重力發(fā)電廠技術(shù)的制作方法
【專利摘要】公開了一種裝置、系統(tǒng)和方法，在一方面，通過允許具有重質(zhì)量的物體自由下落以利用由其產(chǎn)生的能量和輸出而將由重力所做的功最大化，而在另一方面，通過由另一相近的質(zhì)量平衡該重質(zhì)量來將效率最大化，這樣只有所述兩個(gè)質(zhì)量之間的凈差值需要通過輸入動(dòng)力機(jī)制來做功，以便沿重力方向或其它方向提升已經(jīng)下落的物體使其向上回到其初始位置，從而重復(fù)以上循環(huán)。以同步串聯(lián)的方式使用多個(gè)這種單元，以便維持連接高輸出發(fā)電機(jī)的齒輪/飛輪/軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(RPM)。此外，公開了進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率的輔助能量產(chǎn)生機(jī)制。
【專利說明】重力發(fā)電廠技術(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用重力的領(lǐng)域，以及涉及通過將重力轉(zhuǎn)換成其它形式的能量和/或功所做的功轉(zhuǎn)換。更具體地，本發(fā)明涉及通過單獨(dú)地利用重力或與其它形式的(可再生或不可再生)能源相結(jié)合地利用重力來產(chǎn)生電能，其特別注重資源經(jīng)濟(jì)性，將污染和外部性(externalities)最小化。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)革命從根本上影響人類生活的幾乎每一方面，且追求成熟和進(jìn)步，人類對其的依賴性不僅發(fā)生了偏移，而且以指數(shù)級增加。當(dāng)今由人類創(chuàng)造的機(jī)器已經(jīng)支配人類的生活-人類的家庭、商業(yè)、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)產(chǎn)出、糧食加工、戰(zhàn)爭、經(jīng)濟(jì)，并且決定人類未來的品質(zhì)。由于所有的機(jī)器需要電力(能量)來處理它們的輸入，因此電力需求也以指數(shù)級增加，且當(dāng)今能夠產(chǎn)生足夠電力的能力是決定國家在國際經(jīng)濟(jì)和政治舞臺(tái)上高度的關(guān)鍵因素之一。直到最近的幾十年來，關(guān)注焦點(diǎn)一直集中在對傳統(tǒng)的不可再生資源(化石燃料，諸如煤、石油，以及天然氣，還有后期的諸如來自放射性鈾的核電類型，以及某些地下蓄水層)上以滿足電力需求。但是，我們的電廠和加熱-冷卻-蒸解-燃燒的做法在當(dāng)今產(chǎn)生比我們對于保持穩(wěn)定氣候可容忍的限度更多的溫室氣體。國際氣候科學(xué)界告誡我們要大幅地削減我們的碳排放量。此外，我們現(xiàn)在正在接近石油和天然氣生產(chǎn)的巔峰，其中已經(jīng)使用了已知的全球供應(yīng)總量的一半，會(huì)迎來價(jià)格的穩(wěn)步上升；以及“清潔煤”、“可持續(xù)生物質(zhì)”、“安全核能”和其它類似的陳詞濫調(diào)似乎僅僅是幻想。由國際科學(xué)界引述的對于我們的能源未來而言剩下的唯一選擇是“可再生能源水力發(fā)電、地?zé)?、生物質(zhì)、太陽能熱利用、太陽能發(fā)電、風(fēng)力、潮汐、海浪、海洋熱梯度，以及新穎的非常規(guī)技術(shù)，諸如真空(零點(diǎn))能量、低溫非放射性核反應(yīng)(“冷”核聚變)，和先進(jìn)的氫水化學(xué)(hydrogen and water chemistries)。
[0003]現(xiàn)有的不可再生能源和可再生能源發(fā)電技術(shù)以及它們對全球能源的貢獻(xiàn)大約是這樣的:不可再生能源(93% )以及可再生能源(7% );其中不可再生能源(93% )包括:
1.石油燃料的燃燒(39% ) ；2.天然氣的燃燒(24% ) ；3.煤及其衍生物的燃燒(24% )；
4.從石油、天然氣或煤衍生的氫；5.高放射性的基于鈾和钚裂變的核反應(yīng)堆(5%) ;6.“熱核聚變”(7% );而可再生能源(7% )包括:7.基于風(fēng)力的發(fā)電系統(tǒng)(0.2% ) ；8.基于太陽能的加熱和發(fā)電系統(tǒng)(0.1% ) ；9.基于地?zé)岬募訜岷桶l(fā)電系統(tǒng)(0.4% ) ；10.生物燃料(乙醇和生物柴油)(1% ) ；11.生物質(zhì)燃燒(主要是術(shù)屑)(2% ) ；12.燃料電池；13.廢物厭氧消化成生物氣；14.傳統(tǒng)的水力發(fā)電機(jī)(3% )。
[0004]在很大程度上仍尚未開發(fā)的另一種可再生資源是重力，其是清潔的、免費(fèi)的和無處不在的。利用重力的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和發(fā)明形成與電力行業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)的一部分。然而，許多
【發(fā)明者】采取的共同做法是建立利用重力發(fā)電的自我維持的機(jī)器-這可能在理論上似乎是可行的，但實(shí)踐并非如此-尤其是在產(chǎn)生大量電力以便獲取來運(yùn)行其它機(jī)器/設(shè)備的背景下。這主要是由于下述事實(shí)造成的:通過重力在給定的(自我維持)機(jī)器上所做的功僅足以維持其本身，因此指望額外的發(fā)電是不現(xiàn)實(shí)的。例如在US20090115195中，重力發(fā)電機(jī)制試圖通過運(yùn)行傾向于僅在一側(cè)上向外伸展的一系列單方向擺動(dòng)臂來運(yùn)行發(fā)電單元，隨著所述擺動(dòng)臂繞所述單元運(yùn)轉(zhuǎn)來產(chǎn)生較大的正扭矩(據(jù)稱是是由于在一側(cè)上向外伸展的臂所導(dǎo)致的)，其將推動(dòng)和維持該單元的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。然而，這在實(shí)踐中是不成立的，其原因在于更多數(shù)量的折疊臂在相對側(cè)上聚集且抵消了由較少的向外伸展臂所產(chǎn)生的正扭矩。在印度專利207600 (649/MUM/2004)中，所要求保護(hù)的設(shè)備試圖利用重力作用于通過繩索和滑輪懸吊的下落物體上來使得飛輪(據(jù)稱存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能)旋轉(zhuǎn)；以及據(jù)稱飛輪旋轉(zhuǎn)又使得(已經(jīng)下落)的物體向上提升；據(jù)稱所述配重的交替向上-向下運(yùn)動(dòng)的該循環(huán)用于使得發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)來發(fā)電。這對于有效發(fā)電而言同樣不是一種可持續(xù)維持的設(shè)計(jì)，其原因在于其違背了熱力學(xué)第二定律，該熱力學(xué)第二定律聲明，在系統(tǒng)中的一些能量總會(huì)損失(包括在傳動(dòng)過程中)，因此一臺(tái)機(jī)器不能產(chǎn)生多于其所使用的能量，或者甚至不能產(chǎn)生足以維持其自身無限運(yùn)行的能量。
[0005]因此，必須采用外力來維持由機(jī)器(尤其是使用重力的機(jī)器)所做的額外功。因此，在US6445078中，升高的水池加注多個(gè)容器，所述容器在水重量的作用下向下行進(jìn)，這種“受控”的受重力作用的運(yùn)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，而所述容器在向下到達(dá)之后由專設(shè)的動(dòng)力機(jī)制來清空且向上運(yùn)載返回。在US5905312中也應(yīng)用類似的理念，即其中來自升高的水池的水或其它流體流入二級水池，所述二級水池在重力的作用下沿受控的向下路徑滑移且清空到另一底部水池。利用該向下重力所導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)在齒輪的協(xié)助下使得發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。由所述二級水池清空的水由專設(shè)的動(dòng)力泵泵送回到升高的水池內(nèi)。然而，在這些系統(tǒng)中，向下運(yùn)動(dòng)是“受控的”而不是自由下落，因此不能利用通過重力在負(fù)載上所做的全部功，這直接影響所述系統(tǒng)的效率。此外，包括用于將水加注到每個(gè)容器/水池內(nèi)所花費(fèi)的時(shí)間、將水/流體送回到水池的速度、以及每個(gè)容器/水池的最大可行尺寸等的因素限制了該裝置的可擴(kuò)展性，且對于非常高的發(fā)電需求(諸如給城鎮(zhèn)居民供電或甚至給相當(dāng)大的工業(yè)設(shè)施供電的那些需求)而言是不理想的。在US8011182、US20110179784和US20110162356中，重力作用于緊固到鏈或皮帶上的一系列桶上，所述桶由于它們的質(zhì)量/重量(重力)而在液體介質(zhì)中下降。一旦桶到達(dá)底部，則使得它們充滿氣體或其它更輕的流體/介質(zhì)，上述氣體或其它更輕的流體/介質(zhì)使得桶具有從而導(dǎo)致桶上升(向上)，而在桶到達(dá)頂部之后，使得氣體從桶釋放出來。利用這種循環(huán)的向上-向下運(yùn)動(dòng)來使得發(fā)電機(jī)軸運(yùn)轉(zhuǎn)來產(chǎn)生電力。在此同樣地，下降速度、以及用于將氣體再加注到每個(gè)桶內(nèi)的速率、桶的最大可行尺寸、以及由此可產(chǎn)生的扭矩等限制該發(fā)明的可擴(kuò)展性，其不能用于高發(fā)電需求。
[0006]因此從現(xiàn)有技術(shù)(多項(xiàng)發(fā)明)清楚的是，迄今位置基于重力的模型還沒有能夠滿足較大規(guī)模的或甚至中等規(guī)模的電力需求。重力針對可行解決方案提供了滿足迫切的以及長期需求的一種途徑，該可行技術(shù)方案安全且可持續(xù)，其可尤其以非常大的規(guī)模來有效地利用重力以及有效地將由重力所做的功轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，尤其是電能，其中重力是免費(fèi)的、持久不斷的、無處不在的、生態(tài)安全的、且最重要的是-直接成比例于所關(guān)注物體的質(zhì)量產(chǎn)出(這預(yù)示顯著的效率)，且不受氣候、季節(jié)、天氣、風(fēng)、陽光、潮汐、雨水、地理資源或其它資源等的影響。
[0007]本發(fā)明人已經(jīng)研發(fā)出一種裝置、系統(tǒng)和方法，上述裝置、系統(tǒng)和方法可有效地利用重力且有效地將由重力所做的功轉(zhuǎn)換成其它形式的能量，尤其是電能，其是多用途的且在其可擴(kuò)展性方面幾乎不受限制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的主要目的是以經(jīng)濟(jì)的、生態(tài)友好的和安全的方式來有效地利用由重力所做的功，以及有效地將由重力所做的功轉(zhuǎn)換成其它形式的能量和/或功，更具體地是轉(zhuǎn)換成電能。
[0009]本發(fā)明的另一個(gè)主要目的是將所述裝置、系統(tǒng)和方法設(shè)計(jì)和實(shí)施成利用和轉(zhuǎn)換重力以便產(chǎn)生較大規(guī)模、中度規(guī)模和較小規(guī)模的電力，由此可擴(kuò)展性方面幾乎不受限制，且在任意地方和一年中的任何時(shí)間都適用。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)主要目的是增強(qiáng)利用重力能量的有效性。
[0011]本發(fā)明的另一個(gè)主要目的是提高將重力能量轉(zhuǎn)換成其它形式的能量、尤其是電能的效率。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)主要目的是允許重質(zhì)量在重力的作用下自由下落，以便增加可利用和轉(zhuǎn)換的所做的總功；以及使得通過平衡裝置來控制其下落以及使得所述重質(zhì)量向上提升返回，從而被提升的凈重量是兩者(即重質(zhì)量和平衡裝置的重量)之間的差值，從而提高了系統(tǒng)的效率。
[0013]本發(fā)明的另一個(gè)目的是最優(yōu)化所采用單元的數(shù)量，以及具有重質(zhì)量的一個(gè)或多個(gè)物體自由下落的距離和速度，由此在任意給定單元內(nèi)的主配重或平衡配重的向上或向下的運(yùn)動(dòng)是無動(dòng)力(passive)的，且完全由重力單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)，從而獲得最小的輸入功率以及最
高的效率。
[0014]本發(fā)明的另一個(gè)目的是在重力發(fā)電系統(tǒng)中提供輔助的發(fā)電機(jī)制，以便提高發(fā)電的總輸出，從而提高系統(tǒng)效率。
[0015]因此根據(jù)本發(fā)明，提供一種裝置、系統(tǒng)和方法，在一方面，通過允許具有重質(zhì)量的物體自由下落以利用由其產(chǎn)生的能量和輸出而將由重力所做的功最大化，而在另一方面，通過由另一相近的質(zhì)量平衡該重質(zhì)量來將效率最大化，這樣只有所述兩個(gè)質(zhì)量之間的凈差值需要通過輸入動(dòng)力機(jī)制來做功，以便沿重力方向或其它方向提升已經(jīng)下落的物體使其向上回到其初始位置，從而重復(fù)以上循環(huán)。以同步串聯(lián)(synchronized tandem)的方式使用多個(gè)這種單元，以便維持連接高輸出發(fā)電機(jī)的齒輪/飛輪/軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速RPM。此外，本發(fā)明還設(shè)想利用本領(lǐng)域內(nèi)已知的輔助能量產(chǎn)生機(jī)制來進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率；每一這樣的單元包括:
[0016](i)中空垂直通道，其豎立在地平面以上，沿其內(nèi)壁設(shè)有至少兩根導(dǎo)軌，主配重
(ii)通過所述中空垂直通道，所述主配重(ii)包括:稱為“頭部”的上部組件(ii) (a)，其由具有合適質(zhì)量和密度的材料制成，優(yōu)選由鈦制成，優(yōu)選相應(yīng)于通道的橫截面來成形，且在其周邊設(shè)有一種裝置，所述裝置與所述垂直通道的所述導(dǎo)軌的形狀相符，且滑動(dòng)通過所述垂直通道的所述導(dǎo)軌并沿著所述垂直通道的所述導(dǎo)軌；以及作為垂直軸的下部組件(ii)
(b)，其由具有合適質(zhì)量和密度的材料制成，優(yōu)選由鈦制成，其支承著至少位于其長度一側(cè)上的多個(gè)齒，所述齒與主齒輪(iii)嚙合，所述主齒輪依次直接地或通過飛輪和/或一個(gè)或多個(gè)二級齒輪使得發(fā)電機(jī)的水平軸(iv)旋轉(zhuǎn)，所述垂直軸隨著主配重由于重力的下落而向下運(yùn)動(dòng)。所述主齒輪構(gòu)造成類似飛輪，以便當(dāng)所述垂直軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)允許發(fā)電機(jī)的所述水平軸的雙向嚙合以及單向旋轉(zhuǎn)。[0017](a)所述主配重的所述上部組件(ii) (a)優(yōu)選為(但不限于)圓柱形、或橢圓柱形、四角棱柱形或其它這樣的形狀，其與所述中空垂直通道相對應(yīng)且取決于項(xiàng)目的特定要求。例如，當(dāng)項(xiàng)目適合其中使用非常重且大的配重的大規(guī)模發(fā)電的情況下，優(yōu)選使用圓柱形、橢圓柱形或四角棱柱形的形狀，以便容納用于懸吊所述配重的較大數(shù)量的繩索。由于上述主配重在重力的作用下進(jìn)行向下的自由下落，其上部組件或頭部到達(dá)中空垂直通道的底部，在該處在減速/停止裝置(V)的協(xié)助下其上部組件或頭部逐漸停止，所述減速/停止裝置(V)包括但不局限于下述的一個(gè)或多個(gè):氣囊、空氣推頂器(Air Pusher)、彈簧、制動(dòng)器、電磁鐵、施加楞次力的裝置、平衡配重在另一側(cè)上的相反運(yùn)動(dòng)；以及作為所述主配重的下部組件的垂直軸進(jìn)入到垂直的地下中空管(vi)內(nèi)。
[0018]所述配重由來自滑輪系統(tǒng)(viii)的繩索(vii)懸吊，其中所述繩索的另一端附連到平衡配重(ix)上，所述平衡配重(ix)安裝到升降裝置(X)上，這樣所述升降裝置(連同所述平衡配重)被懸吊以便在平行于所述中空垂直通道豎立的垂直框架(xi)內(nèi)向上和向下滑動(dòng)，這樣主配重的運(yùn)動(dòng)方向與平衡配重的運(yùn)動(dòng)方向是相反的，取決于本發(fā)明給定的實(shí)施例/變體/變型的設(shè)計(jì)，所述平衡配重的重量可與主配重的重量相同，或略重于或輕于主配重。
[0019]對主配重進(jìn)行平衡的平衡配重安裝到動(dòng)力升降系統(tǒng)上以便以預(yù)定的速度攜載該平衡配重向上和向下運(yùn)動(dòng)以便與主配重的下落同步，這樣可保持發(fā)電機(jī)水平軸的轉(zhuǎn)數(shù)恒定。在每一單元內(nèi)的所述繩索在滑輪系統(tǒng)上運(yùn)行；每一系統(tǒng)包括多排滑輪，其設(shè)計(jì)成提供輔助發(fā)電，以便允許安裝線圈/磁鐵來產(chǎn)生電力。
[0020]主配重和平衡配重的向上和向下運(yùn)動(dòng)的同步在傳感器和信號裝置(Xii)的協(xié)助下執(zhí)行，以便同步以及控制平衡配重的速度，從而同步以及控制一個(gè)或多個(gè)單元內(nèi)的主配重的速度，進(jìn)而維持發(fā)電機(jī)軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速RPM。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1:示意性地示出兩個(gè)單元及其組成部分，其中以同步串聯(lián)的方式，一個(gè)單元的主配重處于其自由下落/下降階段，而另一單元的主配重處于升起階段。
[0022]圖2:以透視圖示出適于三個(gè)單元及其相應(yīng)組成部分的總體布局。
[0023]圖3:示出當(dāng)主配重下降到中空垂直通道的底部同時(shí)減速和停止裝置作用于其上時(shí)的主要集中在主配重上的放大圖。
[0024]圖4:以透視圖示出懸吊平衡配重的滑輪和繩索系統(tǒng)以及升降裝置(以及主配重-其在該圖中未示出)。
[0025]附圖所示部件的索引:
[0026]1.中空垂直通道
[0027]2.繩索
[0028]3.滑輪系統(tǒng)
[0029]4.主配重的頭部
[0030]5.主配重的垂直軸
[0031]6.中空垂直通道內(nèi)的停止和制動(dòng)系統(tǒng)
[0032]6-A作為制動(dòng)系統(tǒng)一部分的空氣推頂器[0033]6-S作為制動(dòng)系統(tǒng)一部分的彈簧
[0034]7.傳感器和信號裝置
[0035]7-(I).傳感器-1
[0036]7-(2).傳感器-2
[0037]8.主齒輪
[0038]9.垂直的地下中空管
[0039]10.垂直框架
[0040]11.平衡配重
[0041]12.升降裝置
[0042]13.水平軸
[0043]13-A在滑輪系統(tǒng)內(nèi)的輔助發(fā)電單元
[0044]13-H.水平軸保持器
[0045]14.發(fā)電機(jī)
[0046]15.輔助發(fā)電單元
[0047]15-P.在滑輪系統(tǒng)內(nèi)的輔助發(fā)電單元
【具體實(shí)施方式】
[0048]應(yīng)該指出，本文的描述意旨為了解釋本發(fā)明通過其可更具體地且尤其以適用于(但不限于)高容量發(fā)電廠的方式來工作的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和方法，但對所描述的部件、結(jié)構(gòu)和方法的明顯改變、變型和改進(jìn)沒有限制；且本文中的圖示/附圖并不是按比例繪制的，而是僅用于示意性地解釋本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、工作理念，且代表部件的寬泛尺寸、形狀、空間布置和相互之間的關(guān)系，但對它們的互換或其它明顯的變型和/或改進(jìn)沒有限制。
[0049]本發(fā)明預(yù)期可以使用為了描述工作實(shí)施例、它們的各種形式、改進(jìn)和變體而具體提到的那些材料之外的材料，且可以使用在用于制造發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)常用的各種其它金屬合金和其它組合。
[0050]對于不值得具體提及的以及對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是公知和顯而易見的明顯且非常瑣碎的細(xì)節(jié)都沒有提及和/或解釋和/或繪制，但是它們也的確是本發(fā)明的一部分。
[0051]因此，本文的描述不應(yīng)該被解釋為過度地限制本發(fā)明的范圍、精神和界限。
[0052]優(yōu)選實(shí)施例1的詳細(xì)描述和操作:
[0053]根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，提供一種有效地利用和有效地轉(zhuǎn)換重力/能量以便產(chǎn)生較大規(guī)模電力的裝置、系統(tǒng)，其包括三個(gè)相同的單元(但不限于三個(gè)，以及更具體地是為了提供簡單的實(shí)例和解釋說明)；其中每個(gè)單個(gè)單元包括:
[0054](i)第一中空的垂直圓柱形通道，其高48米，內(nèi)徑為I米30厘米(即1.3米)，以及壁厚為50厘米，豎立于地平面以上，沿其內(nèi)壁設(shè)有至少兩根導(dǎo)軌，主配重(ii)通過所述垂直圓柱形通道，所述主配重(ii)包括:稱為“頭部”的上部組件(ii) (a)，其優(yōu)選由鈦(但不限于此)制成，高30厘米，重500公斤，直徑I米，形狀為對應(yīng)于該通道橫截面的圓柱形，且在其周邊設(shè)有輥?zhàn)?，所述輥?zhàn)优c所述垂直通道的所述導(dǎo)軌的形狀相符，滑動(dòng)通過所述垂直通道的所述導(dǎo)軌并沿著所述垂直通道的所述導(dǎo)軌；以及作為垂直軸的下部組件(ii)(b)，其優(yōu)選由鈦(但不限于此)制成，45米長，每米高度重100公斤，總共重4500公斤，且其支承著位于沿著其長度的從頂部第五米到底部第44米的40米的一側(cè)上的多個(gè)齒，所述齒與具有I米周長的主齒輪嚙合，所述主齒輪依次直接地使得發(fā)電機(jī)的半徑為0.96米的水平軸旋轉(zhuǎn)，所述垂直軸隨著主配重由于重力的下落而以3米/秒的速度向下運(yùn)動(dòng)，下降40米需要13.3秒，S卩，適當(dāng)考慮到大氣中的空氣阻力，以及由水平軸上的齒輪提供的阻力，水平軸上的齒輪與作為垂直軸的下部組件上的齒相嚙合且隨其旋轉(zhuǎn)。所述主配重的所述上部組件或頭部(ii) (a)優(yōu)選為(但不限于)圓柱形、或橢圓柱形、四角棱柱形或其它這樣的形狀，其與所述第一中空垂直通道相對應(yīng)且取決于項(xiàng)目的特定要求。例如，當(dāng)項(xiàng)目適合其中使用非常重且大的配重的大規(guī)模發(fā)電的情況下，優(yōu)選使用圓柱形、橢圓形或四角棱柱形的形狀，以便容納用于懸吊所述配重的較大數(shù)量的繩索。所述主齒輪構(gòu)造成飛輪，以便即當(dāng)所述垂直軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)允許發(fā)電機(jī)的所述水平軸的雙向嚙合以及單向旋轉(zhuǎn)。
[0055](a)由于所述主配重在重力的作用下進(jìn)行向下的自由下落，其上部組件或頭部到達(dá)中空垂直通道的底部，在該處在下述組合的協(xié)助下其上部組件或頭部逐漸停止，所述組合包括:氣囊、空氣推頂器、彈簧、制動(dòng)器、電磁鐵、以及平衡配重在另一側(cè)上的相反運(yùn)動(dòng)；以及作為所述主配重的下部組件的垂直軸進(jìn)入到垂直的地下中空管內(nèi)深達(dá)45米。
[0056]所述配重由來自滑輪系統(tǒng)的24毫米的重型牽引繩索來懸吊，所述重型牽引繩索由自潤滑的合成纖維牽引繩索(但不限于此)構(gòu)成，其中所述繩索的另一端附連到平衡配重(iii)上，所述平衡配重安裝到升降裝置上，這樣所述升降裝置(連同所述平衡配重)被懸吊以便在平行于所述中空垂直通道豎立的垂直框架內(nèi)向上和向下滑動(dòng)，這樣主配重的運(yùn)動(dòng)方向與平衡配重的運(yùn)動(dòng)方向是相反的，根據(jù)該實(shí)施例，所述平衡配重的重量略重于主配重，即5100公斤。
[0057]對主配重進(jìn)行或多或少平衡的平衡配重安裝到動(dòng)力升降系統(tǒng)上以便攜載該平衡配重以預(yù)定的速度向上和向下運(yùn)動(dòng)以便與下落的配重同步，這樣保持發(fā)電機(jī)水平軸的轉(zhuǎn)數(shù)恒定。所述升降裝置由20馬力的馬達(dá)提供動(dòng)力，所述升降裝置以15秒內(nèi)45米的速度來提升平衡配重，由此所需的能量在15秒內(nèi)為12KW。因此，在包括三個(gè)單元的該實(shí)施例中，由三個(gè)升降裝置一天所消耗的總功率是(12千瓦X4X60X24) = 69MW。每個(gè)單元的主配重和平衡配重由一組9根24毫米的重型牽引繩索懸吊。
[0058]在每個(gè)單元內(nèi)的所述繩索沿滑輪系統(tǒng)運(yùn)行；每個(gè)系統(tǒng)包括12排滑輪，因此在包括三個(gè)單元的該實(shí)施例中使用總共36個(gè)滑輪。每個(gè)滑輪由錳青銅制成，并具有50厘米的直徑。每個(gè)滑輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)成提供輔助發(fā)電，以便允許安裝線圈/磁鐵來產(chǎn)生電力。
[0059]主配重和平衡配重的向上和向下運(yùn)動(dòng)的同步在磁傳感器的協(xié)助下執(zhí)行，所述磁傳感器放置在距離第一垂直通道頂點(diǎn)為40米的距離處，以便控制平衡配重的速度，從而控制主配重的速度。
[0060]當(dāng)所述主配重的頭部達(dá)到深度為40米的第一中空垂直通道底部時(shí)，在單元I內(nèi)的磁傳感器會(huì)激活單元I的升降裝置內(nèi)的電子信號，以便通過在與單元I的主配重的相同方向上的制動(dòng)或運(yùn)動(dòng)施加必要的減速效果，從而首先控制/減慢所述主配重的下落，并隨后將其設(shè)置成在相反方向上運(yùn)動(dòng)以便向上行進(jìn)回到其初始位置。
[0061]單元I內(nèi)的所述傳感器也將激活單元II的升降裝置內(nèi)的電子信號以便開始單元II中的主配重的自由下落階段。該循環(huán)由單元II內(nèi)的磁傳感器以串聯(lián)(tandem)方式重復(fù)，以便發(fā)出激活單元III內(nèi)升降裝置的信號，從而開始單元III中的主配重的自由下落階段；類似地，該循環(huán)由單元III內(nèi)的磁傳感器以串聯(lián)的方式重復(fù)，以便發(fā)出激活單元I內(nèi)升降裝置的信號，從而開始單元I中的主配重的自由下落階段，由此確保(三個(gè)單元之一的)至少一個(gè)垂直軸將在任意給定的時(shí)間下處于其下降/下落階段。
[0062]產(chǎn)生功率/發(fā)電的過程/方法:
[0063]啟動(dòng):
[0064](a)根據(jù)該實(shí)施例，由于平衡配重的重量大于主配重的重量，在啟動(dòng)之前的默認(rèn)位置將是主配重在第一中空垂直通道內(nèi)升高高達(dá)45.5米的高度，而平衡配重(連同升降裝置)位于垂直框架的底部。因此啟動(dòng)操作除其它之外將涉及使得所述升降裝置在向上方向上運(yùn)行，以便使得主配重下降。該過程步驟尤其是在該步驟開始時(shí)消耗較高的輸入功率/能量，其原因在于所述升降裝置(連同平衡配重)的運(yùn)動(dòng)方向與重力相反，但是當(dāng)升降裝置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上的載荷僅僅是主配重和平衡配重的重量之間的差值，所述差值不超過下落配重的10%。此外，當(dāng)下落配重在重力的作用下獲得動(dòng)量時(shí)，其穩(wěn)步加速，從而其速度趨于線性增加，且在單位時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的距離趨于以平方的關(guān)系增加。在該階段中，由重力做出最大的功，利用所述功來將主配重的垂直軸與發(fā)電機(jī)的水平軸嚙合從而使其旋轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)主配重下降且到達(dá)底部時(shí)，其通過減速和停止機(jī)構(gòu)而柔和地減速和停止，所述減速和停止機(jī)構(gòu)包括(但不限于)制動(dòng)器以及升降裝置(連同平衡配重)在另一側(cè)上的相反運(yùn)動(dòng)。
[0065]常規(guī)操作
[0066](b)在下一步驟(即，在主配重下降之后)中，升起到垂直框架上端部處的升降裝置(連同平衡配重)由如上所述的傳感器和信號機(jī)制觸發(fā)以便開始向下運(yùn)動(dòng)。該向下的運(yùn)動(dòng)消耗最小的功率/能量，其原因有兩個(gè):(i)其原因在于平衡配重(連同升降裝置)的總重量大于在另一側(cè)上的主配重的總重量；以及(ii)該向下的運(yùn)動(dòng)是沿著重力方向的(因此由重力額外地進(jìn)行輔助)。在包括較大數(shù)量的這種單元的實(shí)施例中，甚至可在升降裝置非動(dòng)力運(yùn)行的情況下來執(zhí)行該步驟，其原因在于更重的平衡配重會(huì)自動(dòng)地超過主配重的重量且將其向上提升返回。
[0067](C)傳感器和信號機(jī)制將升降裝置連同平衡配重的運(yùn)動(dòng)和方向同步，以確保(三個(gè)單元之一的)至少一個(gè)垂直軸在任意給定的時(shí)間下將處于其下降/下落階段，從而保持發(fā)電機(jī)水平軸的恒定轉(zhuǎn)速RPM。
[0068](d)因此，該實(shí)施例可產(chǎn)生在每天至少562兆瓦范圍內(nèi)的凈功率輸出(考慮到消耗功率輸入的30%用來維持主配重和平衡配重的向上和向下運(yùn)動(dòng))。
[0069](e)因此，適于發(fā)電廠的理想配置將基于功率需求量，從而最優(yōu)化所采用單元的數(shù)量，以及具有重質(zhì)量的物體自由下落的距離和速度，由此在任意給定單元內(nèi)的主配重或平衡配重的向上或向下運(yùn)動(dòng)是無動(dòng)力的，且完全由重力單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)，從而獲得最小的輸入功率和最高的效率。
[0070]實(shí)施例1I:
[0071]在另一個(gè)實(shí)施例中，輸入功率需求可進(jìn)一步最小化，其中所有其它條件、參數(shù)都與上面在優(yōu)選實(shí)施例1中詳細(xì)描述的相同，其區(qū)別特征是:
[0072](i)水平地定位于垂直腔室和框架上方的滑輪系統(tǒng)連接到一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)，所述馬達(dá)通過外部源或通過由本發(fā)明所產(chǎn)生的輸出功率的一部分來提供動(dòng)力，以便以順時(shí)針方向和/或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，從而使得主配重或平衡配重提升或下降，根據(jù)具體情況而定，主配重或平衡配重的提升或下降可利用除了在上述實(shí)施例1中所述那樣的所述升降裝置之外的任意升降裝置或在不使用任意升降裝置的情況下進(jìn)行。
[0073](ii)在該實(shí)施例中，在所述滑輪上運(yùn)行和懸吊配重的裝置需要在滑輪上施加足夠的摩擦力和抓握力，以防止打滑。優(yōu)選實(shí)施例1中所述繩索的優(yōu)良替代品是(但不限于)本領(lǐng)域內(nèi)已知的由合適材料制成的皮帶，其設(shè)有與所述滑輪的齒相嚙合的齒，帶輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃停员泐愃朴趲в旋X的齒輪，從而與所述皮帶中的那些齒相對應(yīng)。
[0074](iii)因此，在該實(shí)施例中，主配重和平衡配重優(yōu)選在質(zhì)量和重量上是相等的，因此，一旦主配重和平衡配重由旋轉(zhuǎn)滑輪設(shè)置成處于運(yùn)動(dòng)中，僅僅彈指輕擊(fillip)就足以使得主配重加速下降，從而節(jié)省輸入功率以及提高輸出效率。
[0075]實(shí)施例1I1:
[0076]在另一個(gè)實(shí)施例中，輸入功率需求可進(jìn)一步最小化，其中所有其它條件、參數(shù)都與上面在優(yōu)選實(shí)施例1中詳細(xì)描述的相同，只不過區(qū)別特征是:
[0077](i)主配重和平衡配重是完全相等的；
[0078](ii)主配重和平衡配重的每一個(gè)進(jìn)一步附連到位于相應(yīng)的配重(即主配重或平衡配重)上方的上部升降裝置和位于相應(yīng)的配重(即主配重或平衡配重)下方的下部升降裝置，其中所述上部和下部升降裝置的每一個(gè)可以從其相應(yīng)的配重分離。
[0079](iii)傳感器和信號機(jī)制基于將距離、轉(zhuǎn)速/速度和系統(tǒng)中單元的數(shù)量進(jìn)行合理化和最優(yōu)化的計(jì)算，控制所述升降裝置從它們的相應(yīng)平衡配重按程序附連和分離。
[0080](iv)每個(gè)所述升降裝置都具有自身的質(zhì)量和重量，所述質(zhì)量和重量在給定單元內(nèi)的升降裝置中是恒定的。
[0081](V)當(dāng)給定的升降裝置將其自身附連到其相應(yīng)的配重上，而另一個(gè)升降裝置將其自身從其相應(yīng)的配重分離時(shí)，帶來失衡或不平衡，這依次又導(dǎo)致一個(gè)或兩個(gè)升降裝置從其分離的配重自動(dòng)地被升起，因?yàn)榱硪粋?cè)上的配重附連有其相應(yīng)的兩個(gè)升降裝置，因此更重從而下降，上述下降可以在重力的作用下自由地進(jìn)行，或者是由于相應(yīng)升降裝置的動(dòng)力推動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。
[0082](vi)該向上和向下運(yùn)動(dòng)最大限度地利用重力，從而最大限度地減少輸入功率的需求，從而獲得系統(tǒng)的最高發(fā)電效率。
【權(quán)利要求】
1.一種裝置和系統(tǒng)，其通過允許具有重質(zhì)量的物體自由下落以便將由重力所做的功最大化，以及通過由另一相近的質(zhì)量平衡該重質(zhì)量來將效率最大化，從而只有所述兩個(gè)質(zhì)量之間的凈差值需要通過輸入動(dòng)力機(jī)制來做功，以便沿重力方向或其它方向提升已經(jīng)下落的物體使其向上回到其初始位置，從而重復(fù)以上循環(huán)，其中以同步串聯(lián)的方式使用多個(gè)這種單元，以便維持連接高輸出發(fā)電機(jī)的齒輪、飛輪和軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(RPM);每一這樣的單元包括: 中空垂直通道(i)，其豎立在地平面以上，沿其內(nèi)壁設(shè)有至少兩根導(dǎo)軌； (ii)主配重，其包括: (ii) (a)稱為“頭部”的上部組件，其優(yōu)選對應(yīng)于通道的橫截面來成形，且在其周邊設(shè)有一種裝置，所述裝置與所述垂直通道的所述導(dǎo)軌的形狀相符，滑動(dòng)通過所述垂直通道的所述導(dǎo)軌并沿著所述垂直通道的所述導(dǎo)軌；以及 (ii)(b)下部組件，該下部組件為垂直軸，其支承著至少位于其長度一側(cè)上的多個(gè)齒； (iii)主齒輪，其與所述垂直軸的齒相嚙合，且其連接到飛輪和/或其它二級齒輪上； (iv)發(fā)電機(jī)的水平軸，其直接地通過所述主齒輪或通過飛輪和/或一個(gè)或多個(gè)中間二級齒輪來旋轉(zhuǎn)，所述垂直軸隨著主配重由于重力的下落而向下運(yùn)動(dòng)； (v)減速和停止裝置，當(dāng)自由下落的主配重的所述頭部到達(dá)中空垂直通道的底部時(shí)，所述減速和停止裝置用于使得自由下落的主配重的所述頭部在預(yù)定的時(shí)間和距離內(nèi)柔和地減速和停止，以便同步； (vi)垂直的地下中空管，用于當(dāng)主配重的所述頭部到達(dá)所述中空垂直通道的底部時(shí)容納所述主配重的所述垂直軸； (vii)平衡配重，其對位于相對側(cè)上的主配重進(jìn)行平衡，其安裝在動(dòng)力裝置上以便攜載所述平衡配重以預(yù)定的速度向上和向下運(yùn)動(dòng)以便與下落的配重同步，從而保持發(fā)電機(jī)水平軸的轉(zhuǎn)數(shù)恒定； (viii)一根或多根繩索，用于在滑輪系統(tǒng)的兩側(cè)懸吊所述主配重和平衡配重，以便使其向上和向下運(yùn)動(dòng)； (ix)一個(gè)或多個(gè)滑輪系統(tǒng)，每一系統(tǒng)包括多個(gè)滑輪，在每一單元內(nèi)的所述繩索在所述滑輪上運(yùn)行，以便攜載所述主配重和平衡配重進(jìn)行提升和下降或向下滑動(dòng)； (x)用于啟動(dòng)和維持所述主配重或平衡配重或兩者的向上和向下運(yùn)動(dòng)的裝置； (Xi)平行于中空垂直通道豎立的垂直框架，所述裝置使得主配重或配置以平衡的方式在所述垂直框架內(nèi)向上或向下運(yùn)動(dòng)； (Xii)傳感器、信號裝置和測速儀，其用于控制和同步多個(gè)單元的所述平衡配重的速度，從而控制和同步所述主配重的速度，以便維持發(fā)電機(jī)軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(RPM)； 從而，在操作過程中的任意給定時(shí)刻，至少一個(gè)主配重(包括其垂直軸)處于其自由下落的階段，以便嚙合發(fā)電機(jī)的水平軸(的齒輪)且使其旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，所述主配重的所述上部組件(ii)(a)是圓柱形、或橢圓柱形、四角棱柱形或其它這樣的形狀，其與所述中空垂直通道相對應(yīng)以滿足給定項(xiàng)目的特定要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，所述主齒輪構(gòu)造成類似飛輪，以便當(dāng)所述垂直軸與其嚙合時(shí)，當(dāng)所述垂直軸下降/向下滑動(dòng)時(shí)允許發(fā)電機(jī)的所述水平軸的雙向嚙合以及單向旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)自由下落的主配重的所述頭部到達(dá)中空垂直通道的底部時(shí)，所述減速和停止裝置用于使得自由下落的主配重的所述頭部柔和地減速和停止，所述減速/停止裝置為下述的一個(gè)或多個(gè): (a)氣囊； (b)空氣推頂器； (c)彈簧； (d)制動(dòng)器； (e)電磁鐵； (f)施加楞次力的裝置； (g)平衡配重在另一側(cè)上的相反運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，所述平衡配重的重量與所述主配重的重量相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，所述平衡配重的重量比所述主配重的重量重3%至10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，所述平衡配重的重量比所述主配重的重量輕3%至10%。
8.根據(jù)權(quán)利要求 1至7中任一項(xiàng)所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，用于攜載所述平衡配重的裝置與傳感器和信號裝置協(xié)作來對主配重進(jìn)行平衡，使其以預(yù)定的速度向上和向下運(yùn)動(dòng)以便與下落的配重同步，從而保持發(fā)電機(jī)水平軸的轉(zhuǎn)數(shù)恒定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，用于攜載所述主配重或平衡配重的所述裝置能夠從所述主配重或平衡配重分離，且由外部動(dòng)力源提供動(dòng)力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，用于攜載所述主配重或平衡配重的所述裝置能夠從所述主配重或平衡配重分離，且由本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)單元所產(chǎn)生功率的回饋部分來提供動(dòng)力，或者部分地或替代地由外部動(dòng)力源提供動(dòng)力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，用于控制和同步一個(gè)或多個(gè)單元的所述平衡配重的速度，從而控制和同步所述主配重的速度，以便維持發(fā)電機(jī)軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(RPM)的傳感器是下述中的一個(gè)或多個(gè):(a)磁傳感器；(b)光束/激光傳感器；(C)無源紅外傳感器；(d)爆震傳感器；(e)壓力傳感器；(f)接近度傳感器；(g)電傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，用于輔助發(fā)電的裝置通過進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)/變型來提供，以便安裝線圈和磁鐵，從而在下述組件或部件的一個(gè)或多個(gè)中產(chǎn)生電力:(a)滑輪和桿；(b)垂直通道和主配重；(C)垂直框架和平衡配重；⑷水平軸和齒輪；(e)垂直軸和地下中空管。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的裝置和系統(tǒng)，其特征在于，用于啟動(dòng)和維持主配重和平衡配重向上和向下運(yùn)動(dòng)的裝置是裝配到所述滑輪系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)滑輪上的動(dòng)力馬達(dá)。
14.一種發(fā)電方法，該方法采用根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的多個(gè)單元來發(fā)電，其特征在于，在任意給定的單元內(nèi)，允許具有重質(zhì)量的物體在重力的作用下從較大高度自由下落，以便使得其速度線性增加，同時(shí)其在一定時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的距離趨于以平方的關(guān)系增加，從而通過引導(dǎo)所述力以便直接地或通過飛輪和/或齒輪使得高功率發(fā)電機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)而提供能夠利用的最大的重力。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)電方法，其特征在于，具有重質(zhì)量的物體的所述自由下落的重量由平衡配重始終進(jìn)行平衡，從而凈重量僅是兩者之間的差值，從而提高系統(tǒng)的效率，其中所述凈重量通過外部動(dòng)力源或者通過從該系統(tǒng)輸出的功率反饋而提升。
16.根據(jù)權(quán)利要求14和15所述的發(fā)電方法，其特征在于，結(jié)合具有重質(zhì)量的物體自由下落的距離和速度，對所采用單元的數(shù)量進(jìn)行最優(yōu)化，由此在任意給定單元內(nèi)的主配重或平衡配重的向上或向下的運(yùn)動(dòng)是無動(dòng)力的，且完全由重力單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)，以便獲得最小的輸入功率以及最高的效率。
17.根據(jù)權(quán)利要求14、15和16所述的發(fā)電方法，其特征在于，主配重和平衡配重的時(shí)間、距離和速度是同步的，從而至少一個(gè)單元的垂直軸在任意給定時(shí)刻處于其自由下落/下降階段，以便維持發(fā)電機(jī)軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，在此期間，其它單元的垂直軸處于被提升的過程中以便以同步串聯(lián)的方式向下下落。
18.一種裝置和系統(tǒng)，其通過允許具有重質(zhì)量的物體自由下落以便將由重力所做的功最大化，以及通過由另一相近的質(zhì)量平衡該重質(zhì)量來將效率最大化，從而只有所述兩個(gè)質(zhì)量之間的凈差值需要通過輸入動(dòng)力機(jī)制來做功，以便沿重力方向或其它方向提升已經(jīng)下落的物體使其向上回到其初始位置，從而重復(fù)以上循環(huán)，其中以同步串聯(lián)的方式使用多個(gè)這種單元，以便維持連接高輸出發(fā)電機(jī)的齒輪、飛輪和軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(RPM)，基本上如本文所述那樣。
19.采用多個(gè)單元來發(fā)電的方法，其特征在于，在任意給定的單元內(nèi)，允許具有重質(zhì)量的物體在重力的作用下從較大高度自由下落，以便使得其速度線性增加，同時(shí)其在一定時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的距離趨于以平方的關(guān)系增加，從而通過引導(dǎo)所述力以便直接地或通過飛輪和/或齒輪使得高功率發(fā)電機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)`而提供能夠利用的最大的重力，基本上如本文所述那樣。
【文檔編號】F02B63/04GK103429871SQ201180062040
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月24日
【發(fā)明者】莎飛·克拉夏 申請人:G發(fā)電廠Dmcc