CN108432103A - 用于通过重量件在液压流体上的下降来产生电能的方法 - Google Patents

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Abstract

用于通过重量件在液压流体上的下降来产生电能的方法(附图标记H)，特征在于，其采用当在管(12)的内部下降时通过重力加速的重量件(11)的动能，该管容纳液压流体，该液压流体通过排放管道(14)排出到重力箱(22)，该重力箱中包含用于使轴(20)旋转的叶片(21)，该轴将机械能传递到弹性联轴器(19)，该弹性联轴器吸收震动并将稳定的旋转传递给交流发电机(17)，该交流发电机为电网产生电能并通过电缆(18)对电池(10)再充电，该电池也为电机供电。重量件(11)由电机(7)和减速器8提升，该减速器使用传动带(6)以借助于传动带(6)将运动传递到轮(5)，金属盘(9)安装在轮(5)上以锁定臂(4)并允许该臂与连接至其的缆绳(3)一起被提升，该缆绳经过塔(2)，并且该缆绳的循环路径由滑轮(1)控制，该滑轮使重量件(11)被提升直到臂(4)到达当该重量件被释放并通过重力加速下降时的竖直位置。重量件(11)在管(12)的内部自由下降并使得液压流体朝叶片(21)排出，然后下降到重力箱(22)的底部，该重力箱位于管(12)中的填充水平以上，使得在当重量件(11)上升以开始新的循环时产生的压力下通过阀(13)吸入流体的同时，该流体由重力通过排放管道(15)返回。

Description

用于通过重量件在液压流体上的下降来产生电能的方法
本说明书涉及下述专利申请，该专利申请引入了特别地被设计用于产生由重量元件在液压流体上的上升和下降所提供的机械能的设备，该机械能然后可用于驱动电力发电机。
相同的技术已经是2013年1月17日提交的专利申请PCT/IB2013/050452和2013年9月4日提交的专利申请PCT/IB2013/058587的对象。
背景技术
一般理解的是，能量产生、特别是电力产生可以基于几个广泛使用的原理，诸如：水力发电、热电发电、光伏发电、风力发电、地热能发电、太阳能发电、潮汐发电和核能发电。
从水电获得的能量是最普遍的能量之一并且包括创建河坝，从而形成宽阔的湖泊，在该湖泊中，水被储存以从较高的地面被随后释放到涡轮机中，该涡轮机在旋转时直接驱动发电机。
水电是相对容易的获得能量的方式，但其具有一些缺点，诸如淹没大片区域，这影响环境并导致需要重新安置当地居民。
热电是生成电力的另一普遍形式，根据其，在锅炉中燃烧燃料(其可以是煤气、煤炭、柴油等)，以用于从所产生的热量产生蒸汽，处于一压力下的蒸汽被引导至涡轮机。然后使用涡轮机旋转来驱动发电机，该发电机将来自涡轮机的机械力转换为可用的电力。
虽然与水力发电厂相比成本较低，但热电厂具有一系列不利因素，这些不利因素包括：a)需要持续供应燃料；b)最初由燃料本身的生产(在煤炭的情况下为采矿、在石油的情况下为勘探、在燃烧植物材料的情况下为毁林等)产生的几种环境影响；c)环境影响还来自释放到大气中的污染物和温室气体的产生，特别是来自燃烧煤碳和石油的那些工厂；d)考虑到造成的后果如酸雨的负面环境变化。
光电包括使用太阳能板，该太阳能板使用涂层制造，该涂层在暴露于阳光时产生反应，同时产生可储存在电池组中或被直接使用的小电流。
尽管太阳能是清洁的和可再生的能源，但也具有一些不利因素，诸如：a)太阳能板的低效率，从而需要使用大片区域来产生可用的功率量；b)用于制造板的高成本，这可能需要使用贵重材料；c)对气象条件、特别是干净的天空的依赖；d)在夜间或阴天不能够发电。
风能也是清洁的和可再生的能源，并且近年来其使用一直在增长。过去几年对风能的广泛使用需要建立通常称为风电场或风场的大型工厂，在这些工厂中，几个风力发电机被组装在一起，然后连接到集中的电力网，该集中的电力网接收所产生的电力并将其分配以通常为当地社区供电。
现代风力发电机是复杂且昂贵的机器，其制造需要详细的分析，这是因为通常转子(其通常容纳三个叶片)具有一百米或更大的直径，并且风力发电机的机械组件组装在可能有几十米高的塔顶上。
尽管这样定义的风力发电具有明显的积极方面，但也具有其缺点，诸如：a)用于制造风力发电机的高成本；b)在它们的制造中熟练劳动力的使用；c)风电场的安装和维护的高成本；d)对安装地点的详细理解，这是因为装备依靠风况；以及e)由转子的旋转产生噪音，这需要在偏远地区进行安装。
地热能是另一类型的清洁的和可再生的能源，并且其基于使用特定的地质条件，特别是热源的存在。热源生于来自地球中心的热量，由于地质构造问题，热源更接近地表。
为了收回地热能，必须建造复杂的工厂，以便将水抽到地下，水在地下被加热，直到处于一压力下的蒸汽被产生、收集、输送和直接用来驱动一个或多个直接连接到相应发电机的涡轮机。
地热能具有广泛的益处，因为其包括更便宜的产生电力的方式，同时不依赖特定的气象条件。地热相关的缺点是由于安装地热工厂取决于特定的地质条件，该特定的地质条件是相当稀有的。另一个缺点是实施工厂的初始成本以及其由专业化劳动力的运行和维护。
纯太阳能的使用(与使用光伏能源观测到的不同)是相对未开发的能源资源，并且基本上包括创建包括大量日光反射装置的工厂，该日光反射装置是大的自动化反射镜，并且设置有机动化，该机动化允许其与太阳保持恒定的对准，以便将太阳光指向热交换器，该热交换器放置在高塔中，通常在由日光反射装置覆盖的区域的中心。
热交换器组装在其中的塔通常是大的混凝土结构，具有数十米的高度，在塔的顶部有外壳，热交换器在该外壳处被暴露。来自日光反射装置的光的集中使得热交换器被加热处于数百摄氏度，这使得在其中循环的油被同样地加热，油随后被送到另一热交换器，在另一热交换器中热量被传递到产生热高压蒸汽的锅炉。产生的热量然后用于驱动涡轮机，涡轮机又驱动发电机。
基于上述原理的少数太阳能发电工厂以清洁和可再生的方式生产能源，但与光伏电工厂可以观测到的类似，它们也有缺点，诸如：a)它们依赖气象条件(干净的天空)；b)它们在夜间不发电；c)它们具有高安装和维护成本；d)在清洁日光反射装置期间也需要特别护理，这是因为其效率与积聚在其镜面上的灰尘和其他材料成比例地降低。
海洋作为发电源的使用仍处于发展中的现实，具有一系列不同的方法。这些方法中的一种包括建造将竖直管(通常由混凝土制成)引导至海洋的岩石壁，该管具有下部半浸入式开口，而在其顶部放置一个或多个转子，通常称为Wells涡轮机。Wells涡轮机是特殊类型的涡轮机，该涡轮机可以由从其轴线的两个方向流动的空气驱动。Wells涡轮机然后可以由沿一个方向流动的空气驱动并还可以由沿相反方向流动的空气驱动，在任一情况下，涡轮机转子都沿相同的方向旋转。
在从海洋发电的工厂中使用Wells涡轮机是因为波浪的持续运动使得水进入管的下部开口内，在该管的顶部放置有Wells涡轮机。
水通过管的开口的流入使管内部的空气发生移位，迫使该空气向上并使涡轮机的转子旋转。随后，当海平面下降时，管的下部部分处的水量降低并且创建低压状态，该低压状态通过涡轮机转子将空气吸入管内部。在管内部流动的空气也驱动涡轮机，并且空气流动进入和离开管的循环使Wells涡轮机保持持续旋转。Wells涡轮机的旋转用于驱动发电机，该发电机产生可以使用的少量电力。
另一使用海洋能的方式包括利用涨潮将海水引导到地平面处的大型蓄水池(湖泊)，水在该蓄水池中的流入和流出发生在一个单独的放置有涡轮机的位置。因此，当由于涨潮而发生水流入蓄水池中时，水经过涡轮机从而使其旋转。在退潮时，水离开蓄水池，并且也驱动涡轮机。在任一情况下，在涨潮和退潮中都会产生电力。
这种类型的方法尽管具有生态学意义，但依赖地点的特性和特殊性，因为需要存在湖泊或必须创建湖泊。另一方面，所产生的电力是水的流入量和流出量的直接结果，因此，无法增加其发电能力。
现有技术中发现的几个选项之一的核能毫无疑问是最有争议的一个，这是因为其要求放射性材料的生产、处理和处置，意味着对整个环境的严重的风险。
在常规的核电工厂中，装载有燃料棒形式的放射性材料的反应堆被反应并且用于加热其主回路的水。由于与反应堆芯直接接触，该水受到污染，并且不能在环境中处置，这正是其在闭合回路中流动并流过热交换器的原因，在该热交换器处未污染的水与来自主回路的水的热接触。该第二回路的未污染的水被加热直至产生蒸汽，该蒸汽流向涡轮机，该涡轮机在运动时驱动发电机。
虽然不依靠气象因素，但核能具有严重问题，全都是由于所使用的材料的性质。因此，正如已经解释的那样，所使用的核燃料必须首先被生产、使用、并在达到其使用期的终点后适当储存。在目前的大多数工厂中，用旧的燃料棒(仍然处于非常高的温度)必须永久保持在水箱内，该水箱相当于巨大的水池，在那里它们被保持达不少于十年的时间间隔，以使它们可能会失去一些温度。
另一方面，核电工厂依赖于使用先进的技术以用于其运行，这虽然减少了事故的发生，但没有消除这种可能性。
1979年美国三里岛事故、1986年乌克兰切尔诺贝利事故以及更近的2011年日本福岛事故是与核电发电相关的高级别风险的一些实例，因为那些原因，面临来自几个国家的居民的阻力，担心发生这种事故。
鉴于上述发电系统的缺点，已经开发了借助于重量元件的下落来产生电力的设备，该设备基于不使用燃料、自然资源、太阳能、核材料等的自主原理。
在本文提出的借助于重量元件在液压流体上的下落来产生电力的设备基于使用由重量元件的升高及其重力提供的下降产生的动能。优选地表现为金属柱体、但其可以具有另外的几何形状的重量元件在由电池供电的电机减速器的协助下最初被升高到一定高度，并从所述高度被释放，在重力作用下下降。不考虑所需的技术要求、主要是与重量元件的质量增加相关的那些动力需求，其升高包括使用包括缆绳和支撑杆的升高组件，借助于该支撑杆放置滑轮以移动缆绳并且在连接到圆板的铰接臂的协助下移动重量元件，这用于减小升高重量元件所需的力，该板借助于电机和减速器旋转，该电机和减速器执行所需的工作以使臂移位，升高重量元件的缆绳附接到该臂。
对于重量元件的上升和下降，使用杠杆系统，由于轮旋转使得臂由小金属盘支撑，所以该杠杆系统允许重量元件被升高到将下落高度，并且随后与臂一起被释放，该臂在竖直位置上不再与金属盘接触并且与重量元件一起由重力吸引而自由下落，并且在其中置有液压流体的管上竖直地下降。
由于重量元件的下落，流体在压力下通过合适的管被排出，该管将流体运载到其中放置叶片的重力腔室，并且该叶片由于液压流体的动力移位而被迫移动，由此在轴上产生机械能。
在叶片上作用之后，液压流体沉积在重力腔室的底部，该重力腔室被放置在与管相比时较高的水平，使得液压流体在重力作用下下降，同时在由于管的内部压力而打开的合适的阀的协助下被吸入管的内部，该内部压力是在重量元件再一次被升高时产生的。
本文提出的用于借助于重量元件在液压流体的下落来产生电力的设备可以被组装成一列，以保证作为一组，多个力单元交替地触发液压流体越过叶片并且保证转子轴的持续运动，该旋转通过弹性联轴器调整，以用于在交流发电机中产生电力。
附图说明
作为本专利申请的目的的、用于借助于重量元件在液压流体上的下落来产生电力的设备可以通过将基于以下附图进行的详细描述而在其所有方面被理解，在附图中：
图1a示出了升降机构的单元的侧面立体图；
图2a示出了由将流体供应到电力发电系统的三个单元组成的组件的总体立体图；
图1b示出了放大细节，其中示出了与重量元件的升高和下降相关的所有元件；
图2b示出了总体立体图，其中示出了与机械能产生相关的所有元件，特别是在与流体接收箱分离的发电机上的发电元件的细节；
图3a示出了借助于管本身实现支撑的实施方式中的整个组件的总体立体图；
图1示意性地显示了设备工作所需的全部元件；
图2示出了负责连接到重量元件的缆绳升高的机构的带有顶部部分的上的放大的示意图；
图3示出了塔和滑轮组件的放大细节；
图4示出了具有相应吸入阀的管组件的放大细节；
图5示出了重量元件和支撑缆绳的放大细节；
图6示出了从电机、减速器和传动带取得的放大细节；
图7示出了发电组件的放大细节；
图7a示意性地示出了接收液压流体并将动能传递到轴叶片、联轴器和发电机的系统。
具体实施方式
根据上述附图所示，作为本专利申请的目的的、用于借助于重量元件在液压流体上的下落来发电、并且通常由附图标记“H”指示的设备包括电机7，该电机借助于传动带6在减速器8的协助下进行工作以使轮5旋转，其一起使臂4竖直地移动，该臂在运动时在允许其锁定的金属盘9的协助下使重量元件11升高，并且当与穿过滑轮1的缆绳3一起被升高时，该臂使得重量元件11上升和下降，直到完全到臂4的竖直位置的程度，在那时，臂被释放并与重量元件11一起下落至管12的内部部分，该管的内部部分置有液压流体。
塔2支撑升高系统和电池10，该电池用于驱动电机7并且借助于电缆18由交流发电机17充电，并且该交流发电机还通过与位于重力箱22内部的叶片21附接的轴20的运动向电网产生电力，该重力箱从入口管道14接收液压流体，该重力箱由于在与管12相比时处于较高的地面而使得液压流体通过重力返回，流体也借助于返回管道15通过阀13在重量元件被升高的时刻被吸入。
为了吸收叶片21上的震动，安装弹性联轴器19以用于保持持续的角度旋转运动的目的，从而允许发电机17被驱动。
本文描述的设备“H”包括电机7和减速器8，该减速器借助于传动带6将运动传递给轮5，该运动由被金属盘9锁定的臂4跟随，这使得重量元件11的升高更容易，直到臂4到达顶部竖直部分并且失去金属盘9的支撑，该臂与重量元件11一起下落，该重量元件将其能量传递给被排出的液压流体。
本文描述的设备“H”以自动化组件工作，可以用单个齿轮铰接，并且包括重量元件11在容纳液压流体的管12上的连续的升高和下落的循环，该液压流体通过管14循环，该管引导该液压流体朝向产生在轴20的机械运动的叶片19指向，该运动借助于弹性联轴器21方便地被调整，借助于该弹性联轴器适于在交流发电机17中产生电力。

Claims (4)

1.“用于借助于重量元件在液压流体上的下落来产生电力的设备”，所述设备由附图标记“H”表示，并且其特征在于使用柱形形状或任何其他形状的重量元件(11)的动能，所述重量元件在重力作用下下降到置有液压流体的管(12)的内部，所述液压流体通过管道(14)被排出，从而将力传递到叶片(21)上，所述叶片在轴(20)的协助下旋转，借助于所述轴，运动传递通过弹性联轴器(19)，所述弹性联轴器允许旋转被传递到待被调整的交流发电机(17)，电力借助于所述交流发电机而产生。塔(2)用于升高所述重量元件(11)，所述塔处置有滑轮(1)，缆绳(3)经过所述滑轮处，所述缆绳通过轮(4)的旋转而被移动，所述轮包括金属盘(9)，所述金属盘支撑铰接臂(5)，以协助减小升高所述重量元件(11)所需的力。
在设备“H”的下部部分，包括吸入阀(13)，以通过下述方式使液压流体更容易重新进入：在移动所述叶片(21)之后、然后沉积在重力箱(22)的底部、在重力作用下沿着出口管道(15)下降。
2.根据权利要求1所述的“用于借助于重量元件在液压流体的下落来产生电力的设备”，其特征在于，所述重量元件(11)具有除了所述柱形形状之外的另外的几何形状，并且所述重量元件负责将被升高时的重力势能转化为动能，并且用于使液压流体通过管道(14)排出以产生在叶片(18)上的并且从所述叶片到所述轴(20)的动力运动，所述轴将能量传递到所述弹性联轴器(19)，所述弹性联轴器调整传递到所述发电机(17)的旋转。
3.根据权利要求1和2所述的“用于借助于重量元件在液压流体上的下落来产生电力的设备”，其特征在于，此处描述的设备(H)的功能包括：将所述重量元件(11)从在管(12)的内部起升高直到待下落的高度，为此，电机(7)和减速器(8)工作以移动使所述轮(5)旋转的传动带(6)，所述轮用于使由金属盘(9)支撑的铰接臂(4)移位，以被升高直到当所述铰接臂被分离并且与所述重量元件(11)一起通过重力加速下落的竖直位置。
4.根据权利要求1所述的“用于借助于重量元件在液压流体上的下落来产生电力的设备”，其特征在于，所述设备“H”能够包括电池(10)，所述电池为所述电机(7)供电，所述电机在减速器(8)的协助下进行工作以升高所述重量元件(11)，所述重量元件连接到缆绳(3)，所述缆绳穿过滑轮(1)，所述滑轮有助于上升和下降运动。
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Application publication date: 20180821

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