CN1330877C - 用于水处理系统的水力发电系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于与水处理系统相结合使用的水力发电系统。该水力发电系统的诸实施例包括一可旋转地定位在壳体内的叶轮。叶轮可旋转地连接于一发电机。当水流过水处理系统时，水流到水力发电系统并作用在叶轮上使其旋转。叶轮的旋转通过发电机产生用于水处理系统的电力。水力发电系统的其他一些实施例包括一可旋转地定位于水流过的管道中的转子。流动的水使转子旋转。该转子同一围绕的定子协同操作。当转子在定子内部旋转时产生用于水处理系统的电力。

Description

用于水处理系统的水力发电系统
本申请请求在1999年10月5日申请的临时U.S.专利申请系列NO.60/157 760的35 U.S.C.§119(e)中的保护。
技术领域
本发明总体上涉及水处理系统，并且更特别地涉及用于通过水力发电为水处理系统提供电力的系统和方法。
背景技术
过去几年来，人们在从公用水源或私用水井中取用水时已意识到更加卫生的问题。遗憾地是，在当今被日益增长地污染的世界中，并没有如天然纯水那样的情况。水源包含微生物的和化学的污染物，其可能存在于自然界或是人类活动的结果。当水流入河中、存在于湖泊中和通过土壤和岩石的过滤而流向地面时，水溶解或吸收自然产生的污染物。此外，归因于人类的水污染可能由降雨径流、雪融化和污水排放场的地下迁移引起。
对所有的居民区来说供给清洁不变的饮用水是最重的。在大城市中的人们常常饮用来自地面水源、例如湖泊、河流和水库的水。有时这些水源接近于居住区而在另外时期从许多英里以外的水源获得饮用水。在农村地区，人们更可能饮用从公用水井或私用水井中泵出的地下水。这些水井打进蓄水层，该蓄水层可以是只几个英里宽，或者可以跨越许多州的州界。虽然为限制地下水和地面水中的污染物含量进行了许多努力，但某些含量的污染物仍存在于所有的饮用水中。
由于对水污染增长的认识，公众要求得到消费净化的水。已开发了几种不同型式的水处理系统，用以提高消费公众的饮用水的纯净度。这些系统在致力于提供无污染的水方面通常排除一些或所有的在饮用水源中存在的污染物。这些系统中的若干种采用碳基过滤器装置和紫外(UV)光装置，在供给消费以前过滤和净化水。碳基过滤器采用惰性材料过滤出颗粒的和有机的污染物。从紫外光装置中发射的紫外线辐射用于中和存在于水中的有害微生物。
为了给水处理系统中的紫外光装置和许多其他系统供能，需要电源。传统的水处理系统采用由标准的电力输出电源或蓄电池电源，以便为需要驱动在水处理系统中所有部件包括紫外光装置提供能量。在由电力输出电源驱动的水处理系统的情况下，该系统具有受限的可移动性并且在电力输出电源中断时停止操作。由蓄电池电源操作的水处理系统只包含有限的能量，其通过水处理系统的操作或蓄电而耗尽并且必须可容易地得到替换的蓄电组以保持水处理系统是可操作的。如果要求较长期的蓄电池电源，则需要较大的蓄电池，这对水处理系统可能增加相当大的重量和尺寸。
一些现有的水处理系统能够利用标准的电力输出电源或蓄电池电源，其中蓄电池电源可以由电力输出电源再充电。虽然这些水处理系统并不需要替换的蓄电池，但蓄电池的容量和尺寸决定在启动蓄电池电源的同进操作水处理系统的持续时间。电力输出电源也必须定期地用来给蓄电池再充电。此外，这些水处理系统需要附加的结构和部件以便根据该两不同的电源中之一来操作。
由于上述原因，需要有一种包括内部电源的水处理系统，其不需要外部的电力源并且可能产生以操作水处理系统的电力。
发明内容
本发明公开一种用于与水处理系统相结合使用的水力发电系统，其克服了与现有技术相关的问题。水力发电系统的实施例不需要外部的电源来提供水处理系统用的电力。该水力发电系统在水流过水处理系统时可操作来产生电力。
该水力发电系统的一个实施例包括一喷嘴、一壳体和一出口。在操作过程中，水从水处理系统流入喷嘴。喷嘴迫使流动的水通过壳体流至出口。把壳体形成为可容纳叶轮，该叶轮与流过壳体的水相流体连通。流动的水作用在叶轮上而使叶轮旋转。叶轮固定地连接到发电机上。叶轮的旋转带动发电机的一部分旋转，从而产生水处理系统用的电力。
该水力发电系统的另一实施例包括一壳体、一叶轮、一喷嘴、一出口和一发电机。该壳体包括一空气空间，其内定位有能够旋转的所述叶轮。该喷嘴插入壳体中并提供一水入口。喷嘴操作而形成在叶轮上取向以引起叶轮的旋转的水流。所述出口连接到壳体上以便将在叶轮上取向的水引出壳体。所述发电机与叶轮相连接使叶轮的旋转引起由发电机产生的电力。
该水力发电系统的又一实施例包括一壳体、一转子和一定子。该壳体包括一入口和一出口，并形成水通过的管道。该转子定位于壳体内并能够旋转使转子借助流过壳体的水而旋转。该定子定位以包围转子，使得转子的旋转引起电力的产生。
另一实施例描述利用受到水处理系统处理的水给水处理系统提供电力的方法。该方法包括设置一壳体，其包括一入口和一出口，并且将水流输给壳体的入口。水通过壳体流到出口。该方法还包括使定位于壳体中的转子旋转。转子在壳体中的位置为使定子包围该转子。此外，该方法包括利用该转子和定子产生电力。转子的旋转引起电力的产生。
还有一实施例描述利用受到水处理系统处理的水给水处理系统提供电力的方法。该方法包括设置一具有一空气空间的壳体，并且将水流输给一喷嘴。此外，该方法包括使从该喷嘴中喷射出的水在叶轮上取向，该叶轮固定在空气空间内并能够旋转。该方法利用从喷嘴中喷射出的水连续旋转该叶轮和一转子，该转子固定地连接到该叶轮上。该转子可同一定子协同操作而形成一发电机，使在转子旋转时产生电力。
现在优选的诸实施例能够容易地适用于需要电源的各种水处理系统中，例如可移动式的水处理系统、水龙头固定好的水处理系统、低逆流水处理系统、整个建筑物水处理系统和远距离配置水处理系统。本领域的那些技术人员也应该理解该水力发电系统可以适用于与各种其他的在工作过程中需要电力的系统一起使用，这些工作过程包括流动的水或其他的流体。
由于现在优选的水处理系统包括一自给的电源，不需要标准的电力输出电源。此外，由于该水处理系统能够提供其自身的电力需求，其也能够提供给用于水处理系统的储能装置充电的电源。通过在水不流动时为象指示器和监测器那样的物件提供电源，储能器可以延长运行时间。在现在优选的实施例中，该水力发电系统可以为初始电力要求、紫外线(UV)灯启动、指示器和监测装置提供电力。
参照附图，本发明的这些和其他的特点和优点在考虑到本优选实施例的以下详述以后将变得明显。仅仅作为介绍，提供上述讨论。在该部分中的任何内容都不应看作对由后附权利要求限定的发明范围的限制。
附图说明
图1示出同水力发电系统的一个实施例案相连接的水处理系统；
图2示出图1中所示喷嘴的一个实施例的剖面图；
图3示出图1中所示的水处理系统和水力发电系统旋转90°的剖面图，其中水力发电系统被切去一个部分；
图4示出水力发电系统的另一实施例的剖面图；
图5示出图4所示的沿5-5线截取的喷嘴的剖面图；
图6示出图4所示的水力发电系统旋转90°的剖面图，其中水力发电系统被切去一部分；
图7表示同水处理系统相连接的水力发电系统的另一实施例的剖视图；
图8表示图7中所示的水力发电系统的实施例的俯视图，其中定子壳体被切去一部分；
图9表示水力发电系统的另一实施例的剖视图。
具体实施方式
下文参照具体的结构描述本发明的示例性实施例，并且本领域的那些技术人员应该理解对这些具体结构可以进行各种改变和变型而同时不超出权利要求的范围。本优选的实施例可以与任何需要电源和包括水流动的水处理系统一起使用；然而，这些实施例是为住它的或可移动的使用的水处理系统而设计的。本领域的那些技术人员也应该理解这些实施例可以与不是水的流体一起使用并且术语“水”和“水电”的使用不应该被认作一个限定。
图1为与优选的水力发电系统12相连接的水处理系统10的侧视图。在该实施例中，水力发电系统12包括一喷嘴14、一壳体16、一叶轮18和一壳体出口20。喷嘴14通过管道22连接于水处理系统10。管道22由聚氯乙烯(PVC)塑料或类似材料制成并且通过螺纹连接、摩擦配合或某其他类似的连接机构连接于喷嘴14。
在操作过程中，增压水从水处理系统10中经由喷嘴14流入水力发电系统12中，如箭头24所示。喷嘴14同壳体16连接成使水流过喷嘴14并被迫使通过壳体16流到壳体出口20。在替代的实施例中，水力发电系统12可以定位在水处理系统10的内部或定位成使其在水进入水处理系统10以前可以接收一定量的增压水。
图2示出喷嘴14的一个实施例的剖面图。该优选的喷嘴14为一声速喷嘴，其提高流过它的增压水的流速。在该实施例中，喷嘴14能够将水的流速提高到亚声速。喷嘴14由不锈钢或某其他类似的铡性材料制成并且包括一喷嘴入口26和一喷嘴出口28。喷嘴入口26如上所述连接于水处理系统10。喷嘴出口28通过摩擦配合、卡扣固定、螺纹连接或某其他类似的能够在其间形成水密连接的连接机构连接于壳体16。喷嘴14可以在任何位置插入壳体16中，只要该位置形成喷嘴14与叶轮18的适当对准即可，如将在下文讨论的。
喷嘴14包括为水流通过而设置的通道30。通道30在喷嘴入口26形成有第一预定直径32和在喷嘴出口28处的第二预定值径34。在该实施例中，第二预定直径34约为第一预定直径32的26％。通道30对喷嘴14的一预定的长度保持第一预定直径32。通道30的其余部分通过使通道30成锥度均匀地至第二预定直径34而形成。在该实施例中，喷嘴14的通道30在第一预定直径32与第二预定直径34之间的锥角约为18°。
通道30的形状确定从喷嘴14流出的水的流速。此外，在喷嘴出口28处的水流速取决于水源的压力和喷嘴下游的背压。要求的喷嘴出口28处的预定流速范围可以利用由水处理系统10(图1中所示)在喷嘴入口26处提供的预期的压力范围来确定。例如，在一家用的水系统中，水源的压力在约20至60磅/平方英寸(PSI)的范围内。通道30还在喷嘴出口28处提供连接而均匀的水流。在操作过程中流过喷嘴14的水在预定的高速范围内以预定的路线流入壳体16中。
再参照图1，壳体16形成一管道，其可以由塑料或能够形成刚性水通道的某其他类似的防水材料制成。在该实施例中，壳体16包括一如图1中所示的半透明的部分以便可以观察壳体16的内部。壳体16被形成围绕叶轮18，叶轮18与在水流出喷嘴出口28以后流过壳体16时的水流体连通。
叶轮18包括多个叶片42，其刚性地固定到轮毂44上。叶片42在壳体16中定位成使从喷嘴14流出的水以预定的角度冲击叶轮18的叶片42。该预定的角度根据水在喷嘴入口26处预期的压力、在喷嘴出口28和的背压和要求的叶轮18的每分钟转数(RPM)来确定。在操作过程中，流动的水作用在叶轮18上使其在壳体16中沿单方向旋转。如下文所详细讨论的，当叶轮18旋转时，水力发电系统12的这个实施例将流动水中的能量转换为旋转能量，其又转换为电力。在该实施例中，叶轮18浸在流过壳体16的水中。
图3示出图1所示的实施例旋转90°的剖面图，其中壳体16被切去一部分。如图中所示，叶轮18通过一纵向延伸的轴48共轴地固定于一发电机46。轴48可以是不锈钢或某其他固定地连接叶轮18的类似的刚性材料。叶轮18的轮毂44共轴地连接于轴48的一端而为发电机46的一部分的发电机轴50共轴地连接于其另一端。轴48与叶轮18和发电机46的刚性连接可以通过焊接、压配合或其他类似的刚性连接。
可旋转的轴48纵向延伸而通过水密的密封52插入壳体16中，该密封52用橡胶或其他类似的材料制成。水密的密封52连接于壳体16并构成使轴48可以自由旋转而不从壳体16内部向外漏水。轴48纵向延伸至邻近壳体16定位的发电机46。虽然图中未示出，发电机46的外表面可以连接于壳体16，例如借助于螺母与螺钉、铆钉或其他能够固定地连接壳体16与发电机48的类似的机构。
在操作过程中，当水流过壳体16和叶轮18旋转时，轴48、50相应地旋转，导致由发电机46产生电力。在一替代的实施例中，采用一磁性联接器(未示出)代替轴48以排除贯穿壳体16的需要。在该实施例中，叶轮18包括具有足够的磁强度的磁铁以便与固定在壳体16外部的发电机轴50上的类似磁铁刚性地连接。在操作过程中，当叶轮18旋转时，取向在叶轮上的磁铁与取向在发动机轴50上的磁铁间的吸引力使发电机轴50旋转从而由发电机46产生电力。
在该实施例中，发电机46可以是能够产生直流电(DC)或交流电(AC)的永久磁铁发电机。在一替代的实施例中，发电机46能产生AC和DC电流。电力从发电机46通过多个导电体54传送，该导电体54可以是电线、汇流排或其他能够导电的类似材料。产生的电力的电压水平是叶轮18的每分钟转数的函数。如上所述，从喷嘴14流出的水的流速可以设计在一预定范围内从而控制由发电机46产生的电力的电压输出值。
由该实施例产生的直流电或交流电可以用于驱动水处理系统10和也可以用于给储能器(未示出)例如蓄电池或电容器充电。叶轮18的旋转或产生的电力的持续时间也可以供给一基于流动的测量的机构，例如流率或已流过水处理系统10的水量的测量。叶轮18的旋转或产生的电力的持续时间可以与发电机46的反电磁力(EMF)组合供给基于流动的测量。本领域的那些技术人员应该理解该水力发电系统12除水处理系统10外也可以用于其他的系统。
图4示出水力发电系统12的另一实施例的剖视图。该实施例同样连接于水处理系统10如图1中所示实施例那样并且包括一喷嘴14、一壳体16、一叶轮18和一壳体出口20。类似于上述的实施例，喷嘴14以高速提供水，其在可旋转的叶轮18上导向。然而，在该实施例中，叶轮18在操作过程中不浸入壳体16内部的水中。因而，水从喷嘴14中形成喷流，其喷射在叶轮18上。
喷嘴14类似于上述的图2中所示喷嘴14可以是声速喷嘴。喷嘴14插入壳体16并且通过安装板56与其连接。安装板56邻接壳体16的外表面定位。本领域的那些技术人员应该理解存在其他的可以用于连接喷嘴14与壳体16的方法。
图5示出定位于该实施例的安装板56上的剖视图。安装板56包括一纵向的长孔58和一对耳部60，后者使喷嘴14可以相对于叶轮18调整到一个最佳的位置。在该实施例中，喷嘴14在通过将螺钉插入耳部60而达到最佳位置时可以固定地安装到壳体16上。在替代的实施例中，当紧固件例如螺钉、铆钉或销将安装板56固定地安装在壳体16上时该安装板56为喷嘴14提供单一的预定的所需位置。
再参照图4，要求的喷嘴14的位置是使喷嘴14纵向伸进壳体16中。该实施例的壳体16包括一由壳体16的内壁限定的壳体内腔62，如图4中所示。壳体内腔62为一空气空间，其包括其中定位的叶轮18。在操作过程中，水从喷嘴14以预定的路线喷射入壳体内腔62中以便以预定的角度冲击叶轮18。该预定的角度根据要求的叶轮的RPM和由水处理系统供给喷嘴的水压范围来确定的。喷嘴14和叶轮18的协同操作不限于利用增压水来进行，同样也可以利用其他的流体，例如空气。
如图4中还示出的，叶轮18包括多个叶片64。该实施例的每一叶片64在一端固定地连接于叶轮轮毂66并且包括在另一端形成的桨叶68。叶轮轮毂66如上述实施例中一样固定地连接于轴48。本领域的那些技术人员应该理解叶片64的数量和叶轮18的尺寸可以根据用途改变。
图6示出图5中所示的水力发电系统12的实施例旋转90°的剖面图，其中壳体16被切去一部分以便于说明。如图中所示，水力发电系统12包括利用轴48连接于发电机46的壳体16如在上述的实施例中那样。此外，可旋转的轴48通过水密的密封52从叶轮18纵向伸入发电机46中。在一替代的实施例中，轴48可以改用磁性联接器，如以上所述，从而排除壳体16的贯穿和水密的密封52。如图中所示，轴48可旋转地将叶轮18定位于壳体内腔62内的空气空间中从而利用桨叶68使之绕轴48旋转。
如图6中所示，该实施例的每一桨叶68形成抛物面形状，其包括一槽口70。该桨叶68的抛物面形状为存在于从喷嘴14(图5中所示)喷射的水中的能量提供一均匀的接受器。槽口70在叶轮18旋转时使喷射水的能量进入下一个桨叶68。将喷射水的能量转给下一个桨叶使从水到叶轮18传送的能量的效率为最大。在替代的实施例中，各叶片64可以形成其他的形状和结构而有助于有效的传送从喷嘴14喷射的其他流体的能量。例如，当流体为空气时，叶片64可以形成为螺桨、翼片或其他能够将能量从流动的空气转换为叶轮18的旋转的类似结构。
在操作过程中，在水喷流以一预定的角度冲击叶轮18以后，水靠重力如箭头72所示落向壳体出口20。因而，水集合在壳体出口20处并从而被导出壳体16。由于叶轮18不浸入水中，从水喷流到叶轮18传送的大部分能量被形成为对轴48的旋转力。
轴48的旋转使发电机46的一部分旋转。发电机46的一个实施例包括一转子76、一第一定子78和一第二定子80，后两者定位在一发电机壳体82的内部。转子76固定地连接于轴48并随其旋转。第一和第二定子78、80固定地连接于发电机壳体82并且周向地包围轴48。转子76定位在第一与第二定子78、80之间以形成发电机46。
该实施例的转子76可以是一个包括多个永久磁铁84的盘的形式。永久磁铁84均匀地置于转子76内的预定位置以同第一和第二78、80协同操作。在该实施例中的第一和第二定子78、80的每一个也可以形成包括多个线圈86的盘。线圈86均匀地定位在第一和第二定子78、80的内部以同永久磁铁84协同操作。可把线圈86电连接以形成一个或更多个用于产生电力的绕组。第一和第二定子78、80的极数和设计取决于许多因素。这些因素包括：由永久磁铁84和反EMF形成的高斯磁场的强度，以及要求的RPM和要求发电机46的功率输出。
在该实施例中，转子76的旋转使由永久磁铁84产生的磁通量同样旋转从而在第一和第二定子78、80中产生电力。转子76和第一与第二定子78、80协同操作以产生交流电(AC)。AC可以由发电机46整流和稳定化以既提供AC又提供直流电(DC)。在一替代的实施例中，永久磁铁84可定位在第一和第二定子78、80上使发电机46可用于产生直流电(DC)。在另一替代的实施例中，发电机46类似于关于图3讨论的发电机46。
在操作过程中，可以从水处理系统10(图1中所示)中向水力发电系统12输送增压水。如同在以前的实施例中，水力发电系统12的各个替代的实施例可以向水处理系统10输送水或定位在水处理系统10的内部。在该实施例中，如上所述，水从处理系统10输送给喷嘴14。
增压水流过喷嘴14并以高速喷射入壳体内腔62从而以预定的入射角冲击叶轮18上的桨叶68上。当水冲击桨叶68时，喷射水的能量转送给叶轮18使其沿单方向旋转。当叶轮18旋转时喷射水的一部分也通过槽口70喷射并冲击叶轮18上的另一些桨叶68。在水冲击桨叶68和能量的同时传送以后，水靠重力落到壳体出口20并流出壳体16。因此，在操作过程中壳体内腔62保持空气空间并且在操作过程中不完全充满水。
叶轮18的旋转使轴48旋转从而旋转发电机46的转子76。在该实施例中，转子76以约2400每分钟转数(RPM)旋转。转子76的旋转引起供给水处理系统10的电力的产生。如上所述，由发电机46产生的电压水平的范围是根据流过喷嘴14的水的流速范围确定的。因此，发电机的电压范围可以通过选择流过喷嘴14的水的流速范围来选择。
图7示出水力发电系统12的另一实施例的剖视图，其优选连接于水处理系统10。如图中所示，水力发电系统12包括一转子壳体102和一定子壳体104。转子壳体102形成一管道，其可以由塑料或其他类似的刚性材料构成并且包括一入口106和一出口108。在操作过程中入口106按箭头110所示接收流动的水而出口108将流动的水引到水处理系统10。在各替代的实施例中，该水力发电系统12可以固定在水处理系统10的内部或固定成可接收流出水处理系统10的水。如上所述，流过水力发电系统12的水流量可以由水处理系统10加以控制。
如图7中所示，转子壳体102包含一转子112而定子壳体104包含一定子114。该实施例的转子112可以是具有六个北/南极组合的十二级永久磁铁转子。如下文所详述的，该实施例的定子114可以是设计有八个北/南极组合的一环状圆环。转子112和定子114在操作过程中协同操作以产生电力。如在本领域中已知的，一定子包括一固定的绕组，其可以根据需要的电压输出大小构成可容纳任何数目的电极。公开于本实施例的绕组中的电极数目不应被认作是对本发明的一个限定。
图8示出图7中所示实施例的俯视图，其中为说明起见定子壳体104被切去顶部。定子114固定地定位于定子壳体104中以周向地包围转子壳体102。定子114包括一铁心116、多个凸出的电极118和多个线圈120。铁心116可以由铁、钢或其他类似材料构成并且被形成可包括凸出的电极118。在该实施例中，可以有八个凸出的电极118，其分别围绕以线圈120。
将凸出的电极118形成在定子114上使它们以周向地包围转子壳体102。每个凸出的电极118包括一成形端，其作为一极靴122在本领域中是已知的。极靴122邻近转子壳体102放置。极靴122传导一恒定的由转子112通过线圈120形成的磁通量。线圈120可以是电线或某其他能够传导电力的类似材料并且围绕凸出的电极118缠绕。虽然未示出，线圈120相互电连接以形成绕组，如在本领域中已知的，用于每一线圈120的电线圈数由电压和功率要求、最小和最大转子112的转数、最大允许的反压、需要的电感和磁高斯数来确定。
再参照图7，定子114横向垂直于转子壳体102的中心轴线定位。由于定子114定位在转子壳体102的外面，其与在转子壳体102内部的流动水脱离了流体连通。定子壳体104固定地连接于转子壳体102从而为定子114提供一在转子壳体102上的预定位置。在该实施例中，定子壳体104通过摩擦配合与转子壳体102的外表面相连接。本领域的那些技术人员应该理解存在不同的其他的转子壳体102与定子壳体104的连接方式。
在该水力发电系统12的实施例中，转子112包括一永久磁铁124，其可以由金属、烧结金属、挤压金属或陶瓷材料制成。永久磁铁124形成一恒定的磁通量并且与转子轴126相连接。可旋转的转子轴126从永久磁铁124的两端纵向外伸并可以由不锈钢或其他刚性耐腐蚀材料构成。永久磁铁124的中心轴线形成与转子轴126共轴线。永久磁铁124的外表面可以形成流线形以包括至少一个转子叶片128。该实施例的永久磁铁124构成桶形，具有形成转子叶片128的单螺旋螺脊。在替代的实施例中，转子叶片128可以是涡轮叶片或其他能够在受到流动的水冲击时引起转子112旋转的类似装置。
如图7中所示，转子112固定在转子壳体102的内部与转子壳体102的中心轴线共轴线。转子112的转子轴126的一端插入第一连接盘130而其另一端插入第二连接盘132。在该实施例中，转子轴126的两端增大直径以形成便于固定于第一连接盘130和第二连接盘132上的坚固的区域。第一连接盘130和第二连接盘132由塑料或其他类似的材料形成并且建立垂直于转子壳体102的中心轴线的横向支撑件。第一连接盘130和第二连接盘132均包括一轴承134或其他类似的装置以便使转子轴126可以自由旋转。此外，第一连接盘130和第二连接盘132以预定的相互间距连接于转子壳体102使转子112可以悬挂在它们之间。
转子112定位在转子壳体102中使流过转子壳体102的水冲击形成转子112的一部分的转子叶片128。转子叶片128用作为一桨叶使流动的水作用在转子112上。流动的水使转子112绕转子壳体102的中心轴线沿单一方向旋转。转子112定位在定子114的内部使转子112的轴线同心于定子114的轴线。转子112同定子114协同操作而构成发电机。
在操作过程中，当水流动和转子旋转时，由转子112产生的恒定磁通量也旋转并透入定子114从而实质上产生电力。在转子112与定子114之间必须保持一特定距离的气隙以便使来自转子112的恒定磁通量可以引起由定子114产生的电力。在这些实施例中，在转子112的永久磁铁124与定子114的极靴122之间的“气隙”包括流动的水和转子壳体102。流体的流动和转子壳体102并不影响恒定的磁通量。因此，来自旋转的转子112的旋转恒定磁通量引起由定子114的各线圈120产生电力。
当水流过转子壳体102而使转子112旋转时，旋转的恒定磁通量传给定子114的绕组并产生电力。该电力流过导电体54以驱动一个装置，即在该实施例中的水处理系统10。图7和8中所示的该实施例的水力发电系统12产生交流电(AC)，其可以用来驱动水处理系统10。在一替代的实施例中，该水力发电系统12通过将永久磁铁124定位在定子114上可以产生直流电(DC)。在另一替代的实施例中，水力发电系统12通过使交流电(AC)整流和稳定化给水处理系统10既提供AC电流又提供DC电流。DC电流还可以用来给储能器(未示出)充电。转子112的旋转和电力产生的持续时间也可以用于供给基于流动的测量，例如流率或流过水处理系统10的水量的测量。
图9示出水力发电系统12的又一实施例的剖视图，其在原理上类似于关于图7和8公开的上述的实施例。该实施例包括一转子112、一定子114和一固定于壳体142中的涡轮喷嘴140。壳体142构成一管道，其具有一入口144和一出口146。当水或某其他流体按箭头148所示流入入口114时，水流过壳体142并由出口146引出壳体142。在一个实施例中，水力发电系统12可以固定在水处理系统10(图1中所示)的内部，位于水处理系统10或输送水给该水处理系统10的后边。
壳体142可以由塑料或类似的能够导水的刚性材料制成。该实施例的壳体142包括第一部分152和第二部分154以便于组装和维护。第一和第二部分152、154可以通过粘结、摩擦配合、螺纹连接或某其他构成类似的刚性连接的装置结合在一起。壳体142形成水流通过的通道156。涡轮喷嘴140固定地定位在通道156的内部。
该实施例的涡轮喷嘴140可以是大体上锥形形状并且可以由塑料或某其他类似的刚性材料制成。涡轮喷嘴140可以成一体构成包括一顶部158和多个支撑件160。顶部158可以位于通道156的中心并且用于向外向着壳体142的内壁喷射流动的水。各支撑件160通过例如摩擦配合、卡和固定、螺纹连接或其他类似的刚性连接固定地连接于壳体142的内壁。
支撑件160将涡轮喷嘴140固定地支持在通道156中并且包括多个通道162以使水可以流过壳体142。通道162的尺寸可以调整以控制水的流速。如以上参照图2所述的喷嘴14中，可以确定一预定的速度范围，该预定的流速范围根据流入入口114中预期的水的压力范围以及水力发电系统12的背压来确定。此外，各支撑件160可以按预定的形状定向而用作为螺桨以面向流动的水。流动的水可以以预定的方式对准作用在转子112上，引导消除紊流、引导调整压力降或提高操作效率。
该实施例的转子112包括一涡轮转子164、一转子轴166和一永久磁铁168。转子112可旋转地固定在通道156内使流入通道156的水可以引起转子112绕壳体142的中心轴线170旋转。在流动的水作用在涡轮转子164上时产生转子112的旋转。涡轮转子164可以由不锈钢、铝、塑料或其他类似的刚性材料制成，该刚性材料能够耐得住旋转力和流动的水力。涡轮转子164包括至少一个涡轮叶片172和一主体174。
涡轮叶片172定位成可接收来自流过支撑件160的水的能量。涡轮叶片172可以是多个螺桨、一螺旋形凸脊或其他形成在主体174上的装置，其能够将流动的水的能量转变为旋转能量。该实施例的涡轮叶片172与主体174成一体构成并且延伸到邻近壳体142的内壁的位置。主体174可以构成为限定一内腔176，其沿圆周包围转子轴166的一部分。读者应该注意相对于壳体142的内壁通道162的深度小于涡轮叶片172的深度。不同的深度提供流动的水的循环，如将在下文讨论的。
转子轴166是可旋转的并且可以与涡轮转子164构成一体或者转子轴166通过压配合、螺纹连接或类似的连接装置固定地连接于涡轮转子164。转子轴166可以是不锈钢或其他类似的刚性材料，其可以纵向贯穿永久磁铁168。永久磁铁168可以是挤压磁铁，其可以由金属、烧结金属、陶瓷材料或某其他类似的具有磁性的材料制成。永久磁铁168可以通过摩擦配合、模压或其他类似的装置固定地连接于转子轴166。转子112通过多个轴承178可旋转地定位。
轴承178在永久磁铁168的两端沿周向地包围转子轴166的一部分。各轴承178可以是碳石墨、聚四氟乙烯、滚珠轴承、陶瓷、超高分子量(UHMW)聚乙烯或其他能够耐得住转子轴166的旋转的类似轴承。在该实施例中，各轴承178由通道156中存在的水润滑。此外，流动的水可用来冷却各轴承178，如将在下文描述的。各轴承178由定子114固定和定位。
该实施例的定子114包括多个排水引导螺桨180、一翼片182、多个线圈184和一盖186。如图9中所示，定子114通过排水引导螺桨180固定地定位于通道156中。各排水引导螺桨180通过例如粘结、摩擦配合、卡扣固定或类似的刚性装置同壳体142的内壁固定地连接。各排水引导螺桨180纵向平行于壳体142的内壁延伸并形成水流通过的通道。各排水引导螺桨180形成可将流动的水引向出口146以减小紊流、气泡、背压和其他的会影响有效操作的流动的水的类似性能。翼片182同样形成可将流动的水引向出口146。
各线圈184形成在一铁心(未示出)上以沿圆周包围转子112并形成一绕组。各线圈184与转子112隔开一气隙188。各线圈184同排水引导螺桨180固定地连接。此外，各线圈184可以同各轴承178和翼片182固定地连接。各线圈184可以通过例如粘结或与其形成一体固定地连接于排水引导螺桨180、各轴承178和翼片182。在该实施例中，各线圈184固定在通道156的内部，但是防水的以避免与流动的水形成流体连通。各线圈184可以通过例如外裹环氧树脂、注塑橡胶或塑料、超声密封或通过类似的防水装置另外隔水来制成防水的。在一替代的实施例中，各线圈184可以位于壳体142的外边，如以上参照图7和8所述的实施例中那样。
各线圈84还可以由盖186防水。盖186定位在密封各线圈184邻近涡轮转子164的一端的位置，如图9中所示。盖186可以通过螺纹连接可拆式连接于各线圈184或可以通过粘结固定地连接于各线圈184或与其成一体形成。盖186形成部分地包围轴承178并经向延伸一预定的距离，其等于定子114的半径。盖186的该预定的距离延伸到比涡轮转子164的主体174更接近壳体142的内壁。从壳体142的内壁到盖186和主体174的距离差保证流动的水的循环，如将在下文讨论的。
在操作过程中，流过入口144和流入通道156的水在增压水流过通道162时得到了预定的增速。流动的水由支撑件160引导而获得对涡轮叶片172的一预定的入射角，其使转子112旋转。在该实施例中，转子112以约15000每分钟转数(RPM)旋转。由于通道162、涡轮叶片172和盖182的不同的深度，流动的水被循环于内腔176中。流动的水在内腔176中的循环提供邻近定位的轴承178的冷却和润滑。
当水力发电系统12操作时转子112的旋转在定子114内产生电力。该水力发电系统12能够产生交流电(AC)。在替代的实施例中，当永久磁铁168固定在定子114上时该水力发电系统12可以产生(DC)电流。在另一替代的实施例中，水力发电系统12可以设计成既产生AC电流又通过AC电流的整流和稳定化产生DC电流。如以上所述，电极数目和线圈184的尺寸与结构取决于背压、要求的RPM和预定的水力发电系统12的电能输出量。
现在参照图3、6、7、8和9，结合这些图的实施例所讨论的水力发电系统12的另一实施例用于提供多个电压与电流水平。通过在一串联结构和一并联结构之间切换水力发电系统12的各线圈提供多个电压与电流水平。虽然未示出，可以检测水力发电系统12的电压与电流水平和水处理系统10的当前电压与电流需求的微处理器或其他类似的控制装置可以用来选择性地切换串联结构与并联结构之间的各线圈。各线圈的选择开关可以用于产生直流电(DC)或交流电(AC)的实施例。
例如，一些紫外(UV)光源需要一较低的预定交流电用以初始供能和一较高的电压水平。在初始供能以后，UV光源需要一较高的交流电但需要一较低的电压水平以保持供给的能量。因此，在操作过程中，当水力发电系统12产生电力时，由微处理器选择地将各线圈置于串联结构中。该串联结构以预定的电压水平产生预定的交流电，其能够初始给UV光源供能。在给UV光源的初始供能以后，各线圈被选择性地再组成并联结构以提供在一能够保持给UV光源供能的预定电压水平下的一预定的交流电。水力发电系统12的各线圈的切换，如上所述，可以为水处理系统10中的任何电装置提供不同的电压与电流要求。
在另一实施例中，结合以上所述诸实施例所讨论的水力发电系统12可以设有多个分接头以表示不同的形成各绕组的各线圈组。这些分接头可用于通过电连接不同的线圈数目以形成各绕组来提供多个不同的预定电压水平。水处理系统10可以构成使在操作过程中利用微处理器或某其他类似的装置在各分接头之间进行切换。因此，在上述的UV光源实例中，一个分接头可用于初始供能而另一分接头可用于连续操作。此外，不同的分接头可以在运行着的基础上用于根据电装置的电力要求操作水处理系统10中的各不同的电装置。
在结合上述诸实施例所讨论的水力发电系统12的又一实施例中，存在的反电磁力(EMF)被有利地减小。如在本领域中已知的，永久磁铁发电机的反EMF因通量集中器而增加，后者是由发电机铁心中的许多金属叠片形成的。通量集中器可用于改进发电机的发电效率，但必须克服传送的反EMF以便旋转转子。
在水力发电系12应用于水处理系统10的情况下，某些UV光源在启动和操作过程中具有不同的电力要求。采用水力发电系统12的上述诸实施例并且不包含通量集中器时，可以满足UV光源的操作要求。
在操作过程中，在给水处理系统10供能以前，水力发电系统12上的旋转载荷(反EMF)可以是较小的。旋转载荷可以是较小的是因为该实施例的水力发电系统12并不包含通量集中器并且水处理系统10还没有利用电力。因而，当水流过水力发电系统12时，转子可在较短的时期内加速到一预定的较高RPM。
较高的RPM以一预定的交流电流(AC)提供一预定的电压，该预定的交流电流能够初始供能给例如水处理系统10中的UV光源。在给UV光源初始供能以后，水力发电系统12上的旋转载荷被增加从而降低转子的RPM。该较低的转子RPM提供一预定的低电压与相应预定的交流电(AC)从而可以连续地供能给UV光源。读者应该理解由该实施例的水力发电系统12提供的“即时”能力可以排除水处理系统10中为驱动UV光源所需要的储能装置。
本水力发电系统12的诸优选的实施例为水处理系统10提供一独立的电力源。水力发电系统12提供从存在于流过水处理系统10的能量到电能量的有效的转换。电能量可以由水力发电系统12的诸实施例提供以满足水处理系统10的特定能量需求。正如本领域的那些技术人应该理解的，水力发电系统12的应用不限于水处理系统10并且可以有利地用于其他的流体，例如空气。
虽然参照诸具体的示例性实施例描述了本发明，但显然对这些实施例可以进行各种不同的变型和改变而并不背离本发明的精神和范围。诸附属权利要求包括所有的等价物，并用来限定本发明的精神和范围。

Claims (65)

1.一种水力发电系统，其包括：
一包括一入口和一出口的壳体；
一可旋转地固定于该壳体内部的转子，以使所述转子可由通过壳体的液流使之旋转；
一与壳体固定地连接的涡轮喷嘴，其中该涡轮喷嘴包括一尖部和许多支柱，所述尖部通过使液流向外转向所述壳体以可操作地增加液流的速度，所述支柱可操作来使通过多个流道的液流在已增加的速度下导向转子以使所述转子转动；以及
一固定地定位成包围该转子的定子，使转子的旋转可以引起电力的产生。
2.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述涡轮喷嘴可操作地提高液流的流速，且能够并将该液流导向成以预定的液流入射角射到转子上。
3.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述转子包括一轴和一涡轮转子。
4.权利要求3的水力发电系统，其特征在于，所述涡轮转子包括一螺旋形凸脊。
5.权利要求3的水力发电系统，其特征在于，所述涡轮转子包括多个涡轮浆叶。
6.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述定子处在一围绕着壳体的位置，并被设置邻近转子。
7.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述定子固定地定位在壳体内而包围转子。
8.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述电力为交流电流。
9.权利要求8的水力发电系统，其特征在于，所述转子包括一永久磁铁。
10.权利要求8的水力发电系统，其特征在于，所述交流电流被整流以提供直流电流。
11.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述电力为直流电流。
12.权利要求11的水力发电系统，其特征在于，所述定子包括一永久磁铁。
13.权利要求1的水力发电系统，还包括多个分接头和一用所产生的电力激励的紫外线光源，其中这些分接头可动态地操作用以提供不同水平的电力电压以初步激励和继续激励紫外线光源。
14.权利要求1的水力发电系统，还包括一紫外线光源和多个线圈，其中紫外线光源可用所产生的电力激励，而线圈可被动态地从并联结构切换到串联结构以提供用于初步激励的第一电压和用于继续激励紫外线光源的第二电压。
15.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述水力发电系统没有通量集中器也可操作来增加至第一每分钟转数以用第一电压初步激励紫外线光源，其中对紫外线光源继续激励是可操作的以把水力发电系统的转数降低至第二每分钟转数和产生第二电压。
16.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，可对转子的旋转操作以提供所述液流基于流动的测量。
17.权利要求1的水力发电系统，其特征在于，所述入口被从水处理系统中供给液流。
18.一种利用液流提供电力的方法，该方法包括：
设置一包括一入口和一出口的壳体；
将液流供给壳体的入口，其中所述液流流过该壳体流到此出口；
使转子旋转，该转子定位在壳体内使其由定子包围，其中由于液流流过壳体而使转子旋转；
将所述液流引导朝向带有涡轮喷嘴的一尖部的所述壳体的一壁面；
将所述液流通过被形成带有许多支柱的许多流道引导到所述转子，以进一步增加液流的流速，所述支柱被包括在涡轮喷嘴上；以及
利用转子与定子产生电力，其中转子的旋转引起电力的产生。
19.权利要求18的方法，其特征在于，所产生的电力为交流电流。
20.权利要求19的方法，还包括整流该交流电流以提供直流电流的动作。
21.权利要求17的方法，其特征在于，所产生的电力为直流电流。
22.权利要求18的方法，还包括给储能装置充电的动作。
23.权利要求18的方法，还包括利用多个排水引导螺桨将液流引到出口的动作。
24.权利要求18的方法，还包括使液流循环到轴承以冷却和润滑该轴承的动作。
25.权利要求18的方法，还包括利用多个线圈动态地调整电力的电压与电流水平的动作，以响应用所产生的电力初步激励和继续激励紫外线光源。
26.权利要求25的方法，还包括在并联结构路与串联结构之间切换各线圈的动作。
27.权利要求25的方法，还包括将各线圈与多个分接头电连接以提供多个电压水平的动作。
28.权利要求18的方法，还包括在没有通量集中器时使水力发电系统加速至第一每分钟转数以初步激励紫外线光源的动作，用紫外线光源的继续激励把水力发电系统降至第二每分钟转数和第二电压。
29.权利要求1的水力发电系统，其中所述定子包括许多排水导向螺桨和一翼片，所述排出导向螺桨和翼片配合地操作以把液流导向出口，其中所述排水导向螺桨与所述流道的对准以形成用于通过管子的液流的基本上直的通道。
30.权利要求1的水力发电系统，所述壳体包括一第一部段和一第二部端，该第一部段可拆卸地与该第二部段连接以利于组装和维护。
31.权利要求30的水力发电系统，其中转子和定子放置在第二部段中，所述涡轮喷嘴放置在第一部段中。
32.权利要求1的水力发电系统，其中所述液流是饮用水。
33.权利要求18的方法，包括起始调整支柱的动作以控制流体流的速度。
34.权利要求18的方法，包括起始调整支柱的动作是为了调整流体射入转子上的入射角、效率、涡流和压降至少之一。
35.权利要求1的水力发电系统，还包括一与所述转子可转动地连接的轴承，其中，所述转子包括位于所述流道附近的许多涡轮叶片，这样所述涡轮叶片的深度大于所述流道的深度，当所述转子转动时，以提供部分所述液流的循环，以冷却和润滑所述轴承。
36.权利要求18的方法，其中，所述转子包括位于所述流道附近的许多涡轮叶片，这样所述涡轮叶片的深度大于所述流道的深度，并且所述方法还包括利用涡轮叶片使一部分所述液流循环，以冷却和润滑一与所述转子可转动地连接的轴承。
37.一种水力发电系统，包括：
一包括一入口和一出口的壳体；
一包括许多涡轮叶片的转子，其中，所述转子可旋转地位于该壳体内部中，以使所述转子可由通过壳体的液流使之旋转；
一与所述转子可转动地连接的轴承；
一与壳体固定地连接的涡轮喷嘴，其中该涡轮喷嘴整体地形成以包括一尖部和许多支柱，所述尖部通过使液流转向所述壳体的一内壁以可操作地增加液流的速度，
所述支柱将所述涡轮喷嘴固定地连接到所述壳体的内壁，以形成多个流道，其中，所述支柱可操作来使通过所述流道的液流在已增加的速度下导向所述涡轮叶片以使所述转子转动；
其中，每个所述涡轮叶片的深度大于所述流道的深度，当所述转子转动时，以提供一部分所述液流的循环，以冷却和润滑所述轴承；以及，
一固定地定位成包围该转子的定子，以使所述转子的旋转可以引起电力的产生。
38.权利要求37的水力发电系统，其中，利用所述涡轮叶片可使所述部分液流通过所述轴承到所述壳体的出口循环。
39.权利要求37的水力发电系统，其中，所述壳体包括第一部分和第二部分，所述第一部分可以从所述第二部分上分离开，以便组装和维修。
40.权利要求39的水力发电系统，其中，所述转子和所述定子被设置在所述第二部分中，并且所述涡轮喷嘴被设置在所述第一部分中。
41.一种水力发电系统，包括：
一具有限定出通道的内壁的壳体，所述通道具有入口和出口，并构造成容纳通过所述壳体的液流；
一同心定位在所述通道中的涡轮喷嘴，其中涡轮喷嘴包括定位于入口附近的尖部和多个支柱，所述尖部被构造成使液流朝外转向内壁，所述多个支柱可与内壁一起形成入口渠道以引导受到转向的液流；
一转子，包括通过轴与发电机转子相联结的涡轮转子，所述转子同心设置在通道中涡轮喷嘴的下游处，使得通过入口渠道的液流被引向涡轮转子；和
一发电机定子，同心设置以环绕发电机转子，发电机定子通过多个出口导向叶片与内壁连接，所述出口导向叶片可操作与内壁一起形成多个出口渠道，其中，入口渠道与出口渠道对齐以形成通过通道的液流的大致上直的流动路径。
42.权利要求41的水力发电系统，还包括转动地与所述轴连接并且固定地与发电机连接的轴承，其中，涡轮转子包括转动地设置在入口渠道附近的涡轮叶片，并且涡轮叶片的深度大于入口渠道的深度，以提供用于冷却和润滑轴承的部分流体的循环。
43.权利要求41的水力发电系统，其中，所述壳体包括可拆卸地与第二部分连接的第一部分，涡轮喷嘴设置在第一部分中，转子和发电机定子设置在第二部分中。
44.权利要求41的水力发电系统，其中，所述转子被构造成以每分钟15000转的转速转动。
45.权利要求41的水力发电系统，其中，所述发电机转子是永磁体并且发电机定子包括多个线圈。
46.权利要求41的水力发电系统，其中，所述通道包括在入口和出口之间具有大致上一样的横截面的圆筒。
47.权利要求41的水力发电系统，其中，所述尖部包括从入口附近伸向出口的圆状突起。
48.权利要求47的水力发电系统，其中，所述尖部的直径朝向出口增加。
49.权利要求41的水力发电系统，其中，所述壳体被构造成安装在设有水龙头的水处理系统中。
50.权利要求41的水力发电系统，其中，所述涡轮喷嘴、转子和发电机定子可浸在通过通道的液流中并受其环绕。
51.权利要求41的水力发电系统，进一步包括与发电机定子相连的紫外光源，其中，发电机定子被构造成提供能量以启动紫外光源，从而一旦发电机转子因液流开始转动，发电机定子产生可使紫外光源初步激励的启动电压。
52.权利要求51的水力发电系统，其中，当由于紫外光源的初步激励造成发电机转子的转动负荷增加而使发电机转子的转动减慢时，发电机定子被构造成产生运行电压以维持紫外光源的激励。
53.一种水力发电系统，包括：
一包括限定出通道的内壁的壳体，所述通道具有入口和出口，其中，所述通道的横截面在入口和出口之间大致上是一样的；
一转子，同心设置在通道中，使得该转子被通过所述通道的液流而转动；
一涡轮喷嘴，固定地与所述壳体连接并同心定位在所述通道的入口内，其中涡轮喷嘴包括尖部和多个支柱，所述尖部被构造成通过使液体朝外转向内壁增加液体流速，所述多个支柱被构造成引导液流通过多个渠道去到所述转子；
一定子，固定地设置以环绕所述转子，从而转子的转动感应产生电力，其中定子和转子中的至少一个包括多个线圈；和
一紫外光源，与定子和转子中的一个相连，其中，所述线圈可动态地切换以提供紫外光源初步激励的第一电压和持续激励的第二电压。
54.权利要求53的水力发电系统，其中，所述线圈可动态地从并联结构切换到串联结构。
55.权利要求53的水力发电系统，其中，所述线圈包括多个分接头，所述线圈通过的不同的分接头动态选择可动态地切换。
56.权利要求53的水力发电系统，其中，所述壳体被构造成被置于水处理系统中并形成为所述水处理系统的部分。
57.权利要求56的水力发电系统，其中，所述水处理系统是装有水龙头的水处理系统。
58.权利要求56的水力发电系统，其中，所述水处理系统是台下式水处理系统。
59.权利要求53的水力发电系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被构造成响应定子和转子之一的电流和电压以动态地切换线圈。
60.权利要求1的水力发电系统，其中，所述壳体包括限定出介于入口和出口之间通道的内壁，其中，所述通道的横截面在入口和出口之间是大致一样的。
61.权利要求60的水力发电系统，其中，所述转子同心定位在所述通道中。
62.权利要求60的水力发电系统，其中，所述涡轮喷嘴同心定位在所述通道入口附近。
63.权利要求18的水力发电系统，其中，所述壳体包括介于入口和出口之间的通道，所述通道在入口和出口之间具有大致一样的横截面。
64.权利要求63的水力发电系统，其中，所述转子同心定位在所述通道中。
65.权利要求63的水力发电系统，其中，所述涡轮喷嘴同心定位在所述通道入口附近。
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