CN101384816A - 用于由水流获得电能的、可旋转的发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由水流获得电能的、可旋转的发电设备，其包括：一个水轮机；一个由水轮机驱动的发电机；一个配置有第一轴线的承载体；一个吊舱体，对该吊舱体配置了一个与第一轴线成角度的第二轴线并且该吊舱体可相对于承载体运动；一个连接缆，该连接缆从发电机通过吊舱体延伸至承载体；一个在承载体与吊舱体之间的铰链连接装置，其具有一个装置，该装置将吊舱体绕配置给承载体的第一轴线的旋转运动传递成吊舱体绕配置给自己的第二轴线的旋转运动，使得限制所述连接缆的扭绞。

Description

用于由水流获得电能的、可旋转的发电设备
技术领域
本发明涉及一种用于由水流尤其是由洋流或者流动水流获得电能的可旋转的发电设备。
背景技术
与堤坝结构无关地构成的浸入式发电设备是用于充分利用再生能源的巨大潜能，该发电设备通过水流尤其是洋流的动能驱动。在此由于流动介质的高密度已经可以利用大约2至2.5m/s的较小流速来经济地获得能量。这种流动关系或者可以作为潮汐流存在或者可以利用其它的洋流，所述洋流尤其可以在海峡中实现可经济应用的速度。这种流动可以驱动流体发电装置，所述流体发电装置具有一个与风能设备类似的构型，也就是说使用具有转子叶片的转轮作为水轮机。但是其它的水轮机方案例如立式透平和管式透平也是可考虑的。除了由洋流获得能量的应用领域之外，这种独立的浸入式发电设备也可以用在流动水中，其中由于环境保护或者交通船舶航行的规定不能实现建立具有置入其中的水轮机的堵塞级(Staustufen)。
GB 2 431 207 A1描述了一种具有一个承载体和一个用于容纳透平转子的吊舱体的水下透平。在此，吊舱体铰接在承载体上，使得该吊舱体可以在一个竖直的位置与一个水平的位置之间摆动。
US 6 104 097描述了一种透平设备。该透平设备也具有一个竖直的承载体和一个固定在该承载体上端部上的、水平的吊舱体。
如果使用潮汐流来获得能量，那么发电设备应适配于变化的流动方向。为了解决该目的，曾使用了不同的解决途径，其中一个途径在于，水轮机这样构成，使得该水轮机可以被从不同的方向入流，其中透平不可旋转地被设置。如果例如使用螺旋桨式的水轮机，那么这可以通过透平叶片旋转180°产生。用于适配不同的入流方向的一种替代的解决途径在于使水轮机旋转。为了对于这种构思避免耗费的传动解决方案以及用于在具有一个固定的发电机的可旋转设置的水轮机上连接的回转接头，由例如一种螺旋桨结构的水轮机和发电机构成的整个结构单元作为单元随着水流一起导向。已知的系统包括浸入式设备，该设备设有浮升体并且该设备通过绳系统锚固在海底或者流动水的底部上。这种解决途径允许自动地适配变化的流动方向，其中不仅可以利用来自两个主方向的流动而且可以利用来自整个全圆的入流。
但是在已知的独立的可旋转的流体发电装置中缺点是，通过持久地重复的旋转运动产生相应部件的扭绞度的持续增大，所述部件是通往所述固定元件的连接并且所述部件本身不可能通过旋转活节构成。为此一个例子是用于建立发电机以及其它的电缆接头的网路连接的连接缆，所述电缆接头建立通往中心的控制-及监控装置的连接。
发明内容
因此本发明的目的是，给出一种用于由水流获得电能的独立的发电设备，该发电设备以高效率利用水流中存在的动能，其中水轮机在流动方向改变的情况下应该被跟踪，而在绕设备的固定点的重复的旋转运动的情况下不会使电缆连接装置遭受非常强的扭绞。另外，该发电设备在结构和制造技术方面简单地构成。
因此，本发明的目的通过具有独立权利要求特征的、可旋转的发电设备解决。有利的构型由从属权利要求得到。
本发明基于的认识的出发点在于，一种高效的独立的发电设备具有一个用于容纳发电机的、可旋转的吊舱，该发电机至少间接地由一个水轮机驱动，该水轮机绕一个固定的连接点可旋转地随着所述流动一起运动。因此水轮机或者主动地通过一个执行机构或者被动地通过流动压力被跟踪并且总是最佳地适配于当前存在的流动条件。在此，特别优选的是这样一种实施形式，其中吊舱并且从而由水轮机和发电机构成的单元距离所述旋转点有一定的距离，以便可使水轮机的旋转平面相对于另外的承载结构具有这样的距离，使得该水轮机尽可能无干扰地被入流。这通过吊舱体的使用被转化，该吊舱体设置在铰接点与吊舱之间并且该吊舱体特别优选是一个管或者承载结构形式的刚性元件。
如果吊舱体和设置在其上的吊舱连同发电机和水轮机在基本上水平的平面中绕着旋转点进行旋转运动以进行流动跟踪，那么当不是仅进行往复运动时、也就是说如果不进行旋转方向的有规律的反转时，必然出现连接缆的扭绞，该连接缆由发电机延伸至连接点并且沿着陆地连接又延伸至连接到其上的承载体。为了解决这个问题发明者已经认识到，如果吊舱体和保持在其内的发电机并且从而连接缆的由连接点延伸直至发电机的部分与在水平的平面中绕旋转点的旋转运动同步地以相应于跟踪运动的转速进行滚动运动，那么可以防止扭绞。
该原理可借助于一个柔性的软管清楚地表示，该软管在弯折的位置中分别在端部上被固定。当试图使其中一个端部绕其它部分的轴线旋转时，或者导致柔性的软管的扭绞或者必须允许所述环绕的端部绕其自身的轴线进行旋转运动。套用到这种类型的发电设备上则上述情况意味着，该发电设备具有一个承载体，该承载体是固定的并且例如可以以柱的形式锚固在海底上。在该承载体上设有一个通往一个吊舱体的铰链连接装置，该吊舱体在背离该铰链连接装置的端部上固定吊舱并且从而固定由发电机和水轮机构成的单元。一个连接缆从吊舱中的发电机沿着或者穿过吊舱体并且经由所述铰链连接装置延伸至承载体并且从那儿又延伸至用于电能产生设备的能量供入点。如果该铰链连接装置具有一个装置，则该连接缆不遭受扭绞，该装置在发电设备的吊舱体并且从而吊舱绕承载体进行旋转运动时为了进行流动跟踪使该旋转运动同时传递为吊舱体绕其自身的轴线旋转运动并且从而使连接缆的位于该吊舱体中的部分以及保持在该吊舱体内的发电机同步于跟踪运动地进行旋转运动。更确切地说这将导致，在第一轴线(在流动跟踪时绕该第一轴线进行旋转运动)配置给承载体时并且第二轴线相应地配置给吊舱体时，绕第一轴线的转速必须相应于绕第二轴线的转速，以致吊舱体为了进行绕第一轴线的旋转运动同时以传动比为1:1的锥齿轮传动装置中的两个彼此啮合的锥齿轮的意义进行滚动运动。
需要注意的是，配置给固定的承载体的第一轴线和配置给吊舱体的第二轴线一般不必与实际的本体轴线一致，这在实现一种多件式的或者弯曲的结构时尤其是这种情况。取而代之的是，第一轴线和第二轴向的确定仅用于说明旋转轴线，绕着该旋转轴线必须进行同步的旋转运动以防止电缆扭绞。另外，第一轴线和第二轴线不必彼此成直角，例如可考虑的是，吊舱体在其运动时跟随漏斗状的包络线。
为了实现满足本发明要求的铰链连接装置，可以使用一个弹性的连接装置，该连接装置捕获通过水流沿第二轴线的方向并且从而沿着吊舱体产生的拉力或压力并且产生抵抗扭绞的反力，并且从而在绕配置给承载体的第一轴线的旋转运动中，实现吊舱体并且从而发电机绕第二轴线的必要的同步旋转运动。根据一个替代构型，所述两种功能被分开。旋转运动由第一轴线到第二轴线上的传递通过形锁合和/力锁合的元件的相互作用实现。在最简单的情况下，这是彼此啮合的齿轮、例如两个锥齿轮。吊舱体固定在承载体上的另一功能并且沿着第二轴线由通过水轮机导入的推力和压力的接收然后可以通过与其分开的、拉伸杆柱的意义上的元件实现，通过该元件可以保证，持久地保持用于实现绕第一和第二轴线的同步旋转的形锁合和/或力锁合。
本发明的构思不仅可以用于主动跟踪，而且也可用于由于流动压力引起的被动跟踪，在主动的跟踪中，发电设备绕配置给承载体的第一轴线被强迫导向。在第一种情况中可能的是，发电设备构成为迎流转子或者背流转子。在被动跟踪的情况下仅使用背流转子。另外，对于本发明的构思在被动跟踪的情况下由于发电机力矩出现一个角度偏差，该角度偏移偏离对于确定的流动方向最佳的调节。该角度偏差如下地产生，即发电机的发电机力矩通过其锚固部分传递到吊舱体上，由此绕配置给吊舱体的第二轴线产生一个旋转力矩，该旋转力矩由于在第一与第二轴线之间的、按本发明的、同步的轴联接被相应地传递成绕后者、即绕支撑体轴线的旋转力矩。由此，绕第二轴线的一定的旋转运动离开最佳位置，接着由于施加的流动产生反力，直到在确定的角度偏差时建立平衡。但是，该角度偏差在通常的设备设计中是较小的并且偏差率较小。另外，可以有目的地将由入流导致的速滞压力通过导流结构例如飞翅和浆提高。另一适合的措施在于，使背流转子的吊舱体尽可能长地构成，以致当对于当前的流动引起一个偏离最佳位置的角度偏移时，由于距旋转活节的间距较大，由吊舱体和吊舱以及水轮机构成的、总归存在的结构就致显著的转向力。
另外，上述的、直到实现平衡点的角度偏差在本发明的被动跟踪的设备中如下地避免，即使用方向相反地环绕的水轮机并且相应配设的发电机的发电机力相互抵消。
附图说明
下面借助于附图说明本发明的构型。附图中详细地如下：
图1a和1b示出本发明的在流体发电装置的承载体与吊舱体之间的铰链连接装置的作用原理，其中吊舱体的调节导致绕其自身轴线的同步的旋转运动，
图2a和2b示出第一和第二形锁合和力锁合的元件的不同构型，用于实现与一个刚性的、中心的拉伸杆柱相关联的同步旋转运动，
图3a和3b示出具有一个柔性的、中心的拉伸杆柱的构型，
图4a和4b示出在导向面上具有一个中心的、柔性的拉伸杆柱的实施形式，
图5a和5b示出铰链连接装置的构型，该铰链连接装置仅借助于一个弹性的部件实现，
图6示出以上翻固定装置形式的其它的导向元件。
具体实施方式
在图1a和1b中示意性简化地示出本发明的发电设备1的基本部件。一个水轮机2用于转化水流的动能，该水轮机例如可以以螺旋桨的形式构成。用该水轮机驱动一个发电机3，该发电机被接收在一个吊舱9中或者该发电机的壳体构成吊舱。对吊舱9配置了一个吊舱体4，该吊舱体用于使水轮机与承载体5间隔距离。该承载体5例如可以是一个支柱或者一个在海底8上具有锚固装置的格式杆。替代地，可以设置一个能浮动的单元作为承载体5，该单元通过粗绳锚固并且从而相对于海底8基本上是位置固定的并且是无相对转动的。在吊舱体4与承载体5之间设置一个铰链连接装置6，根据本发明，该铰链连接装置如下地构成，使得水轮机2的随着驱动水流的流动方向主动的或者被动的跟踪传递成吊舱体4的同步的旋转运动。在图1b中示出该滚动运动的原理，该图示出图1a在铰链连接装置6的区域中的放大的局部图。
图1b详细地示出一个配置给承载体5的第一轴线11和一个配置给吊舱体4的第二轴线12。优选第一轴线11基本上垂直地延伸。水轮机2随着流动方向的跟踪是指，配置给吊舱体的第二轴线12基本上平行于流动方向地设置。为此在图1a中示出一个箭头，该箭头示出所述背流转子的入流。因此，为了发电设备1的跟踪，进行绕承载体5的第一轴线11的旋转，其中，当具有无相对转动地连接的发电机3和固定在其上的连接电缆7的吊舱体4绕其自身轴线一同旋转时，那么由发电机3穿过吊舱体4、铰链连接装置6和承载体5延伸的连接电缆7不遭受扭绞。这要求吊舱体4在承载体5上以1:1(u＝1)的传动比滚动。为此，在吊舱体4上设置示例地在图1b中示出的锥形滚动面10.1并且在承载体5上设置相应的滚动面10.2，其中这些滚动面10.1、10.2的圆周优选相一致，以实现相同的转速。为了防止打滑，所述面优选设有一个齿结构或者在配合件或者一个摩擦片上设置爪和相应的凹槽。总而言之，存在用于实现滚动并且从而实现所要求的同步运动的形锁合和/或力锁合的连接。如果存在一个齿结构，那么必须使用满足u＝1的条件的齿对即具有一致的齿数的齿轮。
根据一个构型，在第一和第二轴线11、12之间的1:1传动比的条件被如下地弱化，即吊舱体4与承载体5之间的连接缆7的扭绞与绕承载体5的第一轴线11的旋转无关地受到限制。因此还可忍受这样的情况，即绕第一轴线11的一个较小的旋转角不是直接传递成同步旋转，而是该同步旋转从一定的扭绞度起才开始。这例如当弹性的联接元件反作用于扭绞时就是这样的情况，并且只有在足够的复位力的情况下才强迫实现从第一轴线到第二轴线的同步运动。
由图1b的原理图没有详细地示出铰链连接装置的那个用于在运行期间保证两个滚动面10.1、10.2之间的接触的元件。在此，尤其在迎流转子的情况下捕获拉力，所述拉力通过水压传递到水轮机2上并且从而传递至铰链连接装置6上。为了这个目的，可以在铰链连接装置6中设置锚固元件，所述锚固元件例如按图2a和2b以中心的、刚性的拉伸杆柱(Zuganker)13的形式构成。该拉伸杆柱在一个端部上与吊舱体4处于刚性连接并且在另外的端部上与承载体5处于形锁合的、可旋转的连接，根据所示的实施形式，该连接通过槽-环配对实现。另外，选择了一个构型，其中第一轴线11和第二轴线12彼此不成直角而是成小于90°的角，也就是说吊舱体4在水轮机相对于入流的跟踪时描述V形的包络线。其结果是，吊舱体4具有一个滚动面，该滚动面在承载体5的对应滚动面上环绕。由于水压，保证了在彼此滚动的面之间的持久的贴靠接触。另外，所述面可以这样构成，使得防止打滑并且绕第一轴线11的每个旋转运动与绕第二轴线12的同步滚动运动(以u＝1)相关联。在此考虑不同齿结构或者摩擦片。对于在图2a和2b中示出的构型，滚动面锥形地构成并且以不同的锥角延伸，其中，在图2a的情况下，配置给吊舱体4的第一锥面18与配置给承载体5的第二锥面17相比具有更小的张角。在图2b中存在相反的情况。对于所有构型优选保证，绕第一轴线11的旋转与绕第二轴线12的旋转的传动比为u＝1。这可以通过相应选择的齿结构保证。
图3a和3b的替代构型与上述实施例的区别在于，使用柔性的拉伸杆柱23取代刚性的中心杆柱，该拉伸杆柱接收拉力，但是同时可横向弯曲。在最简单的情况中，该拉伸杆柱是一个链或者一个优选多层的金属丝织物。为了实现第一和第二形锁合元件，在吊舱体4和承载体5的端面上分别示出彼此嵌接的突起21、22，所述突起被朝外圆周整平，使得在吊舱体4相对于承载体5成角度时，通过突起21、22的轮廓的曲线以及对应件上的优选平的贴靠面的曲线确定倾翻角并且确定通过所述柔性的拉伸杆柱23预给定的间隙。流动力又使该角度止挡，使得保证所述彼此嵌接的突起的可靠的携动和按本发明的以u＝1的同步滚动。
在图4a和4b中示出设有柔性的、中心的拉伸杆柱的进一步构型，其中图4a示出未安装状态下的分段的拉伸杆柱23.2并且图4b示出安装状态下的该拉伸杆柱。该拉伸杆柱由一些弹性的段24和刚性的段25以及一个用于所述连接缆7的、可弯曲的保护套20构成，该保护套延伸穿过在分段的拉伸杆柱23.2内部的通道27。在安装状态中，对拉伸杆柱23.2配置了一个弯曲的支承面28，该支承面与所述柔性的、设置在中心的拉伸杆柱23.2相关地保证第一锥形滚动面10.1在相应的对应件、即第二锥形滚动面10.2上的可靠贴靠。在图5a和5b中示出柔性的拉伸杆柱的一个进一步构型。在此不存在吊舱体4和承载体5的彼此滚动的表面，取而代之的是，仅仅通过一个柔性的拉伸杆柱铰接元件23.3就使绕第一轴线11的旋转运动转换成绕第二轴线12的同步旋转，该拉伸杆柱铰接元件例如构成为具有适配的直径和足够的壁厚的弹性的环形构件，其中在图5b中所示的运行情况下，所述柔性的拉伸杆柱铰接元件23.3的一侧伸展，而相反的一侧遭受压缩并且同步作用通过反作用于扭绞的弹力产生。对于这种构型允许较小的扭绞，但是随着所述柔性的拉伸杆柱铰接元件的扭曲的增大，复位力可靠地保证限制所述连接缆的扭绞。
在专业能力的范围内可以设置其它的导向元件，所述导向元件引起承载体4和吊舱体5的端部区域的可靠的彼此滚动。在此示例地在图6中示出一个上翻固定装置30，它具有一个用于可旋转地包围承载体5的第一包围环30.1和一个用于可旋转地包围吊舱体4的第二包围环30.2。这些元件优选设有轴承并且由于连接这两个元件的接片30.3防止吊舱体4与承载体5之间的角度调节的变化。因此根据图6所示的构型，所述中心的、柔性的拉伸杆柱23仅用于捕获沿吊舱体4的第一轴线11的拉力载荷和压力载荷，该拉伸杆柱附加地由弯曲的支承面28支承。但是也可能的是，将该功能集成到所述上翻固定装置30中并且完全取代所述中心的拉伸杆柱23。这在图6中没有详细地示出。
参考标号表
1 发电设备
2 水轮机
3 发电机
4 吊舱体
5 承载体
6 铰接接连装置
7 连接缆
8 海底
9 吊舱
10.1、10.2 锥形的滚动面
11  第一轴线
12  第二轴线
13   拉伸杆柱
17   第二锥面
18   第一锥面
20   可弯曲的保护套
21、22  彼此嵌接的突起
23   柔性的拉伸杆柱
23.2 分段的拉伸杆柱
23.3 柔性的拉伸杆柱铰接元件
24   弹性的段
25   刚性的段
27   通道
28   弯曲的支承面
30   上翻固定装置
30.1 第一包围环
30.2 第二包围环
30.3 连接的接片

Claims (6)

1.一种用于由水流获得电能的、可旋转的发电设备，其包括：一个水轮机(2)；一个由水轮机(2)驱动的发电机(3)；一个承载体(5)，对该承载体配置了一个第一轴线(11)；一个吊舱体(4)，对该吊舱体配置了一个与第一轴线(11)成角度的第二轴线(12)，并且该吊舱体可相对于承载体(5)运动；一个连接缆(7)，该连接缆从发电机(3)穿过吊舱体(4)延伸至承载体(5)；一个在承载体(5)与吊舱体(4)之间的铰链连接装置(6)，该铰链连接装置具有一个装置，该装置将吊舱体(4)绕配置给承载体(5)的第一轴线(11)的旋转运动传递成吊舱体(4)绕配置给自己的第二轴线(12)的旋转运动，使得所述连接缆(7)的扭绞被限制。
2.按权利要求1所述的发电设备，其特征在于：吊舱体(4)绕第一轴线(11)的旋转运动到绕第二轴线(12)的旋转运动的传递以1:1的转速比实现。
3.按权利要求1或2至少一项所述的发电设备，其特征在于：吊舱体(4)借助于一个第一轴驱动器绕配置给承载体(5)的第一轴线(11)主动地旋转。
4.按权利要求1或2至少一项所述的发电设备，其特征在于：吊舱体(4)使水轮机(2)与铰链连接装置(6)间隔距离并且水轮机(2)相对于配置给承载体(5)的第一轴线(11)的位置受水流影响。
5.按权利要求2至4中至少一项所述的发电设备，其特征在于：绕第一轴线(11)的旋转运动到绕第二轴线(12)的旋转运动的1:1的传动比通过配置给承载体(5)的第一形锁合和/或力锁合元件与配置给吊舱体(4)的第二形锁合和/或力锁合元件的共同作用来实现并且在铰链连接装置(6)中设有锚固元件，这些锚固元件保证第一与第二形锁合和/或力锁合元件之间的贴靠接触。
6.按权利要求1至5中至少一项所述的发电设备，其特征在于：铰链连接装置(6)具有一个弹性的部件，该部件不仅与承载体(5)而且与吊舱体(4)连接并且该部件针对拉力载荷和弯曲载荷和扭绞产生复位力。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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