本發(fā)明涉及利用流體(空氣或水)中壓力來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的原理。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)利用風(fēng)力(流動(dòng)空氣的動(dòng)能)吹動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能。但是，無風(fēng)或微風(fēng)時(shí)，空氣基本上處于靜止?fàn)顟B(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不能工作。

水力發(fā)電系統(tǒng)利用大壩中水的勢能，高壓水頭沖動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。但是，當(dāng)大壩中無水或水位太低時(shí)，落差為零或很小，水力發(fā)電系統(tǒng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(海平面大氣壓強(qiáng))相當(dāng)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，一個(gè)大氣壓相當(dāng)于約10.3322米深的淡水。海水的比重一般大于淡水，并且不同地區(qū)的海水含鹽量也略有差別；若海水的密度取1.03g/cm^3，則一個(gè)大氣壓相當(dāng)于海水深10.03米；換句話說，即每增加海水深10米，約增加一個(gè)大氣壓。當(dāng)然，這些氣壓和水壓都屬于流體靜壓。

當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)的空氣或水(海水，或淡水)中時(shí)，作用在物體表面的壓強(qiáng)(單位面積上受到的壓力)，在同一水平(高度，或深度)上，各個(gè)方向均等，所以物體受到的壓力之和為零，物體不會(huì)在水平方向上移動(dòng)；在垂直方向上，物體上下表面壓力差導(dǎo)致產(chǎn)生浮力，與物體本身的重力一起，決定物體是否會(huì)發(fā)生上下移動(dòng)。

根據(jù)伯努利原理，運(yùn)動(dòng)流體機(jī)械能量守恒：單位體積流體的壓力能、重力勢能和動(dòng)能，在沿流線運(yùn)動(dòng)過程中，總和保持不變，即總能量守恒。伯努利方程：P+1/2ρv^2+ρgh＝常量，其中，P為壓強(qiáng)，ρ為流體密度，v為流體速度，g為重力加速度，h為高度。因而，在水流或氣流中，速度減小，壓強(qiáng)就增大；速度增大，壓強(qiáng)就減小。

基于伯努利原理，飛機(jī)機(jī)翼一般設(shè)計(jì)成上下不對稱結(jié)構(gòu)，機(jī)翼上方空氣氣流的流速大，壓強(qiáng)小；下方流速小，壓強(qiáng)大；這樣機(jī)翼就會(huì)產(chǎn)生向上的升力?；贑oanda效應(yīng)的飛碟，及上表面吹氣增升的短距起落飛機(jī)，其升力也是由沿上表面高速流動(dòng)的氣流產(chǎn)生的。

此外，在列車站臺上一般都劃有安全線。這是由于列車高速駛過時(shí)，靠近列車車廂的空氣將被帶動(dòng)而運(yùn)動(dòng)起來，壓強(qiáng)就減小，站臺上的旅客若離列車過近，旅客身體前后出現(xiàn)明顯壓強(qiáng)差，旅客有可能被吸向列車而受到傷害。

總而言之，通過提高流體在物體局部表面的流動(dòng)速度，可以降低該處的表面壓強(qiáng)，從而打破物體表面的壓力平衡。物體將受到流體壓強(qiáng)之差導(dǎo)致的合力作用，而可能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種流體壓力驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)。主要由推力體，增壓器，電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電源，高壓流體導(dǎo)管，杠桿機(jī)構(gòu)，變速器，發(fā)電機(jī)，變流器，控制器組成(見圖1B)。其中，增壓器可以是離心式，或軸流式，或復(fù)合式；并且可以具有一級，兩級，或多級增壓結(jié)構(gòu)。

當(dāng)控制器給電動(dòng)機(jī)接通驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)將帶動(dòng)增壓器開始工作。增壓器入口周圍的部分流體(空氣或水)被吸進(jìn)增壓器，經(jīng)過增壓過程，產(chǎn)生的高壓流體通過位于增壓器后部的出口噴出(見圖2)。

增壓器噴出的高壓流體，可以在推力體前表面形成沿切面方向高速流動(dòng)的屏蔽層，從而導(dǎo)致推力體前表面邊界層的壓強(qiáng)降低。由于推力體的結(jié)構(gòu)特征致使后表面流體的流動(dòng)速度比較低，后表面邊界層的壓強(qiáng)相對較高。推力體前后表面的壓強(qiáng)之差將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)合力，即向前的推力。

另一方面，通過調(diào)節(jié)增壓器的轉(zhuǎn)速，增加吸入流體的流量，可以在其入口處形成一個(gè)相對的負(fù)壓區(qū)，不但可以大大降低作用在增壓器上的阻力，而且在一定條件下，甚至可以在入口處形成一個(gè)向前拉的吸引力。從而，有助于推力體向前運(yùn)動(dòng)。

如果配置多個(gè)推力體(見圖1A)，它們產(chǎn)生的推力將能夠克服各種阻力，推動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)變速器的主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能。如果單位時(shí)間內(nèi)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能大于電動(dòng)機(jī)消耗的電能，則本系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入有效的工作狀態(tài)。

增壓器的出口形狀和位置分布，應(yīng)該與推力體頭部的具體結(jié)構(gòu)和希望流體的流動(dòng)路線分布相匹配。對于在空氣中工作的推力體，由于空氣壓強(qiáng)在一定高度內(nèi)變化不大，推力體的前部可以采用傘形、或半球形、或圓錐形、或平面圓形的結(jié)構(gòu)。增壓器的出口可以是一個(gè)整圓出口，以便噴出各向均勻分布的高壓流體，在推力體前表面形成一個(gè)完整的圓形屏蔽層；也可以是多個(gè)對稱分布的弧形出口，以便噴出對稱分布的高壓流體，在推力體前表面形成多個(gè)間隔的扇形屏蔽層(見圖3B)。

對于在水中工作的小型推力體，可以采用上述結(jié)構(gòu)形狀。然而，對于在水中工作的大型推力體，如果也采用上述結(jié)構(gòu)形狀，由于水壓強(qiáng)隨深度變化而明顯改變，推力體上下邊界的水壓強(qiáng)差別將會(huì)比較大，導(dǎo)致推力體的表面受力不平衡。為了盡可能縮小推力體上下邊界的水壓強(qiáng)差別，推力體前部可以采用水平長條形結(jié)構(gòu)。增壓器產(chǎn)生的高壓水通過左右出口以水平方向噴出，在推力體前表面形成左右兩個(gè)弧面形屏蔽層(見圖8B)；或者，增壓器產(chǎn)生的高壓水通過位于推力體水平中心線上的高壓流體導(dǎo)管，由出口朝上下兩個(gè)方向噴出，在推力體前表面形成左右兩個(gè)脊背形屏蔽層(見圖9B)。

推力體的后部可以采用圓錐形，球底圓柱形，四方錐形，或其它形狀(見圖4，圖5，圖6，圖8A和圖9A)。這樣，一方面可以減小尾部的負(fù)壓阻力及表面摩擦阻力；另一方面可以提高推力體后面的壓強(qiáng)。為了進(jìn)一步改善推力體后表面流體的流動(dòng)狀態(tài)，增大推力體產(chǎn)生的向前推力，可以考慮采用穿心管把增壓器產(chǎn)生的一部分高壓流體直接在推力體尾部排出(見圖7)。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)推力體的正面和反面結(jié)構(gòu)形狀，選擇與推力體相匹配的增壓器型號，合理設(shè)計(jì)增壓器出口的大小、形狀、分布、和流體噴出方向，調(diào)節(jié)高壓流體的噴射壓力和流量，從而改變推力體前表面局部邊界層流體的流動(dòng)方向和速度，在其前后表面上形成最大的壓強(qiáng)差，以便推力體能夠獲得最大的推力。

推力體的安裝數(shù)量應(yīng)該考慮發(fā)電機(jī)的功率大小，杠桿機(jī)構(gòu)的最佳旋轉(zhuǎn)速度，流體的穩(wěn)定性，及系統(tǒng)成本。杠桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是力矩最大化，同時(shí)，盡量降低運(yùn)動(dòng)阻力。變速器采用大齒輪帶動(dòng)小齒輪的模式，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以較高轉(zhuǎn)速工作。

附圖說明

圖1A是流體壓力驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)的推力體分布示意圖。

圖中：1-推力體(4個(gè)，或多，或少)；2-杠桿；3-中心軸；4-推力體轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

圖1B是流體壓力驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體；2-杠桿；3-中心軸；4-變速器；5-發(fā)電機(jī)；6-變流器；7-驅(qū)動(dòng)電源；8-控制器。

圖2是傘形推力體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體前面(正面，傘形)；2-增壓器；3-電動(dòng)機(jī)；4-被吸入流體(空氣或水)；5-噴出的高壓流體；6-增壓器周圍的流體；7-推力體前后邊界處流體的流動(dòng)方向；8-推力體后面(反面，圓錐形)；9-杠桿安裝孔。

圖3A是傘形推力體前面的高壓流體分布示意圖。

圖中：1-增壓器底圓面(包括出口)；2-各向?qū)ΨQ分布的高壓流體；3-推力體的外圓面(投影)。

圖3B是增壓器噴出的高壓流體形成的屏蔽層示意圖。

圖中：1-增壓器的多個(gè)對稱分布的弧形出口；2-噴出的高壓流體呈多個(gè)扇形對稱分布；3-推力體的外圓面(投影)；4-高壓流體扇形之間的間隔。

圖4是吊燈形推力體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體前面(正面，半球形)；2-增壓器；3-電動(dòng)機(jī)；4-被吸入流體(空氣或水)；5-噴出的高壓流體；6-增壓器周圍的流體；7-推力體前后邊界處流體的流動(dòng)方向；8-推力體后面(反面，球底圓柱形)；9-杠桿安裝孔。

圖5是蘑菇形推力體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體前面(正面，半球形)；2-增壓器；3-電動(dòng)機(jī)；4-被吸入流體(空氣或水)；5-噴出的高壓流體；6-增壓器周圍的流體；7-推力體前后邊界處流體的流動(dòng)方向；8-推力體后面(反面，圓錐形)；9-杠桿安裝孔；10-尾部流體的流動(dòng)方向。

圖6是草莓形推力體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體前面(正面，半球形)；2-增壓器；3-電動(dòng)機(jī)；4-被吸入流體(空氣或水)；5-噴出的高壓流體；6-增壓器周圍的流體；7-推力體后表面流體的流動(dòng)方向；8-推力體后面(反面，圓錐形)；9-杠桿安裝孔。

圖7是穿心草莓形推力體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體前面(正面，半球形)；2-增壓器；3-電動(dòng)機(jī)；4-被吸入流體(空氣或水)；5-噴出的高壓流體；6-增壓器周圍的流體；7-推力體后表面流體的流動(dòng)方向；8-推力體后面(反面，圓錐形)；9-杠桿安裝孔；10-穿心管；11-穿心管排出的流體。

圖8A是長條弧形推力體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體前面(正面，長條弧形)；2-增壓器；3-電動(dòng)機(jī)；4-被吸入流體；5-噴出的高壓流體；6-增壓器周圍的流體；7-推力體前后邊界處流體的流動(dòng)方向；8-推力體后面(反面，四方錐形)；9-杠桿安裝孔(水平安裝)；10-尾部流體的流動(dòng)方向。

圖8B是長條弧形推力體的高壓流體分布示意圖。

圖中：1-增壓器底圓面(包括出口)；2-左右水平方向的高壓流體；3-推力體的外輪廓(投影)。

圖9A是長條脊背形推力體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-推力體前面(正面，長條脊背形)；2-增壓器；3-電動(dòng)機(jī)；4-被吸入流 體；8-推力體后面(反面，四方錐形)；9-杠桿安裝孔(水平安裝)；10-尾部流體的流動(dòng)方向。

圖9B是長條脊背形推力體的高壓流體分布示意圖。

圖中：1-增壓器底圓面；2-左右高壓流體導(dǎo)管；3-左右垂直方向的高壓流體；4-推力體的外輪廓(投影)。

具體實(shí)施方式

在地面上工作的流體壓力驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)該安裝固定在地面上。杠桿機(jī)構(gòu)的頭部朝上，推力體在空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)。利用空氣靜壓持續(xù)不停地發(fā)出電能。

對于在湖海水面上工作的流體壓力驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)，杠桿機(jī)構(gòu)的頭部應(yīng)該朝下，將推力體全部浸沒在水面以下一定深度，在水中運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的其余部件應(yīng)該安裝固定在船上，或水面平臺上。利用海水或湖水靜壓持續(xù)不停地發(fā)出電能。

變流器應(yīng)該能夠?qū)l(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)頻率的電壓和電流，以便并入電網(wǎng)。

由于水壓強(qiáng)比空氣壓強(qiáng)大，在水中工作的推力體，有可能產(chǎn)生更大的推力。推力體的下潛深度應(yīng)該考慮推力最大化，杠桿機(jī)構(gòu)的力矩最大化，系統(tǒng)整體的發(fā)電效率最大化，部件結(jié)構(gòu)的承壓能力，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，及設(shè)備成本等因素。此外，電動(dòng)機(jī)及其供電線路必須考慮防水問題。

推力體和杠桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形狀及大小尺寸，應(yīng)該根據(jù)流體的物理特性及實(shí)際需要，在考慮推力最大化，力矩最大化，系統(tǒng)整體發(fā)電效率最大化，及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

增壓器的結(jié)構(gòu)形狀及大小尺寸，應(yīng)該根據(jù)流體的物理特性，與推力體相匹配。以便在推力體前后表面上形成最大的壓強(qiáng)差，獲得最大推力。

推力體和杠桿機(jī)構(gòu)應(yīng)該采用輕型耐用材料制造，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，光滑表面，以便降低各種阻力，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。