[发明专利]将流体流的动能转化成有用功的方法和装置

说明书

                         发明背景

本发明包含对本人早先的美国专利4,184,805(1980年1月)和4,347,036(1982年8月)中所揭示的方法和装置的改进，它通常可用于振动翼栅动力系统(OCPS)。

                         发明领域

本发明涉及利用运动流体流动能的技术和装置，更具体地说是涉及一种在这种流体流中振动的气翼或水翼。它们可通过从流体流中提取能量而产生有用功，例如发电，或是通过加入外部供给的能量而形成负阻力，从而产生动力。

                       现有技术描述

对新能源的持续研究开发已使人们再度对诸如风、溪流、江河流和海洋流之类的运动流体的、实际上取之不尽的动能的利用产生了兴趣。这些都源于太阳能，因为它们由太阳热所驱动。风车是能够利用这种能量的装置的一种简单实例，但其运用却受到限制，这是因为，其巨大的旋转叶片会产生巨大的离心力，其工作频率取决于风速，并且为从自然生成的风流中产生足够的动力，需要巨大的工作面积、也就是叶片旋转所形成的圆圈。

授予Peter R.Payne的美国专利No.4,024,409揭示了一种有别于风车的另一种装置。该专利揭示的一种装置具有一根旋涡尾迹振动线，这种振动然后被转化成有用功。类似于风鸣琴、Tacoma Narrows桥和街头标语在阵风中的拍击，当旋涡在物体自然频率的共振频率下从钝头物体流出时，会引发这种类型的运动。该专利还揭示了采用一种根据风的情况振动的单叶片。然而，作为风车，其所能利用的能量是有限的。而且，这种振动是因Karman涡街现象引起的，而不是因颤振的气动弹性现象引起的。

美国专利No.3,995,972揭示了一种装置，它具有一叠置于风流中的、刚性互连的气翼。通过顺序地改变气翼叠的角度，可产生均匀的振动，用于使一根杆往复运动，该杆进而驱动一输出装置。与风车一样，这种系统的缺点在于，没有办法补偿风速的变化，以确保在基本均匀的频率下的基本恒定的能量输出。

也曾对在单振动气翼的情况下产生负阻力问题作了一些研究工作，见1936年5月No.567的NACA报告中I.E.Garrick的《拍击和振动气翼的动力》。

人们早就知道，当气翼发生气动弹性颤振现象时，有大量的能量可以利用。虽然这种现象也适用于足够高水速下的水翼，但这在自然界中并未看到过。而且，对这种现象的研究仅仅是针对防止其发生的，因为如果失去控制，将导致气翼最终损坏。我的美国专利4,347,036和4,184,805将这种现象运用于能量生产和动力；在此对它们作进一步延伸。

                          发明概要

本发明对本人的早先专利中所揭示的技术作了延扩，用以提高它们的效率和对自然生成的流体流的适用性能。它通过一种新颖的方法和装置来避免现有技术的缺点，用设置在其中的一翼栅来有效地利用能从运动的流体流中获得的大量能量。除了在具体指某一特定流体的情况下，下面所使用的术语“气翼”，也可通过适当改变用语、如用水系统代替气系统等来将包括水翼概念。用术语“气翼”来代替更常用的“机翼”就是为了强调这一点，并强调这种翼是用于能量生成的，而不是用于飞机的升力。

本发明的另一方面是将这种新颖的方法运用于水环境。尽管颤振通常在自然生成的水速下未看到过，但如果用连接于发电机或连接于水翼与发电系统间的飞轮来增大系统的惯性，则已曾用实验证明了对水系统也会有颤振。

按照本发明的一个方面，提供了一种新颖的、通过在运动的气流中设置一薄气翼栅而形成一空气动力学系统来将气流的动能转化成有用功的方法。气翼在未受扰动时处于零攻角，每个气翼具有两个自由度，相邻气翼可以带相位差地运动。然后调节该系统，直到流体流的速度是足以引发颤振的系统临界速度。而后，扰动气翼，利用所得到的气翼振动来产生有用功。检测流体速度的变化，控制系统以维持临界速度和稳定状态的振动。

按照本发明的另一个方面，提供了一种将流体流的动能转化成有用功的装置，它包括一其相对端开口以允许流体流过、并具有多个薄气翼的支承结构以及将这些气翼呈栅状安装于该支承结构内、装成在未受扰动时气翼处于零攻角的装置。另外，气翼具有至少两个自由度，相邻气翼可以彼此带相位差地运动。支承结构由一框架构成，其下方和/或上方以及侧部具有屏障，用以引导流体流通过结构，以此提高其速度并进而提高系统的效率。该装置还具有利用气翼的振动来产生有用功的装置。