流体开始移动所述能够移动的障碍时提供能量转移。在至少一种实施方式中，所述能够移动的障碍设置在所述被约束的流体的路径中。具体地，所述被约束的流体被迫撞击所述能够移动的障碍的第一表面。由于所述被约束的流体环绕所述能够移动的障碍流动被阻止，所以这种设置可以允许最大的能量转移。

图2还示出了方法200包括使所述第一表面暴露于215被约束的流体的流动。在至少一种实施方式中，使所述第一表面暴露于215被约束的流体的流动可以出现在第一位置处。具体地，所述第一位置可以在所述流体被约束的位置附近。例如，如果所述流体被约束在管道中，那么所述第一位置可以在管道开口处或管道开口的附近。

在至少一种实施方式中，使所述第一表面暴露于215被约束的液体的流动包括关闭一个或多个通风窗（louver）。具体地，通风窗可以包括抗压表面和边缘。所述抗压表面可以构造为与相邻的通风窗对齐以形成大致不透流体的表面。相反地，所述边缘构造为为流体提供最小的阻力。所述通风窗可以布置为根据需要增加或减小对所述被约束的流体的阻力。

在至少一种实施方式中，第一被约束的流体移动所述能够移动的障碍。具体地，所述第一被约束的流体增加所述能够移动的障碍的速度。如果第一能够移动的障碍保持在所述被约束的流体中足够久，那么所述第一能够移动的障碍获得流动流体的速度或者接近流动流体的速度。即，所述被约束的流体在所述能够移动的障碍的后面不受约束地或几乎不受约束地流动。

图2还示出了方法200可以包括使所述能够移动的障碍减速220。在至少一种实施方式中，所述能够移动的障碍在第二位置处减速至零或接近零。对所述能够移动的障碍减速将所述能够移动的障碍和所述被约束的流体的机械能转移至减速机构。随后转移的能量可以转换成电能或其他任何可用形式的能量。

在至少一种实施方式中，方法200还可以包括将第二能够移动的障碍设置在流动流体中。具体地，所述第一能够移动的障碍和所述第二能够移动的障碍可以构造为随着所述流体的流动或逆着所述流体的流动反向移动。例如，所述第一能够移动的障碍朝向所述第一位置移动，而所述第二能够移动的障碍朝向所述第二位置移动，反之亦然。

本领域技术人员将理解的是，为了此处公开的本步骤和其他步骤以及方法，所述步骤和方法中实现的功能可以以其他顺序实施。此外，大纲步骤和操作仅作为实施例提供，并且所述步骤和操作中的一些可以为可选择的，可以结合成更少的步骤和操作，或者在不脱离所公开的实施方式的实质的情况下，可以扩展为额外的步骤和操作。

图3A和图3B示出能量提取器300。图3A示出了能量提取器300的俯视图；并且图3B示出了能量提取器300的侧视图。在至少一种实施方式中，能量提取器300可以用于从移动流体中提取能量。本领域技术人员将理解的是，所述移动流体可以为图1中的移动流体100；然而，所述移动流体并不局限于图1中的移动流体100。

图3A和图3B示出了能量提取器300可以包括两个管道305a和305b（统称“管道305”）。具体地，管道305的顶部、底部和侧部封闭，而端部开放，从而使得流体可以从中流过。此外或可选择地，如果一侧或多侧不必用于引导所述移动流体，那么可以开放管道305的一侧或多侧。如图3A和图3B所示，管道305可以并排布置，或者可以一个管道设置在另一个管道上方。

图3A和图3B示出了能量提取器300可以包括两个能够移动的障碍310a和310b（统称“能够移动的障碍310”），能够移动的障碍310a和310b可以构造为随着或逆着管道305内的流体流反向移动。具体地，能够移动的障碍310b朝向管道305b的入口移动，而能够移动的障碍310a朝向管道305a的出口移动，反之亦然。

图3A和图3B示出了能够移动的障碍310可以由多个滚子315分别支撑在各自的管道305中。具体地，滚子315可以将能够移动的障碍310限制在管道305内，并且可以允许能够移动的障碍310在管道305内以最小的阻力移动。本领域技术人员将理解的是，如下所述，允许能够移动的障碍310以最小的阻力移动将保留较大的能量提取量。

图3A和图3B示出了能量提取器300可以包括位于管道305之间的空间内的导向件320（例如链环或线缆环）。在至少一种实施方式中，导向件320延伸管道305的长度，并且由一对可旋转的链轮325支撑，该链轮325设置在管道305的端部。具体地，链轮325可以保持导向件320拉紧。此外或可选择地，链轮325可以允许导向件320按照要求容易地移动。

图3A和图3B示出了能够移动的障碍310还可以包括指状件330a和330b（统称“指状件330”），指状件330a和330b穿过槽335a和335b（统称“槽335”）朝向管道305之间的空间延伸并且与导向件320接触。在至少一种实施方式中，指状件330和导向件320一起工作，以确保能够移动的障碍310相对于彼此反向移动。具体地，能够移动的障碍310的移动与导向件320同步。指状件330a插入导向件320的下部或与导向件320的下部相连。指状件330b插入导向件320的上部或与导向件320的上部相连。因此，当能够移动的障碍310a朝向管道305a的出口移动时，导向件320的下部也朝向管道305a的出口移动；并且当能够移动的障碍310b朝向管道305b的入口移动时，导向件320的上部也朝向管道305b的入口移动。因此能够移动的障碍310由导向件320驱动且被限制为沿相反方向移动。

图3A和图3B示出了能量提取器300可以包括设置在管道305外部的轴340。具体地，轴340可以靠近管道305的入口，并且可以穿过两根管道305延伸。在至少一种实施方式中，轴340由固定于刚性支撑件（如管道305的外壁）的轴承345支撑。图3A和图3B示出了轴340可以连接能量提取和储存设备350。如下所述，能量提取和储存设备350构造为随着轴340的旋转提取能量。

图3A和图3B示出了能够移动的障碍310a和310b可以包括多个能够移动的的通风窗355a和355b（统称“通风窗355”）。在至少一种实施方式中，通风窗355可以在关闭位置和打开位置之间移动。具体地，当能够移动的障碍310随着流体流向下游移动时，通风窗355是关闭的，并且当能够移动的障碍310随流体流向上游移动时，通风窗355是打开的。例如，通风窗355可以包括抗压表面和边缘。所述抗压表面可以构造为与相邻的通风窗对齐，以形成基本上不透流体的表面。相反地，所述边缘构造为为流体提供最小的阻力。

图3A和图3B示出了管道305可以包括分别位于管道305a和305b的入口处的止挡件360a和360b（统称“止挡件360”）和位于管道305a和305b的出口处的止挡件365a和365b（统称“止挡件365”）。在至少一种实施方式中，止挡件360和止挡件365设置为穿过管道305的入口和出口的下部。如下所述，当能够移动的障碍310a和310b在到达其位于管道305出口处的行程端部时，推杆370a和370b（统称“推杆370”）分别对止挡件365施加推力，使得通风窗355a和355b打开。如下所述，当能够移动的障碍310达到位于管道305的入口处的行程端部时，推杆370对止挡件360施加推力，使得通风窗365关闭。

图3A和图3B示出了能量提取器300可以包括线375a和375b（统称“线375”），线375在靠近锥形线轴380a和380b（统称“线轴380”）的位置处连接于轴340，锥形线轴380连接于轴340。线375a和375b还分别通过支架385a和385b（统称“支架385”）连接于能够移动的障碍310a和310b。在至少一种实施方式中，线轴380的表面可以设置有螺旋槽，以引导线375并防止线375在重新缠绕在线轴380上时滑脱。

本领域技术人员将理解的是，线375、能量提取和储存设备350、轴340以及线轴380可以形成图1中的可变连接件125和负载130；然而图1中的可变连接件125和负载130并不局限于线375、能量提取和储存设备350、轴340以及线轴380。

在至少一种实施方式中，由于以第一速度拉动线375a或线375b，连接线轴380的有效直径减小，因此增大了轴340的以相对于第一速度不断增长的速度的旋转。随着流体进入管道305，流体将以初始速度V1移动。随着流体撞击能够移动的障碍310，速度降低至较小的V2。流体速度的减小表示流体的机械能减小。由于能量被保存，所以这种流体机械能的减小通过线375传递至轴340，从而增大轴340内的机械能。例如，如果能量提取和储存设备350包括飞轮，该飞轮的旋转速度（即机械能）增加的量等于变慢的流体和能够移动的障碍310所呈现的机械能减小量。

将通过实施例而非限制的方式描述能量提取器300的操作。流体流的出现通过流体流的机械能将能够移动的障碍310a推向管道305a的出口（图3A的上部，图3B的左部）。能够移动的障碍310a向线375a（线375a与线轴380a的锁定状态接合）施加张力，并推动轴340以增大的较高的速度相对于由能量提取和储存装置350施加的负载旋转。对于能量提取和储存设备350内的旋转的快速增加的惯性阻力增加了能够移动的障碍310上的“反拉力”，减缓能够移动的障碍310移动，并因此减缓穿过管道305a的水的流动；这种在管道内增加旋转轴340的力的同时作用、减缓甚至停止流动的结合将流体的机械能传递至能量提取和储存设备350。能够移动的障碍310a的初始动能也降低，并且与所述能够移动的障碍的质量有关的机械能也传递至能量提取和储存设备350。

随着能够移动的障碍310a朝向管道305a的出口移动，指状件330a迫使导向件320旋转。随着导向件320的旋转，导向件320迫使指状件330b朝向管道305b的入口移动，并因此迫使能够移动的障碍310b朝向管道305b的入口移动。如下所述，随着能够移动的障碍310b朝向管道305b的入口移动，线轴380b在轴340上旋转，从而线375b缠绕在线轴380b上。

如下所述，当能够移动的障碍310a到达止挡件365a时，推杆370a使得能够移动的障碍310a上的通风窗355a打开。如下所述，与此同时，推杆370b推动止挡件360b，从而关闭能够移动的障碍310b上的通风窗355b。现在流体流向能够移动的障碍310b施加作用力，迫使能够移动的障碍310b朝向管道305b的出口移动，并且转动轴340，从而将机械能传递至能量提取和储存设备350。这种周期无限重复。

如下文中结合能量提取和储存设备350的描述，随着能够移动的障碍和流体完全停止，所述能够移动的障碍和流体的所有机械能被提取出。当能够移动的障碍310a减速向下游移动时，旋转能通过线375a、线轴380a和轴340传递给能量提取和储存设备350。当能够移动的障碍310a减速向上游移动时，线375b、锥形线轴380b和轴340同样传递给能量提取和储存设备350。这些旋转能被能量提取和储存设备350提取为发电机等的旋转能。

当通风窗关闭的能够移动的障碍在管道内移动时（可能从几英尺至上述安装的最佳长度），所述能够移动的障碍后面的所有流体被收集，并且以与能够移动的障碍相同的速度移动。从而应用公知的动能、质量和速度之间的关系，即，提取的能量等于能够移动的障碍310和收集的流体的总质量的一半乘以流体和能够移动的障碍310的最高速度的平方减去流体和能够移动的障碍310的初速度的平方。如下所述，这种动能传递至能量提取和储存设备350。

当能够移动的障碍310a上的通风窗355a或能够移动的障碍310b上的通风窗355b打开时，从入口移动穿过管道305a或管道305b到管道305a或管道305b的出口的流体表现出在能够移动的障碍返回轴340时拖拽能够移动的障碍310。这种能够移动的障碍返回时的拖拽降低了能量提取器300的整体效率。这种性能的降低可以通过在管道305ahe305b的入口分别设置额外的通风窗390a和390b（统称“通风窗390”）来避免。这些额外的通风窗390防止流体流动抵抗能够移动的障碍310返回。通风窗390可以由电机驱动并且通过控制器395a和395b（统称“控制器395”）控制，或者通风窗390可以连接于与通风窗355相同的部件，并且相对于通风窗355被驱动。

按照如下操作通风窗组件390a和390b：当能够移动的障碍310a朝向管道305a的入口移动时，能够移动的障碍310a上的通风窗355a打开，并且通风窗组件390a关闭，从而防止在能够移动的障碍310返回管道305a的入口时，任何流体朝向能够移动的障碍310a移动。当能够移动的障碍310a从管道305a的入口移开时，能够移动的障碍310a上的通风窗355a关闭，并且通风窗组件390a打开，允许流体流的全部作用力朝向能够移动的障碍310a和管道305a的入口。当能够移动的障碍310a返回入口时关闭管道的入口防止水流进入所述管道，并且防止流体朝向能够移动的障碍310a的大部分冲击。通风窗390b与管道305b中的能够移动的障碍310b的动作相似。实际上，这种动作可以增加打开的管道内的流速，增加可以提取的机械能。

图4A和图4B示出能够移动的障碍，例如图3A和图3B中的能够移动的障碍310。图4A示出通风窗355打开的能够移动的障碍；以及图4B示出通风窗355关闭的能够移动的障碍310。如下所述，在至少一种实施方式中，能够移动的障碍310可以用于传递流动流体中的机械能。

图4A和图4B中，通风窗355可旋转地连接于指状件405。在至少一种实施方式中，指状件405可旋转地连接于杆410。当杆410在其下部位置时，指状件405和通风窗355顺时针旋转，使通风窗355位于“打开”位置。当杆410在其上部位置时，指状件405和通风窗355逆时针旋转，使通风窗位于“闭合”位置。

能够移动的障碍还包括能够移动的推杆组件370。当推杆370推向能够移动的障碍310时，杆410被向下推动，使通风窗355位于其打开位置。当推杆370推向能够移动的障碍310时，杆410被向上推动，使通风窗355位于其关闭位置。当通风窗355打开时，通风窗355提供对流体的最小阻力，并且流体在通风窗之间自由地流动。当通风窗355关闭时，该通风窗防止流体流过，并且流体对通风窗355的压力趋向于将通风窗355保持在关闭位置。

图5A和图5B示出线轴380的放大图。图5A示出线轴380的端视图；以及图5B示出线轴380的剖视侧视图。本领域技术人员将理解的是，线轴380可以设置可变连接件，例如，图1中的可变连接件125；然而图1中的可变连接件125并不局限于线轴380。

图5A和图5B示出了线轴380可以包括在轴340上旋转的外锥形截面。螺旋弹簧505设置在线轴380中的开放区510内。弹簧505环绕轴340。在弹簧505的内端，弹簧505通过稳固连接515（captive connection）（例如，焊接、螺纹连接、夹持等）固定于轴340。弹簧505通过相似的连接520固定于线轴380。因此，随着轴340在线轴380内旋转，弹簧505更紧或更松地缠绕在轴340上。弹簧505为预张紧的，从而当没有相对旋转力施加到线轴380和轴340时，弹簧505呈现平衡位置。根据弹簧505的预张紧，所述平衡位置可以为紧紧地缠绕或者基本不缠绕。

图5A和图5B示出了线轴380可以包括单向旋转离合器组件525。如下所述，离合器组件525仅允许线轴380沿一个方向在轴340上旋转。弹簧505定向且预张紧，从而当线轴380旋转预定次数并之后松开时，弹簧505将迫使线轴380回到其相对于轴340的初始旋转位置。

图6是旋转离合器组件525的剖视端视图。在至少一种实施方式中，旋转离合器组件525包括在线轴380内。离合器525包括外套筒605、内轴610、多个圆柱销615和多个朝向套筒605推动销615的压缩弹簧620。在一些设计中，用球替换销615。当轴610逆时针旋转时，套筒605朝向弹簧620摩擦地推动销615。当弹簧620压缩时，销615提供轴610和套筒605之间的松配合，并且轴610在套筒605内自由地旋转。当轴610顺时针旋转时，弹簧620迫使球615朝向套筒605，形成楔形，该楔形将轴610和套筒605锁定在一起，防止二者之间的任何相对转动。

图7示出可选择的能量提取器700的示例。在至少一种实施方式中，能量提取器300可以用于从移动流体中提取能量。本领域技术人员将理解的是，移动流体可以为图1中的移动流体100；然而，移动流体并不局限于图1中的移动流体100。

图7描述了当前的优选实施方式；图7示出了能量提取器700可以包括设置在移动流体内的两个或多个相邻的管道705a和705b（统称“管道705”）。具体地，管道705的顶部、底部和侧部可以封闭，而端部可以开放，从而流体可以流过管道705。此外或可选择地，如果不是必须为移动流体导向，那么管道705的一侧或多侧可以是开放的。如图7A和图7B所示，管道705可以并排设置，或者一个设置在另一个的上方。

图7还示出了能量提取器700包括设置在管道750a和705b内的轨道710a和710b（统称“轨道710”）。在至少一种实施方式中，轨道710基本平行于管道705内的流体流。具体地，管道705可以引导流体流，并且轨道710可以与流体流的方向对齐。

图7还示出了能量提取器700可以包括分别位于管道750a和705b内的能够移动的障碍715a和715b（统称“能够移动的障碍715”）。在至少一种实施方式中，能够移动的障碍715构造为随着管道705内的流体或逆着管道705内的流体反向移动。具体地，能够移动的障碍715b朝向管道705b的入口移动，而能够移动的障碍715a朝向管道705a的出口移动，反之亦然。

图7还示出了能够移动的障碍715a和715b可以分别被滚子推车（rollertrolleys）720a和720b（统称滚子推车720）支撑在各自的管道705中。具体地，滚子推车720可以限制管道705中的能够移动的障碍715，并且可以允许能够移动的障碍715在管道705内以最小的阻力移动。本领域技术人员将理解的是，允许能够移动的障碍715以最小的阻力移动将保留用于提取的最多的能量。

图7还示出了可以在管道705之间的空间内设置导向件725（如链环或线缆环）。在至少一种实施方式中，导向件725在管道705的长度上延伸，并且由一对可旋转的链轮730支撑，链轮730位于管道705的一端。具体地，链轮730可以保持导向件725张紧。此外或可选择地，链轮730可以允许导向件725按照需要容易地移动。

图7还示出了能够移动的障碍715a和715b可以包括多个能够移动的的通风窗735a和735b（统称“通风窗735”）。在至少一种实施方式中，通风窗735可以在关闭位置和打开位置之间移动。具体地，当能够移动的障碍715随流体流向下游移动时，通风窗735关闭，并且当能够移动的障碍715随流体流向上游移动时，通风窗735打开。例如，通风窗735可以包括抗压表面和边缘。所述抗压表面可以构造为与相邻的通风窗对齐，以形成基本不透过流体的表面。相反地，所述边缘可以构造为向流体提供最小的阻力。

图7还示出了能够移动的障碍715a和715b可以分别包括缓冲器740a和740b（统称“缓冲器740”）。在至少一种实施方式中，缓冲器740a和740b可以分别与减速器745a和745b（统称减速器745）接触。具体地，缓冲器740可以防止能够移动的障碍715和减速器745之间的任何接触，以防止损害能够移动的障碍715。

在至少一种实施方式中，减速器745构造为使能够移动的障碍745减速。具体地，所述减速器连接于轨道710。因此，减速器745可以获得能够移动的障碍715的机械能，并且密封推动能够移动的障碍715的流体。例如，减速器745可以包括弹簧和其他势能储存系统，或者其他构造为减速能够移动的障碍715的设备，本领域中有该设备的多种实施方式。

图7还示出了减速器745a和745b分别连接于齿条750a和750b（统称齿条750）。在至少一种实施方式中，齿条750a支撑在支撑滚子755a和单向离合齿轮760a之间，齿条750b支撑在支撑滚子755b和单向离合齿轮760b之间。由于缓冲器740与减速器745接触并使减速器745变形，齿轮760和齿条755将减速器745保持在变形位置，（通过棘轮751等实现），因此保留施加给减速器745的机械能。由于障碍715b开始其朝向管道705b入口的返程，缓冲器740已经从变形的减速器745b获得足够的余隙，障碍715b的进一步移动通过线缆752的张紧释放棘轮751，线缆752将障碍715连接至棘轮751。这种释放导致了减速器745b被回弹至其未变形位置而“释放”（fire）。

快速膨胀抽拉架750b朝向管道705b的入口，从而旋转（此处为逆时针）单向离合齿轮760b，并且将减速器745b从障碍715b和障碍715b后面的聚集在管道705b内大量流体提取的能量储存在输出轴340中。

图7示出了轴340可以连接于飞轮765。因此，飞轮765可以连接于负载（理想的是无限变形离合器775），负载将旋转能提取为电能或其他可用的能源。飞轮765以及连接于飞轮765的元件可以设置在水密围隔中，而轴340通过标准的水密旋转密封进入水密围隔中；可以增加较小的空气泵，以保持所述围隔的内部压力稍高于外侧流体的压力，以保证内部干燥。

图8示出可选择的能量提取器800的立体图。在至少一种实施方式中，能量提取器800可以用在退潮和流动的流体（例如海洋潮汐、改变方向的风等）中。能够移动的障碍805限制为在虚线所示的框架810内移动，框架810设置在管道815中。能够移动的障碍805由多个滚子820支撑。能够移动的障碍805包括第一表面825a和与该第一表面相对的第二表面825b。在至少一种实施方式中，能够移动的障碍805通过流体流在第一方向上移动，所述流体流在第一方向上推动第一表面825a。当所述流体流的方向改变时，所述能够移动的障碍通过流体流在第二方向上移动，所述流体流在第二方向上推动第二表面825b。

图8示出了能量提取器800可以包括轴240，轴240由安装在框架810上的轴承245支撑。在至少一种实施方式中，轴240连接于能量储存和提取装置350，能量储存和提取装置350储存其接收的能量或可以将能量提取为电能或其它可用形式的能量。

图8还示出了能量提取器800可以包括安装在轴830上的一对圆锥形的线轴380a和380b。在至少一种实施方式中，如上所述，线轴380a和380b运转以储存由被约束的流体给予能够移动的障碍的机械能。一对线375a和375b的一端通过支架385a和385b固定于翼板805。线375a和375b的另一端分别固定于线轴380a和380b。

图8还示出了能量提取器800可以包括转盘830。在至少一种实施方式中，转盘800能够支撑能量提取器，以使得能量提取器转动至相对于通过管道815的流体流动的最佳方向。一对可沉入水中的双体外壳835（submergiblecatamaran hull）可以用于帮助相对于流体的流动方向对齐管道815。可选择的驱动源840可以用于相对于流体流动定位管道815。可选择的驱动源840从潜入流体中的风向标装置（weather vane-like device）获取定向命令，可选择的驱动源840可以用于定向管道815。

在操作中，能够移动的障碍805在管道815内往复横穿响应于流体流入和流出管道815。如上所述，线轴380a和380b交替运行以转动轴240并且重新缠绕线375b和375a。如上所述，能够移动的障碍805运动减缓获得的机械能也与减速流体产生的机械能一起传递至装置350。

图9示出能量储存和提取装置350的示例。在至少一种实施方式中，能量储存和提取装置350可以用于增加旋转轴340需要的转矩。具体地，其通过线轴380增加的直径以减缓能够移动的障碍的移动。通过减缓所述能够移动的障碍的移动，在包括能够移动的障碍和限定在能够移动的障碍后面的流体的集合的移动中显示的机械能反映为施加在轴340上增加的转矩。这种增加的转矩由能量储存和提取装置350吸收。

图9示出了能量储存和提取装置350可以包括固定于轴340的齿轮905。在至少一种实施方式中，齿轮905驱动齿轮910；齿轮910支撑在轴915和飞轮920上。轴915驱动发电机925a，发电机925a的输出连接于负载930。轴915通过发电机925a连续并且穿过离合器935和第二发电机925b以及预定数量的后续的离合器935b和发电机925c。尽管轴915穿过第二发电机925b，但是其仅在离合器935激活时连接于发电机925b。即，当离合器935未激活时，轴915在其穿过发电机925b时转动，而不在发电机925b内转动转子。因此，当离合器935未激活时，发电机925b不传递任何能量给负载930，也不在轴915上建立转矩负载。当离合器935激活时，轴915在发电机925b内转动转子并且使得转子传递能量给负载930，而同时提供额外的转矩负载给轴915。

在至少一种实施方式中，飞轮920储存机械能并且与发电机925a一起提供初始惯性阻力给加速度，该加速度为线轴380将利用的加速度。离合器935由控制装置940电激活。离合器935通过发电机925c连接于发电机925b，发电机925c安装于轴915上的飞轮。当收到控制装置940的指示时，离合器935连接于轴915并且向发电机925a的轴施加转矩，或者离合器935在轴915上滑行并且不向发电机925a施加转矩。当离合器935旋转地连接于轴915时，发电机925a转动并且产生电流，该电流施加在负载930上，增加轴915的转动。随着控制装置940激活额外的离合器935，额外的发电机925a施加更多的电流在负载930上，使得轴915上产生更大的抗扭。负载930可以为电力网、泵或设置为使用电能的很多其它设备中的任何一种。

图9示出了能量储存和提取装置350可以包括速度和位置传感器945。例如，传感器945可以包括绝对位置光编码器或绝对位置磁编码器。传感器945监控能够移动的障碍和被约束的流体的位置和速度。传感器945连接于控制装置940，该控制装置940设置为在预定的条件下激活离合器935。

在至少一种实施方式中，由于能够移动的障碍在流动流体的影响下开始移动，由能量储存和提取装置350施加的拉力较小。这允许流体以不受阻的状态或接近不受阻的状态流动。当能够移动的障碍到达它们的行程端部时，需要将它们的速度降至接近零，以将在能量提取器中和挡在它们后面的流体中的机械能变化的最大量传递给轴340。因此，越多的发电机925联机设置，从而当对施加在轴340上的扭矩施加阻力时，增加传递给负载930的电量，并且减缓能够移动的障碍的移动。

图10是图示控制装置940的操作方法的示例的流程图。开始，框1000，重置控制装置940。然后，读取传感器，框1005，并且决定能够移动的障碍的位置和速度。如果在任何预定位置的速度太高，框1010，控制装置940激活其一个离合器，将一个发电机连接于轴915，框1015，以及再次读取所述传感器，框1005。如果在任何预定位置的速度太低，框1020，控制器松开其中一个离合器，断开一个发电机，框1025，以及再次读取所述传感器，框1005。如果能够移动的障碍的速度既不太快也不太慢并且能够移动的障碍不在其行程的端部，框1030，再次读取所述传感器，框1005，继续循环。如果能够移动的障碍在其行程的端部，框1030，重置控制装置940，框1035，再次读取传感器，框1005。通过图10中的指令和查询的进程在实施方式的操作过程中无限循环。

图11A、图11B和图11C示出流动方向检测开关1100的示例。在至少一种实施方式中，流动方向检测开关1100可以监测流体流动的方向并且相应地构成能量提取器。具体地，开关1100可以确保能量提取器使得通过由能量提取器的调节部提取的能量的总量最小化，并且形成对例如在潮汐逆转流动的过程中改变流体流动方向的自动检测的能力。

明显地，图7中的装置将修改为当潮汐从一端到另一端变化重新定位管道的入口时具有减速器，该减速器设置为障碍715能够存放由移动流体在管道的任意一端带入管道内的能量，或者修改为当潮汐从一端到另一端变化重新定位管道的入口时在激活状态下障碍715能够存放通过移动流体在管道的任意一端带入管道内的能量。结合图11A、图11B和图11C的这样的或相似的修改允许并且自动不停止从移动流体提取的能量的运行，除了例如潮汐方向。如上所示和所描述的，这样也能够通过将装置放置在像圆形的铁道上并且使得实施方式单向运行而获得。

图11A、图11B和图11C示出了开关1100可以包括两个叶片1105a和1105b（合称为“叶片1105”）。在至少一种实施方式中，叶片1105定位以使得当一个叶片暴露于流动流体时，另一个叶片对流动流体提供最小的阻力。具体地，叶片1105可以定位为相互垂直，以使得一个叶片暴露于流动流体而另一个叶片在流动流体的边缘上。图11B示出当第一叶片1105a暴露于流体时第二叶片1105b对流体几乎不提供阻力。图11C显示当第二叶片1105b暴露于流体时第一叶片1105a对流体几乎不提供阻力。

图11A、图11B和图11C还示出开关1100可以包括轴1110。在至少一种实施方式中，当流动方向改变时，轴1110通过叶片1105转动。具体地，叶片1105连接于轴1110。当流动方向改变时，轴1110转动，改变轴1110的方向。本领域技术人员可以理解的是，如果轴1110仅限于转动90°，然后其中一个叶片1105将一直暴露于流体并且另一个叶片将一直在流体的边缘。

图11A、图11B和图11C示出开关1100可以包括连接于轴1110的两个驱动把手1115a和1115b（合称为“驱动把手1115”）。在至少一种实施方式中，驱动把手1115构成以使得它们能够决定当能够移动的障碍310推动开关1100时在能够移动的障碍310内的通风窗355打开或关闭。具体地，如果流动流体为图11B所示的方向，然后驱动把手1115a将与杠杆臂1120a接触，关闭所述通风窗。相反地，如果流动流体为图11C所示的方向，然后驱动把手1115b将与杠杆臂1120b接触，打开所述通风窗。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其它具体的形式实施。以上描述的实施方式所有方面仅认为是作为说明而不起限制作用。因此，本发明的范围通过附属权利要求而不是前面的描述指出。在权利要求的等同含义和范围内的所有变化包括在它们的范围内。

Claims (19)

1.用于从移动流体流提取机械能的方法，该方法包括：

密封装置，进来的流体进入该密封装置；

减速装置，其中，该减速装置将密封的流体的速度降低至接近零速度，所述进来的流体中所有的或几乎所有的初始的机械能转移至所述减速装置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述减速装置是惯性能量器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述减速装置是势能器。

4.用于从移动流体提取能量的系统，该系统提供密封装置，

其中，该密封装置包括：

能够移动的分隔物，其中所述能够移动的分隔物包括表面；

其中，所述能够移动的分隔物构成为放置在流动流体中，以使得所述流动流体倾向于向下游移动所述能够移动的分隔物；

重新定位装置，其中，该重新定位装置包括上游端和下游端；

其中，所述能够移动的分隔物连接于所述重新定位装置；

第一导向装置，其中，该第一导向装置在所述重新定位装置的上游端将所述能够移动的分隔物的所述表面定向为基本垂直于所述流动流体的流动；

其中，所述能够移动的分隔物在所述流动流体中沿所述重新定位装置从所述上游端向下游移动至所述下游端；以及

第二导向装置，其中，该第二导向装置在所述重新定位装置的下游端将所述能够移动的分隔物的所述表面定向为基本平行于所述流动流体的流动；

其中，所述能够移动的分隔物在所述流动流体中沿所述重新定位装置从所述下游端向上游移动至所述上游端。

其中，所述能够移动的分隔物包括与所述减速装置的连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述减速装置包括：

连接装置，其中，该连接装置将来自所述能够移动的分隔物和所述流动流体的能量转移至能量器。

6.根据权利要求4所述的系统，该系统还包括：

提供管道；以及

将所述能够移动的分隔物、所述重新定位装置、所述第一导向装置和所述第二导向装置放置在所述管道内，

其中，所述管道定向为，所述管道内的所述流动流体使所述能够移动的分隔物沿所述重新定位装置移动。

7.根据权利要求4所述的系统，该系统还包括：

第二管道；以及

第二能够移动的分隔物，其中，该第二能够移动的分隔物放置在所述第二管道内。

8.根据权利要求7所述的系统，其中：

当所述第二能够移动的分隔物向下游移动时，所述第一能够移动的分隔物向上游移动；以及

当所述第二能够移动的分隔物向上游移动时，所述第一能够移动的分隔物向下游移动。

9.根据权利要求5所述的系统，该系统还包括在所述管道入口处的通风窗组，其中，该通风窗组构成为：如果所述能够移动的分隔物向下游移动，所述通风窗组打开；以及如果所述能够移动的分隔物向上游移动，所述通风窗组关闭。

10.根据权利要求6所述的系统，该系统还包括可转动支撑，其中，该可转动支撑允许所述管道的轴线重新定向。

11.根据权利要求5所述的系统，其中，所述能量器包括飞轮、泵或者发电机中的一者。

12.根据权利要求4所述的系统，该系统还包括第二能够移动的分隔物。

13.根据权利要求4所述的系统，该系统还包括一个或多个枢轴，其中，该一个或多个枢轴将所述能够移动的分隔物连接于所述重新定位装置。

14.根据权利要求4所述的系统，该系统还包括一个或多个滚轴，其中，所述一个或多个滚轴构成为有助于所述能够移动的分隔物沿所述第一导向装置和所述第二导向装置的移动。

15.根据权利要求4所述的系统，其中，所述连接装置包括：

轴，其中，该轴包括：

线轴，该线轴具有弹簧；和

单向离合器；以及

线，其中：

所述线的第一端连接于所述轴并且设置为缠绕在所述线轴上和从所述线轴释放；

所述线的第二端连接于所述能够移动的分隔物，其中：

所述能够移动的分隔物沿第一方向的移动使得所述线从所述线轴释放并且所述离合器夹紧所述轴，从而推动所述轴转动；以及

所述能够移动的分隔物沿第二方向的移动，所述弹簧使得所述线重新缠绕在所述线轴上，并且所述离合器与所述轴分离。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述线轴的形状为圆锥形，其中，所述圆锥形用作所述能够移动的分隔物的移动和所述轴的转速之间的可变齿数比。

17.根据权利要求4所述的系统，其中，所述能够移动的分隔物包括释放装置，其中，当所述能够移动的分隔物到达所述下游端时，所述释放装置释放推向所述能够移动的分隔物的表面的所述流动流体。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述释放装置包括能够移动的通风窗。

19.根据权利要求4所述的系统，该系统还包括：

传感器，其中，

所述传感器构成为监控所述能够移动的分隔物的速度和位置；以及

控制装置，其中，所述控制装置能够调整所述能够移动的分隔物上的负载。