相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月28日提交的美国临时专利申请no.62/550,836的优先权，该美国临时专利申请通过引用合并于此。
本发明总体上涉及能量转换装置。更具体地，本文公开了一种电能产生系统，该电能产生系统用于通过将空气注入多个浮力导管中来引起工作流体在闭环系统内的循环运动，以通过夹带空气的运动来产生工作流体在多个浮力导管内的向上流动和工作流体在中央重力分配导管内的向下流动，进而驱动流体涡轮机系统，从而从流动的工作流体的能量中产生电能。
背景技术：
对替代能源的需求已得到公认并且在不断增加。无数有技能的发明人为替代能源发电的进步做出了贡献。已经公开了用于从太阳、风力以及河流和其它水体的运动中获得能量的系统和方法。随着替代能源的每一项进步，降低了对化石燃料的需求，并且减少了人类对环境的负面影响。
还已知尝试通过将气体引入一柱液体中以利用气体由于其浮力而造成的向上运动引起液体的夹带运动并且然后诸如通过流体涡轮机利用运动液体的动能和势能来获得能量。例如，在ziegenfuss的美国专利申请公开no.2008/0303282中，教导了一种水循环系统，其中将空气压缩机用作原动力，并将涡轮机用于发电。水管道子系统建立具有一个向上流动侧和一个向下流动侧的迂回回路。空气压缩机将空气注入到向上流动侧的下部以引起水的夹带流动，并且设置在向下流动侧的涡轮机接收流动的水以将其中的动能转换成电能。类似地，授予bervig的美国专利no.4,392,062公开了将发电设备设置在具有注入器的u形导管的流内，该注入器用于将较低密度的物质注入到u形导管的一条支腿内的流体中，以产生流体的流动。流体的流动致动发电设备，使得运动流体内的能量被获得成电能。更进一步地，markie等的国际公开no.wo2014110160涉及一种用于发电的系统，其中，保存箱内的第一流体接收不太稠密的第二流体，以引起第一流体在长形壳体内的向上流动。第一流体的流动引起涡轮机的旋转，从而产生电能。
尽管前述替代能源的进步是有用的，但它们确实具有许多局限性和致命的缺点。例如，没有太阳，光伏发电的收效甚微。风力涡轮机仅在充足的风中运行、容易发生故障并且维护成本高。更进一步，波浪发电机和河流涡轮机只能在存在水体的地方安装和运行，并且本身取决于自然运动的水的流动和运动。
更进一步地，通过在工作流体内注入浮力流体而引入到运行中的现有技术的循环发电系统已经表现出高效和操作方面的局限性，其迄今阻止了广泛采用。许多这样的原动流体发电机表现出高的功率损耗并且效率极低。这样的先前公开的原动流体发电系统尤其还受到对要被引导成循环运动的单柱工作流体的依赖的限制。此外，现有技术的原动流体发电系统表现出很低的能力或认识到需要通过主动去除夹带浮力流体来在工作流体向下循环运动之前提高工作流体的密度。另外，许多现有技术的原动流体发电系统在结构和操作上非常复杂，并且完全依赖于单个流动路径。因此，系统部件的故障或所需维护很常见，并导致系统完全停机。
鉴于前述内容，将认识到，尽管许多有技能的发明人做出了有益的努力，但是在本领域中仍然需要一种替代能源发电系统，该替代能源发电系统不依赖于任何外部因素、可以在各种各样的位置进行安装和连续运行并且在操作上足够高效以代表人类产生可用电力的能力的进步。
技术实现要素：
因此，本发明基于提供替代能源发电系统的基本目的，该替代能源发电系统克服了现有技术的局限性以提供可行的电力源。
本发明的更具体的目的是提供一种高效运行的发电系统。
本发明的另一具体目的是提供一种发电系统，该发电系统表现出对外部因素的降低的依赖性以使得该发电系统可以在大致任何位置中安装和运行。
本发明的实施方式的又一目的是提供一种发电系统，该发电系统能够在最小化的维护要求和降低的系统范围内的停机的情况下大致连续地运行。
本发明的这些和其它目的和优点不仅对于阅读本说明书和附图的人而且对于那些有机会体验本文公开的空气驱动发电机的实施方式的人而言都将变得显而易见。应当理解，尽管在本发明的单个实施方式中实现前述目的中的每个目的是可能的并且的确是优选的，但是并非所有实施方式都将追求或需要实现每一个潜在的优点和功能。尽管如此，所有这样的实施方式应该被认为在本发明的范围内。
为了实现本发明的一个或多个目的，发电系统包括一种用于从工作流体的运动中产生电力的空气驱动发电机。所述空气驱动发电机可以具有：长形重力分配导管，所述长形重力分配导管具有上端和下端；以及多个长形浮力导管，每个浮力导管具有上端和下端。所述浮力导管的上端与所述重力分配导管的上端流体连通。所述重力分配导管的下端与所述多个浮力导管的下端流体连通。在所述浮力导管与所述重力分配导管之间形成闭合流体回路。从所述浮力导管的上端流动的工作流体将被馈送到所述重力分配导管的上端，并且向下流过所述重力分配导管的工作流体将从所述分配器导管的下端馈送到所述多个浮力导管的下端。流体涡轮机系统流体地插设在所述重力分配导管的下端与所述浮力导管的下端之间，并且空气注入系统操作用于将空气注入到所述浮力导管中的每个浮力导管中。在所述空气驱动发电机的这种构造下，向设置在所述浮力导管中的工作流体中注入空气将趋于引起所述工作流体在所述浮力导管中向上流动，并且被馈送到所述重力分配导管的上端的工作流体将趋于在所述重力分配导管内向下流动，以致动所述流体涡轮机系统。
在本发明的某些实践中，所述空气注入系统包括与压缩空气源结合的一个或多个空气注入器，所述一个或多个空气注入器联接到每个浮力导管，所述压缩空气源与联接到每个浮力导管的所述一个或多个空气注入器联接。所述压缩空气源例如可以是空气压缩机、一些其它压缩空气源。在特定实施方式中，所述压缩空气源可以包括交替的机械压缩机和热泵的系统(asystemofalternatingmechanicalcompressorsandheatpumps)。
所述空气驱动发电机的实施方式还可以包括上腔室。所述浮力导管的上端于是可以通过所述上腔室与所述重力分配导管的上端流体连通。在包括所述上腔室的情况下，所述上腔室可以具有大致环形侧壁。每个浮力导管的上端可以沿非径向方向与所述上腔室相遇。例如，所述浮力导管的上端可以沿至少部分相切方向与所述上腔室相遇。甚至更具体地，所述浮力导管的上端以近似相等的非径向角顺序地与所述上腔室相遇。在这样的实施方式下，从所述浮力导管的上端排出的工作流体将趋于遵循所述上腔室内的初始旋转模式。所述上腔室因此可以操作用于去除夹带在接收在所述腔室中的工作流体内的空气，从而通过使接收在所述重力分配导管的上端中的工作流体保持减少的空气体积而对所述发电机的效率做出贡献。
更进一步地，可以设想，挡板结构可以设置在所述上腔室内。所述挡板结构(诸如具有多个挡板的结构)可以帮助从所述工作流体中去除夹带空气。
公开了所述空气驱动发电机的实施方式，其中，所述重力分配导管具有纵向中心线，并且所述浮力导管围绕所述纵向中心线定心。此外，本发明的实施方式可以按大致平行的设置来设置所述浮力导管和所述重力分配导管。例如，在采用四个浮力导管的情况下，可以按对称的正方形构造来设置所述浮力导管。
在所述空气驱动发电机的实践中，所述重力分配导管的下端通过设置在所述重力分配导管的下端处的流体分配器结合流体返回连接件而与所述多个浮力导管的下端流体连通。更进一步地，可以在所述重力分配导管的下端与所述浮力导管的下端之间插设热交换器。
还公开了所述流体涡轮机系统可以包括流体涡轮机，所述流体涡轮机流体地插设在所述重力分配导管的下端与每个浮力导管的下端之间。例如，在采用四个浮力导管的情况下，可以提供四个流体涡轮机，一个流体涡轮机将每个浮力导管流体地联接至所述重力分配导管。
设置在形成在所述浮力导管与所述重力分配导管之间的所述闭合流体回路内的工作流体可以比水稠密。例如，所述工作流体相对于水的比重可以大于1，优选地大于2。
所述空气驱动系统可以包括框架。然后所述浮力导管和所述重力分配导管可以由所述框架保持而形成上层结构(superstructure)。由所述浮力导管和所述重力分配导管形成的上层结构被设想为高度超过八十英尺且高达数千英尺(诸如通过被集成到建筑结构中)。所述空气驱动系统可以是独立式的或联接到任何结构。
在所述空气驱动发电机包括上腔室其中所述浮力导管的上端通过所述上腔室与所述重力分配导管的上端流体连通地情况下，通气孔可以设置在所述上腔室中以允许释放从所述空气注入系统注入并从所述浮力导管的上端排出的空气。在这种实施方式中，进一步公开了有机朗肯循环发电机可以设置成接收从所述上腔室的所述通气孔排出的空气，从而进一步提高所述系统的效率。
将理解，前述讨论概括地概述了本发明的某些更重要的目的和特征，以使得能够更好地理解随后的详细描述并且灌输对发明人对本领域的贡献的更好理解。在详细解释任何特定实施方式或其方面之前，必须明确的是，以下构造细节和发明构思的例示仅仅是本发明许多可能表现的实施例。因此，将清楚，通过阅读不受限制的实现和实施方式的详细描述并且参照附图，本发明的其它特征和益处将是显而易见的。
附图说明
在阅读了本说明书和附图之后，本文公开的空气驱动发电机的另外的细节和特征对于本领域技术人员将是显而易见的，其中：
图1是根据本发明的空气驱动发电机的立体图；
图2是空气驱动发电机的正视图；
图3是空气驱动发电机的俯视图；
图4是空气驱动发电机的基部的立体图；
图5是空气驱动发电机的局部剖视俯视图；
图6是空气驱动发电机的基部的正视图；
图7是空气驱动发电机的上部的立体图；
图8是空气驱动发电机的上部的俯视图；
图9是空气驱动发电机的上部的正视图；
图10是本文公开的空气驱动发电机的替代实施方式的立体图；
图11是图10的空气驱动发电机的正视图；
图12是图10的空气驱动发电机的俯视图；
图13是图10的空气驱动发电机的基部的立体图；
图14是图10的空气驱动发电机的基部的正视图；
图15是图10的空气驱动发电机的局部剖视俯视图；
图16是图10的空气驱动发电机的上部的立体图，其中去除了朗肯循环发电机；
图17是图10的空气驱动发电机的上部的正视图，其中再次去除了朗肯循环发电机；以及
图18是图10的空气驱动发电机的上部的局部剖视俯视图。
具体实施方式
本文公开的空气驱动发电机具有各种实施方式。然而，为了确保本领域技术人员将能够理解并在适当的情况下实施本发明，下面描述了并在附图中示出了本文揭示的更广泛的发明的某些优选实施方式。因此，在详细解释本发明的任何特定实施方式之前，必须明确的是，以下构造细节和发明构思的例示仅仅是本发明许多可能表现的实施例。
考虑到这一点并且更具体地查看附图，在图1和图2中的10处总体上示出了本文公开的空气驱动发电机的实施方式。在那里，空气驱动发电机10具有闭环流体系统，该闭环流体系统具有与多个长形浮力导管14a、14b、14c和14d流体联接的长形重力分配导管12。在所示实施方式中，浮力导管14a、14b、14c和14d与重力分配导管12通过框架30保持成相互平行的关系以形成上层结构。在该说明性实施例中包括四个浮力导管14a至14d，应当理解，可以采用更少或更多的浮力导管14a至14d。
可以利用浮力导管14a、14b、14c和14d以及重力分配导管12来构造、安装和运行空气驱动发电机10，该浮力导管14a、14b、14c和14d以及重力分配导管12具有竖直设置以使得每个导管12以及14a至14d具有上端和下端。浮力导管14a至14d的上端通过上腔室16与重力分配导管12的上端流体连通，导管12以及14a至14d中的每一个相对于该上腔室16流体开口。重力分配导管12的下端通过中央分配器导管12的底端处的流体分配器26以及流体返回连接件而与多个浮力导管14a至14d的下端流体连通。所示实施方式中的流体返回连接件包括热交换器20a至20d。在本发明的该实施例性实践中，重力分配导管12和浮力导管14a至14d是管状的，但是将理解，其它截面形状是可能的。
在这种构造下，形成了闭合流体回路。向上流过浮力导管14a至14d的流体将从浮力导管14a至14d的上端馈送进入上腔室16，并进入重力分配导管12的上端。向下流过重力分配导管12的流体将从分配器导管12的下端馈送并且通过与分配器导管12的流体联接进入多个浮力导管14a至14d的下端。
可以认为空气驱动发电机10具有中心线。在所示实施方式中，重力分配导管12沿着中心线纵向定心。多个浮力导管14a至14d平行于重力分配导管12并且沿着以中心线和重力分配导管12为中心的外围圆形形状均匀地间隔开。例如，如采用四个浮力导管14a至14d的图5所例示的，该浮力导管可以按正方形截面形状来设置，其中重力分配导管12居于它们之间。三个浮力导管14可以按三角形构造来设置，五个浮力导管14按五边形构造来设置，依此类推。
如结合参照图1至图3和图7至图9可以理解的，在该表现中，上腔室16是环形的并且设置在导管14a至14d的长形部分的横向内侧，其中直径小于设置导管14a至14d的正方形的支腿的长度。浮力导管14a至14d具有以大约直角向内转向以与上腔室16的外周相遇的上端部分。这里，浮力导管14a至14d具有总体上沿着上腔室16的圆形外周的连续切线与上腔室16相交的外边缘。因此，从导管14a至14d的上端排出的流体在被馈送进入分配器导管12的上端之前将趋于遵循上腔室16内的初始旋转模式。
流体涡轮机系统插设在浮力导管14a至14d的下端与分配器导管12的下端之间。流体涡轮机系统操作用于转换体现在从分配器导管12的下端横穿到浮力导管14a至14d的下端的流体中的动能。在该实施方式中的流体涡轮机系统是旋转涡轮机系统，其操作用于将运动流体中的动力转换成可用电力(诸如要通过电连接42输出的或存储在诸如电池组44中的电力)。在所示实施方式中，专用流体涡轮机18a、18b、18c和18d插设在分配器导管12的下端与浮力导管14a至14d的相应下端之间。这样，从分配器导管12的下端流到第一浮力导管14a的下端的流体将通过流体涡轮机18a的致动产生电能，并且从分配器导管12的下端流到第二、第三和第四浮力导管14b至14d的下端的工作流体将分别通过流体涡轮机18b至18d的致动来产生电能。
进一步公开了专用热交换器20a至20d可以另外地流体地插设在分配器导管12的下端与浮力导管14a至14d的下端之间。在所示的空气驱动发电机10的实施方式中，每个浮力导管14a至14d在其下端处具有直角弯头。弯头类似地朝向连续的导管14a至14d成角度，并且相应热交换器20a至20d联接到其上。第二90度弯头向内成角度以连接至相邻导管14a至14d的热交换器20a至20d的内侧的内管部分，并且相应流体涡轮机18a至18d以直角联接至内管部分以在径向上设置到中心线和分配器导管12。一个或多个阀32可以沿着流体路径插设在浮力导管14a至14d的底部与分配器导管12的底部之间。
提供空气注入系统以将空气注入到保持在浮力导管14a至14d内的工作流体100的柱中。在该实施例中，空气注入器24a至24d设置在相应浮力导管14a至14d的下部中，以将空气施加到设置在导管14a至14d内的流体柱中。每个空气注入器24a至24d具有与其相关联的多个空气管线28a至28d，以从诸如压缩机22的空气源22接收空气。压缩机22、空气注入器24a至24d以及多个空气管线28a至28d可以用作间歇空气注入器，诸如通过压缩机22的自动操作。被注入到液体柱中的空气占据了液体中的体积，从而取代了大量液体。通过导管14a至14d上升的空气可以诸如通过上腔室16中的一个或多个通气孔34从空气驱动发电机10释放，或者空气本身可以被回收并再循环或以其它方式引导。
如图2所示，由于液体100内的空气的浮力并且与液体100的重量相比空气的重量更轻，所以导管14a至14d内的材料的总重量减小，并且空气趋于在液体100内迅速上升。此外，导管14a至14d内的组合空气和液体的密度(每单位体积的重量)小于重力分配导管12内的液体的密度。与重力分配导管12内的趋于在重力作用下掉落的流体相比，液体100内的空气的向上运动以及流体连接的浮力导管14a至14d内的流体的密度相比于重力分配导管12内的流体的密度的差产生了浮力导管14a至14d内的流体的显著向上原动流动。因此，引起了液体100在空气驱动发电机10内的循环闭环运动，该液体运动的动能被流体涡轮机18a至18d主动地获得以产生用于输出或存储的电力。
上腔室16被设计成从已经从相应浮力导管14a至14d上升的液体100中去除夹带空气，目的是确保被馈送至重力分配导管12的流体至少大致没有气泡。在上腔室16的空气分离方面，重力分配导管12中的流体尽可能地稠密，从而促进了空气驱动发电机10的连续的高效的操作。因此，上腔室16促进的空气分离使得重力分配导管12内的液体达到最大密度和最佳的向下力，从而促进水头压力以及流体流动驱动流体涡轮机18a至18d并产生电力。
空气夹带去除上腔室16辅助了空气驱动发电机10的效率。上腔室16通过从流体100去除甚至很小的气泡并防止这样的气泡被重力分配导管12拖下以及不希望地降低其中的流体100的密度而允许空气驱动发电机以高效率水平连续地运行。基于将浮力导管14a至14n相切地接纳到上腔室16中，流体100和从浮力导管14a至14n接收的空气的竖直运动在离心力和向心力的作用下转换为大致旋转的运动。
流体100在上腔室16内的旋转运动趋于将密度较小的流体100收集在腔室16的顶部中心，并且密度较高的流体100收集到腔室16的外部和底部。同时，重力分配导管12的向下流动趋于来自腔室16的外部底部。
此外，如图18所示，腔室16可以将流体100的旋转速度引导到腔室16的下部中央部分中的挡板38中，在那里，流体100的旋转速度被改变为层状向下流动的流体100。因为方向的变化以及摩擦和湍流，所以该处理使损失最小化。为了防止由于流体100的向下流动而产生的凹陷部分，将板40放置在挡板38上。板40防止吸入空气或夹带有空气的流体100进入重力分配导管12。
使用热泵来提高流体温度的另外的好处包括：现在排出的空气比周围空气热得多。由此，空气驱动发电机10可以使用有机朗肯循环发电机(orc)36来回收通常排放到周围空气中的热能。例如在图10和图11中描绘了这样的实施方式，其中有机朗肯循环发电机36被设置成接收从上腔室16的通气孔34排出的空气。预测有机朗肯循环发电机36回收通常损失到环境的能量中的10％至15％，从而进一步提高了发电机10的整体性能。腔室16因此通过通气孔34收集排出的加热空气，以将其引导到有机朗肯循环发电机36中，以从低级废热中提取另外的能量。
空气驱动发电机10及其部件的整体尺寸和相对比例可以在本发明的范围内变化。由重力分配导管12、浮力导管14a至14d和上腔室16形成的上层结构的高度应该足以允许空气取代浮力导管14a至14d内的液体100，以产生净密度差和用于产生重力分配导管12中的水头压力的液体运动，其中计算表明，该水头压力与浮力导管14a至14d中的液体的密度相比于重力分配导管12中的液体的密度的差成比例。在本发明的一种非限制性实践中，例如，空气驱动发电机10的整体高度超过八十英尺，但是可以设想高度为数百或甚数千英尺的实施方式。空气驱动发电机10可以按部分制造并现场联接。
闭环发电机10有利地可以在不需要连续的水源或大面积专用土地的情况下运行。闭环发电机10可以缩放到大致任何尺寸(包括兆瓦级的商业发电厂)。在该闭环系统中，从注入空气的浮力导管14a至14d排出的流体上升至上腔室16，该上腔室足够大以保持如此接收的流体并将其馈送到向下流动的分配器导管12以驱动相应流体涡轮机18a至18d。可以设想，较高的流体柱将引起较高的操作效率，因为在浮力导管14a至14d中上升的空气的停留时间增加了，从而增加了排量并且对于每单位时间输送的相同量的空气而言产生了更高的水头压力和流量。此外，空气驱动发电机10几乎可以位于地球上的任何地方以减少化石燃料的消耗并提供电能源，即使在接入电网受限的区域也是如此。
与使用液体柱接收注入的空气可能实现的效率和操作相比，多个浮力导管14a至14d以及它们相对于彼此以及相对于定心设置的重力分配导管12的构造提供了效率和操作方面的优点。因为已经发现流体排量和水头压力的产生被限制为任何液体柱的大约55％，所以在单个浮力流体柱中可以产生的能量的量受到限制。此外，水头压力和流体流动可以受到管径的限制。由于这些约束，在单个浮力导管构造中可以实现的功率和能量产生量受到限制。相反，当前公开的空气驱动发电机10允许多个浮力导管14a至14n的组合并且允许将从其中流动的流体馈送到单个向下流动的分配器导管12中。每个浮力导管14a至14n能够通过组合这样的导管14a至14n达到最大水头压力并且在流量变为两倍、三倍等以采用尽可能多的单元时可以保持相同的水头压力。多个浮力导管14与具有相等或更大截面体积的单个分配器导管12协作以驱动流体涡轮机系统。
在产生更大功率的情况下，可以利用更大的涡轮机18a至18d以及关联的发电设备来改善空气驱动发电机10的经济性，该发电设备具有降低的每千瓦发电成本，同时表现出更高的效率。利用独立运行的浮力导管14a至14n的冗余性质，可以使单个故障的影响最小化并且可以在不关闭整个发电机10的情况下分离、修理和维护空气驱动发电机10的一部分。实际上，可以独立地添加、拆卸、维修和维护冗余的涡轮机18a至18n以及整个单元，诸如以在设备故障或例行维护操作的情况下投入运行，同时允许工厂继续运行。
可以选择空气驱动发电机内的工作流体100以提高性能。在这方面，应当理解，如果要实现一定水平的水头压力，则对于兆瓦大小的系统，塔式空气驱动发电机10可能需要几百到几千英尺的高度。这样的结构将大大增加制造的成本和复杂性并且将面临位置限制且难以获得监管批准。为了降低空气驱动发电机10的所需高度，非常稠密的液体(诸如密度比水的密度大三到四倍的水基高密度材料)于是将允许空气驱动发电机10以成比例降低的高度构造，同时实现类似的发电。如设想用于空气驱动发电机10中的非常稠密的液体也可以表现出更高的粘度，从而减慢空气通过液体100并增加停留时间、流体流量和发电。非常稠密的液体允许较大的管道中的较高的水头压力。另外，非常稠密的液体100用作润滑剂，以降低对液体100的运动的摩擦阻力并提高整体效率。液体100具有非常低的磨料含量并且是非腐蚀性的，从而降低了管道和设备的磨损。更进一步地，高密度流体100的沸点和蒸汽压可以更高以帮助控制蒸汽损耗。
除空气驱动发电机10可以由权利要求明确地限制之外，可以在本发明的范围内采用各种工作流体100。通过说明性实施例，工作流体100的一个实施方式可以具有以下重量份数：水占2.5至4；胶体悬浮液中的膨润土占1至3；作为增重材料的硫酸钡占1至5；作为增重材料的网格大小(meshsize)为50至200的元素铁占0.5至4.5；尤其作为凝胶控制的盐占0.25至1.5；以及作为ph控制的氢氧化钙占0.20至1。
如此组成的工作流体100是超稠密的，取决于所使用的公式，其重量为每立方英尺190至240磅。计算表明，工作流体100比最终粘度低得多的单独的硫酸钡稠密得多。此外，工作流体100比单独使用的硫酸钡具有更少的磨蚀性，并且对碳钢、黄铜、铜、青铜以及这些材料的组合没有腐蚀性。
明确指出的是，其它盐将起作用并且在本发明的范围内，以充当类似的腐蚀抑制剂并干扰可以使用的凝胶形成。此外，可以选择元素铁的网格大小以实现不同的润滑性能和耐磨性。更进一步地，取决于在空气驱动发电机10中使用的材料，可以调整或改变盐以使工作流体100与材料或材料的组合相容。当前考虑的盐包括但不限于氯化钙和硫酸镁。工作流体100将优选地抵抗冻结，同时表现出提高的沸点以尤其控制蒸发。工作流体100的成分将优选地保持悬浮较长时间段。
考虑到发电机10的空气驱动性质和用于产生供系统运行的压缩空气的能量需求，进一步设想空气压缩系统可以被包括在空气源22内或联接到空气源22。在空气压缩系统下，交替的机械压缩机和热泵去除绝热热量并降低反向压力。进而，减少了压缩空气所需的能量。于2018年1月18日提交的本发明人的申请no.62,618,720中公开了这样的系统，该申请通过引用并入本文。计算表明，空气压缩系统使机械压缩机的所需能量降低约60％。该节省能量中的一部分被热泵压缩机用尽，但是由于热泵用于以平均为8或更高的高性能系数(cop)散热，因此计算表明，所需能量的总量仍低于传统的压缩机。另外，热泵的优势在于，它们可以非常高效地将热量从一个地方转移到另一地方。这样，可以通过操作热交换器20a至20d使热量返回到空气驱动发电机10内的流体100，该热交换器20a至20d被设置为接收通过相应流体涡轮机18a至18d之后的流体100，这可以有利于代替损失的绝热热量以保持在稳定状态下进行操作的空气驱动发电机10的性能。热泵还可以收集由于摩擦和压缩空气中包含的水蒸汽的冷凝而产生的热量。据计算，不仅绝热热量能被返回，而且这种组合可以使约25％的更多能量返回到发电机10。已经计算出该另外的能量使液体100的温度平均每操作分钟升高约0.6华氏度。这将逐渐提高整个系统的温度，直到达到能量输入等于输出能量的平衡为止。取决于环境条件，该平衡大约为170至200华氏度。所产生的流体100的温度升高导致流体100中的空气过度膨胀约35％，并增加了发电机10中的流体100的排量。流体100的排量的增加直接增大了功率输出。因此，在压缩系统的热泵部分中使用的能量被用于增大发电机10的整体功率。
在这方面，将理解，在普通的单级压缩机中，空气在一个步骤中被压缩到期望的psi。以热量形式的能量的所有释放都保留在压缩空气中，但是压力和体积发生变化。这意味着升高的温度向压缩机施加反向压力，这在压缩机中使用更多的能量。在两级压缩机中，空气在第一级与第二级之间被空气冷却以去除一些绝热热量。绝热热量的去除降低了第二阶段中压缩机的反向压力，因此降低了用于压缩空气的能量。不会降低需要去除的绝热热量的量。仅由于不使用能量的空气冷却式中间冷却器去除了释放的热量的一些反向压力，因此降低了压缩机的电能。这样，将较少的能量施加到压缩机。三级压缩机可以具有进一步的优势。在这样的处理中，被去除的热量通常被散发到周围空气中。
在本发明下，可以采用空气压缩循环，诸如通过空气源22、使用热泵来从中间冷却器中的压缩空气中去除热量。通过使用热泵来冷却中间冷却器，可以使用来自前一循环的即将到来的压缩空气来降低到环境空气温度以下。计算得出的结果是将机械空气压缩机的空气压缩所需的能量降低了50％至60％。通过增加压缩循环次数，可以将热泵的性能系数(cop)保持在8以上。这样，对于每8个单位的发送到冷凝器的热量，热泵压缩机仅使用1个单位电力(也以热量的形式)。这使得不仅可以获得绝热热量，而且还可以获得由于空气压缩机的摩擦而产生的机械热量损失。然后可以将获得的热量重新定向。在本发明的范围内，可以利用每个循环都会升高温度的级联热泵系统将温度升高到更高等级的可用温度范围。在每个循环中，使用更多的能量，但是热泵也会获得能量以便稍后在处理中使用，从而减少或消除能量损失。
热泵还解决了压缩空气的另一问题，即水蒸汽。大多数空气都含有一些水蒸汽。压缩处理迫使水冷凝。这会释放冷凝热量，这会向空气压缩机施加反向压力并增加压缩机所需的能量。在夏季，相对湿度可能会很高，这可能会大大增加压缩空气所需的能量的量。通过在中间冷却器中使用大小合适的热泵，可以获得额外释放的能量，并且保持空气压缩机所需的电力较低。可以稍后在处理中使用大量获得的能量以增加发电机10的功率输出。
空气驱动发电机10因此将压缩空气转换成运动的高密度低阻力流体100以驱动闭环系统中的流体涡轮机系统。高压空气被注入到流体100中以取代流体100并在浮力导管14a至14d内产生向上的浮力。随着流体100的柱向上运动，压力减小并且被取代的流体100的体积成比例地增大。流体100的通过浮力导管14a至14d中的空气导致的所有排量的总和形成总浮力。运动对象的动能是基于质量乘以速度来计算的。可以基于运动流体100的密度乘以液体流量(体积乘以高度)或液体100落下的水头乘以重力加速度来计算在重力分配导管12内落下的运动流体100中可用的、可被流体涡轮机18a至18d用于转换为电力的能量。实际获得的能量是上述计算结果乘以能量转换效率的乘积。
为了增加由空气源22提供的并通过空气注入器24a至24d注入的空气引起的流体100的总排量，并进而增加涡轮发电机18a至18d的功率输出，从绝热处理收集的热量可以在流过涡轮发电机18a至18d之后但在空气注入器24a至24d的位置之前设有水蒸汽的冷凝和机械热量损失回到流体100中。
热量的注入取代了通过绝热处理的热量损失，因此空气驱动发电机10保持稳定状态，但是取决于外部大气条件，额外的热量开始使流体100的温度在每操作分钟内从0.6华氏度升高到1.5华氏度。随着系统热量的增加，流体排量增加，并且能量输出增加。在这种情况下，由于排出空气温度和水蒸汽增加而导致的热能损失率也趋于增加。整个系统最终将达到能量输入与能量输出之间的平衡。计算表明，能量产生的增加等于除绝热热量以外收集的所有另外的能量减去涡轮机效率的等效值。
在空气驱动发电机10的操作中，排出空气的温度将显著高于周围环境空气温度。在热空气消散到周围大气之前，可以利用有机朗肯循环发电机36将低等级的热量转换为电力。通过将排出空气温度提高100华氏度或更多，可以使用有机朗肯循环发电机36在发电方面重新获得10％至15％的附加能量。
可以提供许多计算来中继空气驱动发电机10的预测性能，其中要理解的是，不旨在依赖于实际性能的任何表示。据计算，如果空气驱动发电机使用标准压缩机，则对于投入闭环发电系统中的每100kw，大约可以产生90kw。然而，由于压缩机的机械阻力，为产生100kw的空气，干空气要消耗比湿空气多得多的115kw。这产生25kw的损耗，这使其成为用于存储而不是发电的良好电池。然而，经计算，使用本发明人的空气压缩系统仅需要40kw即可产生100kw的空气，从而产生50kw电能的净增益。另外，可以收集来自机械阻力和水蒸汽的额外热量并将其用于闭环系统中，以提高流体100的温度并如所计算的产生35％的更多的电能或32kw的电能。预计总共有50kw加32kw的或82kw的净增益。另外，排出的热空气包含能量。使用有机朗肯循环发电机(orc)36，能够获得附加的15％或12kw的电能，以产生94kw的总净增益。使用20％的标准效率损失，可以预计75kw的电能净增益。认为必须构造全尺寸的试验系统以理解该计算出的能量实际上有多少可以被回收，并且本公开中的任何内容都不应被解释为或依赖于性能的肯定表示。
利用本发明的针对所公开的空气驱动发电机10的某些细节和实施方式，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对其做出许多改变和增加。当考虑当前优选实施方式仅示出本文所揭示的更广泛的发明时，尤其如此。因此，将清楚，考虑到本发明的主要特征的技术人员可以设计出包含那些主要特征的而没有并入优选实施方式中包括的所有特征的实施方式。
因此，所附权利要求旨在限定要提供给发明人的保护范围。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，这些权利要求应被认为包括等同的构造。还必须注意的是，以下多个权利要求可以说明某些元件作为用于执行特定功能的手段，有时无需结构或材料的叙述。如法律所要求的那样，这些权利要求将被解释为不仅涵盖在本说明书中明确描述的对应结构和材料，而且涵盖该对应结构和材料的现在可能已知或以后发现的所有等同例。
1.一种用于从工作流体的运动中产生电力的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述空气驱动发电机(10)包括：
长形重力分配导管(12)，所述长形重力分配导管(12)具有上端和下端；
多个长形浮力导管(14a-14d)，每个浮力导管具有上端和下端；
其中，所述浮力导管(14a-14d)的所述上端与所述重力分配导管(12)的所述上端流体连通，并且其中，所述重力分配导管(12)的所述下端与所述多个浮力导管(14a-14d)的所述下端流体连通，从而在所述浮力导管(14a-14d)与所述重力分配导管(12)之间形成闭合流体回路，其中从所述浮力导管(14a-14d)的所述上端流出的工作流体被馈送到所述重力分配导管(12)的所述上端，并且向下流过所述重力分配导管(12)的工作流体从所述分配器导管的所述下端馈送到所述多个浮力导管(14a-14d)的所述下端中；
流体涡轮机系统(18a-18d)，所述流体涡轮机系统(18a-18d)流体地插设在所述重力分配导管(12)的所述下端与所述浮力导管(14a-14d)的所述下端之间；以及
空气注入系统(24a-24d)，所述空气注入系统(24a-24d)操作以将空气注入到所述浮力导管(14a-14d)中的每个浮力导管中；
从而向设置在所述浮力导管(14a-14d)中的工作流体中注入空气将趋于引起所述工作流体在所述浮力导管(14a-14d)中向上流动，并且从而被馈送到所述重力分配导管(12)的所述上端的工作流体将在所述重力分配导管(12)内具有向下流动，以致动所述流体涡轮机系统(18a-18d)。
2.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述空气注入系统包括与压缩空气源(22)结合的一个或多个空气注入器(24a-24d)，所述一个或多个空气注入器(24a-24d)联接到每个浮力导管(14a-14d)，所述压缩空气源(22)与联接到每个浮力导管(14a-14d)的所述一个或多个空气注入器(24a-24d)联接。
3.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述空气驱动发电机(10)还包括上腔室(16)，其中，所述浮力导管(14a-14d)的所述上端通过所述上腔室(16)与所述重力分配导管(12)的所述上端流体连通。
4.根据权利要求3所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述上腔室(16)具有大致环形侧壁。
5.根据权利要求4所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，每个浮力导管(14a-14d)的所述上端沿非径向方向与所述上腔室(16)相遇。
6.根据权利要求5所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述浮力导管(14a-14d)的所述上端沿至少部分相切方向与所述上腔室(16)相遇。
7.根据权利要求5所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述浮力导管(14a-14d)的所述上端以近似相等的非径向角顺序地与所述上腔室(16)相遇，从而从所述浮力导管(14a-14d)的所述上端排出的工作流体将趋于遵循所述上腔室(16)内的初始旋转模式。
8.根据权利要求7所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述空气驱动发电机(10)还包括位于所述上腔室(16)内的挡板结构(38)。
9.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述重力分配导管(12)具有纵向中心线，并且其中，所述浮力导管(14a-14d)围绕所述纵向中心线定心。
10.根据权利要求9所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述浮力导管(14a-14d)和所述重力分配导管(12)具有大致平行的部署。
11.根据权利要求10所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，存在四个浮力导管(14a-14d)。
12.根据权利要求11所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述四个浮力导管(14a-14d)按正方形构造设置。
13.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述重力分配导管(12)的所述下端通过设置在所述重力分配导管(12)的所述下端处的流体分配器(26)结合流体返回连接件(20a-20d)而与所述多个浮力导管(14a-14d)的所述下端流体连通。
14.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述空气驱动发电机(10)还包括热交换器，所述热交换器插设在所述重力分配导管(12)的所述下端与每个浮力导管(14a-14d)的所述下端之间。
15.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述流体涡轮机系统(18a-18d)包括流体涡轮机，所述流体涡轮机流体地插设在所述重力分配导管(12)的所述下端与每个浮力导管(14a-14d)的所述下端之间。
16.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述空气驱动发电机(10)还包括工作流体，所述工作流体布置在形成于所述浮力导管(14a-14d)与所述重力分配导管(12)之间的所述闭合流体回路内。
17.根据权利要求16所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述工作流体相对于水的比重大于1。
18.根据权利要求17所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述工作流体相对于水的比重至少为2。
19.根据权利要求1所述的空气驱动系统(10)，其特征在于，所述空气注入系统包括与压缩空气源(22)结合的一个或多个空气注入器(24a-24d)，所述一个或多个空气注入器(24a-24d)联接到每个浮力导管(14a-14d)，所述压缩空气源(22)与联接到每个浮力导管(14a-14d)的所述一个或多个空气注入器(24a-24d)联接，其中，所述压缩空气源(22)包括交替的机械压缩器和热泵的系统。
20.根据权利要求1所述的空气驱动系统(10)，其特征在于，所述空气驱动系统(10)还包括框架(30)，其中，所述浮力导管(14a-14d)和所述重力分配导管(12)由所述框架(30)保持而形成上层结构。
21.根据权利要求1所述的空气驱动发电机(10)，其特征在于，所述空气驱动系统(10)还包括上腔室(16)，其中，所述浮力导管(14a-14d)的所述上端通过所述上腔室(16)与所述重力分配导管(12)的所述上端流体连通，并且其中，所述上腔室(16)具有通气孔(34)，以允许释放从所述空气注入系统(24a-24d)注入并从所述浮力导管(14a-14d)的所述上端排出的空气。
22.根据权利要求21所述的空气驱动系统(10)，其特征在于，所述可转化结构(10)还包括有机朗肯循环发电机，所述有机朗肯循环发电机设置成接收从所述上腔室(16)的所述通气孔(34)排出的空气。
技术总结