浮力利用装置的制作方法

本发明涉及一种用于将浮力动能和/或势能转化为电能和/或机械能的装置、温度屏障装置、以及用于将热能转化为电能的方法。

背景技术：

1、现有技术中已知多种旨在利用至少一个通常中空的浮力体的浮力能的装置。这种装置也被称为浮力发电装置。

2、例如，de8510493u1公开了一种装置，其中球形浮力体交替地从填充有水的容器移动到填充有空气的容器。球形浮力体通过链条彼此连接。运动驱动与发电机相连的轮。这种系统的缺点是由于密封元件无法防止水溢出而造成不可避免的损失。

3、de2557746a1中公开了类似的原理。这里，浮力体被布置在传送带上，该传送带利用轮驱动发电机。为了使浮力体能够抵抗静水压力而进入填充有水的容器，该装置包括泵系统，该泵系统将水从集水容器泵入压力增大的加压水腔室。这种系统的缺点是泵系统消耗能量，从而使装置的效率最小。

4、de102016010718a1、de9300674u1、de202010011168u1、de102016009649a1、de102009037452a1、de4029150a1、de0022693a1、de2606160a1进一步描述了遵循相同操作原理的类似装置。所有这些装置都具有一个共同特点，即：浮力体通过元件(链条、绳索等)彼此机械联接。这导致安装在连接元件(链条、绳索、传送带等)上较靠后位置的浮力体的摩擦力/惯性力被传递到安装在较靠前位置的浮力体上，从而降低了效率。

5、wo2003058058a1/de202004009597u1公开了一种用于利用浮子的浮力能的装置。浮子附接到可旋转的运输装置上，并且围绕上和下转向点旋转。该装置还包括位于下部区域中的锁组件，该锁组件连接两个具有不同液位的池。浮子沿着链条运行，但是不清楚应如何引导链条通过锁以提供足够的密封。此外，操作锁需要能量，这降低了系统的效率。

6、de102017007471a1公开了一种用于利用填充有液体的容器中的浮力产生能量的装置，其中浮力体利用链条彼此连接，并且通过两个锁进行引导。这里，也不清楚应如何引导链条通过锁，其中锁的操作降低了装置的效率。

7、us20150267677a1描述了一种用于利用浮力和重力产生永久能量的装置。该装置使用彼此连接的填充有气体的浮力体。填充有气体的浮力体通过锁从下方进入填充有液体的空间，并且受到浮力作用。这里，填充有气体的浮力体也彼此连接，这导致了额外的摩擦损失，从而降低了装置的效率。

8、de9404819u1公开了一种利用浮力和重力提供能量的重力马达。动力活塞在管道系统内循环一圈，并且穿过两个旨在防止介质(空气、水)混合的锁。在一个示例性实施例中，动力活塞沿着引导轨道进行移动，然而，这些引导轨道在锁区域中被中断。除了操作锁之外，还必须消耗能量来移动可枢转的引导部件，使得锁区域中的引导轨道闭合。另一个缺点是，额外的机械部件(诸如可枢转的引导部件)会增加装置的机械易损性。

9、de102014000866a1公开了一种用于产生能量的可控浮力系统，在该系统中，可变容积的气密中空体(气球)通过环形牵引装置被连续引导通过液体容器。这些气球通过软管进行流体连通，从而当穿过压缩前一气球的区域时，气球中的气体成分会被压入后一气球中。这里，也具有浮力体彼此连接的缺点。此外，必须对浮力体进行机械压缩，这大大降低了效率。

10、浮力体彼此没有机械联接的装置也是已知的。例如，de102010015667a1、de102013009842a1、de102011003099a1和de102010051596a1公开了其中浮力体在管道或腔室系统中被引导的装置。然而，这里，其缺点是由于缺乏机械联接，浮力体必须被单独引导通过锁系统，这继而降低了效率。

11、de102006007738a1公开了一种用于将来自材料(浮力体)的动能转化为旋转能以驱动发电机的方法。这里，彼此没有连接的浮力体也被引导通过锁系统，该锁系统必须进行相应的控制，这就降低了效率。

12、kr1020020030848a公开了一种利用浮力和重力产生能量的装置。未彼此连接的浮力体被交替地引导通过具有不同密度的流体。密度较大并且因而较重的流体应在其重力下被推到较轻的流体上，以确保较轻的流体的液面高于较重的流体的液面。由于重力作用而下沉的浮力体将前面的浮力体推到较重的流体中，然后进入较轻的流体，浮力体在较轻的流体中由于浮力作用而向上漂浮。缺点是浮力体的运动不可避免地导致流体混合，从而降低效率。

13、此外，在现有技术中，提出利用毛细管作用以产生电能的公报也是已知的。例如，at520053a1和jps5813172a均描述了串联的槽和毛细管管道元件的系统，其中液体旨在借助毛细管作用从低处的槽输送到高处的槽。然而，这两个系统的缺点都是毛细管流动在上部槽中中断并且从而停止。

14、de10257375a1描述了一种同样利用毛细管力的系统，但是在该系统中，毛细管周围的元件被加热，以蒸发毛细管中的水。此外，水在进入毛细管之前被加热。该系统的缺点是毛细管内会形成气体，进而导致毛细管流动停止。此外，没有描述如何提供加热和蒸发所需的能量。

技术实现思路

1、技术问题

2、因此，本发明的任务是提供一种用于利用浮力能的浮力利用装置，该装置省去了浮力体的机械联接并且同时还省去了带有可动机械元件(例如翼板、门)的锁系统。该装置的效率应高于现有技术中已知的浮力发电装置的效率。

3、解决方案

4、根据独立权利要求的主题和方法解决了这一问题。在从属权利要求、描述和示例性实施例中可以找到更有利的实施例。

5、总体优势

6、由于根据本发明的浮力体彼此之间没有机械联接，因此下游连接元件和下游浮力体的任何摩擦力/惯性力都不会传递到上游连接元件和浮力体上，从而提高了效率。

7、此外，由于根据本发明的锁系统而无需连接元件。这总体上减少了部件的数量，从而减轻了重量并减少了磨损。

8、毛细管抽吸蒸发装置允许使用太阳能，本文公开的系统有利地使得毛细管流动不会中断。

9、更多有利之处请参见描述和示例性实施例。

10、本发明的描述

11、本发明包括一种浮力利用装置，其旨在使得浮力动能和势能可用。

12、能量通常被理解为是做功、放热或发光的能力。当要将某物设置成运动、加速、提升、加热或发光时，就需要能量。机械功(w)是力(f)与做功物体所行进的距离(s)的乘积。

13、因此，根据本发明，浮力动能被理解为是利用物体的静浮力进行机械功的能力。静浮力是对在液体或气体中的物体产生的与重力相反的力。静浮力是由周围介质的移位造成的。浮力的原因是静水压力取决于所考虑的位置的高度。作用在物体的底侧上的压力高于作用在其上侧上的压力。静浮力与流体的相应移位的重量相对应。这种关系被称为阿基米德原理。因此，浮力(fa)作用在浸没在具有密度(p)的流体中的物体上。浮力被计算为：由物体移位的流体的体积(v)、流体的密度(p)和重力加速度(g)的乘积。因此，可通过fa/g＝g*p*v来计算被移位的流体的重量(fg)和浮力(fa)。该公式表明，当流体密度较大并且当被物体移位的体积较大时，浮力较大。然而，物体的重量与浮力相反，从而要获得最大浮力，优选使用基本上中空的物体，使得物体的平均密度低于流体的平均密度。

14、势能或位能能够由于重力而在加速度的方向上做功。在地球引力场中，势能是物体因其高度而具有的能量。如果物体从20米的高度落下，则其能做的功是其从10米的高度落下所做功的两倍。在下落过程中，势能转化为动能或其他形式的能量并且减少。在水力发电设备中，储器中水的势能可以转化为电能。

15、根据本发明，物体的势能和/或浮力动能可以转化为电能和/或机械能。例如，可以利用浮力体的浮力或下落，通过机械联接使另一物体进行运动。因此，根据本发明的装置包括转换器，该转换器被配置为将浮力动能转换为机械能和/或电能。转换器可以设计成发电机，以提供电能。本领域技术人员已知将机械元件与发电机联接的各种实施例。

16、根据本发明，物体包括至少一个浮力体，该浮力体能够在流体中移动。流体可以是液体(例如水、油)或气体(例如空气、氢气、氦气)。

17、在这种情况下，空间被理解为是包含下文限定的介质的区域。空间可以是被限定的区域(例如容器)。空间也可以是未被限定的区域(例如海洋或湖泊等的湖泊系统)。

18、根据本发明的装置包括：填充有第一介质的至少一个第一空间，其中第一介质包括流体；以及填充有第二介质的至少一个第二空间，其中第二介质包括流体。在本发明的优选实施例中，第一介质的平均密度大于第二介质的平均密度，并且第二介质的平均密度小于浮力体的平均密度。

19、根据本发明的浮力利用装置的一个实施例，浮力利用装置的目的是利用浮力动能和势能并将浮力动能和势能转换为机械能和/或电能，其中该装置包括以下部件：填充有第一介质的第一空间；填充有第二介质的第二空间；至少一个浮力体；和周向引导件，其中至少一个浮力体的运动沿着周向引导件进行，其中第一介质的平均密度大于第二介质的平均密度，其中周向引导件穿过第一空间和第二空间，其中周向引导件包括环形轨道系统，其中第一空间和第二空间在至少一个点处通过锁系统彼此分离，其中锁系统具有永久性开口，其中锁系统的开口被设计成与浮力体的最小侧向横截面完全匹配。

20、特别是，本发明涉及一种浮力利用装置，其利用浮力动能和/或势能并将浮力动能和/或势能转化为机械能和/或电能，其中，该装置包括以下部件：填充有第一介质的第一空间；填充有第二介质的第二空间；至少一个浮力体；以及周向引导件，其中，至少一个浮力体的运动沿着周向引导件进行，其中周向引导件穿过第一空间和第二空间，其中周向引导件优选包括环形轨道系统，其中第一空间和第二空间在至少一个点处通过锁系统彼此分离，其中锁系统具有永久性开口，其中浮力体设计成使得其平均密度和其浮力如本文所述取决于温度，其中第一介质和第二介质的温度不同，其中该装置配置成使得外部能源引起第一空间和/或第二空间中的温度变化，其中第一介质布置在第一空间中并且第二介质布置在第二空间中。

21、在一个实施例中，第一介质的温度与第二介质的温度相差至少5k、优选至少10k、特别优选至少15k、非常特别优选至少20k、更优选至少25千卡、并且甚至更特别优选30k。

22、温度的变化可以通过向第一空间和/或第二空间供应热量或者从第一空间和/或第二空间消散热量来实现。温度的变化优选是由外部能源引起的。外部能源可以是消散热能的装置(例如燃烧系统、太阳能电池板)。地热处理也可以包括在能源中。

23、特别是，第一介质的平均密度也可以低于第二介质的平均密度，其中密度是由下文所述的热交换器引起的。例如，如果如下文指定的介质具有相同的化学结构，并且热交换器导致第一介质中温度的变化但不会导致第二介质中温度的变化，则第一介质的密度相对于第二介质降低。特别是，由于浮力体的配置而导致的第一空间和/或第二空间中的温度变化会引起浮力体的密度和浮力的变化，这具体取决于浮力体所处的空间。浮力体的平均密度和浮力取决于浮力体移动经过的空间。下文将对此进行详细说明。

24、根据特别优选的实施例，浮力体的平均密度会随着温度的升高而减小或增大。优选地，浮力体的平均密度会如本文所述减小。

25、在特别优选的实施例中，两个空间都包括周向引导件。这可以理解为是限制了浮力体在三维空间中的两个维度中的移动。特别优选的是，浮力体沿着环形轨道系统的移动和侧向延伸受到环形轨道系统的限制。

26、本质上，浮力体可以通过浮力远离地球中心移动，并且可以通过下落朝向地球中心移动。需要至少两个反向点使向上运动变为向下运动，即朝向地球中心运动，反之亦然，其中本发明包括上反向点和下反向点。根据本发明，浮力体的向上运动到浮力体的向下运动的变化发生在上反向点处。浮力体的向下运动到向上运动的变化发生在下反向点处。

27、根据一个实施例，环形轨道系统包括下反向点和上反向点。特别是，这些反向点中的至少一个、优选上反向点设计成使得可以在该点处中断或打开环形轨道系统。通过这种方式，可以有利地实现将浮力体从环形轨道系统移除或将浮力体嵌入环形轨道系统中。

28、装置的取向可以在笛卡尔坐标系中进行描述。负z轴指向地球中心，而正z轴则远离地球中心。术语“下部”或“下方”和“上部”或“上方”指的是物体在笛卡尔坐标系内的空间位置，其中下部位置比上部位置更接近地球中心。

29、周向引导件穿过第一空间和第二空间，并且包括环形轨道系统，该环形轨道系统设计成使得可以在其中引导至少一个浮力体。环形轨道系统可以设计成使得至少两个平行引导轨道平行于z轴延伸穿过第一空间和第二空间。在从第一空间到第二空间以及从第二空间到第一空间的过渡处，需要引导轨道的曲率，这也是该区域中的引导轨道不平行于z轴的原因。引导轨道的曲率必须设计成使得能够以最小的摩擦在引导轨道中引导浮力体。使用环形轨道系统的有利之处是，浮力体可以连续移动通过该环形轨道系统。此外，环形轨道系统无磨损，因为不涉及移动部件。

30、特别是，环形轨道系统设计成使得可以限制浮力体沿着环形轨道系统的运动的侧向延伸。以这种方式，可以有利地实现浮力体沿着限定的路径移动通过第一空间和第二空间。环形轨道系统可以设计成使得浮力体不沿直线移动通过第一空间和/或第二空间，而是例如沿着波浪状图案。以这种方式可以有利地实现浮力体在第一空间和/或第二空间中的停留时间的增加，以延长浮力体从第一介质和/或第二介质吸收热量和/或释放热量到第一介质和/或第二介质所花费的时间。

31、浮力体可以包括减摩元件，以使浮力体以最小摩擦在环形轨道系统内移动。例如，减摩元件可以由诸如聚四氟乙烯(ptfe)的低摩擦塑料制成。减摩元件与引导轨道接触，并且有利地使浮力体以最小摩擦滑动通过环形轨道系统。此外，环形轨道系统还可可以包括轮或滚子元件，该轮或滚子元件将中空体与环形轨道系统隔开并且减少摩擦。

32、第一空间和第二空间可以由至少一个附加的第三空间(也称过渡区域)彼此分离，其中第三空间包括锁系统。锁系统优选位于下反向点处。在本发明的一个实施例中，锁系统的开口被设计成与浮力体的最小侧向横截面完全匹配。

33、根据优选实施利，锁系统在第一空间和第二空间之间布置在下反向点处。锁系统也可以布置在上反向点处或上和下反向点处。可以以这种方式有利地实现在上反向点和下反向点处形成的下述的温度屏障，并且因此防止第一空间和第二空间中的介质温度均衡，这提高了装置的效率。

34、根据优选实施例，浮力体交替地从第一空间移动到第二空间，并且至少在第一空间和第二空间之间的过渡区域中移动通过锁系统，并且特别是移动通过由本文所述的锁系统所包围的开口。

35、根据一个实施例，锁系统被设计成使得浮力体可以连续移动通过该锁系统。连续移动有利地使浮力体不间断地移动通过锁系统，而无需使用诸如门锁之类的移动部件。

36、在本发明的另外实施例中，锁系统包括至少一个密封元件，该密封元件例如可以设计成唇形密封件。根据本发明，密封元件被设计成与浮力体的最小侧向横截面完全匹配，从而其可以完全穿过浮力体。如果浮力体为圆柱形的，则最小侧向横截面与圆柱的侧向表面垂直。如果浮力体为球形的，则最小侧向横截面与球形的最大直径(或大圆)相对应。

37、“完全匹配”被理解为是指浮力体可以不受阻碍地移动通过锁，而且有利的是浮力体不会卡在锁内。

38、数个密封元件也可以串联连接。本领域技术人员在选择密封元件的数量、它们的尺寸和其材料时，应能够确保浮力体以低摩擦移动通过这些密封元件。

39、根据本发明，环形轨道系统在物理意义上被至少一个密封元件中断。然而，由于引导轨道也布置在密封元件之间，并且浮力体通过引导轨道进行连续运动，因此，虽然术语“非连续轨道系统”更为恰当，但是仍应继续称之为环形轨道系统。

40、与现有技术中描述的系统不同，锁系统具有永久性开口，这意味着第一空间和第二空间没有被带有闸门或翼板的锁系统分开。永久性开口和不使用带有可动机械部件的锁系统有利地使本发明的装置以低磨损操作。此外，打开或关闭锁不需要消耗能量。

41、为了使浮力体在流体内上升，其平均比密度必须低于浮力体周围的流体的平均比密度。浮力体优选设计成中空体，其中中空体的材料包括金属(例如铝、不锈钢)、优选热塑性材料(诸如聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe))、玻璃、有机材料(例如木材)、或半合成塑料。此外，中空体的材料还可以包括玻璃纤维增强塑料(gfrp)。

42、浮力体优选设计成使得其易于吸收和释放热能。

43、在一个实施例中，浮力体的平均密度和因此其浮力取决于温度的变化。为此，浮力体包括温度可变介质和/或其空间膨胀取决于温度的变化的技术元件。浮力体的体积、平均密度以及因此浮力都会受到空间膨胀的变化的影响。根据本发明，“温度的变化”被理解为是指温度的降低并且优选是温度的升高。

44、中空体的内部可以包括气体和/或聚合物作为温度可变介质，其膨胀会影响中空体的平均密度。例如，可以使用根据流体的温度改变其膨胀的气体。中空体可以至少部分是柔性的，从而气体的膨胀会导致浮力体的体积并且因此其浮力的增大。

45、特别是，浮力体的平均密度会受到气体和/或聚合物的膨胀的影响，其中气体和/或聚合物的膨胀取决于第一空间和/或第二空间中温度的变化。温度的变化会导致第一空间或第二空间中包含的介质变冷或优选变热。因此，浮力体可以在较热的空间中吸收热量，并且在较冷的空间中再次释放热量。减小的浮力容器体积可以减小浮力，并且增大的体积可以增大浮力。这里应该理解的是，包含较热介质的空间也可称为“热空间”。

46、根据有利的设计，浮力体在较热的空间中向下移动，因为其体积会随热量减少。因此通过浮力体周围较热的介质并且浮力体的较小体积能够减小浮力。这导致向下的重量大于浮力。这样做的有利之处是可以支持浮力体的向下运动。在较冷空间中较大的浮力体体积支持向上运动，反之亦然。

47、优选实施例提供了浮力体在受热时膨胀并且在较热空间中向上运动。优选地，形成浮力体的材料选择为使得由于浮力体体积较大所带来的浮力的增加超过较热介质所带来的浮力减小的影响。

48、在一个实施例中，浮力体被设计成中空体，在中空体的中心布置有至少一个提升缸，该提升缸包括中空体的内部。提升缸可以在提升缸的纵向轴线的方向上相对于中空体前后移动，其中移动是由所述内部中包含的温度可变介质随温度变化膨胀而引起的。如果锁系统的开口与浮力体的最小侧向横截面完全匹配，则浮力体的这种实施例可以使浮力体精确地移动通过锁系统。例如，中空体的形状可以是圆柱形的，其中锁系统的开口的直径恰好对应于中空体的外径。这样有利地实现了提升缸的前后运动，而不受锁系统的开口的尺寸的限制。换句话说，提升缸的运动平行于浮力体通过环形轨道系统的运动。

49、通过精确地设计锁系统的开口，可以有利地实现锁系统与浮力体一起形成屏障，从而防止第一空间和第二空间的介质混合。特别是，这种功能性连接可以形成温度屏障，以防止第一空间和第二空间中包含的介质的温度均衡。优选地，浮力体至少部分地由其形成的材料包括导热性差的材料或隔热材料(导热系数如下文所定义)，诸如本文限定的塑料或木材。

50、不言而喻，如果浮力体要在温度屏障内起隔热元件的作用，则其一方面必须被设计成使得其能防止热量从较热空间传递到较冷空间，并且另一方面必须被设计成使得其能够在短时间内(例如5分钟内)吸收或释放热能，以改变其平均密度，如本文所述。例如，这能够通过将浮力体的形状制成圆柱形来实现，其中圆柱的端面由导热性较差的材料形成，而圆柱的侧表面由导热性较好的材料形成，并且导热系数至少为20wm-1k-1、优选至少为50wm-1k-1、特别优选至少为100wm-1k-1、非常特别优选至少为200wm-1k-1、更优选至少为300wm-1k-1、并且甚至更特别优选至少为400wm-1k-1。例如，圆柱的侧表面可以包括铜，铜是一种导热性能良好的材料。使用铜是特别有利的，因为它是一种常见的廉价材料。

51、因此，温度屏障的目的是使第一空间和第二空间彼此热解耦，特别是使第一介质和第二介质彼此热解耦。特别是，如果第一介质和第二介质的化学性质相同，则锁系统或温度屏障可以设计成使得较小的泄漏、即第一介质到第二介质的转移或第二介质到第一介质的转移是可能的。必须注意确保泄漏仅大至足以使得该装置的效率仅受到介质转移、特别是介质的热交换的微小影响或降低，从而使这优选地使得温度的变化优选小于每小时1k、特别优选小于每小时0.5k、并且非常特别优选小于每小时0.1k。因此，根据本发明的热解耦不应被理解为是绝对的，而是热解耦造成的第一介质与第二介质的隔热主要取决于浮力体和锁系统之间的间隙有多大。浮力体和锁系统之间的间隙的面积优选为锁系统的开口的面积的最大5％、优选最大2％、特别是优选最大1％。间隙面积较小的优势是其可以减少介质之间的彼此泄漏并且更好地增强热解耦。

52、此外，平衡第一空间和第二空间的填充水平进一步防止介质彼此转变。

53、当然，环形轨道系统的材料至少在锁周围的区域中还应包括导热性较差的材料，导热系数优选不超过1wm-1k-1、优选不超过0.5wm-1k-1、并且特别优选不超过0.01wm-1k-1(例如陶瓷，特别是涂覆有减摩元件的陶瓷，或塑料)，以防止热量通过环形轨道系统从第一空间传递到第二空间，或者反之亦然从第二空间传递到第一空间。

54、特别是，本发明包括一种温度屏障装置，该温度屏障装置用于将第一空间与第二空间热解耦，或者用于将第一介质与第二介质热解耦，其中该装置包括锁系统和浮力体，其中锁系统和浮力体在功能上连接，使得第一介质不能交叉进入第二介质，反之亦然。这里，防止这种交叉并不被认为是绝对的概念。本领域技术人员优选选择浮力体和锁系统之间的间隙，从而一方面仅允许少量介质交叉进入另一介质，并且另一方面又不会对浮力体的运动产生显著影响。因此，本领域技术人员必须将温度屏障装置设计成确保浮力体以最小的摩擦并且最少的介质交叉滑动穿过锁系统。

55、本发明还包括一种温度屏障装置，该温度屏障装置用于将第一空间与第二空间热解耦或用于将第一介质与第二介质热解耦，其中该装置包括具有至少一个开口的锁系统和浮力体，其中锁系统和浮力体被设计成使得浮力体可以穿过锁系统的开口，其中与浮力体接触的至少一个密封元件(优选与浮力体完全匹配)布置在锁系统的开口处，以防止第一介质交叉进入第二介质，反之亦然，和/或以防止第一介质与第二介质之间的温度交换。如上所述，浮力体优选配置成使得其在从第一空间到第二空间或从第二空间到第一空间的方向上隔热，由此防止热量从较热的介质传递到较冷的介质。在进一步的改进中，浮力体配置成除了在空间或介质之间提供隔热之外，还能够有效地吸热。

56、从第一空间到第二空间或从第二空间到第一空间的方向应理解为是从较热介质到较冷介质的吸热的方向。

57、锁系统的开口如本文所述可以设计成使得该开口与浮力体完全匹配，或如上文所述设计间隙。

58、如果锁系统被设计成使得其例如使用柔性唇柔性地靠在浮力体上，则能特别有效地防止介质交叉。此外，锁系统优选设计成使得密封元件还至少部分地由导热性能较差的材料(例如塑料)制成。

59、还可以想到，中空体的内部包括热敏聚合物作为技术元件，这种聚合物根据流体的温度改变其体积。也可以想到形状记忆聚合物，以影响浮力体的体积。例如，在暴露于温度时可恢复到其原来形状的形状记忆聚合物(例如聚乳酸)对于本领域的技术人员来说是已知的。例如，可以将浮力体设计成使得在其内部在两个相对壁之间布置弹簧元件或气动元件，并且弹簧元件或气动元件将两个相对壁和形状记忆聚合物元件推开，以增大浮力体的体积。在温度影响下会收缩的形状记忆聚合物元件可以平行于弹簧纵长布置，并且抵消弹簧的向外力，以减小浮力体的体积并且因此减小比浮力。另选地，也可以在中空体的内部设计发泡形状记忆聚合物，以根据温度改变浮力体的平均密度。

60、在另选的实施例中，浮力体包括至少一个由形状记忆金属制成的元件。形状记忆金属的材料例如包括镍钛诺。例如，可以将形状记忆金属设计成螺旋形，并且如上所述布置成使得其与浮力体内的弹簧元件或气动元件进行功能连接，从而当浮力体升温时，由形状记忆金属制成的螺旋就会收缩，抵消弹簧元件或气动元件的力，并且从而减小浮力体的体积。使用形状记忆金属有利地导致浮力体在磨损强度较小的情况下使用。

61、还能够想到将其中由形状记忆金属制成的至少一个元件和由形状记忆聚合物制成的至少一个元件结合的实施例。

62、在另外的实施例中，由形状记忆聚合物制成的聚合物网包裹浮力体。浮力体可以包含气体，这种气体将浮力体的壁向外推动，这取决于温度或与温度无关。当温度升高时，聚合物网可能会收缩，并且减少浮力体的体积，从而降低其平均密度。为了将聚合物网与周围流体分离，可以利用另外的柔性层将其密封，或者用护套将其与周围流体分开。这样做的优势是可以更快地加热或冷却聚合物网。

63、此外，还可以想到根据光改变其形状的形状记忆聚合物。例如，从现有技术中已知依赖光的聚合物，其通过暴露于光而发生电离，从而产生内部渗透压力，该压力使聚合物膨胀。一旦停止光照，则凝胶就会塌陷。特别是在使用依赖光的聚合物的实施例中，有利的是，浮力体包括玻璃或其他透明材料，使得光可以穿透浮力体的外壁，以到达浮力体后面的依赖光的聚合物。

64、还可以想到将上述所有实施例进行组合。例如，在一个实施例中，外部聚合物网可以与位于浮力体内的弹簧元件和/或形状记忆金属元件和/或形状记忆聚合物元件相结合。在另外的实施例中，可以使用随温度升高而膨胀的形状记忆聚合物。

65、为了使浮力体的体积随温度变化而变化，浮力体暴露于第一空间中的温度必须与在第二空间中的温度不同。本领域技术人员可以根据浮力体所用的材料、特别是形状记忆金属或形状记忆聚合物确定必要的温度差，并且例如通过热交换器或加热元件来提供该温度差。在这方面，所提供的热能可以转化为浮力能，并且因此转化为机械能和/或电能。特别是，热交换器可以利用外部能源来提供加热第一空间和/或第二空间所需的热量。

66、由于对于上述形状记忆聚合物或形状记忆金属的功能来说，即使第一空间和第二空间之间的温度差很小也已足够，因此浮力利用装置可以在低热能输入的情况下操作。这样做的优势是可以利用仅有少量热量输出的过程来产生温度变化。例如，能够想到将生物过程(如沼气设备中的发酵过程)产生的废热至少馈送到第一空间和/或第二空间中，以改变其中的温度。沼气设备通常在嗜中性(20-45℃)或嗜热性(>50℃)范围内操作。另选地，燃烧过程中产生的废热也可以操作根据本发明的装置。

67、根据一个实施例，浮力体包括至少一个构型，该构型配置为接合在引导轨道中以稳定浮力体。该构型可以包括如上所述的减摩元件。

68、根据一个实施例，浮力体的面向第一介质和/或第二介质的表面包括构型。特别是，浮力体的面向第一介质和/或第二介质的表面被设计成具有构型，这使得环形轨道系统可以被连续地引导通过锁系统的开口，由此无需中断环形轨道系统。

69、浮力体的形状可以是基本上圆柱形、椭圆形、圆锥形、球形、梨形和/或流线型，其中因此也可以想到是它们的组合。由于浮力体在第一空间和/或第二空间中的至少一个空间中在平均密度大于浮力体的平均密度的流体中移动，因此浮力体的流线型形状是优选的。此外，作用在浮力体的下侧上的静水压力比作用在上侧上的静水压力高，这也是浮力体产生浮力的原因。因此，浮力体优选呈基本上圆锥形。本领域技术人员可以根据所使用的流体和材料来选择浮力体的具体形状和大小。

70、在一个实施例中，浮力体的特别是在第二空间中的运动会受到重力的影响。这应该理解为是指，浮力体在第一空间中由于在其中所包含的流体中的浮力而抵抗重力向上移动。在浮力体经过反向点之后，其进入第二空间，在第二空间中，流体的平均密度低于浮力体的平均密度。因此，浮力体在第二空间中可以跟随重力(也可以说：受到重力影响)，并且如上所述通过借助转换器将势能转换为电能或机械能而沿着行进的距离做功。

71、在另外的实施例中，浮力体包括至少一个磁性元件，其中至少一个线圈沿着环形轨道系统围绕该环形轨道系统布置。因此，在浮力和下降过程中，浮力体都会移动穿过线圈，并且能够在其中感应出可以被拾取的电流。

72、根据一个特别优选的实施例，该装置包括热交换器和/或加热元件，以至少在第一空间和/或第二空间中引起温度变化。热交换器优选仅使得其中一个空间(例如第一空间)中的温度变化。这种温度变化、优选温度升高会导致浮力体的温度升高，并且因此降低浮力体的平均密度，从而产生比未加热的浮力体更大的浮力。然后，加热的浮力体在加热空间内上升，直到其在上反向点处返回到第二空间。第二空间中的温度优选低于第一空间中的温度，结果是浮力体的平均密度再次发生变化，并且该浮力体下沉，直到其到达下反向点，再次暴露在第一空间的升高的温度下，并且过程重复进行。

73、由热交换器或加热元件造成的温度变化优选发生在下反转点或上反转点附近和/或浮力体附近，其中热交换器或加热元件距浮力体的位置和距离可以由本领域技术人员确定。位置和距离应被选择为使得能最有效地改变浮力体的温度，同时确保第一空间或第二空间中的温度变化不会引起或仅轻微引起第二空间或第一空间中的温度变化，这取决于热交换器所处的空间。不言而喻，第一空间和/或第二空间必须包括隔热元件，以将温度变化限制在特定范围内。

74、为了引起第一空间或第二空间中的温度变化，本发明的一个实施例包括热交换器，该热交换器包括初级回路和次级回路，其中这两个回路彼此不流体连通。热交换器可以布置在第一空间内，其中次级回路包括第一空间的介质，而热交换器的初级回路则携带第三介质/流体，该第三介质/流体携带生热生物过程(例如发酵)和/或物理过程(例如太阳热)和/或化学过程(例如燃烧)的废热。在另选的实施例中，热交换器也可以布置在第二空间中。此外，可以想到，热交换器通过使其初级回路携带比浮力体温度低的流体，来使第一空间和/或第二空间中的温度降低。

75、根据一个实施例，初级回路包括温度高于第一空间的第一介质的第三介质，其中第三介质不能与第一介质进行流体连通。第三介质可以是沸点至少是第一介质或第二介质的沸点的两倍高的流体。例如，第三介质可以是液态盐。使用第三介质有利地允许更有效地加热第一介质和/或第二介质。

76、在本发明的一个实施例中，省略了热交换器，其中空间中的至少一个设计成使得可以利用不同温度的介质来取代第一介质和/或第二介质。例如，可以想到替代热交换器，使第一介质和/或第二介质穿过第一空间和/或第二空间，优选的是使第一介质经过通道通过第一空间。第一介质和/或第二介质从外部供应，即从第一和/或第二空间的外部供应，并且还排回到外部。因此，可以有利地省略热交换器的构造。经过通道通过的第一介质或第二介质可以是例如来自冷却回路的水或用于消散废热的水。

77、在一个实施例中，第一介质由地热过程加热并且被馈送到第一空间中，以加热该空间中的浮力体，而比第一介质冷、优选比第一介质冷至少20k、特别优选冷至少30k、并且非常特别优选冷至少40k的第二介质被馈送通过第二空间，以冷却该第二空间中的浮力体。在另外的实施例中，该装置设计成使得第二介质在穿过第二空间之后被馈送到用于(例如通过地热过程)加热第二介质的装置中，然后将第二介质馈送到第一空间中，该第二介质在第一空间中将热能传递给浮力体。

78、根据有利实施例，热交换器还携带第三介质，该第三介质被设计为冷却剂，以降低第一空间和/或第二空间中的温度。另选地，冷却剂也可以流经第一空间和/或第二空间，优选仅流经这两个空间中的一个空间，从而冷却位于该空间中的浮力体。

79、在本发明的一个实施例中，第一介质和第二介质具有相同的化学结构。例如，第一空间和第二空间可以包含水或油。浮力体可以移动通过这两个空间，其中过渡区域也与第一空间和第二空间流体连通。可以在第一空间和第二空间之间布置锁系统，该锁系统防止或阻碍热量从第一空间扩散到第二空间。这样做的优势是，浮力体仅暴露在指定空间中的最大温度变化，以影响浮力体的体积并且因此影响浮力体的浮力。在另选的实施例中，可以省略锁系统。

80、在另外的实施例中，热交换器的初级回路(即第三介质)携带来自太阳能电池板或上述其他废热产生过程的废热，其中第三介质的温度是可变的。

81、本发明涉及一种使用浮力利用装置的方法，该方法包括通过浮力在第一空间中移动浮力体并且通过重力在第二空间中移动浮力体，其中浮力体的移动沿着环形轨道系统进行。

82、特别是，本发明涉及一种用于操作浮力利用装置并且将热能转换为电能和/或机械能的方法，其中该方法提供了第一空间和第二空间以及至少一个浮力体、第一介质和第二介质、热交换器、环形轨道系统、和转换器，该转换器被配置为将浮力体的动能转换为电能。该方法包括将由热交换器引入第一空间和/或第二空间中的热能转换为电能。这通过借助如上所述的热能输入影响浮力体的平均密度来实现。

83、此外，本发明还涉及一种用于操作浮力利用装置并且用于将热能转换为电能的方法，该方法包括以下步骤：提供第一空间和第二空间以及至少一个浮力体、第一介质和第二介质、热交换器、环形轨道系统、和转换器，该转换器被配置为将由浮力体的浮力引起的浮力体的动能转换为电能，其中浮力体的运动沿着环形轨道系统进行，其中到第一空间和/或第二空间中的热能输入由热交换器提供，其中所述浮力体的平均密度如本文所述受热能输入的影响。

84、此外，本发明还涉及一种用于将热能转换为电能的方法，并且包括提供本文所限定的浮力利用装置和转换器，该转换器被配置为将浮力体的动能、特别是由于浮力体的浮力引起的运动所产生的动能转换为电能，其中浮力体的运动、特别是由环形轨道系统引导的运动沿着环形轨道系统进行，其中第一空间和第二空间之间的温度差由热交换器引起，其中浮力体的平均密度和浮力因温度差而增大或减小，其中浮力体根据其平均密度在第一空间和第二空间中进行运动、优选是沿着环形轨道系统进行运动，其中该运动由转换器转换为电能。

85、热能优选输入到第一空间中。然而，热能也可以输入第二空间中，而不是第一空间中。由于至少一种介质(优选仅一种介质，即第一介质或第二介质，更优选是第一介质)中的热能输入，因此浮力体被加热，并且从而改变其平均密度，如本文所述。浮力体交替地从第一空间移动到第二空间，其中空间之间的温度差、特别是空间中所包含的介质之间的温度差至少大于5k、优选大于10k、特别优选大于20k、非常特别优选大于30k并且更优选大于40k。较大的温度差有利于更有效地冷却或加热浮力体。

86、在该方法的一个实施例中，输入第一和/或第二空间中的热能由地热过程和/或太阳热过程和/或废热产生过程或本文所述的其他过程提供。

87、本发明还涉及一种用于利用毛细管上升提供流体的势能并且将该势能转换为电能的毛细管抽吸蒸发装置。

88、特别是，本发明涉及一种用于利用流体的毛细管上升并且用于将势能转换为电能的毛细管抽吸蒸发装置，其中流体可以从至少一个毛细管内的下部容器逆着重力方向在上部容器的方向上输送，其中在输送已经发生之后，流体能够在上部容器中转化为气相，其中流体在上部容器中从气相进行冷凝，并且其中冷凝后的流体从上部容器落入下部容器中。

89、本发明还特别地涉及一种用于利用流体的毛细管上升并且用于将势能转化为电能的毛细管抽吸蒸发装置，其中流体可以从至少一个毛细管内的下部容器逆着重力方向在上部容器的方向上输送，其中在输送已经完成之后，流体能够在上部容器中转化为气相，其中流体在上部容器中从气相进行冷凝并且其中冷凝后的流体从上部容器落入下部容器中，其中上部容器被布置和设计成使得其被设置成接收电磁辐射，这提供使流体蒸发所需的能量。

90、使流体蒸发所需的能量可以由太阳辐射、特别是红外线辐射提供。

91、流体的上升会使其上升到更高的高度，从而获得更多的势能，这些势能可以通过转换器转换成可用的电能。蒸发流体所需的能量优选由太阳辐射(例如可见光、红外线辐射)提供。

92、优选使用在低温下(例如温度<30℃、优选温度<50℃、特别优选温度<80℃、更优选温度<110℃)已经转变为气相的流体。使用沸点较低的流体的优势是，与沸点较高的流体相比，蒸发所需的能量可以更低。

93、当液体润湿毛细管容器(又称毛细管)的材料时，就会发生毛细管上升。例如，水在玻璃管中上升并且形成凹入表面(半月板)。这种现象是由于两种物质之间的粘附力造成的。毛细管上升可以用于将流体输送到更高的位置(相对于到地球中心的距离)，从而使流体获得更高的势能，该势能可以用于转换为电能。

94、在本发明的一个实施例中，该装置包括毛细管束，该毛细管束优选包括超过一个毛细管、特别优选超过50个、并且非常特别优选超过100个的毛细管。本领域技术人员可以确定毛细管的直径。毛细管的内径越小，流体的毛细管上升高度就越高。

95、流体包括能够在能量输入下蒸发的液体。在一个实施例中，流体包括极性化合物(例如水)。这样做的优势是增加了流体的上升高度，因为极性液体对毛细管壁的粘附力增强。

96、在优选实施例中，流体通过毛细管或毛细管束从下部容器逆着重力的方向上升到上部容器中。因此，两个容器彼此流体连通。在上部容器内，流体可以转化为气相。应注意的是，可以选择另一种沸点比水低的流体来代替水。这样做的优势是，将流体蒸发以将其转化为气相所需的热能较少。

97、上部容器设计成使得将气相流体保持在其中并在其中冷凝。根据成核过程的类型，可以区分出两种基本的冷凝类型。在每种情况下，条件都是气相相对于冷凝成分而言过饱和。如果单独气体颗粒当它们在气体中相遇时结合在一起，这被称为同相冷凝。这需要足够慢的颗粒聚集在一起以形成更大的结构，而不需要界面的参与。相比之下，异相冷凝仅需要很低的过饱和度。这种形式的冷凝发生在现有的表面上，即通常发生在悬浮在气相中的固体颗粒、冷凝核或气溶胶颗粒上。这些颗粒就像一种与相应气体有关的颗粒捕集器，其中颗粒的半径和化学性质基本上确定了气体颗粒对其的粘附程度。这也同样适用于无颗粒体的表面，在这种情况下称为雾化。

98、因此，在本发明的一个实施例中，上部容器包括至少一个冷凝元件，在最简单的情况下，该冷凝元件是上部容器的与流体的气相接触的壁。在另外的实施例中，壁上全部或部分地设置或涂覆有一种结构，这种结构有利于改善气态流体的冷凝。

99、在冷凝发生之后，流体可以从上部容器回到下部容器，其中该过程是由于重力作用而发生的并且因此可以被描述为下落过程。在下落过程中，势能可以通过转换器转换成电能。

100、在一个实施例中，转换器包括至少一个、优选是超过一个摩擦电元件。摩擦电元件利用流体在表面上的运动产生静电荷的物理效应。例如，摩擦电元件包括一层半导体氧化铟锡(ito)，在该层上涂有电绝缘聚合物聚四氟乙烯(ptfe)。ptfe是一种所谓的驻极体，其可以储存电荷或例如通过摩擦积聚电荷。一小块铝连接两个层并且作为电极。如果水滴落在ptfe层上，则水滴会在拒水的ptfe表面上扩散，并且通过电化学作用在那里产生电荷，其中表面上的电荷随着水滴的数量的增加而增加。然后可以利用电荷产生电流。

101、在另一个实施例中，流体包括去离子液体(例如无盐水)，以通过摩擦电元件有利地改善电流的产生，因为流体中含有的盐会对摩擦电元件的效率产生负面影响。

102、在优选实施例中，布置在上部容器中的毛细管上端被设计成平坦元件(也称人工叶片)，其中该平坦元件被设计成使得上部容器的内部通过气孔与毛细管内部流体连通。例如，这可以通过细孔来实现。因此，流体可以穿过气孔而从毛细管进入上部容器中。气孔的设计是任意的。例如，可以想到在平坦元件内布置的细长凹部或圆形或矩形孔。孔或凹部的大小可以变化。例如，间隙开口的直径可以在5μm和2cm之间。直径取决于平坦元件的设计和空间取向。例如，如果这是竖直取向，则小于100μm的气孔是有利的，以实现足够高的流体表面张力，使得其不会因重力而穿过气孔。然而，这也取决于所使用的材料。本领域技术人员将决定如何设计平坦元件和气孔以达到所述效果。

103、在一个实施例中，平坦元件包括吸热和/或吸光涂层和/或由吸热和/或吸光材料制成。这样做的优势是，入射到涂层或材料上的光、例如太阳光可以尽可能有效地转化为热能，从而使流体在平坦元件的表面上蒸发。

104、上部容器设计成流体密闭的，使得流体优选不会以气态或液态逸出。然而，上部容器包括至少一个开口，该开口允许流体以受控方式从上部容器逸出。上部容器可以进一步包括气体腔室，气体腔室的内容物不与气态流体流体连通。在一个实施例中，气体空间填充有载气(例如诸如氦气的惰性气体)，这样可以使得上部容器在大气内的浮力增加。

105、不言而喻，上部容器和/或气体腔室的壁由对电磁波谱透明的材料制成。

106、理想情况下，选择透明材料，该透明材料对阳光、尤其是红外线辐射的屏蔽率应小于30％、优选小于20％、尤其优选小于10％并且特别优选小于5％。

107、透明材料的透明度还能改善上部容器内的温度发展，并且因此更有效地蒸发流体。这是由于所谓的温室效应，其也可以在温室中观察到。

108、毛细管或毛细管束可以包括非柔性的元件，这意味着该元件不能弯曲或着仅能以非常有限的程度弯曲。在另选实施例中，毛细管或毛细管束包括柔性元件(例如纺织品)。在优选实施例中，毛细管的材料包括塑料，其中本领域技术人员可以从适合产生流体的上升高度尽可能最高的毛细管的各种塑料中选择。本领域技术人员可以自由选择毛细管的内径。然而，优选的是允许流体的毛细管上升尽可能最高的内径。

109、柔性毛细管或柔性毛细管束可以使装置具有提高的机械稳定性。此外，相关联的柔性还可以用于提供额外的电能。

110、在一个实施例中，至少一个毛细管或毛细管束布置在柔性的包络通道中，该通道将上部容器连接到下部容器，并且能够使冷凝流体从上部容器返回到下部容器。柔性通道可以包括摩擦电元件。

111、此外，柔性通道或毛细管束可以包括至少一个压电元件。例如，压电元件可以包括与柔性通道平行布置的柔性纤维。该纤维可以包括塑料和金属化合物(例如聚酰亚胺和氧化锌)。使柔性纤维伸展可以产生电流。因此，可以想到，上部容器包括载气，该载气使上部容器具有正浮力，并且还支撑毛细管束或柔性通道。风运动会使柔性通道或毛细管束及其上布置的压电纤维伸展，从而产生电流。

112、还可以想到将平坦元件设计成催化元件，从而流体(如果其是水)在太阳辐射的作用下会分成氢气和氧气，其中氢气可以用作载气。这样做的优势是，当受到太阳辐射时，载气会持续产生。氢气和氧气可以分别从上部容器中排出，这意味着该装置可以用于产生作为能源的氢气。

113、平坦元件也可以称为太阳能收集器蒸发器模块。其功能是通过太阳发出辐射蒸发流体，从而支持尚未蒸发的流体的毛细管上升。

114、本发明还涉及一种用于操作毛细管抽吸蒸发装置的方法，并且特别是一种用于提供电能的方法，该方法包括：通过毛细管上升将流体从下部容器移动到上部容器中；通过太阳发出的辐射(例如可见光、红外线辐射)使上部容器中的流体蒸发；冷凝上部容器内的流体；通过重力将冷凝的流体从上部容器移出，其中流体的蒸发是通过太阳能在平坦元件处进行的，其中冷凝的流体可以操作至少一个转换器以提供电能。

115、最后，应注意的是，在申请文件中并且特别是在从属权利要求中提及的所有特征尽管在形式上引用了一个或多个具体权利要求，但是也应单独或以任何组合形式获得独立保护。

116、本发明的更多优点、特征和潜在应用也将从以下对示例性实施例和附图的描述中变得显而易见。所有描述和/或示出的特征都构成了本发明的目的，无论是单独还是任意组合，甚至是独立于它们在权利要求书或其参考中的概述。