[发明专利]用于从运动流体中获取动力的顺从机构

说明书

优先权要求

本申请要求2009年7月21日提交的名称为“屈从元件”的美国临时专利申请序列No.61/227,279(律师案卷No.19861-003PV)的优先权。前述申请的内容通过参引的方式明确并入本文。

背景技术

千百年来人类已经利用流动水的能量，并且自19世纪以来已经用于发电。如今从流动水利用的动力提供了全球电力需求的20％并且迄今为止是可再生能源的最大来源。来自典型的水电机构的电是经由动能接收涡轮叶片利用流动水的力产生的，动能接收涡轮叶片将这些力转变为轴的旋转运动，该轴转动电磁发电机。目前用于水电能源转换的很多机构系统具有各种不同的问题、低效率和缺点。

发明内容

无涡轮的动力产生的潜在优点包括：较少或没有铰链活动零件的设计经济性、以及潜在更大的效率。本文所述的多种实施方式包含一系列的机构，这些机构应用了形成可扩展的水电发电机的原理，并且可以在多种实施方式中利用多种先进的材料。其他描述的实施方式利用了本文的装置和方法的共用元件和独特元件以驱动电磁发电机。

本文描述的实施例的一个非排他性应用是所谓的“自由流动”或“河流运行”(run-of-the-river)的水电发电领域，其中河流、溪流或潮汐流的动能在无需坝的情况下被利用。建在流水路径中的坝在坝前和坝后产生高势能差，从而使水能够以高速度和高压力通过涡轮。但是，坝构造起来是昂贵的并且具有高的环境影响。

本文描述的一些实施例涉及通过柔性机构从运动流体流中获取动力，并且更具体地涉及提供用于将流体运动的动能转化为可用的机械能和/或电能的发电机。

利用天然水道的低速高体积流的努力尚未证实是可行的，主要原因如下：(1)相对于所利用的少量能源，能源利用机构的高成本；(2)现有能源利用机构的物理易损性。通过本文描述的实施例，利用大的“捕获”表面区域解决问题1，其中所述“捕获”表面区域在一些实施方式中通过使用大量生产的廉价材料来共同利用大量的能量。由于实施例包括更能够挠曲或吸收冲击(例如撞击的木段或树枝)的柔性部件，因此解决了问题2。另外相关的优点是与鱼类和其他水生动物更平缓的的物理相互作用。

除了所述用于自由流动水电发电的优点以外，本文描述的实施例还能够用作对坝式水电设施中的常规涡轮机的替代品，并且某些实施例可以被设计为驱动常规的电磁发电机、或其他动力输出装置，例如泵。

在多种实施例中，所述顺从机构的元件可以利用板状弹性材料，所述板状弹性材料可以包括单层、多层、编织网或其他复合板状弹性材料，并且其中所述板状材料已通过施加的第一力变形及由此已应变。所述材料可以通过材料的挠曲、压缩、拉伸和扭转来适应所施加的第一力。如果所述材料在移除所施加的力之前被适当地限制(例如通过形变保持部件)，则所施加的力的能量将保持为所述材料内的势能。

这种材料在施加第一力之前在其松弛状态下的形状由所述材料内的分子的空间排列限定。在施加所述第一力和限制所述材料使得所述第一力被保持为所述材料内的势能之后，所述材料的形状不但由其分子的空间排列限定、而且由其内能状态限定，所述材料通过第二力的引入能够呈几乎无限数量的构型。

本文描述的机构可以利用所述材料中的一个或多个波动，其中，这些波动源自于施加到所述材料上的第一力，并且这些波动通过至少一个形变保持或限制部件保持存在但非保持就位。当如此制备的这种材料的长度随后被固定、锚定或拴在运动流体中并且布置为使得材料的长度的纵向轴线平行于所述运动流体的方向时，所述材料的波动的上游侧将倾斜面对所述流体的运动方向，并且承受所述运动流体的矢量力。由此，较高水压将作用在所述材料中的所述波动的面向上游的表面上。相反，所述波动的下游表面将经历较低水压。所述波动的上游表面与下游表面之间的压力差导致在所述材料内的所述波动的位置沿所述运动流体的方向移动。

材料中存在波动是通过形变保持部件将内力保持为材料内的势能的表达。由此，当沿着材料的长度运动的波动离开该材料长度的端部时，由于该材料长度的内能状态基本不变，并且波动是限制在材料内的力的表达，因此新的波动可以在该材料长度的上游端部处发生。

一些实施方式可以描述为涉及两类，或为了清楚解释起见涉及两“组”。在第一组中的实施方式利用单个带状部或多个带状部，所述带状部由如上所述的柔性或弹性材料板制成。在机构的操作期间，该带状部维持一致或基本一致的宽度。如所述材料的所述带状部可以称为“叶状体”。