CN106812662A

CN106812662A - 流体压力驱动的发电系统

Info

Publication number: CN106812662A
Application number: CN201510863563.8A
Authority: CN
Inventors: 马东升
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-09

Abstract

本发明公开一种流体压力驱动的发电系统，主要由推力体，增压器，电动机，驱动电源，杠杆机构，变速器，发电机，变流器，控制器构成。通过增压器喷出高压流体，在推力体前表面形成高速流动的屏蔽层，导致前表面压强降低。由于推力体的结构特征致使后表面流体的流动速度比较低，后表面压强相对较高。推力体前后表面的压强之差将会产生一个向前的推力。从而推动杠杆机构旋转，驱动发电机工作，产生大于电动机消耗的电能。在地面上或湖海水面上，安装本发电系统，可以利用流体静压持续不停地发出电能，因此将开辟无穷无尽的洁净新能源。

Description

流体压力驱动的发电系统

技术领域

本发明涉及利用流体(空气或水)中压力来驱动发电机系统的原理。

背景技术

风力发电机系统利用风力(流动空气的动能)吹动风车叶片旋转，进而驱动发电机，产生电能。但是，无风或微风时，空气基本上处于静止状态，风力发电机系统不能工作。

水力发电系统利用大坝中水的势能，高压水头冲动水轮机旋转，进而驱动发电机发电。但是，当大坝中无水或水位太低时，落差为零或很小，水力发电系统不能运转。

一个标准大气压(海平面大气压强)相当于76cm汞柱高度，即1.01325×10^5(N/m^2)＝10.1325(N/cm^2)＝1.03322(kg/cm^2)。此外，一个大气压相当于约10.3322米深的淡水。海水的比重一般大于淡水，并且不同地区的海水含盐量也略有差别；若海水的密度取1.03g/cm^3，则一个大气压相当于海水深10.03米；换句话说，即每增加海水深10米，约增加一个大气压。当然，这些气压和水压都属于流体静压。

当物体处于静止状态的空气或水(海水，或淡水)中时，作用在物体表面的压强(单位面积上受到的压力)，在同一水平(高度，或深度)上，各个方向均等，所以物体受到的压力之和为零，物体不会在水平方向上移动；在垂直方向上，物体上下表面压力差导致产生浮力，与物体本身的重力一起，决定物体是否会发生上下移动。

根据伯努利原理，运动流体机械能量守恒：单位体积流体的压力能、重力势能和动能，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。伯努利方程：P+1/2ρv^2+ρgh＝常量，其中，P为压强，ρ为流体密度，v为流体速度，g为重力加速度，h为高度。因而，在水流或气流中，速度减小，压强就增大；速度增大，压强就减小。

基于伯努利原理，飞机机翼一般设计成上下不对称结构，机翼上方空气气流的流速大，压强小；下方流速小，压强大；这样机翼就会产生向上的升力。基于Coanda效应的飞碟，及上表面吹气增升的短距起落飞机，其升力也是由沿上表面高速流动的气流产生的。

此外，在列车站台上一般都划有安全线。这是由于列车高速驶过时，靠近列车车厢的空气将被带动而运动起来，压强就减小，站台上的旅客若离列车过近，旅客身体前后出现明显压强差，旅客有可能被吸向列车而受到伤害。

总而言之，通过提高流体在物体局部表面的流动速度，可以降低该处的表面压强，从而打破物体表面的压力平衡。物体将受到流体压强之差导致的合力作用，而可能产生运动。

发明内容

本发明提出一种流体压力驱动的发电系统。主要由推力体，增压器，电动机，驱动电源，高压流体导管，杠杆机构，变速器，发电机，变流器，控制器组成(见图1B)。其中，增压器可以是离心式，或轴流式，或复合式；并且可以具有一级，两级，或多级增压结构。

当控制器给电动机接通驱动电源时，电动机将带动增压器开始工作。增压器入口周围的部分流体(空气或水)被吸进增压器，经过增压过程，产生的高压流体通过位于增压器后部的出口喷出(见图2)。

增压器喷出的高压流体，可以在推力体前表面形成沿切面方向高速流动的屏蔽层，从而导致推力体前表面边界层的压强降低。由于推力体的结构特征致使后表面流体的流动速度比较低，后表面边界层的压强相对较高。推力体前后表面的压强之差将会产生一个合力，即向前的推力。

另一方面，通过调节增压器的转速，增加吸入流体的流量，可以在其入口处形成一个相对的负压区，不但可以大大降低作用在增压器上的阻力，而且在一定条件下，甚至可以在入口处形成一个向前拉的吸引力。从而，有助于推力体向前运动。

如果配置多个推力体(见图1A)，它们产生的推力将能够克服各种阻力，推动杠杆机构旋转，带动变速器的主齿轮转动，进而驱动发电机，产生电能。如果单位时间内，发电机发出的电能大于电动机消耗的电能，则本系统将会进入有效的工作状态。

增压器的出口形状和位置分布，应该与推力体头部的具体结构和希望流体的流动路线分布相匹配。对于在空气中工作的推力体，由于空气压强在一定高度内变化不大，推力体的前部可以采用伞形、或半球形、或圆锥形、或平面圆形的结构。增压器的出口可以是一个整圆出口，以便喷出各向均匀分布的高压流体，在推力体前表面形成一个完整的圆形屏蔽层；也可以是多个对称分布的弧形出口，以便喷出对称分布的高压流体，在推力体前表面形成多个间隔的扇形屏蔽层(见图3B)。

对于在水中工作的小型推力体，可以采用上述结构形状。然而，对于在水中工作的大型推力体，如果也采用上述结构形状，由于水压强随深度变化而明显改变，推力体上下边界的水压强差别将会比较大，导致推力体的表面受力不平衡。为了尽可能缩小推力体上下边界的水压强差别，推力体前部可以采用水平长条形结构。增压器产生的高压水通过左右出口以水平方向喷出，在推力体前表面形成左右两个弧面形屏蔽层(见图8B)；或者，增压器产生的高压水通过位于推力体水平中心线上的高压流体导管，由出口朝上下两个方向喷出，在推力体前表面形成左右两个脊背形屏蔽层(见图9B)。

推力体的后部可以采用圆锥形，球底圆柱形，四方锥形，或其它形状(见图4，图5，图6，图8A和图9A)。这样，一方面可以减小尾部的负压阻力及表面摩擦阻力；另一方面可以提高推力体后面的压强。为了进一步改善推力体后表面流体的流动状态，增大推力体产生的向前推力，可以考虑采用穿心管把增压器产生的一部分高压流体直接在推力体尾部排出(见图7)。

通过优化设计推力体的正面和反面结构形状，选择与推力体相匹配的增压器型号，合理设计增压器出口的大小、形状、分布、和流体喷出方向，调节高压流体的喷射压力和流量，从而改变推力体前表面局部边界层流体的流动方向和速度，在其前后表面上形成最大的压强差，以便推力体能够获得最大的推力。

推力体的安装数量应该考虑发电机的功率大小，杠杆机构的最佳旋转速度，流体的稳定性，及系统成本。杠杆机构的设计目标是力矩最大化，同时，尽量降低运动阻力。变速器采用大齿轮带动小齿轮的模式，从而驱动发电机以较高转速工作。

附图说明

图1A是流体压力驱动的发电系统的推力体分布示意图。

图中：1-推力体(4个，或多，或少)；2-杠杆；3-中心轴；4-推力体转动方向。

图1B是流体压力驱动的发电系统的结构示意图。

图中：1-推力体；2-杠杆；3-中心轴；4-变速器；5-发电机；6-变流器；7-驱动电源；8-控制器。

图2是伞形推力体的结构示意图。

图中：1-推力体前面(正面，伞形)；2-增压器；3-电动机；4-被吸入流体(空气或水)；5-喷出的高压流体；6-增压器周围的流体；7-推力体前后边界处流体的流动方向；8-推力体后面(反面，圆锥形)；9-杠杆安装孔。

图3A是伞形推力体前面的高压流体分布示意图。

图中：1-增压器底圆面(包括出口)；2-各向对称分布的高压流体；3-推力体的外圆面(投影)。

图3B是增压器喷出的高压流体形成的屏蔽层示意图。

图中：1-增压器的多个对称分布的弧形出口；2-喷出的高压流体呈多个扇形对称分布；3-推力体的外圆面(投影)；4-高压流体扇形之间的间隔。

图4是吊灯形推力体的结构示意图。

图中：1-推力体前面(正面，半球形)；2-增压器；3-电动机；4-被吸入流体(空气或水)；5-喷出的高压流体；6-增压器周围的流体；7-推力体前后边界处流体的流动方向；8-推力体后面(反面，球底圆柱形)；9-杠杆安装孔。

图5是蘑菇形推力体的结构示意图。

图中：1-推力体前面(正面，半球形)；2-增压器；3-电动机；4-被吸入流体(空气或水)；5-喷出的高压流体；6-增压器周围的流体；7-推力体前后边界处流体的流动方向；8-推力体后面(反面，圆锥形)；9-杠杆安装孔；10-尾部流体的流动方向。

图6是草莓形推力体的结构示意图。

图中：1-推力体前面(正面，半球形)；2-增压器；3-电动机；4-被吸入流体(空气或水)；5-喷出的高压流体；6-增压器周围的流体；7-推力体后表面流体的流动方向；8-推力体后面(反面，圆锥形)；9-杠杆安装孔。

图7是穿心草莓形推力体的结构示意图。

图中：1-推力体前面(正面，半球形)；2-增压器；3-电动机；4-被吸入流体(空气或水)；5-喷出的高压流体；6-增压器周围的流体；7-推力体后表面流体的流动方向；8-推力体后面(反面，圆锥形)；9-杠杆安装孔；10-穿心管；11-穿心管排出的流体。

图8A是长条弧形推力体的结构示意图。

图中：1-推力体前面(正面，长条弧形)；2-增压器；3-电动机；4-被吸入流体；5-喷出的高压流体；6-增压器周围的流体；7-推力体前后边界处流体的流动方向；8-推力体后面(反面，四方锥形)；9-杠杆安装孔(水平安装)；10-尾部流体的流动方向。

图8B是长条弧形推力体的高压流体分布示意图。

图中：1-增压器底圆面(包括出口)；2-左右水平方向的高压流体；3-推力体的外轮廓(投影)。

图9A是长条脊背形推力体的结构示意图。

图中：1-推力体前面(正面，长条脊背形)；2-增压器；3-电动机；4-被吸入流体；8-推力体后面(反面，四方锥形)；9-杠杆安装孔(水平安装)；10-尾部流体的流动方向。

图9B是长条脊背形推力体的高压流体分布示意图。

图中：1-增压器底圆面；2-左右高压流体导管；3-左右垂直方向的高压流体；4-推力体的外轮廓(投影)。

具体实施方式

在地面上工作的流体压力驱动的发电系统，应该安装固定在地面上。杠杆机构的头部朝上，推力体在空气中运转。利用空气静压持续不停地发出电能。

对于在湖海水面上工作的流体压力驱动的发电系统，杠杆机构的头部应该朝下，将推力体全部浸没在水面以下一定深度，在水中运转。系统的其余部件应该安装固定在船上，或水面平台上。利用海水或湖水静压持续不停地发出电能。

变流器应该能够将发电机发出的电能，转换成电网频率的电压和电流，以便并入电网。

由于水压强比空气压强大，在水中工作的推力体，有可能产生更大的推力。推力体的下潜深度应该考虑推力最大化，杠杆机构的力矩最大化，系统整体的发电效率最大化，部件结构的承压能力，系统运行的稳定性，及设备成本等因素。此外，电动机及其供电线路必须考虑防水问题。

推力体和杠杆机构的结构形状及大小尺寸，应该根据流体的物理特性及实际需要，在考虑推力最大化，力矩最大化，系统整体发电效率最大化，及系统运行稳定性等因素的基础上，进行优化设计。

增压器的结构形状及大小尺寸，应该根据流体的物理特性，与推力体相匹配。以便在推力体前后表面上形成最大的压强差，获得最大推力。

推力体和杠杆机构应该采用轻型耐用材料制造，优化结构形状，光滑表面，以便降低各种阻力，提高系统的发电效率。

Claims

1.一种流体压力驱动的发电系统，包括推力体，增压器，电动机，驱动电源，高压流体导管，杠杆机构，变速器，发电机，变流器，及控制器，其特征在于通过增压器喷出高压流体，在推力体前表面形成高速流动的屏蔽层，导致前表面边界层的压强降低；由于推力体的结构特征致使后表面流体的流动速度比较低，后表面边界层的压强相对较高；推力体前后表面的压强之差将会产生一个向前的推力，从而推动杠杆机构旋转，驱动发电机工作，产生大于电动机消耗的电能。

2.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于通过调节增压器的转速，增加吸入流体的流量，在其入口处形成一个相对的负压区，从而降低作用在增压器上的阻力，甚至形成一个向前拉的吸引力，有助于推力体向前运动。

3.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于推力体的前部采用伞形、或半球形、或圆锥形、或平面圆形的结构。

4.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于增压器的出口是一个整圆出口，以便喷出各向均匀分布的高压流体，在推力体前表面形成一个完整的圆形屏蔽层。

5.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于增压器的出口是多个对称分布的弧形出口，以便喷出对称分布的高压流体，在推力体前表面形成多个间隔的扇形屏蔽层。

6.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于推力体前部采用水平长条形结构，以便缩小推力体上下边界的流体压强差别。

7.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于水平长条形推力体的增压器采用左右弧形出口，从而以水平方向喷出左右对称分布的高压流体，在推力体前表面形成左右两个弧面形屏蔽层。

8.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于水平长条形推力体的增压器产生的高压流体，通过位于推力体水平中心线上的高压流体导管，由出口朝上下两个方向喷出，在推力体前表面形成左右两个脊背形屏蔽层。

9.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于推力体的后部采用圆锥形，或球底圆柱形，或四方锥形，以便提高推力体后表面流体边界层的压强，减小尾部的负压阻力及表面摩擦阻力。

10.根据权利要求1所述的一种流体压力驱动的发电系统，其特征在于推力体采用穿心管结构，把增压器产生的一部分高压流体直接在推力体尾部排出，从而改善推力体后表面流体的流动状态，增大推力体产生的向前推力。