DE60315486T2

DE60315486T2 - Miniatur-wasserkraftenergieerzeugungssystem

Info

Publication number: DE60315486T2
Application number: DE60315486T
Authority: DE
Inventors: David W. Fennville BAARMAN; Terry Lee Nunica LAUTZENHEISER
Original assignee: Access Business Group International LLC
Current assignee: Access Business Group International LLC
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: CN101037984A; KR20050062610A; EP1549848A1; HK1108726A1; CN101037985A; HK1111752A1; ATE369491T1; JP4426453B2; KR100699115B1; CN100543295C; WO2004033898A1; AU2003277368A1; EP1549848B1; HK1087752A1; CN100416091C; CN100543296C; JP2006502344A; DE60315486D1; CN1723346A; JP5021696B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erzeugung elektrischer Leistung und insbesondere auf die Erzeugung von hydroelektrischer Leistung mit einem Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungssystem.
Hintergrund der Erfindung
Die Erzeugung von hydroelektrischer Leistung, bei der kinetische Energie aus fließendem, unter Druck stehendem Wasser gewonnen und zum Drehen eines Generators zur Generierung von elektrischer Leistung verwendet wird, ist bekannt. Zudem ist die Verwendung anderer unter Druck stehender Fluide wie Gas, Dampf, etc. zum Drehen eines Generators bekannt. Bei der Produktion von hydroelektrischer Leistung in großem Umfang unter Einsatz einer großflächigen Wasserquelle, wie eines Flusses oder Dammes, können unter Verwendung von Millionen von Litern fließendem Wasser Tausende Megawatt Leistung erzeugt werden. Die Umwandlung der kinetischen Energie des fließenden Wassers in elektrische Leistung kann an sich erhebliche Ineffizienzen beinhalten und dennoch ein ökonomisches und akzeptables Leistungsniveau bieten.
Mit abnehmender Größe der Anlagen zur Erzeugung hydroelektrischer Leistung sinkt auch die Menge der generierten elektrischen Leistung. Zudem nimmt die Menge des fließenden Wassers, aus dem kinetische Energie gewonnen werden kann, ab. Damit wird die Effizienz der Umwandlung der kinetischen Energie des Wasserstroms in elektrische Leistung bedeutsam. Bei zu vielen Ineffizienzen werden nur geringe Mengen kinetischer Energie aus dem unter Druck stehenden fließenden Wasser gewonnen. Infolgedessen sinkt die Menge der erzeugten elektrischen Leistung mit abnehmender Größe der Anlage zur Erzeugung hydroelektrischer Leistung.
Es gibt viele kleinformatige Systeme mit fließender, unter Druck stehender Flüssigkeit, für deren Betrieb elektrische Leistung erforderlich ist. Einige Beispiele hierfür sind Haushaltswasseraufbereitungssysteme, Automatik-Rohranlagen, Durchflusswächter, Wasserprüfausrüstung, etc.
Es gibt mehrere verschiedene Arten von Wasseraufbereitungssystemen mit einer Filtereinheit auf Kohlenstoffbasis und einer ultravioletten (UV) Lichteinheit zum Filtern und Dekontaminieren des Wassers, bevor dieses zum Verbrauch ausgegeben wird. Die Filtereinheit auf Kohlenstoffbasis verwendet ein inertes Material zum Herausfiltern von partikelförmigen und organischen Verunreinigungen. Die von der ultravioletten Lichteinheit abgegebene ultraviolette Strahlung wird zum Neutralisieren schädlicher, im Wasser befindlicher Mikroorganismen verwendet.
Um die ultraviolette Lichteinheit und jegliche anderen elektrische Leistung verbrauchenden Systeme, die sich im Wasseraufbereitungssystem befinden können, mit Energie zu versorgen, ist eine Energiequelle erforderlich. Herkömmliche Wasseraufbereitungssysteme verwenden Leistung aus einer üblichen Steckdose oder einer Batteriequelle zum Bereitstellen der zum Antreiben aller Komponen ten im Wasseraufbereitungssystem, einschließlich der ultravioletten Lichtquelle, benötigten Energie. Im Fall von Wasseraufbereitungssystemen, die von Steckdosen mit Energie versorgt werden, ist das System nur begrenzt tragbar und stellt den Betrieb ein, wenn eine Unterbrechung in der Energieversorgung aus der Steckdose vorliegt.
Aus Batteriequellen betriebene Wasseraufbereitungssysteme enthalten nur einen begrenzten Energievorrat, der durch den Betrieb oder das Lagern des Wasseraufbereitungssystems erschöpft wird. Zudem müssen Ersatzbatterien ohne weiteres verfügbar sein, um das Wasseraufbereitungssystem betriebsbereit zu halten. Falls eine längerfristige Batteriequelle gewünscht wird, sind größere Batterien erforderlich, die dem Wasseraufbereitungssystem beträchtlich mehr Gewicht und Größe verleihen können.
Einige bestehende Wasseraufbereitungssysteme können entweder übliche Steckdosen oder Batteriequellen verwenden, wenn die Batteriequelle durch die Steckdosen-Energiequelle wieder aufgefüllt werden kann. Zwar erfordern diese Wasseraufbereitungssysteme keine Ersatzbatterien, doch geben die Kapazität und Größe der Batterien die Betriebsdauer des Wasseraufbereitungssystems vor, während es mit der Batteriequelle betrieben wird. Auch muss regelmäßig eine Steckdosenquelle eingesetzt werden, um die Batterien aufzufüllen. Zudem erfordern diese Wasseraufbereitungssysteme zusätzliche elektrische Schaltkreise und Bauteile, um aus den zwei verschiedenen Energiequellen betrieben zu werden.
Automatik-Rohranlagen wie Toilettenventile und Wasserhähne können ein elektrisch betriebenes Ventil und einen Sensor beinhalten. Der Sensor kann die Anwesenheit eines Nutzers der Rohranlage er fassen und das elektrisch betriebene Ventil betätigen, einen Wasserstrom als Reaktion bereitzustellen. Sowohl das elektrisch betriebene Ventil als auch der Sensor benötigen für ihren Betrieb elektrische Leistung. Die Leistung lässt sich durch Verlegen eines elektrischen Kabels von einem Verteilerschrank zur Automatik-Rohranlage erhalten. Wenn die Automatik-Rohranlage in einem bestehenden Gebäude installiert ist, kann das Installieren eines Verteilerschranks und/oder eines elektrischen Kabels kostenintensiv, zeitaufwändig und schwierig sein.
US 5 349 985 offenbart ein Wasserkraftenergieerzeugungssystem mit einem Gehäuse, das eine Mehrzahl von Schaufeln umfasst, die im Allgemeinen konkav und derart angeordnet sind, um sich von einer äußeren Oberfläche eines Gehäuses zu erstrecken, und mit einem elektrischen Generator zum Generieren von elektrischer Leistung. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem von US 5 349 985 umfasst einen Rotor und einen Stator, wobei sich der Rotor innerhalb des Stators dreht.
Aus den vorgenannten Gründen besteht ein Bedarf an einer Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungsausrüstung, die klein genug ist, um in ein System wie ein Wasseraufbereitungssystem, eine Automatik-Rohranlage, etc. zu passen, und die imstande ist, effizient genug zu arbeiten, um ausreichend Leistung für den Betrieb des Systems zu generieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungssystem, das die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme überwindet. Die Ausführungsformen des Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungssystems sind imstande, auf effiziente Weise ausreichend Leistung zu erzeugen, um durch Rotation bei hoher Drehzahl (UpM bzw. Umdrehungen pro Minute), wie über 5000 UpM, elektrische Vorrichtungen zu betreiben. Ein Betrieb bei hohen UpM zum Generieren elektrischer Leistung ist aufgrund der Minimierung von Verlusten und der Maximierung der Umsetzung der kinetischen Energie einer strömenden Flüssigkeit in Rotationsenergie möglich.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Wasserkraftenergieerzeugungssystem vor mit: einem Gehäuse mit einer Mehrzahl von Schaufeln, die im Allgemeinen konkav und derart angeordnet sind, um sich nach außen von einer äußeren Oberfläche des Gehäuses zu erstrecken; einer Düse, derart eingerichtet, einen Flüssigkeitsstrom auf die Schaufeln zu richten, um eine Drehung des Gehäuses herbei zu führen; eine Zentrierungsstange, die sich durch das Gehäuse erstreckt, wobei das Gehäuse drehbar um die Zentrierungsstange als Antwort auf die auf die Schaufeln treffende Flüssigkeit ist; und einem elektrischen Generator, wobei der elektrische Generator einen Stator, der mit der Zentrierungsstange gekoppelt ist, und einen Rotor, der mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses gekoppelt ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei sich der Rotor um den Stator dreht, wenn sich das Gehäuse dreht, um elektrische Leistung zu erzeugen.
In einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Energie mit einem Wasserkraftenergieerzeugungssystem vor, wobei das Verfahren enthält: Beschleunigen der Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsstroms mit einer Düse; Entladen des Flüssigkeitsstroms aus der Düse durch einen Luftraum, um eine Mehrzahl an Schaufeln zu treffen, wobei die Schaufeln im Allgemeinen konkav sind und sich nach außen senkrecht zu einer äußeren Oberfläche eines Gehäuses erstrecken; Übertragen der kinetischen Energie des Flüssigkeitsstroms in Rotationsenergie des Gehäuses; Herbeiführen einer Rotation des Gehäuses und eines mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses gekoppelten Dauermagnets, durch den Flüssigkeitsstrom; gekennzeichnet durch Drehen des Dauermagneten um einen Stator, der nicht drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist; und Erzeugen von elektrischer Leistung mit dem Rotor und Stator.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in Anbetracht der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen ersichtlich. Die vorstehende Erörterung sollte nur als Einführung dienen. Nichts in diesem Abschnitt sollte als beschränkend für die nachfolgenden Ansprüche aufgefasst werden, die den Umfang der Erfindung definieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht ein Wasseraufbereitungssystem, das mit einer Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems gekoppelt ist.
2 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der in 1 veranschaulichten Düse.
3 veranschaulicht das in 1 veranschaulichte Wasseraufbereitungssystem und Wasserkraftenergieerzeugungssystem um 90° gedreht, wobei ein Bereich des Wasserkraftenergieerzeugungssystems abgeschnitten ist.
4 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems.
5 veranschaulicht einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 durch die in 4 veranschaulichte Düse.
6 veranschaulicht das in 4 veranschaulichte Wasserkraftenergieerzeugungssystem um 90° gedreht, wobei ein Bereich des Wasserkraftenergieerzeugungssystems abgeschnitten ist.
7 stellt eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des mit dem Wasseraufbereitungssystem gekoppelten Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
8 stellt eine Draufsicht auf die in 7 veranschaulichte Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar, wobei ein Bereich des Statorgehäuses abgeschnitten ist.
9 stellt eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
10 stellt eine Querschnittsansicht eines Bereichs des Wasserkraftenergieerzeugungssystems aus 9 dar.
11 stellt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
12 stellt eine Endansicht einer in 11 veranschaulichten Düse dar.
13 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 13-13 der in 12 veranschaulichten Düse dar.
14 stellt eine andere Querschnittsansicht entlang der Linie 14-14 der in 12 veranschaulichten Düse dar.
15 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 15-15 eines Bereichs eines Außengehäuses des in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
16 stellt eine Seitenansicht des in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystems mit einem entfernten Innengehäuse dar.
17 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 17-17 eines Bodenbereichs des Außengehäuses des in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieeerzeugungssystems dar.
18 stellt eine perspektivische Explosionsansicht eines in dem in 11 veranschaulichten Waserkraftenergieerzeugungssystem enthaltenen Innengehäuses dar.
19 stellt eine perspektivische Ansicht einer in dem in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystem enthaltenen Schaufel dar.
20 stellt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 20-20 der in 19 veranschaulichten Schaufel dar.
21 stellt eine perspektivische Ansicht eines Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar, das eine Rohranlage beinhaltet.
22 stellt eine Querschnittsseitenansicht der in 21 veranschaulichten Rohranlage dar.
23 stellt ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines in der Rohranlage aus 22 beinhalteten Leistungsstellers dar.
24 stellt ein schematisches Diagramm eines anderen Beispiels eines in der Rohranlage aus 22 beinhalteten Leistungsstellers dar.
25 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm, das den Betrieb des Wasserkraftenergieerzeugungssystems in der Rohranlage aus den 21 bis 24 veranschaulicht.
26 stellt eine teilweise im Querschnitt gezeigte Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
27 stellt eine andere Querschnittsseitenansicht des Wasserkraftenergieerzeugungssystems aus 26 dar.
Ausführliche Beschreibung der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf konkrete Ausgestaltungen dargelegt, und Fachleute würden erkennen, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen der konkreten Ausgestaltungen möglich sind, die im Rahmen der Ansprüche liegen. Die vorliegend bevorzugten Ausführungsformen können mit jeglichem System verwendet werden, das eine Leistungsversorgung erfordert und einen Wasserstrom umfasst; jedoch sind die Ausführungsformen für Systeme wie ein Wasseraufbereitungssystem für die Verwendung im Wohnbereich oder für tragbare Anwendungen, für Rohranlagen, etc. vorgesehen. Fachleute würden auch erkennen, dass die Ausführungsformen mit anderen Flüssigkeiten als Wasser verwendet werden könnten, und die Verwendung des Begriffs "Wasser" und "hydro-" sollte nicht beschränkend ausgelegt werden.
1 ist eine Seitenansicht eines Wasseraufbereitungssystems 10, das mit einem bevorzugten Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 verbunden ist. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 eine Düse 14, ein Gehäuse 16, ein Antriebsrad 18 und einen Gehäuseauslass 20. Die Düse 14 ist mit dem Wasseraufbereitungssystem 10 durch einen Schacht 22 gekoppelt. Der Schacht 22 kann aus PVC-Kunststoff oder einem ähnlichen Material gebildet und mit der Düse 14 durch eine Gewindeverbindung, Reibschluss oder irgendeinen anderen ähnlichen Verbindungsmechanismus gekoppelt sein.
Während des Betriebs fließt unter Druck stehendes Wasser vom Wasseraufbereitungssystem 10 in das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 über die Düse 14, wie durch den Pfeil 24 veranschaulicht. Die Düse 14 ist mit dem Gehäuse 16 derart gekoppelt, dass Wasser durch die Düse 14 fließt und durch das Gehäuse 16 zum Gehäuseauslass 20 getrieben wird. In alternativen Ausführungsformen kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 innerhalb des Wasseraufbereitungssystems 10 oder so positioniert sein, dass es einen Vorrat an unter Druck stehendem Wasser erhält, bevor das Wasser in das Wasseraufbereitungssystem 10 eintritt.
2 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Düse 14. Die bevorzugte Düse 14 ist eine Schalldüse, die die Geschwindigkeit des durch sie hindurchfließenden, unter Druck stehenden Wassers erhöht. In dieser Ausführungsform ist die Düse 14 imstande, die Geschwindigkeit des Wassers auf eine Unterschallgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Düse 14 ist aus Edelstahl oder aus irgendeinem anderen ähnlichen steifen Material gebildet und beinhaltet einen Düseneinlass 26 und einen Düsenauslass 28. Der Düseneinlass 26 ist mit dem Wasseraufbereitungssystem 16 gekoppelt, wie vorstehend erörtert. Der Düsenauslass 28 ist mit dem Gehäuse 16 durch Reibschluss, eine Schnappverbindung, eine Gewindeverbindung oder einen anderen ähnlichen Kopplungsmechanismus gekoppelt, der imstande ist, eine wasserdichte Verbindung dazwischen zu bilden. Die Düse 14 kann das Gehäuse 16 an irgendeiner Stelle durchdringen, die für eine passende Ausrichtung der Düse 14 mit dem Antriebsrad 18 sorgt, wie nachstehend erörtert wird.
Die Düse 14 beinhaltet einen Durchgang 30, der für das Hindurchfließen von Wasser sorgt. Der Durchgang 30 ist so gebildet, dass er ein erster vorbestimmter Durchmesser 32 am Düseneinlass 26 und ein zweiter vorbestimmter Durchmesser 34 am Düsenauslass 28 ist. In dieser Ausführungsform beträgt der zweite vorbestimmte Durchmesser 34 etwa 26% des ersten vorbestimmten Durchmessers 32. Der Durchlass 30 bleibt für eine vorbestimmte Länge der Düse 14 der erste vorbestimmte Durchmesser 32. Der übrige Teil des Durchgangs 30 ist durch ein gleichförmiges Verjüngen des Durchgangs 30 auf den zweiten vorbestimmten Durchmesser 34 kegelförmig. In dieser Ausführungsform verjüngt sich der Durchgang 30 der Düse 14 mit einem Winkel von ca. 18° zwischen dem ersten vorbestimmten Durchmesser 32 und dem zweiten vorbestimmten Durchmesser 34.
Die Ausgestaltung des Durchgangs 30 bestimmt die Geschwindigkeit des aus der Düse 14 austretenden Wassers. Zudem hängt die Geschwindigkeit des Wassers am Düsenauslass 28 vom Druck der Wasserquelle und dem Gegendruck stromabwärts der Düse 14 ab. Ein wünschenswerter vorbestimmter Geschwindigkeitsbereich am Düsenauslass 28 kann unter Verwendung eines vom Wasseraufbereitungssystem 10 (in 1 veranschaulicht) am Düseneinlass 26 bereitgestellten erwarteten Druckbereichs bestimmt werden. Beispielsweise liegt in einem Haushaltwassersystem der Druck der Wasserversorgung in einem Bereich von etwa 20 bis 60 Pfund pro Quadratzoll (psi von engl. pounds per square inch). Der Durchgang 30 stellt auch einen kontinuierlichen und gleichförmigen Wasserstrom am Düsenauslass 28 bereit. Während des Betriebs fließt durch die Düse 14 strömendes Wasser innerhalb eines vorbestimmten Geschwindigkeitsbereichs und mit einer vorbestimmten Trajektorie bzw. Bahn in das Gehäuse 16.
Nun wird erneut Bezug auf 1 genommen, in der das Gehäuse 16 einen Schacht bildet, der aus Plastik oder irgendeinem anderen ähnlichen wasserfesten Material gebildet sein kann, welches imstande ist, einen steifen Durchgang für Wasser zu bilden. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Gehäuse 16 einen durchsichtigen Bereich, wie in 1 veranschaulicht, um einen Blick in das Innere des Gehäuses 16 zu gestatten. Das Gehäuse 16 ist gebildet, das Antriebsrad 18 zu umfassen, das in Strömungsverbindung mit dem Wasser steht, wenn das Wasser nach dem Austreten aus dem Düsenauslass 28 durch das Gehäuse 16 fließt.
Das Antriebsrad 18 beinhaltet eine Mehrzahl von Schaufeln 42, die fest an einer Nabe 44 befestigt sind. Die Schaufeln 42 sind derart in dem Gehäuse 16 positioniert, dass aus der Düse 14 fließendes Wasser mit einem vorbestimmten Winkel auf die Schaufeln 42 des Antriebsrads 18 auftrifft. Der vorbestimmte Winkel wird basierend auf dem erwarteten Druck des Wassers am Düseneinlass 26, dem Gegendruck am Düsenauslass 28 und den gewünschten Umdrehungen pro Minute (UpM) des Antriebsrads 18 bestimmt. Während des Betriebs wirkt das fließende Wasser auf das Antriebsrad 18 und veranlasst es, sich in einer einzigen Richtung innerhalb des Gehäuses 16 zu drehen. Wie im Einzelnen nachfolgend erörtert wird, wandelt diese Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, wenn sich das Antriebsrad 18 dreht, die Energie des fließenden Wassers in Rotationsenergie um, die dann in Elektrizität umgewandelt wird. In dieser Ausführungsform ist das Antriebsrad 18 in dem durch das Gehäuse 16 fließenden Wasser versenkt.
3 veranschaulicht die in 1 abgebildete Ausführungsform um 90° gedreht, wobei ein Bereich des Gehäuses 16 abgeschnitten ist. Wie veranschaulicht, ist das Antriebsrad 18 durch einen sich längs erstreckenden Schaft 48 koaxial an einem Generator 46 befestigt. Der Schaft 48 kann aus Edelstahl oder einem anderen ähnlichen steifen Material bestehen, das mit dem Antriebsrad 18 fest gekoppelt ist. Die Nabe 44 des Antriebsrads 18 ist mit einem Ende des Schafts 48 koaxial gekoppelt und ein Generatorschaft 50, der Teil des Generators 46 ist, ist koaxial mit dem anderen Ende gekoppelt. Die starre Kopplung des Schafts 48 mit dem Antriebsrad 18 und dem Generator 46 kann durch Verschweißen, Presspassung oder eine andere ähnliche steife Verbindung herbeigeführt werden.
Der drehbare Schaft 48 erstreckt sich derart in Längsrichtung, dass er in das Gehäuse 16 durch eine aus Gummi oder einem anderen ähnlichen Material hergestellte wasserdichte Dichtung 52 eindringt. Die wasserdichte Dichtung 52 ist mit dem Gehäuse 16 gekoppelt und ist gebildet, um es dem Schaft 48 zu erlauben, sich frei zu drehen, ohne dass Wasser aus dem Inneren des Gehäuses 16 austritt. Der Schaft 48 erstreckt sich in Längsrichtung zum Generator 46, der angrenzend an das Gehäuse 16 positioniert ist. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, kann die äußere Oberfläche des Generators 46 mit dem Gehäuse 16 gekoppelt sein, und zwar beispielsweise durch Muttern und Schrauben, Nieten oder einen anderen ähnlichen Mechanismus, der imstande ist, das Gehäuse 16 und den Generator 46 fest zu koppeln.
Wenn während des Betriebs Wasser durch das Gehäuse 16 fließt und sich das Antriebsrad 18 dreht, drehen sich die Schäfte 48, 50 entsprechend, was dazu führt, dass Elektrizität vom Generator 46 generiert wird. In einer alternativen Ausführungsform wird anstelle des Schafts 48 ein magnetischer Koppler (nicht gezeigt) verwendet, so dass es nicht länger notwendig ist, das Gehäuse 16 zu durchdringen. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Antriebsrad 18 Magneten mit einer ausreichenden Magnetstärke, um mit anderen ähnlichen Magneten, die an dem Generatorschaft 50 außerhalb des Gehäuses 16 positioniert sind, fest gekoppelt zu werden. Während des Betriebs, wenn sich das Antriebsrad 18 dreht, führt die magnetische Anziehung der am Antriebsrad ausgerichteten Magnete und der am Generatorschaft 50 ausgerichteten Magnete zu einer Drehung des Generatorschafts 50, wodurch vom Generator 46 Elektrizität erzeugt wird.
In dieser Ausführungsform kann der Generator 46 ein Dauermagnetgenerator sein, der imstande ist, Wechselstrom (AC) zu erzeugen. Der Wechselstrom (AC) kann gleichgerichtet werden, um Gleichstrom (DC) zu generieren. In einer alternativen Ausführungsform kann der Generator 46 imstande sein, sowohl AC- als auch DC-Strom zu erzeugen. Die Elektrizität wird von dem Generator 46 durch eine Mehrzahl von Leitern 54 übertragen, bei denen es sich um Drähte, Busse oder ähnliche Materialien handeln kann, die imstande sind, Elektrizität zu führen. Der Spannungspegel der generierten Elektrizität ist eine Funktion der Umdrehungszahl pro Minute des Antriebsrads 18. Wie vorstehend erörtert, kann die Geschwindigkeit des aus der Düse 14 strömenden Wassers innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gestaltet werden, wodurch die Spannungsausgabe der durch den Generator 46 erzeugten Elektrizität gesteuert wird.
Der durch diese Ausführungsform generierte Wechselstrom oder gleichgerichtete Gleichstrom kann dazu verwendet werden, das Wasseraufbereitungssystem 10 mit Strom zu versorgen, und kann auch dazu verwendet werden, eine Energiespeichervorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Batterie oder Kondensatoren, zu laden. Die Drehung des Antriebsrads 18 oder die Dauer der generierten Energie können auch einen Mechanismus für strömungsbasierte Messungen, wie Flussraten oder der Menge Wasser, die durch das Wasseraufbereitungssystem 10 geflossen ist, bereitstellen. Die Drehung des Antriebsrads 18 oder die Dauer der generierten Elektrizität können mit der elektromagnetischen Gegenkraft (EMF) des Generators 46 kombiniert werden, um die strömungsbasierten Messungen bereitzustellen. Fachleute würden erkennen, dass das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 neben dem Wasseraufbereitungssystem 10 auch in anderen Systemen verwendet werden kann.
4 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12. Diese Ausführungsform ist auf ähnliche Weise mit dem Wasseraufbereitungssystem 10 gekoppelt wie in der in 1 veranschaulichten Ausführungsform und beinhaltet eine Düse 14, ein Gehäuse 16, ein Antriebsrad 18 und einen Gehäuseauslass 20. Ähnlich wie in der zuvor erörterten Ausführungsform, stellt die Düse 14 Wasser mit hoher Geschwindigkeit bereit, das auf das drehbare Antriebsrad 18 gerichtet wird. Jedoch ist in dieser Ausführungsform das Antriebsrad 18 während des Betriebs nicht in dem Wasser innerhalb des Gehäuses 16 versenkt. Das Wasser aus der Düse 14 bildet als solches einen Strom, der auf das Antriebsrad 18 gerichtet wird.
Die Düse 14 kann, ähnlich wie die zuvor erörterte, in 2 veranschaulichte Düse 14, eine Schalldüse sein. Die Düse 14 durchdringt das Gehäuse 16 und ist durch eine Montageplatte 56 damit gekoppelt. Die Montageplatte 56 ist benachbart positioniert und berührt die äußere Oberfläche des Gehäuses 16. Fachleute würden erkennen, dass es andere Verfahren gibt, die zum Koppeln der Düse 14 mit dem Gehäuse 16 verwendet werden könnten.
5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch die Düse 14, die in der Montageplatte 56 dieser Ausführungsform angebracht ist. Die Montageplatte 56 beinhaltet eine längslaufende Aussparung 58 und ein Paar Ösen 60, die eine Einstellung der Düse 14 auf eine optimale Position bezüglich des Antriebsrads 18 erlauben. In dieser Ausführungsform kann die Düse 14 fest an dem Gehäuse 16 angebracht sein, wenn die optimale Position durch Einsetzen von Gewindeschrauben in die Ösen 60 erzielt wird. In alternativen Ausführungsformen stellt die Montageplatte 56 eine einzige vorbestimmte gewünschte Position der Düse 14 bereit, wenn die Befestigungseinrichtungen, wie beispielsweise Gewindeschrauben, Nieten oder Stifte, die Montageplatte 56 fest auf dem Gehäuse 16 anbringen.
Nun wird wieder auf 4 Bezug genommen, in der die gewünschte Position der Düse 14 derart ist, dass die Düse 14 sich in Längsrichtung in das Gehäuse 16 erstreckt. Das Gehäuse 16 dieser Ausführungsform beinhaltet einen Gehäusehohlraum 62, der durch die Innenwände des Gehäuses 16, wie in 4 veranschaulicht, begrenzt wird. Der Gehäusehohlraum 62 ist ein Luftraum, der das darin positionierte Antriebsrad 18 beinhaltet. Während des Betriebs wird Wasser aus der Düse 14 mit einer vorbestimmten Bahn in den Gehäusehohlraum 62 abgegeben, um das Antriebsrad 18 in einem vorbestimmten Winkel zu treffen. Der vorbestimmte Winkel basiert auf der gewünschten UPM des Antriebsrads 18 und dem Druckbereich des der Düse 14 von dem Wasseraufbereitungssystem 10 zugeführten Wassers. Der auf Zusammenwirken ausgelegte Betrieb der Düse 14 und des Antriebsrads 18 ist nicht auf einen Betrieb mit unter Druck stehendem Wasser beschränkt, und andere Fluide, wie beispielsweise Luft, könnten analog eingesetzt werden.
Wie ferner in 4 veranschaulicht, beinhaltet das Antriebsrad 18 eine Mehrzahl von Blättern 64. Jedes der Blätter 64 dieser Ausführungsform ist an einem Ende fest mit einer Antriebsradnabe 66 gekoppelt und beinhaltet eine am gegenüberliegenden Ende gebildete Schaufel 68. Die Antriebsradnabe 66 ist fest mit einem Schaft 48 gekoppelt, wie in den zuvor erörterten Ausführungsformen. Fachleute würden erkennen, dass die Anzahl der Blätter 64 und die Größe des Antriebsrads 18 je nach Anwendung variieren könnten.
6 veranschaulicht die in 5 veranschaulichte Ausführungsform eines Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 um 90° gedreht, wobei ein Bereich des Gehäuses 16 zu Zwecken der Veranschaulichung abgeschnitten ist. Wie veranschaulicht, umfasst das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 das Gehäuse 16, das wie in den zuvor erörterten Ausführungsformen mit dem Generator 46 mit dem Schaft 48 gekoppelt ist. Zudem erstreckt sich der drehbare Schaft 48 in Längsrichtung von dem Antriebsrad 18 durch die wasserdichte Dichtung 52 in den Generator 46. In einer alternativen Ausführungsform könnte der Schaft 48 mit einem magnetischen Koppler, wie zuvor beschrieben, modifiziert sein, wodurch das Durchdringen des Gehäuses 16 und die wasserdichte Dichtung 52 entfallen. Wie veranschaulicht, positioniert der Schaft 48 das Antriebsrad 18 drehbar im Luftraum innerhalb des Gehäusehohlraums 62, wodurch sich die Schaufeln 68 um den Schaft 48 drehen.
Wie in 6 veranschaulicht, ist jede der Schaufeln 68 dieser Ausführungsform parabelförmig mit einer Aussparung 70 ausgebildet. Die Parabelform der Schaufeln 68 sorgt für eine einheitliche Aufnahme der Energie, die in dem aus der Düse 14 (in 5 veranschaulicht) abgegebenen Wasser enthalten ist. Die Aussparungen 70 erlauben es der Energie des abgegebenen Wassers, während des Drehens des Antriebsrades 18 zur nächsten Schaufel 68 überzutreten. Das vorübergehende Übertreten der Energie des abgegebenen Wassers zur nächsten Schaufel 68 maximiert die Effizienz des Energietransfers vom Wasser zum Antriebsrad 18. In alternativen Ausführungsformen könnten die Blätter 64 in anderen Formen und Ausgestaltungen ausgebildet sein, die dem effizienten Transfer von Energie anderer aus der Düse 14 abgegebener Fluide förderlich sind. Beispielsweise könnten die Blätter 64, wenn es sich bei dem Fluid um Luft handelt, als Leitschaufeln bzw. -bleche, Flügel bzw. Finnen oder als eine andere ähnliche Struktur ausgebildet sein, die in der Lage ist, die Energie von der fließenden Luft in die Drehung des Antriebsrades 18 umzusetzen.
Während des Betriebs, nachdem der Wasserstrom mit einem vorbestimmten Winkel auf das Antriebsrad 18 aufgetroffen ist, fällt das Wasser mittels Schwerkraft, wie durch den Pfeil 72 angedeutet, hin zum Gehäuseauslass 20. Als solches sammelt sich das Wasser am Gehäuseauslass 20 und wird dadurch aus dem Gehäuse 16 herauskanalisiert. Da das Antriebsrad 18 nicht in dem Wasser versenkt ist, wird der Großteil der vom Wasserstrom auf das Antriebsrad 18 transferierten Energie dem Schaft 48 als Drehkraft zur Verfügung gestellt.
Die Drehung des Schafts 48 bewirkt eine Drehung eines Bereichs des Generators 46. Eine Ausführungsform des Generators umfasst einen Rotor 76, einen ersten Stator 78 und einen zweiten Stator 80, die innerhalb eines Generatorgehäuses 82 positioniert sind. Der Rotor 76 ist fest mit dem Schaft 48 gekoppelt und dreht sich mit diesem. Der erste und der zweite Stator 78, 80 sind fest mit dem Generatorgehäuse 82 gekoppelt und umgeben den Schaft 48 in Umfangsrichtung. Der Rotor 76 ist zwischen dem ersten und zweiten Stator 78, 80 positioniert, um den Generator 46 zu bilden.
Der Rotor 76 dieser Ausführungsform kann die Form einer Scheibe mit einer Mehrzahl von Dauermagneten 84 aufweisen. Die Dauermagneten 84 sind einheitlich an vorbestimmten Positionen innerhalb des Rotors 76 platziert, um mit dem ersten und dem zweiten Stator 78, 80 betriebsmäßig zusammenzuwirken. Der erste und der zweite Stator 78, 80 können in dieser Ausführungsform jeweils auch Scheiben mit einer Mehrzahl von Spulen 86 bilden. Die Spulen 86 sind einheitlich innerhalb des ersten und des zweiten Stators 78, 80 positioniert, um betriebsmäßig mit den Dauermagneten 84 zusammenzuwirken. Die Spulen 86 können elektrisch verbunden sein, um eine oder mehrere Wicklungen zu bilden, die zum Erzeugen von Elektrizität betreibbar sind. Die Anzahl von Polen und die Ausgestaltung des ersten und des zweiten Stators 78, 80 hängen von einer Reihe von Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehören: die Stärke des durch die Dauermagneten 84 und die elektromagnetische Gegenkraft EMF gebildeten Gausschen Feldes sowie die gewünschte UPM und die gewünschte Leistungsausgabe des Generators 46.
In dieser Ausführungsform bewirkt die Drehung des Rotors 76 einen magnetischen Fluss, der durch die Dauermagneten 84 erzeugt wird, so dass diese sich auf ähnliche Weise drehen und dabei Elektrizität im ersten und zweiten Stator 78, 80 generieren. Der Rotor 76 und der erste und zweite Stator 78, 80 wirken betriebsmäßig zusammen, um Wechselstrom (AC) zu erzeugen. Der AC kann durch den Generator 46 gleichgerichtet und stabilisiert werden, um sowohl AC als auch Gleichstrom (DC) zu liefern. In einer alternativen Ausführungsform können die Dauermagneten 84 auf dem ersten und dem zweiten Stator 78, 80 derart angeordnet sein, dass der Generator 46 zum Erzeugen von Gleichstrom (DC) betreibbar ist. In einer anderen alternativen Ausführungsform ähnelt der Generator 46 dem mit Bezug auf 3 erörterten Generator 46.
Während des Betriebs kann dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 von dem Wasseraufbereitungssystem 10 (in 1 veranschaulicht) unter Druck stehendes Wasser zugeführt werden. Wie in den vorangehenden Ausführungsformen, können alternative Ausführungsformen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 dem Wasseraufbereitungssystem 10 Wasser zuführen oder innerhalb des Wasseraufbereitungssystems 10 positioniert sein. In dieser Ausführungsform wird der Düse 14 Wasser von dem Wasseraufbereitungssystem 10 zugeführt, wie vorstehend erörtert.
Unter Druck stehendes Wasser fließt durch die Düse 14 und entleert sich mit hoher Geschwindigkeit in den Gehäusehohlraum 62, wobei es die Schaufeln 68 auf dem Antriebsrad 18 mit einem vorbestimmten Anströmwinkel trifft. Wenn das Wasser die Schaufeln 68 trifft, wird die Energie des abgegebenen Wassers auf das Antriebsrad 18 übertragen, was eine Drehung in einer einzigen Richtung bewirkt. Während sich das Antriebsrad 18 dreht, strömt auch ein Teil des abgegebenen Wasserstroms durch die Aussparungen 70 und trifft eine andere der Schaufeln 68 am Antriebsrad 18. Nach der Kollision des Wassers mit den Schaufeln 68 und dem damit einhergehenden Energietransfer fällt das Wasser mittels Schwerkraft zum Gehäuseauslass 20 und fließt aus dem Gehäuse 16. Dementsprechend bleibt der Gehäusehohlraum 62 während des Betriebs ein Luftraum und wird während des Betriebs nicht vollständig mit Wasser gefüllt.
Das Drehen des Antriebsrads 18 bewirkt ein Drehen des Schafts 48, wodurch der Rotor 76 des Generators 46 gedreht wird. In dieser Ausführungsform dreht sich der Rotor 76 mit etwa 2400 Umdrehungen pro Minute (UpM). Das Drehen des Rotors 76 veranlasst die Erzeugung von Elektrizität, die dem Wasseraufbereitungssystem 10 zugeführt wird. Wie vorstehend erörtert, basiert der Bereich des von dem Generator 46 erzeugten Spannungspegels auf dem Geschwindigkeitsbereich des durch die Düse 14 fließenden Wassers. Demgemäß lässt sich der Spannungsbereich des Generators durch Auswählen eines vorbestimmten Geschwindigkeitsbereichs für das durch die Düse 14 fließende Wasser auswählen.
7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das bevorzugt mit dem Wasseraufbereitungssystem 10 gekoppelt ist. Wie veranschaulicht, umfasst das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ein Rotorgehäuse 102 und ein Statorgehäuse 104. Das Rotorgehäuse 102 bildet einen Schacht, der aus Plastik oder einem anderen ähnlichen steifen Material bestehen kann und einen Einlass 106 und einen Auslass 108 beinhaltet. Während des Betriebs nimmt der Einlass 106 das fließende Wasser auf, wie durch den Pfeil 110 veranschaulicht, und der Auslass 108 kanalisiert das fließende Wasser zum Wasseraufbereitungssystem 10. In alternativen Ausführungs formen kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 innerhalb des Wasseraufbereitungssystems 10 positioniert sein oder so positioniert sein, dass es aus dem Wasseraufbereitungssystem 10 ausströmendes Wasser aufnimmt. Wie vorstehend erörtert, kann der Strom von Wasser durch das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 durch das Wasseraufbereitungssystem 10 gesteuert werden.
Wie in 7 veranschaulicht, enthält das Rotorgehäuse 102 einen Rotor 112, und das Statorgehäuse 104 enthält einen Stator 114. Der Rotor 112 dieser Ausführungsform kann ein zwölfpoliger Dauermagnetrotor mit sechs Nord-/Südpolkombinationen sein. Wie im Einzelnen nachstehend dargelegt, kann es sich bei dem Stator 114 dieser Ausführungsform um einen kreisförmigen Ring handeln, der mit acht Nord-/Südpolkombinationen ausgebildet ist. Der Rotor 112 und der Stator 114 wirken zusammen, um während des Betriebs Elektrizität zu erzeugen. Wie in der Technik bekannt, enthält ein Stator eine stationäre Wicklung, die ausgestaltet sein kann, um abhängig von der Stärke der am Ausgang benötigten Spannung irgendeine Anzahl von Polen zu enthalten. Die Anzahl von Polen der in der vorliegenden Ausführungsform offenbarten Wicklung sollte nicht als beschränkend für die vorliegende Erfindung ausgelegt werden.
8 stellt eine Draufsicht auf die in 7 abgebildete Ausführungsform dar, wobei der obere Bereich des Statorgehäuses 104 zum Zwecke der Veranschaulichung abgeschnitten ist. Der Stator 114 ist fest im Statorgehäuse 104 positioniert, um das Rotorgehäuse 102 umfangsmäßig zu umgeben. Der Stator 114 beinhaltet einen Kern 116, eine Mehrzahl von Schenkelpolen 118 und eine Mehrzahl von Spulen 120. Der Kern 116 kann aus Eisen, Stahl oder einem anderen ähnlichen Material bestehen und ist ausgebildet, die Schenkelpole 118 zu beinhalten. In dieser Ausführungsform können acht Schenkelpole 118 vorliegen, die jeweils von Spulen 120 umgeben sind.
Die Schenkelpole 118 sind derart auf dem Stator 114 gebildet, dass sie das Rotorgehäuse 102 umfangsmäßig umgeben. Jeder der Schenkelpole 118 beinhaltet ein geformtes Ende, das in der Technik als Polschuh 122 bekannt ist. Die Polschuhe 122 befinden sich angrenzend an das Rotorgehäuse 102. Die Polschuhe 122 führen einen vom Rotor 112 gebildeten konstanten Magnetfluss durch die Spulen 120. Die Spulen 120 können aus Draht oder aus einem anderen ähnlichen Material sein, das fähig ist, Elektrizität zu führen und um die Schenkelpole 118 herumgewickelt zu werden. Obwohl dies nicht dargestellt ist, sind die Spulen 120 elektrisch verbunden, um die Wicklung zu bilden. Wie in der Technik bekannt, wird die für jede Spule 120 verwendete Anzahl von Windungen des Drahts durch die Spannungs- und Energieerfordernisse, die Mindest- und Höchstdrehzahl des Rotors 112, den maximal zulässigen Gegendruck, die erforderliche Induktivität und die magnetische Feldstärke in Gauss bestimmt.
Nun wird erneut auf 7 Bezug genommen, in der der Stator 114 quer positioniert ist, senkrecht zur Mittenachse des Rotorgehäuses 102. Da der Stator 114 außerhalb des Rotorgehäuses 102 positioniert ist, ist er von einer Strömungsverbindung mit dem innerhalb des Rotorgehäuses 102 fließenden Wasser isoliert. Das Statorgehäuse 104 ist fest mit dem Rotorgehäuse 102 gekoppelt und sorgt dadurch für eine vorbestimmte Position des Stators 114 am Rotorgehäuse 102. In dieser Ausführungsform ist das Statorgehäuse 104 durch Reibschluss mit der äußeren Oberfläche des Rotorgehäuses 102 gekoppelt. Fachleute würden erkennen, dass verschiedene andere Arten der Kopplung des Rotorgehäuses 102 und des Statorgehäuses 104 existieren.
In dieser Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 beinhaltet der Rotor 112 einen Dauermagneten 124, der aus Metall, gesintertem Metall, extrudiertem Metall, gespritztem Plastikmaterial oder Keramikmaterial gebildet sein kann. Der Dauermagnet 124 bildet einen konstanten Magnetfluss und ist mit einem Rotorschaft 126 gekoppelt. Der Rotorschaft 126, der drehbar ist, erstreckt sich in Längsrichtung von gegenüberliegenden Enden des Dauermagneten 124 und kann aus Edelstahl oder einem anderen steifen, korrosionsbeständigen Material bestehen. Der Dauermagnet 124 ist mit seiner Mittenachse koaxial mit dem Rotorschaft 126 ausgebildet. Die äußere Oberfläche des Dauermagneten 124 kann stromlinienförmig ausgebildet sein, um mindestens ein Rotorblatt 128 zu beinhalten. Der Dauermagnet 124 dieser Ausführungsform ist walzenförmig ausbildet, mit einem einzelnen spiralförmigen Steg, der das Rotorblatt 128 bildet. In alternativen Ausführungsformen könnte es sich bei dem Rotorblatt 128 um Turbinenblätter oder ähnliche Vorrichtungen handeln, die fähig sind, eine Drehung des Rotors 112 herbeizuführen, wenn sie fließendem Wasser ausgesetzt werden.
Wie in 7 veranschaulicht, ist der Rotor 112 innerhalb des Rotorgehäuses 102, koaxial mit der Mittenachse des Rotorgehäuses 102 positioniert. Ein Ende des Rotorschafts 126 des Rotors 112 ist in einen ersten Bund 130 eingeführt und das andere Ende des Rotorschafts 126 ist in einen zweiten Bund 132 eingeführt. In dieser Ausführungsform nimmt der Durchmesser der Enden des Rotor schafts 126 zum Bilden einer massiven Kugel zu, um die Befestigung am ersten Bund 130 und am zweiten Bund 132 zu erleichtern. Der erste Bund 130 und der zweite Bund 132 sind aus Plastik oder einem anderen ähnlichen Material gebildet und erzeugen eine Querstrebe senkrecht zur Mittenachse des Rotorgehäuses 102. Der erste Bund 130 und der zweite Bund 132 enthalten jeweils ein Lager 134 oder eine andere ähnliche Vorrichtung, um es dem Rotorschaft 126 zu erlauben, sich frei zu drehen. Zusätzlich sind der erste Bund 130 und der zweite Bund 132 mit dem Rotorgehäuse 102 in einem vorbestimmten Abstand voneinander gekoppelt, so dass der Rotor 112 dazwischen gehängt werden kann.
Der Rotor 112 ist derart im Rotorgehäuse 102 positioniert, dass durch das Rotorgehäuse 102 fließendes Wasser auf das Rotorblatt 128 trifft, das einen Bestandteil des Rotors 112 bildet. Das Rotorblatt 128 wirkt als Schaufel, die das fließende Wasser veranlasst, auf den Rotor 112 einzuwirken. Das fließende Wasser bringt den Rotor 112 dazu, sich in einer einzigen Richtung um die Mittenachse des Rotorgehäuses 102 zu drehen. Der Rotor 112 ist derart innerhalb des Stators 114 positioniert, dass die Achse des Rotors 112 konzentrisch zu der des Stators 114 ist. Der Rotor 112 wirkt betriebsmäßig mit dem Stator 144 zusammen, um den Generator zu bilden.
Während des Betriebs, wenn Wasser fließt und sich der Rotor 112 dreht, dreht sich auch der von dem Rotor 112 erzeugte konstante Magnetfluss und dringt in den Stator 114, wodurch er intrinsisch Leistung erzeugt. Zwischen dem Rotor 112 und dem Stator 114 muss ein Luftspalt eines vorgeschriebenen Abstands aufrechterhalten werden, um es dem konstanten Magnetfluss aus dem Rotor 112 zu erlauben, die Erzeugung von Elektrizität vom Stator 114 zu veranlassen. In diesen Ausführungsformen besteht der „Luftspalt" zwischen dem Dauermagneten 124 des Rotors 112 und den Polschuhen 122 des Stators 114 aus fließendem Wasser und dem Rotorgehäuse 102. Das Strömen eines Fluids und das Rotorgehäuse 102 beeinträchtigen nicht den konstanten Magnetfluss. Demgemäß veranlasst der sich drehende konstante Magnetfluss aus dem sich drehenden Rotor 112 die Erzeugung von Elektrizität von den Spulen 120 des Stators 114.
Wenn das Wasser durch das Rotorgehäuse 102 fließt und dabei den Rotor 112 veranlasst, sich zu drehen, wird der sich drehende konstante Magnetfluss auf die Wicklung des Stators 114 weitergegeben und es wird Elektrizität erzeugt. Die Elektrizität fließt durch die Leiter 54, um eine Vorrichtung mit Leistung zu versorgen, bei der es sich in dieser Ausführungsform um ein Wasseraufbereitungssystem 10 handelt. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dieser Ausführungsform, das in den 7 und 8 veranschaulicht ist, erzeugt einen Wechselstrom (AC), der zum Versorgen des Wasseraufbereitungssystems 10 mit Leistung verwendet werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 den Wechselstrom (AC) gleichrichten, um Gleichstrom (DC) zu erzeugen. In einer anderen alternativen Ausführungsform führt das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dem Wasseraufbereitungssystem 10 sowohl AC- als auch DC-Strom zu, indem es den Wechselstrom (AC) gleichrichtet und stabilisiert. Der DC-Strom kann auch zum Laden einer Energiespeichervorrichtung (nicht gezeigt) verwendet werden. Die Drehung des Rotors 112 und die Dauer, für die Elektrizität erzeugt wird, können auch zum Bereitstellen von strömungsbasierten Messungen, wie der Flussrate oder der Menge Wasser, die durch das Wasseraufbereitungssystem 10 fließt, verwendet werden.
9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht noch einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das vom Konzept her der vorangehenden, im Hinblick auf die 7 und 8 offenbarten Ausführungsform ähnelt. Diese Ausführungsform beinhaltet einen Rotor 112, einen Stator 114 und eine Turbinendüse 140, die in einem Gehäuse 142 angeordnet sind. Das Gehäuse 142 bildet einen Schacht mit einem Einlass 144 und einem Auslass 146. Wenn Wasser oder irgendein anderes Fluid in den Einlass 144 fließt, wie durch den Pfeil 148 veranschaulicht, so fließt das Wasser durch das Gehäuse 142 und wird durch den Auslass 146 aus dem Gehäuse 142 heraus kanalisiert. In einer Ausführungsform kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 innerhalb eines Wasseraufbereitungssystems 10 (in 1 veranschaulicht) positioniert sein oder es kann sich an das Wasseraufbereitungssystem 10 anschließen oder dem Wasseraufbereitungssystem 10 Wasser zuführen.
Das Gehäuse 142 kann aus Plastik oder einem ähnlichen steifen Material gebildet sein, das imstande ist, Wasser zu kanalisieren. Das Gehäuse 142 dieser Ausführungsform beinhaltet einen ersten Abschnitt 152 und einen zweiten Abschnitt 154, um die Montage und Wartung zu erleichtern. Der erste und der zweite Abschnitt 152, 154 können durch Kleben, Reibschluss, eine Gewindeverbindung, Schallschweißen oder ein anderes Mittel zum Bereitstellen einer ähnlichen steifen Verbindung fest gekoppelt sein. Das Gehäuse 142 bildet einen Durchgang 156 für das Hindurchströmen von Wasser.
Die Turbinendüse 140 ist fest innerhalb des Durchgangs 156 positioniert.
Die Turbinendüse 140 dieser Ausführungsform kann im Allgemeinen kegelförmig sein oder kann aus Plastik oder irgendeinem ähnlichen steifen Material gebildet sein. Die Turbinendüse 140 kann einstückig ausgebildet sein, um eine Spitze 158 und eine Mehrzahl von Streben 160 zu beinhalten. Die Spitze 158 kann sich mittig im Durchgang 156 befinden und dient zum Leiten des fließenden Wassers nach außen, hin zur Innenwand des Gehäuses 142. Die Streben 160 sind fest mit der Innenwand des Gehäuses 142 gekoppelt, beispielsweise durch Reibschluss, eine Schnappverbindung, Gewindeverbindung oder eine ähnliche steife Verbindung.
Die Streben 160 halten die Turbinendüse 140 fest im Durchgang 156 und beinhalten eine Mehrzahl von Kanälen 162, um Wasser durch das Gehäuse 142 fließen zu lassen. Die Größe der Kanäle 162 kann angepasst werden, um die Geschwindigkeit des fließenden Wassers zu steuern. Genau wie in der vorangehend mit Bezug auf 2 erörterten Döse 14, kann ein vorbestimmter Geschwindigkeitsbereich bestimmt werden. Der vorbestimmte Geschwindigkeitsbereich basiert auf dem erwarteten Druckbereich des im Einlass 144 fließenden Wassers sowie auf dem Gegendruck des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12. Zudem können die Streben 160 in einer vorbestimmten Konfiguration ausgerichtet sein, um zum Leiten des fließenden Wassers als Leitschaufeln zu wirken. Das fließende Wasser kann beispielsweise geleitet werden, um auf den Rotor 112 in einer vorbestimmten Art und Weise einzuwirken, um eine Turbulenz zu beseitigen, einen Druckabfall zu korrigieren oder die Betriebseffizienz zu erhöhen.
10 ist eine abgeschnittene Draufsicht auf einen Teil des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 der 9, die die Düse 140 und die Streben 160 innerhalb des ersten Abschnitts 152 des Gehäuses 142 veranschaulicht. Die Streben 160 können in einem bestimmten Abstand 1002, wie 4,42 mm (0,174 Inch) voneinander um das Äußere der Düse 140 positioniert sein, um die Kanäle 162 zu bilden. Jede der Streben 160 umfasst ein vorderes Ende 1004 und ein hinteres Ende 1006. Das vordere Ende 1004 von benachbart angeordneten Streben 160 kann einen Eintrittsgang bilden, und das hintere Ende 1006 von benachbart angeordneten Streben 160 kann einen Austrittsgang bilden. Der durch den Pfeil 148 angedeutete Flüssigkeitsstrom erreicht zuerst das vordere Ende 1004 und gelangt in den Eintrittsgang. In den Kanälen 162 wird die Geschwindigkeit der Flüssigkeit erhöht, bevor diese das hintere Ende 1006 der Streben 160 erreicht.
Die Breite der Kanäle 162 kann sich allmählich hin zum hinteren Ende 1006 verengen, wie veranschaulicht. Die Querschnittsfläche zwischen den Kanälen an sich wird um einen vorbestimmten Betrag, wie etwa 10% bis 20%, verkleinert. Da die unter Druck stehende Flüssigkeit in einen zunehmend engeren Kanal 162 getrieben wird, erhöht sich die Geschwindigkeit. Die allmähliche Verringerung der Querschnittsfläche zwischen den Kanälen 162 minimiert den Gegendruck, während sie die Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit erhöht. Zudem wird durch die sich verengenden Kanäle 162 ein nicht laminarer Flüssigkeitsstrom innerhalb der Kanäle 162 minimiert.
Die Streben 160 können auch eine Mehrzahl von Strömungsgleichrichtern 1008 beinhalten. Die Strömungsgleichrichter 1008 können in den Kanälen 162 enthalten sein, um eine nicht laminare Strömung weiter zu minimieren. Auf ähnliche Weise wie die Streben 160 können die Strömungsgleichrichter 1008 fest mit der Innenwand des ersten Abschnitts 152 gekoppelt sein und sich in die Kanäle 162 hinein erstrecken. Die beispielhaften Strömungsgleichrichter 1008 können ein mit einem Körper 1012 gekoppeltes Blatt 1010 beinhalten. Das Blatt 1010 kann ein im Wesentlichen gerader Abschnitt der Strömungsgleichrichter 1008 sein, das sich von nahe des vorderen Endes 1004 hin zum hinteren Ende 1006 jeder der Streben 160 erstreckt. Der Körper 1012 kann ein kugelförmiger Körper sein, der um einen vorbestimmten Abstand stromaufwärts von der Austrittsleitung positioniert ist, die von den hinteren Enden 1006 der angrenzend positionierten Streben 160 gebildet wird. In anderen Beispielen können die Strömungsgleichrichter 1008 irgendeine andere hydrodynamische Form aufweisen, um den Flüssigkeitsstrom zu definieren und eine einheitliche Strömung durch die Kanäle 162 zu maximieren.
Wie ferner in 10 veranschaulicht, kann die Düse 140 in einen Kompressionsbereich 1016, gefolgt von einem Beruhigungsbereich 1018, unterteilt sein. Innerhalb des Kompressionsbereichs 1016 kann ein abrupter Übergang in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit erfolgen. Der abrupte Übergang kann die Turbulenz im Flüssigkeitsstrom erhöhen. Die Turbulenz kann mit abnehmendem Volumen des Flüssigkeitskapazität innerhalb des ersten Abschnitts 152 zunehmen. Mit abnehmendem Volumen nehmen die Kompression und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu. Die Abnahme des Volumens im Kompressionsbereich 1016 kann vorbestimmt sein, um eine gewünschte Flussrate basierend auf dem erwarteten Druckbereich der strömenden Flüssigkeit zu erzielen. Innerhalb des Kompressionsbereichs 1016 wird die strömende Flüssigkeit nach außen, zur Innenwand des Gehäuses 142 hin getrieben, was die Turbulenz und/oder die nicht laminare Strömung erhöhen kann.
Der Beruhigungsbereich 1018 stellt eine Fläche mit einem einheitlichen Volumen an Flüssigkeitskapazität bereit, die eine Turbulenz der strömenden Flüssigkeit abklingen lässt und eine stärker laminare Strömung der Flüssigkeit erlaubt. Der Beruhigungsbereich 1018 kann eine vorbestimmte Länge aufweisen, basierend auf dem geplanten Turbulenzgrad der strömenden Flüssigkeit. Eine nicht laminare Strömung der Flüssigkeit kann vor dem Eintritt in die Kanäle 162 verringert werden. In den Kanälen 162 wird die Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit weiter erhöht, und die Flüssigkeit wird dann auf den Rotor 112 gerichtet.
Nun wird wieder auf 9 Bezug genommen, in der der Rotor 112 dieser Ausführungsform einen Turbinenrotor 164, einen Rotorschaft 166 und einen Dauermagneten 168 beinhaltet. Der Rotor 112 ist innerhalb des Durchgangs 156 drehbar positioniert, so dass in dem Durchgang 156 strömendes Wasser eine Drehung des Rotors 112 um eine Mittenachse 170 des Gehäuses 142 bewirkt. Eine Drehung des Rotors 112 erfolgt, wenn das strömende Wasser auf den Turbinenrotor 164 einwirkt. Der Turbinenrotor 164 kann aus Edelstahl, Aluminium, Plastik oder einem anderen ähnlichen steifen Material gebildet sein, das imstande ist, den Drehkräften und der Kraft des strömenden Wassers zu widerstehen. Der Turbinenrotor 164 umfasst mindestens ein Turbinenblatt 172 und einen Körper 174.
Das Turbinenblatt 172 ist positioniert, um Energie von dem durch die Streben 160 strömenden Wasser zu erhalten. Bei dem Turbinenblatt 172 kann es sich um eine Mehrzahl von Leitschaufeln, einen spiralförmigen Steg oder einen anderen, an dem Körper 174 gebildeten Mechanismus handeln, der imstande ist, die Energie des strömenden Wassers in Rotationsenergie umzuwandeln. Das Turbinenblatt 172 dieser Ausführungsform ist mit dem Körper 174 einstückig ausgebildet und erstreckt sich, bis es angrenzend an die Innenwand des Gehäuses 142 positioniert ist. Der Körper 174 kann ausgebildet sein, um einen Hohlraum 176 zu begrenzen, der einen Teil des Rotorschafts 166 umfangsmäßig umgibt.
Der Leser sollte berücksichtigen, dass die Tiefe der Kanäle 162 geringer ist als die Tiefe des Turbinenblatts 172 in Bezug auf die Innenwand des Gehäuses 142. Die unterschiedliche Tiefe sorgt für eine Zirkulation des strömenden Wassers, wie nachstehend erörtert wird. Zudem ist der Strömungsweg des Wassers am Stator 114 vorbei im Wesentlichen geradlinig. Das Volumen des Strömungswegs ist auch im Anschluss an die Kanäle 162 größer, um für einen bestimmten Druckabfall des strömenden Wassers zu sorgen. Das strömende Wasser gibt daher erhebliche Mengen kinetischer Energie an das sich drehende Turbinenblatt 172 ab, wenn das Wasser am Turbinenblatt 172 vorbeiströmt. Die kinetische Energie des strömenden Wassers wird durch die Turbinenblätter 172 effizient, ohne bedeutende Verluste und Ineffizienzen extrahiert, da sich nur die Turbinenblätter 172 unmittelbar in der Strömung hoher Geschwindigkeit des fließenden Wassers befinden.
Der Rotorschaft 166 ist drehbar und kann mit dem Turbinenrotor 164 einstückig ausgebildet sein, oder der Rotorschaft 166 kann durch Presspassung, eine Gewindeverbindung oder einen ähnlichen Kopplungsmechanismus fest damit gekoppelt sein. Der Rotorschaft 166 kann Edelstahl oder ein anderes ähnliches steifes Material sein, das sich in Längsrichtung durch den Dauermagneten 168 erstrecken kann. Der Dauermagnet 168 kann ein extrudierter Magnet oder ein gespritzter Plastikmagnet sein. Alternativ kann der Dauermagnet aus einem Metall, gesinterten Metall, einem keramischen Material oder einem anderen ähnlichen Material mit magnetischen Eigenschaften hergestellt sein. Der Dauermagnet 168 kann durch Reibschluss, Formgebungsverfahren oder einen anderen ähnlichen Mechanismus fest mit dem Rotorschaft 166 gekoppelt sein. Der Rotor 112 wird von einer Mehrzahl von Lagern 178 drehbar in Position gehalten.
Die Lager 178 umgeben einen Teil des Rotorschafts 166 umfangsmäßig an gegenüberliegenden Enden des Dauermagneten 168. Die Lager 178 können Carbongraphit, Teflon, Kugellager, Keramik, ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE) oder andere ähnliche Lager sein, die imstande sind, der Drehung des Rotorschafts 166 zu widerstehen. In dieser Ausführungsform werden die Lager 178 durch in dem Durchgang 156 vorhandenes Wasser geschmiert. Zudem ist das strömende Wasser betreibbar, um die Lager 168 zu kühlen, wie nachfolgend beschrieben wird. Die Lager 178 sind mit dem Stator 114 fest gekoppelt und werden von ihm in Position gehalten.
Der Stator 114 dieser Ausführungsform beinhaltet eine Mehrzahl von Austrittsleitschaufeln 180, einen Flügel 182, eine Mehrzahl von Spulen 184 und eine Kappe 186. Wie in 9 veranschaulicht, wird der Stator 114 durch die Austrittsleitschaufeln 180 fest im Durchgang 156 positioniert. Die Austrittsleitschaufeln 180 sind mit der Innenwand des Gehäuses 142 durch beispielsweise Klebstoff, Reibschluss, eine Schnappverbindung oder einen ähnlichen steifen Kopplungsmechanismus fest gekoppelt. Die Austrittsleitschaufeln 180 erstrecken sich in Längsrichtung parallel zur Innenwand des Gehäuses 142 und stellen Kanäle zum Hindurchströmen von Wasser bereit. Die Austrittsleitschaufeln 180 sind ausgebildet, um das strömende Wasser zum Auslass 146 zu kanalisieren, um eine Turbulenz, Luftblasen, Gegendruck und ein anderes ähnliches Verhalten des strömenden Wassers zu verringern, das einen effizienten Betrieb beeinträchtigen kann. Der Flügel 182 ist auf ähnliche Weise ausgebildet, um das strömende Wasser zum Auslass 146 zu kanalisieren.
Zwar ist dies nicht dargestellt, doch können die Austrittsleitschaufeln 180 in einem Wirbelmuster ausgebildet sein, das einer mit der Mittenachse 170 konzentrischen spiralförmigen Spule (oder Spiralnuten) ähnelt. Die Austrittsleitschaufeln 180 können sich allmählich in Richtung des Flügels 182 abwickeln, um schließlich im Wesentlichen parallel zur Mittenachse 170 zu werden. In dieser Ausgestaltung können die Austrittsleitschaufeln 180 eine Turbulenz verringern und eine laminare Strömung erzeugen.
Während des Betriebs kann von den Austrittsleitschaufeln 180 empfangene Flüssigkeit aufgrund der Drehung des Turbinenblatts 172 eine Tendenz zur Wirbelbildung aufweisen. Die Tendenz zur Wirbelbildung der Flüssigkeit kann im Wesentlichen dem Wirbelmuster der Austrittsleitschaufeln 180 entsprechen. Demgemäß tritt die Flüssigkeit ohne abrupte Richtungsveränderungen, die eine Turbulenz bewirken können, in die Austrittsleitschaufeln 180 ein. Während der Kanalisierung durch die Austrittsleitschaufeln 180 kann die Ten denz zur Wirbelbildung der Flüssigkeit allmählich durch das allmähliche Abwickeln der Austrittsleitschaufeln 180 minimiert werden. Somit kann die Flüssigkeit aus den Austrittsleitschaufeln 180 mit einer im Wesentlichen laminaren Strömung austreten, um den effizienten Betrieb zu maximieren.
Die Spulen 184 sind auf einem Kern (nicht gezeigt) gebildet, um den Rotor 112 umfangsmäßig zu umgeben und eine Wicklung zu bilden. Die Spulen 184 werden von dem Rotor 112 durch einen Luftspalt 188 getrennt. Die Spulen 184 sind mit den Austrittsleitschaufeln 180 fest gekoppelt. Zudem können die Spulen 184 mit den Lagern 178 und dem Flügel 182 fest gekoppelt sein. Die Spulen 184 können mit den Austrittsleitschaufeln 180, den Lagern 178 und dem Flügel 182 fest gekoppelt sein, beispielsweise durch Klebstoff oder durch eine einstückige Ausbildung damit. In dieser Ausführungsform sind die Spulen 184 innerhalb des Durchgangs 156 positioniert, sind jedoch wasserfest, um eine flüssigkeitsleitende Verbindung mit dem strömenden Wasser zu vermeiden. Die Spulen 184 können wasserfest gemacht werden, indem sie beispielsweise mit Epoxid vergossen, mit Gummi oder Kunststoff spritzgegossen, mit Ultraschall versiegelt oder anderweitig, durch ein ähnliches Abdichtungsverfahren vom Wasser isoliert werden. In einer alternativen Ausführungsform können sich die Spulen 184 außerhalb des Gehäuses 142 befinden, wie in der vorstehend mit Bezug auf die 7 und 8 erörterten Ausführungsform.
Die Spulen 184 werden auch durch die Kappe 186 gegen das Wasser abgedichtet. Die Kappe 186 ist positioniert, um das Ende der Spulen 184, das sich angrenzend an den Turbinenrotor 164 befindet, wie in 9 veranschaulicht, abzudichten. Die Kappe 186 kann mit den Spulen 184 durch eine Gewindeverbindung abnehmbar gekoppelt sein oder kann mit den Spulen 184 durch Klebstoff oder durch eine einstückige Ausbildung fest gekoppelt sein. Die Kappe 186 ist ausgebildet, das Lager 178 teilweise zu umgeben und sich in radialer Richtung über eine vorbestimmte Strecke zu erstrecken, die gleich dem Radius des Stators 114 ist. Die vorbestimmte Erstreckung der Kappe 186 nähert sich stärker der Innenwand des Gehäuses 142 als der Körper 174 des Turbinenrotors 164. Der unterschiedliche Abstand von der Innenwand des Gehäuses 142 zur Kappe 186 und dem Körper 174 sorgt für ein Zirkulieren des strömenden Wassers, wie nachstehend erörtert wird.
Während des Betriebs erfährt Wasser, das durch den Einlass 144 und in den Durchgang 156 strömt, eine vorbestimmte Geschwindigkeitszunahme, wenn das druckbeaufschlagte Wasser durch die Kanäle 162 fließt. Das strömende Wasser wird von den Streben 160 geleitet, um einen vorbestimmten Anströmwinkel auf dem Turbinenblatt 172 zu erreichen, der dem Rotor 112 eine Drehung verleiht. Aufgrund der unterschiedlichen Tiefe des Kanals 162, des Turbinenblattes 172 und der Kappe 182 wird das strömende Wasser in den Hohlraum 176 hinein zirkuliert. Das Zirkulieren des strömenden Wassers durch den Hohlraum 176 sorgt für eine Kühlung und Schmierung des angrenzend positionierten Lagers 178.
In dieser Ausführungsform dreht sich der Rotor 112 mit über etwa 5.000 Umdrehungen pro Minute (UpM), wie etwa in einem Bereich von zwischen ca. 5.000 UpM und ca. 10.000 UpM oder in einem Bereich von zwischen ca. 4.000 UpM und ca. 12.000 UpM. Eine Drehung von über ca. 5.000 UpM kann auf einer Flussrate der Flüssigkeit von ca. 3,78 l/Min. bis ca. 11,35 l/Min. (ca. 1 bis 3 Gallo nen/Min.) in einem Druckbereich der Flüssigkeit von ca. 415 kPa bis ca. 690 kPa (ca. 60 bis 100 lb./sq. inch) beruhen. Eine Drehung von über ca. 5.000 UpM kann auch auf einer Flussrate der Flüssigkeit von ca. 0,76 l/Min. bis ca. 3,78 l/Min. (ca. 0,2 bis ca. 1 Gallone/Min.) in einem Druckbereich der Flüssigkeit von ca. 103,4 kPa bis ca. 415 kPa (ca. 15 bis 60 psi) beruhen. Je nach den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und/oder den Herstellungstoleranzen können die vorliegend erörterten Abmessungen, die UpM, der Druck und die Flussraten um bis zu 10% bis 20% variieren.
Um in diesem UpM-Bereich zu arbeiten, kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem miniaturisiert werden, um die durch den Fluidwiderstand (oder Ventilationsverluste) bedingte Ineffizienz zu verringern. In vorliegender Verwendung ist der Begriff „Fluidwiderstand" definiert als Fluidreibung und/oder jegliche andere Fluidwirkungen, die die Maximierung des Transfers von kinetischer Energie auf Rotationsenergie beeinträchtigen kann.
Eine Miniaturisierung des Wasserkraftenergieerzeugungssystems minimiert die Oberflächenbereiche, die während des Drehens des Rotors 112 Fluiden ausgesetzt sind. Zudem wird das Gewicht des Wasserkraftenergieerzeugungssystems minimiert. Beispielsweise kann der Durchmesser des Durchgangs 156 in einem Bereich von ca. 6,35 mm bis ca. 51 mm (ca. 0,25 Inch bis ca. 2 Inch) liegen. Zudem kann die Tiefe der Kanäle 162 ca. 0,76 mm bis ca. 2,54 mm (ca. 0,03 Inch bis ca. 0,1 Inch) betragen und die Tiefe des Turbinenblattes 172 kann ca. 0,89 mm bis ca. 3,8 mm (ca. 0,035 Inch bis ca. 0,15 Inch) betragen.
Die höhere UpM, die sich aufgrund der Miniaturisierung und der Verringerung des Fluidwiderstands erreichen lässt, maximiert die Leistungserzeugungseffizienz. Beispielsweise kann der Generator zwischen ca. 0,27 und 30 Watt erzeugen, wenn er sich mit zwischen ca. 5.000 und 10.000 UpM dreht. Zudem kann die Größe (und das Gewicht) des Dauermagneten 168 so bemessen sein, dass die Leistungsproduktion des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 optimiert wird.
Die hohe UpM-Drehzahl des Rotors 112 innerhalb des Stators 114 generiert auf effiziente Weise Elektrizität, wenn das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 arbeitet. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ist imstande, Wechselstrom (AC) zu erzeugen. In alternativen Ausführungsformen kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 (DC-)Strom produzieren. In einer anderen alternativen Ausführungsformen kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ausgestaltet sein, durch Gleichrichtung und Stabilisierung des AC-Stroms sowohl AC-Strom als auch DC-Strom zu produzieren. Wie vorstehend erörtert, hängt die Anzahl der Pole und die Größe und Ausgestaltung der Spulen 184 vom Gegendruck, den erforderlichen UpM und der Sollenergieausgabe des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 ab.
Nun wird auf die 3, 6, 7, 8 und 9 Bezug genommen, in denen eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das in Verbindung mit den Ausführungsformen dieser Figuren diskutiert wurde, zum Liefern mehrerer Spannungs- und Strompegel betreibbar ist. Die mehreren Spannungs- und Strompegel werden durch Umschalten der Spulen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 zwischen einer seriellen oder paralle len Konfiguration geliefert. Zwar ist dies nicht dargestellt, doch kann ein Mikroprozessor oder eine andere ähnliche Steuereinheit, die die Spannungs- und Stromausgabe des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 und die gegenwärtigen Spannungs- und Stromerfordernisse des Wasseraufbereitungssystems 10 erfassen kann, verwendet werden, um die Spulen wahlweise zwischen seriellen und parallelen Konfigurationen umzuschalten. Alternativ können zum wahlweisen Umschalten der Spulen die UpM verwendet werden. Ein wahlweises Umschalten der Spulen kann auf Ausführungsformen angewendet werden, die Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) produzieren.
Beispielsweise benötigen einige ultraviolette (UV) Lichtquellen einen relativ niedrigen vorbestimmten Wechselstrom für die anfängliche Energieversorgung und einen relativ hohen Spannungspegel. Im Anschluss an die anfängliche Energieversorgung benötigt die UV-Lichtquelle einen relativ hohen Wechselstrom, aber einen relativ niedrigen Spannungspegel, um mit Energie versorgt zu bleiben. In einem Wasseraufbereitungssystem beispielsweise kann die UV-Lichtquelle eine Niederdruck-Quecksilberlampe oder eine Kaltkathodenlampe sein und die Anlaufspannung und die Betriebszustandsspannung können durch ein Vorschaltgerät bereitgestellt werden. Alternativ kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 eine Funktion eines Vorschaltgeräts, wie nachstehend beschrieben, bereitstellen und das Vorschaltgerät kann entfallen. Die Quecksilberlampe und/oder die Kaltkathodenlampe können Bakterien und andere Verunreinigungen aus dem Wasser entfernen.
Während des Betriebs, wenn das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 Elektrizität erzeugt, können die Spulen durch den Mikroprozessor wahlweise in eine serielle Konfiguration gesetzt werden. Die serielle Konfiguration erzeugt einen vorbestimmten Wechselstrom bei einem vorbestimmten Spannungspegel, der imstande ist, die UV-Lichtquelle anfänglich mit der Startspannung zu versorgen. Nach der anfänglichen Energieversorgung der UV-Lichtquelle werden die Spulen selektiv in eine parallele Konfiguration umgestaltet, um einen vorbestimmten Wechselstrom bei einem vorbestimmten Spannungspegel bereitzustellen, der imstande ist, die Energieversorgung der UV-Lichtquelle mit der Betriebszustandsspannung aufrechtzuerhalten. Das vorstehend erörterte Umschalten der Spulen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 kann verschiedenen Spannungs- und Stromerfordernissen einer jeglichen elektrischen Vorrichtung in irgendeinem System, dem vom Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 Leistung zugeführt wird, gerecht werden.
In einer anderen Ausführungsform kann das in Verbindung mit den vorstehend erörterten Ausführungsformen diskutierte Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 mit einer Mehrzahl von Anzapfungen versehen sein, die verschiedene, zu Wicklungen geformte Spulengruppen darstellen. Die Anzapfungen sind betreibbar zum Liefern einer Vielzahl verschiedener vorbestimmter Spannungspegel durch elektrisches Verbinden von unterschiedlich vielen Spulen zur Bildung der Wicklungen. Das Wasseraufbereitungssystem 10 kann ausgestaltet sein, um während des Betriebs unter Verwendung eines Mikroprozessors oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung betriebsmäßig zwischen den Anzapfungen umzuschalten. Demgemäß kann in dem vorstehend erörterten Beispiel einer UV-Lichtquelle eine Anzapfung zur anfänglichen Energieversorgung verwendet werden, um die Startspannung bereitzustellen, und eine andere Anzapfung kann für einen kontinuierlichen Betrieb verwendet werden, um die Betriebszustandsspannung bereitzustellen. Zudem können per manent verschiedene Anzapfungen verwendet werden, um verschiedene elektrische Vorrichtungen in dem Wasseraufbereitungssystem 10 je nach den Leistungserfordernissen der elektrischen Vorrichtungen zu betreiben. Ein Umschalten zwischen den Anzapfungen kann auch zum Steuern der UpM des Generators verwendet werden. Falls sich die UpM beispielsweise unterhalb eines gewünschten Schwellwerts befinden, können die Anzapfungen angepasst werden, um Spulen auszuscheiden und so die UpM zu erhöhen. Ein Umschalten zwischen den Anzapfungen des Wasserkraftenergieerzeugungssysters 12 kann auch verschiedene Spannungspegel für jegliches System bereitstellen, das von dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 mit Leistung versorgt wird.
In noch einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das in Verbindung mit den vorstehend erörterten Ausführungsformen diskutiert wurde, wird die vorhandene elektromagnetische Gegenkraft (EMF) vorteilhafterweise verringert. Wie in der Technik bekannt, wird die Gegen-EMF eines Dauermagnetgenerators durch Flusskonzentratoren, die durch Metalllamellen im Kern des Generators gebildet sind, erhöht. Die Flusskonzentratoren sind betreibbar zum Verbessern der Erzeugungseffizienz des Generators, liefern jedoch Gegen-EMF, die zum Drehen des Rotors überwunden werden muss.
Bei der Anwendung des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 auf ein Wasseraufbereitungssystem 10 besitzen einige UV-Lichtquellen unterschiedliche Energieerfordernisse während des Startvorgangs und des Betriebs. Durch Verwenden der vorstehend erörterten Ausführungsformen des Wasserkraftenergieerzeugungs systems 12 und Weglassen der Flusskonzentratoren können die Betriebserfordernisse der UV-Lichtquelle erfüllt werden.
Während des Betriebs, vor der Energieversorgung des Wasseraufbereitungssystems 10, kann die Drehbelastung (die Gegen-EMF) auf dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 relativ hoch sein. Die Drehbelastung kann relativ niedrig sein, da das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dieser Ausführungsform keine Flusskonzentratoren beinhaltet und das Wasseraufbereitungssystem 10 keine Leistung verbraucht. Das Wegfallen der Flusskonzentratoren führt zu einer Verringerung des Rastmoments und erlaubt dadurch ein schnelles Anlaufen des Generators. Wenn Wasser durch das Wasserkraftenergierzeugungssystem 12 fließt, ist der Rotor an sich betreibbar, um in einer relativ kurzen Zeitspanne auf eine vorbestimmte, relativ hohe UpM zu beschleunigen.
Die relativ hohe UpM liefert eine vorbestimmte Spannung (Startspannung) bei einem vorbestimmten Wechselstrom (AC), der imstande ist, beispielsweise die UV-Lichtquelle im Wasseraufbereitungssystem 10 anfänglich mit Energie zu versorgen. Nach der anfänglichen Energieversorgung der UV-Lichtquelle wird die Drehbelastung auf dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 erhöht und dadurch die UpM des Rotors verlangsamt. Die langsamere UpM des Rotors sorgt für eine vorbestimmte niedrige Spannung (Betriebszustandsspannung) mit einem entsprechenden vorbestimmten Wechselstrom (AC) und erlaubt dadurch eine kontinuierliche Energieversorgung der UV-Lichtquelle. Der Leser sollte erkennen, dass aufgrund der durch das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dieser Ausführungsform bereitgestellten Fähigkeit der sofortigen Betriebsbereitschaft („Instant-on") die Notwendigkeit entfällt, dass E nergiespeichervorrichtungen der UV-Lichtquelle im Wasseraufbereitungssystem 10 Leistung zuführen, da die UV-Lichtquelle fast zur gleichen Zeit mit Energie versorgt wird, wie das Wasser zu fließen beginnt.
11 zeigt eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, die in einer Teilquerschnittsansicht abgebildet ist. Ähnlich wie in den vorangegangenen Ausführungsformen kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 in einem Wasseraufbereitungssystem 10 verwendet werden. Zudem kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 in irgendeiner anderen Form von System mit strömender, unter Druck stehender Flüssigkeit integriert sein. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann auch Merkmale eines Wasseraufbereitungssystems, wie eine UV-Lichtquelle, Filter, Elektronikeinheiten, etc. beinhalten.
Das veranschaulichte Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 beinhaltet ein Außengehäuse 1102, das mit einer entfernten Seitenabdeckung abgebildet ist. Zudem umfasst das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ein Innengehäuse 1104, eine Zentrierungsstange 1106 und eine Düse 1108. Das Außengehäuse 1102 kann aus Kunststoff, Metall, Kohlenstofffasern oder einem anderen steifen Material sein und beinhaltet einen Hohlraum 1110. Der Hohlraum 1110 ist ein Luftraum, der dimensioniert ist, das Innengehäuse 1104 aufzunehmen, ohne dass das Innengehäuse 1104 eine Innenfläche 1112 des Außengehäuses 1102 berührt. Auch ist im Außengehäuse 1102 ein Auslass 1114 enthalten. Der Auslass 1114 kann eine Öffnung sein, die es einer im Außengehäuse 1102 vorhandenen Flüssigkeit erlaubt, durch die Schwerkraft aus dem Hohlraum 1110 abzufließen, um den Luftraum während des Betriebs aufrechtzuerhalten.
Das Innengehäuse 1104 kann im Allgemeinen zylindrisch und aus Kunststoff, Metall, Kohlenstofffasern oder einem anderen ähnlichen Material gebildet sein. Das Innengehäuse 1104 kann im Außengehäuse 1102 angebracht sein, um mindestens einen Teil der Zentrierungsstange 1106 innerhalb des Hohlraums 1110 des Außengehäuses 1102 zu umgeben. Die Zentrierungsstange 1106 kann mit dem Außengehäuse 1102 fest gekoppelt sein und sich in das Innengehäuse 1104 erstrecken. Die Zentrierungsstange 1106 kann aus irgendeinem steifen, sich längs erstreckenden Material wie Edelstahl sein.
Eine Mehrzahl von Buchsen 1116 können mit dem Innengehäuse 1104 gekoppelt sein und die Zentrierungsstange 1106 umgeben. Jede der Buchsen 1116 kann eine Muffe sein, die aus Kunststoff, Metall oder einem anderen ähnlichen Material gebildet sein kann. Die Buchsen 1116 können mit einer Öffnung zum Aufnehmen der Zentrierungsstange 1106 und einer Außenfläche gebildet sein, die ausgebildet ist, in eine Öffnung in der Außenfläche des Innengehäuses 1104 zu passen. Die Öffnung in der Buchse 1116 kann groß genug sein, um es der Buchse 1116 zu erlauben, sich um die Zentrierungsstange 1106 innerhalb des Außengehäuses 1102 zu drehen, ohne die Zentrierungsstange 1106 zu berühren. Die Außenfläche der Buchse 1116 kann mit der Außenfläche des Innengehäuses 1104 derart gekoppelt sein, dass sich das Innengehäuse 1104 und die Buchse 1116 zusammen drehen. Alternativ können sich die Buchse 1116 und das Innengehäuse 1104 unabhängig voneinander um die Zentrierungsstange 1106 drehen.
Das Innengehäuse 1104 kann auch eine Mehrzahl von Schaufeln 1118 beinhalten, die fest gekoppelt sind und sich von einer Außenfläche 1120 des Innengehäuses 1104 nach außen erstrecken. Die Schaufeln 1118 können aus Kunststoff, Kohlenstofffasern, Metall oder einem anderen ähnlichen Material gebildet sein. Die Schaufeln 1118 können senkrecht zur Außenfläche 1120 des Innengehäuses 1104 positioniert sein, derart dass sich jede der Schaufeln 1118 irgendwann einmal benachbart zur Düse 1108 befindet, wenn sich das Innengehäuse 1104 dreht.
Die Düse 1108 kann angebracht sein, um sich in den Hohlraum 1110 zwischen dem Innengehäuse 1104 und dem Auslass 1114 zu erstrecken, wie dargestellt. Ähnlich wie die vorstehend mit Bezug auf die 1 bis 5 erörterte Düse 14, erhöht die Düse 1108 die Geschwindigkeit der unter Druck stehenden Flüssigkeit. Unter Druck stehende Flüssigkeit, die einem Düseneinlass 1122 mit einer ersten Geschwindigkeit zugeführt wird, fließt durch die Düse 1108 und wird bei einer zweiten Geschwindigkeit, die wesentlich höher ist als die erste Geschwindigkeit, aus einem Düsenauslass 1124 abgegeben. Die in den Hohlraum mit der Düse 1108 abgegebene Flüssigkeit wird durch den Luftraum bei den Schaufeln 1118 geleitet.
12 ist eine vom Düseneinlass 1122 (11) aus gesehene Endansicht der Düse 1108. Die Düse 1108 beinhaltet einen Durchgang 1202, bei dem es sich um eine axiale Bohrung handelt, deren Durchmesser zum Düsenauslass 1124 hin abnimmt (11). Im Durchgang 1202 ist eine Rippe 1204 enthalten. Die Rippe 1204 ist mit einer Innenfläche 1206 der Düse 1108 gekoppelt und erstreckt sich von der Innenfläche 1206 aus nach außen, hin zu einer Mittenachse 1208 der Düse 1108.
13 ist eine abgeschnittene Ansicht von unten der in 12 abgebildeten Düse 1108, die die Rippe 1204 beinhaltet. Der Durchgang 1202 durch die Düse 1108 beinhaltet einen ersten Winkel-Abschnitt 1302 benachbart zum Düseneinlass 1122, an den sich ein erster gerader Abschnitt 1304, ein sich verjüngender Abschnitt 1306, ein zweiter Winkel-Abschnitt 1308 und ein zweiter gerader Abschnitt 1310 anschließt, der den Düsenauslass 1124 bildet. Der Durchgang 1202 kann ein vorbestimmter Eingangsdurchmesser, wie ca. 10,8 mm, am Düseneinlass 1122 sein. Innerhalb des ersten Winkel-Abschnitts 1302 kann der Durchmesser des Durchgangs 1202 in Richtung des Düsenauslasses 1124 gleichmäßig mit einem vorbestimmten Winkel (θ), wie ca. 20°, gegenüber der Mittenachse 1208 abnehmen.
An einem ersten geraden Abschnitt 1304 kann der Durchmesser des Durchgangs 1202 ein vorbestimmter erster Düsendurchmesser, wie ca. 5,8 mm, sein. Den ersten geraden Abschnitt 1304 des Durchgangs 1202 hindurch kann die Innenfläche 1206 in etwa parallel zur Mittenachse 1208 sein und wird daher auf dem ersten Düsendurchmesser gehalten. Im sich verjüngenden Abschnitt 1306 kann die Innenfläche 1202 einen Krümmungsradius aufweisen. Der Krümmungsradius kann einen Teil eines Kreises mit einem vorbestimmten Radius, wie ca. 8,7 mm, bilden. Der Durchmesser des Durchgangs 1202 im zweiten Winkel-Abschnitt 1308 kann gleichmäßig mit einem vorbestimmten Winkel (θ) bezüglich der Mittenachse 1208, wie ca. 20°, in Richtung des Düsenauslasses 1124 abnehmen. Der zweite gerade Abschnitt 1310 kann den Düsenauslass 1124 bilden, indem er den Durchgang 1202 auf einem vorbestimmten zweiten Düsendurchmesser, wie ca. 1,85 mm, hält.
Der erste und der zweite Düsendurchmesser können anhand des verfügbaren Druckbereichs der der Düse 1108 zugeführten Flüssigkeit bestimmt werden. In einem Beispiel kann der Durchmesser des ersten geraden Abschnitts 1304 relativ unverändert bleiben und der Durchmesser des zweiten geraden Abschnitts 1310 kann anhand des Drucks der in die Düse 1108 eingeführten Flüssigkeit variiert werden. Beispielsweise kann der Durchmesser des ersten geraden Abschnitts 1304 ca. 5,8 mm bleiben und der zweite gerade Abschnitt 1310 kann gebildet sein, ca. 1,9 mm oder weniger zu betragen. Demgemäß beträgt der Durchmesser des zweiten geraden Abschnitts 1310 (der Düsenauslass 1124) der Düse 1108 ca. 33% oder weniger des Durchmessers des ersten geraden Abschnitts 1304 der Düse 1108.
In einem anderen Beispiel kann der zweite gerade Abschnitt 1310 in einem Bereich von zwischen ca. 0,8 mm und ca. 1,9 mm gebildet sein (zwischen ca. 0,03 und 0,075 Inch), zur Verwendung mit einer Flüssigkeit, die am Düseneinlass 1122 mit einem Druck von zwischen ca. 34 kPa und 850 kPa (zwischen ca. 5 und 125 psi) beaufschlagt wird. In diesem Beispiel kann die Düse 1108 zwischen ca. 14% und ca. 33% des Durchmessers des ersten geraden Abschnitts 1304 der Düse 1108 betragen. Die sich für dieses Beispiel ergebende Flussrate durch die Düse 1108 kann in einem Bereich von ca. 0,44 l/Min. bei 34 kPa bis ca. 4,16 l/Min. bei ca. 850 kPa (ca. 0,115 Gallonen/Min. bis ca. 1,1 Gallonen/Min.) liegen.
Die Rippe 1204 kann von irgendeiner Ausgestaltung sein, um eine Verwirbelung und ein anderes nicht-laminares Verhalten der durch den Durchgang 1102 strömenden Flüssigkeit zu minimieren. Die veranschaulichte Rippe 1204 beginnt am Düseneingang 1122 und erstreckt sich eine vorbestimmte Strecke weit entlang der Mittenachse 1208 durch den ersten Winkel-Abschnitt 1302, den ersten geraden Abschnitt 1304 und in den sich verjüngenden Abschnitt 1306 hinein. Zwar ist die Rippe 1204 mit einer gleichmäßigen Breite abgebildet, doch kann sie in anderen Beispielen einen oder mehrere sich verjüngende Breitenabschnitte, Ausbuchtungen, Krümmungen oder irgendeine andere Ausgestaltung zum Fördern einer laminaren Strömung der Flüssigkeit durch die Düse 1108 beinhalten. Zudem kann die Länge der Rippe 1204 kürzer oder länger als veranschaulicht sein, um eine Verwirbelung der durch den Durchgang 1202 fließenden Flüssigkeit auf die beste Art und Weise zu beseitigen.
14 ist eine abgeschnittene Seitenansicht der Düse 1108, die die in 12 abgebildete Rippe 1204 beinhaltet. Die beispielhafte Rippe 1204 erstreckt sich eine bestimmte erste Strecke am Düseneinlass 1122 des Durchgangs 1202 von der Innenfläche 1206 nach außen, hin zur Mittenachse 1208. Die Strecke, die sich die Rippe 1204 von der Innenfläche 1206 erstreckt, nimmt allmählich auf null ab, während sich die Rippe 1204 entlang der Mittenachse 1208 hin zum Düsenauslass 1124 erstreckt. Im veranschaulichten Beispiel verjüngt sich die Rippe 1204, so dass sie sich eine Strecke weit erstreckt, die sich in Richtung der Erstreckung der Rippe 1204 hin zum Düsenauslass 1124 entlang der Mittenachse 1208 zunehmend weiter von der Mittenachse 1208 entfernt. Zudem wird der Abstand zwischen der Innenfläche 1206 und der Mittenachse 1208 in Richtung auf den Düsenauslass 1124 geringer, was die Rippe 1204, wie veranschaulicht, weiter verjüngt. In anderen Beispielen kann die Rippe 1204 irgendeine andere Form bilden, um Verwirbelungseffekte zu verringern und eine laminare Strömung der durch die Düse 1108 strömenden Flüssigkeit zu fördern.
Nun wird erneut auf 11 Bezug genommen, in der während des Betriebs durch die Düse 1108 strömende Flüssigkeit mit laminarer Strömung gehalten werden kann, während die Geschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Düse 1108 beschleunigt wird. Die Flüssigkeit kann aus der Düse 1108 mit hoher Geschwindigkeit abgegeben werden. Aufgrund der im Wesentlichen laminaren Strömung kann der Flüssigkeitsstrom ein klar definierter Strom mit einem Durchmesser bleiben, der in etwa der gleiche Durchmesser ist wie der Düsenauslass 1124 nach dem Ablassen. Somit kann ein durch den Flüssigkeitsstrom erzeugter Flüssigkeitsnebel minimiert werden und die kinetische Energie der strömenden Flüssigkeit lässt sich in einem relativ kleinen Bereich konzentrieren.
Der Flüssigkeitsstrom kann auf die Schaufeln 1118 gerichtet werden. Beim Auftreffen auf die Schaufeln 1118 kann die in der Flüssigkeit vorhandene kinetische Energie effizient auf die Rotationsenergie des Innengehäuse 1104 übertragen werden. Wenn sich das Innengehäuse 1104 dreht, kann jede der Schaufeln 1118 in den Strom der Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit, die aus der Düse 1108 abgegeben wird, eintreten und im Wesentlichen sämtliche im fließenden Flüssigkeitsstrom vorhandene kinetische Energie aufnehmen.
Sobald die kinetische Energie aus der Flüssigkeit extrahiert wird, kann die Flüssigkeit aufgrund von Schwerkraft zum Auslass 1114 fallen und wird aus dem Außengehäuse 1102 kanalisiert. Aufgrund der Kanalisierung bleibt das Außengehäuse 1102 im Wesentlichen frei von Flüssigkeit. Obwohl aufgrund des konstanten Flüssigkeitsstroms, der aus der Düse 1108 abgegeben wird, etwas Flüssigkeit vorhanden ist, kann das Kanalisieren den Flüssigkeitspegel im Außengehäuse 1102 niedrig genug halten, dass die Düse 1108 und das Innengehäuse 1104 nicht in der Flüssigkeit versenkt sind. Demgemäß arbeiten die Düse 1108 und das Innengehäuse 1104 in einem Luftraum innerhalb des Außengehäuses 1102 mit minimierten Fluidwiderstandsverlusten.
Ein Teil der Flüssigkeit kann vorübergehend auf den Schaufeln 1118 verbleiben und kann durch die Drehkraft des Innengehäuses 1104 auf die Innenfläche 1112 des Außengehäuses 1102 geworfen werden. Zudem kann ein Teil der Flüssigkeit auf die Schaufeln 1118 prallen und auf die Innenfläche 1112 abgelenkt werden.
Die Innenfläche 1112 kann mit Führungen gebildet sein, um Flüssigkeitsnebel innerhalb des Hohlraums 1110 zu minimieren. Die Minimierung von Flüssigkeitsnebel innerhalb des Hohlraums 1110 minimiert Fluidwiderstandsverluste des rotierenden Innengehäuses 1104, indem es überschüssige Flüssigkeit von dem rotierenden Innengehäuse 1104 fernhält. Die auf der Innenfläche 1112 enthaltenen Führungen können auch mit einem Verwirbelungsmuster ausgebildet sein, das ausgelegt ist, den Flüssigkeitsnebel effizient zu sammeln und die Flüssigkeit zum Auslass 1114 zu kanalisieren. Demgemäß bleibt der Hohlraum 1110 während des Betriebs im Wesentlichen frei von Flüssigkeit und im Wesentlichen mit Luft (oder einem anderen Gas) gefüllt, so dass der Düsenauslass 1124 der Düse 1108 nicht in der Flüssigkeit versenkt ist.
15 veranschaulicht ein Beispiel der Innenfläche 1112 in einer Querschnittsansicht des Außengehäuses 1102 der 11. Die Innenfläche 1112 beinhaltet Führungen in Form einer Mehrzahl von Fingern 1502, die sich von der Innenfläche 1112 nach außen, hin zum Innengehäuse 1104 erstrecken (11). Jeder der Finger 1502 kann als einzelnes pyramidenförmiges Element ausgebildet sein. In anderen Beispielen können die Finger 1502 Nuten, Ringe, Streben, Rillen oder irgendeine andere Form von Unregelmäßigkeit in der Innenfläche 1112 des Außengehäuses 1102 sein. Die Finger 1502 können in einem vorbestimmten Muster positioniert sein. Bei dem Muster kann es sich um ein Verwirbelungsmuster basierend auf einem Modell oder einer Analyse der aus dem rotierenden Innengehäuse 1104 und den Schaufeln 1118 geschleuderten Flüssigkeit handeln, um Flüssigkeitsnebel zu minimieren und die Kanalisierung der Flüssigkeit zum Auslass 1114 zu maximieren (11).
Die Finger 1502 können Flüssigkeitsnebel der die Innenfläche 1112 des Außengehäuses 1102 berührenden Flüssigkeit minimieren. Zudem können die Finger 1502 gestaltet sein, das Wasser zu einem mittleren Kanal 1504 und den äußeren Kanälen 1506, die in dem Außengehäuse 1102 enthalten sind, zu kanalisieren. Der mittlere Kanal 1504 und die äußeren Kanäle 1506 können V-förmige Nuten oder eine andere Form von Schacht zum Kanalisieren der Flüssigkeit hin zum Auslass 1114 sein (11). Die Innenfläche 1112 kann auch eine Mehrzahl von Zweigkanälen 1508 beinhalten. Die Zweigkanäle 1508 können bogenförmige Bahnen in der Innenfläche 1112 sein, die die Flüssigkeit zum mittleren Kanal 1504 oder zu den äußeren Kanälen 1506 kanalisieren. Die Kanäle können auch in einem Verwirbelungsmuster basierend auf einem Modell oder einer Analyse der aus dem rotierenden Innengehäuse 1104 geschleuderten Flüs sigkeit positioniert sein, um Flüssigkeitsnebel zu minimieren und die Kanalisierung der Flüssigkeit zum Auslass 1114 zu maximieren (11).
Die Finger 1502 können entlang jedem der Zweigkanäle 1508 positioniert sein. Flüssigkeit, die auf die Finger 1502 prallt, kann durch die Finger 1502 „eingefangen" werden. Die Flüssigkeit kann von den Fingern 1502 ab- und in die Zweigkanäle 1508 und dann in den mittleren Kanal 1504 oder die äußeren Kanäle 1506 hineinfließen.
16 ist eine Seitenansicht des in 11 abgebildeten Außengehäuses 1102, bei dem das Innengehäuse 1104 und die Zentrierungsstange 1106 zum Zweck der Veranschaulichung entfernt wurden. Die Innenfläche 1112 des Außengehäuses 1102 beinhaltet die Finger 1502, die entlang einer Mehrzahl von Zweigkanälen 1602 platziert sind, welche bogenförmige Bahnen für Flüssigkeit in der Innenfläche 1112 bilden. Von den Fingern 1502 „eingefangene" Flüssigkeit fließt von den Fingern 1502 ab und in die Zweigkanäle 1602 und wird zu den Außenkanälen 1506 (14) und/oder dem Auslass 1114 kanalisiert.
17 ist eine Querschnittsansicht des Bodens des in 11 veranschaulichten Außengehäuses 1102, der den Auslass 1114 beinhaltet. Der Boden des Gehäuses 1102 beinhaltet auf ähnliche Weise eine Mehrzahl von Zweigkanälen 1702, bei denen es sich um bogenförmige Verläufe handelt, die die Flüssigkeit zum Auslass 1114 leiten. Die Finger 1502 können entlang jedem der Zweigkanäle 1702 platziert sein.
18 ist eine perspektivische Explosionsansicht des in 11 veranschaulichten Innengehäuses 1104, das die Zentrierungsstange 1106 beinhaltet. Auch im Innengehäuse 1104 enthalten sind die Buchsen 1116, die Schaufeln 1118, eine erste Nabe 1802, eine zweite Nabe 1804, ein Rotor 1806 und ein Stator 1808. Die Zentrierungsstange 1106 kann sich durch das Innengehäuse 1104 entlang einer Mittenachse 1812 erstrecken und wirkt mit den Buchsen 1116 zusammen, um eine zentrierende Funktion für den Stator 1808 bereitzustellen. Die Buchsen 1116 können ausgebildet sein, um axial in eine Buchsenöffnung 1816 zu passen, die in einem ersten Ende jeder der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 gebildet ist.
Die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 können aus Kunststoff, Kohlenstofffasern oder irgendeinem anderen steifen Material gebildet sein. Die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 können im Allgemeinen jeweils zylindrisch sein und einen Hohlraum mit einem offenen Ende 1818 bilden. Das offene Ende 1818 kann sich an einem zweiten Ende gegenüber dem ersten Ende befinden, das die Buchsenöffnung 1816 beinhaltet. Die erste und zweite Nabe 1802 und 1804 können an den offenen Enden 1818 zusammengekoppelt sein, um die Außenfläche 1120 (11) des Innengehäuses 1104 zu bilden.
Die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 beinhalten jeweils einen Haltering 1820. Der Haltering 1820 beinhaltet eine Mehrzahl von sich nach außen um den Rand des offenen Endes 1818 parallel zur Mittenachse 1812 erstreckenden Nasen 1822. Eine Mehrzahl von Aussparungen 1824 können zwischen jeder der Nasen 1822 im Haltering 1820 gebildet sein. Die Nasen 1822 können ausgerichtet sein, einander anliegend zu berühren, wenn die erste und zweite Nabe 1802 und 1804 an den offenen Enden 1818 gekoppelt sind. Die Aussparungen 1824 können somit auch zwischen der ersten und zweiten Nabe 1802 und 1804 fluchten, um Öffnungen zu bilden.
Die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 beinhalten auch eine Mehrzahl von Schlitzen 1826, die sequenziell und konzentrisch um die Außenfläche des Innengehäuses 1104 angeordnet sein können. Die Schlitze 1826 bilden Öffnungen, die eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Hohlraum innerhalb des Innengehäuses 1104 und der Außenseite des Innengehäuses 1104 erlauben. Demgemäß kann Flüssigkeit durch die Schlitze 1826 in das Innengehäuse 1104 eintreten oder aus diesem austreten.
Wenn sich das Innengehäuse 1104 dreht, fließt Flüssigkeit im Innengehäuse 1104 aufgrund der erzeugten rotationsbezogenen Zentrifugalkraft durch die Schlitze 1826 nach außen. Somit werden Fluidwiderstandsverluste aufgrund von Flüssigkeit innerhalb des Innengehäuses 1104 minimiert, indem die Flüssigkeit permanent durch die Schlitze 1826 abgeführt wird, wenn sich das Innengehäuse 1104 mit hoher UpM dreht. Das rotierende Innengehäuse 1104 kann deshalb den Hohlraum im Wesentlichen frei von Flüssigkeit halten. Der Hohlraum kann im Wesentlichen trocken und mit Luft (oder einem anderen Gas) gefüllt sein. Obwohl der Hohlraum nass sein kann, kann der Hohlraum ohne Flüssigkeitsmengen bleiben, die ausreichen, einen effizienten Betrieb zu beeinträchtigen. Die Schlitze 1826 können auch einen Luftstrom durch das Innengehäuse 1104 zum Kühlen bereitstellen.
Innerhalb des jeweils in der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 gebildeten Hohlraums befindet sich eine Mehrzahl von Halte rungselementen 1828, die sich von der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 nach außen in Richtung auf die Mittenachse 1812 erstrecken. Die Halterungselemente 1828 können einen bestimmten Abstand voneinander entfernt positioniert sein, um eine Mehrzahl von Kerben 1830 zwischen den Halterungselementen 1828 zu bilden. Die Halterungselemente 1828 können als integraler Bestandteil der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 gebildet sein. Alternativ können die Halterungselemente 1828 eigenständig aus Kunststoff, Metall, Kohlenstofffasern oder irgendeinem anderen steifen Material gebildet sein, das mit einer Innenfläche jeder der ersten und zweiten Nabe 1802 und 1804 innerhalb der jeweiligen Hohlräume gekoppelt sein kann.
Der Rotor 1806 kann einen Halterungsring 1834 und einen Magneten 1836 beinhalten. Der Halterungsring 1834 kann eine zylindrische Muffe sein, die mit Eisen oder einem anderen ähnlichen eisenhaltigen (oder nicht eisenhaltigen) Material gebildet ist. Wenn die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 zusammen gekoppelt sind, kann ein Teil des Halterungsrings 1834 im Hohlraum jeweils der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 positioniert sein. Der Halterungsring 1834 kann mit Halterungselementen 1828 innerhalb jeder der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 koppeln, so dass sich der Halterungsring 1834 mit dem Innengehäuse 1104 dreht. Der Halterungsring 1834 kann als ein Flusskonzentrator ausgestaltet sein, um mit dem Magneten 1836 zur Verbesserung der Generatoreffizienz zu arbeiten.
Der Magnet 1836 kann mit dem Halterungsring 1834 gekoppelt sein und sich auch mit dem Innengehäuse 1104 drehen. Der Magnet 1836 kann ein Dauermagnet, wie ein gesinterter oder gebondeter Seltenerdemagnet aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), sein. Der Magnet 1836 kann als eine durchgängige Einzelstruktur mit der gewünschten Anzahl von entlang der Struktur konfigurierten Nord- und Südpolen ausgebildet sein. Alternativ kann eine Mehrzahl von einzelnen Magneten ausgerichtet und mit dem Halterungsring 1834 gekoppelt sein.
Die Gegen-EMF des Generators kann vorteilhafterweise durch Koppeln des Magneten 1836 unmittelbar mit den Halterungselementen 1828 verringert werden. So kann der Halterungsring 1834 entfallen. Wie vorstehend erörtert, erlaubt die Verringerung der Gegen-EMF eine schnellere Beschleunigung, was bei einigen Beanspruchungen, wie der Bereitstellung der Fähigkeit der „sofortigen Betriebsbereitschaft" einer UV-Lichtquelle, vorteilhaft sein kann.
Der Stator 1808 kann mit einer Mehrzahl von Polen 1840 gebildet und mit einer oder mehreren ortsfesten Wicklungen (nicht gezeigt) gewickelt sein, wie vorstehend erörtert. Die Pole 1840 können Metalllamellen sein, die mit einer Montageplatte 1842 gekoppelt sind. Die Montageplatte 1842 kann aus Metall, Kunststoff oder irgendeinem anderen steifen Material sein und kann mit der Zentrierungsstange 1106 gekoppelt sein. Der Stator 1808 kann in dem Hohlraum positioniert sein, der von der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 gebildet wird, so dass der Magnet 1836 um den Stator 1808 angrenzend an die Pole 1840 mit einem Luftspalt dazwischen positioniert ist.
Der Stator 1808 kann nass oder trocken betrieben werden, da die Wicklung(en) mit einem nicht leitenden Material, wie einer Emaillebeschichtung auf dem zum Bilden der Wicklungen verwendeten Draht, abgedichtet sein kann bzw. können. Alternativ kann bzw. können die Wicklung(en) mit Kunststoff, Gummi oder einem anderen wasserfesten Material umspritzt werden. Neben dem Bereitstellen von Wasserbeständigkeit kann eine solche Umspritzung auch Kanten und andere Merkmale des Stators 1808 verringern, die zu Fluidwiderstandsverlusten beitragen können, wenn das Innengehäuse 1104 mit hoher Geschwindigkeit um den Stator 1808 gedreht wird.
Die Kombination aus Rotor 1806 und Stator 1808 kann einen Generator bilden, der eine dreiphasige Leistung erzeugt. Alternativ kann der Generator eine einphasige Leistung erzeugen. Von dem Generator erzeugte Leistung kann auf einer Leistungszufuhrleitung 1844 bereitgestellt werden. Die Leistungszufuhrleitung 1844 kann mit den Wicklung(en) des Stators 1808 elektrisch verbunden sein. Die Leistungszufuhrleitung 1844 kann durch einen Durchgang geführt werden, der entlang der Mittenachse 1812 durch die Zentrierungsstange 1106 verläuft. Neben der Leistung können auch die Drehung des Rotors und/oder die erzeugte Leistung überwacht werden, um strömungsbasierte Messungen durchzuführen.
Der Luftspalt zwischen dem Stator 1808 und dem Magneten 1836 kann durch das Magnetfeld des Magneten 1836 in Verbindung mit der Zentrierungsstange 1106 und den umgebenden Buchsen 1116 aufrechterhalten werden. Der Stator 1808 kann mit der Zentrierungsstange 1106 gekoppelt sein. Demgemäß veranlasst das rotierende Magnetfeld, wenn sich das Innengehäuse 1104 und damit der Rotor 1806 dreht, die Erzeugung von elektrischer Leistung in den Wicklung(en) des Stators 1808.
Während des Betriebs kann das Innengehäuse 1104 mit einer relativ hohen Umdrehung pro Minute (UpM), wie über 5000 UpM, durch einen einzigen Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrom gedreht werden. Die relativ hohe UpM lässt sich aufgrund der relativ geringen Größe des Innengehäuses 1104 und minimierten Fluidwiderstandsverlusten erreichen. Der Durchmesser des im Allgemeinen zylindrischen Innengehäuses 1104 kann weniger als ca. 40 mm betragen, wie in einem Bereich von ca. 40 mm bis ca. 10 mm. Da der Durchmesser des Düsenauslasses 1124 (11) der Düse 1108 (11) in einem Bereich von ca. 1,9 mm bis ca. 0,8 mm liegen kann, beträgt der Durchmesser des Düsenauslasses 1124 zwischen ca. 4,75% und ca. 8% des Durchmessers des Gehäuses 1104.
Die Drehgeschwindigkeit des Innengehäuses 1104, und daher die von dem Generator erzeugte Menge an Leistung, kann auf der Geschwindigkeit der von der Düse 1108 (11) abgegebenen Flüssigkeit und dem Durchmesser des Innengehäuses 1104 beruhen. So kann für einen Bereich von Durchmessern des Düsenauslasses 1124 (11) der Düse 1108 (11) und einen Bereich von Durchmessern des Innengehäuses 1104 innerhalb eines Bereichs von Flüssigkeitsdrücken und Flussraten ein Leistungsbereich ausgegeben werden. Beispielsweise kann ein zwischen ca. 0,8 mm und ca. 1,9 mm liegender Durchmesserbereich des Düsenauslasses 1124 der Düse 1108 zwischen ca. 0,44 l/Min. und ca. 4,16 l/Min. (ca. 0,115 Gallonen/Min. und ca. 1,1 Gallonen/Min.) abgeben. Die Flussrate kann auf einem Druckbereich am Düseneinlass 1122 (11) von zwischen ca. 34 kPa und ca. 413 kPa (ca. 5 lb/sq. Inch und ca. 60 lb/sq. Inch) beruhen. Die resultierende Drehung des Innengehäuses 1104 kann zwischen 0,25 Watt und ca. 30 Watt Leistung generieren. Leistung von dem Generator kann in diesem beispielhaf ten Bereich eine UV-Lampe oder eine Elektronikanordnung unmittelbar antreiben und/oder kann zum Laden einer Energiespeichervorrichtung, wie einem Kondensator, einem Superkondensator, einem Ultrakondensator und/oder einer Batterie, gleichgerichtet werden.
Der Magnet 1836 kann auch für eine Auswuchtung bzw. Ausgleichung und Ausrichtung des Innengehäuses 1104 sorgen. Das Gewicht des Magneten 1836 kann so gestaltet sein, dass es die Drehung des Innengehäuses 1104 zum Erhöhen der Effizienz ausgleicht. So kann sich das Innengehäuse 1104 problemlos mit einer hohen UpM mit minimierter Vibration oder anderen mit einer unausgeglichenen Drehung zusammenhängenden Effekten drehen. Wie vorstehend erörtert, kann auch das Gewicht des Magneten 1836 aufgrund der effizienten Leistungserzeugung bei hoher UpM minimiert werden.
Zudem kann das Magnetfeld des Magneten 1836 die Ausrichtung des Rotors 1806, und damit des Innengehäuses 1104, mit dem Stator 1808 aufrechterhalten. Das im Wesentlichen gleich verteilte Magnetfeld des Magneten 1836 kann den Rotor 1806 und den Stator 1808 axial ausrichten. Demgemäß kann das Innengehäuse 1104 auch mit der Zentrierungsstange 1106 axial ausgerichtet sein. Die Buchsen 1116 und die Zentrierungsstange 1106 können das axiale Ausrichten des Innengehäuses 1104 zwar unterstützen, doch kann das Innengehäuse 1104 durch das Magnetfeld des Magneten 1836 in axialer Ausrichtung mit der Zentrierungsstange 1106 aufgehängt sein. So lassen sich Reibungsverluste zwischen den umgebenden rotierenden Buchsen 1116 und der nicht rotierenden Zentrierungsstange 1106 minimieren. Zudem kann das Magnetfeld das Positionsverhältnis des Innengehäuses 1104 zum Stator 1808 aufrechter halten, wenn der Wasserkraftenergiegenerator 12 vertikal, horizontal, etc. ohne die Verwendung von Streben, Arretiereinrichtungen oder irgendwelchen anderen Mechanismen zum Beibehalten der relativen Positionierung angebracht ist.
Wie in den 11 und 18 veranschaulicht, können die Schaufeln 1118 einen Ring bilden, der das Innengehäuse 1104 konzentrisch umgibt. Die Schaufeln 1118 können einzeln gefertigte Teile sein, die mit der Außenfläche des Innengehäuses 1104 gekoppelt sind. Jede der Schaufeln 1118 kann in einer der Kerben 1824 in Position gehalten sein, um den Ring zu bilden, wenn die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 zusammen gekoppelt sind. Alternativ können die Schaufeln 1118 einzeln oder als Gruppe an die erste und/oder die zweite Nabe 1802 und 1084 durch Kleben, Schweißen, Reibschluss oder irgendeinen anderen Mechanismus gekoppelt sein.
Die Schaufeln 1118 können einzeln gefertigt und dann zu einem Ring zusammengesetzt werden, um Kosten zu reduzieren und die Herstellbarkeit zu verbessern. Zudem kann der Durchmesser des Innengehäuses 1104, und damit der Durchmesser des Rings der Schaufeln 1118, ohne wesentliche Veränderungen der Geometrie der einzelnen Schaufeln 1118 variiert werden. Die Gestaltung jeder der einzelnen Schaufeln 1118 sowie der Halterungsringe 1820 in jeweils der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 kann zusammenwirken, um die Position der Schaufeln 1118 in den Kerben 1824 aufrechtzuerhalten.
19 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für eine der in 18 veranschaulichten Schaufeln 1118. Die veranschaulichte Schaufel 1118 kann im Allgemeinen konkav sein und beinhaltet ein Grundteil 1902, einen ersten Schaufelabschnitt 1904, einen zweiten Schaufelabschnitt 1906 und eine Aussparung 1908. Das Grundteil 1902 kann ausgebildet sein, um in angrenzende Aussparungen 1824 (18) der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 (18) zu passen. Das Grundteil 1902 kann eine untere Fläche 1912 und einen Sockel 1914 aufweisen. Die untere Fläche 1912 kann mit einem vorbestimmten Krümmungsradius ähnlich dem Krümmungsradius der Innenfläche der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 (18) gekrümmt sein. Der Sockel 1914 kann im Allgemeinen von dreieckiger Form sein und eine erste geneigte Fläche 1916, eine zweite geneigte Fläche 1918 und eine Stirnfläche 1920 beinhalten.
Nun wird auf die 18 und 19 Bezug genommen, in denen, wenn die Schaufel 1118 in dem Innengehäuse 1104 angebracht ist, das Grundteil 1902 in angrenzend positionierten Kerben 1824 jeder der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 angeordnet sein kann. Der Sockel 1914 jeder Schaufel 1118 kann durch die Nasen 1822 an der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 in den Kerben 1824 gehalten sein. In dem veranschaulichten Beispiel können die erste und die zweite geneigte Fläche 1916 und 1918 in angrenzender Berührung mit einer der Nasen 1822 an jeder der ersten und der zweiten Nabe 1802 bzw. 1804 stehen. Zudem kann die Stirnfläche 1920 in angrenzender Berührung mit einer angrenzend angebrachten Schaufel 1118 stehen.
20 ist eine Querschnittsdraufsicht auf die Schaufel 1118 der 19, die den ersten und den zweiten Schaufelabschnitt 1904 und 1906 und den Sockel 1914 veranschaulicht. Auch ist eine Rückfläche 2002 der Schaufel 1118 veranschaulicht. Wenn die Schaufel 1118 am Innengehäuse 1104 (11) angebracht ist, kann die Rückfläche 2002 mit der Stirnfläche 1920 (19) des Sockels 1914 einer angrenzend angebrachten Schaufel 1118 in angrenzender Berührung stehen. So wird das Grundteil 1902 (19) der Schaufel 1118 durch die Kombination der Nasen 1822 (18) und die Schaufeln 1118, die angrenzend im Ring der Schaufeln 1118 positioniert sind, effektiv fixiert. Das Grundteil 1902 jeder der Schaufeln 1118 kann einen Teil eines ununterbrochenen konzentrischen Rings angrenzend an die Außenfläche des Innengehäuses 1104 bilden. Die Schaufeln 1118 können durch Reibschluss, Kleben, Schweißen oder irgendeinen anderen Kopplungsmechanismus oder irgendein anderes Material in ihrer Position gehalten werden.
Nun wird wieder auf 19 Bezug genommen, in der der erste und der zweite Schaufelabschnitt 1904 und 1906 jeweils eine eigene Auskehlung oder Vertiefung bereitstellen können, die zur Aufnahme eines Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstroms fähig ist. Wie am besten in 20 veranschaulicht, können der erste und der zweite Schaufelabschnitt 1904 und 1906 jeweils ellipsenförmig sein, um das Fließen von auf die Schaufelabschnitte 1904 und 1906 auftreffender Flüssigkeit zu optimieren. Die Aussparung 1918 erlaubt es dem Flüssigkeitsstrom, jede der Schaufeln 1118 effizient zu treffen, wenn sich das Innengehäuse 1104 (11) mit hoher UpM dreht.
Das vorstehend beschriebene Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann auch die Fähigkeiten eines Wasseraufbereitungssystems beinhalten. In einem Beispiel kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem an einem Wasserhahn oder einer anderen Rohranlage angebracht werden. Der Einlass des an einem Wasserhahn angebrachten Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 kann mit dem Wasserauslassende des Wasserhahns gekoppelt sein. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann neben der vorstehend erörterten Fähigkeit der Energieerzeugung einen Kohlefilter und eine ultraviolette (UV) Lampe aufweisen. Zudem kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 einen Flüssigkeitsumlenker beinhalten, um das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 zu umgehen, wenn kein aufbereitetes Wasser gewünscht wird. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann auch eine Verarbeitungsvorrichtung, wie einen Mikroprozessor, zum Überwachen der UV-Lampe und der Lebensdauer des Filters beinhalten. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann, wie vorstehend erörtert, eine Detektion der Flüssigkeitsströmung bereitstellen, zur Verwendung beim Überwachen der Lebensdauer des Filters. Zudem kann mit dem Mikroprozessor das Ende der Lebensdauer der UV-Lampe überwacht werden. Ferner kann das Umschalten von Anzapfungen und/oder Spulen von dem Mikroprozessor dynamisch gelenkt werden, um eine erste Spannung zur anfänglichen Energieversorgung der UV-Lampe und eine beständige Energieversorgung der UV-Lampe bereitzustellen, wie vorstehend erörtert.
Auch andere Anwendungen, die mit einem druckbeaufschlagten Flüssigkeitsstrom einhergehen und eine Energiequelle erfordern, können durch das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 bereitgestellt werden. Beispielsweise können Rohranlagen mit Bewegungsdetektoren, elektrisch betriebene Ventile oder irgendeine andere Vorrichtung, deren Betrieb eine elektrische Energiequelle erfordert, als Teil des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 aufgenommen werden.
21 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Rohranlage 2100 für eine Toilette, wie ein Sitz-WC oder ein Urinal, die als Teil des Wasserkraftenergieerzeugungssystems aufgenommen ist. Die Rohranlage 2100 beinhaltet einen Wassereinlass 2102 zum Aufnehmen von Wasser und einen Wasserauslass 2104 zum Ablassen von Wasser. Die Rohranlage 2100 beinhaltet auch ein Ventilmodul 2106, ein Elektronikmodul 2108 und ein Leistungserzeugungsmodul 2110. In anderen Beispielen können ein Wasserhahn, eine Dusche oder irgendeine andere Rohranlage mit einem Steuerventil, einem Wassereinlass und einem Wasserauslass einfach in das Wasserkraftenergieerzeugungssystem aufgenommen werden. In vorliegender Verwendung ist der Begriff „Rohranlage" so definiert, dass er Vorrichtungen mit Bezug zu sanitären Räumen, wie Wasserhähne, Toilettenspülmechanismen, Sprühmechanismen und Duschen, umfasst. Zudem können Rohranlagen Sprinkler, Springbrunnen und jegliche anderen Vorrichtungen und Mechanismen umfassen, die zum Steuern und/oder Kanalisieren eines Flüssigkeitsstroms bei Drücken von weniger als ca. 1034 kPa (ca. 150 lbs./sq. inch) verwendet werden.
22 ist eine abgeschnittene Seitenansicht der in 21 veranschaulichten beispielhaften Rohranlage 2100, die den Einlass 2102, den Auslass 2104, das Ventilmodul 2106, das Elektronikmodul 2108 und das Leistungserzeugungsmodul 2110 beinhaltet.
Das Ventilmodul 2106 beinhaltet ein elektrisch betriebenes Ventil 2202. Das elektrisch betriebene Ventil 2202 kann irgendeine elektromechanische Ventilvorrichtung sein, die imstande ist, mit Spannung und Strom zum Öffnen und Schließen eines Flüssigkeitsströmungsweges betätigt zu werden. Bei Energiezufuhr kann sich das elektrisch betriebene Ventil 2202 an eine Position bewegen, die einen Flüssigkeitsströmungsweg durch das Ventilmodul 2106 öffnet. Wenn der Flüssigkeitsströmungsweg geöffnet wird, kann am Einlass 2102 zugeführte, unter Druck stehende Flüssigkeit durch das Ventilmodul 2106 und das Leistungserzeugungsmodul 2110 zum Auslass 2104 fließen. Bei Beendigung der Energiezufuhr kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 den Flüssigkeitsströmungsweg absperren und dadurch das Strömen von Flüssigkeit durch das Ventilmodul 2106 und das Leistungserzeugungsmodul 2110 abbrechen.
Das Leistungserzeugungsmodul 2110 beinhaltet das Außengehäuse 1102, das Innengehäuse 1104, die Zentrierungsstange 1106 und die Düse 1108, die den mit Bezug auf die 11 bis 20 erörterten Ausführungsformen ähneln. Dementsprechend wird auf eine Wiederholung einer ausführlichen Erörterung dieser Merkmale verzichtet. In anderen Beispielen können Merkmale und/oder Komponenten, die irgendwelchen der anderen vorstehend erörterten Ausführungsformen ähneln, in das Leistungserzeugungsmodul 2110 aufgenommen werden. Das Außengehäuse 1102 beinhaltet auch eine Abflussöffnung 2204, um Flüssigkeit nach dem Aufprall auf das Innengehäuse 1104 zum Auslass 2104 zu kanalisieren. Das Innengehäuse 1102 kann zur Wartung und/oder Reparatur als Einheit von der Rohranlage abgenommen werden. Unter Druck stehende Flüssigkeit, die dem Einlass 2102 zugeführt wird, wird durch die Düse 1108 auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und in einem Flüssigkeitsstrom auf die Schaufeln 1118 gerichtet, die an der Außenfläche des Innengehäuses 1104 positioniert sind.
Der Großteil der kinetischen Energie im Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrom wird in Rotationsenergie umgesetzt, um das In nengehäuse 1104 bei einer hohen UpM zu drehen. Die Flüssigkeit fällt durch die Schwerkraft zum Wasserauslass 2104 der Rohranlage 2100 ab. Flüssigkeitsnebel innerhalb des Hohlraums des Außengehäuses 1102 kann durch die Gestaltung der Innenfläche 1112 des Außengehäuses 1102 und die Abflussöffnung 2204 auch zum Wasserauslass 2104 kanalisiert werden. Eine Drehung mit hoher UpM des Innengehäuses 1104 erzeugt mit dem im Innengehäuse 1104 aufgenommenen Dauermagnet-Generator elektrische Leistung. Leistung kann vom Generator auf der Leistungszufuhrleitung 1844 erzeugt werden. Die Leistungszufuhrleitung 1844 kann durch den Durchgang in der Zentrierungsstange 1106 und einen Schacht 2206 zum Elektronikmodul 2108 geführt werden.
Das Elektronikmodul 2108 kann irgendeine diesbezügliche elektrische Schaltanordnung und Bauteile für die Rohranlage 2100 beinhalten. Das Elektronikgehäuse 2108 kann ein Ventilsteuergerät 2226, eine Energiespeichervorrichtung 2228, einen Leistungssteller 2230 und einen Sensor 2232 beinhalten. Das Ventilsteuergerät 2226 kann ein Teil des elektrisch betriebenen Ventils 2202 sein und kann irgendeine Vorrichtung sein, die imstande ist, das Öffnen und Schließen des elektrisch betriebenen Ventils 2202 unter Verwendung von Spannung und Strom zu betätigen. Das Ventilsteuergerät 2226 kann einen Elektromotor, einen Drehantrieb, einen Elektromagneten oder irgendeine andere Vorrichtung beinhalten, die imstande ist, einen Ventilmechanismus zu bewegen. Zudem kann das Ventilsteuergerät 2226 Endabschalter oder irgendeine andere Form von Positionserfassungsvorrichtung(en) zum Bestimmen der Position des elektrisch betriebenen Ventils 2202 beinhalten. Das Ventilsteuergerät 2226 kann von der Energiespeichervorrichtung 2228 mit Leistung versorgt werden.
Die Energiespeichervorrichtung 2228 kann eine Batterie und/oder ein Kondensator und/oder irgendeine andere Schaltung oder Vorrichtung(en) sein, die imstande sind, Energie in Form von Spannung und Strom zu speichern. Der Leistungssteller 2230 ist mit dem Ventilsteuergerät 2226 und der Energiespeichervorrichtung 2228 gekoppelt. Der Leistungssteller 2230 kann irgendeine Schaltung oder Vorrichtung sein, die imstande ist, den Betrag einer Spannung in der Energiespeichervorrichtung 2228 zu überwachen und den Betrieb des elektrisch betriebenen Ventils 2202 zu steuern.
Während des Betriebs wird der Betrag der Spannung in der Energiespeichervorrichtung 2228 durch den Leistungssteller 2230 überwacht. Wenn die Spannung unter einen bestimmten Schwellwert abfällt, kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 durch den Leistungssteller 2230 zum Öffnen aktiviert werden. Dem Ventilsteuergerät 2226 kann von der Energiespeichervorrichtung 2228 Leistung zugeführt werden, um das elektrisch betriebene Ventil 2202 zu betätigen. Wird das elektrisch betriebene Ventil 2202 geöffnet, fließt unter Druck stehende Flüssigkeit durch das Ventilmodul 2106 zur Düse 1108. Der Hochgeschwindigkeitsstrom von unter Druck stehender Flüssigkeit wird von der Düse 1108 auf das Innengehäuse gerichtet 1104, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die elektrische Leistung wird zum Wiederaufladen der Energiespeichervorrichtung 2228 verwendet.
Auch der Sensor 2232 kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 aktivieren. Der Sensor 2232 kann ein Bewegungssensor, ein Temperatursensor oder irgendeine andere Form einer Sensorvorrichtung sein, die imstande ist, einen oder mehrere Parameter in der Umge bung der Rohranlage 2100 zu erfassen. In diesem Beispiel kann der Sensor 2232 ein zum Erfassen von Bewegung fähiger Bewegungssensor sein. Als Reaktion auf eine Bewegung kann der Sensor 2232 das elektrisch betriebene Ventil 2202 unter Verwendung von Leistung von der Energiespeichervorrichtung 2228 zum Öffnen betätigen. Die Energiespeichervorrichtung 2228 kann anschließend von dem Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 mit Leistung, die aus dem Strömen von Flüssigkeit resultiert, wieder aufgeladen werden.
23 ist ein Schaltbild eines Beispiels der Energiespeichervorrichtung 2228 und des Leistungsstellers 2230. Die veranschaulichte Energiespeichervorrichtung 2228 beinhaltet eine erste Energiespeichervorrichtung 2302, eine zweite Energiespeichervorrichtung 2304 und eine dritte Energiespeichervorrichtung 2306. Der Leistungssteller 2230 beinhaltet einen Prozessor 2308, einen ersten Ladeschalter 2310, einen zweiten Ladeschalter 2312, einen dritten Ladeschalter 2314, einen Serien-/Parallelschalter 2316 und einen Laststeuerschalter 2318. In anderen Beispielen kann eine größere oder kleinere Anzahl von Energiespeichervorrichtungen und Schaltern benutzt werden.
Die erste, die zweite und die dritte Energiespeichervorrichtung 2302, 2304 und 2306 können irgendeine Vorrichtung sein, die imstande ist, elektrische Leistung zu speichern. In dem veranschaulichten Beispiel ist die erste Energiespeichervorrichtung 2302 eine Batterie und die zweite und die dritte Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 sind Kondensatoren zum Maximieren der Entladeleistung. Die Kondensatoren können ein oder mehrere elektrolytische Kondensatoren oder elektrochemische Kondensatoren, wie Superkondensatoren und/oder Ultrakondensatoren, sein. In anderen Beispielen können Batterien, Kondensatoren oder irgendeine Ausführung von Batterien und Kondensatoren verwendet werden. Die erste und die zweite Energiespeichervorrichtung 2302 und 2304 sind jeweils elektrisch mit einem Masseanschluss 2320 verbunden. Die dritte Energiespeichervorrichtung 2306 kann durch den Serien-/Parallelschalter 2316 elektrisch mit dem Masseanschluss 2320 verbunden werden.
Der Prozessor 2308 kann irgendeine Form einer Berechnungsvorrichtung sein, die imstande ist, Befehle zum Überwachen von Eingaben und zum Bereitstellen von Ausgaben auszuführen. Eingaben an den Prozessor 2308 beinhalten Eingabeleistung, die vom Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 (21) auf einer Leistungseingangsleitung 2330 zugeführt wird. Die durch den Generator zugeführte Leistung kann eine drei- oder einphasige AC-Leistung sein, der mit einer oder mehreren Dioden zum Bereitstellen einer DC-Leistung an den Prozessor 2308 gleichgerichtet wird.
Zu anderen Eingaben an den Prozessor 2308 gehören eine erste Ladungsangabe für die erste Energiespeichervorrichtung 2302 auf einer ersten Ladungsleitung 2332 und eine jeweilige zweite und dritte Ladungsangabe für die jeweilige zweite und dritte Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 auf jeweiligen zweiten und dritten Ladungsleitungen 2334 und 2336. Die Ladungsleitungen 2332, 2334 und 2336 geben dem Prozessor 2308 die Menge der in den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherten Ladung an. Zudem werden im veranschaulichten Beispiel dem Prozessor 2308 eine erste Entladungsangabe und eine zweite Entladungsangabe auf einer ersten Entladungsleitung 2338 bzw. einer zweiten Entladungsleitung 2340 als Eingaben zur Verfügung gestellt.
Die erste Entladungsangabe liefert die Entladungsmenge des Kondensators, der die zweite Energiespeichervorrichtung 2304 bildet. Die Entladungsmenge des Kondensators, der die dritte Energiespeichervorrichtung 2306 bildet, wird durch die zweite Entladungsangabe bereitgestellt.
Zu den Ausgaben aus dem Prozessor 2308 gehören Steuersignale zum Steuern des Betriebs des ersten Ladungssteuerschalters 2310, des zweiten Ladungsteuerschalters 2312 und des dritten Ladungssteuerschalters 2314. Zufuhr von Energie zum ersten Ladungssteuerschalter 2310 kann die erste Energiespeichervorrichtung 2302 auf einer ersten Ladungsleitung 2342 mit einer ersten Ladespannung versorgen. Eine zweite Ladespannung kann der zweiten Energiespeichervorrichtung 2304 auf einer zweiten Ladungsleitung 2344 geliefert werden, wenn der zweite Ladungssteuerschalter 2312 geschlossen ist. Dem dritten Ladungssteuerschalter 2314 kann Energie zugeführt werden, um der dritten Energiespeichervorrichtung 2306 auf einer dritten Ladungsleitung 2346 eine dritte Ladespannung zur Verfügung zu stellen.
Der Prozessor 2308 kann auch Ausgangssteuersignale zum Anweisen des Laststeuerschalters 2318, die Spannung auf einer Lastversorgungsleitung 2348 zu steuern, bereitstellen. Die Lastversorgungsleitung 2348 kann einer elektrischen Last Leistung zur Verfügung stellen. In diesem Beispiel gehört zur Last das elektrisch gesteuerte Ventil 2202 (22) und die in dem Elektronikmodul 2108 (21) enthaltene Elektronik. In anderen Beispielen kann irgendeine andere Last von der Lastversorgungsleitung 2348 versorgt werden.
Leistung auf der Lastversorgungsleitung 2348 kann durch den Prozessor 2308 aus dem Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 und/oder aus der in einer oder mehreren der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherten Ladung zugeführt werden. Beispielsweise kann, wenn der Generator Leistung erzeugt, der Prozessor 2308 diese Leistung auf der Lastversorgungsleitung 2348 unmittelbar der Last zur Verfügung stellen. Zudem kann der Prozessor 2308 Ladespannung(en) zum Laden einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 mit der vom Generator erzeugten Leistung bereitstellen. Alternativ kann der Prozessor 2308, wenn beispielsweise der Generator keine Leistung erzeugt (oder nicht genug Leistung erzeugt), Leistung aus der in einer oder mehreren der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherten Ladung auf der Lastversorgungsleitung 2348 bereitstellen.
Der Prozessor 2308 kann auch eine Steuerausgabe auf einer Ventilsteuerleitung 2350 zum Steuern des Betriebs des elektrisch betriebenen Ventils 2202 bereitstellen. Ausgaben aus dem Prozessor 2308 auf einer Statusleitung 2352 können den Betriebsstatus bereitstellen. Der Betriebsstatus kann Fehlerangaben, den Zustand der Ladung in den Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306, die Position des elektrisch betriebenen Ventils 2202 (22) oder jegliche anderen betriebsbezogenen Angaben oder Parameter umfassen. Die Statusleitung 2352 kann mit irgendeiner Form von Nutzerschnittstelle, wie Leuchtdiode(n) (LEDs), einer Anzeige, einem akustischen Alarm, etc. gekoppelt sein.
Der Serien-/Parallelschalter 2316 beinhaltet einen Serienschalter 2356 und einen Parallelschalter 2358. Der Prozessor 2308 kann Ausgaben zum Anweisen des Betriebs des Serienschalters 2356 und des Parallelschalters 2358 bereitstellen. Der Serienschalter 2356 und der Parallelschalter 2358 können die zweite und die dritte Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 in einer parallelen Konfiguration oder in einer seriellen Konfiguration gestalten:
In der parallelen Konfiguration kann ein niedrigerer Betrag der Entladespannung durch die zweite und die dritte Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 einzeln der Last zugeführt werden. In der seriellen Konfiguration kann der Last durch die kombinierte Entladung der zweiten und dritten Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 ein höherer Entladespannungsbetrag zugeführt werden. Der Prozessor 2308, die Ladungssteuerschalter 2310, 2312 und 2314, der Serien-/Parallelschalter 2316 und der Laststeuerschalter 2318 können mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC von engl. application specific integrated circuit) ausgeführt sein. Alternativ können separate Bauteile oder separate Bauteilgruppen benutzt werden.
Im Speicher gespeicherte Befehle können vom Prozessor 2308 zum Bereitstellen einer Ladungs- und Entladungssteuerung der ersten, zweiten und dritten Energiespeichervorrichtung 2302, 2304 und 2306 ausgeführt werden. Die Steuerung mit dem Prozessor 2308 kann auf bestimmten Schwellspannungen, bestimmten Schwellladungspegeln und auf der durch den Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 zugeführten Eingangsleistung basieren. Eine erste Schwellspannung kann ein Betrag der von dem Generator und/oder einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 zugeführten Eingangsspannung sein. Eine zweite Schwellspannung kann eine auf der Lastversorgungsleitung 2348 zugeführte Ausgangsspannung sein.
Die bestimmten Schwellladungspegel jeder der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 können ein vollständig geladener Zustand sein, der basierend auf den Eigenschaften der einzelnen Energiespeichervorrichtungen bestimmt werden kann. Auch können erste, zweite und dritte Entladungspegelschwellwerte für jede der jeweiligen Energiespeichervorrichtung 2302, 2304 und 2306 bestimmt werden. Jeder der Entladungspegelschwellwerte kann einen Entladungsgrenzwert und einen Entladungsabschaltwert beinhalten. Der Entladungsgrenzwert kann eine Absenkung des Ladungspegels auf einen Pegel unterhalb des vollständig geladenen Zustands anzeigen. Der Entladungsabschaltwert kann eine Absenkung der Ladung unter einen maximal gewünschten Pegel der Ladungsminderung anzeigen.
Zudem kann der Prozessor 2308 eine Zeitgebefähigkeit zum Bereitstellen einer Angabe über den Status der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 beinhalten. Ein Ladezeitgeber kann durch den Prozessor 2308 aktiviert werden zum Beginnen der Zeitgebung, wenn eine der Energiespeichervorrichtungen geladen wird. Basierend auf der bzw. den Ladungsangabe(n) auf der bzw. den Ladungsleitung(en) der einzelnen gerade geladenen Energiespeichervorrichtung(en) kann die Zeitgebung des Ladezeitgebers zum Bestimmen eines prozentualen Anteils der vollständigen Ladung, einer Laderate, etc. verwendet werden. Die ladungsbezogenen Bestimmungen können auf der Statusleitung 2352 bereitgestellt werden. Analog kann ein Entladezeitgeber durch den Prozessor 2308 befähigt werden, eine Zeitgebung während eines Entladezyklus jeder der ersten und der zweiten Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 zu beginnen. Die Entladeangaben auf den jeweiligen Entladungsleitungen 2338 und 2340 können von dem Entladezeitgeber zum Angeben der prozentuellen Entladung, der Entladerate, etc. jeder der zweiten und der dritten Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 auf der Statusleitung 2352 verwendet werden.
Wenn der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 Leistung erzeugt, kann der Prozessor 2308 selektiv eine oder mehrere der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 laden. Beispielsweise kann der Generator, wenn der Flüssigkeitsstrom bei einem relativ hohen Druck relativ hoch ist, reichliche Mengen von Leistung mit einer relativ hohen Spannung erzeugen. Unter diesen Bedingungen kann der Prozessor 2308 es dem ersten Ladeschalter 2310, dem zweiten Ladeschalter 2312 und dem dritten Ladeschalter 2314 ermöglichen, gleichzeitig alle Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 zu laden. Alternativ, wenn weniger Leistung oder eine Leistung niedrigerer Spannung generiert wird, kann der Prozessor 2308 weniger als alle der ersten, zweiten und dritten Ladeschalter 2310, 2312 und 2314 aktivieren.
Während des Betriebs, wenn die in einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherte Ladung den bestimmten Entladungsgrenzwert überschreitet, kann der Laststeuerschalter 2318 durch den Prozessor 2308 befähigt werden, der Last Leistung zuzuführen. Wenn die Last Leistung verbraucht und damit eine oder mehrere der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf einen Wert unterhalb des Entladungsgrenzwertes entlädt, kann der Prozessor 2308 das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) aktivieren, sich bei einem Steuersignal auf der Ven tilsteuerleitung 2350 zu öffnen. Wie vorstehend erörtert, bedingt der Strom von Flüssigkeit durch die Rohranlage 2100 (21) und das Leistungserzeugungsmodul 2110 die Generierung von Leistung durch den Generator.
Beim Erfassen von Eingangsleistung auf der Leistungseingangsleitung 2330 kann der Prozessor 2308 einen oder mehrere der Ladeschalter 2310, 2312 und 2314 zum Wiederaufladen der jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 aktivieren. Falls die Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 fortfahren, sich bis auf den Abschaltgrenzwert zu entladen, so kann der Laststeuerschalter 2318 vom Prozessor 2308 deaktiviert werden. Bei einem Verlust von Leistung an die Last auf der Lastversorgungsleitung 2348 kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) offen bleiben und der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 kann weiterhin Leistung liefern. Alternativ kann sich bei einem Leistungsverlust das elektrisch betriebene Ventil 2202 schließen, die Einspeisung von Leistung aus dem Generator kann aufhören und Leistung aus den Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 kann von dem Prozessor 2308 zum Anzeigen eines Fehlers auf der Statusleitung 2352 verwendet werden. Der Fehler kann mit Hilfe eines Anzeigeelementes, wie einer blinkenden Leuchtdiode (LED), angezeigt werden.
Während der Entladung bzw. Entnahme von Leistung aus einer oder mehreren der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 kann der Prozessor 2308 den Serien-/Parallelschalter 2316 zum Maximieren der Entladezeit selektiv umschalten. Zudem kann die Spannung auf der Lastversorgungsleitung 2348 durch selektives Umschalten des Serien-/Parallelschalters 2316 während des Entla devorgangs zum Maximieren der Effizienz aufrechterhalten werden. Ferner kann der Prozessor 2308 durch selektives Umschalten des Serien-/Parallelschalters 2316 den Betrag der Ausgabespannung auf andere Spannungsbeträge umstellen. Beispielsweise kann durch den Prozessor 2308 eine Eingangsspannung vom Generator von ca. 6 VDC in 3 VDC umgewandelt werden. In einem anderen Beispiel können von dem Generator zugeführte 1,5 VDC durch den Prozessor 2308 in 6 VDC umgewandelt werden.
24 ist ein anderes beispielhaftes Schaltbild der Energiespeichervorrichtung 2228 und des Leistungsstellers 2230. In diesem Beispiel beinhaltet der Leistungssteller 2230 den Prozessor 2308. Die Energiespeichervorrichtung 2228 beinhaltet eine Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen umfassend einen ersten Kondensator 2402, einen zweiten Kondensator 2404, einen dritten Kondensator 2406 und einen vierten Kondensator 2408, die elektrisch mit einem Masseanschluss 2410 verbunden sind. In anderen Beispielen können andere Konfigurationen und Anzahlen von Energiespeichervorrichtungen, wie eine Batterie anstelle des vierten Kondensators 2408, verwendet werden.
Der Prozessor 2308 kann auf der Leistungseingangsleitung 2330 vom Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 (21) Eingangsleistung empfangen. Die Eingangsleistung kann auch den ersten Kondensator 2402 aufladen. Somit kann der Prozessor 2308 mit Eingangsleistung von dem ersten Kondensator 2402 versorgt werden, wenn der Generator die Erzeugung von Leistung einstellt.
Der Prozessor 2308 kann das Laden und Entladen des vierten Kondensators 2408 anhand einer Ladesteuerleitung 2412 steuern. Das Laden des vierten Kondensators 2408 kann mit der auf der Leistungseingangsleitung 2330 zugeführten Leistung erfolgen. Das Entladen des vierten Kondensators 2408 kann auf der mit der Lastversorgungsleitung 2348 versorgten Last basieren. Die Last kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) und/oder irgendeine andere Elektronikeinheit in dem Elektronikmodul 2108 (21) beinhalten.
Der Prozessor 2308 kann die Last auf der Lastversorgungsleitung 2348 mit einer geregelten Ausgangsspannung versorgen. Die auf der Lastversorgungsleitung 2348 zugeführte Leistung kann aus dem Generator, dem ersten Kondensator 2402 und/oder dem vierten Kondensator 2408 stammen. Der zweite und der dritte Kondensator 2404 und 2406 können für eine Rauschunterdrückung etwaiger hochfrequenter Transienten sorgen, die auf der Lastversorgungsleitung 2348 vorliegen können.
Ähnlich wie im Beispiel der 23, kann der Prozessor 2308 eine Minderung der Ladung des vierten Kondensators 2408 unter den Entladungsgrenzpegel erfassen und ein Steuersignal auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum Öffnen des elektrisch betriebenen Ventils 2202 (22) übermitteln. Der resultierende Flüssigkeitsstrom kann den Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 (21) mit hoher UpM drehen, zum Generieren von Leistung auf der Leistungseingangsleitung 2330. Falls die Ladung des vierten Kondensators 2408 auf den Entladungsabschaltpegel abgesenkt wird, kann auf der Statusleitung 2350 ein Fehler erzeugt werden, das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) kann von der Energieversorgung genommen werden und Leistung an die Last kann ausgesetzt werden.
25 ist ein Prozessablaufdiagramm, das einen beispielhaften Arbeitsgang des Leistungsstellers 2230 der 22–23 veranschaulicht. Der Arbeitsgang beginnt bei Block 2502, wenn die gewünschte Ausgangsspannung an die Last, der gewünschte Ladungspegel und die gewünschten Entladungspegelschwellwerte (der Entladungsgrenzwert und der Entladungsabschaltwert) festgelegt und in dem Prozessor 2308 gespeichert werden. Der Prozessor 2308 kann bei Block 2504 Befehle zum Überwachen der Versorgungsspannung auf der Leistungseingangsleitung 2330 und der Lade- und Entladespannungen der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 ausführen.
Bei Block 2506 bestimmt der Prozessor 2308, ob der Betrag der Versorgungsspannung gleich oder größer ist als die gewünschte Ausgangsspannung an die Last. Falls die Versorgungsspannung größer ist als die gewünschte Ausgangsspannung, aktiviert der Prozessor 2308 einen oder mehrere der Ladeschalter 2310, 2312 und 2314, um die Zuführung von Leistung aus der Leistungseingangsleitung 2330 zum Laden einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 bei Block 2508 zu ermöglichen. Bei Block 2510 kann der Prozessor 2308 einen oder mehrere Ladezeitgeber zum Überwachen des Ladevorgangs der Energiespeichervorrichtung(en) 2310, 2312 und 2314 aktivieren. Zudem kann der Prozessor 2308 bei Block 2512 die Zufuhr von Leistung aus der Eingangsleistungsleitung 2330 zur Last auf der Lastversorgungsleitung 2348 ermöglichen. Der Arbeitsgang kehrt dann zu Block 2504 zurück, um die Überwachung der Spannungen und Ladungen fortzusetzen.
Falls bei Block 2506 die Versorgungsspannung nicht größer als oder gleich der gewünschten Ausgangsspannung ist, bestimmt der Prozessor 2308 bei Block 2518, ob die Versorgungsspannung auf der Eingangsleistungsleitung 2330 um einen bestimmten Betrag (x) geringer ist als die gewünschte Ausgangsspannung. Falls die Versorgungsspannung um mindestens den bestimmten Betrag (x) niedriger ist als die gewünschte Ausgangsspannung, ermöglicht es der Prozessor bei Block 2520 einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306, mit dem Entladen von gespeicherter Ladung auf den gespeicherte-Leistungsleitungen 2332, 2334 und 2336 zu beginnen. Der Prozessor 2308 kann die gespeicherte Ladung als Ausgangsspannung und -strom auf der Lastversorgungsleitung 2348 zum Versorgen der Last bereitstellen. Bei Block 2522 kann der Prozessor 2308 einen Entladezeitgeber zum Überwachen der Entladung von Leistung aus jeder der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 befähigen. Der Arbeitsgang kehrt dann zu Block 2504 zum Fortsetzen der Überwachung der Spannungen und Ladungen zurück.
Falls die Versorgungsspannung bei Block 2518 nicht geringer ist als die gewünschte Ausgangsspannung, bestimmt der Prozessor 2308, ob alle Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 bei Block 2526 vollständig geladen sind. Falls alle Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 vollständig geladen sind, bestimmt der Prozessor 2308 bei Block 2528, ob das elektrisch betriebene Ventil 2202 offen ist. Falls das elektrisch betriebene Ventil 2202 nicht offen ist, kehrt der Arbeitsgang zu Block 2504 zurück und überwacht die Spannungen. Falls das elektrisch betriebene Ventil 2202 offen ist, sendet der Prozessor 2308 bei Block 2530 ein Signal auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum Schließen des elekt risch betriebenen Ventils 2202. Der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 bricht die Erzeugung von elektrischer Leistung ab, wenn das elektrisch betriebene Ventil 2202 geschlossen ist.
Bei Block 2532 wird der bzw. werden die Entladezeitgeber rückgesetzt und der Arbeitsgang kehrt zu Block 2504 zum Überwachen der Spannungen und Ladungen zurück. Falls die Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 bei Block 2526 nicht alle vollständig geladen sind, bestimmt der Prozessor 2308 bei Block 2536, ob irgendeine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf einen geringeren Wert als den Entladungsabschaltwert entladen sind. Falls die Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf einen geringeren Wert als den Entladungsabschaltwert entladen sind, sperrt der Prozessor 2308 bei Block 2538 die Zufuhr von Ausgangsleistung auf der Ausgangsleistungsleitung 2348. Zudem sendet der Prozessor 2308 bei Block 2540 ein Signal auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum Schließen des elektrisch betriebenen Ventils 2202. Bei Block 2542 stellt der Prozessor 2308 auf der Statusleitung 2352 eine Anzeige bereit, dass der Ladevorgang der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 nicht durchgeführt werden kann. Der Arbeitsgang kehrt dann zu Block 2504 zum Überwachen der Spannungen und Ladungen zurück.
Falls bei Block 2536 keine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf einen niedrigeren Wert als den Entladungsabschaltwert entladen sind, bestimmt der Prozessor 2308 bei Block 2546, ob irgendeine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf einen niedrigeren Wert als den Entladungsgrenzwert entladen sind. Falls irgendeine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 oder 2306 auf einen niedrigeren Wert als den Entla dungsgrenzwert entladen ist, sendet der Prozessor 2308 bei Block 2548 ein Steuersignal auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum Öffnen des elektrisch betriebenen Ventils 2202. Wenn das elektrisch betriebene Ventil 2202 geöffnet wird, generiert der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 Leistung auf der Leistungseingangsleitung 2330. Der Arbeitsgang kehrt zu Block 2504 zum Laden der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 und Zuführen von Leistung aus dem Generator zur Last zurück. Falls bei Block 2546 keine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf einen niedrigeren Wert als den Entladungsgrenzwert entladen ist, kehrt der Arbeitsgang zu Block 2504 zurück und überwacht die Spannungen und Ladungen.
In einem anderen, der 21 ähnelnden Beispiel kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 eine Rohranlage beinhalten, bei der es sich um ein Wasserhahnsystem handelt. Das Wasserhahnsystem kann das Ventilmodul 2106, das Elektronikmodul 2108 und das Leistungserzeugungsmodul 2110 beinhalten. Der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 kann mindestens eine Energiespeichervorrichtung im Elektronikmodul 2108 laden. Der im Elektronikmodul 2108 enthaltene Leistungssteller kann ein unmittelbares Aufladen erlauben, bis die Energiespeichervorrichtung(en) geladen ist bzw. sind. Dies erlaubt es dem Wasserhahnsystem, gespeicherte Leistung über den Zeitraum hinaus zu verwenden, in der Flüssigkeit durch das Wasserhahnsystem fließt. Zudem kann ein einfacher manueller Drucktaster einen Flüssigkeitsstrom zum Rotieren des Generators in dem Leistungserzeugungsmodul 2110 zum Wiederaufladen der Energiespeichervorrichtung(en) veranlassen, falls das Wasserhahnsystem für längere Zeiträume nicht verwendet wird.
In noch einem anderen Beispiel kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem eine Rohranlage enthalten, bei der es sich um einen Duschkopf handelt. Der Duschkopf kann ein Radio und/oder andere wasserfeste Elektronikgeräte beinhalten. Das Radio kann wasserfest sein und AM, FM, ein CD- oder irgendein anderes Unterhaltungsgerät beinhalten. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem kann Merkmale ähnlich dem in den 9 und 10 veranschaulichten System beinhalten. Der Generator, der aus der in dem Stator kreisenden Turbine resultiert, kann eine Energiequelle zum Laden eines Kondensators, Superkondensators oder Ultrakondensators sein. Dies stellt eine Energiequelle für die Elektronikgeräte bereit, die keinen Wartungszyklus zum Ersetzen der Energiequelle erfordert, wie dies bei einer Batterie als Energiequelle der Fall ist. Der Duschkopf kann auch einen Duschzeitgeber mit einer Alarmeinrichtung und einer Vorwarnanzeigeeinrichtung beinhalten, um die Dusche zeitlich gesteuert zu halten. Die Alarmeinrichtung kann verwendet werden, um die Duschlänge auf einem bestimmten Zeitraum zu halten. Ferner kann der Duschkopf eine Uhr mit einer Anzeige enthalten, die bei laufender Dusche beleuchtet ist. In Zeiten, in denen keine Flüssigkeit fließt, kann die Uhr, um Leistung zu sparen, ohne Beleuchtung aus der Energiespeichervorrichtung arbeiten.
26 veranschaulicht noch ein anderes Beispiel des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das ein Außengehäuse 2602, ein Innengehäuse 2604, eine Zentrierungsstange 2606 und eine Düse 2608 beinhaltet. Das Innengehäuse 2604 ist in einem in dem Außengehäuse 2602 gebildeten Hohlraum 2610 positioniert und beinhaltet eine Mehrzahl von Schaufeln 2612, die an einer Außenfläche 2613 des Innengehäuses 2604 positioniert sind. Das Außengehäuse 2602 beinhaltet einen Auslass 2614 und eine Innenwand 2616. Die Merkmale des in 26 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 ähneln in vielerlei Hinsicht den vorstehend erörterten Beispielen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems. Somit wird die folgende Erörterung der Kürze halber auf Unterschiede zu den vorstehend erörterten Beispielen abstellen.
In dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet das Außengehäuse 2602 einen Innengehäuseabschnitt 2618, einen Düsenabschnitt 2620, einen Ablassabschnitt 2622 und einen Stromsammelabschnitt 2624. Der Innengehäuseabschnitt 2618 ist ausgebildet, einen Teil des Innengehäuses 2604 angrenzend zu umgeben. Die Schaufeln 2612 sind angrenzend an die Innenwand 2616 des Innengehäuseabschnitts 2618 positioniert, um Flüssigkeitswiderstand zu minimieren. Wie in den vorangehenden Beispielen kann die Innenwand 2616 im Innengehäuseabschnitt 2618 Führungen (nicht gezeigt) zum Kanalisieren von Flüssigkeit hin zum Auslass 2614 beinhalten.
Der Düsenabschnitt 2620 bildet das Oberteil des Außengehäuses 2602 und ist gestaltet, die Düse 2608 aufzunehmen. Die Düse 2608 ist positioniert, das Außengehäuse 2602 zu durchdringen und einen im Wesentlichen vertikalen Flüssigkeitsstrom auf die Schaufeln 2612 des Innengehäuses 2604 zu richten. Der im Wesentlichen vertikale Flüssigkeitsstrom kann aus einem Düsenauslass 2626 der Düse 2608 in einem klar definierten, im Wesentlichen laminaren Strom mit relativ hoher Geschwindigkeit abgegeben werden. Der Flüssigkeitsstrom kann nach dem Ablassen im Wesentlichen den Durchmesser des Düsenauslasses 2626 beibehalten. Flüssigkeitsnebel lässt sich daher minimieren und die kinetische Energie im Flüssigkeitsstrom kann in einem relativ kleinen Bereich fokussiert werden.
27 ist eine abgeschnittene Seitenansicht des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das das Außengehäuse 2602, das Innengehäuse 2604, die Zentrierungsstange 2606 und die Düse 2608 beinhaltet. Das Innengehäuse 2604 beinhaltet die Schaufeln 2612. Das Außengehäuse 2602 beinhaltet den Innengehäuseabschnitt 2618, den Düsenabschnitt 2620, den Abflussabschnitt 2622 und den Stromsammelabschnitt 2624.
Nach dem Zusammenprallen des Flüssigkeitsstroms mit den Schaufeln 2612 kann der Flüssigkeitsstrom in den Abflussabschnitt 2622 eintreten. Aufgrund des Zusammenpralls kann die Flüssigkeit zu einem auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstrom mit einem größeren Durchmesser werden als der Durchmesser des Düsenauslasses 2624. Zudem kann durch den Zusammenprall sowie die Drehung des Innengehäuses 2604 Flüssigkeitsnebel entstehen. Der Durchmesser (oder das Spritzmuster) des auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstroms kann von der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms und dem Betrag der elektrischen Last am Generator abhängen. Wenn die Last am Generator gering ist, kann sich das Innengehäuse 2604 relativ frei drehen. So ist der Dispersionsgrad des auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstroms relativ klein, wie beispielsweise ein Dispersionswinkel von 30° zu einer Mittenachse 2702, die koaxial mit dem Strom der aus der Düse 2608 abgegebenen Flüssigkeit ist. Umgekehrt ist beim Vorliegen einer großen Last eine erhebliche Kraft erforderlich, um die Rotation des Innengehäuses 2604 aufrechtzuerhalten, und die Dispersion des auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstroms kann zu einem Dispersionswinkel führen, der ganze 90° zur Mittenachse 2702 beträgt. Ungeachtet der Last kann die Kollision der Flüssigkeit mit den Schaufeln 2612 Flüssigkeitsnebel und einen auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstrom erzeugen. Erörterungshalber wird angenommen, dass der Dispersionswinkel des auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstroms ca. 45° beträgt. In anderen Beispielen können größere oder kleinere Dispersionswinkel verwendet werden.
Auch sind in 27 eine Aufprallstelle 2704 und eine Mehrzahl der Trajektorienvektoren 2706 veranschaulicht. Die Aufprallstelle 2704 kann der Bereich sein, in dem der klar definierte, im Wesentlichen lineare Flüssigkeitsstrom, der von der Düse 2608 abgegeben wird, mit den Schaufeln 2612 kollidiert. Die Trajektorienvektoren 2706 veranschaulichen die Wege der Flüssigkeit nach dem Zusammenprall mit den Schaufeln 2612 basierend auf dem Dispersionwinkel. Flüssigkeit, die den Trajektorienvektoren 2706 folgt, welche sich näher an der Mittenachse 2702 befinden, kann unmittelbar in den Sammlerabschnitt 2624 eintreten und kann zum Auslass 2614 kanalisiert werden.
Flüssigkeit in den weiter von der Mittenachse 2702 entfernt befindlichen Trajektorien 2706 kann jedoch mit der Innenfläche 2616 innerhalb des Abflussabschnitts 2622 kollidieren. Diese Flüssigkeit wird effizient zum Auslass 2614 kanalisiert, um Fluidwiderstand zu minimieren. Zudem wird Flüssigkeitsnebel, der aus der Kollision mit der Innenfläche 2616 resultiert, minimiert. Im Abflussabschnitt 2622 ist die Innenfläche 2616 in einer vorbestimmten Form gestaltet, um die Flüssigkeit effizient zum Auslass 2614 zu kanalisieren und Flüssigkeitsnebel zu minimieren. Somit sind die vorstehend erörterten Führungen in der Innenfläche 2616 nicht nötig. Stattdessen kann die Innenfläche im zweiten Segment 2710 im Wesentlichen flach bleiben und kann geformt sein, um als Reflektor zu wirken und Flüssigkeit effizient vom Außengehäuse 2602 abzuführen und Flüssigkeitswiderstand zu minimieren. Demgemäß kann der Hohlraum 2610 im Wesentlichen trocken gehalten werden, mit Flüssigkeitsflussraten in einem Bereich von ca. 0,44 l/Min. bis ca. 4,16 l/Min.
Wie ferner in 27 veranschaulicht, kann die Innenfläche 2616 innerhalb des Abflussabschnitts 2622 mit einer vorbestimmten Form gestaltet sein. Die vorbestimmte Form kann auf einem Trajektorienströmungswinkel 2708 basieren, der zwischen jedem der Trajektorienvektoren 2706 und der Innenfläche 2616 innerhalb des Abflussabschnitts 2622 gebildet ist. Der Trajektorienströmungswinkel 2708 ist als der Winkel an der Schnittstelle der Innenfläche 2616 mit den Trajektorienvektoren 2706 definiert, auf die der auseinandergetriebene Flüssigkeitsstrom und der aus dem Zusammenprall mit den Schaufeln 2612 entstandene Flüssigkeitsnebel folgen. Die Form der Innenfläche 2616 kann gestaltet sein, den Trajektorienströmungswinkel 2708 so zu halten, dass auf ihn der auseinandergetriebene Flüssigkeitsstrom mit weniger als ca. 20° folgt. Der Trajektorienströmungswinkel 2708 kann basierend auf Fertigungstoleranzen und/oder mit der Flüssigkeit verbundenen physikalischen Eigenschaften um plus oder minus 5° variieren.
Die Form der Innenfläche 2616 des zweiten Segments 2710 in dem veranschaulichten Beispiel ist als eine im Allgemeinen kegelförmige Raketendüse gestaltet. Die Form der Innenfläche kann auf einem Modell oder einer Analyse des Verhaltens des auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstroms basieren, der aus dem Zusammenprall mit den rotierenden Schaufeln 2612 entsteht. Durch Beibehalten des Trajektorienströmungswinkels 2708, auf den der auseinandergetriebene Flüssigkeitsstrom folgt, innerhalb von ca. 20° der Innenfläche 2616 kann die Flüssigkeit in einem geordneteren Zustand bleiben, mit weniger nicht laminarer Strömung.
Der geordnetere Zustand kann eine relativ gesehen schnellere Entleerung des Hohlraums 2610 erlauben. So kann die Gesamtgröße des Außengehäuses 2602 minimiert werden, während das Innen- und Außengehäuse 2602 und 2604 dennoch im Wesentlichen trocken bleiben, wenn Flüssigkeit aus der Düse 2608 abgegeben wird. Zudem kann der Strom von Flüssigkeit aus dem Auslass 2614 aufgrund der Ähnlichkeit der Form der Innenfläche und der Trajektorienvektoren 2706 eine gewisse Geschwindigkeit aufweisen. Ferner kann der geordnetere Zustand der strömenden Flüssigkeit Flüssigkeitsnebel und eine turbulente Strömung minimieren und somit Fluidwiderstand minimieren und die Überführung von kinetischer Energie in Rotationsenergie maximieren.
Die Form des Abflussabschnitts 2622 des Außengehäuses 2602 kann auch bei den vorstehend erörterten Beispielen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems umgesetzt werden. Beispielsweise kann unter Bezugnahme auf das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 der 11 das Außengehäuse 1102 um 90° gedreht werden, so dass die Düse 1108 einen Flüssigkeitsstrom in vertikaler Richtung abgibt. Zudem kann der Auslass 1114 zur Wand des Außengehäuses 1102 bewegt werden, die der Düse 1108 gegenüberliegt, und das Außengehäuse kann umgeformt werden, um Trajektorienströmungswinkel für die Trajektorienvektoren von ca. 20° oder weniger zu erreichen. In dem beispielhaften Wasserkraftenergieerzeugungssystem der 21 kann das Außengehäuse 1102 stromaufwärts des Auslasses 2104 der Rohranlage 2100 einfach umgeformt werden, um einen Trajektorienströmungswinkel für die Trajektorienvektoren von ca. 20° oder weniger zu erreichen.
Die vorliegend bevorzugten Ausführungsformen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems stellen eine eigenständige Elektrizitätsquelle bereit, die auch andere Funktionalitäten wie Rohranlagen oder Wasseraufbereitung enthalten kann. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem sorgt für eine effiziente Umwandlung der im fließenden Wasser vorliegenden Energie in elektrische Leistung. Die elektrische Leistung kann zum Zuführen von Leistung zu Elektronikgeräten oder (einer) anderen Vorrichtung(en) innerhalb des Wasserkraftenergieerzeugungssystems verwendet werden. Zudem kann die elektrische Leistung andere unabhängige Systeme wie ein Wasseraufbereitungssystem versorgen. Wie Fachleute erkennen werden, ist die Anwendung des Wasserkraftenergieerzeugungssystems nicht auf Wasser beschränkt und könnte vorteilhafterweise auf andere Flüssigkeiten angewandt werden.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele beschrieben, doch ist ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die folgenden Ansprüche, einschließlich sämtlicher Äquivalente, sollen den Umfang der Erfindung definieren.

Claims

Ein Wasserkraftenergieerzeugungssystem (12), mit: einem Gehäuse (1104) mit einer Mehrzahl von Schaufeln (1118), die im Allgemeinen konkav und derart angeordnet sind, um sich nach außen von einer äußeren Oberfläche des Gehäuses (1104) auszudehnen; einer Düse (1108), derart eingerichtet, einen Flüssigkeitsstrom auf die Schaufeln (1118) zu richten, um eine Drehung des Gehäuses (1104) herbei zu führen, einer Zentrierungsstange (1106), die sich durch das Gehäuse (1104) erstreckt, wobei das Gehäuse (1104) drehbar um die Zentrierungsstange als Antwort auf die auf die Schaufeln (1118) treffende Flüssigkeit ist, und einem elektrischer Generator, wobei der elektrische Generator einen Stator (1808), der mit der Zentrierungsstange (1106) gekoppelt ist, und einen Rotor (1806), der mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses (1104) gekoppelt ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator innerhalb des Gehäuses (1104) angeordnet ist, wobei sich der Rotor (1806) um den Stator (1808) dreht, wenn sich das Gehäuse (1104) dreht, um elektrische Energie zu erzeugen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystems nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse ferner eine Mehrzahl an Öffnungen enthält, die einen Flüssigkeitsaustausch mit dem elektrischen Generator erlauben, wobei die Öffnungen derart konzentrisch um die äu ßere Oberfläche angeordnet sind, um die Flüssigkeitsmenge, die in dem Gehäuse vorhanden ist, wenn sich das Gehäuse dreht zu minimieren, so dass das Gehäuse im wesentlichen mit Gas gefüllt bleibt.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei jede der Schaufeln einen ersten elliptisch geformten Schaufelabschnitt und einen zweiten elliptisch geformten Schaufelabschnitt enthält, die senkrecht zu der äußeren Oberfläche positioniert sind, und eine Basis, derart eingerichtet, um mit der äußeren Oberfläche gekoppelt zu werden.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Düse eine axiale Bohrung mit einem Düsenauslass mit einem Durchmesser kleiner als ungefähr 2 mm enthält und das Gehäuse durch den Flüssigkeitsstrom mit mehr als ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute drehbar ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Düse eine sich entlang eines Durchgangs der Düse ausdehnende Rippe enthält, um ein Verwirbeln der durch den Durchgang fließenden Flüssigkeit zu minimieren.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse derart eingerichtet ist, sich mit mehr als ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute durch den Flüssigkeitsstrom, der mit zwischen ungefähr 0,44 Liter/Minute und ungefähr 4,16 Liter/Minute fließt, zu drehen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gehäuse im Allgemeinen zylindrisch ist, mit einem Durchmesser geringer als ungefähr 40 mm.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter mit einem äußeren Gehäuse, das das Gehäuse umgibt, wobei das äußere Gehäuse mit der Düse gekoppelt ist und einen Auslass und eine Mehrzahl an Fingern enthält, die entlang einer Mehrzahl an Kanälen auf einer inneren Oberfläche des äußeren Gehäuses positioniert sind, um Flüssigkeit zu dem Auslass hin zu kanalisieren.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei die Zentrierungsstange nicht drehbar mit dem äußeren Gehäuse gekoppelt ist und die Düse das äußere Gehäuse durchdringt.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gehäuse eine erste Nabe enthält, die mit einer zweiten Nabe in Eingriff gebracht werden kann, um einen Hohlraum zwischen der ersten und zweiten Nabe zu bilden, wobei die Schaufeln derart eingerichtet sind, zwischen der ersten und der zweiten Nabe gehalten zu werden, wenn die erste und zweite Nabe in Eingriff gebracht werden.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 10, wobei jede der ersten und zweiten Nabe eine Mehrzahl an Ansätzen enthält, die ineinander greifen, wenn die erste und zweite Nabe in Eingriff gebracht werden.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jede der Schaufeln auf der äußeren Oberfläche des Gehäuses senkrecht zu der Zentrierungsstange angeordnet ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Schaufeln derart eingerichtet sind, gegenseitig in Kontakt zu stehen, um einen ununterbrochenen, zu dem Gehäuse konzentrischen Ring zu bilden.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei jede der Schaufeln einen Fuß mit einer ersten winkeligen Oberfläche und einer zweiten winkeligen Oberfläche enthält, wobei die erste und zweite winkelige Oberfläche die entsprechende erste und zweite Nabe kontaktieren.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei jede der Schaufeln eine Vorderseite und eine Rückseite enthält, wobei die Vorderseite jeder Schaufel die Rückseite einer anderen Schaufel kontaktiert, um so einen ununterbrochenen, das Gehäuse konzentrisch umgebenden Ring zu bilden.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 14, wobei der Rotor einen mit einem Magneten gekoppelten Haltering enthält, wobei ein Teil des Halterings und des Magneten in jeder der ersten und zweiten Nabe angeordnet ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Düse einen Durchgang zwischen einem Düseneinlass und einem Düsenauslass enthält, wobei der Durchgang einen ersten winkeligen Abschnitt enthält, der den Düseneinlass bildet, einen ersten geraden Abschnitt, der an den ersten winkeligen Abschnitt angrenzt, einen sich verjüngenden Abschnitt, der an den ersten geraden Abschnitt angrenzt, einen zweiten winkeligen Abschnitt, der an den sich verjüngenden Abschnitt angrenzt, und einen zweiten geraden Abschnitt, der an den zweiten winkeligen Abschnitt angrenzt, der den Düsenauslass bildet.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Düse einen ersten geraden an einen Einlass der Düse angrenzenden Abschnitt mit einem Durchmesser von ungefähr 5,8 mm und einen zweiten geraden einen Auslass der Düse bildenden Abschnitt mit einem Durchmesser weniger als ungefähr 1,9 mm enthält.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Düse eine einzelne Düse ist und das Gehäuse derart eingerichtet ist, sich mit ungefähr 5000 oder mehr Umdrehungen pro Minute zu drehen, wenn durch den Flüssigkeitsstrom aus der Düse, der mit zwischen ungefähr 0,44 Liter/Minute und ungefähr 4,16 Liter/Minute fließt, zur Drehung veranlasst wurde.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Düse einen Düsenauslass enthält, der Durchmesser des Düsenauslasses geringer als unge fähr 1,9 mm ist und der Durchmesser des Gehäuses geringer als ungefähr 40 mm ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Düse einen Durchgang mit einem ersten Durchmesser an einem Einlass der Düse angrenzenden und einem zweiten einen Auslass der Düse bildenden Durchmesser enthält, wobei der zweite Durchmesser ungefähr 33 % oder weniger des ersten Durchmessers aufweist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der elektrische Generator ein Dauermagnetgenerator ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 22, weiter mit einer Büchse derart angeordnet, die Zentrierungsstrange zu umgeben, wobei das Gehäuse und die Buchse drehbar um die Zentrierungsstange sind, und wobei der Rotor und der Stator zusammenwirkend arbeiten, um die Position der die Zentrierungsstange umgebende Buchse ohne wesentlichen Kontakt zwischen der Buchse und der Zentrierungsstange beizubehalten.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Rotor einen Dauermagneten enthält, derart eingerichtet, die Drehung des Gehäuses auszugleichen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Rotor einen Dauermagneten mit ei nem Magnetfeld enthält, derart eingerichtet, den Rotor in axialer Ausrichtung mit dem Stator auszurichten.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei das Gehäuse im allgemeinen zylindrisch mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 40 mm und ungefähr 20 mm ist und derart eingerichtet ist, um sich mit ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute oder mehr zu drehen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 23, wobei jede der Buchsen eine Abstandshülse mit einer ausgebildeten Öffnung enthält, um die Zentrierungsstange aufzunehmen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 23 oder 27, wobei die Buchsen an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses angeordnet sind und eine Öffnung enthalten, um die Zentrierungsstange aufzunehmen, und eine äußere Oberfläche ausgebildet ist, um in eine Öffnung in der äußeren Oberfläche des Gehäuses zu passen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 28, weiter mit einer mit dem elektrischen Generator gekoppelten ultravioletten Lichtquelle, wobei der Stator eine Mehrzahl an Spulen enthält, die derart eingerichtet sind, um dynamisch zwischen einer parallelen Anordnung und einer seriellen Anordnung umschaltbar zu sein, um eine erste Spannung für eine anfängliche Energiezuführung der ultravioletten Lichtquelle und eine zweite Spannung für eine fortgesetzte Energiezuführung der ultravioletten Lichtquelle bereit zu stellen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 29, wobei die ultraviolette Lichtquelle eine Quecksilberlampe oder eine Glimmkathodenlampe ist, die anfänglich und fortgesetzt ohne Vorschaltgerät mit Energie versorgt wird.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 8, wobei die Finger in einem Verwirbelungsmuster angeordnet sind, das derart gebildet ist, um Flüssigkeitsnebel innerhalb des äußeren Gehäuses wirksam einzusammeln.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 8 oder 31, wobei jeder der Finger als pyramidenförmige Bauteile ausgebildet sind, die sich von der inneren Oberfläche des äußeren Gehäuses hin zu dem Gehäuse ausdehnen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 8, 31 oder 32, wobei die Finger ein Rohrleitungsnetz bilden, das einen Mittelkanal, einen äußeren Kanal und mehrere Verzweigungskanäle, die in einem Verwirbelungsmuster in der innere Oberfläche ausgebildet sind, enthält, wobei das Verwirbelungsmuster basierend auf einem Muster der Flüssigkeit, die von dem Gehäuse weg geschleudert wird, wenn sich das Gehäuse dreht, gebildet wird.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei die Drehung des Gehäuses überwacht werden kann, um flussbasierte Messungen des Flüssigkeitsstroms bereit zu stellen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 34, wobei die Düse derart eingerichtet ist, um den Flüssigkeitsstrom mit im wesentlichen gleichen Querschnitt wie der Querschnitt eines Auslasses der Düse zu versehen.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 33, wobei das Rohrleitungsnetz derart eingerichtet ist, Flüssigkeit aus dem äußeren Gehäuse heraus so zu kanalisieren, dass die Düse und das Gehäuse nicht in Flüssigkeit untertauchen, die von der Düse abgegeben wurden und in dem Luftraum innerhalb des äußeren Gehäuses verbleibt.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 36, weiter mit einer elektrisch mit dem elektrischen Generator gekoppelten ultravioletten Lichtquelle, wobei der Stator mehrere Abgriffe enthält, die derart eingerichtet sind, um dynamisch zwischen einer Inbetriebnahmespannung, um die ultraviolette Lichtquelle anfänglich mit Energie zu versorgen und einer Dauerbetriebsspannung um die ultraviolette Lichtquelle fortgesetzt mit Energie zu versorgen, umschaltbar ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 29 oder 37, wobei die ultraviolette Lichtquelle ohne ein Vorschaltgerät anfänglich und fortgesetzt mit Energie versorgt wird.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 8, 9, 31 bis 33 oder 36, wobei das äußere Gehäuse mit einem Hohlraum gebildet ist, um das Gehäuse zu umgeben und einen Abflussabschnitt enthält, der derart eingerichtet ist, Flüs sigkeit nach ihrem Einwirken auf die Schaufeln aufzunehmen, wobei der Abflussabschnitt derart geformt ist, die Flüssigkeit in einem vorbestimmten Winkel der Flusstrajektorie aufzunehmen, um einen Flüssigkeitswiderstand zu minimieren.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 39, wobei der Winkel der Flusstrajektorie ungefähr 20 Grad oder weniger beträgt.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 39 oder 40, wobei der Abflussabschnitt in der Form einer im Allgemeinen kegelförmigen Raketendüse ausgebildet ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 8, 9, 31 bis 33, 36 oder 39 bis 41, wobei das äußere Gehäuse einen das Oberteil des äußeren Gehäuses bildenden Düsenabschnitt, der eingerichtet ist eine senkrecht angeordnete Düse aufzunehmen und einen inneren Gehäuseabschnitt, der ausgebildet ist teilweise das Gehäuse zu umgeben, enthält, um so einen Flusswiderstand zu minimieren.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 39 bis 41, wobei sich das Gehäuse mit ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute in dem Hohlraum dreht und der Abflussabschnitt derart eingerichtet ist, Flüssigkeit die mit zwischen ungefähr 0,44 Litern pro Minute und 4,16 Litern pro Minute fließt, zu evakuieren, um den Hohlraum im wesentlichen trocken zu halten.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 10 bis 28, 34 oder 35, weiter mit: einer Rohranlage wobei das Gehäuse drehbar in der Rohranlage angeordnet ist, einem elektrisch betriebenen Ventil, das in der Rohranlage angeordnet ist, wobei das elektrisch betriebene Ventil derart eingerichtet ist, um die Düse mit einem Flüssigkeitsstrom zu versorgen, einer Energiespeichereinrichtung, die mit dem elektrischen Generator und dem elektrisch betriebenen Ventil verbunden ist, und einem Spannungsregler, der mit dem elektrisch betriebenen Ventil und der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, wobei der Spannungsregler derart eingerichtet ist, um das elektrisch betriebene Ventil zu öffnen, wenn die Spannung in der Energiespeichereinrichtung unter einem bestimmten Schwellenwert ist.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 10 bis 28, 34, 35 oder 44, wobei sich das Gehäuse mit über ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute dreht, als Antwort auf einen Flüssigkeitsstrom, der die Schaufeln in einem Bereich zwischen 0,44 Liter/Minute und 4,16 Liter/Minute trifft dreht.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 45, wobei die Flüssigkeit, die durch die Düse in einem Bereich zwischen 0,44 Liter/Minute und 4,16 Liter/Minute fließt, in der Erzeugung einer elektrischen Leistung in dem Bereich zwischen ungefähr 0,25 Watt bis ungefähr 30 Watt resultiert.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem nach Anspruch 44, wobei die Rohranlage eine Waschraumbefestigung ist.
Ein Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit einem Wasserkraftenergieerzeugungssystem (12), wobei das Verfahren enthält: Beschleunigung der Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsstroms mit einer Düse (1108), Entladen des Flüssigkeitsstroms aus der Düse (1108) durch einen Luftraum, um eine Mehrzahl an Schaufeln (1118) zu treffen, wobei die Schaufeln (1118) im allgemeinen konkav sind und sich nach außen senkrecht zu einer äußeren Oberfläche eines Gehäuses (1104) ausdehnen, Übertragen der kinetischen Energie des Flüssigkeitsstroms in Rotationsenergie des Gehäuses (1104), Herbeiführen einer Rotation des Gehäuses (1104) und eines mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses (1104) gekoppelten Dauermagneten (1836), durch den Flüssigkeitsstrom, gekennzeichnet durch Drehen des Dauermagneten (1836) um einen Stator (1808), der nicht drehbar in dem Gehäuse (1104) angeordnet ist, und Erzeugen von elektrischer Leistung mit dem Rotor (1806) und dem Stator (1808).
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit Drehen des Gehäuses mit ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute oder darüber durch kinetische Energie, die durch zwischen ungefähr 0,44 Liter/Minute und 4,16 Liter/Minute fließender Flüssigkeit bereit gestellt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit Evakuieren von Flüssigkeit aus dem Gehäuse mit einer Mehrzahl in der Oberfläche des Gehäuses angeordneten Öffnungen, so dass der Rotor und der Stator im Wesentlichen trocken sind.
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit Aufrechterhalten der Schaufeln in einem ununterbrochenen konzentrischen Ring an der äußeren Oberfläche des Gehäuses mit aneinander angrenzend angeordneten Schaufeln und Kompression der Schaufeln zwischen einer ersten und einer zweiten das Gehäuse bildenden Nabe.
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit Anordnen des Rotors in einer axialen Ausrichtung mit dem Stator mittels eines durch einen Dauermagneten erzeugten Magnetfeldes.
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit Kanalisieren der Flüssigkeit weg von dem Gehäuse, um ein Untertauchen entweder des Gehäuses oder der Düse in der Flüssigkeit zu verhindern, so dass das Gehäuse und die Düse im Wesentlichen trocken gehalten werden.
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit im wesentlichen Trockenhalten des Gehäuses und des äußeren Gehäuses, in dem das Gehäuse eingebettet ist, wenn die Flüssigkeit durch die Düse versprüht wird.
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit Formen der inneren Oberfläche eines in dem äußeren Gehäuse enthaltenen Ab flussabschnitts, um Flüssigkeit, die mit den Schaufeln kollidiert ist abzufangen, wobei die innere Oberfläche des Abflussabschnittes derart eingerichtet ist, die Flüssigkeit in einen Winkel der Flusstrajektorie von ungefähr 20 Grad oder weniger aufzunehmen.
Das Verfahren nach Anspruch 48, weiter mit Einfangen von Flüssigkeitsnebel außerhalb des Gehäuses, um einen Flüssigkeitswiderstand zu minimieren, wobei der Flüssigkeitsnebel mit einer Mehrzahl von pyramidenförmigen Bauteilen eingefangen wird, die auf einer inneren Oberfläche eines das Gehäuse umgebenden äußeren Gehäuses enthalten sind.