CN101223319A - 利用水流例如潮汐、河流等发电的装置 - Google Patents

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Abstract

一种水流发电装置，该装置包括机架、第一涡轮和第二涡轮，其中机架具有进水口和出水口，第一涡轮固定在机架上，以绕着基本垂直的轴进行旋转，第一涡轮具有涡轮轴、一套立式叶片以及叶片角控制机构，而第二涡轮固定在与第一涡轮相邻的机架上，以绕着基本垂直的轴进行旋转，第二涡轮具有涡轮轴、一套立式叶片以及叶片角控制机构，机架适合于固定在水体内部，并且机架设置使得引入的水流通过入口进入机架，并且主要将其引成两个驱动流，每个驱动流用于每个涡轮，然后，对驱动流进行引导，使其通过出口流出，每个叶片相对于驱动水流的角度都是通过叶片角控制机构进行控制的，因此对引入的水流在预定的旋转方向上存在较大的叶片表面积，以驱动涡轮，而在驱动方向相反的方向上，对引入的水流则呈现较小的叶片表面积。

Description

利用水流例如潮汐、河流等发电的装置
技术领域
本发明涉及一种水流发电装置，该水流发电装置是通过诸如海水的潮汐流或者河流等水流来提供动力。
背景技术
近年来，将可再生的发电替代传统形式的发电用于家用或商用已经戌为焦点。传统形式的发电，例如烧煤的发电站，会释放诸如二氧化碳等大量的污染气体以生产电力。在世界范围内都使用了由太阳、风和水产生的可再生电力，但是在一些国家内并没有得到广泛使用。
那些使用水流作为能量来源以产生电力经常需要一种阻碍天然水流的水坝或者类似的人工建筑。因此建筑花费大且结构需求复杂，并且还可能导致不利的环境影响，例如，由于减慢水流，并且向上游溢流，使得淤积加大。
不使用水坝或者其他人工建筑，而利用水的潮汐流运转的发电系统在整个潮汐周期中会遇到各种不同的水流。以前提出的用于该法的某些系统在潮汐周期内在较低的水速时是无效的，而可能只在不到50％的潮汐周期是有效的。
本发明探索提供一种能够在绝大部分潮汐周期内发电的系统。
发明内容
因此，本发明的一种形式就是提供一种用水流来发电的装置，该装置包括机架、第一涡轮和第二涡轮，其中机架具有进水口和出水口，第一涡轮固定在机架上，以绕着基本垂直的轴进行旋转，第一涡轮具有涡轮轴、一套立式叶片以及叶片角控制机构，而第二涡轮固定在与第一涡轮相邻的机架上，以绕着基本垂直的轴进行旋转，第二涡轮具有涡轮轴、一套立式叶片以及叶片角控制机构，机架适合于固定在水体内部，并且机架要这样设置，使得引入的水流通过入口进入机架，并且主要将其引入两个驱动流，每个驱动流用于每个涡轮，然后，对驱动流进行引导，使其通过出口流出，每个叶片相对于驱动水流的角度都是通过叶片角控制机构进行控制的，因此对引入的水流在预定的旋转方向上存在较大的叶片表面积，以驱动涡轮，而在驱动方向相反的方向上，对引入的水流则具有较小的叶片表面积。
因此，将两个涡轮一个挨着一个进行排列，其叶片角度不同，这使得能够对叶片角度进行设定，即使在潮汐周期的某些部分期间可能遇到的流速减小的时候，也能提供较大的表面积以有效地驱动涡轮。
在一个优选实施例中，两个涡轮连接在一起，同步反向旋转，并且将引入的水流引向每个涡轮的外边缘部分，在这里对水流具有较大的叶片表面积。两个涡轮在其内边缘部分相邻，在这里对引入的水具有较小的叶片表面积。这不仅将引入水在内边缘部分的影响减到最小(并且起到了抵消对外边缘部分影响的作用)，它还起到了防止叶片在该区的两个涡轮之间发生干绕的作用。
优选的是，在进水口内装有偏转板，以将引入的水流导进两个流向机架外端的驱动水流中，装置具有一个或者多个挡板，这些挡板设置为在两个涡轮相邻时限制水流通过机架的中心部分。流向每个涡轮外端的定向驱动水流使得涡轮可以将更多的引入水流接收作为驱动水流。
优选的是，叶片角控制机构有效地控制叶片角，使得在叶片移过机架的中心部分时呈现较小的叶片表面积，以降低作用在中心部分的涡轮上的反向力，并防止两个涡轮的叶片在中心部分发生干绕。
在本发明的一个实施例中，每个叶片都固定在涡轮的叶片支撑结构上，以绕着基本垂直的轴进行枢轴运动，并且叶片角控制机构通过其至少部分运动来有效地控制叶片的这种枢轴运动。优选的是，叶片角控制机构包括行星齿轮系统，该系统具有行星齿轮，行星齿轮与每个叶片的枢轴相连并与和涡轮共轴的固定的中心齿轮相啮合，因此当涡轮转动时，叶片就旋转于枢轴上并改变其角度。
在本发明的另一个实施例中，叶片角控制机构包括导向系统，当涡轮旋转时，该导向系统与叶片相配合。优选的是，每个叶片具有旋转轴，该旋转轴偏离叶片的中心轴，并且导向系统包括固定的导向器，当叶片移向机架的外端时，在涡轮旋转期间通过叶片的内边缘部分啮合导向器，使得在这种运动期间控制叶片角，并且通过因枢轴偏移而产生的作用在叶片上的力，而这种运动期间，叶片的内边缘部分靠着导向器支撑。
更优选的是，叶片通过机架的外端后，其与导向器的啮合就松开了，并通过因其枢轴偏移而作用在叶片上的力，叶片就与水流的方向平行排列。优选的是，每个叶片的内部都包括可与导向器啮合的辊子。
优选的是，导向器或者导向器一部分为延伸到机架的中心部分内的挡板，以限制水流经过那里。更优选的是，导向器通常是圆柱形的，并且从邻近机架的底座处延伸至机架的上部。
本发明的另一种形式就是提供一种用水流来发电的装置，该装置包括机架和涡轮，其中机架具有进水口和出水口，涡轮固定在机架上以绕着轴进行旋转，该涡轮具有涡轮轴、一套叶片以及叶片角控制机构，机架适合于固定在水体内部，并且机架要这样设置，使得引入的水流通过入口进入机架，并且主要将其引入涡轮用的驱动流，然后，对驱动流进行引导以通过出口流出，其中每个叶片相对于驱动水流的角度都是通过叶片角控制机构进行控制的，因此对引入的水流在预定的旋转方向上存在较大的叶片表面积，以驱动涡轮，而在驱动方向相反的方向上，对引入的水流则具有较小的叶片表面积。
在本发明的一种形式中，机架是通过浮动结构支撑和/或组成了浮动结构的一部分。在已安装条件下，装置将浮在水体上，同时涡轮浸入在表面下。
在本发明的另一种形式中，已安装条件下的机架锚定在水床附近。在该形式中，机架可以包括漂浮系统，该系统能够使装置浮在水体上，进入所需位置，然后下沉到该位置的水床上或者水床附近。
在这些形式中，发电机定位在水面之上。在已安装条件下装置浮在水体上的形式中，发电机可以通过浮动结构支撑。在已安装条件下机架下沉到水床上的形式中，发电机可以通过塔状物支撑，该塔状物从机架处或者可能从水床处延伸到比水体的高水位平面还高的高度。
涡轮可以驱动分开的发电机或者单独的发电机。优选的是，装置具有一个或者多个由涡轮驱动的液压泵，每个泵都与一个或者多个液压发动机连接以驱动发电机。作为选择，还可以在涡轮与发电机之间使用其他形式的驱动，例如直接机械驱动。
尽管装置在潮汐流情况下具有特殊效用，但是当流动仅仅是朝一个方向，但由于季节变化，在某些时期受到较低的流动速度时，该装置也有效用。当为了潮汐流情况而设计时，潮汐流将周期性地倒转，因此入口和出口在另一流动方向上将变成出口和入口，并且叶片本身将适合于双向流动。
优选的是，装置是组件形式，因此可以通过装配两个或者更多并排的组件形成所需的发电容量系统。
附图说明
下面将参考附图通过实例来介绍本发明的优选实施例。
图1为根据本发明的发电装置的一个实施例的端视图；
图2为图1中的发电装置的剖视面；
图3为图1中的发电装置的侧视图；
图4为发电装置的叶片角控制机构的一个实施例的视图；
图5为图1中的发电装置的另一可选安装的侧视图；
图6为发电系统的剖视面，该发电系统是由图1中的发电装置的三个组件形式组成；
图7为发电装置的叶片角控制机构的另一可选实施例的视图。
具体实施方式
为了方便参考，将根据其在海洋环境特别是潮汐河口或海湾中的应用来介绍优选实施例的装置。然而，应当理解本发明不受这些限制，其适合于具有天然水流如河水、非潮汐河口或其他水道等大多数情况。
参考图1到图4，发电装置10有两个涡轮12、14，每个涡轮都连接着发电机16、18，两个涡轮12、14都处于机架20内。当水流过机架20时，水对涡轮叶片22起作用以驱动涡轮12、14，从而产生了电流。
机架20包括入口24、出口26和涡轮机架部分28。偏转板30位于与涡轮机架部分28相邻的入口24内，从而将水流32从入口24处主要分成两个驱动流34、36，每个驱动流用于每个涡轮12、14。每个驱动流34、36都被引向涡轮机架部分28的外部或者外端，这样就使涡轮12、14朝相反的方向旋转。然后，水流通过出口26作为出口流40离开机架20。朝涡轮机架部分28的外部或者外端的流动方向还受到机架中心部分内的固定挡板的帮助，这将在下面进行介绍。
涡轮12、14反向同步旋转，并且彼此相邻，在旋转期间叶片22的角度受到控制，因此叶片22对引入的水流32在涡轮的驱动旋转方向上呈现较大的表面积，而对引入的水流32在相反的方向上呈现较小的表面积。叶片22绕着中心轴均匀排列，并且通过叶片支撑结构的连接着涡轮轴44，该结构包括上部和下部支承46，在这两个支柱之间固定着叶片，使得每个叶片都可以相对于支承46绕着叶片的中心垂直轴转动。叶片角控制机构48连接着叶片22，所以叶片22相对于支承46的转动可以受到控制，因此当涡轮旋转时，可以改变叶片22的角度。叶片22以涡轮轴转动速度的一半绕着其轴旋转，因此当接近涡轮机架部分28的外端时，每个叶片22都与驱动水流34、36基本垂直，而当接近涡轮机架部分28的中心时，也就是与其他涡轮的相应的叶片邻近时，每个叶片22都与引入水流基本平行。叶片22的转动使得在其靠近涡轮机架部分28外部时，绝大部分驱动水流34、36与叶片22的较大表面积相接触，并且使得其在涡轮机架部分28中心部分内时，最小的水流与叶片22的较小表面积相接触，该接触对涡轮造成了一个与驱动力相反的力；然而，由于流动形状(flowconfiguration)和叶片构造的原因，这个反向力相对较小。叶片22的转动还防止在涡轮机架部分28中心部分的外缘紧挨着的两个涡轮12、14之间发生干绕。
机架20使得涡轮12、14能够有引入水流32即可，并不需要水坝等其他建筑，同时能够吸收并引导涡轮12、14所需要的水流。碎片保护器包括在入口24和出口26上延伸的金属杆，该金属杆也可以连接着机架，从而可以保护涡轮叶片22免于受到较大碎片例如浮木等的破坏。此外，通过碎片保护器还可以限制海豚或者鲸等较大的海洋生物进入涡轮部分，从而降低了海洋生物受伤或死亡以及破环涡轮12、14的风险。
在所示的实施例中，入口24和出口26的排列使得装置10能够用于双向流动的情况，例如潮汐流动。在这些情况下，在一个方向上的入口24将在另一方向上变成出口26，反之亦然。因此，在出口26内配有第二偏转板38，以在所显示的相反方向上分开并引导水流。然而，同样的实施例或者进行一些较小修改的实施例也将适合于单向流动，例如河流。
固定的挡板49位于上部与下部叶片支柱46之间，并在叶片的长度上从靠近涡轮的中心轴处向涡轮机架部分28的中心部分垂直延伸，以帮助引导驱动水流34、36环绕着涡轮机架部分28相应的外部或者外端，并将穿过机架部分28中心部分的流量降至最低。
图中的叶片22显示为平板状，然而应当理解，这仅仅是为了示意，叶片22的横截面的实际形状取决于很多因素，可以相应地改变其形状。
如上所述，叶片角控制机构48相对于支承46从而也相对于主涡轮轴44转动叶片22。图4显示了叶片角控制机构48的一个实施例，在该实施例中，固定的中心齿轮51连接着旋转的行星齿轮52，通过适当的连接系统54，例如传送带、链条或者一系列的内啮合齿轮，各个行星齿轮52连接上各个叶片22的枢轴。或者，中心齿轮51和行星齿轮52可以直接互相啮合。这样的联系使得涡轮每转两次，叶片22就绕着其中心垂直轴完全转动一次。
在所示的实施例中，涡轮12、14通过液压系统连接着发电机16、18，该液压系统包括由涡轮驱动的液压泵，该涡轮与驱动了发电机16、18的液压发动机相连，但是在涡轮与发电机之间也可以放入其他类型的驱动系统，两个涡轮可以驱动一个共同的发电机。通过未显示的电缆，可以将发电机16、18所产生的电力供应给电网或者当地配电网。
图3显示了安装在海床55上的发电装置10，该发电装置10具有桩56，用来将装置锚定在海床55上。在一个优选实施例中，装置还包括额外的漂浮设备58，因此可以通过船只将装置拖到位，然后下沉到海床54上。在标记为57的这部分，可以提高机架的底面，而对引入水流32呈现较大的叶片表面积。这就减少了绕着叶片底部的水流的渗漏，并且产生了淤泥收集器59。通过叶片22和水流24的转动，任何进入机架的淤泥或者沙子将被迫离开提高的部分57，进入淤泥收集器59。当水流不足以转动涡轮叶片时，淤泥或者沙子将倾向于沉淀在机架的最底层部分。
在如图5所示的另一种可选安装中，发电装置10基本与上述图2和图4所介绍的一样，该发电装置10包括浮动设备60，因此装置能够浮在水62的表面或者靠进水62的表面。在该实施例中，任何进入机架的淤泥或者沙子都可以通过发电装置10底部的出口64排出。此外，还安装了碎片保护器，该碎片保护器从浮动设备60的顶部延伸至发电装置10的入口和出口，以防止木头或者大的海洋生物进入涡轮。
图6显示了由三个组件72、74、76形成的发电系统70，其中每个组件都是以上面介绍的装置10为基础的。组件72、74、76具有与上面介绍的图1-图5所显示的发电装置相同的内部特征，而对组件的机架外部进行了改装，从而可以与其他组件相连接。这使得发电系统能够用两个或者三个并排以平行地起作用的组件建成所需容量。
图7示出了叶片角控制机构的一个可选实施例。该图介绍了与上述基本设计相同的涡轮100，该涡轮100具有四个叶片102a、102b、102c、102d。叶片102a、102b、102c、102d通过叶片支撑结构104连接着涡轮轴103。每个叶片基本都在涡轮机架的垂直高度上延伸，并且在叶片上端枢轴地连接着叶片支撑结构104。
叶片角控制机构107是以导向器109的形式配置的，导向器109是基本圆柱形的，并从机架的底座处延伸至机架的上部分，在一个实施例中优选的是，导向器109就在支撑结构104的下面。导向器109通过担当挡板的作用，有效地阻塞了穿过涡轮机架中心部分的水流，从而可以帮助驱动水流106绕着涡轮的外边缘定向流动。连接着每个叶片内缘的辊子108或者其他导向啮合元件能够沿着导向器109至少一部分进行移动，使得可以通过引导涡轮的至少部分旋转来控制每个叶片相对于驱动水流106的角度，特别是在叶片移过对水流呈现较大的表面积的机架外部时，可以这样控制。每个叶片与支撑结构104的连接点及其枢轴都偏离了叶片的中心轴，因此更接近其外缘，由于引入水流倾向于偏压叶片而造成了在叶片起作用的力，因此如图7中的叶片102d、102a所示，当其穿过机架的入口区移向机架的外部时，辊子108就被迫与导向器109啮合。
驱动水流106在叶片上的力驱动了涡轮，并迫使辊子108到导向器109之上，直至连续的叶片位于叶片102a所示的位置。在该位置，辊子108通过约束部分110阻止沿着导向器109进一步移动，其中的约束部分110是从通常形状的导向器109处突出的形状。驱动水流106对涡轮继续提供旋转力，但是由于叶片在其内边缘被迫从约束点110处松开的该点之前在内边缘处受到约束，所以当涡轮以及叶片支撑结构104旋转时，叶片102a将变得向水流更加倾斜。由于偏置枢轴悬挂而导致的“风标”效应，在该点叶片102a将被“弹”到叶片102b在该点与水流大体平行的位置。当涡轮进一步旋转时，由于叶片102b与102c所示的这种效应，叶片将保持与水流大体平行。
同样地，当靠近涡轮机架部分100的外端时，连续的叶片大体上与驱动水流106保持垂直，而当靠近涡轮机架部分的中心时，也就是与其他涡轮的相应叶片邻近时，大体上与水流平行。叶片102的转动使得驱动水流106与靠近涡轮机架部分外部或者外端的叶片相接触的量很大，并且使得与涡轮机架部分的中心部分内的叶片相接触的水流最小。当叶片移向入口区时，其与引入水流的接触使得其内缘被迫退向导向器109，因此如叶片102d所示，辊子108与导向器在其随后的旋转部分啮合。
尽管已经通过具有两个相邻垂直轴的涡轮介绍了优选实施例，但是也可以将本发明的单一涡轮安装在机架内，以形成发电装置。
已经通过实例对本发明的上述实施例进行了介绍，但是可以对发明进行修改和变化，而不会脱离发明的主旨和范围。

Claims (17)

1.一种水流发电装置，其包括：
机架，所述机架具有进水口和出水口，
第一涡轮，所述第一涡轮固定在机架上，以绕着基本垂直的轴进行旋转，第一涡轮具有涡轮轴、一套立式叶片以及叶片角控制机构，
第二涡轮，所述第二涡轮固定在机架上，与第一涡轮相邻，以绕着基本垂直的轴进行旋转，第二涡轮具有涡轮轴、一套立式叶片以及叶片角控制机构，
机架适合于固定在水体内部，并且机架设置使得引入的水流通过入口进入机架，并且主要将其引入两个驱动流，每个驱动流用于每个涡轮，然后，对驱动流进行引导，使其通过出口流出，
其中，每个叶片相对于驱动水流的角度都是通过叶片角控制机构进行控制的，使得在预定的旋转方向上对引入的水流存在较大的叶片表面积，以驱动涡轮，而在驱动方向相反的方向上，对引入的水流则呈现较小的叶片表面积。
2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，两个涡轮连接在一起同步反向旋转，并且将引入的水流引向对水流具有较大叶片表面积的每个涡轮的外边缘部分。
3.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，在进水口内装有偏转板，以将引入的水流导成两个流向机架外端的驱动水流，装置具有一个或者多个挡板，这些挡板设置为限制水流通过机架的中心部分，在这里两个涡轮是相邻的。
4.根据权利要求3所述的发电装置，其特征在于，叶片角控制机构有效地控制叶片角，使得在叶片移过机架的中心部分时呈现较小的叶片表面积，以降低作用在中心部分的涡轮上的反向力，并防止两个涡轮的叶片在中心部分发生干涉。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，每个叶片都固定在涡轮的叶片支撑结构上，以绕着基本垂直的轴进行枢轴运动，并且叶片角控制机构通过其至少部分运动来有效地控制叶片的这种枢轴运动。
6.根据权利要求5所述的发电装置，其特征在于，叶片角控制机构包括行星齿轮系统，该系统具有行星齿轮，行星齿轮与每个叶片的枢轴相连并与和涡轮共轴的固定的中心齿轮相啮合，因此当涡轮转动时，叶片就旋转于枢轴上以改变其角度。
7.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，叶片角控制机构包括导向系统，当涡轮旋转时，该导向系统与叶片相配合。
8.根据权利要求7所述的发电装置，其特征在于，每个叶片具有旋转轴，该旋转轴偏离叶片的中心轴，并且导向系统包括固定的导向器，在涡轮旋转而叶片移向机架的外端时，通过叶片的内边缘部分啮合导向器，使得在这种运动期间控制叶片角，在这种运动期间通过因其枢轴偏移而产生的作用在叶片上力，使得内边缘部分靠着导向器支撑。
9.根据权利要求8所述的发电装置，其特征在于，叶片通过机架的外端后，其与导向器的啮合就松开了，并通过因其枢轴偏移而产生的作用在叶片上的力，使叶片与水流的方向平行排列。
10.根据权利要求8或9所述的发电装置，其特征在于，每个叶片的内部都包括可与导向器啮合的辊子。
11.根据权利要7-10中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，导向器或者导向器一部分为延伸到机架的中心部分内的挡板，以限制水流经过该处。
12.根据权利要7-11中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，导向器通常是圆柱形的，并且从邻近机架的底座处延伸至机架的上部。
13.一种水流发电装置，其包括：
机架，所述机架具有进水口和出水口，
涡轮，所述涡轮固定在机架上以绕着轴进行旋转，该涡轮具有涡轮轴、一套叶片以及叶片角控制机构，
机架适合于固定在水体内部，并且机架设置使得引入的水流通过入口进入机架，并且主要将其引入作为涡轮用的驱动流，然后，对驱动流进行引导以通过出口流出，
其中每个叶片相对于驱动水流的角度都是通过叶片角控制机构进行控制的，因此在预定的旋转方向上对引入的水流存在较大的叶片表面积，以驱动涡轮，而在驱动方向相反的方向上，对引入的水流则具有较小的叶片表面积。
14.根据权利要求1-13中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，机架是通过浮动结构支撑和/或组成了浮动结构的一部分。
15.根据权利要求1-14中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，已安装条件下的机架锚定在水床附近。
16.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，装置具有一个或者多个由每个涡轮驱动的液压泵，并且每个泵都与一个或者多个液压发动机连接以驱动发电机。
17.根据权利要求1-16中任一权利要求所述的发电装置，其特征在于，装置是组件形式，因此可以通过装配两个或者更多并排的组件形成所需的发电容量系统以平行地起作用。
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