專利名稱：電-流體動力的風(fēng)能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在不同實施方式中，本發(fā)明涉及用于電-流體動力的風(fēng)能的系統(tǒng)和方法，并且更 加具體地，是涉及將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)換成電能。背景電-流體動力(“EHD”)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換(“TOC”)是一種過程，其中從風(fēng)能直接提取 電能。正如雪花可被風(fēng)力驅(qū)動以產(chǎn)生雪花的“流”，這樣風(fēng)也可被流體動力地與帶電物質(zhì)結(jié) 合以產(chǎn)生在自由空間中的真實電流。生成的電流可通過靜電場裝置連接到電路以實現(xiàn)有用 功。EHD系統(tǒng)顯示出大量超越常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組的優(yōu)勢。例如，常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組具有 可允許的最大風(fēng)速，超過該最大風(fēng)速的話，常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組的葉片、機械組件、以及發(fā)電 裝置可能損壞。一旦達到該最大風(fēng)速，或稱“切出”速度，可開始收起風(fēng)力發(fā)電機組的葉片 以便避免損壞渦輪機。對于小型渦輪機，一般的切出速度近似為28mph(12.5m/s)。中大型 渦輪機則可能近似在60mph(26. 8m/s)時切出。然而，EHD系統(tǒng)是固態(tài)設(shè)備，其不帶有旋轉(zhuǎn)機械、桿、軸承、齒輪、潤滑油、制動器、裝 置外殼、以及類似物。因此，EHD系統(tǒng)沒有收葉速度(furling speed)，而且甚至可在高風(fēng)速 下持續(xù)從風(fēng)中產(chǎn)生能量。此外，即使一些大型的常規(guī)渦輪機可能有高收葉速度，但常規(guī)渦輪 機不可產(chǎn)生出多于其額定功率的功率。因此，它們的功率曲線在收葉速度以上時基本平坦， 但EHD功率則隨著風(fēng)速的增加而持續(xù)升高。然而，在低或中風(fēng)速下，傳統(tǒng)的EHD系統(tǒng)是效率低下的，而且不會產(chǎn)生與運行它們 所使用的一樣多的能量。例如，EHD系統(tǒng)需要能量來產(chǎn)生帶電物質(zhì)，并且在液基電荷載體的 情況下需要能量來抽取流體，并且液壓式地擠壓噴射所述流體以產(chǎn)生小直徑的粒子。此外， 傳統(tǒng)的EHD系統(tǒng)是昂貴的，并且不是在任何風(fēng)速下都有成本效益。顯然，對于有成本效益的EHD系統(tǒng)存在能夠在廣泛的風(fēng)速范圍內(nèi)產(chǎn)生凈正能量的需要。發(fā)明概述本發(fā)明的實施方式包括用來增加EHD系統(tǒng)效率同時降低其成本的系統(tǒng)和方法。例 如，可使用控制系統(tǒng)來監(jiān)控周圍的環(huán)境條件比如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、以及濕度，并響應(yīng)從風(fēng)中 提取能量的增加或最大化來調(diào)整EHD的參數(shù)。在某些實施方式中，可使用不同的擴散器和/ 或翼型以增加周圍的風(fēng)速?？晒┻x擇地或者額外地，可使用MEMS設(shè)備，以便比傳統(tǒng)裝置更加有效地產(chǎn)生帶電粒子。不同的應(yīng)用可將EHD系統(tǒng)安裝在始終有高風(fēng)速的區(qū)域內(nèi)，比如在 高海拔處。一般來說，在一方面，用于電-流體動力地從風(fēng)中提取能量的系統(tǒng)包括以一電勢 偏置的上游收集器。所述電勢感應(yīng)電場，而且噴射器將粒子引入該電場中。粒子上的風(fēng)拖 曳力被電場在粒子上的力至少部分抵消。傳感器監(jiān)控周圍的大氣條件，并且控制器響應(yīng)該 大氣條件中的改變來改變系統(tǒng)參數(shù)?？砂ㄏ铝刑匦灾械囊粋€或多個。粒子可運送電荷。大氣條件可為周圍的風(fēng)速、 溫度、壓力、和/或濕度。系統(tǒng)參數(shù)可為粒子大小、每個粒子的電荷、粒子流動速率、電勢、電 場強度、和/或上游收集器與電接地之間的間距。系統(tǒng)還可包括下游收集器，其可大于上游收集器。粒子可為流體的液滴，并且可包 括固體粒子和/或低揮發(fā)性流體。噴射器可為電噴射器，并可包括泰勒錐(Taylor cone), MEMS設(shè)備、金屬針、塑料針、塑料管、和/或電介質(zhì)阻擋放電設(shè)備。所述粒子可為離子。系統(tǒng)還可包括成形結(jié)構(gòu)，其用于增加電場內(nèi)的風(fēng)速?？刂破骺蓪崟r地對大氣條件 中的改變作出反應(yīng)。一般來說，在另一方面，一種用于電-流體動力地從風(fēng)中提取能量方法可從以一 電勢偏置上游收集器的步驟開始。所述電勢感應(yīng)電場，并將粒子噴射入該電場。粒子上的 風(fēng)拖曳力被該粒子上的電場力至少部分地抵消。監(jiān)控周圍的大氣條件，并響應(yīng)大氣條件中 的改變來改變與粒子和電場中的至少一個有關(guān)的參數(shù)。可包括下列特性中的一個或多個。大氣條件可為周圍的風(fēng)速、溫度、壓力、和/或 濕度。所述參數(shù)可為粒子大小、每個粒子的電荷、粒子流動速率、電勢、電場強度、和/或上 游收集器與電接地之間的間距。粒子可用下游收集器收集。每個粒子可為流體的液滴，而且噴射步驟可包括用電 噴射器噴射液滴。流體的液滴可包括固體粒子和/或低揮發(fā)性流體。噴射步驟還可包括形 成泰勒錐。風(fēng)速可在電場內(nèi)增加。改變所述參數(shù)的步驟則可實時地發(fā)生。這些和其他的目的，與此處所公開本發(fā)明的優(yōu)勢和特性一起，將通過參考以下的 描述、附圖、和權(quán)利要求而變得更加明顯。此外，要理解的是此處所描述的不同實施方式的 特性不互相排斥，并且可按不同的組合與排列存在。附圖簡述根據(jù)下面所描述的示意圖和權(quán)利要求能夠更好地理解本發(fā)明不同的方面和實施 方式的目的和特性。所述附圖不一定是成比例的，而其重點主要是放在示出本發(fā)明的原理。 在這些附圖中，相似的參考符號一般指的是遍及不同視圖的相同部分。在以下描述中，本發(fā) 明不同的實施方式可根據(jù)以下附圖描述，其中

圖1-4示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的EHD系統(tǒng)；圖5-7B示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的擴散體；圖8-10示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的噴嘴配置；圖11-12示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的EHD擠壓體；圖13-14示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的EHD擠壓體中的噴嘴配置；圖15示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的EHD百葉窗(louver)；圖16-19示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的EHD百葉窗陣列；
圖20示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的交錯式EHD百葉窗陣列；圖21示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的不對稱EHD電極；圖22示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的地基EHD系統(tǒng)；圖23示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的安裝于塔頂?shù)腅HD系統(tǒng)；圖24示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的安裝于建筑物的EHD系統(tǒng)；圖25示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的安裝于翼型的EHD系統(tǒng)；圖26A-30示出示出依據(jù)本發(fā)明實施方式的比空氣輕的EHD系統(tǒng)；以及圖31A-31B示出示出依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的基于風(fēng)切變的安裝于翼型的 EHD系統(tǒng)。詳細描述EHD系統(tǒng)的基本原理涉及使用風(fēng)能來移動帶電粒子，使其通過反作用的靜電場。逆 著靜電場中的力梯度移動帶電粒子需要作功。在粒子上實現(xiàn)的功被轉(zhuǎn)換成場強的增加。更 具體地，離子物質(zhì)比如正離子，可在感應(yīng)靜電場中受到風(fēng)的作用。風(fēng)中的分子與帶電離子碰 撞并且在其上作功，導(dǎo)致帶電離子在與場施加的力的逆方向上移動。因此，電場強度(表達 為伏特/米)增加到一穩(wěn)定的工作電平(operating level)。如果電場在兩個收集器例如 多孔板、網(wǎng)、或者其他導(dǎo)電物體之間，則電荷的運動感應(yīng)其自身的場，并且一個收集器相對 于另一個收集器變?yōu)樨?fù)。當(dāng)風(fēng)持續(xù)驅(qū)動所提供的離子流與感應(yīng)場逆向運動時，則兩個收集 器之間的電壓持續(xù)攀升。靜電場強穩(wěn)定，并且風(fēng)在粒子上所作的功可被用來分離電荷相反 的粒子，傳輸一類電荷，并且將其他孤立的電荷轉(zhuǎn)換成電流。如果兩個收集器被電連接到 一起，則作為在電勢中的差異的結(jié)果在它們之間有電流流動。如果與收集器串聯(lián)放置電負(fù) 載，則可實現(xiàn)有用功。因此，完整的電路是由離子電流、正收集器電流、返回電流(其可包括 地)、負(fù)載電流、和負(fù)收集器電流組成。EHD風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率可依賴于用風(fēng)將正電荷從負(fù)電荷逐漸分離的能力。在物 理學(xué)方面，在水滴上的風(fēng)力(以牛頓為單位)能夠通過關(guān)于層流的斯托克斯方程描述Fd = 6xJIx nxvxr, (1)其中n是空氣粘度，v是風(fēng)關(guān)于粒子的相對速度，并且r是水滴的半徑。靜電力 (以牛頓為單位)是附著在液滴上的電量數(shù)量的函數(shù)，以及在其中有水滴移動的靜電場的 強度為Fe = Qx ￡ ， (2)其中Q為電荷電量并且￡ =電場(伏特/米)。風(fēng)關(guān)于水滴的相對速度由拖曳力與電場力之間力的平衡來確定。在穩(wěn)態(tài)時，這些 力平衡(即，相等)并且液滴在兩個反作用力之間保持靜止。EHD依賴于風(fēng)逆著反作用的電 場推動液滴的能力，從而實現(xiàn)在液滴上作功。有效的EHD系統(tǒng)允許以適合風(fēng)與大氣條件的 某些最佳速度推動液滴穿過場。在穩(wěn)定的功率輸出期間，水滴上的拖曳力基本上等于水滴 上的電場力(例如，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)中)。對于給定的風(fēng)速，有提取最大量風(fēng)能所需的液滴大小、液滴電荷、以及場強。液滴 可盡可能小以最大化其電荷與質(zhì)量的比率，但在一個實施方式中，液滴也可以是至少足夠 大的，以便在完成該實施方式的系統(tǒng)電路之前保持液滴不會蒸發(fā)。在另一個實施方式中，液 滴包含固體材料，或者當(dāng)液滴蒸發(fā)時會變成固體的材料，該材料將繼承液滴的電荷，正如將在下面說明的。一種產(chǎn)生帶電水滴的方法利用電噴射過程。液滴上的電荷量由電噴射過程的效率 確定，70%的電荷限額為其一般數(shù)量。超過所述電荷限額時，液滴表面上過剩的電荷將導(dǎo)致 液滴爆裂，這被稱為“庫侖爆裂”。液滴的大小由與電噴射過程本身相關(guān)的一組因數(shù)確定，但 一般來說其隨噴嘴幾何形狀、噴嘴尖端附近處的電場強度、以及流體壓力的變化而變化。當(dāng)噴嘴液滴離開時其開始蒸發(fā)。蒸發(fā)率隨溫度、壓力、以及相對濕度(RH)的變化 而變化。RH本身是來自其他噴嘴的、在附近的過程中所蒸發(fā)的其他液滴的數(shù)量的函數(shù)。收集靜電場的強度越高，則為收集風(fēng)能輸出的電流就越低。同時，場強越高，則越 少的電荷被放入空氣中。然而，場強越高，則有越多的液滴傾向于被驅(qū)動返回其源噴嘴。因 此，每個風(fēng)速和每組操作條件都具有允許操作的最大應(yīng)用的靜電收集場。還有允許收集最 大量的能量的最佳場。使用提供了關(guān)于輸入風(fēng)速、空氣溫度、相對濕度、以及壓力的信息的標(biāo)準(zhǔn)傳感器， 可建立從風(fēng)中提取最大量的能量的EHD液滴和電場配置文件。操作參數(shù)被實時感測并調(diào) 整。系統(tǒng)能夠由計算機控制，由此自動化對關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)進行精細調(diào)整和粗略調(diào)整兩種調(diào)整。
此外，增加或減少水中C02的濃度是一種改變pH值和導(dǎo)電性的手段。例如，為了 增加C02并且降低pH值，可在填充柱中向下流出水，同時向上吹入空氣。該技術(shù)可用來改 變供水以優(yōu)化能量的產(chǎn)生。一般來說，較小的帶電粒子是優(yōu)選的。但遺憾的是，直徑在1微米數(shù)量級上的流體 的液滴不能很長久地存在。它們蒸發(fā)，留下高移動性的并因此無效的自由電荷。解決這種 問題一個方法是確保蒸發(fā)的水粒子留下固體或低揮發(fā)性流體。備選固體包括塵埃、花粉、人 造物品比如聚合物球、或通過流體的最終蒸發(fā)所形成的固體，比如鹽晶體。備選流體能夠包 括輕油，其能夠被預(yù)先攪動成為直徑在0. 1至0. 01微米數(shù)量級的液滴，并與水均勻混合。電噴射離子化(“ESI”)以相同的方式工作。載液的液滴使用電噴射充電，而且最 初在流體液滴上的電荷沉積在被包含的感興趣分子上。相同的過程對其他固體物質(zhì)工作。 正如其母液滴一樣，這些帶電物質(zhì)在風(fēng)中被傳輸。在一個實施方式中，將用于在載液液滴已 全部被蒸發(fā)時承載系統(tǒng)工作電荷的物質(zhì)被播撒到載液(例如水)中。在相關(guān)實施方式中，放置噴嘴使得在噴嘴發(fā)射之后，電噴射液滴遭遇到空氣中傳 播的粒子。此處，帶電液滴吸引一般不帶電的固體粒子，比如煙塵、花粉、塵埃和其他類似空 氣中傳播的物質(zhì)，并且運輸和吸收它們。最終的效果則與之前相同，一旦水蒸發(fā)之后，則使 用充當(dāng)電荷載體的固體。帶有污染物的液滴或者剩余的帶電污染物可使用下游收集格柵移 除。下游柵格的使用有效地實現(xiàn)了靜電除塵器的功能。在城市環(huán)境中，這樣一種布置可達 成能量產(chǎn)生和通過移除粒子凈化空氣這兩個目的。在其他實施方式中，不同于水的流體被用作電荷承載流體。能夠形成電噴射的任 何流體都是備用流體。存在一些種類的具有低蒸汽壓力和低揮發(fā)率的流體，其可具有比水 更低的、在能量收集時間跨度內(nèi)的蒸發(fā)趨勢。這些流體具有優(yōu)勢在于，可使用小得多的液 滴，而沒有整個液滴被蒸發(fā)且隨后釋放出自由電荷的危險。在一個實施方式中，工作流體是環(huán)保且生物可降解的。在其他實施方式中，電荷載 體是對下風(fēng)處元件有益的分子物質(zhì)。例如，一般的應(yīng)用可以是使一類肥料帶電，以便為下風(fēng)處的土壤施肥。使電荷云進入空氣一方面是為了產(chǎn)生自排斥的空間電荷。同極性電荷相互排斥， 并且同極性電荷云本身是極度排斥的?？臻g電荷云要將其本身推離分開，但該空間電荷云 也抵抗同極性電荷被推入。這是EHD粒子的情況。粒子離開噴嘴并且立刻被風(fēng)推向直接在 其下風(fēng)處的電荷云。來自無限大的壁狀的空間電荷的標(biāo)稱場強通過以下公式描述E = pL/2 e，(3)此處E是電荷壁入口處的空間電荷場[伏特/米]，p是電荷密度(每立方米內(nèi)電 荷的電量)，L是電荷壁的厚度，并且￡是空間的通用介電常數(shù)(即，8.85E-12庫侖2/(牛 頓 米2))?？臻g電荷場的幾何外形可影響其強度。例如，圓柱形而不是壁狀的空間電荷具有 比電荷壁更弱的感應(yīng)電場。電荷平板比如可從噴嘴的單線射出的一個電荷的平板，其可能 具有甚至更低的空間電荷?？山Y(jié)合其他的系統(tǒng)變量比如特別是風(fēng)速、粒子大小和電量、以及相對濕度(自然 的和感應(yīng)的)考慮空間電荷。可控制電荷密度以形成空間電荷的效果。在一個實施方式 中，通過計算機實時調(diào)節(jié)控制，所述計算機通過使用傳感器來檢查所有系統(tǒng)參數(shù)，并采取適 當(dāng)?shù)南到y(tǒng)行動以優(yōu)化關(guān)于給定風(fēng)速或其他本地環(huán)境條件的能量輸出?？臻g電荷直接正比于荷質(zhì)比的數(shù)量，或正或負(fù)。如果正電荷和負(fù)電荷被混合到一 起，則它們被有效地中和，并且空間電荷被減弱或消除。在一個實施方式中，噴嘴配置使噴 嘴或者成排的噴嘴交替工作，使得這些噴嘴交替地輸出正電荷和負(fù)電荷。電力則仍使用此 處所描述的標(biāo)準(zhǔn)EHD模塊產(chǎn)生；然而，正如混合相反的電荷一樣，它們的電荷被中和并且空 間電荷被最小化或消除。通過使得能夠使用更高的電荷密度而不以犧牲空間電荷為代價， 這樣一種空間電荷的減少使得能夠更加有效率地收集風(fēng)能。存在對于EHD操作很重要的兩個靜電場。一個場為電噴射場，其圍繞著每個電噴 射開口 ；另一個場為收集場，其對著風(fēng)中液滴的運動。雖然這些場事實上是彼此相互作用 的，但出于控制的目的能夠?qū)⑺鼈兎珠_處理。強收集場暗示著高收集電壓。場強(伏特/米)部分地依賴于上風(fēng)處電壓與下風(fēng) 處電荷收集格柵的物理關(guān)系。例如，噴嘴陣列以_200kV操作且接地收集格柵距離噴嘴一米 將具有200千伏特/米的標(biāo)稱收集場強。將空間電荷場添加到收集場，以便描述當(dāng)粒子被 傳遞進入并通過在噴嘴和下風(fēng)處柵格之間的收集區(qū)域時該粒子所經(jīng)歷的整個場。在一個實 施方式中，下風(fēng)處的收集器柵格使用了其本身和電噴嘴(上風(fēng)處柵格)之間的可調(diào)整間隔， 以方便地將其本身配置到最佳的距離上。對于足夠低的每個噴嘴的水流動速率，當(dāng)液滴尺寸小且每單位質(zhì)量電荷高時，水 的大氣凝結(jié)可被用作EHD過程的水源。從空氣凝結(jié)水需要使用能量；這種凝結(jié)能量必須從 總能量輸出中減去。然而，在最有利的條件下，比如濕度高且溫度適中時，才可方便地使用 凝結(jié)方法。凝結(jié)能量可通過利用空氣對空氣的熱交換機被最小化。進入凝結(jié)器的潮濕空氣可 通過離開的較干燥空氣而被冷卻。雖然在空氣流之間可能有焓失配(enthalpy mismatch), 而且輸入空氣可能未被完全冷卻，但能量的節(jié)約可能很明顯。
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對于供水的凝結(jié)可在任何地方利用，由此在系統(tǒng)舉例時提供了更多的自由。用于 凝結(jié)供給系統(tǒng)的位置包括沒有本地或城市用水，以及空氣傳播系統(tǒng)的場所。圖1示出EHD能量捕獲系統(tǒng)100的一個實施方式。電荷發(fā)生器102產(chǎn)生大量粒子 104，其可為離子、水滴、或者其他適合的運送電荷的粒子，由此產(chǎn)生空間電荷106。對于風(fēng) 108，空間電荷106是可滲透的，風(fēng)108可在空間電荷106和帶電粒子104之間吹過，通過流 體動力學(xué)耦合，帶電離子104可在一般與風(fēng)向相同的方向上被驅(qū)動。第一上游帶電網(wǎng)110 對于風(fēng)是可滲透的，該第一上游帶電網(wǎng)110以和空間電荷106相反的極性充電。當(dāng)驅(qū)動粒 子104遠離上游帶電網(wǎng)110時，上游帶電網(wǎng)110關(guān)于收集帶電粒子104的、第二下游帶電網(wǎng) 114的電壓通過調(diào)節(jié)電路112維持。在一些實施方式中，正如下面將要說明的，下游網(wǎng)114 可被除去，并且其功能通過接地或者通過在下游空氣中的電荷重組來代替。當(dāng)通過風(fēng)108 在粒子104上實現(xiàn)作功時，在下游收集器114附近的過量正電荷會從上游收集器110拉動 負(fù)電荷。電壓調(diào)節(jié)器112放出來自上游網(wǎng)110的電子以維持恒定電壓。通過電子流形成的 電流可通過負(fù)載116以實現(xiàn)有用功。在一個實施方式中，在電荷發(fā)生器102上產(chǎn)生正離子 的同時也產(chǎn)生了電子。電子從上游收集器110行進，并且移動通過負(fù)載116以便向后與其 在下游網(wǎng)114上的配對電荷相遇。圖2示出了 EHD能量捕獲系統(tǒng)200的可供選擇的實施方式，所述EHD能量捕獲系 統(tǒng)200將離子源202從EHD電源電路分離。在該實施方式中，離子源202提供一類離子204 供在空間電荷場206中使用，并將由此產(chǎn)生的、相反充電的離子208接地。當(dāng)通過風(fēng)210將 工作離子204吹入上游收集器212與下游收集器214之間的空間電荷206時，感應(yīng)靜電場 216，而且下游收集器板214收集電荷204。離子源202可以是電暈線(corona-wire)離子 源，其電壓可從上游收集器212的電壓脫離。電暈效應(yīng)離子源202可與系統(tǒng)200中的空間電荷206部分電氣地分離。由離子源 202產(chǎn)生的反離子208流出至可用于上游收集器212和下游收集器214的地。使用連接到 地218的下游收集器214和連接到負(fù)載220的上游收集器212，兩個收集器212、214可與來 自地的電子相互作用。空間電荷206和帶電粒子204與靜電場216相反的運動222可感應(yīng) 上游收集器212內(nèi)的負(fù)電壓。上游收集器212的負(fù)偏壓可通過電壓控制器/調(diào)節(jié)器224被 保持在工作電壓。流過控制器224的電流可被利用在負(fù)載220上以實現(xiàn)有用功。 在一個實施方式中，開始驅(qū)動過程的原始電荷由離子源202中的電源226提供。在 另一個實施方式中，被存儲的或者外部的能量被用來為系統(tǒng)200加電。一旦運行，產(chǎn)生自風(fēng) 的電能可從主系統(tǒng)中寄生地放出，以便為離子源202供電。在一些實施方式中，離子204可 在離子源202上產(chǎn)生并且使用例如管或管道結(jié)構(gòu)傳送到遠端位置上，所述管或管道結(jié)構(gòu)例 如是塑料或金屬的。管可具有沿其長度的電噴射開口。這樣一種布置對于要例如不希望有 重波導(dǎo)出現(xiàn)的系統(tǒng)的減重有利。 在其他實施方式中，離子源202是電噴射發(fā)生器、電子回旋加速器諧振源(“ECR”) 離子發(fā)生器(通過微波供電)、螺旋離子發(fā)生器、和/或感應(yīng)耦合離子發(fā)生器。在一個實施 方式中，空氣本身是離子源和體介質(zhì)。ECR離子發(fā)生器能夠具有比電暈效應(yīng)離子發(fā)生器更高 的能量效率(以每單位能量輸入的離子電荷的電量表達，或者CAV)，更高的轉(zhuǎn)換效率(以每 摩爾可用中性粒子所產(chǎn)生的目標(biāo)類型離子的摩爾數(shù)表達，或者摩爾/ 一摩爾)，以及對更寬 功率帶的控制。因此，ECR離子發(fā)生使得能夠以比基于電暈或者基于水液滴系統(tǒng)所要求的更低的風(fēng)速從風(fēng)中提取能量。在較低風(fēng)速下，上游收集器212的電壓可被降低以防止離子204由于較低靜電場 中的離子遷移率而向后漂流。最小風(fēng)速或“切入”風(fēng)速可任意低，因此可按比得上或者低于 常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組所需風(fēng)速的速度來捕獲風(fēng)能。用于常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組的一般切入速度為 大約8mph(3. 6m/s)。在低風(fēng)速下，EHD能量捕獲系統(tǒng)可捕獲比常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組明顯更多 的風(fēng)能。在大范圍離子輸出密度上成比例控制離子源202，這允許配合收集器212、214的 受控電壓同時進行優(yōu)化。對于給定的風(fēng)速，存在一相應(yīng)收集器電壓，該電壓產(chǎn)生適當(dāng)高的電 場以至于可以捕獲能量，但又適當(dāng)?shù)牡鸵苑乐褂捎趫鰞?nèi)的電荷遷移率使工作離子后退。同 樣，感應(yīng)了電場的離子密度在適合用于提取最大能量的范圍內(nèi)是可控制的。圖3示出具有單個收集器302的EHD能量捕獲系統(tǒng)300的一個實施方式。有相同 數(shù)量的正電荷與負(fù)電荷的電中性流體被儲存在饋源304中。在電荷分離點306處，正電荷 沉積在被風(fēng)310帶走的載荷子308上。負(fù)電荷310則被留在收集器302上。作為相反電荷 之間力的結(jié)果形成電場312。當(dāng)更多正電荷308被風(fēng)驅(qū)走時，會留下更多負(fù)電荷310，由此 增加電場312的強度并且產(chǎn)生儲電荷池，該儲電荷池中的電荷能夠流出作為電流314。然 而，如果電場312變得過強，則其可克服風(fēng)310在正電荷308上的力，并且電荷308將不會 從收集器302吹離。因此，本發(fā)明的實施方式能夠被控制以試圖維持穩(wěn)態(tài)平衡，其中風(fēng)力強 得足夠?qū)щ娏Ｗ訌钠湓捶蛛x。圖4示出使用電噴嘴402的EHD系統(tǒng)400的一個實施方式?？捎霉ぷ髁黧w404填 充電噴嘴402，該工作流體以給定壓力維持，這例如通過從適合供液貯存器抽取流體404或 者從加壓源接收流體404。電噴射電壓Ves和電噴射電流ies被施加到噴嘴402以產(chǎn)生電噴 射。在一個實施方式中，電噴射電壓Ves近似等于5kV，并且電噴射電流ies近似等于200nA。 電噴射電流ies和電壓Ves可由電噴射電源406供應(yīng)，在一個實施方式中，電噴射電源406的 電力來自EHD系統(tǒng)400本身的輸出。當(dāng)EHD系統(tǒng)400啟動時，電源406可利用由之前輸出 所儲存的能量以啟動系統(tǒng)400。帶電液滴408由電噴射產(chǎn)生并且可作為一般是連續(xù)的電荷羽狀物從上游收集器 410射出。上游收集器410可為屏柵或網(wǎng)格、電噴嘴402、或者靠近電噴射408的任何其他 含電荷材料。在不同實施方式中，液滴408是帶正電荷或帶負(fù)電荷的。液滴408由入風(fēng)412 夾帶并且可被運送入電場414。電場414由(1)上游收集器410上的系統(tǒng)電壓Vsys與下游 收集器和地416之間的電壓差，以及⑵兩個收集器410、416之間的距離D所限定。例如， 在一個實施方式中，Vsys為100kV，地為0V，并且柵格間距D為0. 5米。因此，電場414將具 有 100, 000/(1/2) = 200, 000 伏特 / 米的強度。系統(tǒng)電壓Vsys由負(fù)電荷例如電子所產(chǎn)生，所述負(fù)電荷由帶正電的流體液滴408留 下。系統(tǒng)400還可在產(chǎn)生負(fù)液滴時操作，由此在上游收集器410上留下正電荷。越多電子 被留下，則系統(tǒng)電壓Vsys上的負(fù)電壓降就越大，并且電場414的強度也越大。對于任何給定 的風(fēng)力條件(例如，速度和/或方向)，一定量的拖曳力可用于運送帶電液滴408穿過電場 414。因此，風(fēng)速與電場強度之間的平衡確定系統(tǒng)400的最佳工作點。電場414的強度可通 過添加每單位時間更多的液滴408和/或變化每個液滴408的電量變化?！┫到y(tǒng)電壓VSYS達到穩(wěn)態(tài)值，則電噴射留下的電子可形成電流iSYS并經(jīng)由路徑418流過變壓器420。在一個實施方式中，來自系統(tǒng)400的輸出為高電壓和低電流。來自變 壓器420的輸出將典型為較低的電壓和較高的電流，由此匹配特定負(fù)載422的需要。在一 個實施方式中，負(fù)載電壓VlMd和負(fù)載電流IlMd各自近似等于115VAC和30安培，以匹配家 用電源的需要。在穩(wěn)態(tài)條件下，來自上游收集器410的電子的流418等于由帶正電液滴408上所 運送的正電荷流?？傁到y(tǒng)電流424也可等于地電流426 (igroimd)，其在下游收集器416中 和輸入正電荷408。要注意的是，該電流可被選擇性規(guī)定在電子流的方向上或電子流的相反 方向上。在一個實施方式中，從系統(tǒng)400移除下游收集器416，僅留下上游收集器410。代 替下游收集器，系統(tǒng)400可使用任何電接地作為自由電荷池。在一個實施方式中，電接地是 大地。上游收集器410可是以導(dǎo)電性的并且是可滲透或有孔的。上游收集器410可產(chǎn)生與 電接地的電容性耦合。消除下游收集器416可為系統(tǒng)電壓分布產(chǎn)生出大得多的長度。例如，如果在上游 電壓與地之間的標(biāo)稱距離為10米，則該系統(tǒng)得到200kV/10m = 20kV/m場的被施加電壓。在 相同時間上，空間電荷場可以不通過下風(fēng)柵格劃定邊界，并且隨著空間電荷的濃度線性增 加。下游收集器416的消除可最適用于能量輸出不受空間電荷限制的系統(tǒng)。在一個實施方式中，系統(tǒng)400包括傳感器428，其測量周圍的大氣參數(shù)比如風(fēng)速、 溫度、濕度、以及內(nèi)部參數(shù)如電場414的強度?？刂葡到y(tǒng)430可與傳感器428通信，并且響應(yīng) 所接收的傳感器428的數(shù)據(jù)變更系統(tǒng)400的參數(shù)。例如，控制系統(tǒng)430可響應(yīng)被改變的大 氣參數(shù)修改帶電粒子408的產(chǎn)生速率和/或變化每個粒子408上的電荷量?？刂葡到y(tǒng)430 可包括本地計算設(shè)備/處理器或者遠程設(shè)備/處理器，并且可從傳感器428接收數(shù)據(jù)，處理 該數(shù)據(jù)，并且實時調(diào)整系統(tǒng)400參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)430可使用關(guān)于給定的一組大氣條件的推 薦系統(tǒng)400的參數(shù)的查詢表來編程，和/或可通過實驗和反饋確定最佳參數(shù)。例如，如果風(fēng) 412的速率增加，則控制系統(tǒng)430可相應(yīng)升高Vsys和/或isys。在一些實施方式中，響應(yīng)風(fēng)速 的增加，特別是如果所增加風(fēng)速小于大約25mph時，控制系統(tǒng)430增加帶電粒子408的流動 速率。在其他實施方式中，控制系統(tǒng)430隨風(fēng)速的增加升高每個粒子508的電荷量(并且 相應(yīng)增加每個粒子的風(fēng)拖曳力以支持所增加的電荷)?？刂葡到y(tǒng)430也可隨著風(fēng)速的增加 來增加粒子大小并減少每個粒子的電荷以利用所增加的風(fēng)拖曳力，或者隨著濕度的增加減 小粒子大小以利用較慢的蒸發(fā)速率。當(dāng)風(fēng)速減小時，控制系統(tǒng)430可采取類似但相反的行 動。擴散器強化(Augmentation)圖5示出擴散器500 —個實施方式的橫截面剖視圖，所述擴散器500用于增加通 過EHD系統(tǒng)特定區(qū)域的流速和總體流動速率，這被稱為擴散器強化(“DA”)。DA可使用成 形結(jié)構(gòu)以迫使大橫截面積的風(fēng)流入橫截面較小的區(qū)域，因此導(dǎo)致在所述較小區(qū)域內(nèi)風(fēng)速的 增加。較高速的風(fēng)流動可有利于夾帶帶電粒子以及對抗電場所施加阻力，并且可允許比其 他方式中可能的電場更強的電場。通過之前的討論，帶電粒子被夾帶在增強的風(fēng)中，并且在由擴散器500隨規(guī)定的 受制約和控制的空間中產(chǎn)生空間電荷。在擴散器500中，風(fēng)的徑向膨脹受擴散器500的壁 所制約。在一個實施方式中，擴散器500的壁帶電以排斥空間電荷。當(dāng)物質(zhì)朝著下游收集器514流動時，空間電荷的膨脹可防止流從擴散器壁上分離。如前所述，在上游收集器508 與下游收集器514之間建立電壓場。收集器508、514的電連接產(chǎn)生出可從中提取能量的電路。擴散器500是徑向?qū)ΨQ的DA-EHD設(shè)備的一個實施方式。擴散器500以外的周圍 空氣區(qū)域502具有總體風(fēng)速％。當(dāng)周圍的空氣遇到進氣口區(qū)域504，根據(jù)進氣口區(qū)域504的 形狀假設(shè)新的風(fēng)速力。當(dāng)朝著喉部區(qū)域506移動時，進氣口區(qū)域504內(nèi)的空氣被加速至新 的風(fēng)速V2，并且根據(jù)伯努利定律感受到相稱的壓力下降。在喉部506，風(fēng)移動通過上游收集 器508，并且?guī)щ娏Ｗ油ㄟ^分配器510被噴射入風(fēng)中。粒子可為水滴、帶電塵埃、或者空氣分 子中的簡單帶電物質(zhì)。從分配器508中，通過電荷云的移動產(chǎn)生空間電荷。通過擴散器的 性質(zhì)，并且因為空間電荷自然地需要擴大，所以當(dāng)流朝著系統(tǒng)的出口 512移動時壓力增加 且風(fēng)速減小。風(fēng)以相應(yīng)較小的風(fēng)速^通過下游收集器514。在一個實施方式中，上游收集 器508是圍繞高風(fēng)速區(qū)域的導(dǎo)電環(huán)，由此允許風(fēng)更平滑地流過喉部506。出口 512與喉部506的橫截面面積的比率可小于近似4. 5。喉部506中的風(fēng)速V2 可近似等于周圍風(fēng)速％的兩倍，并且在出口 514的風(fēng)速V3可近似等于周圍風(fēng)速％的三分 之一?？煽紤]使用其它幾何形狀或數(shù)值。圖6示出直線形DA-EHD外殼600的一個實施方式的局部剖視圖。周圍的風(fēng)在進 氣口區(qū)域602進入直線形擴散器600，在喉部604加速，并在出口 606離開。上游收集器和 分配器可被定位靠近喉部604，并且下游收集器可被定位靠近出口 606。直線形擴散器600 可為關(guān)于其縱軸608的任意長度，并且可在例如山頂、建筑物、以及相似位置上安裝。圖7A-7B示出DA-EHD氣球狀擴散器700的一個實施方式。氣球狀擴散器700包 括氣球702和圍繞該氣球702的管道704。氣球702的正面區(qū)域706可充當(dāng)上游收集器， 并且空氣流可被驅(qū)入圍繞氣流增強圓周的邊界層708。管道704可為帶有在其之間被撐開 的織物的輕型框架結(jié)構(gòu)，并且氣球702可以是適合的防空氣滲透膜并以適當(dāng)氣體填充的結(jié) 構(gòu)。氣球狀擴散器700可以和基于空氣或者基于水粒子的EHD系統(tǒng)一起使用。在一個實施 方式中，氣球狀擴散器700被定位到電荷云中。氣球狀擴散器還可包括提升元件比如翼結(jié) 構(gòu)，以便為整個結(jié)構(gòu)增加升力。在圖5-7B中示出的DA系統(tǒng)以若干優(yōu)勢為特征。例如，DA系統(tǒng)允許從標(biāo)稱進氣口 區(qū)域捕獲能量，并且額外地，在喉部的增強風(fēng)速允許了更高的電場強度。此外，由于DA系統(tǒng) 500、600、700所包圍空間的性質(zhì)，可以在收集器之間更好地控制電場。下游收集器面積與上 游收集器面積的比率可以更好地匹配電場的橫縱比。在DA系統(tǒng)以內(nèi)，空間電荷受徑向或橫 向的制約，使得自然的內(nèi)部排斥增加了在所需工作方向上的風(fēng)速。擴散器套管防止從總體 流動遷移入離子物質(zhì)，并且阻止電荷中和。由本發(fā)明所考慮的DA設(shè)計可增強使用比如平原 空氣、帶電塵埃、水滴、或者剛性泡沫球的載荷子的EHD系統(tǒng)。如果需要流體電荷載體，則該 設(shè)計可進行修改以適于閉環(huán)流體(例如，通過水循環(huán))。DA系統(tǒng)可為比空氣輕的配置進行 修改。電介質(zhì)阻擋放電在一個實施方式中，電介質(zhì)阻擋放電(“DBD”)設(shè)備用作離子源以產(chǎn)生單獨使用空 氣的帶電物質(zhì)，而沒有分離的電荷載體。DBD可與DA組合以產(chǎn)生(除了風(fēng)本身之外)沒有 移動部分的DBD-DAEHD設(shè)備。DBD等離子狀態(tài)可變化以促進產(chǎn)生特定的離子物質(zhì)。例如，通
12過組合與DBD的AC場橫向的電壓場，特定電荷的離子可以被提取到電介質(zhì)板的任何一邊。 然后離子可被利用以產(chǎn)生被夾帶的空間電荷以及相反充電的收集器。DBD還可以被利用以充電自然出現(xiàn)的塵埃粒子。這些粒子大量出現(xiàn)于大氣中。塵 埃粒子的遷移率可能小于空氣分子的遷移率，然而同時，塵埃粒子可保持大量電荷。與收集器場線橫向的電場可被調(diào)節(jié)以與流橫向地促動帶電物質(zhì)。因此被擾動的離 子可經(jīng)歷與每單位時間的風(fēng)的更多碰撞，并且可被一般與所施加場的方向相反的碰撞進一 步影響。通過這樣一種手段，離子的遷移率被有效降低。減慢離子遷移率的優(yōu)勢在于，可為 提取風(fēng)能利用更高的場強，并由此改進能量提取效率。使用MEMS噴射帶電水滴在不同實施方式中，EHD系統(tǒng)可使用微電子機械結(jié)構(gòu)(“MEMS”)將帶電水滴噴射 入空氣，所述微電子機械結(jié)構(gòu)并入適當(dāng)?shù)膲毫?、流、和電壓條件。特別是，基于MEMS的噴墨 噴射和電噴射組合了液滴形成與液滴充電。噴墨技術(shù)選擇性地利用壓電振動從小孔中噴射油墨液滴，隨后當(dāng)液滴找到去往印 刷介質(zhì)的路徑時為每個液滴添加電荷。單個常規(guī)噴墨噴射器可消耗0. 5微焦的能量以產(chǎn)生 一個液滴，其效率可能不足以用于EHD系統(tǒng)。利用帶有諧振促動器，比如壓電晶體或電容性 促動器的2D噴射器陣列的系統(tǒng)，其可從開口的大型陣列中發(fā)射液滴。例如，2D陣列可包含 20x 20個孔，并以超過lMhz的頻率驅(qū)動。作為一個例子，使用單個的貯乙醇器微機械噴射 器陣列的每個液滴的能量為0.0037微焦。每滴水的能量被認(rèn)為是相似的。MEMS設(shè)備進一 步的優(yōu)化甚至可以將該能量數(shù)字進一步降低。相類似地，電噴射用不同于所施加電場的不很明顯的抽運能量感應(yīng)來自小噴嘴的 帶電液滴流。電噴射電離(“ESI”)是對EHD系統(tǒng)特別感興趣的過程。ESI可使用MEMS技 術(shù)以微尺度部署，以便將具有能量效率超聲波液滴的產(chǎn)生與靜電充電相組合。在不同實施 方式中，MEMS噴射器貯存器陣列可與電壓源組合，由此產(chǎn)生具有大量噴射器噴嘴的具有能 量效率電噴射設(shè)備。除了產(chǎn)生液滴本身之外，可能需要額外的能量為所述液滴充電，以移除 可能會阻塞微噴嘴的粒子，并且將周圍的流體從源移動至噴嘴。對于這些過程的能量需求 與液滴產(chǎn)生的能量相比較小且相對低效。圖8示出MEMS帶電粒子源800的一個實施方式，所述MEMS帶電粒子源組合噴射 器貯存器802與多孔電荷板804。噴嘴板806以距離D2與電荷板804分離，可充電到與液 滴808的所需電荷相同的電勢，例如，充電到lkV。電荷板804可被偏置到與噴嘴板相反的 電勢，例如，在_5kV的電壓上。在可供選擇的實施方式中，可將電荷板804設(shè)為正電壓，并 將噴嘴板806設(shè)為負(fù)電壓。在一個實施方式中，電荷板804的電勢與上游收集器的電勢相 同?？拷鼑娮?08的貯存器802取得與噴嘴板806相同的電勢。被設(shè)為相反電勢的電荷板 804吸引遠離貯存器802的流體。該流體可離開貯存器802并形成帶電液滴810。風(fēng)812 可垂直于貯存器802與電荷板804表面，夾帶液滴810，并將其運送至新位置814。在一個實施方式中，貯存器802中的流體在分離以形成液滴810之前形成泰勒錐 816。噴嘴808的大小、距離D2、以及板804、806上的電勢全都可能在確定所述泰勒錐的特 定模式時起作用。在不同實施方式中，源800被設(shè)計為具有以規(guī)律且可重復(fù)的間隔射出液 滴810的穩(wěn)定泰勒錐。在一個實施方式中，液滴810被以高速朝著電荷板804拉動，但是因為有與噴嘴
13808直接相對的孔818，液滴810通過該孔并且被夾帶在總體風(fēng)流動812中。在可供選擇的實施方式中，帶電粒子被直接噴射入氣流812而不需使用帶電板 804。在該實施方式中，促動器820可被用來為貯存器802中的流體提供能量。促動器也可 與帶電板804結(jié)合使用。在一個實施方式中，噴嘴808的直徑在液滴810的數(shù)量級上，所述液滴810可以在 3至10微米之間。在其他實施方式中，泰勒錐816可能能夠產(chǎn)生小于噴嘴808直徑的液滴 810，例如，亞微米大小的液滴。將液滴810充電到接近其瑞利限制電量的電勢可具有額外的益處。例如，當(dāng)帶電 液滴810在總體風(fēng)流動812中開始蒸發(fā)，則液滴上的電荷接近其瑞利限制。一旦達到該限 制，液滴可在被稱為庫侖爆裂的過程中破裂成更小的帶電液滴。圖9示出噴嘴配置900的一個實施方式。噴嘴902在基底903上形成并且可被一 般為環(huán)形的通道904所圍繞，由此形成圍繞噴嘴902的低洼地帶。通道904將噴嘴902與 一般為平板的基底903隔離，并且能夠有助于泰勒錐906的形成。圖10示出可供選擇的實施方式1000，其中在圍繞噴嘴1004的基底1003上產(chǎn)生被 升高的區(qū)域或稱“圍巾” 1002。所述圍巾1002可包括在形成噴嘴1004期間被移除的材料， 并且可以是移除非揮發(fā)性材料的天然副產(chǎn)物。在可供選擇的實施方式中，可使用已有的皮下注射管或者預(yù)成形的電噴射元件， 比如由賓夕法尼亞州徹斯特的Phoenix S&T所制造的皮下注射管或者電噴射元件。一般來說，電噴嘴的性能可依賴于位置。例如，面對噴嘴朝下可允許以重力來協(xié)助 形成泰勒錐。然而，噴嘴可面對任何方向并且仍然執(zhí)行其功能。噴嘴本身可采用包括單個 和成組的這兩種方式的各種形式。成組方式的典型是形成了部分的或整個的電噴嘴部分的 任何有序噴嘴群。電噴射系統(tǒng)圖10-19示出在不同實施方式中的EHD電噴射系統(tǒng)。圖11示出包括擠壓體1102、 流體通道1104、以及電噴射通孔1108內(nèi)的電噴嘴1106的結(jié)構(gòu)1100。電噴嘴1106可以是 還包括了一些擠壓后處理的塑料擠壓體1102的一部分。擠壓體1102包括翼面外形，其可 最小化在噴嘴陣列處的湍流損失。翼面外形還可允許控制適用于不同系統(tǒng)過程的高壓力區(qū) 域和低壓力區(qū)域。例如，翼面外形的擠壓體1102以上和以下的低壓力區(qū)域可能適合電噴射 羽狀物的噴射。夾帶空氣可選擇性地在翼面外形的擠壓體1102前沿處的孔處被吸進，和/ 或羽狀物蒸汽壓力本身可被利用。流體通道1104可延伸通過擠壓體1102的長度，并且可 為噴嘴1106送料。通孔1108可允許從噴嘴1106發(fā)出的電噴射被通過的空氣夾帶。噴嘴 1106的指向?qū)嵸|(zhì)上與翼面外形的擠壓體1102的弦橫向。在其他實施方式中，噴嘴1106被 適當(dāng)?shù)夭贾贸芍赶蛴闪黧w通道1104、噴嘴1106、和適當(dāng)通孔區(qū)域1108的幾何形狀所確立的 任何方向。可供選擇地，體1102可為卷制成型的外形，或為卷制成型的外形和擠壓體的一 些組合。可考慮使用不用于塑料的材料。圖12是擠壓體1200的透視圖，其顯示額外的擠壓元件比如在擠壓之后被插入的 元件或者被共同擠壓的元件。流體送料通道接受為電噴射流體提供電力(電流和電壓)的 高電壓電極線1202的插入。來自該線的電流可通過流體移動至每個噴嘴尖端，并且可實質(zhì) 上被分配作為出射的液滴上的電荷。此處被顯示為共同擠壓的低電壓電極線1204，其在每個噴嘴頂端提供適當(dāng)?shù)碾妶觯沟每砂l(fā)生電噴射。圖13是擠壓體1300的放大透視圖。電噴嘴1304的流體流道1302與主流體通道 1306相交。還描繪了高電壓1308和低電壓1310電極。噴嘴1304可直接由擠壓體材料形 成，或者可通過將整個噴嘴插入和/或裝配入擠壓體1300中的容納腔形成。這樣一個元件 可為不銹鋼針或塑料針，其尺寸超出流體送料通道外形。圖14是單個噴嘴1400的放大視圖。噴嘴流體通道1402與送料通道1404連通。 泄放區(qū)域1406環(huán)繞并限定噴嘴1400的孔1408。噴嘴1400可通過首先產(chǎn)生噴嘴流體通道 1402隨后產(chǎn)生圍繞通道1402的泄放區(qū)域1406來限定。激光燒蝕是一種適合用于該尺度和 精度的細節(jié)的工藝。在不同實施方式中，噴嘴1400由各種不同的組件和材料構(gòu)造。例如，其可為金 屬針，比如馬薩諸塞州沃本的New Objective, Inc.生產(chǎn)的金屬針；塑料圓錐，比如賓夕 法尼亞州切斯特的Phoenix S&T生產(chǎn)的塑料圓錐；塑料尖端，比如印第安納州埃爾伍德的 Terronics Development生產(chǎn)的塑料尖端；MEMS類噴嘴，比如紐約州伊薩卡的Advion，Inc. 生產(chǎn)的MEMS類噴嘴；從銳利尖端例如“鉛筆和火山(pencils and volcanoes) ”所發(fā)出的 MEMS類電噴射；在連續(xù)長度的成品比如擠壓件、卷制成型的金屬、或者管上打出的孔；通過 將定制零件插入長度連續(xù)的成品所形成的孔；和/或整合的噴射噴霧器，比如新澤西州普 林斯頓的ZYW公司的Spray Triode。圖15和16示出可與上面所描述的擠壓體相似的百葉窗1500，以及百葉窗陣列 1600的完整視圖。百葉窗陣列1600是EHD風(fēng)能轉(zhuǎn)換可以如何利用一個或多個電噴射元件， 例如百葉窗1500的一個例子。百葉窗陣列1600可具有近似5kW的組合輸出。雖然陣列 1600可能實質(zhì)上是垂直的，但是要理解百葉窗1500可以是交錯式的以便從面朝下的噴嘴 提供更好的自由流動。帶有被朝后或朝前定向的噴嘴的陣列可以與陣列1600類似的方式 被排列。圖17是百葉窗陣列1700中一部分的放大視圖。每個百葉窗1704的末端1702可 是以打開的，以便為適當(dāng)?shù)牧黧w、電氣和機械連接提供密封和緊固點。這些連接一般是用垂 直框架元件確立的。圖18示出鑲框架的百葉窗陣列1800。剛性框架元件1802限制且支撐百葉窗陣列 元件1804?？蚣茉?802還可提供用于電噴射的適當(dāng)流體連接和用于高電壓和低電壓元 件的電氣連接。流體元件可包括壓力和流體控制。電子元件可包括電壓和電流控制?？刂?元件比如傳感器、泵、和電源可以是在框架元件1802的內(nèi)部或外部。圖19示出EHD系統(tǒng)1900。系統(tǒng)1900包括其中包括了電噴射元件的上游百葉窗陣 列1902，和下游收集器柵格1904。下游收集器1904可被連接到地。在百葉窗陣列1902與 下游柵格1904之間的間距D3可規(guī)定在它們之間電場的幅值。圖20示出百葉窗陣列2000的橫截面視圖，傾斜百葉窗2002在下游方向上垂直偏 移。百葉窗2002上的噴嘴2004面朝下。此處沿擠壓件或百葉窗排列噴嘴，直接面朝下或 朝上的噴嘴可噴射與相鄰百葉窗接觸的羽狀物。在不同實施方式中，百葉窗2002可被偏移 以允許電噴射羽狀物2006有被風(fēng)2008夾帶的更大空間。該布局可允許百葉窗2002比有 垂直對齊布局的陣列更靠近地放置到一起?？晒┻x擇地，百葉窗2002可以是交錯式的，以 鋸齒形式，或者允許相對被接近地套疊同時提供足夠的羽狀物和風(fēng)的相互作用的任何其他
15布局。圖21示出具有可選電極配置的噴射系統(tǒng)2100。布置不對稱電極2102使其比電噴 嘴2106更靠近風(fēng)2104。因為電噴嘴2106與風(fēng)2104橫向，液滴受力可關(guān)于中央噴射軸2108 不對稱。該不對稱性可通過將電極2102放置在噴嘴2106上風(fēng)處被利用，以保持液滴2110 離開電極2102。電極2102可包括一條或多條線；單條線可能足以在噴嘴2106尖端產(chǎn)生電 噴射場和泰勒錐2112。風(fēng)2104可有助于防止由泰勒錐2112所生成的電噴射2110短路到 電極2102。不要求線對稱。在一個實施方式中，電極2102是帶有電流泄漏路徑的不對稱涂 層線。一小塊被移除的絕緣材料2114可幫助防止在線類型電極2102表面上的電荷中和。在另一個實施方式中，在沒有足夠拖曳力以保持帶電液滴遠離帶電電極處的較低 風(fēng)速時，用阻止液滴的短路的電介質(zhì)物質(zhì)涂覆的裸電極是有利的。然而，太厚的涂層僅短暫 地維持電噴射，之后，涂層變得被中和電荷覆蓋，由此消除驅(qū)動電場并停止電噴射。適當(dāng)?shù)?涂層厚度使得來自安置好的線的一些電流泄漏能夠防止場中和，而在同時為噴射源與電極 之間的電流短路提供足夠的屏障。當(dāng)使用被涂覆的線時防止驅(qū)動場停止的另一個方式是在 絕緣材料中提供小電流泄漏路徑。將絕緣屏障切除一小部分提供了用于反離子的路徑，以 中和在涂層表面上形成的電荷。在另一個實施方式中，對到達噴嘴電極的短路電流的控制也可通過電流調(diào)節(jié)電路 實現(xiàn)。該類型的電路可代替或強化被涂覆線或者一小部分被切除的被涂覆線的電流限制性 能?？刂齐姌O與噴嘴之間電流泄漏的相關(guān)方式是利用離子可滲透材料作為電極涂層。在滲 透性受膜結(jié)構(gòu)所調(diào)節(jié)的程度上，泄漏電流是可被調(diào)節(jié)的。EHD 應(yīng)用EHD風(fēng)能轉(zhuǎn)換可由能被放入空氣中的離子數(shù)量所限制，而不必?fù)?dān)心機械破壞，并因 此可承受任意的高風(fēng)速。可確定離子源的大小以適合預(yù)期的風(fēng)力條件，以便優(yōu)化成本與能 量輸出的比例。因為風(fēng)速可隨海拔高度對數(shù)性地增加，所以被安裝的風(fēng)力系統(tǒng)離開地越高， 則其可產(chǎn)生的能量越多。EHD風(fēng)能捕獲特別適用于較高風(fēng)速，包括遠高于常規(guī)渦輪機的普通 切出速度或最大功率速度。事實上，EHD系統(tǒng)可被提升至任意高的海拔高度以便捕獲在一 般不適合用于常規(guī)渦輪機的安全操作的速度狀態(tài)下的風(fēng)能。將可用風(fēng)能的傳統(tǒng)確定應(yīng)用到EHD風(fēng)能轉(zhuǎn)換。當(dāng)中性風(fēng)分子撞擊帶電粒子時，每 個帶電粒子的作用類似小風(fēng)斗，并且強迫粒子逆電場移動。當(dāng)風(fēng)的動能被轉(zhuǎn)換成電能時，億 萬個離子與風(fēng)力發(fā)電機組葉片一樣阻止風(fēng)速。因此，理論上可用能量的最大值(在100%機 械效率時)由傳統(tǒng)的貝茨定律確定可用功率=(16/27)*1/2*(空氣密度)*(面積)*(風(fēng)速)3(4)修改該方程可提供更多實際可行的結(jié)果。例如，由正離子組成的電荷空間可由于 相互的電荷排斥而膨脹。該膨脹可導(dǎo)致電荷空間占用比僅有收集器時更大的掃掠面積。相 反地，中性空氣分子與離子之間的碰撞是非完全彈性的，并由此導(dǎo)致摩擦損失。圖22示出安裝在地平面的EHD系統(tǒng)2200的一個實施方式。圓柱離子源2202 (在 該實施方式中)提供正離子，該離子可在多孔收集器柵欄2204中感應(yīng)電壓。每個收集器面 板2202可具有高度H4和寬度W4。其他實施方式可具有更多或更少離子源2202和/或收集 器柵欄面板2204。離子可與電壓梯度逆向地被風(fēng)2206驅(qū)動，所述電壓梯度由柵欄2204與 地2210之間的電荷空間2208產(chǎn)生。離子可返回地2210以完成虛擬電路。離子源2202可與收集器2204電氣絕緣并具有其自身的地2212。因為其電壓受電壓控制器2214控制，所 以收集器2204本身可以沒有地?？刂破?214也可具有其本身的地2216，也可將來自收集 器2204的電子流(電流)轉(zhuǎn)換成線電壓2218。收集器2204可通過距離D4升至地平面以 上，以防止將收集器2204短路到地2212。電氣絕緣可保護可達數(shù)十萬伏特的收集器電壓。 距離D4可被增加，以允許收集器2204被暴露給更高的平均風(fēng)速。在一個實施方式中，收集 器2204是多孔的導(dǎo)電柵欄比如鏈環(huán)柵欄，其帶有離子源和調(diào)節(jié)在柵欄中感應(yīng)的電壓和電 流的裝置。圖23示出塔頂EHD系統(tǒng)2300的一個實施方式。一般來說，增加的高度意味著增 加的風(fēng)速，這至少是因為地面效應(yīng)使風(fēng)減速并使其喪失能量。在第一高度氏上給定第一風(fēng) 速、，則在第二較高高度H處的新風(fēng)速V為V = (H/H0) aV0, (5)其中a是風(fēng)切變指數(shù)。雖然該風(fēng)切變指數(shù)可隨地形變化，其通?？杀唤邮転?1/7 (0. 143)。例如，在3米高度處所測量的5米/秒的風(fēng)速在150米高度處變?yōu)?. 36米/ 秒。此外，風(fēng)力按風(fēng)速(V)的立方增加。組合兩個表達式，在地面以上100英尺處的可用風(fēng) 能為地面以上20英尺處的可用風(fēng)能的兩倍。離子源2302將正離子2304射入風(fēng)2306中，因此由于空間電荷2310的緣故，在收 集器2308中感應(yīng)電壓。離子可返回地2312。在塔頂安裝時，收集器2308可被放置在樞軸 2314上，這允許風(fēng)在塔2316下風(fēng)處推動收集器2308。系統(tǒng)2300還可包括電壓調(diào)節(jié)和接地
直o塔的高度氏可以是任意的。在一個實施方式中，H5超過100米。給定無移動部分、 無變速箱、以及無發(fā)電機的EHD系統(tǒng)，則支撐塔2316可比常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組塔承受被明顯 減少的重量，并因此關(guān)于給定高度可有較少質(zhì)量。其維護可涉及檢查收集器柵格的清潔、電 氣連接的完好、和/或感測協(xié)作的電力和控制系統(tǒng)的完整性。在塔頂?shù)男D(zhuǎn)軸承可被檢查 和潤滑。較大的系統(tǒng)可使用伺服電機以便將收集器柵格驅(qū)動至正確方向，或利用尾帆以正 確地定向收集器2308。圖24示出安裝在建筑物上的EHD系統(tǒng)2400。高度為H6的建筑物2402具有被安 裝在其屋頂?shù)腅HD系統(tǒng)收集器2404。離子發(fā)生器2406可被安裝在建筑物2402的拐角，并 且收集器柵格2408可平行建筑物2402的四個外表面定位。在操作中，風(fēng)可從自如下所述 的屋頂系統(tǒng)產(chǎn)生電能。圍繞建筑物2402的拐角通過的風(fēng)可收集離子，產(chǎn)生電荷空間，并且 在收集器柵格2408中感應(yīng)電壓。重要的是在建筑物2402的下風(fēng)壁上的回流湍流，其可允 許離子與收集器柵格2408再次結(jié)合而不受風(fēng)的影響。該影響可通過遠離所述壁的中部，即 更靠近建筑物2402的拐角放置收集器柵格2408被最小化。正如由收集器柵格2410所示， 收集器柵格2408也可被定位以從拐角處直朝外延伸。其他的人造結(jié)構(gòu)比如房屋的尖頂，可由于房頂?shù)膬A斜經(jīng)歷風(fēng)速的增加。這些位置 有利于安裝EHD風(fēng)能系統(tǒng)。這樣一個系統(tǒng)可具有收集器，其長且窄以適應(yīng)在尖頂上流動的 高能量帶狀空氣。在一個實施方式中，EHD系統(tǒng)可被安裝在旗桿上。簡單的多孔的收集器網(wǎng)的輕質(zhì) 量可能不會導(dǎo)致在旗桿上產(chǎn)生過分的應(yīng)力。例如，與塔頂安裝方案可比較的，可在頂部安裝 萬向支架。電子器件能夠被放置在旗桿的底部。
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一般來說，可以不嚴(yán)格地規(guī)定收集器區(qū)域的尺寸。與垂直軸Darrieus風(fēng)力發(fā)電機 組的水平軸的嚴(yán)格環(huán)路、裝有葉片的風(fēng)力發(fā)電機組或圓柱形外觀不同，EHD系統(tǒng)收集器僅需 要注意與電荷場相對的幾何形狀需求。例如，收集器區(qū)域可以是長且薄的而不是方形或圓 形的。該幾何形狀的靈活性允許整合的設(shè)計以利用獨特的風(fēng)流動特性，比如圍繞高建筑物 的拐角的風(fēng)流動特性。還提供許可產(chǎn)生美觀設(shè)計的一些藝術(shù)衡量標(biāo)準(zhǔn)。在可供選擇的實施方式中，EHD系統(tǒng)可在自然構(gòu)造比如樹木、巨石、和/或山上安 裝。對于更脆弱的構(gòu)造比如樹木而言，可使用小型和/或輕重量的EHD系統(tǒng)。在大型的堅 固構(gòu)造比如山上，可使用較大的EHD系統(tǒng)。靠近山頂處地面的風(fēng)速能夠非常高。為了捕獲 該風(fēng)能，在一個實施方式中，可使用柵欄類系統(tǒng)。因為EHD系統(tǒng)可自然地產(chǎn)生高壓DC電力， 長距離傳輸電力可不再是個問題。在一個實施方式中，AC電力被轉(zhuǎn)換成DC電力。圖25示出渦輪機葉片EHD系統(tǒng)2500 —部分的一個實施方式。現(xiàn)有的常規(guī)風(fēng)力發(fā) 電機組可得益于整合帶有渦輪機葉片的EHD系統(tǒng)。當(dāng)前的EHD設(shè)計可增強常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機 組的效率，并且新的EHD設(shè)計可免除常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組的組件，比如發(fā)電機，以及如果被利 用到的話還有變速箱。在一個實施方式中，EHD系統(tǒng)可由常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組改造而成。翼型2502可充當(dāng)機械的風(fēng)速增強器。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組的葉片可被驅(qū)動時，翼型 2502通過自然的或周圍的風(fēng)2504驅(qū)動。翼型2502經(jīng)歷受翼型2502通過空氣的運動所產(chǎn) 生的、相關(guān)的或被感應(yīng)的風(fēng)2506。大量帶電粒子2508可通過離子發(fā)生器2510，比如電噴射 源、微波電子回旋共振(“ECR”)波導(dǎo)離子發(fā)生器、或其他適合的離子源被產(chǎn)生為富含離子 的區(qū)域。離子通過靠近翼型2502前沿處的波導(dǎo)槽2512離開離子發(fā)生器2510，并且可通過 在槽2512出口的成對磁體2514和/或通過從槽2512流出的正電氣體(即，空氣)被防止 返回。電荷空間2508對于被感應(yīng)的風(fēng)2506是可滲透的，風(fēng)2506在帶電粒子中吹過帶電 粒子，通過在一般與被感應(yīng)風(fēng)2506的方向相同的方向上的流體動力耦合驅(qū)動帶電粒子。因 此，帶電粒子在與空間電荷電場2516的逆方向上移動，所述空間電荷電場由靠近翼型2502 后沿安裝的收集器板2518產(chǎn)生，所述收集器板2518可用與離子電荷相反的極性充電。當(dāng) 離子被驅(qū)動遠離收集器板2518時，板電壓可通過關(guān)于地2522的電壓調(diào)節(jié)器2520維持。當(dāng) 通過被感應(yīng)的風(fēng)2506在空間電荷2508上做功時，可在收集器板2518中積累過剩的電荷。 電壓調(diào)節(jié)器2520可從收集器2518放出電流以維持恒定電壓。該電流可通過負(fù)載2524以 執(zhí)行有用功。收集器板2518可被充電至比非翼型系統(tǒng)的收集器板高的電壓，這因為回到收集 器2518的離子遷移率可通過更高的相對風(fēng)2506的速度來克服。通過離子釋放區(qū)域的空氣 體積也可被增加，由此釋放比非葉片系統(tǒng)高的離子濃度。在翼型2502氣動表面上的相對風(fēng)2506的速度一般數(shù)倍于(例如，4X至10X)總體 風(fēng)2504的速度。翼面形狀可針對組合(機械風(fēng)加上EHD)能量提取來優(yōu)化，或者僅針對EHD 來優(yōu)化。在一個實施方式中，用于僅EHD提取的翼型可以不需要中央發(fā)電機。而風(fēng)車的葉 片卻圍繞通常為被動的軸自由旋轉(zhuǎn)，并且可從葉片本身處的風(fēng)中提取能量。這樣一種方法 可能能夠以比常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)速更低和更高的兩種風(fēng)速來提取風(fēng)能。此外，組成離子發(fā)生器的收集器板2518和組件2510、2512、2514的放置是說明性 和示例性的。所述項目的放置可采用不同的形式。例如，離子發(fā)生器組件2510、2514可被 放置在葉片根部，并且離子沿著葉片核心維持，且關(guān)于收集器板2518適當(dāng)?shù)胤稚ⅰ？晒┻x擇地，收集器板2518可被放置在葉片的底側(cè)，由此減少近端的正離子的中和。在一個實施 方式中，一連串收集器鰭狀物延伸入空氣流中以提供更高的收集表面。將EHD系統(tǒng)與翼型整合可受益于常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機組制造商的努力，比如加州拉莫 納的Sky Windpower公司。他們的方法是使用升力葉片的旋翼旋轉(zhuǎn)以便在高空支撐風(fēng)能平 臺。當(dāng)前的發(fā)明可降低任何現(xiàn)有設(shè)計的重量并由此改善能量轉(zhuǎn)換效率。整合翼型的EHD系統(tǒng)設(shè)計的一個實施方式利用在航空器上的翼型。當(dāng)部署了 EHD 系統(tǒng)時，其可充當(dāng)氣閘。離子播撒到機翼背后的空氣中，收集器創(chuàng)建空間電荷，并且離子要 遷移返回收集器。當(dāng)離子磕碰接近中的中性空氣粒子時，每個離子的作用都類似微氣閘。當(dāng) 離子通過空氣流動被迫遠離風(fēng)時，收集器產(chǎn)生高電壓；從收集器放出的電流被存儲在飛機 上用于在另一個時間使用。節(jié)能和效率對于幾乎每種航空器都很重要；EHD系統(tǒng)氣閘對于 電動航空器特別有價值。在不同實施方式中，EHD系統(tǒng)可與基于風(fēng)箏的風(fēng)能系統(tǒng)一起使用，所述基于風(fēng)箏 的風(fēng)能系統(tǒng)由比如加州阿拉曼達的Makani Power的公司所積極研究的風(fēng)能系統(tǒng)。Sky Windpower還考慮使用在空氣中提升渦輪機和發(fā)電機而不需要塔的設(shè)備。放置帶有EHD系 統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機系統(tǒng)可增加它們的效率。較少能量被浪費在升力上，并且更多能量被轉(zhuǎn)換 成電。基于風(fēng)箏的電力發(fā)生可隨著被增加的高度產(chǎn)生改善的風(fēng)速。風(fēng)箏可不用塔實現(xiàn)很高 高度，并且電力可沿著風(fēng)箏的系線傳輸。以下是將EHD系統(tǒng)與風(fēng)箏整合的細節(jié)。一般來說，離子被引入風(fēng)箏提升表面的上 游，并且風(fēng)箏提升表面中的一個或多個可成為導(dǎo)電性的以便充當(dāng)收集器。使用拉緊的系線 將能量轉(zhuǎn)移至地，并且收集器電壓可被任意調(diào)節(jié)至任何必要的形式。系線可從線軸拉出，這 轉(zhuǎn)換將被傳遞的旋轉(zhuǎn)能量，使用該能量例如為電發(fā)生器供電。當(dāng)風(fēng)箏被拉入時可降低其風(fēng) 速輪廓線，并由此允許線軸消耗比拉出步驟中所捕獲的更少的能量。圖26A-B示出比空氣輕(“LTA”)的EHD系統(tǒng)2600。將EHD能量生成與LTA交 通工具的整合可提供與基于風(fēng)箏的EHD系統(tǒng)相同的優(yōu)勢，即將EHD系統(tǒng)放置在比放置在地 面上時能捕獲更多風(fēng)能的高度上。然而，與基于風(fēng)箏的系統(tǒng)不同，LTA系統(tǒng)的大小可被設(shè)置 為非常大的尺寸和/或在非常高的海拔位置部署。此外，使用常規(guī)生成器，比如由加拿大的 MagennPower Inc.生產(chǎn)的常規(guī)生成器的LTA系統(tǒng)，其可得益于EHD系統(tǒng)的內(nèi)容。圖26A示出可為加壓容器，比如充氦氣或氫氣的氣球或飛艇的LTA飛船2602。在 具體安裝點上，飛船2602的表面可以是半剛性和/或剛性的。飛船2602可通過高度為H7 的系線2604被固定到地。離子源2604可在最高風(fēng)速線路上被圓周地定位，而且離子可被釋 放到風(fēng)流2606中以產(chǎn)生空間電荷。收集器可被布置在飛船2602的下風(fēng)末端表面2608上， 和/或可為被定位靠近離子釋放線路2604的多孔網(wǎng)2610。該系統(tǒng)的標(biāo)稱位移區(qū)域在飛船 2602的位移區(qū)域2612的前面，這推動圍繞飛船外圍的被增強的氣流。區(qū)域2612可通過添 加收集器表面，比如多孔網(wǎng)2610被增加。被調(diào)整的電力可沿著固定電纜2614返回大地，并 且可通過調(diào)節(jié)器2616被進一步調(diào)整至適合的線電壓和頻率。提升力可由翼2618取代，其 可改善系線電纜2604關(guān)于地的角度。如該實施方式中所示，翼2618形成輔助的收集器板 支撐系統(tǒng)的一部分。由離子發(fā)生器2604產(chǎn)生的負(fù)離子可被噴射入下游空氣以中和正離子。 因此，下游的反離子噴射可完成在一海拔高度上的電路而不是放置在地面上的電路。在一 個實施方式中，下游的反離子噴射系統(tǒng)是釋放電子的管道2620，所述電子中和正自由離子
192622。圖26B示出縮小尺寸的LTA飛船2602的側(cè)視圖。LTA/EHD系統(tǒng)可能能夠達到超過30，000英尺的高度，該高度高得足以在噴射氣流 以內(nèi)，并且利用其高風(fēng)速(120mph或更高)且恒定不變。例如，即使考慮到減少的空氣密 度，在理論上120mph的空氣流可產(chǎn)生近似每平方米24kW。為進行比較，在海平面的一般風(fēng) 速僅可產(chǎn)生每平方米0. 109kW。在不同實施方式中，基于LTA的EHD系統(tǒng)可與基于風(fēng)箏的系統(tǒng)結(jié)合。例如，基于風(fēng) 箏的系統(tǒng)可使用比空氣輕的部分以稍微產(chǎn)生正浮力。這樣一個系統(tǒng)可能更易于在靜止的低 水平風(fēng)中發(fā)射。LTA/EHD系統(tǒng)可具有比常規(guī)的高海拔風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(“WECS”)更少的重量。常規(guī)的 高海拔系統(tǒng)(比如僅有LTA的系統(tǒng)或僅有翼型的系統(tǒng))需要將渦輪機葉片(或等同物)、變 速箱、和發(fā)電機提升至所需高度，并且將電力發(fā)送回地。因為LTA/EHD系統(tǒng)可能不需要這些組 件中的一些或全部，它們的總重量可以低得多。此外，升力由僅有LTA的設(shè)備的浮力所固定， 并且系線關(guān)于地面的入射角度由升力與阻力的比例確定。此外，升力固定的LTA設(shè)備隨著風(fēng) 速增加而傾斜。僅有翼型的設(shè)備需要有限的風(fēng)力和明顯的速度以便從地面進行發(fā)射。圖27示出LTA/EHD系統(tǒng)2700的一個實施方式。常規(guī)形狀的LTA結(jié)構(gòu)2702與剛 性翼型2704組合。翼型2704具有高效設(shè)計的升力與阻力比率(“L/D”)特征。在LTA結(jié) 構(gòu)2702的下風(fēng)末端處是連接到變速箱2708的渦輪機葉片組2706，其通過內(nèi)部軸連通到結(jié) 構(gòu)2702上風(fēng)末端處的發(fā)電機2710。系統(tǒng)2700通過系線2714連接到地2712，系線還可以 在系統(tǒng)2700與地2712之間傳輸信號和電力。如所描繪的，渦輪機2706在LTA結(jié)構(gòu)2702的尾部。在其他實施方式中，單個或多 個渦輪機可被放置在沿LTA結(jié)構(gòu)2702主體的不同安裝點中的任何一個上。此外，能量提取的平面可通過從風(fēng)中提取能量的任何設(shè)備提供，并且可被類似地 放置在LTA結(jié)構(gòu)2702主體上的不同點上。例如，一個或多個WEC系統(tǒng)可被放置在LTA結(jié)構(gòu) 2702上以部署電場中的帶電水滴，并且將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)換成電能。較大的WEC系統(tǒng)可支撐多 個能量提取的平面。因為系統(tǒng)2700的浮力部分足以將系統(tǒng)2700提升至空氣中，系統(tǒng)2700可以零風(fēng)速 部署。在更高海拔高度處的風(fēng)很可能高于在地面處的風(fēng)，這不僅因為風(fēng)切變，而且還因為障 礙物比如樹木、山、和建筑物傾向于阻塞在地平面處的風(fēng)。一旦騰空，翼型2704可提供額外 的升力。圖28示出LTA系統(tǒng)2800 —部分切掉的視圖，其顯示了將變速器2708連接到發(fā)電 機2710的輕重量的軸2802。翼型2704具有促動裝置2804以調(diào)整關(guān)于風(fēng)的迎角2806。LTA 結(jié)構(gòu)2702具有以帶有襟翼2810的鰭狀物2808的形式的轉(zhuǎn)向裝置，其可允許可選地定位整 個設(shè)備。在操作期間，翼型2704的角度可被設(shè)置成提供關(guān)于給定風(fēng)條件的最佳升力量，同 時LTA2702上的轉(zhuǎn)向裝置提供所需定位。例如，較低風(fēng)速可能需要關(guān)于翼型2704更大的迎 角2806。湍流風(fēng)、在天然的或人造的結(jié)構(gòu)周圍的操作、和/或其他航空器的存在可能需要由 轉(zhuǎn)向裝置所促進的轉(zhuǎn)向和穩(wěn)定性?？刂票砻?810和翼型角度2806可由內(nèi)部引導(dǎo)系統(tǒng)2812 控制，或者通過控制線2814或無線裝置從地面手動地控制。在多單元的風(fēng)力發(fā)電場中，引 導(dǎo)系統(tǒng)2812可額外地與相鄰結(jié)構(gòu)2800協(xié)同工作。在這樣在一種情況下，結(jié)構(gòu)2800可被額 外地裝有彼此傳送空中位置的定位設(shè)備。在每個單元內(nèi)的引導(dǎo)系統(tǒng)2812可利用內(nèi)部控制
20裝置以關(guān)于彼此安全地定位多個單元2800，并且為整個系統(tǒng)提供被最大化的電力輸出額外 地提供定位。連接到在地2712上的線軸2818的絞盤2816可允許在惡劣天氣中拉入系統(tǒng) 2800，用于維護和/或設(shè)置到正確的操作海拔高度。在其他實施方式中，用帶有合適L/D比率的不同結(jié)構(gòu)中的任何一個代替翼型 2704，比如風(fēng)箏、滑翔傘、自膨脹軟翼型、可充氣翼、織物超輕翼、以及相似物。LTA結(jié)構(gòu)2702 本身還可類似于翼型被成形，并且可包括以下詳述的改善。圖29示出LTA系統(tǒng)2900與升力2901和阻力2903、2905之間的關(guān)系。升力與阻 力的比率基本上等于高度H8與距離D8的比率，所述系統(tǒng)2900在其系留點2902的下風(fēng)處。 系統(tǒng)2900在相同時間經(jīng)歷阻力和升力這兩者。當(dāng)直接面向風(fēng)時LTA結(jié)構(gòu)2904可以不提供 升力，例如，除非其具有一些類型的翼面形狀。此外，LTA結(jié)構(gòu)2904可導(dǎo)致在能量提取平面 內(nèi)和附近的明顯阻力。組合阻力可導(dǎo)致在風(fēng)速增加時系統(tǒng)2900傾斜。翼型2906具有依賴 于迎角2908的L/D比率，其可由系統(tǒng)2900控制。因此，當(dāng)風(fēng)速增加并且需要更多升力時， 翼型2906的迎角2908可被改變以補償被增加的阻力2903、2905。此外，LTA結(jié)構(gòu)2904的 角度本身可通過轉(zhuǎn)向元件改變，由此額外地補償風(fēng)感應(yīng)的阻力效果?？偠灾系南到y(tǒng) 被充分準(zhǔn)備以處理各種不同的風(fēng)速和不穩(wěn)定的效果，并且同時產(chǎn)生最大量的電能。為了優(yōu)化系統(tǒng)2900的安全性和穩(wěn)定性，并且最小化其勞動成本，系統(tǒng)2900可包括 連接到一個或多個控制計算機的不同的感測和反饋裝置。帶有對控制表面的反饋的慣性重 力系統(tǒng)可以能夠即使在湍流條件下維持操作的穩(wěn)定性。風(fēng)速指示器可確定用于安全操作的 界限，并且可自動地導(dǎo)致系統(tǒng)2900被絞動到達地面或以相類似的方式部署。系線2910可包含信號裝置，以使得可在地面與系統(tǒng)2900之間通信。這種通信可 允許手動操作定位、系統(tǒng)監(jiān)控和診斷、開啟、和關(guān)閉。系線2910可傳送來自系統(tǒng)2900的高電壓低電流電力。在地2912上的變壓器和 /或電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可將被捕獲的電力轉(zhuǎn)換成適合用于與地面負(fù)載或電力網(wǎng)連接的電壓、電 流、以及波形。因為系統(tǒng)2900沒有塔，其沒有顛倒力矩。用于基于地面的部署與可恢復(fù)的系統(tǒng) 的簡單連接點提供必要的基座。該基座可以是可移動的，這樣一個基座被安裝在交通工具 (例如，小艇)上，或者可被安裝到固定的、浮動的平臺上。錨連接裝置的優(yōu)勢在于，錨的深 度的重要性較弱，其僅僅受到錨線的可用長度和強度的限制。然而，現(xiàn)有的離岸風(fēng)能轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)是受深度限制的，這是因為它們必須提供水下基座以支撐比空氣重的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。圖30示出離岸設(shè)施3000的一個實施方式。在水3004之下的錨點3002保持安裝 浮標(biāo)3006不會遷移。不需要深的基座。當(dāng)使用陸上系統(tǒng)時，LTA系統(tǒng)3008可被拉入用于 維護?？蓸?gòu)造浮標(biāo)3006當(dāng)在惡劣天氣被拉入時提供對LTA系統(tǒng)3008的保護。常規(guī)的塔系統(tǒng)很沉重、難以運輸、安裝復(fù)雜且昂貴、并且對服務(wù)和維護來說不方便 且有些不安全。所有這些困難可使用系統(tǒng)3000來解決，因為其僅僅可被向下絞動至地面以 方便服務(wù)。另外，可利用內(nèi)部轉(zhuǎn)向裝置以產(chǎn)生一般為中性的浮力，使得浮標(biāo)3006僅具有在 系繩3010上的足夠張力以維持控制。本方法使得對于主動部署的機械需求以及系線3010 的收縮即使在特別的風(fēng)速下也保持在合理的范圍內(nèi)。系統(tǒng)3000的額外特征在于，通過沿系線3010與LTA系統(tǒng)3008通信，浮標(biāo)3006可 感測其在LTA系統(tǒng)3008的高度和穩(wěn)定性上的影響。因此，與自動收縮機制組合的浮標(biāo)3006可適當(dāng)?shù)胤懦龌蚴湛s系線3006，以便補償例如由海浪或潮汐所導(dǎo)致的運動。假設(shè)需要長時間將風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)保持在空中，以及存在提升空氣泄露出LTA體積 以外的趨勢，本發(fā)明實施方式的另一個目標(biāo)是通過提供現(xiàn)場制氣或通過從地面通過系線 3010供入氣體補償這種泄露。氦氣是有限的資源并且明顯有些昂貴。此外，沒有從大氣中 提取氦氣的便利裝置。最好是實現(xiàn)可用氫氣或者用氫氣和空氣的混合物填充的孤立的無人 操作風(fēng)能裝換系統(tǒng)。通過電離來自儲水供應(yīng)的水，可在機上產(chǎn)生氫氣?？晒┻x擇地，水可使 用小型的輕重量冷凝器從大氣中提取，并且隨后被冷凝的水可被電離成氫氣和氧氣。此處 所產(chǎn)生的氫氣可被用來填充LTA體積；氧氣則被舍棄。圖31A示出使用風(fēng)切變收獲風(fēng)能的EHD系統(tǒng)3100。風(fēng)切變被定義為風(fēng)的第一層具 有與相鄰的第二層不同的速度。系統(tǒng)3100利用在第一風(fēng)層3104中設(shè)置的空氣錨3102，該 空氣錨3102經(jīng)由線纜3106連接到在第二風(fēng)層3110中設(shè)置的LTA/EDA系統(tǒng)3108。在兩個 層3104、3110中的風(fēng)速被假設(shè)為是不同的。在一個實施方式中，第二風(fēng)層3110是噴射流。 可使用超過一個錨3102。風(fēng)切變區(qū)域3112可使得能夠使用空氣錨，因為較低的空氣比較 高的空氣慢得多。被捕獲的能量3114可使用微波發(fā)射器3116傳輸至地。錨3102和EHD/ LTA系統(tǒng)3108這兩者可生成電力，因為這兩者都關(guān)于其風(fēng)力資源移動。圖31B示出由大量移動性的EHD/LTA單元3100組成的大陸規(guī)模收集系統(tǒng)3150的 高海拔視圖。底特律和紐約被顯示用于確定比例。在高海拔的風(fēng)流3110 (比如噴射氣流) 中夾帶的單元2700沿風(fēng)流被運送直到其碰上適合的環(huán)回地點3118。這里，EHD/LTA系統(tǒng) 3100可離開噴射氣流3110并返回適當(dāng)?shù)娜肟诘攸c3120，借此可重復(fù)循環(huán)?？稍谶B續(xù)的環(huán) 中利用多個單元。為從出口地點3118到入口地點3120的EHD/LTA單元3100供電可通過若干裝置 中的任何一個實現(xiàn)。例如，其可能被飛行器拖走，或者其可能以推進器為動力。推進器可以 是螺旋槳、噴氣式發(fā)動機、或者甚至是離子驅(qū)動器。本發(fā)明的實施方式還包括基于水的能量系統(tǒng)。對要分離在功捕獲靜電場中帶電粒 子的工作流體的使用也可被應(yīng)用到更具粘性的流體比如水中。以與被附加到水滴大致相同 的方式，電荷可被附加到粒子。帶正電粒子將被吸引到其負(fù)源，而且工作流體會將其帶走。 這樣一個水電應(yīng)用包括用于產(chǎn)生正負(fù)電荷對的裝置，以及用于將一個電荷放置(或者其集 合)到一個載體上而同時留下其他電荷的裝置。當(dāng)載體上留住越多電荷時，會留下更多反 電荷。更多電荷聚集導(dǎo)致了越來越強的靜電場。為了提取能量，過量電荷通過負(fù)載流出。與 作為優(yōu)秀絕緣體的空氣不同，即使是帶有少量溶解固體或雜質(zhì)的水都具有相當(dāng)水平的導(dǎo)電 性。自由電荷將像電流通過電線一樣流過水。束縛于粒子的電荷能夠被電流帶走。因為帶電粒子能夠被完全地控制，甚至在比如未被提壩擋住的河流和溪流找到的 低壓頭可被用來推動電荷。帶有低壓頭的洋流、波浪、潮汐、和流也可被利用。無疑地，帶有 工作壓頭的流體系統(tǒng)也將是足夠的。已描述了本發(fā)明的某些實施方式，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言很明顯的是，可 使用并入了此處所描述概念的其他實施方式而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。相應(yīng)地，所描 述的實施方式在所有方面中被認(rèn)為僅為說明性而非限制性的，并且不同實施方式的各種結(jié) 構(gòu)和功能特點可被組合成不同的組合與排列。所有這些實施方式被認(rèn)為是本發(fā)明組成的一 些部分。
2權(quán)利要求
1.一種用于電-流體動力地從風(fēng)中提取能量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括上游收集器，其偏置在一電勢，所述電勢感應(yīng)一電場；噴射器，其用于將粒子引入所述電場，所述粒子上的風(fēng)拖曳力至少部分地被所述電場 在所述粒子上的力對抗；傳感器，其用于監(jiān)控周圍的大氣條件；以及控制器，其用于響應(yīng)所述大氣條件中的改變來改變所述系統(tǒng)的參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述粒子承載電荷。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述大氣條件是周圍的風(fēng)速、溫度、壓力、以及濕度 中的至少一個。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)的所述參數(shù)是粒子大小、每個粒子的電荷、 粒子流動速率、電勢、電場強度、以及在所述上游收集器與電接地之間的間距中的至少一 個。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括下游收集器。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述下游收集器大于所述上游收集器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述粒子是液體的液滴。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述液體的液滴包括固體粒子和低揮發(fā)性液體中的 至少一個。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述噴射器是電噴射器。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述電噴射器包括泰勒錐。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述噴射器包括MEMS設(shè)備、金屬針、塑料針、以及塑 料管中的至少一個。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述噴射器包括電介質(zhì)阻擋放電設(shè)備。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述粒子是離子。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于增加所述電場內(nèi)風(fēng)速的成形結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器實時地對所述大氣條件中的改變作出 反應(yīng)。
16.一種用于電-流體動力地從風(fēng)中提取能量的方法，所述方法包括以下步驟將上游收集器偏置在一電勢，所述電勢感應(yīng)一電場；將粒子噴射入所述電場，所述粒子上的風(fēng)拖曳力至少部分地被所述電場在所述粒子上 的力對抗；監(jiān)控周圍的大氣條件；以及響應(yīng)于所述大氣條件中的改變而改變與所述粒子和所述電場中至少一個相關(guān)的參數(shù)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述大氣條件是周圍的風(fēng)速、溫度、壓力、以及濕 度中的至少一個。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述參數(shù)是粒子大小、每個粒子的電荷、粒子流動 速率、電勢、電場強度、和所述上游收集器與電接地之間的間距中的至少一個。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括用下游收集器收集所述粒子。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中每個粒子是液體的液滴，并且所述噴射的步驟包 括用電噴射器噴射所述液滴。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述液體的液滴包括固體粒子和低揮發(fā)性液體中 的至少一個。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述噴射步驟還包括形成泰勒錐。
23.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括增加所述電場內(nèi)的風(fēng)速。
24.如權(quán)利要求16所述的方法，其中改變所述參數(shù)的步驟實時地發(fā)生。
全文摘要
一種用于電-流體動力地從風(fēng)中提取能量系統(tǒng)包括上游收集器，該上游收集器以一電勢偏置并感應(yīng)電場。噴射器將粒子引入該電場。粒子上的風(fēng)拖曳力則被粒子上的電場力至少部分地抵消。傳感器監(jiān)控周圍的大氣條件，并且控制器響應(yīng)大氣條件中的改變來改變所述噴射器的參數(shù)。
文檔編號H02N3/00GK102007680SQ200980110213
公開日2011年4月6日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者戴維德·卡梅因, 道恩·懷特 申請人:阿齊歐能源公司