專利名稱：用于水處理系統(tǒng)的水力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及水處理系統(tǒng)，并且更特別地涉及用于通過水力發(fā)電為水處理系統(tǒng)提供電力的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
過去幾年來，人們?cè)趶墓盟椿蛩接盟腥∮盟畷r(shí)已意識(shí)到更加衛(wèi)生的問題。遺憾地是，在當(dāng)今被日益增長(zhǎng)地污染的世界中，并沒有如天然純水那樣的情況。水源包含微生物的和化學(xué)的污染物，其可能存在于自然界或是人類活動(dòng)的結(jié)果。當(dāng)水流入河中、存在于湖泊中和通過土壤和巖石的過濾而流向地面時(shí)，水溶解或吸收自然產(chǎn)生的污染物。此外，歸因于人類的水污染可能由降雨徑流、雪融化和污水排放場(chǎng)的地下遷移引起。
對(duì)所有的居民區(qū)來說供給清潔不變的飲用水是最重的。在大城市中的人們常常飲用來自地面水源、例如湖泊、河流和水庫的水。有時(shí)這些水源接近于居住區(qū)而在另外時(shí)期從許多英里以外的水源獲得飲用水。在農(nóng)村地區(qū)，人們更可能飲用從公用水井或私用水井中泵出的地下水。這些水井打進(jìn)蓄水層，該蓄水層可以是只幾個(gè)英里寬，或者可以跨越許多州的州界。雖然為限制地下水和地面水中的污染物含量進(jìn)行了許多努力，但某些含量的污染物仍存在于所有的飲用水中。
由于對(duì)水污染增長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)，公眾要求得到消費(fèi)凈化的水。已開發(fā)了幾種不同型式的水處理系統(tǒng)，用以提高消費(fèi)公眾的飲用水的純凈度。這些系統(tǒng)在致力于提供無污染的水方面通常排除一些或所有的在飲用水源中存在的污染物。這些系統(tǒng)中的若干種采用碳基過濾器裝置和紫外(UV)光裝置，在供給消費(fèi)以前過濾和凈化水。碳基過濾器采用惰性材料過濾出顆粒的和有機(jī)的污染物。從紫外光裝置中發(fā)射的紫外線輻射用于中和存在于水中的有害微生物。
為了給水處理系統(tǒng)中的紫外光裝置和許多其他系統(tǒng)供能，需要電源。傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)采用由標(biāo)準(zhǔn)的電力輸出電源或蓄電池電源，以便為需要驅(qū)動(dòng)在水處理系統(tǒng)中所有部件包括紫外光裝置提供能量。在由電力輸出電源驅(qū)動(dòng)的水處理系統(tǒng)的情況下，該系統(tǒng)具有受限的可移動(dòng)性并且在電力輸出電源中斷時(shí)停止操作。由蓄電池電源操作的水處理系統(tǒng)只包含有限的能量，其通過水處理系統(tǒng)的操作或蓄電而耗盡并且必須可容易地得到替換的蓄電組以保持水處理系統(tǒng)是可操作的。如果要求較長(zhǎng)期的蓄電池電源，則需要較大的蓄電池，這對(duì)水處理系統(tǒng)可能增加相當(dāng)大的重量和尺寸。
一些現(xiàn)有的水處理系統(tǒng)能夠利用標(biāo)準(zhǔn)的電力輸出電源或蓄電池電源，其中蓄電池電源可以由電力輸出電源再充電。雖然這些水處理系統(tǒng)并不需要替換的蓄電池，但蓄電池的容量和尺寸決定在啟動(dòng)蓄電池電源的同進(jìn)操作水處理系統(tǒng)的持續(xù)時(shí)間。電力輸出電源也必須定期地用來給蓄電池再充電。此外，這些水處理系統(tǒng)需要附加的結(jié)構(gòu)和部件以便根據(jù)該兩不同的電源中之一來操作。
由于上述原因，需要有一種包括內(nèi)部電源的水處理系統(tǒng)，其不需要外部的電力源并且可能產(chǎn)生以操作水處理系統(tǒng)的電力。
發(fā)明概述本發(fā)明公開一種用于與水處理系統(tǒng)相結(jié)合使用的水力發(fā)電系統(tǒng)，其克服了與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問題。水力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施例不需要外部的電源來提供水處理系統(tǒng)用的電力。該水力發(fā)電系統(tǒng)在水流過水處理系統(tǒng)時(shí)可操作來產(chǎn)生電力。
該水力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例包括一噴嘴、一殼體和一出口。在操作過程中，水從水處理系統(tǒng)流入噴嘴。噴嘴迫使流動(dòng)的水通過殼體流至出口。把殼體形成為可容納葉輪，該葉輪與流過殼體的水相流體連通。流動(dòng)的水作用在葉輪上而使葉輪旋轉(zhuǎn)。葉輪固定地連接到發(fā)電機(jī)上。葉輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的一部分旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生水處理系統(tǒng)用的電力。
該水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例包括一殼體、一葉輪、一噴嘴、一出口和一發(fā)電機(jī)。該殼體包括一空氣空間，其內(nèi)定位有能夠旋轉(zhuǎn)的所述葉輪。該噴嘴插入殼體中并提供一水入口。噴嘴操作而形成在葉輪上取向以引起葉輪的旋轉(zhuǎn)的水流。所述出口連接到殼體上以便將在葉輪上取向的水引出殼體。所述發(fā)電機(jī)與葉輪相連接使葉輪的旋轉(zhuǎn)引起由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力。
該水力發(fā)電系統(tǒng)的又一實(shí)施例包括一殼體、一轉(zhuǎn)子和一定子。該殼體包括一入口和一出口，并形成水通過的管道。該轉(zhuǎn)子定位于殼體內(nèi)并能夠旋轉(zhuǎn)使轉(zhuǎn)子借助流過殼體的水而旋轉(zhuǎn)。該定子定位以包圍轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起電力的產(chǎn)生。
另一實(shí)施例描述利用受到水處理系統(tǒng)處理的水給水處理系統(tǒng)提供電力的方法。該方法包括設(shè)置一殼體，其包括一入口和一出口，并且將水流輸給殼體的入口。水通過殼體流到出口。該方法還包括使定位于殼體中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在殼體中的位置為使定子包圍該轉(zhuǎn)子。此外，該方法包括利用該轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生電力。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起電力的產(chǎn)生。
還有一實(shí)施例描述利用受到水處理系統(tǒng)處理的水給水處理系統(tǒng)提供電力的方法。該方法包括設(shè)置一具有一空氣空間的殼體，并且將水流輸給一噴嘴。此外，該方法包括使從該噴嘴中噴射出的水在葉輪上取向，該葉輪固定在空氣空間內(nèi)并能夠旋轉(zhuǎn)。該方法利用從噴嘴中噴射出的水連續(xù)旋轉(zhuǎn)該葉輪和一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子固定地連接到該葉輪上。該轉(zhuǎn)子可同一定子協(xié)同操作而形成一發(fā)電機(jī)，使在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電力。
現(xiàn)在優(yōu)選的諸實(shí)施例能夠容易地適用于需要電源的各種水處理系統(tǒng)中，例如可移動(dòng)式的水處理系統(tǒng)、水龍頭固定好的水處理系統(tǒng)、低逆流水處理系統(tǒng)、整個(gè)建筑物水處理系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離配置水處理系統(tǒng)。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員也應(yīng)該理解該水力發(fā)電系統(tǒng)可以適用于與各種其他的在工作過程中需要電力的系統(tǒng)一起使用，這些工作過程包括流動(dòng)的水或其他的流體。
由于現(xiàn)在優(yōu)選的水處理系統(tǒng)包括一自給的電源，不需要標(biāo)準(zhǔn)的電力輸出電源。此外，由于該水處理系統(tǒng)能夠提供其自身的電力需求，其也能夠提供給用于水處理系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置充電的電源。通過在水不流動(dòng)時(shí)為象指示器和監(jiān)測(cè)器那樣的物件提供電源，儲(chǔ)能器可以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。在現(xiàn)在優(yōu)選的實(shí)施例中，該水力發(fā)電系統(tǒng)可以為初始電力要求、紫外線(UV)燈啟動(dòng)、指示器和監(jiān)測(cè)裝置提供電力。
參照附圖，本發(fā)明的這些和其他的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在考慮到本優(yōu)選實(shí)施例的以下詳述以后將變得明顯。僅僅作為介紹，提供上述討論。在該部分中的任何內(nèi)容都不應(yīng)看作對(duì)由后附權(quán)利要求限定的發(fā)明范圍的限制。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出同水力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例案相連接的水處理系統(tǒng)；圖2示出圖1中所示噴嘴的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖；圖3示出圖1中所示的水處理系統(tǒng)和水力發(fā)電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°的剖面圖，其中水力發(fā)電系統(tǒng)被切去一個(gè)部分；圖4示出水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的剖面圖；圖5示出圖4所示的沿5-5線截取的噴嘴的剖面圖；圖6示出圖4所示的水力發(fā)電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°的剖面圖，其中水力發(fā)電系統(tǒng)被切去一部分；圖7表示同水處理系統(tǒng)相連接的水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的剖視圖；圖8表示圖7中所示的水力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施例的俯視圖，其中定子殼體被切去一部分；圖9表示水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的剖視圖。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例詳述下文參照具體的結(jié)構(gòu)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，并且本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解對(duì)這些具體結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行各種改變和變型而同時(shí)不超出權(quán)利要求的范圍。本優(yōu)選的實(shí)施例可以與任何需要電源和包括水流動(dòng)的水處理系統(tǒng)一起使用；然而，這些實(shí)施例是為住它的或可移動(dòng)的使用的水處理系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員也應(yīng)該理解這些實(shí)施例可以與不是水的流體一起使用并且術(shù)語“水”和“水電”的使用不應(yīng)該被認(rèn)作一個(gè)限定。
圖1為與優(yōu)選的水力發(fā)電系統(tǒng)12相連接的水處理系統(tǒng)10的側(cè)視圖。在該實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12包括一噴嘴14、一殼體16、一葉輪18和一殼體出口20。噴嘴14通過管道22連接于水處理系統(tǒng)10。管道22由聚氯乙烯(PVC)塑料或類似材料制成并且通過螺紋連接、摩擦配合或某其他類似的連接機(jī)構(gòu)連接于噴嘴14。
在操作過程中，增壓水從水處理系統(tǒng)10中經(jīng)由噴嘴14流入水力發(fā)電系統(tǒng)12中，如箭頭24所示。噴嘴14同殼體16連接成使水流過噴嘴14并被迫使通過殼體16流到殼體出口20。在替代的實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以定位在水處理系統(tǒng)10的內(nèi)部或定位成使其在水進(jìn)入水處理系統(tǒng)10以前可以接收一定量的增壓水。
圖2示出噴嘴14的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。該優(yōu)選的噴嘴14為一聲速噴嘴，其提高流過它的增壓水的流速。在該實(shí)施例中，噴嘴14能夠?qū)⑺牧魉偬岣叩絹喡曀?。噴?4由不銹鋼或某其他類似的鍘性材料制成并且包括一噴嘴入口26和一噴嘴出口28。噴嘴入口26如上所述連接于水處理系統(tǒng)10。噴嘴出口28通過摩擦配合、卡扣固定、螺紋連接或某其他類似的能夠在其間形成水密連接的連接機(jī)構(gòu)連接于殼體16。噴嘴14可以在任何位置插入殼體16中，只要該位置形成噴嘴14與葉輪18的適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)即可，如將在下文討論的。
噴嘴14包括為水流通過而設(shè)置的通道30。通道30在噴嘴入口26形成有第一預(yù)定直徑32和在噴嘴出口28處的第二預(yù)定值徑34。在該實(shí)施例中，第二預(yù)定直徑34約為第一預(yù)定直徑32的26％。通道30對(duì)噴嘴14的一預(yù)定的長(zhǎng)度保持第一預(yù)定直徑32。通道30的其余部分通過使通道30成錐度均勻地至第二預(yù)定直徑34而形成。在該實(shí)施例中，噴嘴14的通道30在第一預(yù)定直徑32與第二預(yù)定直徑34之間的錐角約為18°。
通道30的形狀確定從噴嘴14流出的水的流速。此外，在噴嘴出口28處的水流速取決于水源的壓力和噴嘴下游的背壓。要求的噴嘴出口28處的預(yù)定流速范圍可以利用由水處理系統(tǒng)10(圖1中所示)在噴嘴入口26處提供的預(yù)期的壓力范圍來確定。例如，在一家用的水系統(tǒng)中，水源的壓力在約20至60磅/平方英寸(PSI)的范圍內(nèi)。通道30還在噴嘴出口28處提供連接而均勻的水流。在操作過程中流過噴嘴14的水在預(yù)定的高速范圍內(nèi)以預(yù)定的路線流入殼體16中。
再參照?qǐng)D1，殼體16形成一管道，其可以由塑料或能夠形成剛性水通道的某其他類似的防水材料制成。在該實(shí)施例中，殼體16包括一如圖1中所示的半透明的部分以便可以觀察殼體16的內(nèi)部。殼體16被形成圍繞葉輪18，葉輪18與在水流出噴嘴出口28以后流過殼體16時(shí)的水流體連通。
葉輪18包括多個(gè)葉片42，其剛性地固定到輪轂44上。葉片42在殼體16中定位成使從噴嘴14流出的水以預(yù)定的角度沖擊葉輪18的葉片42。該預(yù)定的角度根據(jù)水在噴嘴入口26處預(yù)期的壓力、在噴嘴出口28和的背壓和要求的葉輪18的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)來確定。在操作過程中，流動(dòng)的水作用在葉輪18上使其在殼體16中沿單方向旋轉(zhuǎn)。如下文所詳細(xì)討論的，當(dāng)葉輪18旋轉(zhuǎn)時(shí)，水力發(fā)電系統(tǒng)12的這個(gè)實(shí)施例將流動(dòng)水中的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量，其又轉(zhuǎn)換為電力。在該實(shí)施例中，葉輪18浸在流過殼體16的水中。
圖3示出圖1所示的實(shí)施例旋轉(zhuǎn)90°的剖面圖，其中殼體16被切去一部分。如圖中所示，葉輪18通過一縱向延伸的軸48共軸地固定于一發(fā)電機(jī)46。軸48可以是不銹鋼或某其他固定地連接葉輪18的類似的剛性材料。葉輪18的輪轂44共軸地連接于軸48的一端而為發(fā)電機(jī)46的一部分的發(fā)電機(jī)軸50共軸地連接于其另一端。軸48與葉輪18和發(fā)電機(jī)46的剛性連接可以通過焊接、壓配合或其他類似的剛性連接。
可旋轉(zhuǎn)的軸48縱向延伸而通過水密的密封52插入殼體16中，該密封52用橡膠或其他類似的材料制成。水密的密封52連接于殼體16并構(gòu)成使軸48可以自由旋轉(zhuǎn)而不從殼體16內(nèi)部向外漏水。軸48縱向延伸至鄰近殼體16定位的發(fā)電機(jī)46。雖然圖中未示出，發(fā)電機(jī)46的外表面可以連接于殼體16，例如借助于螺母與螺釘、鉚釘或其他能夠固定地連接殼體16與發(fā)電機(jī)48的類似的機(jī)構(gòu)。
在操作過程中，當(dāng)水流過殼體16和葉輪18旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸48、50相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生電力。在一替代的實(shí)施例中，采用一磁性聯(lián)接器(未示出)代替軸48以排除貫穿殼體16的需要。在該實(shí)施例中，葉輪18包括具有足夠的磁強(qiáng)度的磁鐵以便與固定在殼體16外部的發(fā)電機(jī)軸50上的類似磁鐵剛性地連接。在操作過程中，當(dāng)葉輪18旋轉(zhuǎn)時(shí)，取向在葉輪上的磁鐵與取向在發(fā)動(dòng)機(jī)軸50上的磁鐵間的吸引力使發(fā)電機(jī)軸50旋轉(zhuǎn)從而由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生電力。
在該實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)4 6可以是能夠產(chǎn)生直流電(DC)或交流電(AC)的永久磁鐵發(fā)電機(jī)。在一替代的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)46能產(chǎn)生AC和DC電流。電力從發(fā)電機(jī)46通過多個(gè)導(dǎo)電體54傳送，該導(dǎo)電體54可以是電線、匯流排或其他能夠?qū)щ姷念愃撇牧?。產(chǎn)生的電力的電壓水平是葉輪18的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。如上所述，從噴嘴14流出的水的流速可以設(shè)計(jì)在一預(yù)定范圍內(nèi)從而控制由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生的電力的電壓輸出值。
由該實(shí)施例產(chǎn)生的直流電或交流電可以用于驅(qū)動(dòng)水處理系統(tǒng)10和也可以用于給儲(chǔ)能器(未示出)例如蓄電池或電容器充電。葉輪18的旋轉(zhuǎn)或產(chǎn)生的電力的持續(xù)時(shí)間也可以供給一基于流動(dòng)的測(cè)量的機(jī)構(gòu)，例如流率或已流過水處理系統(tǒng)10的水量的測(cè)量。葉輪18的旋轉(zhuǎn)或產(chǎn)生的電力的持續(xù)時(shí)間可以與發(fā)電機(jī)46的反電磁力(EMF)組合供給基于流動(dòng)的測(cè)量。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解該水力發(fā)電系統(tǒng)12除水處理系統(tǒng)10外也可以用于其他的系統(tǒng)。
圖4示出水力發(fā)電系統(tǒng)12的另一實(shí)施例的剖視圖。該實(shí)施例同樣連接于水處理系統(tǒng)10如圖1中所示實(shí)施例那樣并且包括一噴嘴14、一殼體16、一葉輪18和一殼體出口20。類似于上述的實(shí)施例，噴嘴14以高速提供水，其在可旋轉(zhuǎn)的葉輪18上導(dǎo)向。然而，在該實(shí)施例中，葉輪18在操作過程中不浸入殼體16內(nèi)部的水中。因而，水從噴嘴14中形成噴流，其噴射在葉輪18上。
噴嘴14類似于上述的圖2中所示噴嘴14可以是聲速噴嘴。噴嘴14插入殼體16并且通過安裝板56與其連接。安裝板56鄰接殼體16的外表面定位。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解存在其他的可以用于連接噴嘴14與殼體16的方法。
圖5示出定位于該實(shí)施例的安裝板56上的剖視圖。安裝板56包括一縱向的長(zhǎng)孔58和一對(duì)耳部60，后者使噴嘴14可以相對(duì)于葉輪18調(diào)整到一個(gè)最佳的位置。在該實(shí)施例中，噴嘴14在通過將螺釘插入耳部60而達(dá)到最佳位置時(shí)可以固定地安裝到殼體16上。在替代的實(shí)施例中，當(dāng)緊固件例如螺釘、鉚釘或銷將安裝板56固定地安裝在殼體16上時(shí)該安裝板56為噴嘴14提供單一的預(yù)定的所需位置。
再參照?qǐng)D4，要求的噴嘴14的位置是使噴嘴14縱向伸進(jìn)殼體16中。該實(shí)施例的殼體16包括一由殼體1 6的內(nèi)壁限定的殼體內(nèi)腔62，如圖4中所示。殼體內(nèi)腔62為一空氣空間，其包括其中定位的葉輪18。在操作過程中，水從噴嘴14以預(yù)定的路線噴射入殼體內(nèi)腔62中以便以預(yù)定的角度沖擊葉輪18。該預(yù)定的角度根據(jù)要求的葉輪的RPM和由水處理系統(tǒng)供給噴嘴的水壓范圍來確定的。噴嘴14和葉輪18的協(xié)同操作不限于利用增壓水來進(jìn)行，同樣也可以利用其他的流體，例如空氣。
如圖4中還示出的，葉輪18包括多個(gè)葉片64。該實(shí)施例的每一葉片64在一端固定地連接于葉輪輪轂66并且包括在另一端形成的槳葉68。葉輪輪轂66如上述實(shí)施例中一樣固定地連接于軸48。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解葉片64的數(shù)量和葉輪18的尺寸可以根據(jù)用途改變。
圖6示出圖5中所示的水力發(fā)電系統(tǒng)12的實(shí)施例旋轉(zhuǎn)90°的剖面圖，其中殼體16被切去一部分以便于說明。如圖中所示，水力發(fā)電系統(tǒng)12包括利用軸48連接于發(fā)電機(jī)46的殼體16如在上述的實(shí)施例中那樣。此外，可旋轉(zhuǎn)的軸48通過水密的密封52從葉輪18縱向伸入發(fā)電機(jī)46中。在一替代的實(shí)施例中，軸48可以改用磁性聯(lián)接器，如以上所述，從而排除殼體16的貫穿和水密的密封52。如圖中所示，軸48可旋轉(zhuǎn)地將葉輪18定位于殼體內(nèi)腔62內(nèi)的空氣空間中從而利用槳葉68使之繞軸48旋轉(zhuǎn)。
如圖6中所示，該實(shí)施例的每一槳葉68形成拋物面形狀，其包括一槽口70。該槳葉68的拋物面形狀為存在于從噴嘴14(圖5中所示)噴射的水中的能量提供一均勻的接受器。槽口70在葉輪18旋轉(zhuǎn)時(shí)使噴射水的能量進(jìn)入下一個(gè)槳葉68。將噴射水的能量轉(zhuǎn)給下一個(gè)槳葉使從水到葉輪18傳送的能量的效率為最大。在替代的實(shí)施例中，各葉片64可以形成其他的形狀和結(jié)構(gòu)而有助于有效的傳送從噴嘴14噴射的其他流體的能量。例如，當(dāng)流體為空氣時(shí)，葉片64可以形成為螺槳、翼片或其他能夠?qū)⒛芰繌牧鲃?dòng)的空氣轉(zhuǎn)換為葉輪18的旋轉(zhuǎn)的類似結(jié)構(gòu)。
在操作過程中，在水噴流以一預(yù)定的角度沖擊葉輪18以后，水靠重力如箭頭72所示落向殼體出口20。因而，水集合在殼體出口20處并從而被導(dǎo)出殼體16。由于葉輪18不浸入水中，從水噴流到葉輪18傳送的大部分能量被形成為對(duì)軸48的旋轉(zhuǎn)力。
軸48的旋轉(zhuǎn)使發(fā)電機(jī)46的一部分旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)46的一個(gè)實(shí)施例包括一轉(zhuǎn)子76、一第一定子78和一第二定子80，后兩者定位在一發(fā)電機(jī)殼體82的內(nèi)部。轉(zhuǎn)子76固定地連接于軸48并隨其旋轉(zhuǎn)。第一和第二定子78、80固定地連接于發(fā)電機(jī)殼體82并且周向地包圍軸48。轉(zhuǎn)子76定位在第一與第二定子78、80之間以形成發(fā)電機(jī)46。
該實(shí)施例的轉(zhuǎn)子76可以是一個(gè)包括多個(gè)永久磁鐵84的盤的形式。永久磁鐵84均勻地置于轉(zhuǎn)子76內(nèi)的預(yù)定位置以同第一和第二78、80協(xié)同操作。在該實(shí)施例中的第一和第二定子78、80的每一個(gè)也可以形成包括多個(gè)線圈86的盤。線圈86均勻地定位在第一和第二定子78、80的內(nèi)部以同永久磁鐵84協(xié)同操作?？砂丫€圈86電連接以形成一個(gè)或更多個(gè)用于產(chǎn)生電力的繞組。第一和第二定子78、80的極數(shù)和設(shè)計(jì)取決于許多因素。這些因素包括由永久磁鐵84和反EMF形成的高斯磁場(chǎng)的強(qiáng)度，以及要求的RPM和要求發(fā)電機(jī)46的功率輸出。
在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子76的旋轉(zhuǎn)使由永久磁鐵84產(chǎn)生的磁通量同樣旋轉(zhuǎn)從而在第一和第二定子78、80中產(chǎn)生電力。轉(zhuǎn)子76和第一與第二定子78、80協(xié)同操作以產(chǎn)生交流電(AC)。AC可以由發(fā)電機(jī)46整流和穩(wěn)定化以既提供AC又提供直流電(DC)。在一替代的實(shí)施例中，永久磁鐵84可定位在第一和第二定子78、80上使發(fā)電機(jī)46可用于產(chǎn)生直流電(DC)。在另一替代的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)46類似于關(guān)于圖3討論的發(fā)電機(jī)46。
在操作過程中，可以從水處理系統(tǒng)10(圖1中所示)中向水力發(fā)電系統(tǒng)12輸送增壓水。如同在以前的實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12的各個(gè)替代的實(shí)施例可以向水處理系統(tǒng)10輸送水或定位在水處理系統(tǒng)10的內(nèi)部。在該實(shí)施例中，如上所述，水從處理系統(tǒng)10輸送給噴嘴14。
增壓水流過噴嘴14并以高速噴射入殼體內(nèi)腔62從而以預(yù)定的入射角沖擊葉輪18上的槳葉68上。當(dāng)水沖擊槳葉68時(shí)，噴射水的能量轉(zhuǎn)送給葉輪18使其沿單方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)葉輪18旋轉(zhuǎn)時(shí)噴射水的一部分也通過槽口70噴射并沖擊葉輪18上的另一些槳葉68。在水沖擊槳葉68和能量的同時(shí)傳送以后，水靠重力落到殼體出口20并流出殼體16。因此，在操作過程中殼體內(nèi)腔62保持空氣空間并且在操作過程中不完全充滿水。
葉輪18的旋轉(zhuǎn)使軸48旋轉(zhuǎn)從而旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)46的轉(zhuǎn)子76。在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子76以約2400每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子76的旋轉(zhuǎn)引起供給水處理系統(tǒng)10的電力的產(chǎn)生。如上所述，由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生的電壓水平的范圍是根據(jù)流過噴嘴14的水的流速范圍確定的。因此，發(fā)電機(jī)的電壓范圍可以通過選擇流過噴嘴14的水的流速范圍來選擇。
圖7示出水力發(fā)電系統(tǒng)12的另一實(shí)施例的剖視圖，其優(yōu)選連接于水處理系統(tǒng)10。如圖中所示，水力發(fā)電系統(tǒng)12包括一轉(zhuǎn)子殼體102和一定子殼體104。轉(zhuǎn)子殼體102形成一管道，其可以由塑料或其他類似的剛性材料構(gòu)成并且包括一入口106和一出口108。在操作過程中入口106按箭頭110所示接收流動(dòng)的水而出口108將流動(dòng)的水引到水處理系統(tǒng)10。在各替代的實(shí)施例中，該水力發(fā)電系統(tǒng)12可以固定在水處理系統(tǒng)10的內(nèi)部或固定成可接收流出水處理系統(tǒng)10的水。如上所述，流過水力發(fā)電系統(tǒng)12的水流量可以由水處理系統(tǒng)10加以控制。
如圖7中所示，轉(zhuǎn)子殼體102包含一轉(zhuǎn)子112而定子殼體104包含一定子114。該實(shí)施例的轉(zhuǎn)子112可以是具有六個(gè)北/南極組合的十二級(jí)永久磁鐵轉(zhuǎn)子。如下文所詳述的，該實(shí)施例的定子114可以是設(shè)計(jì)有八個(gè)北/南極組合的一環(huán)狀圓環(huán)。轉(zhuǎn)子112和定子114在操作過程中協(xié)同操作以產(chǎn)生電力。如在本領(lǐng)域中已知的，一定子包括一固定的繞組，其可以根據(jù)需要的電壓輸出大小構(gòu)成可容納任何數(shù)目的電極。公開于本實(shí)施例的繞組中的電極數(shù)目不應(yīng)被認(rèn)作是對(duì)本發(fā)明的一個(gè)限定。
圖8示出圖7中所示實(shí)施例的俯視圖，其中為說明起見定子殼體104被切去頂部。定子114固定地定位于定子殼體104中以周向地包圍轉(zhuǎn)子殼體102。定子114包括一鐵心116、多個(gè)凸出的電極118和多個(gè)線圈120。鐵心116可以由鐵、鋼或其他類似材料構(gòu)成并且被形成可包括凸出的電極118。在該實(shí)施例中，可以有八個(gè)凸出的電極118，其分別圍繞以線圈120。
將凸出的電極118形成在定子114上使它們以周向地包圍轉(zhuǎn)子殼體102。每個(gè)凸出的電極118包括一成形端，其作為一極靴122在本領(lǐng)域中是已知的。極靴122鄰近轉(zhuǎn)子殼體102放置。極靴122傳導(dǎo)一恒定的由轉(zhuǎn)子112通過線圈120形成的磁通量。線圈120可以是電線或某其他能夠傳導(dǎo)電力的類似材料并且圍繞凸出的電極118纏繞。雖然未示出，線圈120相互電連接以形成繞組，如在本領(lǐng)域中已知的，用于每一線圈120的電線圈數(shù)由電壓和功率要求、最小和最大轉(zhuǎn)子112的轉(zhuǎn)數(shù)、最大允許的反壓、需要的電感和磁高斯數(shù)來確定。
再參照?qǐng)D7，定子114橫向垂直于轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線定位。由于定子114定位在轉(zhuǎn)子殼體102的外面，其與在轉(zhuǎn)子殼體102內(nèi)部的流動(dòng)水脫離了流體連通。定子殼體104固定地連接于轉(zhuǎn)子殼體102從而為定子114提供一在轉(zhuǎn)子殼體102上的預(yù)定位置。在該實(shí)施例中，定子殼體104通過摩擦配合與轉(zhuǎn)子殼體102的外表面相連接。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解存在不同的其他的轉(zhuǎn)子殼體102與定子殼體104的連接方式。
在該水力發(fā)電系統(tǒng)12的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子112包括一永久磁鐵124，其可以由金屬、燒結(jié)金屬、擠壓金屬或陶瓷材料制成。永久磁鐵124形成一恒定的磁通量并且與轉(zhuǎn)子軸126相連接?？尚D(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸126從永久磁鐵124的兩端縱向外伸并可以由不銹鋼或其他剛性耐腐蝕材料構(gòu)成。永久磁鐵124的中心軸線形成與轉(zhuǎn)子軸126共軸線。永久磁鐵124的外表面可以形成流線形以包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片128。該實(shí)施例的永久磁鐵124構(gòu)成桶形，具有形成轉(zhuǎn)子葉片128的單螺旋螺脊。在替代的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片128可以是渦輪葉片或其他能夠在受到流動(dòng)的水沖擊時(shí)引起轉(zhuǎn)子112旋轉(zhuǎn)的類似裝置。
如圖7中所示，轉(zhuǎn)子112固定在轉(zhuǎn)子殼體102的內(nèi)部與轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線共軸線。轉(zhuǎn)子112的轉(zhuǎn)子軸126的一端插入第一連接盤130而其另一端插入第二連接盤132。在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子軸126的兩端增大直徑以形成便于固定于第一連接盤130和第二連接盤132上的堅(jiān)固的區(qū)域。第一連接盤130和第二連接盤132由塑料或其他類似的材料形成并且建立垂直于轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線的橫向支撐件。第一連接盤130和第二連接盤132均包括一軸承134或其他類似的裝置以便使轉(zhuǎn)子軸126可以自由旋轉(zhuǎn)。此外，第一連接盤130和第二連接盤132以預(yù)定的相互間距連接于轉(zhuǎn)子殼體102使轉(zhuǎn)子112可以懸掛在它們之間。
轉(zhuǎn)子112定位在轉(zhuǎn)子殼體102中使流過轉(zhuǎn)子殼體102的水沖擊形成轉(zhuǎn)子112的一部分的轉(zhuǎn)子葉片128。轉(zhuǎn)子葉片128用作為一槳葉使流動(dòng)的水作用在轉(zhuǎn)子112上。流動(dòng)的水使轉(zhuǎn)子112繞轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線沿單一方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子112定位在定子114的內(nèi)部使轉(zhuǎn)子112的軸線同心于定子114的軸線。轉(zhuǎn)子112同定子114協(xié)同操作而構(gòu)成發(fā)電機(jī)。
在操作過程中，當(dāng)水流動(dòng)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由轉(zhuǎn)子112產(chǎn)生的恒定磁通量也旋轉(zhuǎn)并透入定子114從而實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生電力。在轉(zhuǎn)子112與定子114之間必須保持一特定距離的氣隙以便使來自轉(zhuǎn)子112的恒定磁通量可以引起由定子114產(chǎn)生的電力。在這些實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)子112的永久磁鐵124與定子114的極靴122之間的“氣隙”包括流動(dòng)的水和轉(zhuǎn)子殼體102。流體的流動(dòng)和轉(zhuǎn)子殼體102并不影響恒定的磁通量。因此，來自旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子112的旋轉(zhuǎn)恒定磁通量引起由定子114的各線圈120產(chǎn)生電力。
當(dāng)水流過轉(zhuǎn)子殼體102而使轉(zhuǎn)子112旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)的恒定磁通量傳給定子114的繞組并產(chǎn)生電力。該電力流過導(dǎo)電體54以驅(qū)動(dòng)一個(gè)裝置，即在該實(shí)施例中的水處理系統(tǒng)10。圖7和8中所示的該實(shí)施例的水力發(fā)電系統(tǒng)12產(chǎn)生交流電(AC)，其可以用來驅(qū)動(dòng)水處理系統(tǒng)10。在一替代的實(shí)施例中，該水力發(fā)電系統(tǒng)12通過將永久磁鐵124定位在定子114上可以產(chǎn)生直流電(DC)。在另一替代的實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12通過使交流電(AC)整流和穩(wěn)定化給水處理系統(tǒng)10既提供AC電流又提供DC電流。DC電流還可以用來給儲(chǔ)能器(未示出)充電。轉(zhuǎn)子112的旋轉(zhuǎn)和電力產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間也可以用于供給基于流動(dòng)的測(cè)量，例如流率或流過水處理系統(tǒng)10的水量的測(cè)量。
圖9示出水力發(fā)電系統(tǒng)12的又一實(shí)施例的剖視圖，其在原理上類似于關(guān)于圖7和8公開的上述的實(shí)施例。該實(shí)施例包括一轉(zhuǎn)子112、一定子114和一固定于殼體142中的渦輪噴嘴140。殼體142構(gòu)成一管道，其具有一入口144和一出口146。當(dāng)水或某其他流體按箭頭148所示流入入口114時(shí)，水流過殼體142并由出口146引出殼體142。在一個(gè)實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以固定在水處理系統(tǒng)10(圖1中所示)的內(nèi)部，位于水處理系統(tǒng)10或輸送水給該水處理系統(tǒng)10的后邊。
殼體142可以由塑料或類似的能夠?qū)膭傂圆牧现瞥?。該?shí)施例的殼體142包括第一部分152和第二部分154以便于組裝和維護(hù)。第一和第二部分152、154可以通過粘結(jié)、摩擦配合、螺紋連接或某其他構(gòu)成類似的剛性連接的裝置結(jié)合在一起。殼體142形成水流通過的通道156。渦輪噴嘴140固定地定位在通道156的內(nèi)部。
該實(shí)施例的渦輪噴嘴140可以是大體上錐形形狀并且可以由塑料或某其他類似的剛性材料制成。渦輪噴嘴140可以成一體構(gòu)成包括一頂部158和多個(gè)支撐件160。頂部158可以位于通道156的中心并且用于向外向著殼體142的內(nèi)壁噴射流動(dòng)的水。各支撐件160通過例如摩擦配合、卡和固定、螺紋連接或其他類似的剛性連接固定地連接于殼體142的內(nèi)壁。
支撐件160將渦輪噴嘴140固定地支持在通道156中并且包括多個(gè)通道162以使水可以流過殼體142。通道162的尺寸可以調(diào)整以控制水的流速。如以上參照?qǐng)D2所述的噴嘴14中，可以確定一預(yù)定的速度范圍，該預(yù)定的流速范圍根據(jù)流入入口114中預(yù)期的水的壓力范圍以及水力發(fā)電系統(tǒng)12的背壓來確定。此外，各支撐件160可以按預(yù)定的形狀定向而用作為螺槳以面向流動(dòng)的水。流動(dòng)的水可以以預(yù)定的方式對(duì)準(zhǔn)作用在轉(zhuǎn)子112上，引導(dǎo)消除紊流、引導(dǎo)調(diào)整壓力降或提高操作效率。
該實(shí)施例的轉(zhuǎn)子112包括一渦輪轉(zhuǎn)子164、一轉(zhuǎn)子軸166和一永久磁鐵168。轉(zhuǎn)子112可旋轉(zhuǎn)地固定在通道156內(nèi)使流入通道156的水可以引起轉(zhuǎn)子112繞殼體142的中心軸線170旋轉(zhuǎn)。在流動(dòng)的水作用在渦輪轉(zhuǎn)子164上時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子112的旋轉(zhuǎn)。渦輪轉(zhuǎn)子164可以由不銹鋼、鋁、塑料或其他類似的剛性材料制成，該剛性材料能夠耐得住旋轉(zhuǎn)力和流動(dòng)的水力。渦輪轉(zhuǎn)子164包括至少一個(gè)渦輪葉片172和一主體174。
渦輪葉片172定位成可接收來自流過支撐件160的水的能量。渦輪葉片172可以是多個(gè)螺槳、一螺旋形凸脊或其他形成在主體174上的裝置，其能夠?qū)⒘鲃?dòng)的水的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)能量。該實(shí)施例的渦輪葉片172與主體174成一體構(gòu)成并且延伸到鄰近殼體142的內(nèi)壁的位置。主體174可以構(gòu)成為限定一內(nèi)腔176，其沿圓周包圍轉(zhuǎn)子軸166的一部分。讀者應(yīng)該注意相對(duì)于殼體142的內(nèi)壁通道162的深度小于渦輪葉片172的深度。不同的深度提供流動(dòng)的水的循環(huán)，如將在下文討論的。
轉(zhuǎn)子軸166是可旋轉(zhuǎn)的并且可以與渦輪轉(zhuǎn)子164構(gòu)成一體或者轉(zhuǎn)子軸166通過壓配合、螺紋連接或類似的連接裝置固定地連接于渦輪轉(zhuǎn)子164。轉(zhuǎn)子軸166可以是不銹鋼或其他類似的剛性材料，其可以縱向貫穿永久磁鐵168。永久磁鐵168可以是擠壓磁鐵，其可以由金屬、燒結(jié)金屬、陶瓷材料或某其他類似的具有磁性的材料制成。永久磁鐵168可以通過摩擦配合、模壓或其他類似的裝置固定地連接于轉(zhuǎn)子軸166。轉(zhuǎn)子112通過多個(gè)軸承178可旋轉(zhuǎn)地定位。
軸承178在永久磁鐵168的兩端沿周向地包圍轉(zhuǎn)子軸166的一部分。各軸承178可以是碳石墨、聚四氟乙烯、滾珠軸承、陶瓷、超高分子量(UHMW)聚乙烯或其他能夠耐得住轉(zhuǎn)子軸166的旋轉(zhuǎn)的類似軸承。在該實(shí)施例中，各軸承178由通道156中存在的水潤(rùn)滑。此外，流動(dòng)的水可用來冷卻各軸承178，如將在下文描述的。各軸承178由定子114固定和定位。
該實(shí)施例的定子114包括多個(gè)排水引導(dǎo)螺槳180、一翼片182、多個(gè)線圈184和一蓋186。如圖9中所示，定子114通過排水引導(dǎo)螺槳180固定地定位于通道156中。各排水引導(dǎo)螺槳180通過例如粘結(jié)、摩擦配合、卡扣固定或類似的剛性裝置同殼體142的內(nèi)壁固定地連接。各排水引導(dǎo)螺槳180縱向平行于殼體142的內(nèi)壁延伸并形成水流通過的通道。各排水引導(dǎo)螺槳180形成可將流動(dòng)的水引向出口146以減小紊流、氣泡、背壓和其他的會(huì)影響有效操作的流動(dòng)的水的類似性能。翼片182同樣形成可將流動(dòng)的水引向出口146。
各線圈184形成在一鐵心(未示出)上以沿圓周包圍轉(zhuǎn)子112并形成一繞組。各線圈184與轉(zhuǎn)子112隔開一氣隙188。各線圈184同排水引導(dǎo)螺槳180固定地連接。此外，各線圈184可以同各軸承178和翼片182固定地連接。各線圈184可以通過例如粘結(jié)或與其形成一體固定地連接于排水引導(dǎo)螺槳180、各軸承178和翼片182。在該實(shí)施例中，各線圈184固定在通道156的內(nèi)部，但是防水的以避免與流動(dòng)的水形成流體連通。各線圈184可以通過例如外裹環(huán)氧樹脂、注塑橡膠或塑料、超聲密封或通過類似的防水裝置另外隔水來制成防水的。在一替代的實(shí)施例中，各線圈184可以位于殼體142的外邊，如以上參照?qǐng)D7和8所述的實(shí)施例中那樣。
各線圈84還可以由蓋186防水。蓋186定位在密封各線圈184鄰近渦輪轉(zhuǎn)子164的一端的位置，如圖9中所示。蓋186可以通過螺紋連接可拆式連接于各線圈184或可以通過粘結(jié)固定地連接于各線圈184或與其成一體形成。蓋186形成部分地包圍軸承178并經(jīng)向延伸一預(yù)定的距離，其等于定子114的半徑。蓋186的該預(yù)定的距離延伸到比渦輪轉(zhuǎn)子164的主體174更接近殼體142的內(nèi)壁。從殼體142的內(nèi)壁到蓋186和主體174的距離差保證流動(dòng)的水的循環(huán)，如將在下文討論的。
在操作過程中，流過入口144和流入通道156的水在增壓水流過通道162時(shí)得到了預(yù)定的增速。流動(dòng)的水由支撐件160引導(dǎo)而獲得對(duì)渦輪葉片172的一預(yù)定的入射角，其使轉(zhuǎn)子112旋轉(zhuǎn)。在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子112以約15000每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)旋轉(zhuǎn)。由于通道162、渦輪葉片172和蓋182的不同的深度，流動(dòng)的水被循環(huán)于內(nèi)腔176中。流動(dòng)的水在內(nèi)腔176中的循環(huán)提供鄰近定位的軸承178的冷卻和潤(rùn)滑。
當(dāng)水力發(fā)電系統(tǒng)12操作時(shí)轉(zhuǎn)子112的旋轉(zhuǎn)在定子114內(nèi)產(chǎn)生電力。該水力發(fā)電系統(tǒng)12能夠產(chǎn)生交流電(AC)。在替代的實(shí)施例中，當(dāng)永久磁鐵168固定在定子114上時(shí)該水力發(fā)電系統(tǒng)12可以產(chǎn)生(DC)電流。在另一替代的實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以設(shè)計(jì)成既產(chǎn)生AC電流又通過AC電流的整流和穩(wěn)定化產(chǎn)生DC電流。如以上所述，電極數(shù)目和線圈184的尺寸與結(jié)構(gòu)取決于背壓、要求的RPM和預(yù)定的水力發(fā)電系統(tǒng)12的電能輸出量。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3、6、7、8和9，結(jié)合這些圖的實(shí)施例所討論的水力發(fā)電系統(tǒng)12的另一實(shí)施例用于提供多個(gè)電壓與電流水平。通過在一串聯(lián)結(jié)構(gòu)和一并聯(lián)結(jié)構(gòu)之間切換水力發(fā)電系統(tǒng)12的各線圈提供多個(gè)電壓與電流水平。雖然未示出，可以檢測(cè)水力發(fā)電系統(tǒng)12的電壓與電流水平和水處理系統(tǒng)10的當(dāng)前電壓與電流需求的微處理器或其他類似的控制裝置可以用來選擇性地切換串聯(lián)結(jié)構(gòu)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)之間的各線圈。各線圈的選擇開關(guān)可以用于產(chǎn)生直流電(DC)或交流電(AC)的實(shí)施例。
例如，一些紫外(UV)光源需要一較低的預(yù)定交流電用以初始供能和一較高的電壓水平。在初始供能以后，UV光源需要一較高的交流電但需要一較低的電壓水平以保持供給的能量。因此，在操作過程中，當(dāng)水力發(fā)電系統(tǒng)12產(chǎn)生電力時(shí)，由微處理器選擇地將各線圈置于串聯(lián)結(jié)構(gòu)中。該串聯(lián)結(jié)構(gòu)以預(yù)定的電壓水平產(chǎn)生預(yù)定的交流電，其能夠初始給UV光源供能。在給UV光源的初始供能以后，各線圈被選擇性地再組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)以提供在一能夠保持給UV光源供能的預(yù)定電壓水平下的一預(yù)定的交流電。水力發(fā)電系統(tǒng)12的各線圈的切換，如上所述，可以為水處理系統(tǒng)10中的任何電裝置提供不同的電壓與電流要求。
在另一實(shí)施例中，結(jié)合以上所述諸實(shí)施例所討論的水力發(fā)電系統(tǒng)12可以設(shè)有多個(gè)分接頭以表示不同的形成各繞組的各線圈組。這些分接頭可用于通過電連接不同的線圈數(shù)目以形成各繞組來提供多個(gè)不同的預(yù)定電壓水平。水處理系統(tǒng)10可以構(gòu)成使在操作過程中利用微處理器或某其他類似的裝置在各分接頭之間進(jìn)行切換。因此，在上述的UV光源實(shí)例中，一個(gè)分接頭可用于初始供能而另一分接頭可用于連續(xù)操作。此外，不同的分接頭可以在運(yùn)行著的基礎(chǔ)上用于根據(jù)電裝置的電力要求操作水處理系統(tǒng)10中的各不同的電裝置。
在結(jié)合上述諸實(shí)施例所討論的水力發(fā)電系統(tǒng)12的又一實(shí)施例中，存在的反電磁力(EMF)被有利地減小。如在本領(lǐng)域中已知的，永久磁鐵發(fā)電機(jī)的反EMF因通量集中器而增加，后者是由發(fā)電機(jī)鐵心中的許多金屬疊片形成的。通量集中器可用于改進(jìn)發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，但必須克服傳送的反EMF以便旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。
在水力發(fā)電系12應(yīng)用于水處理系統(tǒng)10的情況下，某些UV光源在啟動(dòng)和操作過程中具有不同的電力要求。采用水力發(fā)電系統(tǒng)12的上述諸實(shí)施例并且不包含通量集中器時(shí)，可以滿足UV光源的操作要求。
在操作過程中，在給水處理系統(tǒng)10供能以前，水力發(fā)電系統(tǒng)12上的旋轉(zhuǎn)載荷(反EMF)可以是較小的。旋轉(zhuǎn)載荷可以是較小的是因?yàn)樵搶?shí)施例的水力發(fā)電系統(tǒng)12并不包含通量集中器并且水處理系統(tǒng)10還沒有利用電力。因而，當(dāng)水流過水力發(fā)電系統(tǒng)12時(shí)，轉(zhuǎn)子可在較短的時(shí)期內(nèi)加速到一預(yù)定的較高RPM。
較高的RPM以一預(yù)定的交流電流(AC)提供一預(yù)定的電壓，該預(yù)定的交流電流能夠初始供能給例如水處理系統(tǒng)10中的UV光源。在給UV光源初始供能以后，水力發(fā)電系統(tǒng)12上的旋轉(zhuǎn)載荷被增加從而降低轉(zhuǎn)子的RPM。該較低的轉(zhuǎn)子RPM提供一預(yù)定的低電壓與相應(yīng)預(yù)定的交流電(AC)從而可以連續(xù)地供能給UV光源。讀者應(yīng)該理解由該實(shí)施例的水力發(fā)電系統(tǒng)12提供的“即時(shí)”能力可以排除水處理系統(tǒng)10中為驅(qū)動(dòng)UV光源所需要的儲(chǔ)能裝置。
本水力發(fā)電系統(tǒng)12的諸優(yōu)選的實(shí)施例為水處理系統(tǒng)10提供一獨(dú)立的電力源。水力發(fā)電系統(tǒng)12提供從存在于流過水處理系統(tǒng)10的能量到電能量的有效的轉(zhuǎn)換。電能量可以由水力發(fā)電系統(tǒng)12的諸實(shí)施例提供以滿足水處理系統(tǒng)10的特定能量需求。正如本領(lǐng)域的那些技術(shù)人應(yīng)該理解的，水力發(fā)電系統(tǒng)12的應(yīng)用不限于水處理系統(tǒng)10并且可以有利地用于其他的流體，例如空氣。
雖然參照諸具體的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但顯然對(duì)這些實(shí)施例可以進(jìn)行各種不同的變型和改變而并不背離本發(fā)明的精神和范圍。諸附屬權(quán)利要求包括所有的等價(jià)物，并用來限定本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，其包括一包括一入口和一出口的殼體；一可旋轉(zhuǎn)地固定于該殼體內(nèi)部的轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子可由通過殼體的流體流使之旋轉(zhuǎn)；以及一固定地定位成包圍該轉(zhuǎn)子的定子，使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)可以引起電力的產(chǎn)生。
2.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，還包括一渦輪噴嘴，其特征在于，渦輪噴嘴將流體流導(dǎo)向轉(zhuǎn)子。
3.權(quán)利要求2的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪噴嘴可操作，以提高流體的流速并將該流體流導(dǎo)向成以預(yù)定的流體入射角射到轉(zhuǎn)子上。
4.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包括一軸和一渦輪轉(zhuǎn)子。
5.權(quán)利要求4的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括一螺旋形凸脊。
6.權(quán)利要求4的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括多個(gè)螺槳。
7.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述定子固定地定位或包圍鄰近轉(zhuǎn)子的殼體。
8.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述定子固定地定位在殼體內(nèi)而包圍轉(zhuǎn)子。
9.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述電力為交流電流。
10.權(quán)利要求9的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子包括一永久磁鐵。
11.權(quán)利要求9的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述交流電流被整流以提供直流電流。
12.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述電力為直流電流。
13.權(quán)利要求12的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述定子包括一永久磁鐵。
14.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，還包括多個(gè)分接頭，可操作用以提供不同水平的電力電壓。
15.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，還包括多個(gè)線圈，其可以從并聯(lián)結(jié)構(gòu)切換到串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
16.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述水力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成沒有通量集中器。
17.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，可對(duì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)操作以提供流體基于流的測(cè)量。
18.權(quán)利要求1的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述入口被從液體處理系統(tǒng)中供給流體。
19.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，其包括一其中具有一空氣空間的殼體；一可旋轉(zhuǎn)地固定在空氣空間內(nèi)的葉輪；一噴嘴，其固定地定位成插入該殼體并為流體流入殼體提供一入口，其中該噴嘴可操作來提供流體的射流，其在葉輪上可導(dǎo)向以引起葉輪的旋轉(zhuǎn)；一連接于殼體的出口，以便將在葉輪上導(dǎo)向的流體引出殼體；以及一可旋轉(zhuǎn)地連接于葉輪的發(fā)電機(jī)，其中葉輪的旋轉(zhuǎn)引起由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力。
20.權(quán)利要求19的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，可操作所述噴嘴以將流過其中的流體流速改變到亞聲速。
21.權(quán)利要求19的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生產(chǎn)流電流。
22.權(quán)利要求21的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述交流電流被整流以提供直流電流。
23.權(quán)利要求19的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電流。
24.權(quán)利要求19的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述葉輪包括多個(gè)葉片。
25.權(quán)利要求24的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片包括拋物面形槳葉。
26.權(quán)利要求19的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)包括多個(gè)可操作用以提供不同水平的電力電壓的分接頭。
27.權(quán)利要求19的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)包括多個(gè)線圈，其可以從并聯(lián)結(jié)構(gòu)切換到串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
28.權(quán)利要求19的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)構(gòu)成沒有通量集中器。
29.一種利用流體的流動(dòng)提供電力的方法，該方法包括設(shè)置一包括一入口和一出口的殼體；將流體流供給殼體的入口，其中所述流體流過該殼體流到此出口；使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子定位在殼體內(nèi)使其由定子包圍，其中由于流體流過殼體而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；以及利用轉(zhuǎn)子與定子產(chǎn)生電力，其中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起電力的產(chǎn)生。
30.權(quán)利要求29的方法，還包括利用渦輪噴嘴將流體流導(dǎo)向轉(zhuǎn)子的動(dòng)作。
31.權(quán)利要求30的方法，還包括利用渦輪噴嘴提高流體流速的動(dòng)作。
32.權(quán)利要求29的方法，其特征在于，所產(chǎn)生的電力為交流電流。
33.權(quán)利要求32的方法，還包括整流該交流電流以提供直流電流的動(dòng)作。
34.權(quán)利要求29的方法，其特征在于，所產(chǎn)生的電力為直流電流。
35.權(quán)利要求29的方法，還包括給儲(chǔ)能裝置充電的動(dòng)作。
36.權(quán)利要求29的方法，還包括利用多個(gè)排水引導(dǎo)螺槳將流體引到出口的動(dòng)作。
37.權(quán)利要求29的方法，還包括使流體循環(huán)到軸承以冷卻和潤(rùn)滑該軸承的動(dòng)作。
38.權(quán)利要求29的方法，還包括利用多個(gè)線圈調(diào)整電力的電壓與電流水平的動(dòng)作。
39.權(quán)利要求38的方法，還包括在并聯(lián)結(jié)構(gòu)路與串聯(lián)結(jié)構(gòu)之間切換各線圈的動(dòng)作。
40.權(quán)利要求38的方法，還包括將各線圈與多個(gè)分接頭電連接以提供多個(gè)電壓水平的動(dòng)作。
41.權(quán)利要求29的方法，還包括構(gòu)成沒有通量集中器的水力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)作。
42.一種利用流體的流動(dòng)提供電力的方法，該方法包括設(shè)置一具有空氣空間的殼體；將該流體流輸給噴嘴；將從噴嘴噴射出的流體在可旋轉(zhuǎn)地固定在該空氣空間內(nèi)部的葉輪上導(dǎo)向；利用流體使該葉輪和一固定地連接于該葉輪的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其中該轉(zhuǎn)子同定子協(xié)同操作而形成發(fā)電機(jī)；以及利用該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。
43.權(quán)利要求42的方法，還包括利用噴嘴提高流體流速的動(dòng)作。
44.權(quán)利要求42的方法，還包括將在轉(zhuǎn)子上導(dǎo)向的流體引出殼體的動(dòng)作。
45.權(quán)利要求42的方法，其特征在于，所產(chǎn)生的電力為交流電流。
46.權(quán)利要求45的方法，還包括整流該交流電流以提供直徑電流的動(dòng)作。
47.權(quán)利要求42的方法，其特征在于，所產(chǎn)生的電力為直流電流。
48.權(quán)利要求42的方法，還包括利用多個(gè)線圈調(diào)整電力的電壓與電流水平的動(dòng)作。
49.權(quán)利要求48的方法，還包括在并聯(lián)結(jié)構(gòu)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)之間切換各線圈的動(dòng)作。
50.權(quán)利要求48的方法，還包括將線圈與多個(gè)分接頭電連接以提供多個(gè)電壓水平的動(dòng)作。
51.權(quán)利要求42的方法，還包括構(gòu)成沒有通量集中器的發(fā)電機(jī)的動(dòng)作。
52.權(quán)利要求42的方法，還包括給一儲(chǔ)能裝置充電的動(dòng)作。
全文摘要
公開一種用于與水處理系統(tǒng)相結(jié)合使用的水力發(fā)電系統(tǒng)。該水力發(fā)電系統(tǒng)的諸實(shí)施例包括一可旋轉(zhuǎn)地定位在殼體內(nèi)的葉輪。葉輪可旋轉(zhuǎn)地連接于一發(fā)電機(jī)。當(dāng)水流過水處理系統(tǒng)時(shí)，水流到水力發(fā)電系統(tǒng)并作用在葉輪上使其旋轉(zhuǎn)。葉輪的旋轉(zhuǎn)通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生用于水處理系統(tǒng)的電力。水力發(fā)電系統(tǒng)的其他一些實(shí)施例包括一可旋轉(zhuǎn)地定位于水流過的管道中的轉(zhuǎn)子。流動(dòng)的水使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子同一圍繞的定子協(xié)同操作。當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生用于水處理系統(tǒng)的電力。
文檔編號(hào)F03B1/00GK1399708SQ00816266
公開日2003年2月26日 申請(qǐng)日期2000年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月5日
發(fā)明者D·W·巴爾曼, J·J·洛德, W·J·巴克曼 申請(qǐng)人:通達(dá)商業(yè)集團(tuán)國(guó)際公司