先进的重力力矩水力发电系统的制作方法

先进的重力力矩水力发电系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35u.s.c.
§
119要求2018年12月28日提交的美国临时专利申请序号62/786,115的优先权。所述临时专利申请通过引用整体并入本文，包括但不限于说明书，权利要求书和摘要，以及其任何图、表、附录或附图。
技术领域
3.本发明总体上涉及能量产生、能量转换、能量存储，特别是基于有效利用重力、浮力、材料科学、力矩原理和杠杆原理的电能产生。


背景技术：

4.随着全球人口的增长和技术的不断进步，通电设备的使用也在增长。这带来所需的来自发电技术、系统等的电力呈指数增长，并且在农村地区可能会加剧，在那里更难以获得主要发电和配电网。此外，存在与大多数发电技术和系统相关联的挑战。某些示例如下：
5.化石燃料发电厂：这包括所有燃烧煤、天然气和石油及其衍生物以发电的发电厂。化石燃料是有限的、不可再生的，它们的燃烧会产生温室气体，诸如二氧化碳，研究表明这些气体会引起全球变暖，从而导致不利的气候变化。化石燃料的燃烧还会产生其他空气污染物，诸如氮氧化物、二氧化硫、挥发性有机化合物、以及重金属。它还产生废热，进一步使地球大气不利地变暖。
6.核电站：这涉及主要是铀和钚的原子核裂变、核衰变或核聚变，以产生热量，将水转变成蒸汽，从而驱动涡轮机发电。它还产生大量废热，使地球大气不利地变暖，并需要大量稀缺的淡水来冷却系统。与燃料和核废料相关联的安全和辐射危害问题引起了对核电的不满。更重要的是，核扩散成为核武器是一个全球关注的问题，这也限制了人们的接受度。
7.太阳能发电：这使用光伏电池(pv)将阳光直接转换为电能。此外，还有聚光太阳能发电(csp)，它使用透镜、镜子和跟踪系统将大面积的阳光聚焦成小光束，以将水加热成蒸汽从而驱动涡轮机发电。光伏电池成本高，取决于天气，需要昂贵的储存系统，最重要的是每千瓦需要非常大的空间。
8.风力发电：这是使用连接到发电机上的专门设计的叶片来捕获风能并将其转化为电。它取决于天气(风速和持续时间)，因而发电是间歇性的，需要一个或多个昂贵的储存系统，选址限制并且每千瓦需要非常大的土地面积。
9.地热发电：地热能是地球的原始内能和由于地核内物质的放射性衰变而储存的能量。这涉及从地核勘探和提取这种热能，以将水加热成蒸汽用于发电或通过钻入地核并将熔岩和水泵送到地表直接加热。然而，这种熔岩会释放气体混合物，特别是二氧化碳、硫化氢、甲烷和氨，这会引起酸雨和全球变暖，从而导致气候变化。它价格昂贵且限于构造板块附近的位置。
10.潮汐发电：这是使用专门设计的涡轮机从海洋潮汐中获得的电力。它具有位置限制，因为适用性取决于潮汐流、潮汐上升、生态系统脆弱性和暴露于天气情况。有非常昂贵
的前期成本。它通常对水生生物是有害的。
11.水力发电：这是使用特殊涡轮机从由于重力而流动的水中产生的电力。它需要昂贵的水坝，并且会对水生生物和自然生态系统产生负面影响。它受位置限制，因为必须有足够的地质梯度来产生合理的水位差来驱动涡轮机。还必须有流动的水体，诸如河流。抽水蓄能系统需要外部动力源将水泵送回蓄水池以继续发电。由于初始资本支出巨大，使得成本非常高，从而缩小了利润率，并降低了对投资者的吸引力。
12.因而，存在一个关键的、及时的和迫切的需求，通过提供更绿色、更经济、排放量有限或无排放且每千瓦占用面积最小的发电源来应对气候变化并辅助地球大气深度脱碳，以满足每天24小时、每周7天、以及每年365天的工业和家庭用电需求。


技术实现要素：

13.因此，所公开的本发明的任何方面的主要目的、特征和/或优点是改进或克服现有技术的缺陷。
14.还有一个目的、特征和/或优点是提供一种独立的发电系统。
15.还有一个目的、特征和/或优点是提供持续稳定的电力，而不是间歇性的——随时可用。
16.还有一个目的、特征和/或优点是提供适用于各种负载并且能够承受负载浪涌的电能质量。
17.还有一个目的、特征和/或优点是提供分散式发电，由此确保由于长距离传输带来的能量损失更少。
18.还有一个目的、特征和/或优点是提供灵活的选址、较低的资本成本、快速的建造和调试、最佳的水循环、以及较早的投资回报。
19.本发明的前述目的、特征和/或优点以及以下方面和/或实施例不是穷尽的并且不限制整体公开内容。没有一个实施例需要提供每一个对象、特征或优点。本文公开的任何目的、特征、优点、方面和/或实施例可以全部或部分地彼此整合。
20.根据本公开内容的一些方面，一种发电系统，包括：容纳水的壳体，具有控制水流出所述壳体到发电机的压力管；定位于所述壳体中的可转换活塞，其中，所述可转换活塞能够在被容纳在所述水壳体中的所述水中移动以移置一定量的所述水；其中，所述可转换活塞能够部分地通过重力移动；请注意，所述压力管必须部分或全部打开才能发电。
21.根据本公开内容的一些方面，第一发电级，所述第一发电级接收由所述可转换活塞移置的一定量的移置水以产生第一量的电力；与所述第一发电级流体连通的第二发电级，其中，所述第二发电级接纳由所述第一发电级输出的水以产生第二量的电力；以及与所述第一发电级和所述第二发电级流体连通的第三发电级，其中，所述第三发电级接收由所述第一发电级和所述第二发电级输出的水以产生第三量的电力。
22.根据本公开内容的一些附加方面，所述第一发电级包括弗朗西斯涡轮。
23.根据本公开内容的至少一些方面，所述第二发电级包括卡普兰涡轮泵阵列。
24.根据本公开内容的至少一些方面，所述第三发电级包括至少一个专有设计的力矩动力轮发电机。
25.根据本公开内容的至少一些方面，所述可转换活塞包括：至少一个平稳器；配重部
分；以及可膨胀囊。
26.根据本公开内容的至少一些方面，所述可转换活塞的所述至少一个平稳器包括选择性可控阀以选择性地允许水进入或泵出所述平稳器的内部。
27.根据本公开内容的至少一些方面，所述至少一个平稳器还包括与大气连通的排气口以随着所述平稳器中的所述水被泵出而向所述可转换活塞增加浮力。
28.根据本公开内容的至少一些方面，所述可膨胀囊具有空气压缩机和压缩空气缸单元，所述压缩空气缸单元使得所述可膨胀囊膨胀以控制所述可转换活塞在所述壳体中由于重力而向下移动。由于浮力，所述可膨胀囊放气以控制所述可转换活塞由于浮力而向上移动。
29.根据本公开内容的至少一些方面，所述系统还包括：第四发电级，所述第四发电级在水被重新引入到所述可转换活塞和壳体单元之前接收来自所述第三发电级的水；其中，所述第四发电级包括涡流发电机。
30.根据本公开内容的至少一些方面，所述系统还包括：第五发电级，所述第五发电级在水被重新引入到所述可转换活塞和壳体单元之前接收来自所述第四发电级的水；其中，所述第五发电级包括至少一个另一个卡普兰涡轮发电机。
31.根据本公开内容的至少一些方面，所述系统还包括：第六发电级，所述第六发电级在水被重新引入到所述可转换活塞和壳体单元之前接收来自所述第五发电级的水；其中，所述第六发电级包括至少第二个专有设计的力矩动力轮发电机。
32.根据本公开内容的一些方面，一种发电方法，包括：使可转换活塞在壳体内沿竖直方向移动以移置设置在所述壳体中的水，所述可转换活塞通过重力向下移动并通过浮力向上移动；第一级用所述移置水产生电力；将来自所述第一级的所述水输出到第二级，以在所述第二级处产生额外的电力；将来自所述第二级的所述水输出到第三级，以在所述第三级处产生额外的电力；以及将所述水从所述第三级朝向所述壳体中的所述可转换活塞输出。
33.根据本公开内容的至少一些方面，所述方法还包括：在朝向所述可转换活塞和壳体单元输出所述水之前，使所述水通过第四级、第五级和第六级以在所述第四级、第五级和第六级中的每一个处产生额外的电力。
34.根据本公开内容的至少一些方面，所述第一级包括至少弗朗西斯涡轮发电机；所述第二级和所述第五级包括卡普兰涡轮发电机；所述第三级和所述第六级包括力矩动力轮发电机；以及所述第四级包括涡流发电机。
35.根据本公开内容的至少一些方面，其中，通过重力向下移动所述可转换活塞的步骤包括打开所述可转换活塞的至少一个平稳器的至少一个入口以允许水进入所述至少一个平稳器以增加所述可转换活塞的重量，同时将所述空气通过所述平稳器排气口排放到所述大气中。
36.根据本公开内容的至少一些方面，通过浮力向上移动所述可转换活塞的步骤包括将所述至少一个平稳器中的所述水泵出并用自然地来自所述平稳器排气口的空气替换所述水以增加所述可转换活塞的所述浮力。
37.根据本公开内容的一些方面，一种基于重力的力矩水力发电系统，包括：容纳水的竖直壳体；位于所述壳体中的可转换活塞，所述可转换活塞能够在大致竖直方向上移动；与所述壳体流体连通的发电系列，所述发电系列包括：第一级发电机；第二级发电机；以及第
三级发电机；其中，所述发电系列中的所述发电机中的每一个发电机彼此流体连通；并且其中，所述可转换活塞部分地通过重力向下移动以移置所述壳体中的所述水，所述移置水在朝向所述可转换活塞返回之前移动通过发电循环。
38.根据本公开内容的至少一些方面，所述发电系列还包括：第四级发电机；第五级发电机；以及第六级发电机。
39.根据本公开内容的至少一些方面，所述第一级包括弗朗西斯涡轮发电机；所述第二级和所述第五级包括卡普兰涡轮发电机；所述第三级和所述第六级包括力矩动力轮发电机；并且所述第四级包括涡流发电机。
40.根据本公开内容的至少一些方面，当所述可转换活塞向下移动时产生动力，因此要实现独立不间断发电(每年365天、7天24小时)，至少两个单独的壳体和可转换活塞单元必须构建且同步，使得当一个可转换活塞向上时，另一个可转换活塞向下。因而，一个可转换活塞产生动力以再生所述另一个可转换活塞。
41.根据本公开内容的至少一些方面，所述可转换活塞通过浮力向上移动，所述浮力通过使所述囊放气、将水泵出所述平稳器而空气自然地经由通向大气的排气口来填充所述平稳器、以及同时打开所述可转换钢可转换活塞门以当所述可转换活塞向上俯冲时使水通过来实现。
42.根据本公开内容的至少一些方面，所述力矩动力轮被专门设计成利用其大半径来放大其翅片处的冲击力以朝着其中心做更多有用的功。
43.这些和/或其他目的、特征、优点、方面和/或实施例对于本领域技术人员而言在阅读以下附图的简要和详细描述后将变得显而易见。
附图说明
44.图1是根据本发明的方面的发电系统的截面图。
45.图2是发电系统的俯视截面图，示出了沿图1中的线2
‑
2截取的位于系统的壳体中的力矩动力轮的各个方面。
46.图3是示出图2的一部分的放大图。
47.图4是图2的一部分的另一个放大图。
48.图5是示出图1的系统的一部分的放大图。
49.图6a和图6b是图1的系统的一部分的放大图，示出了处于膨胀配置(图6a)和非膨胀配置(图6b)中的囊。
50.图7a和图7b是沿图1中的线7
‑
7截取的截面图，并且示出了处于打开配置的可转换活塞阀和处于关闭配置的平稳器阀(图7a)以及处于关闭配置的可转换活塞阀和打开的平稳器阀(图7b)。
51.图8a是平稳器的平面图。
52.图8b是图8a的平稳器的透视图。
53.图9a和图9b是图1中9
‑
9中的系统的一部分的相似的镜像放大图。
54.图10是示出根据本文公开的任何实施例的发电过程的示例性流程图。
55.图11是根据本文公开的任何实施例的用于产生和储存能量的示例性分级结构。
56.图12是根据本发明的方面的发电系统的另一个截面图。
57.图13是沿图12中的线15
‑
15截取的图12的截面图。
58.详细说明和描述了其中可以实践本发明的若干实施例，其中贯穿若干视图，相同的附图标记表示相同的组件。附图是为了示例性目的而呈现的，并且除非另有说明，否则可能不是按比例绘制的，因而附图中的特征的比例不应被解释为实际比例的证据。
具体实施方式
59.提供以下定义和介绍性内容以促进对本发明的理解。除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语的含义与本发明实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。
60.术语“a”、“an”和“所述(the)”包括单数和复数个所指对象。
61.术语“或”与“和/或”同义，表示特定列表的任何一个成员或成员的组合。
62.本文使用的术语“发明”或“本发明”并非意在指特定发明的任何单个实施例，而是包括说明书的任何部分中描述的所有可能的实施例，包括但不限于书面描述和权利要求。
63.如本文所使用的，术语“约”是指数字量相对于任何可量化变量轻微变化。本领域普通技术人员将认识到，例如通过使用典型的测量技术或设备或源于制造、来源或组件纯度的差异，可能会发生无意的误差。无论是否被术语“约”修饰，权利要求都包括等于该数量。
64.术语“被配置”描述被构造为执行或能够执行特定任务或采用特定配置的装置、系统或其他结构。术语“被配置”可以与其他类似短语互换使用，诸如被构造、被布置、被调整、被制造等。
65.表征次序(例如，第一、第二等)、位置(例如，顶部、底部、横向、中间、向前、向后等)和/或方向(例如，宽度、长度、深度、厚度、竖直、水平等)的术语根据所呈现的视图进行引用。除非上下文另有说明，否则这些主题不是限制性的。在不脱离本发明范围的情况下，对象或对象组合的物理配置可以变化。
66.如将理解的，以下实施例说明基于重力的力矩水力发电系统100的各个方面，其在以下描述中也可以统称为发电系统100。发电系统100可以包括来自本文公开的任何实施例的任何单个组件或组件的构件，可以以本文未具体示出或描述、但是对于本领域技术人员来说显而易见的方式组合任何组件或其构件。另外，显而易见的是，对发电系统100的类似组件的替代、组件数量、组件位置或其他明显变化也被认为是本公开内容的一部分。
67.因此，如图1
‑
9b所示，示出了根据本公开内容的方面的发电系统100。如所公开的，发电系统100可以被认为是基于重力的力矩水力发电系统。特别地，该系统可以被认为是先进重力力矩水力发电系统100。系统100利用重力通过流体(诸如，水)来移动组件，以产生水电。如知晓的，水电是源自流动水的能量的电力。然而，如将理解的，本文公开的发电系统100不依赖于自然发生的水运动，而是人为地产生水运动。换而言之，通常被认为是停滞的或以其他方式基本上静止的水被作用以移动水通过一个或多个产生能量的元件。水由可转换活塞移动，所述可转换活塞允许由于重力而大致竖直移动(可以是受控或不受控的)。可转换活塞相对于水的运动将引起水通过发电系统100移置以产生/生成电力，然后电力可以被发送以立即使用或储存以备后用。因而，至少部分由重力引起的可转换活塞的运动引起水的人工运动以产生水电。
68.如图1中所示，发电系统100包括具有壁16的壳体102。壳体102和壁16通常可以采用任何几何形状，并且可以建造在地上、地下、或部分地上和地下。如图1中所示，壳体102包括大致圆柱形的基部h，具有球根状的上部或远侧部u。顶部33被示为在球根状部u的远端并且通常可以包围壳体100。因而，壳体102也可以被称为塔，因为所述结构具有容纳系统100的众多组件的高度和宽度。还应当意识到，壳体16从基部6到远侧顶部33的大致长度或高度可以是沿壳体100的高度具有相同或相似直径的大致圆柱形。也可以使用其他形状和形状的组合来形成壳体100。壳体102将填充水或其他液体，然后所述水或其他液体移动以产生人工运动从而与产生能量的组件相互作用以产生用于使用和/或储存的能量。根据一些实施例，壳体102将具有最小或建议的填充量，如图1中的虚线23所示。然而，这条线的位置可以取决于许多因素，包括但不限于壳体的高度、系统期望的能量输出、壳体的宽度、组件在壳体中的移动量、组件在壳体内移动的次数、人工移动的水的流速、以及其他因素。
69.壳体102的底面为钢质底座6，安装在钢筋混凝土深桩底座7上。壳体102的壁16包括刚性组分。示例性的组分可以是但不限于钢、混凝土、玻璃纤维、塑料、石头、木材、复合材料、或其某一组合。然而，本文公开的材料不限制本发明，并且其他材料被认为是本公开内容的一部分。
70.使用外部动力源为从地下含水层或河源抽水的外部泵提供动力将初始水引入到壳体102中。一旦达到期望的水位，专门设计的可转换钢可转换活塞g也由外部动力源操作，所述外部动力源在初始阶段优选为风或太阳。
71.可转换活塞构件g被示为位于壳体102内，并且在图1所示的特定配置中，显示为位于壳体102的圆柱形基部h部分内并在其中移动。然而，可转换活塞构件g也可以移动到上部或球根部u中。如将理解的，可转换活塞构件g在壳体102中的运动产生储存在壳体102内的水的运动。
72.可转换活塞构件g最初被移动到壳体102内朝向、到或靠近可转换活塞止动件41的向上或远侧位置处。在该位置，可转换活塞构件g可以完全或部分浸没在壳体102中的水中。通常，可转换活塞构件g包括平稳缸水位平衡管线8、平稳缸底部软管/液压开启器和关闭器9、可转换活塞着陆垫10、平稳缸潜水泵11、平稳缸12、装有止回阀13的平稳水排出管线、可膨胀囊密封件14、可转换钢可转换活塞门液压关闭器/开启器15、封闭钢缸或装有计算质量的赤铁矿17的缸、可转换钢可转换活塞水通道18、与大气相通的平稳缸空气软管19、以及可转换钢可转换活塞底座22。
73.如图7a、7b、8a和8b中最佳地示出的，可转换活塞构件g包括多个平稳器12，其可以是钢或其他刚性材料。根据至少一些实施例，每个圆筒可以有四个平稳器12。然而，这不是必需的数目，任何数目的平稳器1
‑
n(其中，n是任意数目)都被认为是本发明的一部分。
74.系统100内的人工水运动由可转换活塞g输入。底座22支撑多个封闭或密封的缸17。根据至少一些实施例，缸17包含承重材料，诸如赤铁矿等。赤铁矿或其他材料的重量和数量是基于要在壳体102内移置水37的体积和要产生的电量来计算的。可转换活塞g有中央可转换活塞门液压关闭器和开启器15。该门15在可转换活塞向下移动时关闭，当可转换活塞向上移动时打开。可转换钢可转换活塞水通道18允许水平滑通过可转换钢可转换活塞底座22。包含计算的质量的加重材料17的闭合钢缸与可转换钢可转换活塞上的钢框架和其他钢结构一起提供了可转换钢可转换活塞的期望的基础重量。进一步的重量来自圆筒中可转
换活塞上方的水，因为它被回收到圆筒中。可转换钢可转换活塞使用可转换钢可转换活塞着陆垫10落在圆筒底面6、7上。
75.如上所述，图中所示的可转换活塞构件g包括四个平稳缸或平稳腔室12。每个腔室12包括允许水进入的旋转板9，从而迫使空气朝向外壳的顶部移置，诸如通过柔性空气软管19。每个腔室通过水位平衡管8连接。旋转板9通过马达被致动以打开和关闭，马达可以是电动的、气动的、液压的、机械的、或其某一组合。每个腔室12包括泵，用于在可转换活塞构件g到达圆柱形基部h的底部或底部附近时将水推出。可转换活塞构件g在中心处或中心附近具有较大的旋转板50，所述旋转板打开和关闭以允许可转换活塞可控地上升和下降。该板还通过电机驱动以打开和关闭，电机可以是电动的、气动的、液压的、机械的、或其某一组合。当每个平稳腔室12旋转阀9打开时，可转换活塞旋转阀15关闭(参见例如图7b)。腔室9填充有水，这引起可转换活塞失去其浮力并允许其朝向壳体102的底部下降。当每个平稳腔室旋转阀9关闭时，可转换活塞旋转阀15打开(参见例如图7a)。平稳腔室的内部泵迫使水流出而空气自然流入，这引起可转换活塞变得有浮力并允许其在水中朝向水面(在虚线23处或其附近)上升。
76.如图8a和图8b中最佳地示出的，一个或多个平稳缸12具有平衡管线8以确保所有平稳缸12保持基本相同的水位。平稳缸包括至少一个打开机构9，其具有孔以选择性地允许水进入平稳缸。根据一些实施例，打开机构9可以是旋转致动器。然而，可以利用其他致动器、螺线管、齿轮、或类似致动的门或其他选择性开启构件，使得阀门可以打开以允许一定量的水进入平稳器，但关闭以防止或以其他方式减少额外的水进入平稳器。打开平稳缸12允许水43填充平稳缸。平稳器12内的空气经由柔性空气软管19排放到大气中。向可转换活塞构件的一个或多个平稳器添加水将增加重量和/或减少可转换活塞构件的浮力。因而，当平稳器12和门15打开时，可转换活塞g将俯冲或以其他方式向下移动。
77.当水从一个或多个平稳缸12排出时(诸如，经由一个或多个潜水泵11和排出管线13)，可转换活塞构件g将向上返回到水位23。排出管线13包含止回阀，以防止泵出的水通过管线13回流。空气通过软管19从大气吸入平稳缸12。可转换活塞构件g的浮力可以克服包含加重质量的缸17的重量。
78.附加地，如图1、6a和6b中所示，可转换活塞构件g的外围可以包括单个连续的囊14或多个间断囊构件14。所述一个或多个囊构件14包括可膨胀部分，其可以是可膨胀聚合物。在可转换活塞构件g向下移动期间，一个或多个囊14使用外部压缩机膨胀，压缩空气缸单元经由平稳缸空气软管与囊对齐，以将囊的一部分压在靠近壳体102的壁附近或向所述壁按压囊的一部分。这在一个或多个囊和壳体的壁之间形成密封，所述密封可以是不透水的以防止或以其他方式减轻水在向下运动期间通过壳体102的内侧在可转换活塞上方移置。在可转换活塞的向上运动期间，囊可以放气以允许在可转换活塞构件g上具有较小阻力的情况下更容易或更有效地向上运动。图6a示出了一个或多个膨胀的囊14，同时示出了指示可转换活塞构件的运动的向下箭头。请注意，指向图左侧的箭头表示囊朝壁102向外膨胀。如图6b中所示，囊已经放气，如朝右的箭头所指示的。注意囊和壁102之间的间隙。附加地，朝上的箭头指示可转换活塞正在向上移动。
79.如上所提及的，水被引入系统100的壳体102中。可转换活塞构件g朝由可转换活塞止动件41标记的点向上移动。可以包括耐磨聚合物可转换活塞密封件的可膨胀囊14被充气
以确保可转换活塞侧部和壳体壁16之间的可滑动、水密接触。平稳缸旋转阀9打开，水被允许进入平稳钢缸12，这将移置通过平稳缸空气软管19移置的空气。平稳钢缸内的水位使用平稳钢缸平衡管线8进行平衡。平衡管线8、可转换活塞膨胀密封件组的计算高度以及可转换活塞上的重量的均匀分布减轻或防止可转换活塞在向上或向下移动时向任何方向倾斜。可转换活塞g具有中央可转换活塞门旋转阀15。该阀在可转换活塞向下俯冲时关闭，当可转换活塞向上俯冲时打开。可转换钢可转换活塞水通道18允许水平滑通过可转换钢可转换活塞底座22。包含计算的质量的加重材料17的闭合钢缸与可转换钢可转换活塞上的钢框架和其他钢结构一起提供了可转换钢可转换活塞的期望的基础重量。
80.壳体中可转换活塞上方的水在循环回圆筒时产生了进一步的重量。使用可转换钢可转换活塞着陆垫10，可转换钢可转换活塞着陆在圆筒底面。
81.使用平稳缸潜水泵11可以使可转换活塞g向上运动(返回)。泵11可以由类似于图中所图示的系统的创建或储存系统提供动力。平稳缸潜水泵11将平稳缸12中的水抽到一定水位，并通过装有止回阀13的平稳水排出管线排入可转换钢可转换活塞的上部。大自然“厌恶”真空。因此，圆筒中水位以上的空气通过平稳缸柔性空气软管19进入平稳缸，所述软管可以漂浮在壳体中的水位(即，线23)以上。可转换钢可转换活塞门15逐渐打开，可膨胀可转换活塞密封件14缓慢放气，使可转换活塞挣脱，由于平稳钢缸内的空气产生的向上推力而向上俯冲，所述空气的密度小于水。在接近最大浸没水位时，密封件14逐渐向后膨胀，这起中断作用并且中央可转换钢可转换活塞门15也关闭。机械式可转换活塞止动件14进一步停止圆筒g的运动。循环继续以实现可转换活塞的向上和向下俯冲，这将通过发电系统100的其余部分移置水。
82.发电系统100的附加方面包括，基部部分h包括：排出管线20，排出管线由管线夹21在外部固定；机动压力管道阀/松紧扣5、钢底座6、钢筋混凝土深桩底座7、内衬钢板的钢筋混凝土墙16、人员升降机通道36、以及具有水位23的水43。
83.因此，可转换活塞g的上下运动移动了壳体102中的水43。在可转换活塞向下运动时水的移置将水推到可转换活塞下方。这些水必须被转移到某个地方，正如将理解的，它被驱动通过发电设备网络，以从运动中产生电力。随着圆筒不断降低和升高，水将继续通过系统移置，从而产生稳定的动力输出。
84.接下来转到图1、9a和9b，当可机动压力管道阀和松紧扣5打开时，发电系统100投入使用，允许可转换活塞g作用的移置水进入涡轮发电机组4或44，其中第一级电力生成。应注意，涡轮组4和44位于壳体102周围的不同位置，以允许更多地捕获移置水。还要注意，取决于壳体102是构建在地上还是地下，组4、44和1的位置可能并不总是在壳体102的底部。在使用立轴沉孔机将壳体102建造为地下立轴的情况下，组4、44和1位于水位41附近但低于所述水位，但压力管道保持在与其对齐的底部。附加地，涡轮机4、44可以是弗朗西斯涡轮，其为结合径向和轴向流动构思的向内流动反应涡轮机。弗朗西斯涡轮发电机组排出到另一个涡轮发电机组1，所述涡轮发电机组可以是并联歧管中的卡普兰水轮发电机组，在那里产生第二级电力。卡普兰涡轮机是内流式反应涡轮机，这意味着工作流体在通过涡轮机时会改变压力并释放其能量。动力从静压头和流动水的动能中回收。所述设计结合了径向和轴向涡轮机的特征。入口是螺旋形的管子，环绕着涡轮机的边门。引导水切向地通过边门并盘旋到螺旋桨形状的转轮上，使其旋转。出口是特殊形状的引水管，有助于使水减速并回收动
能。只要引水管保持充满水，涡轮机就不需要处于水流的最低点。然而，较高的涡轮机位置会增加由引水管施加在涡轮机叶片上的吸力。由此产生的压降可能导致气穴现象。边门和涡轮叶片的可变几何形状允许在各种流动条件下高效运行。卡普兰涡轮机的效率典型地超过90％，但在非常低的头部应用中可能会更低。
85.在该组中，多个较小的涡轮机(在所示的实施例中，有五个，列为1a、1b、1c、1d、1e、和1...，其中最后一个允许使用任何数字)与公共入口平行布置并且单独的较小排出管线3和20去往系统100的力矩动力轮部u。
86.力矩动力轮部u在图1、2、3、4和5中最佳地示出。管线3、20使用排出管线夹21紧固到圆柱形塔壳体102。卡普兰涡轮排出管线高压锥形头28切向指向力矩动力轮盘状钢结构31，使得高压流水在头部28处从管线3、20排出并撞击力矩轮结构31的力矩动力轮发电机冲击翅片29，使其旋转。根据一些实施例，水切向地且几乎竖直地冲击翅片。翅片29可以采用多种形状并且在图中示出为杯状以有效地接收水以转换成旋转。这在图3中最佳地示出。然而，翅片29的确切配置和/或数量不限制本发明。附加地，力矩轮31的尺寸也不应受到限制。
87.力矩轮31是飞轮或水斗轮类型。飞轮是专门设计用于有效储存旋转能(动能)的机械设备。飞轮通过其惯性矩来抵抗转速的变化。飞轮中储存的能量与其转速和质量的平方成正比。改变飞轮储存的能量而不改变其质量的方法是增加或降低其转速。由于飞轮充当机械储能设备，因此它们是类似于电容器的动能储存设备，例如，其是蓄能器类型的。与其他类型的蓄能器一样，飞轮平滑动力输出中的纹波，根据需要提供高动力输出浪涌，吸收高动力输入(系统产生的动力)浪涌，并以此方式充当系统的机械速度(角或其他)的低通滤波器。然而，在将冲击力转化为旋转运动方面，力矩动力轮的功能更像是水斗轮而不是飞轮，也更像是一个杠杆，因为它设计用于利用非常大的半径来放大其圆周翅片处的冲击力，增加扭矩以向其中心做更多有用的功。
88.力矩动力轮钢支撑结构25为力矩动力轮轴和轴承壳体27提供底座，使力矩动力轮能够高速、平稳、安全地转动。力矩动力轮上部钢支撑结构30保持力矩动力轮的端轴承壳体并为力矩动力轮交流发电机和齿轮32(参见例如图4)提供固定底座。交流发电机齿轮与齿轮齿条(靠近力矩动力轮轴的大圆形齿条)的技术合并，将力矩动力轮的旋转转化为交流发电机轴的旋转，从而在第三级发电。还应当注意的是，交流发电机可以直接在力矩动力轮的中心轴上装配增速齿轮箱。
89.壳体顶部33覆盖塔102的上部。还有避雷器34来保护系统102免受雷击的危险和破坏性影响。这也可以是由金属制成的简单避雷针。
90.涡流水槽36在冲击力矩动力轮冲击翅片29后将水聚集并产生3米的水头(此仅为示例性目的，确切的水头尺寸不应限制本发明)，其驱动涡流发电机35用于第四级发电。根据重力水涡动力原理，该技术基于带有中央排水口的圆形水池。在排水口上方形成稳定的线涡流，驱动水轮机。水通过直的入口，然后切向进入圆形的水池。水在水池的中央底部排水口上方形成大漩涡。涡轮机从漩涡中提取旋转能量，由发电机将其转换为电能。
91.涡流槽排出口37然后将输出水引导到次级卡普兰涡轮发电机38中以用于第五级发电。该次级卡普兰涡轮发电机38向次级力矩动力轮发电机40排出水以用于第六级发电。这在图5中更详细地示出。如图中所示，力矩轮40由框架24支撑。轮40包括围绕轮子周边的多个翅片。翅片与从涡轮机38排出的水相互作用以旋转从而产生额外的动力。
92.水在与力矩轮40相互作用之后朝着壳体102的下部h平滑回落。第1、2、3发电级为初级发电机，第4、5、6发电级为次级发电机。
93.图10和图11分别图示了水循环(图10)和发电级(图11)。所产生的电力传导给升压变压器和一个或多个变电站，用于同步和供电到需要电力的地方。这些过程由可编程逻辑控制(plc)系统控制。
94.力矩动力轮部u由钢板圆柱壁制成，并用钢支撑架24加固。该部u可以具有比基部h更宽的直径并且提供大于3米的底面空间用于维护和安装目的。可转换钢可转换活塞维护吊钩26使得能够进行维护工作，诸如更换损坏的可转换活塞密封件和其他维护工作。可以提供竖直梯子39以供人员进入力矩动力轮发电机和结构平台。安装人员升降机42系统以将人员从地下运送到部u底面。在使用立轴沉孔机将壳体102完全建在地下作为竖直井的情况下，人员升降机42只需要将人员从安装了组4、44和1的地下移动到力矩动力轮的顶部。
95.根据至少一些实施例，典型的壳体尺寸可以如下：h截面内圆柱半径等于约5至50米且混凝土壁厚等于、小于或大于约1米，h等于、小于、大于或大于约300米，g等于、小于或大于约20米，u等于、小于或大于约25米且顶部等于、小于或大于约10米。
96.因而，总结起来的工作原理是，可转换活塞的重量和可转换活塞上方的水对可转换活塞底座下方的水施加压力，符合帕斯卡定律，所述定律指出“在静止的封闭流体的任何点的压力变化不会减弱地传输到流体中的所有点”。该压力驱动水从壳体内部流过管道，所述管道符合弗朗西斯涡轮发电机中的至少一个或多个、卡普兰涡轮发电机中的一个或多个、力矩动力轮发电机中的一个或多个、涡流发电机中的一个或多个、次级卡普兰涡轮发电机中的一个或多个、以及次级力矩动力轮发电机中的一个或多个，其中分别在六级发电。然后水被循环到壳体中。可转换活塞在重力作用下向下移动，并通过泵的气液移置产生的上推力向上移动。这是由阿基米德原理控制的，所述原理指出“浸入流体中的物体受到的浮力等于它所排开的流体的重量”。平稳缸中的空气密度比水小，因此它会产生向上的推力，将可转换钢可转换活塞向上提升。力矩动力轮利用其较大的直径将其翅片上的冲击力转换为更多的机械旋转功，接着通过交流发电机转换为电能。这符合阿基米德杠杆原理指出的“力对点或物体的力矩等于所施加的力与所施加的力到点或物体的竖直距离的乘积”。
97.它还遵守牛顿旋转定律：牛顿第一旋转定律指出，静止的物体倾向于保持静止，而旋转的物体倾向于以角速度旋转，除非它受到非零净扭矩的作用或分布物体的质量的方式发生变化。牛顿第二旋转定律指出，净外部扭矩等于转动惯量乘以角加速度。
98.根据一些实施例，诸如图1中所示的两个塔系统用于不间断发电。一座塔产生的电力供应给消费者并用于再生第二座塔，反之亦然。这个循环以24小时乘以7天乘以365天(24hrs by 7days by 365day)不间断地持续。请注意，这并不意味着它是永动概念中的永动机。
99.如本文所示和/或公开的这种系统的优点包括但不限于以下，其中，所述系统：
100.可作为独立的发电系统运行，即不需要任何外部能源，即初始输出(take off)后使风能或太阳能等再生的电网能源。
101.提供持续稳定的电源，而不是间歇性的——随时可用。
102.无需昂贵的电力储存，因为电力是按需产生的。
103.提供适合各种负载的电力质量，并能承受负载浪涌。
104.灵活——如果电网需要更多电力——机动阀门打开更多以增加水流。
105.提供最环保的可靠电力来源。它仅使用重力，因而确保零燃料使用、零排放和最小的环境影响。
106.与所有其他商业发电来源相比，每千瓦发电量的环境占用面积最小，因此为农业、人类居住和工业化节省了土地。
107.适用于分散式发电，确保远距离传输带来的能量损失更少，使得可以满足单城用电需求。
108.在运营成本低的情况下，提供每千瓦时最便宜的可靠电力来源，同时由于传输和储存损失较少而使利润最大化。
109.应该很容易获得允许和许可来建造，而不会出现很多环境问题。
110.不需要高差和可用河流来给电厂选址。
111.包括自动化可编程逻辑控制(plc)六级最佳发电，与任何其他能源系统相比，确保了最高可能的效率。
112.利用了灵活的选址、较低的资本成本、快速的建设和调试、最佳的水循环和较早的投资回报。
113.根据一些实施例，其可以并入本文所示和/或描述的任何实施例中，系统的壳体的形状类似于典型的粮仓。然而，如图所示，壳体102可以采用其他形状和尺寸，诸如具有球根状上部的圆柱形基部(参见，例如，图1)。附加地，请注意，壳体通常是竖直定向的，也可以称为塔或类似结构。进一步，应当理解，如本文所公开的所述一个或多个塔可以在地面之上或之下。
114.附加实施例包括本发明的额外的方面。例如，图12和图13图示了这种情形。在这些图中，包括许多与图1
‑
11相同的结构和/或组件。因此，将不再重新描述这些单独的组件。然而，图12和图13公开了一种情形，其中两个或更多个壳体102和可转换活塞构件可以与发电系统100的力矩动力轮共享。
115.如本文所提及的，两个或更多个壳体可以与另一个结合使用以向彼此提供任何外部电力，以及增加用于特定系统的组合塔组的输出。对于图12和图13中所示的配置(其中只示出了一个塔构件，但可以使用类似的组件来加倍)，可转换活塞和壳体组合的数量可以大大增加。
116.如图13中所示，壳体102的数量可以是三个或更多。这三个单独的壳体102单独但相互依赖地操作以进行再生。然而，这三个壳体102将与公共发电系统100相关联，如图12中所示，所述公共发电系统包括初级力矩动力轮、涡流发电机、次级卡普兰发电机和次级力矩动力轮，其中从这些部分中的任何一个移置水将移动通过第一、第二、第三、第四、第五和第六发电级(参见例如图10和图11)。
117.虽然单个可转换活塞单元将允许按照每次向下运动得到发电级的单个循环，但具有多于一个可转换活塞的情形将允许可转换活塞的运动交错。这可以提供通过发电级的近乎连续的水流以连续产生电力。这在需求较高的地区或当产生大量电力用于存储时很有用。系统的编程可以控制可转换活塞的运动，以便在单独的壳体102中提供多个可转换活塞的最有效交错，以试图提供通过发电级的近乎连续的水流以及随之而来的持续发电。
118.这可以通过使用双发电系统100进一步增强，每个系统具有三个单独的壳体102，
其中可转换活塞单独移动。每个塔式系统在发电的第三级将具有单个主力矩轮，否则将包括用于单独壳体102和可转换活塞部分中的每一个的单独的其他发电级，这以指数方式增加潜在的输出发电量。
119.如上所提及的，所提供的任何系统都可以机械地控制，但预期所述系统将由可编程逻辑控制(plc)控制。所述系统还可以利用任何工业控制系统(ics)。ics是一个通用术语，包括用于工业过程控制的若干类型的控制系统和相关联的仪器。这样的系统的范围可以从几个模块化面板安装控制器到具有数千个现场连接的大型互连和交互式分布式控制系统。所有系统都接收从测量过程变量(pv)的远程传感器接收的数据，将这些数据与所期望的设定点(sp)进行比较，并导出用于通过最终控制元件(fce)(诸如，控制阀)控制过程的命令函数。较大的系统通常由监督控制和数据获取(scada)系统、或分布式控制系统(dcs)实现，但是scada和plc系统可扩展到具有少数控制回路的小型系统。这种系统广泛用于化学加工、纸浆和造纸、发电、石油和天然气加工以及电信等行业。
120.包括本文所述的plc的一个或多个实施例可以使用编程模块、引擎或组件来实现。程序化模块、引擎或组件可以包括能够执行一个或多个规定的任务或功能的程序、子例程、程序的一部分、或者软件组件或硬件组件。如这里所使用的，模块或组件可以独立于其他模块或组件存在于硬件组件上。可替代地，模块或组件可以是其他模块、程序或机器的共享元素或过程。
121.根据本公开内容的方面的plc还可以包括诸如智能控制和通信组件等的组件。这种智能控制单元的示例可以是单独的中央处理单元或在以下设备中的中央处理单元：平板电脑、电话、手持设备、膝上型计算机、用户显示器、或者通常能够允许输入、提供选项和显示电子功能的输出的任何其他计算设备。中央处理单元(cpu)也称为中央处理器或主处理器，其是计算机内的电子电路，通过执行指令规定的基本的算术、逻辑、控制和输入/输出(i/o)操作，所述电子电路执行计算机程序中的指令。更进一步的示例包括微处理器、微控制器、或其他合适的可编程设备和存储器。控制器还可以包括其他组件并且可以部分或完全在半导体(例如，现场可编程门阵列(“fpga”))芯片上实现，诸如通过寄存器传输级(“rtl”)设计工艺开发的芯片。
122.在一些实施例中，存储器包括程序存储区和数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括不同类型的存储器的组合，诸如只读存储器(“rom”，非易失性存储器的示例，意味着它在不连接电源时不会丢失数据)或随机存取存储器(“ram”，易失性存储器的示例，意味着它在不连接电源时会丢失其数据)。易失性存储器的一些附加的示例包括静态ram(“sram”)、动态ram(“dram”)、同步dram(“sdram”)等。非易失性存储器的附加示例包括电可擦除可编程只读存储器(“eeprom”)、闪存、硬盘、sd卡等。在一些实施例中，处理单元(诸如，处理器、微处理器、或微控制器)连接到存储器并执行能够存储在存储器的ram(例如，在执行期间)、存储器的rom(例如，在通常永久的基础上)、或另一非暂时性计算机可读介质(诸如，另一存储器或光盘)中的软件指令。
123.为了交互或以其他方式控制系统的任何组件，可以包括机器
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用户接口。用户接口实现用户与机器的交互。用户接口可以是数字接口、命令行接口、图形用户接口(“gui”)或用户可以与机器交互的任何其他方式。例如，用户接口(“ui”)可以包括数字和模拟输入和/或输出设备的组合或实现设备的期望水平的控制和监视所需的任何其他类型的ui输入/输
出设备。输入和/或输出设备的示例包括计算机鼠标、键盘、触摸屏、旋钮、转盘、开关、按钮等。从ui接收的一个或多个输入然后可以发送到微控制器以控制设备的操作方面。
124.用户接口模块可以包括显示器，其可以充当输入和/或输出设备。更具体地，显示器可以是液晶显示器(“lcd”)、发光二极管(“led”)显示器、有机led(“oled”)显示器、电致发光显示器(“eld”)、表面传导电子发射器显示器(“sed”)、场发射显示器(“fed”)、薄膜晶体管(“tft”)lcd、双稳态胆甾型反射显示器(即，电子纸)等。用户接口还可以配置有微控制器以实时或基本实时地显示与主设备相关联的条件或数据。
125.对本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行机械、程序或其他改变。本发明的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所享有的等效物的全部范围限定。
126.本公开内容不限于本文描述的特定实施例。以下权利要求更具体地阐述了本公开内容的多个实施例。