静水轮式发电系统

技术领域

本发明涉及一种静水轮式发电系统，尤其是通过转轮在静水中旋转，利用静水压缩空气实现发电的静水轮式发电系统。

背景技术

当前的水力发电，都是利用水的定向流动冲击叶轮带动发电机发电。

地球上虽然水的覆盖面积占到地球面积的70％，但沿河道定向流动的水却很少。为了积存水用来发电，需要修建拦河坝，既占良田，又改变生态，还投资巨大，更有可能引发地震。

于是人们想到了利用静水发电。当前的方法是将静水加热，使之变成高压蒸汽，再利用高压蒸汽驱动蒸汽轮机或蒸汽机，再带动发电机发电。但这个方法存在严重缺陷，加热静水需要燃烧化学燃料，产生大量有毒气体和二氧化碳，以及废渣。不但污染环境，而且破坏臭氧层，导致气温升高。这种方法不可持续。

有不有其他办法让静水发电呢？

办法应该有，出路在创新。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过转轮在静水中旋转，利用静水压缩空气实现发电的静水轮式发电系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种静水轮式发电系统，含贮气罐、动力机、发电机、立柱子系统、电动子系统、转轮、传动子系统、气箱、输气子系统和输气管。

贮气罐贮存压缩空气，其内的罐阀门阻止罐内压缩空气溢出，当向其输入的压缩空气的压强大于罐内压缩空气的压强时，输入的压缩空气可冲开该罐阀门进入其内。

动力机为蒸汽轮机或蒸汽机，但让其工作的不是高压蒸汽，而是从该贮气罐输送来的压缩空气。

发电机由该动力机驱动发电。

立柱子系统含立柱、套筒和主轴。

横断面为矩形的立柱，其竖立于深水中，其下端面与水底面固定连接，其上开有纵向水平套筒孔；该套筒孔，其接近该立柱的上端，其轴线与该立柱的竖直轴线正交，且分别与该立柱的左右两侧向面垂直。

圆筒形套筒，其嵌装在该立柱的套筒孔中，其轴线与该套筒孔的轴线重合，其与该立柱固定连接，其左端面与该立柱的左侧向面共面，其右端从该立柱的右侧向面向外伸出。

圆柱体形主轴，其外径等于或小于该套筒的内径，其活动安装在该套筒的空腔中，其轴线与该套筒的轴线重合，其可绕其轴线自由转动，但不能沿径向或轴向移动，其两端分别从该套筒的两端向外伸出。

电动子系统含电动机、小齿轮和大齿轮。

电动机，其底座固定连接在该立柱的水平顶面上，其输出轴伸出在该立柱左侧向面之外。

小齿轮固定套装在该电动机的输出轴上。

大齿轮，其固定套装在该主轴左伸出端的外圆周表面上，其与该小齿轮相互啮合。

转轮含轮毂、毂舌、轮辐和轮圈。

轮毂，其固定套装在该主轴右伸出端的圆周表面上，其轴线与该主轴的轴线重合。

毂舌，其为该轮毂沿径向伸出的长方体形块，其与该轮毂为整体，其上开有传动轴孔。

轮辐由辐杆和辐盘组成。

辐盘，其轴线与该轮毂的轴线平行，其轴向厚度大于该轮毂的轴向厚度，其中心开有轴向从动轴孔。

横断面为矩形的辐杆为直杆，其纵向宽度等于该轮毂的轴向厚度，其外端沿径向与该辐盘固定连接，其右侧向面与该辐盘的右侧圆面共面。

n个轮辐均匀分布该轮毂外圆周表面的周围；这n个轮辐中的每个辐杆，其里端面沿径向与相应位置的该轮毂的外圆周表面固定连接，其右侧向面与该轮毂的右侧圆面共面；该轮毂上伸出的毂舌与相应位置的辐杆不接触。

轮圈套装在这n个轮辐的n个辐盘上，这n个辐盘分别与相应位置的该轮圈的内圆周表面固定连接。

所述n为等于或大于4的偶数。

传动子系统含从动轴、传动轴、从动齿轮、静齿轮、传动主齿轮、传动副齿轮、垫圈和链条。

n个从动轴分别活动安装在这n个辐盘的从动轴孔中；每个从动轴，其轴线与相应从动轴孔的轴线重合，其可绕其轴线自由转动，但不能沿轴向或径向移动，其两端分别从该从动轴孔的两端向外伸出。

传动轴，其插入该毂舌的传动轴孔中，且与该毂舌固定连接，其轴线与该传动轴孔的轴线重合，其右端与该毂舌的右侧向面齐平，其左端从该传动轴孔的左端向外伸出。

静齿轮，其外径小于该轮毂的外径，其固定套装在该套筒右伸出端的外圆周表面上，其左侧圆面与该立柱的右侧向面接近且对置。

从动齿轮，其外径等于该静齿轮的外径，其齿数与该静齿轮的齿数相同，其轴向厚度等于该静齿轮的轴向厚度；n个从动齿轮分别固定套装在n个从动轴左伸出端的外圆周表面上。

传动主齿轮和传动副齿轮为相同齿轮，二者夹紧垫圈后组合为整体，二者活动安装在该传动轴左伸出端的外圆周表面上，二者可绕轴线自由转动，但不能沿轴向或径向移动；该传动主齿轮，其轴向厚度等于该静齿轮的轴向厚度，其右侧圆面与该静齿轮的右侧圆面共面，其与该静齿轮相互啮合；该传动副齿轮，其轴向厚度等于从动齿轮的轴向厚度，其右侧圆面与邻近的从动齿轮的右侧圆面共面。

闭合链条，其绕在该传动副齿轮和n个从动齿轮上，且与该传动副齿轮以及这n个从动齿轮均啮合；当该转轮绕其轴线旋转时，这n个从动齿轮相对该转轮的旋转方向与该转轮的(绝对)旋转方向相反。

气箱的水平横断面为矩形，其下端敞开，其箱顶上开有排气孔和进气孔，其箱顶上的箱管与该排气孔相通，其箱顶内表面上安装箱阀门，该箱阀门位于该进气孔的正下方；气箱内没有空气时，其在水中上升或露出水面时，其上箱阀门自动打开；气箱位于水面上方时，空气通过其上进气孔进入其内；气箱带着箱内空气在水中下降或在水中停留时，其上箱阀门自动关闭；n个气箱左箱壁中央的外表面分别与n个从动轴右伸出端的端面固定连接；位于最高点的气箱位于水面的上方。

输气子系统含外圈、内圈、导管和连接管。

该外圈，其外径小于该轮毂的外径，其内径大于该套筒的外径，其轴线与该轮毂的轴线重合，其右圆环面与相应位置的该轮毂的左侧圆面固定连接，其上沿径向以紧配合方式插入n个外圈管，这n个外圈管在其上均匀分布；这n个外圈管中的每个外圈管，其外端从相应位置的该外圈的外圆周表面向外伸出，其内端口与相应位置的该外圈的内圆周表面齐平。

该内圈，其外径等于该外圈的内径，其内径等于该套筒的外径，其轴线与该外圈的轴线重合，其轴向厚度小于该外圈的轴向厚度，其左圆环面与该外圈的左圆环面共面，其固定套装在该套筒右伸出端的外圆周表面上，其外圆周表面与该外圈的内圆周表面活动密切接触，其内部隐藏内圈管；该内圈管，其下端口沿径向朝向正下方，且与相应位置的该内圈的外圆周表面齐平，其环端口位于该内圈的左环面上；该下端口的内径等于该外圈上内端口的内径。

该导管，其固定连接在该内圈的左圆环面上，其与该内圈上内圈管的环端口连通。

n个连接管的一端分别与n个气箱上的箱管固定连接，另一端分别就近与该外圈上伸出的n个外圈管固定连接。

输气管的一端与该导管固定连接，另一端与该贮气罐固定连接，当该输气管中压缩空气的压强大于该贮气罐内压缩空气的压强时，该输气管中的压缩空气能冲开该贮气罐内的罐阀门进入该贮气罐内贮存。

电动机通过小齿轮和大齿轮，驱动主轴和转轮沿顺时针方向旋转时，传动主齿轮和传动副齿轮也随该转轮沿顺时针方向旋转；但该传动主齿轮受静止的静齿轮作用，该传动主齿轮连同该传动副齿轮都相对该转轮沿顺时针方向同步旋转；该传动副齿轮通过链条，带动n个从动齿轮相对该转轮作逆时针方向旋转；从动齿轮通过相应从动轴又带动相应气箱相对所述转轮作逆时针方向同步旋转；由于从动齿轮的外径和齿数均与该静齿轮相同，因而该气箱敞开的下端始终朝下，该气箱中封闭的空气不可能从其敞开的下端溢出；同样的道理，电动机驱动转轮沿逆时针方法旋转，安装在该转轮上的气箱的敞开下端仍然始终朝下。

转轮绕轴旋转过程中，安装其上的任意气箱位于水面上方时，该气箱上的箱阀门自动打开，空气通过进气孔进到箱内；该气箱入水和在水中下降时，其上箱阀门自动关闭，其内封闭空气不能通过其上箱管溢出而逐渐被压缩；该气箱运转到最低点时，其内压缩空气的压强达最大值，其内压缩空气此时才能依次通过其上箱管、该箱管连接的连接管、该连接管连接的外圈上的外圈管、内圈上的内圈管、导管和输气管，进到贮气罐内贮存；该气箱离开最低位置时，其上箱管和该贮气罐之间的空气通道又被断开。

上文所述位于最高点的气箱位于水面的上方。若水面接近位于最高点的气箱，则位于最低点的气箱内压缩空气的压强大，这是优点，但在水中下降的多个其他气箱中都封闭有空气，全部封闭空气排开水的重量也大，全部封闭空气排开水的重量等于额外浮力，之所以称谓额外浮力，是为了区别箱体排水受的浮力，为了克服大的额外浮力，该电动机的输出功率需要大才能驱动该转轮旋转，这是缺点。权衡利弊，采用折衷方案：水面与该主轴的轴线共面。

为了防止气箱通过最低点时，其内的水经其上箱管倒流进到相应连接管中，该气箱内压缩空气经其上箱管向该贮气罐输气的时间，须等于或大于该外圈上内端口通过该内圈上下端口的时间。

该发电机的功率随该转轮外径的增大、所述n取值的增大、气箱容积的增大而增大。

采用这样的结构后，压缩空气替代高压蒸汽使蒸汽轮机或蒸汽机工作，从而驱动发电机发电。此为创新之一。

采用这样的结构后，根据水的压强与深度成正比的物理规律(P＝ρgh)，让气箱在水中下沉，用水压缩气箱中的空气，从而得到压缩空气。此为创新之二。

采用这样的结构后，由于外圈上外圈管和内圈上内圈管的配合和协同，气箱通过最低点时，气箱内压缩空气自动输送到贮气罐，此时输送的压缩空气的压强为最大值。气箱在其他位置时，气箱和贮气罐之间的输气通道被自动阻断。此为创新之三。

采用这样的结构后，由于n为等于或大于4的偶数，由于n个气箱在转轮上均匀分布，从而n个气箱的总重力力矩等于零，n个气箱箱体排水所受浮力的总力矩也等于零，驱动转轮旋转只须克服封闭空气排水所受浮力的力矩，因而节省能源。此为创新之四。

采用这样的结构后，水面与主轴的轴线共面，这是权衡利弊后，采用的折衷方案。此为创新之五。

采用这样的结构后，由于从动齿轮的外径和齿数均与静齿轮相同，由于传动副齿轮通过链条带动n个从动齿轮相对转轮的旋转方向与转轮的旋转方向相反，且能使n个气箱敞开的下端始终朝下。此为创新之六。

采用这样的结构后，由于设定，气箱位于最低点时气箱内压缩空气经其上箱管向贮气罐输气的时间，等于或大于外圈上内端口通过内圈上下端口的时间，从而防止气箱内的水经其上箱管倒流进到相应连接管中。此为创新之七。

采用这样的结构后，静水也能被利用来发电。此为创新之八，此创新也是本发明的核心创造。

采用这样的结构后，发电过程不燃烧化学燃料，不产生有毒气体、二氧化碳和废渣，对环境没有污染，本发明可能是一种具有广阔应用前景的新技术。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是静水轮式发电系统的侧视示意图，但由于轮毂的阻挡，毂舌没有画出。此外，贮气罐、动力机、发电机和输气管均已从静水轮式发电系统上脱离。

图2是图1中转轮左侧向面的缩小示意图。

图3是图1中静齿轮左侧向面的缩小示意图，但链条未画出。

图4是图1中传动副齿轮左侧向面的缩小示意图。

图5是图1中转轮右侧向面的缩小示意图。

图6是图1中外圈和内圈的配合工作原理放大示意图。

具体实施方式

如图1至图6各图所示，一种静水轮式发电系统，含贮气罐、动力机、发电机、立柱子系统、电动子系统、转轮7、传动子系统、气箱18、输气子系统和输气管。

贮气罐贮存压缩空气，其内的罐阀门阻止罐内压缩空气溢出，当向其输入的压缩空气的压强大于罐内压缩空气的压强时，输入的压缩空气可冲开该罐阀门进入其内。

动力机为蒸汽轮机或蒸汽机，但让其工作的不是高压蒸汽，而是从该贮气罐输送来的压缩空气。

发电机由该动力机驱动发电。

如图1所示，立柱子系统含立柱1、套筒2和主轴3。

横断面为矩形的立柱1，其竖立于深水中，其下端面与水底面24固定连接，其上开有纵向水平套筒孔1a；该套筒孔1a，其接近该立柱1的上端，其轴线与该立柱1的竖直轴线正交，且分别与该立柱1的左右两侧向面垂直。

圆筒形套筒2，其嵌装在该立柱1的套筒孔1a中，其轴线与该套筒孔1a的轴线重合，其与该立柱1固定连接，其左端面与该立柱1的左侧向面共面，其右端从该立柱1的右侧向面向外伸出。

圆柱体形主轴3，其外径等于或小于该套筒2的内径，其活动安装在该套筒2的空腔中，其轴线与该套筒2的轴线重合，其可绕其轴线自由转动，但不能沿径向或轴向移动，其两端分别从该套筒2的两端向外伸出。

如图1所示，电动子系统含电动机4、小齿轮5和大齿轮6。

电动机4，其底座固定连接在该立柱1的水平顶面上，其输出轴4a伸出在该立柱1左侧向面之外。

小齿轮5固定套装在该电动机4的输出轴4a上。

大齿轮6，其固定套装在该主轴3左伸出端的外圆周表面上，其与该小齿轮5相互啮合。

如图1、图2所示，转轮7含轮毂8、毂舌25、轮辐和轮圈11。

轮毂8，其固定套装在该主轴3右伸出端的圆周表面上，其轴线与该主轴3的轴线重合。

毂舌25，其为该轮毂8沿径向伸出的长方体形块，其与该轮毂8为整体，其上开有传动轴孔25a。

轮辐由辐杆9和辐盘10组成。

辐盘10，其轴线与该轮毂8的轴线平行，其轴向厚度大于该轮毂8的轴向厚度，其中心开有轴向从动轴孔10a。

横断面为矩形的辐杆9为直杆，其纵向宽度等于该轮毂8的轴向厚度，其外端沿径向与该辐盘10固定连接，其右侧向面与该辐盘10的右侧圆面共面。

n个轮辐均匀分布该轮毂8外圆周表面的周围；这n个轮辐中的每个辐杆9，其里端面沿径向与相应位置的该轮毂8的外圆周表面固定连接，其右侧向面与该轮毂8的右侧圆面共面；该轮毂8上伸出的毂舌25与相应位置的辐杆9不接触。

轮圈11套装在这n个轮辐的n个辐盘10上，这n个辐盘10分别与相应位置的该轮圈11的内圆周表面固定连接。

所述n为等于或大于4的偶数。

如图1、图3、图4所示，传动子系统含从动轴12、传动轴20、从动齿轮13、静齿轮14、传动主齿轮21、传动副齿轮23、垫圈22和链条17。

n个从动轴12分别活动安装在这n个辐盘10的从动轴孔10a中；每个从动轴12，其轴线与相应从动轴孔10a的轴线重合，其可绕其轴线自由转动，但不能沿轴向或径向移动，其两端分别从该从动轴孔10a的两端向外伸出。

传动轴20，其插入该毂舌25的传动轴孔25a中，且与该毂舌25固定连接，其轴线与该传动轴孔25a的轴线重合，其右端与该毂舌25的右侧向面齐平，其左端从该传动轴孔25a的左端向外伸出。

静齿轮14，其外径小于该轮毂8的外径，其固定套装在该套筒2右伸出端的外圆周表面上，其左侧圆面与该立柱1的右侧向面接近且对置。

从动齿轮13，其外径等于该静齿轮14的外径，其齿数与该静齿轮14的齿数相同，其轴向厚度等于该静齿轮14的轴向厚度；n个从动齿轮13分别固定套装在n个从动轴12左伸出端的外圆周表面上。

传动主齿轮21和传动副齿轮23为相同齿轮，二者夹紧垫圈22后组合为整体，二者活动安装在该传动轴20左伸出端的外圆周表面上，二者可绕轴线自由转动，但不能沿轴向或径向移动；该传动主齿轮21，其轴向厚度等于该静齿轮14的轴向厚度，其右侧圆面与该静齿轮14的右侧圆面共面，其与该静齿轮14相互啮合；该传动副齿轮23，其轴向厚度等于从动齿轮13的轴向厚度，其右侧圆面与邻近的从动齿轮13的右侧圆面共面。

闭合链条17，其绕在该传动副齿轮23和n个从动齿轮13上，且与该传动副齿轮23以及这n个从动齿轮13均啮合；当该转轮7绕其轴线旋转时，这n个从动齿轮13相对该转轮7的旋转方向与该转轮7的(绝对)旋转方向相反。

如图1、图5所示，气箱18的水平横断面为矩形，其下端敞开，其箱顶上开有排气孔18b和进气孔18c，其箱顶上的箱管18d与该排气孔18b相通，其箱顶内表面上安装箱阀门18e，该箱阀门18e位于该进气孔18c的正下方；气箱18内没有空气时，其在水中上升或露出水面时，其上箱阀门18e自动打开；气箱18位于水面上方时，空气通过其上进气孔18c进入其内；气箱18带着箱内空气在水中下降或在水中停留时，其上箱阀门18e自动关闭；n个气箱18左箱壁18a中央的外表面分别与n个从动轴12右伸出端的端面固定连接；位于最高点的气箱18位于水面的上方。

如图1、图2、图6所示，输气子系统含外圈15、内圈16、导管19和连接管25。

该外圈15，其外径小于该轮毂8的外径，其内径大于该套筒2的外径，其轴线与该轮毂8的轴线重合，其右圆环面与相应位置的该轮毂8的左侧圆面固定连接，其上沿径向以紧配合方式插入n个外圈管15a，这n个外圈管15a在其上均匀分布；这n个外圈管15a中的每个外圈管15a，其外端从相应位置的该外圈15的外圆周表面向外伸出，其内端口15b与相应位置的该外圈15的内圆周表面齐平。

该内圈16，其外径等于该外圈15的内径，其内径等于该套筒2的外径，其轴线与该外圈15的轴线重合，其轴向厚度小于该外圈15的轴向厚度，其左圆环面与该外圈15的左圆环面共面，其固定套装在该套筒2右伸出端的外圆周表面上，其外圆周表面与该外圈15的内圆周表面活动密切接触，其内部隐藏内圈管16a；该内圈管16a，其下端口16b沿径向朝向正下方，且与相应位置的该内圈16的外圆周表面齐平，其环端口16c位于该内圈16的左环面上；该下端口16b的内径等于该外圈15上内端口15b的内径。

该导管19，其固定连接在该内圈16的左圆环面上，其与该内圈16上内圈管16a的环端口16c连通。

n个连接管25的一端分别与n个气箱18上的箱管18d固定连接，另一端分别就近与该外圈15上伸出的n个外圈管15a固定连接。

如图1所示，输气管的一端与该导管19固定连接，另一端与该贮气罐固定连接，当该输气管中压缩空气的压强大于该贮气罐内压缩空气的压强时，该输气管中的压缩空气能冲开该贮气罐内的罐阀门进入该贮气罐内贮存。

如图1图4所示，电动机4通过小齿轮5和大齿轮6，驱动主轴3和转轮7沿顺时针方向旋转时，传动主齿轮21和传动副齿轮23也随该转轮7沿顺时针方向旋转；但该传动主齿轮21受静止的静齿轮14作用，该传动主齿轮21连同该传动副齿轮23都相对该转轮7沿顺时针方向同步旋转；该传动副齿轮23通过链条17，带动n个从动齿轮13相对该转轮7作逆时针方向旋转；从动齿轮13通过相应从动轴12又带动相应气箱18相对所述转轮7作逆时针方向同步旋转；由于从动齿轮13的外径和齿数均与该静齿轮14相同，因而该气箱18敞开的下端始终朝下，该气箱18中封闭的空气不可能从其敞开的下端溢出；同样的道理，电动机4驱动转轮7沿逆时针方法旋转，安装在该转轮7上的气箱18的敞开下端仍然始终朝下。

如图1、图5、图6所示，转轮7绕轴旋转过程中，安装其上的任意气箱18位于水面上方时，该气箱18上的箱阀门18e自动打开，空气通过进气孔18c进到箱内；该气箱18入水和在水中下降时，其上箱阀门18e自动关闭，其内封闭空气不能通过其上箱管18d溢出而逐渐被压缩；该气箱18运转到最低点时，其内压缩空气的压强达最大值，其内压缩空气此时才能依次通过其上箱管18d、该箱管18d连接的连接管25、该连接管25连接的外圈15上的外圈管15a、内圈16上的内圈管16a、导管19和输气管，进到贮气罐内贮存；该气箱18离开最低位置时，其上箱管18d和该贮气罐之间的空气通道又被断开。

如图1、图5所示，上文所述位于最高点的气箱18位于水面的上方。若水面接近位于最高点的气箱18，则位于最低点的气箱18内压缩空气的压强大，这是优点，但在水中下降的多个其他气箱18中都封闭有空气，全部封闭空气排开水的重量也大，全部封闭空气排开水的重量等于额外浮力，之所以称谓额外浮力，是为了区别箱体排水受的浮力，为了克服大的额外浮力，该电动机的输出功率需要大才能驱动该转轮7旋转，这是缺点。权衡利弊，采用折衷方案：水面与该主轴3的轴线共面。

如图1、图6所示，为了防止气箱18通过最低点时，其内的水经其上箱管18d倒流进到相应连接管25中，该气箱18内压缩空气经其上箱管18d向该贮气罐输气的时间，须等于或大于该外圈15上内端口15b通过该内圈16上下端口16b的时间。

如图1、图5所示，该发电机的功率随该转轮7外径的增大、所述n取值的增大、气箱18容积的增大而增大。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明。本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，仍属于本发明的范围。