УВЕЛИЧЕНИЕ ДО МАКСИМУМА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ТЕКУЧИХ СРЕД
MAXIMUM INCREASE OF ENERGY EXTRACTION FROM MOVING FLUID MEDIUMS

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Устройства для извлечения энергии из масс перемещающихся или протекающих текучих сред по предшествующему уровню техники обычно используют погружение одной или более лопастей в перемещающуюся текучую среду. Лопасти соединены с вращающимся валом. Извлечение энергии в протекающей текучей среде пытаются оптимизировать посредством надлежащей конструкции и ориентации лопастей. Часть энергии, извлеченной посредством лопастей из перемещающейся текучей среды, подается посредством побуждения вала, соединенного с лопастями, вращаться с крутящим моментом, который обычно представляет собой некоторую долю энергии, содержащейся в перемещающейся текучей среде, но, тем не менее, достаточную для подачи некоторой энергии на нагрузку, соединенную с валом, такую как насос, генератор или. Примерами таких устройств для извлечения энергии по предшествующему уровню техники являются ветряные турбины, водяные турбины, паровые турбины, лопастные колеса и тому подобное.
Хотя такие устройства для извлечения по предшествующему уровню техники имеют долгую и успешную историю, они являются недостаточно эффективными в некоторых случаях, и недостаточно удобными в других. Например, общеизвестный закон Бетца, гласит, что ветряная турбина теоретически может извлекать только максимум 59% энергии ветра, попадающего на турбину. На практике, извлеченная энергии никогда не превышает 70-80% теоретического предела Бетца; таким образом, наилучшая энергия, которую можно ожидать от работающих ветряных турбин, составляет от 41 до 47% от имеющейся энергии. Ветряные турбины, подобно устройствам для извлечения солнечной энергии, являются периодическими, и большинство, в действительности, может извлекать энергию только, когда скорость ветра составляет от около 2,5 до 25 метров/секунду (м/с). Опытные специалисты в данной области - при требовании - подтверждают, что общая ожидаемая подача от всех теперь видимых таких устройств будет не больше, чем около 30% энергии, действительно доступной для извлечения из перемещающихся текучих сред, попадающих на них. Наиболее удручающее признание включает приливно-отливные морские движения, и мощность от "гидро" источников едва ли больше включается в "компетентные" проекты источников энергии.
Последние попытки для извлечения энергии из морей представляют собой различные "волновые машины"; каждая использует вертикальный подъем морской волны в качестве входа, иногда для непосредственного приведения в действие генератора, или для осуществления этого посредством различных форм гидравлических и пневматических устройств. Вследствие недостаточной эффективности каждого устройства, они часто объединяются в цепи или совокупность узлов, упакованных в один контейнер.
PR для всей области (существенный инструмент в привлечении инвестиций) стал чрезмерным, и истину очень трудно определить. Действительные результаты различных попыток настолько далеки от громко заявленных, что июньский выпуск 2010 "Популярной механики", в его превосходном обзоре ситуации с возобновляемыми источниками энергии, раскрывает "Миф №5 - Энергия приливов и отливов является недостижимой целью" на странице 74.
Ни одна группа защитников окружающей среды все еще не осознала (с ужасом), на что были ли похожи наши побережья, если предпринять серьезное усилие для получения некоторых из наших энергетических потребностей от различных волновых устройств - и бесконечные буи и шарнирные цепи больших металлических коробов покрывали бы близлежащие моря. Шотландия объявила себя "Саудовской Аравией морской энергии", и похвальные усилия для классификации и поиска лучших решений в данной области предпринимаются там. Они перечисляют (через www.bwea.com/marine, примечание: "bwea" теперь известно как "RENEWABLESUK"), "три основных способа" для извлечения энергии из приливно-отливных или иных "течений", такие как "Турбины с поперечным потоком", "Совершающие возвратно-поступательные движения гидрокрылья" и "Осевые турбины". “Популярная механика” утверждает, что "совокупность осевых турбин (по меньшей мере 3), "работавшая более 9000 часов" в 2008 году, в Нью-Йоркском Ист-Ривер, "дала 70000 кВт*ч"; если это правильно, то каждая осевая турбина произвела, приблизительно, 70000/(3×9000)=2,6 кВт*ч... "Производительность" такой турбины показана в рекламе, также приведенной там, как 35 кВт. British Petroleum - теперь известная по другой наиболее злополучной причине - не так давно продвигала свои инициалы ВР, как "Beyond Petroleum"... Затем, возможно неудивительно, казалось, что расчетливые нефтяники отвергли, фактически отказываясь, надежду на то, что нечто другое, нежели чем горючие ископаемые, вероятно, может производить даже существенную часть мирового годового потребления электроэнергии 15406 тераватт часов...
(2004 г. Всемирная книга фактов ЦРУ) Пометка: 1 тераватт час = 1.000.000.000.000 ватт часов.
Еще многие компетентные источники отражают доклад 1995 года в Управление по науке и технике Британской палаты общин (комитетом по морскому прогнозированию), который утверждает, что, если бы только 0,01% энергии морей добывалось, это равнялось бы 5 кратному размеру всей мировой потребности в энергии...
Перемещение масс текучих сред, особенно только в морях, может произвести всю энергию, которая нам нужна. Эта заявка надеется начать движение к извлечению значительно большего, более серьезного количества энергии из каждой установки, и, возможно, ускорить неизбежно приходящий вывод: "Да, мы можем! стать менее и менее зависимыми от горючих ископаемых, главным образом, начиная с этого момента...
ПРЕИМУЩЕСТВА
В качестве понимания величины разницы между настоящими "основными усилиями" и тем, что настоящая заявка пытается достигнуть:
Поперечное сечение совокупности 3 осевых турбин (таких как изображены в обзоре Популярной механики на стр.74), размещенных на общей треугольной раме, занимает приблизительно 50 футов ширины (3×15 футов ширины для каждой турбины), примерно на 30 футов высоты = прямоугольнику в 1500 квадратных футов, обращенному к потоку текучей среды. Объем потока, заданный прямоугольным поперечным сечением этого размера, и скорость потока 2,5 метра в секунду, с которыми изображенные турбины, очевидно, рассматривались, имеют содержание энергии приблизительно 1000 кВт. 3 турбины, занимающие его, если работают со 100% эффективностью без остановки, забирают только 3×35=105 кВт или около 1 десятой (10%)... В реальной жизни, вероятно, около 35-50 кВт для этих 3, или меньше одной двадцатой (5%), доступной от этой части потока текучей среды. Если эффективность нашего способа и систем, примененных здесь, поднимается только до 30%, мы получили бы порядок величины в несколько раз бόльший настоящего "основного способа", получая минимум 330 кВт или около этого. Когда мы построим действительные узлы и измерим и скорректируем наши результаты, искренне верится, что мы достигнем от 50 до 85% эффективности, таким образом получая от 500 кВт до 850 кВт из того же сегмента потока текучей среды, сейчас занятого совокупностью трех турбин, на которую делается ссылка как на один из настоящих "основных способов". Но, даже если наша эффективность будет только 30%, энергия, которую наши способ и системы могут получать из морей, заставляет их выглядеть уже не пренебрегаемым великаном в возобновляемых источниках энергии. И, в отличие от различных волновых машин, которые так загромождали бы наши берега и моря, что делает их размещение просто недопустимым, наши системы могут полностью погружаться, быть невидимыми с берега или моря, могут размещаться глубже, ниже навигационных путей; водонепроницаемые камеры для производства электроэнергии могут быть частью узлов, если требуется.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НЕКОТОРЫХ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изложение сущности изобретения не предназначено, чтобы устанавливать все основные особенности или существенные характеристики заявленного предмета изобретения, а также не предназначено для использования в качестве определения всего объема заявленного предмета изобретения.
Все варианты осуществления основаны на учениях Ньютона для передачи энергии и импульса (будь то от одной частицы, или их основных совокупностей - на другое тело массы): выбранная часть массы текучей среды, перемещающейся с ее природной заданной скоростью V, приводится к полной, или почти полной, остановке; "останавливающее" устройство получает, является получателем, полную кинетическую энергию - 1/2 m(V в квадрате) - первоначально содержащуюся в этой части протекающей текучей среды, и подает эту энергию либо непосредственно для полезного использования немедленно, либо хранит ее в стоке энергии для последующего использования.
Часть протекающей текучей среды побуждается проходить через корпус (тоннель); Площадь поперечного сечения этого "тоннеля" (квадратные футы), и квадрат скорости протекающей текучей среды определяют порядок величины значения энергии, которая будет извлечена.
Препятствие несущественной массы (подвижная перегородка), функционирующее подобно плавающему элементу, закрывающее все поперечное сечение тоннеля и смонтированное на роликовой тележке свободно перемещающимся на по меньшей мере четырех подобных железнодорожному полотну рельсах - размещено на пути входящего потока текучей среды - и приводится в движение, подобно поршню в цилиндре, посредством потока входящей текучей среды.
После приведения в движение препятствия с, или почти с, текущей скоростью протекающей текучей среды, препятствие замедляется до нулевой, или почти нулевой, скорости - побуждая весь объем текучей среды в тоннеле (или любом другом средстве инкапсуляции) позади него - также замедляться до нулевой, или почти нулевой, скорости - передавая всю свою, или почти всю, энергию, связанную со скоростью, на замедляющее средство.
Замедляющее средство может представлять собой практически любую эффективную систему, обеспечивающую то, что она высоко эффективно получает и передает все количество механической энергии, взятой от препятствия и массы текучей среды, захваченной в тоннеле (или другом инкапсулированном носителе) позади него, непосредственно к пользователю, или стоку энергии, из которого пользователь(и) затем ее забирает.
Два из множества таких замедляющих средств изображены здесь: одно использует быстро изменяющееся передаточное отношение между препятствием и выходным маховиком; другое обеспечивает возможность остановки препятствия посредством обмена энергии со стоком для хранения потенциальной энергии, откуда пользователь(и) затем забирает ее.
Эти и другие цели и особенности настоящего изобретения станут еще более очевидными из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения, или могут быть изучены посредством осуществления на практике изобретения, как изложено здесь в дальнейшем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для дополнительной ясности различных аспектов некоторых примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, более конкретное описание изобретения будет дано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, которые показаны на прилагаемых чертежах. Следует понимать, что на этих чертежах изображены только иллюстративные варианты осуществления изобретения и, следовательно, не должны рассматриваться ограничивающими его объем. Изобретение будет описываться и объясняться с дополнительной конкретикой и подробностями посредством использования прилагаемых чертежей, на которых:
На Фиг.1 показан перемещающийся объем текучей среды;
Фиг.2 представляет собой блок-схему, показывающую способ извлечения энергии из протекающей текучей среды;
На Фиг.3А показан вид сверху устройства для извлечения энергии;
На Фиг.3В показан вид сбоку устройства для извлечения энергии согласно Фиг.3А;
На Фиг.4А показано перемещающееся препятствие с открытыми заслонками;
На Фиг.4В показано перемещающееся препятствие с закрытыми заслонками;
На Фиг.5А показан вид с торца катушки;
На Фиг.5В показан вид сбоку в продольном разрезе катушки;
На Фиг.6 показан вид с торца в поперечном разрезе узла вращательной муфты;
На Фиг.7 показан предпочтительный в настоящее время вариант выполнения устройства для извлечения энергии, также называемый "ДВУХТАКТНЫМ ПРИВОДЯЩИМСЯ В ДЕЙСТВИЕ ПОСРЕДСТВОМ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ТЕКУЧИХ СРЕД ДВИГАТЕЛЕМ";
На Фиг.8 показан перспективный вид альтернативного устройства для извлечения энергии;
На Фиг.9 показан пример устройства для хранения и извлечения энергии; и
Фиг.10 представляет собой блок-схему, показывающую пример способа работы устройства управления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Теперь ссылка будет делаться на фигуры, на которых аналогичные конструкции будут даны с аналогичными ссылочными обозначениями. Следует понимать, что фигуры представляют собой диаграммные и схематичные изображения некоторых вариантов осуществления изобретения, и не являются ограничивающими настоящее изобретение, они также необязательно изображены в масштабе.
На Фиг.1 показан перемещающийся объем текучей среды 100. В по меньшей мере одном применении, текучая среда представляет собой любое вещество, которое непрерывно деформируется или протекает под действием прикладываемой силы. Текучие среды представляют собой разновидность фаз материала и включают жидкости, газы, плазмы и, в некоторой степени, пластичные твердые вещества. В частности, текучие среды показывают такие свойства, как не сопротивление деформации, или сопротивление ей только незначительно (вязкость), и способность протекать (также описывается как способность принимать форму емкости). Примеры текучих сред включают жидкости, такие как вода, и газы, такие как воздух.
2
Специалисту в данной области должно быть понятно, что текучая среда 100 имеет массу (М). Дополнительно, так как текучая среда 100 движется, текучая среда будет иметь скорость (V) и связанную кинетическую энергию (КЕ), которую можно вычислить как КЕ=1/2*M*V. Кроме того, текучая среда содержит другую энергию; вместе энергия текучей среды 100, которая может извлекаться, представляет собой механическую энергию текучей среды 100. Специалисту в данной области также должно быть ясно, что скорость текучей среды 100 будет отличаться от скорости отдельных частиц в текучей среде 100. То есть, отдельные частицы будут иметь скорость, которая может быть другой, нежели чем скорость текучей среды 100.
В по меньшей мере одном применении, текучая среда 100 может быть инкапсулированной. В частности, текучая среда 100 может быть частью бόльшего потока текучей среды, который был ограничен некоторым образом для извлечения энергии. Например, больший поток текучей среды может включать ветер, поток речной воды, океанические течения, приливы и отливы, сточные воды или любой другой поток текучей среды. Ограничение части большего потока текучей среды может обеспечивать возможность более предсказуемого извлечения энергии.
На Фиг.1 показано, что текучая среда 100 может быть инкапсулирована в тоннеле 105. Однако, специалисту в данной области должно быть ясно, что текучая среда 100 может быть инкапсулирована любым наиболее удобным образом. Например, текучая среда 100 может быть инкапсулирована со всех или большинства сторон, например, в тоннеле 105. Дополнительно или в качестве альтернативы, текучая среда 100 может быть инкапсулирована совокупностью поверхностей, которая предназначена для замедления потока текучей среды 100 или иного удерживания текучей среды 100 некоторым образом.
На Фиг.1 также показано, что текучая среда 100 может направляться на подвижное препятствие 110. В по меньшей мере одном применении, контакт между текучей средой 100 и подвижным препятствием 110 может смещать подвижное препятствие 110 вдоль тоннеля 105 между входом 115 и выходом 120. Так как подвижное препятствие 110 смещается от входа 115 к выходу 120, текучая среда 100 передает механическую энергию подвижному препятствию 110.
На Фиг.1 дополнительно показано, что механическая энергия подвижного препятствия 110 и механическая энергия текучей среды 100 позади подвижного препятствия 110 может извлекаться в механическую энергию посредством изменяющегося соединения 125. В по меньшей мере одном применении, механическая энергия, хранящаяся в изменяющемся соединении 125, может включать в себя вращательную энергию.
В по меньшей мере одном применении, изменяющееся соединение 125 слабо действует на подвижное препятствие 110 (обеспечивает относительно небольшую нагрузку) сначала, обеспечивая возможность прохождения текучей среды 100 в тоннель 105 со скоростью, равной или почти равной скорости, которую она имела бы, если бы тоннель 105 и подвижное препятствие 110 отсутствовали. Когда подвижное препятствие 110 ускоряется посредством втекающей текучей среды, оно перемещается вправо по направлению к выходу 120, и изменяющееся соединение 125 увеличивает свою нагрузку или действует сильнее на подвижное препятствие 110 и замедляет или нагружает движение подвижного препятствия 110 и текучей среды 100 увеличивающимся образом. В заключение, это приводит к остановке перемещения подвижного препятствия 110 и текучей среды 100, ограниченной сзади, как описано ниже.
В по меньшей мере одном применении, остановка движения текучей среды в тоннеле 105, передает механическую энергию, содержащуюся в объеме текучей среды 100, через соединение 125 на нагрузку 130. Если нагрузка 130 представляет собой маховик, механическая энергия от текучей среды 100 подается на маховик, и частота вращения маховика увеличивается. В по меньшей мере одном применении, больше чем одна нагрузка 130 может быть соединена с соединением 125. Другие нагрузки могут быть соединены в соединении 125, и окончательный результат увеличенной механической энергии может подаваться на нагрузку(и) 130.
В по меньшей мере одном применении, нагрузка 130 может включать в себя генератор, соединенный с электросетью, насосом или другим потребителем энергии. Специалисту в данной области также должно быть понятно, что нагрузка 130 может включать в себя любое устройство, способное удерживать или использовать механическую энергию, передаваемую от текучей среды 100. Например, нагрузка 130 может включать в себя генераторы, насосы, резервуары потенциальной энергии и любое другое выполняющее полезную работу устройство.
Фиг.2 представляет собой блок-схему, показывающую способ 200 извлечения энергии из протекающей текучей среды. В по меньшей мере одном применении, протекающая текучая среда содержит механическую энергию, которая может извлекаться в электрическую энергию или иным образом использоваться для выполнения работы. Специалисту в данной области должно быть ясно, что перемещающаяся текучая среда может представлять собой перемещающуюся текучую среду 100 согласно Фиг.1; однако перемещающаяся текучая среда не ограничена на перемещающейся текучей среде 100 согласно Фиг.1.
На Фиг.2 показано, что способ 200 включает ограничение 205 текучей среды. В по меньшей мере одном применении, ограниченная текучая среда представляет собой первую часть протекающей текучей среды. В частности, ограниченная текучая среда может включать в себя любую часть протекающей текучей среды, которая используется для извлечения энергии. Например, ограничение 205 текучей среды может включать в себя размещение трубы или тоннеля в протекающую текучую среду. В частности, тоннели могут быть закрыты на их верхних частях, нижних частях и боковых сторонах, и открыты на их концах, таким образом, что текучая среда может протекать через них. Дополнительно или в качестве альтернативы, тоннели могут быть открытыми на одной или более боковых сторонах, если эти одна или более боковых сторон не требуются для направления перемещающейся текучей среды.
На Фиг.2 также показано, что способ 200 включает размещение 210 подвижного препятствия в ограниченную текучую среду. В по меньшей мере одном применении, подвижное препятствие включает в себя первую поверхность. В частности, первая поверхность может быть предназначена для оказания сопротивления протекающей текучей среде. То есть, первая поверхность может быть предназначена для обеспечения передачи энергии, посредством чего протекающая текучая среда начинает перемещать подвижное препятствие. В по меньшей мере одном применении, подвижное препятствие размещается на пути ограниченной текучей среды. В частности, ограниченная текучая среда побуждается сталкиваться с первой поверхностью подвижного препятствия. Такая конструкция может обеспечивать возможность передачи максимальной энергии, так как ограниченная текучая среда предохраняется от протекания вокруг подвижного препятствия.
На Фиг.2 дополнительно показано, что способ 200 включает открывание 215 первой поверхности для протекания ограниченной текучей среды. В по меньшей мере одном применении, открывание 215 первой поверхности для протекания ограниченной текучей среды может иметь место в первом положении. В частности, первое положение может находиться рядом с местом, где ограничивается текучая среда. Например, если текучая среда ограничена в тоннеле, то первое положение может находиться в или рядом с входной частью тоннеля.
В по меньшей мере одном применении, открывание 215 первой поверхности для протекания ограниченной текучей среды включает закрывание одной или более заслонок. В частности, заслонки могут включать в себя оказывающие сопротивление давлению поверхность и край. Оказывающая сопротивление давлению поверхность может быть выполнена таким образом, чтобы находиться вровень с соседними заслонками для образования поверхности, которая является по существу непроницаемой для текучей среды. В противоположность, край выполнен таким образом, чтобы оказывать минимальное сопротивление текучей среде. Заслонка может располагаться таким образом, чтобы увеличивать или уменьшать сопротивление ограниченной текучей среде, если требуется.
В по меньшей мере одном применении, первая ограниченная текучая среда перемещает подвижное препятствие. В частности, первая ограниченная текучая среда увеличивает скорость подвижного препятствия. Если первое подвижное препятствие остается в ограниченной текучей среде достаточно долго, первое подвижное препятствие достигает скорости, или почти скорости, протекающей текучей среды. То есть, ограниченная текучая среда протекает беспрепятственно или почти беспрепятственно позади подвижного препятствия.
На Фиг.2 также показано, что способ 200 может включать замедление 220 подвижного препятствия. В по меньшей мере одном применении, подвижное препятствие замедляется до нулевой или почти нулевой скорости во втором положении. Замедление подвижного препятствия передает механическую энергию от подвижного препятствия и ограниченной текучей среды на замедляющий механизм. Переданная энергия затем может преобразовываться в электрическую энергию или в энергию в других используемых формах.
В по меньшей мере одном применении, способ 200 может дополнительно включать размещение второго подвижного препятствия в протекающую текучую среду. В частности, первое подвижное препятствие и второе подвижное препятствие могут быть выполнены таким образом, чтобы возвратно-поступательно перемещаться вместе с или против потока текучей среды. Например, первое подвижное препятствие перемещается по направлению к первому положению, при этом второе подвижное препятствие перемещается по направлению ко второму положению и наоборот.
Специалисту в данной области должно быть понятно, что для этого и других процессов и способов, раскрытых здесь, функции, выполняемые в процессах и способах, могут осуществляться в разном порядке. Более того, отмеченные этапы и операции обеспечены только в качестве примеров, и некоторые из этапов и операций могут быть необязательными, объединенными в меньшее количество этапов и операций, или расширены в дополнительные этапы и операции, не отступая от сущности раскрытых вариантов осуществления.
На Фиг.3А и 3В показано устройство 300 для извлечения энергии. На Фиг.3А показан вид сверху устройства 300 для извлечения энергии; и на Фиг.3В показан вид сбоку устройства 300 для извлечения энергии. В по меньшей мере одном применении, устройство 300 для извлечения энергии может использоваться для извлечения энергии из перемещающейся текучей среды. Специалисту в данной области должно быть понятно, что перемещающаяся текучая среда может представлять собой перемещающуюся текучую среду 100 согласно Фиг.1; однако перемещающаяся текучая среда не ограничена на перемещающейся текучей среде 100 согласно Фиг.1.
На Фиг. 3A и 3B показано, что устройство 300 для извлечения энергии может включать в себя два тоннеля 305а и 305b (вместе "тоннели 305"). В частности, тоннели 305 могут быть закрыты на их верхних частях, нижних частях и боковых сторонах, и открыты на их концах, таким образом, что текучая среда может протекать через них. Дополнительно или в качестве альтернативы, тоннели 305 могут быть открытыми на одной или более боковых сторонах, если эти одна или более боковых сторон не требуются для направления перемещающейся текучей среды. Тоннели 305 могут располагаться рядом друг с другом, как показано на Фиг. 3А и 3В, или один может размещаться над другим.
На Фиг. 3А и 3В показано, что устройство 300 для извлечения энергии может включать в себя два подвижных препятствия 310а и 310b (вместе "подвижные препятствия 310"), которые выполнены таким образом, чтобы возвратно-поступательно перемещаться вместе с и против потока текучей среды в тоннелях 305. В частности, подвижное препятствие 310b перемещается по направлению к входу тоннеля 305b, при этом подвижное препятствие 310а перемещается к выходу тоннеля 305а и наоборот.
На Фиг.3А и 3В показано, что подвижные препятствия 310 могут поддерживаться в их соответствующих тоннелях 305 посредством множества роликов 315. В частности, ролики 315 могут удерживать подвижные препятствия 310 в тоннелях 305 и могут обеспечивать возможность перемещения подвижных препятствий 310 в тоннелях 305 с минимальным сопротивлением. Специалисту в данной области должно быть ясно, что обеспечение возможности перемещения подвижных препятствий 310 с минимальным сопротивлением сохранит большее количество энергии для извлечения, как рассмотрено ниже.
На Фиг.3A и 3B показано, что устройство 300 для извлечения энергии может включать в себя направляющий элемент 320, такой как петля цепи или провода, расположенный в пространстве между тоннелями 305. В по меньшей мере одном применении, направляющий элемент 320 проходит по длине тоннелей 305 и поддерживается парой вращающихся звездочек 325, которые располагаются на концах тоннелей 305. В частности, звездочки 325 могут поддерживать направляющий элемент 320 туго натянутым. Дополнительно или в качестве альтернативы, звездочки 325 могут обеспечивать возможность легкого перемещения направляющего элемента 320, при необходимости.
На Фиг.3А и 3В показано, что подвижные препятствия 310 могут дополнительно включать в себя пальцы 330а и 330b (вместе "пальцы 330"), которые проходят по направлению к пространству между тоннелями 305 через пазы 335а и 335b (вместе "пазы 335") и находятся в контакте с направляющим элементом 320. В по меньшей мере одном применении, пальцы 330 и направляющий элемент 320 работают вместе для обеспечения того, что подвижные препятствия 310 возвратно-поступательно перемещаются относительно друг друга. В частности, движение подвижных препятствий 310 синхронизируется посредством направляющего элемента 320. Палец 330а вставляется в или соединяется с нижним участком направляющего элемента 320. Палец 330b вставляется в или соединяется с верхним участком направляющего элемента 320. Таким образом, когда подвижное препятствие 310а перемещается по направлению к выходу тоннеля 305а, нижний участок направляющего элемента 320 также перемещается по направлению к выходу; и, когда подвижное препятствие 310b перемещается по направлению к входу тоннеля 305b, верхний участок направляющего элемента 320 также перемещается по направлению к входу. Таким образом, подвижные препятствия 310 сдерживаются так, что перемещаться в противоположных направлениях, побуждаясь направляющим элементом 320.
На Фиг. 3A и 3B показано, что устройство 300 для извлечения энергии может включать в себя вал 340, расположенный снаружи тоннелей 305. В частности, вал 340 может располагаться рядом с входом тоннелей 305 и может проходить через оба тоннеля 305. В по меньшей мере одном применении, вал 340 поддерживается посредством подшипников 345, прикрепленных к жестким поддерживающим элементам, таким как внешние стенки тоннелей 305. На Фиг.3A и 3B показано, что вал 340 может быть соединен с устройством 350 для извлечения и хранения энергии. Устройство 350 для извлечения и хранения энергии предназначено для извлечения энергии, когда вал 340 вращается, как рассмотрено ниже.
На Фиг.3A и 3B показано, что подвижные препятствия 310а и 310b могут содержать множество подвижных заслонок 355а и 355b (вместе "заслонки 355"). В по меньшей мере одном применении, заслонки 355 являются подвижными между закрытым и открытым положениями. В частности, когда подвижные препятствия 310 перемещаются дальше по ходу вместе с потоком текучей среды, заслонки 355 закрываются, а, когда подвижные препятствия 310 перемещаются ближе по ходу в потоке текучей среды, заслонки 355 открываются. Например, заслонки 355 могут включать в себя оказывающие сопротивление давлению поверхность и край. Оказывающая сопротивление давлению поверхность может быть выполнена таким образом, чтобы находиться вровень с соседними заслонками для образования поверхности, которая является по существу непроницаемой для текучей среды. В противоположность, край выполнен таким образом, чтобы оказывать минимальное сопротивление текучей среде.
На Фиг.3А и 3В показано, что тоннели 305 могут включать в себя ограничители 360а и 360b (вместе "ограничители 360") на входах тоннелей 305а и 305b, соответственно, и ограничители 365а и 365b (вместе "ограничители 365") на выходах тоннелей 305а и 305b, соответственно. В по меньшей мере одном применении, ограничители 360 и ограничители 365 располагаются поперек нижнего участка входа и выхода тоннелей 305. Когда подвижные препятствия 310а и 310b достигают конца их перемещения на выходе тоннелей 305, нажимные стержни 370а и 370b (вместе "нажимные стержни 370"), соответственно, упираются в ограничитель 365, заставляя заслонки 355а и 355b открываться, как рассмотрено ниже. Когда подвижные препятствия 310 достигают конца их перемещения на входе тоннелей 305, нажимные стержни 370 упираются в ограничитель 360, заставляя заслонки 355 закрываться, как рассмотрено ниже.
На Фиг.3А и 3В показано, что устройство 300 для извлечения энергии может включать в себя тросы 375а и 375b (вместе "тросы 375"), прикрепленные к валу 340 в месте, рядом с коническими катушками 380а и 380b (вместе "катушки 380"), которые соединены с валом 340. Тросы 375а и 375b также прикреплены к подвижным препятствиям 310а и 310b, соответственно, используя скобы 385а и 385b (вместе "скобы 385"), соответственно. В по меньшей мере одном применении, поверхности катушек 380 могут быть выполнены со спиральной канавкой для направления тросов 375 и предотвращения проскальзывания, когда тросы 375 заново наматываются на катушки 380.
Специалисту в данной области должно быть понятно, что тросы 375, устройство 350 для извлечения и хранения энергии, вал 340 и катушки 380 могут образовывать изменяющееся соединение 125 и нагрузку 130 согласно Фиг.1; однако изменяющееся соединение 125 и нагрузка 130 согласно Фиг.1 не ограничены на тросах 375, устройстве 350 для извлечения и хранения энергии, вале 340 и катушках 380.
В по меньшей мере одном применении, когда либо трос 375а, либо трос 375b тянется с первой скоростью, эффективный диаметр прикрепленной катушки 380 уменьшается, тем самым увеличивая вращение вала 340 с постепенно увеличивающейся скоростью относительно первой скорости. Когда текучая среда проходит в тоннели 305, она будет перемещаться с начальной скоростью V1. Когда текучая среда сталкивается с подвижными препятствиями 310, скорость уменьшается до меньшей скорости V2. Уменьшение скорости текучей среды представляет собой уменьшение механической энергии текучей среды. Так как энергия сохраняется, это уменьшение механической энергии текучей среды передается через тросы 375 на вал 340, тем самым увеличивая механическую энергию в вале 340. Например, если устройство 350 для извлечения и хранения энергии содержит маховик, вращательная скорость маховика, т.е. его механическая энергия, увеличивается на величину, равную уменьшению механической энергии, испытываемому замедляющейся текучей средой и подвижным препятствием 310.
В качестве примера, а не ограничения, будет описана работа устройства 300 для извлечения энергии. Наличие потока текучей среды побуждает подвижное препятствие 310а перемещаться по направлению к выходу (к верхней части на Фиг.3А; влево на Фиг.3В) тоннеля 305а посредством механической энергии протекающей текучей среды. Подвижное препятствие 310а оказывает растягивающее усилие на трос 375а, который активирует заблокированное состояние катушки 380а и побуждает вал 340 вращаться с все более увеличивающимися скоростями против нагрузки, накладываемой устройством 350 для извлечения и хранения энергии. Инерционное сопротивление такому быстрому увеличению вращения в устройстве 350 для извлечения и хранения энергии увеличивает "обратное натяжение" на подвижное препятствие 310а, замедляя его перемещение и, следовательно, поток воды через тоннель 305а; эта комбинация действий, замедление или даже остановка потока в тоннеле, при этом увеличивая усилие, вращающее вал 340, подает механическую энергию текучей среды на устройство 350 для извлечения и хранения энергии. Начальное движение подвижного препятствия 310а также замедляется, и механическая энергия, связанная с массой подвижного препятствия, также подается на устройство 350 для извлечения и хранения энергии.
Когда подвижное препятствие 310а перемещается по направлению к выходу тоннеля 305а, палец 330а побуждает направляющий элемент 320 вращаться. Когда направляющий элемент 320 вращается, он побуждает палец 330b, и тем самым подвижное препятствие 310b, перемещаться по направлению к входу тоннеля 305b. Когда подвижное препятствие 310b перемещается по направлению к входу тоннеля 305b, 380b вращается на вале 340, как описано ниже, вследствие чего трос 375b наматывается на катушку 380b.
Когда подвижное препятствие 310а достигает ограничителя 365а, нажимные стержни 370а заставляют заслонки 355а на подвижном препятствии 310а открываться, как описано ниже. Одновременно, нажимные стержни 370b упираются в ограничитель 360b, тем самым закрывая заслонки 355b на подвижном препятствии 310b, как описано ниже. Поток теперь оказывает усилие на подвижное препятствие 310b, побуждая его перемещаться по направлению к выходу тоннеля 305b и поворачивая вал 340, тем самым подавая механическую энергию на устройство 350 для извлечения и хранения энергии. Этот цикл повторяется до бесконечности.
Полная механическая энергия подвижного препятствия и текучей среды извлекается из них, когда они приводятся в полную остановку, как описано ниже, во взаимосвязи с извлечением и хранением энергии устройства 350 для извлечения и хранения энергии. Вращательная энергия сообщается устройству 350 для извлечения и хранения энергии посредством троса 375а, катушки 380а и вала 340, когда подвижное препятствие 310а замедляется, когда оно перемещается дальше по ходу. То же самое происходит с тросом 375b, конусом 380b и валом 340, когда подвижное препятствие 310b замедляется, когда оно перемещается дальше по ходу. Эти вращательные энергии извлекаются посредством устройства 350 для извлечения и хранения энергии во вращательную энергию для генераторов или тому подобного.
Когда подвижное препятствие с зарытыми заслонками перемещается в тоннеле, который может быть от нескольких футов до любой длины, считающейся наилучшей для заданной установки (со скоростью потока в качестве одного определяющего фактора длины тоннеля), вся текучая среда позади подвижного препятствия захватывается и перемещается с той же скоростью, как у подвижного препятствия. Таким образом, применяется общеизвестная зависимость между кинетической энергией, массой и скоростью, т.е., извлеченная кинетическая энергия равна 1/2 общей массы подвижного препятствия 310 и захваченной текучей среды, а также разницы между начальной, самой высокой скоростью текучей среды и подвижного препятствия 310 в квадрате, и конечной скоростью текучей среды и подвижного препятствия 310 в квадрате. Эта кинетическая энергия подается на устройство 350 для извлечения и хранения энергии, как описано ниже.
Текучая среда, перемещающаяся через тоннели 305а или 305b от входа к выходу, когда заслонки 355а или 355b на любом подвижном препятствии 310а или 310b открыты, представляет собой тянущее воздействие на подвижные препятствия 310, когда они возвращаются обратно по направлению к валу 340. Это тянущее воздействие на возвращающееся обратно подвижное препятствие уменьшает общую эффективность устройства 300 для извлечения энергии. Это уменьшение производительности может быть исключено посредством обеспечения дополнительных заслонок 390а и 390b (вместе "заслонки 390") на входах в тоннели 305а и 305b, соответственно. Эти дополнительные заслонки 390 предохраняют протекание текучей среды на возвращающиеся обратно подвижные препятствия 310. Заслонки 390 могут приводиться в движение посредством двигателя и управляться посредством устройства 395а и 395b управления (вместе "устройства 395 управления"), или они могут быть соединены с теми же частями и активироваться сообща с заслонками 355.
Узлы 390а и 390b заслонок работают следующим образом: когда подвижное препятствие 310а перемещается по направлению к входу в тоннель 305а, заслонки 355а на подвижном препятствии 310а открываются, а узел 390а заслонок закрывается, тем самым предотвращая какое-либо протекание текучей среды на подвижное препятствие 310а, когда оно возвращается обратно к входу тоннеля 305а. Когда подвижное препятствие 310а перемещается от входа тоннеля 305а, заслонки 355а на подвижном препятствии 310а закрываются, а узел 390а заслонок открывается, обеспечивая возможность прикладывания полного усилия потока текучей среды к подвижному препятствию 310а и прохода текучей среды в тоннель 305а. Закрывание входа в тоннель, когда подвижное препятствие 310а возвращается обратно к входу, останавливает протекание воды в тоннель и предотвращает бόльшую часть столкновения текучей среды с подвижным препятствием 310а. Заслонки 390b работают аналогичным образом для подвижного препятствия 310b в тоннеле 305b. Это действие может в действительности увеличить скорость протока в открытом тоннеле, увеличивая механическую энергию, доступную для извлечения.
На Фиг. 4А и 4В показано перемещающееся препятствие, такое как перемещающееся препятствие 310 согласно Фиг.3А и 3В. На Фиг.4А показано перемещающееся препятствие с открытыми заслонками 355; и на Фиг.4В показано перемещающееся препятствие 310 с закрытыми заслонками 355. В по меньшей мере одном применении, перемещающееся препятствие 310 может использоваться для передачи механической энергии от протекающей текучей среды, как описано ниже.
На Фиг.4A и 4B показано, что заслонки 355 соединены с возможностью вращения с пальцем 405. В по меньшей мере одном применении, пальцы 405 соединены с возможностью вращения со штангой 410. Когда штанга 410 находится в ее нижнем положении, пальцы 405 и заслонки 355 повернуты по часовой стрелке, размещая заслонки 355 в их "открытое" положение. Когда штанга 410 находится в ее верхнем положении, пальцы 405 и заслонки 355 повернуты против часовой стрелки, размещая заслонки 355 в их "закрытое" положение.
Подвижные препятствия 310 дополнительно включают в себя подвижные узлы 370 нажимных стержней. Когда нажимные стержни 370 побуждаются перемещаться по направлению к подвижным препятствиям 310, штанга 410 побуждается перемещаться вниз, размещая заслонки 355 в их открытое положение. Когда нажимные стержни 370 побуждаются перемещаться по направлению к подвижным препятствиям 310, штанга 410 побуждается перемещаться вверх, размещая заслонки 355 в их закрытое положение. Когда заслонки 355 открыты, они обеспечивают минимальное сопротивление текучей среде, и она свободно протекает между ними. Когда заслонки 355 закрыты, они предотвращают протекание текучей среды между ними, и давление текучей среды на заслонках 355 стремится удерживать их в их закрытом положении.
На Фиг.5А и 5В показан увеличенный вид катушки 380. На Фиг.5А показан вид с торца катушки 380; и на Фиг.5В показан вид сбоку в продольном разрезе катушки 380. Специалисту в данной области должно быть понятно, что катушка 380 может обеспечивать изменяющееся соединение, такое как изменяющееся соединение 125 согласно Фиг.1; однако изменяющееся соединение 125 согласно Фиг.1 не ограничено на катушке 380.
На Фиг.5А и 5В показано, что катушка 380 может включать в себя внешнюю коническую секцию, которая вращается на вале 340. Цилиндрическая винтовая пружина 505 размещена в открытой области 510 в катушке 380. Пружина 505 окружает вал 340. На ее внутреннем конце, пружина 505 прикреплена к валу 340 посредством связывающего соединения 515, такого как сварка, винт, зажим, или тому подобное. Пружина 505 прикреплена к катушке 380 посредством аналогичного соединения 520. Таким образом, когда вал 340 вращается в катушке 380, пружина 505 наматывается более или менее плотно вокруг вала 340. Пружина 505 предварительно натягивается таким образом, что, когда нет относительного вращательного усилия, прикладывающегося к катушке 380 и валу 340, пружина 505 принимает исходное положение. Исходное положение может представлять собой либо плотно намотанное, либо сильно размотанное, в зависимости от предварительного натяжения пружины 505.
На Фиг.5А и 5В также показано, что катушка 380 может включать в себя узел 525 односторонней, вращательной муфты. Узел 525 муфты позволяет катушке 380 вращаться только в одном направлении на вале 340, как описано ниже. Пружина 505 ориентируется и предварительно натягивается таким образом, что, когда катушка 380 поворачивается определенное количество раз и затем отпускается, пружина 505 будет побуждать катушку 380 возвращаться обратно в ее начальное положение вращения относительно вала 340.
На Фиг.6 показан вид с торца в поперечном разрезе узла 525 вращательной муфты. В по меньшей мере одном применении, узел 525 вращательной муфты включен в катушку 380. Муфта 525 содержит внешнюю гильзу 605, внутренний вал 610, множество цилиндрических штифтов 615 и множество пружин 620 сжатия, которые побуждают штифты 615 перемещаться к гильзе 605. В некоторых конструкциях, штифты 615 заменяются шарами. Когда вал 610 вращается против часовой стрелки, гильза 605 с помощью трения побуждают штифты 615 перемещаться против пружин 620. Когда пружины 620 сжимаются, штифты 615 обеспечивают свободную посадку между валом 610 и гильзой 605, и вал 610 свободно вращается в гильзе 605. Когда вал 610 вращается по часовой стрелке, пружины 620 побуждают шары 615 перемещаться к гильзе 605, образуя клин, который блокирует вал 610 и гильзу 605 относительно друг друга, предотвращая какое-либо относительное вращение между указанными двумя элементами.
На Фиг.7 показан пример альтернативного устройства 700 для извлечения энергии. В по меньшей мере одном применении, устройство 300 для извлечения энергии может использоваться для извлечения энергии из перемещающейся текучей среды. Специалисту в данной области должно быть понятно, что перемещающаяся текучая среда может представлять собой перемещающуюся текучую среду 100 согласно Фиг.1; однако перемещающаяся текучая среда не ограничена на перемещающейся текучей среде 100 согласно Фиг.1.
На Фиг.7 изображен предпочтительный в настоящее время вариант осуществления; на ней показано, что устройство 700 для извлечения энергии может включать в себя два или более соседних тоннелей 705а и 705b (вместе "тоннели 705"), размещенных в перемещающейся текучей среде. В частности, тоннели 705 могут быть закрыты на их верхних частях, нижних частях и боковых сторонах, и открыты на их концах, таким образом, что текучая среда может протекать через них. Дополнительно или в качестве альтернативы, тоннели 705 могут быть открытыми на одной или более боковых сторонах, если одна или более боковых сторон не требуются для направления перемещающейся текучей среды. Тоннели 705 могут располагаться рядом друг с другом, как показано на Фиг.7А и 7В, или один может размещаться над другим.
На Фиг.7 также показано, что устройство 700 для извлечения энергии включает в себя рельсы 710а и 710b (вместе "рельсы 710"), размещенные в тоннелях 705а и 705b. В по меньшей мере одном применении, рельсы 710 являются по существу параллельными относительно потока текучей среды в тоннелях 705. В частности, тоннели 705 могут направлять поток текучей среды, и рельсы 710 могут быть выровнены с направлением потока текучей среды.
На Фиг.7 дополнительно показано, что устройство 700 для извлечения энергии может включать в себя подвижные препятствия 715а и 715b (вместе "подвижные препятствия 715") в тоннелях 705а и 705b, соответственно. В по меньшей мере одном применении, подвижные препятствия 715 выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения вместе с и против потока в тоннелях 705. В частности, подвижное препятствие 715b перемещается по направлению к входу тоннеля 705b, при этом подвижное препятствие 715а перемещается к выходу тоннеля 705а и наоборот.
На Фиг.7 также показано, что подвижные препятствия 715а и 715b могут поддерживаться в их соответствующих тоннелях 705 посредством роликовых тележек 720а и 720b (вместе "роликовые тележки 720"), соответственно. В частности, роликовые тележки 720 могут удерживать подвижные препятствия 715 в тоннелях 705 и могут обеспечивать возможность перемещения подвижных препятствий 715 в тоннелях 705 с минимальным сопротивлением. Специалисту в данной области должно быть понятно, что обеспечение возможности перемещения подвижных препятствий 715 с минимальным сопротивлением сохранит большее количество энергии для извлечения.
На Фиг.7 дополнительно показано, что направляющий элемент 725, такой как петля цепи или провода, может располагаться в пространстве между тоннелями 705. В по меньшей мере одном применении, направляющий элемент 725 проходит по длине тоннелей 705 и поддерживается парой вращающихся звездочек 730, которые располагаются на концах тоннелей 705. В частности, звездочки 730 могут поддерживать направляющий элемент 725 туго натянутым. Дополнительно или в качестве альтернативы, звездочки 730 могут обеспечивать возможность легкого перемещения направляющего элемента 725, при необходимости.
На Фиг.7 также показано, что подвижные препятствия 715а и 715b могут содержать множество подвижных заслонок 735а и 735b (вместе "заслонки 735"). В по меньшей мере одном применении, заслонки 735 являются подвижными между закрытым и открытым положениями. В частности, когда подвижные препятствия 715 перемещаются дальше по ходу вместе с потоком текучей среды, заслонки 735 закрываются, а, когда подвижные препятствия 715 перемещаются ближе по ходу в потоке текучей среды, заслонки 735 открываются. Например, заслонки 735 могут включать в себя оказывающие сопротивление давлению поверхность и край. Оказывающая сопротивление давлению поверхность может быть выполнена таким образом, чтобы находиться вровень с соседними заслонками для образования поверхности, которая является по существу непроницаемой для текучей среды. В противоположность, край выполнен таким образом, чтобы оказывать минимальное сопротивление текучей среде.
На Фиг.7 дополнительно показано, что подвижное препятствие 715а и 715b может включать в себя буферы 740а и 740b (вместе "буферы 740"), соответственно. В по меньшей мере одном применении, буферы 740а и 740b могут контактировать с замедлителями 745а и 745b (вместе "замедлители 745"), соответственно. В частности, буферы 740 могут предотвращать повреждение подвижных препятствий 715 вследствие какого-либо контакта между подвижными препятствиями 715 и замедлителями 745.
В по меньшей мере одном применении, замедлители 745 предназначены для замедления подвижных препятствий 745. В частности, замедлители прикреплены к рельсам 710. Таким образом, замедлители 745 могут получать механическую энергию подвижных препятствий 715 и инкапсулированной текучей среды, движущей подвижные препятствия 715. Например, замедлители 745 могут включать в себя пружины и другие хранящие потенциальную энергию системы, или другие устройства, которые выполнены с возможностью замедления подвижных препятствий 715, множество которых будет очевидно для специалиста в данной области.
На Фиг.7 также показано, что замедлители 745а и 745b прикреплены к зубчатым рейкам 750а и 750b (вместе "зубчатые рейки 750"), соответственно. В по меньшей мере одном применении, зубчатая рейка 750а поддерживается между поддерживающим роликом 755а и зубчатым колесом 760а односторонней муфты, и зубчатая рейка 750b поддерживается между поддерживающим роликом 755b и зубчатым колесом 760b односторонней муфты. Когда буферы 740 контактируют и деформируют замедлители 745, зубчатые колеса 760 и зубчатая рейка 755 удерживают замедлитель 745 в деформированном положении, (фиксируемом посредством защелки 751 или тому подобного), таким образом удерживая механическую энергию, передаваемую на замедлитель 745. Когда препятствие 715b начинает свое возвращение обратно по направлению к входу тоннеля 705b, и буфер 740 достигает достаточного зазора от деформированного замедлителя 745b, дальнейшее перемещение препятствия 715b освобождает защелку 751 посредством натяжения провода 752, который соединяет препятствие 715 с защелкой 751. Это освобождение заставляет замедлитель 745b "активироваться" посредством отпружинивания назад в его недеформированное положение.
Это быстрое расширение тянет зубчатую рейку 750b по направлению к входу тоннеля 705b, которая, в свою очередь, вращает зубчатое колесо 760b односторонней муфты (здесь против часовой стрелки), и накапливает энергию, взятую замедлителем 745b от замедления как препятствия 715b, так и массы текучей среды, захваченной в тоннеле 705b позади него - в выходном вале 340.
На Фиг.7 показано, что вал 340 может быть соединен с маховиком 765. Маховик 765 может, в свою очередь, быть соединен посредством бесконечно изменяемой муфты 775, если требуется, с нагрузкой, где вращательная энергия извлекается в электрическую энергию или другую используемую энергию. Маховик 765 и соединенные с ним элементы могут размещаться в водонепроницаемом корпусе, при этом вал 340 входит в него через стандартное водонепроницаемое вращательное уплотнение; небольшой воздушный насос может быть включен, чтобы поддерживать внутреннюю часть указанного корпуса с давлением, незначительно выше, чем у текучих сред снаружи для поддержания внутренней части сухой.
На Фиг.8 показан перспективный вид альтернативного устройства 800 для извлечения энергии. В по меньшей мере одном применении, устройство 800 для извлечения энергии может использоваться в текучих средах, которые отступают и протекают, таких как океанические приливы и отливы, ветры, которые изменяют направление, и тому подобное. Подвижное препятствие 805 ограничено так, чтобы перемещаться в раме 810, которая содержится в тоннеле 815, обозначенном пунктирными линиями. Подвижное препятствие 805 поддерживается посредством множества роликов 820. Подвижное препятствие 805 включает в себя первую поверхность 825а и вторую поверхность 825b, противоположную первой поверхности. В по меньшей мере одном применении, подвижное препятствие 805 перемещается в первом направлении посредством потока текучей среды в первом направлении, который давит на первую поверхность 825а. Когда направление потока текучей среды реверсируется, подвижное препятствие перемещается во втором направлении посредством потока текучей среды во втором направлении, который давит на вторую поверхность 825b.
На Фиг.8 показано, что устройство 800 для извлечения энергии может включать в себя вал 240, который поддерживается посредством подшипников 245, смонтированных на раме 810. В по меньшей мере одном применении, вал 240 соединен с устройством 350 для хранения и извлечения энергии, которое либо хранит энергию, которую оно получает, либо может извлекать энергию в электрическую энергию или энергию в других используемых формах.
На Фиг.8 также показано, что устройство 800 для извлечения энергии может включать в себя пару конических катушек 380а и 380b, смонтированных на вале 240. В по меньшей мере одном применении, катушки 380а и 380b работают для сохранения механической энергии, передаваемой посредством ограниченной текучей среды на подвижное препятствие, как описано выше. Пара тросов 375а и 375b прикреплена к плавающему элементу 805 посредством скоб 385а и 385b на одном конце. На другом конце, тросы 375а и 375b прикреплены к катушкам 380а и 380b, соответственно.
На Фиг.8 дополнительно показано, что устройство 800 для извлечения энергии может включать в себя поворотную платформу 830. В по меньшей мере одном применении, поворотная платформа 830 может поддерживать устройство для извлечения энергии таким образом, чтобы вращать его в наиболее предпочтительную ориентацию относительно потока текучей среды через тоннель 815. Пара погружаемых понтонов 835 катамарана может использоваться для способствования выравниванию тоннеля 815 с потоком текучей среды. Опциональный приводной источник 840, принимающий команды направления от подобного флюгеру устройства, погруженного в текучую среду, может использоваться для ориентации тоннеля 815 с потоком текучей среды.
При работе, подвижное препятствие 805 передвигается назад и вперед в тоннеле 815 в ответ на протекание текучей среды в и из тоннеля 815. Катушки 380а и 380b работают поочередно для поворачивания вала 240 и перематывания тросов 375а и 375b, как описано выше. Как описано выше, механическая энергия, полученная вследствие замедления движения подвижного препятствия 805, также подается на устройство 350 наряду с вкладом механической энергии от замедления текучей среды.
На Фиг.9 показан пример устройства 350 для хранения и извлечения энергии. В по меньшей мере одном применении, устройство 350 для хранения и извлечения энергии может использоваться для увеличения крутящего момента, требуемого для вращения вала 340. В частности, оно работает с увеличивающимся диаметром катушек 380 для замедления движения подвижных препятствий. Посредством замедления движения подвижных препятствий, механическая энергия, имеющаяся в движении массы, включая подвижное препятствие и текучую среду, ограниченную позади подвижного препятствия, отражается в увеличении крутящего момента, прикладываемого к валу 340. Этот увеличенный крутящий момент поглощается устройством 350 для хранения и извлечения энергии.
На Фиг.9 показано, что устройство 350 для хранения и извлечения энергии может включать в себя зубчатое колесо 905, прикрепленное к валу 340. В по меньшей мере одном применении, зубчатое колесо 905 приводит в движение зубчатое колесо 910; зубчатое колесо 910 поддерживается на вале 915 и маховике 920. Вал 915 приводит в движение генератор 925а, выход которого соединен с нагрузкой 930. Вал 915 тянется через генератор 925а и проходит через муфту 935 и второй генератор 925b и заданное количество последующих муфт 935b, генераторов 925с. Хотя вал 915 проходит через второй генератор 925b, он соединяется с генератором 925b только, когда муфта 935 активируется. Т.е., когда муфта 935 не активирована, вал 915 вращается, когда он проходит через генератор 925b, без поворачивания ротора в генераторе 925b. Таким образом, когда муфта 935 не активирована, генератор 925b не подает какую-либо мощность на нагрузку 930, а также не образует нагрузку крутящего момента на вале 915. Когда муфта 935 активирована, вал 915 поворачивает ротор в генераторе 925b и побуждает его подавать мощность на нагрузку 930, при этом одновременно обеспечивая дополнительную нагрузку крутящего момента на вале 915.
В по меньшей мере одном применении, маховик 920 хранит механическую энергию и, наряду с генератором 925а, обеспечивает начальное инерционное сопротивление ускорению, которое катушки 380 пытаются наложить. Муфты 935 электрически активируются посредством узла 940 управления. Муфты 935 соединяются с генераторами 925b-925с, которые смонтированы таким образом, чтобы свободно вращаться на вале 915. При получении команды от устройства 940 управления, муфты 935 либо соединяются с валом 915 и прикладывают крутящий момент к валам генераторов 925а, либо они вращаются по инерции на вале 915 и не прикладывают крутящий момент к генераторам 925а. Когда муфта 935 соединяется с возможностью вращения с валом 915, генератор 925а вращается и генерирует электрический ток, который прикладывается к нагрузке 930, добавляясь к вращению вала 915. Когда устройство 940 управления активирует дополнительные муфты 935, дополнительные генераторы 925а прикладывают больше тока к нагрузке 930, вызывая бόльшее сопротивление кручению на вале 915. Нагрузка 930 может представлять собой электросеть, насос или любое из некоторого количества других устройств, которое предусмотрено для использования электрической энергии.
На Фиг.9 показано, что устройство 350 для хранения и извлечения энергии может включать в себя датчик 945 скорости и положения. Датчик 945 может включать в себя оптические или магнитные энкодеры абсолютного положения, например. Датчик 945 измеряет положение и скорость подвижных препятствий и ограниченных текучих сред. Датчик 945 соединен с узлом 940 управления, который предусмотрен для активации муфт 935 при заданных условиях.
В по меньшей мере одном применении, так как подвижные препятствия начинают перемещаться под воздействием протекающей текучей среды, тянущее воздействие, прикладываемое устройством 350 для хранения и извлечения энергии, является небольшим. Это позволяет текучей среде протекать со скоростью (или почти) свободного потока. Когда подвижные препятствия достигают конца их перемещения, является желательным замедлить их скорость почти до нуля для того, чтобы передать на вал 340 максимальную величину изменения механической энергии в массе устройства для извлечения энергии и в массе текучей среды, захваченной позади них, на вал 340. В результате, больше генераторов 925 вводятся в эксплуатацию, тем самым увеличивая мощность, подаваемую на нагрузку 930, при этом увеличивая сопротивление крутящему моменту, прикладывающемуся к валу 340, и замедляя движение подвижных препятствий.
Фиг.10 представляет собой блок-схему, показывающую пример способа работы устройства 940 управления. В начале, блок 1000, устройство 940 управления сбрасывается. Далее, датчик считывается, блок 1005, и определяются положение и скорость подвижных препятствий. Если скорость в любом заданном положении является слишком большой, блок 1010, устройство 940 управления активирует одну из муфт, соединяя один генератор с валом 915, блок 1015, и датчики считываются снова, блок 1005. Если скорость в любом заданном положении является слишком медленной, блок 1020, устройство управления расцепляет одну из муфт 940, отсоединяя один генератор, блок 1025, и датчики считываются снова, блок 1005. Если скорость подвижных препятствий не является ни слишком большой, ни слишком медленной, и подвижные препятствия не находятся в конце их перемещения, блок 1030, датчики снова считываются, блок 1005, и цикл продолжается. Если подвижные препятствия находятся в конце их перемещения, блок 1030, устройство 940 управления сбрасывается, блок 1035, и датчики снова считываются, блок 1005. Выполнение посредством команд и запросов на Фиг.10 продолжается бесконечно во время работы вариантов осуществления.
На Фиг.11А, 11В и 11С показан пример определяющего направление потока переключателя 1100. В по меньшей мере одном применении, определяющий направление потока переключатель 1100 может детектировать направление, в котором текучая среда протекает, и настраивать устройство для извлечения энергии соответствующим образом. В частности, переключатель 1100 может обеспечивать то, что устройство для извлечения энергии увеличивает до максимума количество энергии, извлеченной посредством регулирующихся участков устройства для извлечения энергии, и образует способность самоопределения для - например - изменений направления потока текучей среды во время изменения направления приливно-отливного потока.
Очевидно, что устройство на Фиг.7 могло бы быть модифицировано для того, чтобы иметь замедлители, расположенные таким образом, или модифицировано в активации, что препятствия 715 были бы способными накапливать энергию, переносимую в тоннелях посредством перемещающихся текучих сред на любом конце тоннеля - так как изменения прилива и отлива перемещают вход в тоннели с одного конца на другой. Такая или аналогичная модификация - совместно с Фиг.11А, 11В и 11С, позволяет автоматическую безостановочную работу по извлечению энергии из перемещающихся текучих сред, независимо от направления, например, приливно-отливного направления. Это также может быть достигнуто посредством размещения устройства на подобную железной дороге ротонду и оставления варианта выполнения, работающего однонаправленно, как показано и описано выше.
На Фиг.11A, 11В и 11С показано, что переключатель 1100 может включать в себя две лопатки 1105а и 1105b (вместе "лопатки 1105"). В по меньшей мере одном применении, лопатки 1105 ориентированы таким образом, что, когда одна лопатка подвергается воздействию протекающей текучей среды, другая лопатка оказывает минимальное сопротивление протекающей текучей среде. В частности, лопатки 1105 могут быть ориентированы перпендикулярно относительно друг друга таким образом, что одна лопатка подвергается воздействию потока текучей среды, тогда как другая лопатка располагается краем относительно потока текучей среды. На Фиг.11В показано, что, когда первая лопатка 1105а подвергается воздействию потока, вторая лопатка 1105b оказывает небольшое сопротивление потоку. На Фиг.11С показано, что, когда вторая лопатка 1105b подвергается воздействию потока, первая лопатка 1105а оказывает небольшое сопротивление потоку.
На Фиг.11A, 11В и 11С также показано, что переключатель 1100 может включать в себя вал 1110. В по меньшей мере одном применении, вал 1110 вращается посредством лопаток 1105, когда изменяется направление потока. В частности, лопатки 1105 прикреплены к валу 1110. Когда поток изменяет направление, вал 1110 вращается, изменяя ориентацию вала 1110. Специалисту в данной области должно быть понятно, что, если вал 1110 ограничен на вращении только на 90 градусов, то одна из лопаток 1105 будет всегда подвергаться воздействию потока, а другая будет всегда располагаться краем относительно потока.
На Фиг.11A, 11В и 11С показано, что переключатель 1100 может включать в себя два активирующих выступа 1115а и 1115b (вместе "активирующие выступы 1115"), прикрепленных к валу 1110. В по меньшей мере одном применении, активирующие выступы 1115 выполнены таким образом, что они могут определять, являются ли заслонки 355 в подвижном препятствии 310 открытыми или закрытыми, когда подвижное препятствие 310 побуждается перемещаться к переключателю 1100. В частности, если поток текучей среды имеет направление, показанное на Фиг.11В, то активирующий выступ 1115а будет вступать в контакт с плечом 1120а рычага, закрывая заслонки. В противоположность, если поток текучей среды имеет направление, показанное на Фиг.11С, то активирующий выступ 1115b будет вступать в контакт с плечом 1120b рычага, открывая заслонки.
Настоящее изобретение может быть выполнено в других конкретных формах, не отступая от его идеи или основных особенностей. Описанные варианты осуществления следует рассматривать во всех отношениях только в качестве иллюстративных и неограничивающих. Следовательно, объем изобретения задан прилагаемой формулой изобретения, а не вышеприведенным описанием. Все изменения, которые подпадают под значение и диапазон эквивалентности формулы изобретения, должны быть включены в пределы ее объема.