CN101779035A - 从水下水流产生电能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种水下发电系统包括：框架；由框架支撑并且可操作地连接至第一立式转子的第一发电机；由框架支撑并且可操作地连接至第二立式转子的另一发电机；第一百叶窗，其可操作地连接至第一立式转子并且包括前侧和后侧，并且可在其中后侧与第一枢转限制结构相接触的第一位置和其中后侧不与第一枢转限制结构相接触的第二位置之间枢转；以及第二百叶窗，其可操作地连接至第二立式转子并且包括前侧和后侧，并且可在其中后侧与第二枢转限制结构相接触的第三位置和其中后侧不与第二枢转限制结构相接触的第四位置之间枢转。

Description

从水下水流产生电能的装置和方法

本申请是2008年12月8日申请的美国专利申请No.12/330,387和2006年9月12日申请的美国专利申请No.11/519,607的部分继续申请，美国申请No.12/330,387是2008年7月25日申请的PCT/US08/71239的部分继续申请，美国专利申请No.11/519,607要求2005年9月12日申请的美国临时专利申请No.60/716,063的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及水力发电领域，并且更具体地涉及从水下水流产生电能的装置和方法。

背景技术

美国的财富很大程度上通过过去丰富的化石燃料所提供的廉价能量开发所创造。由于北美天然气的日渐短缺、持续依赖于不稳定地区的石油供应商、迫在眉睫的世界范围内的石油短缺、以及由于可能由于化石燃料燃烧所引起的日渐危险的全球变暖，需要清洁可靠的可再生能源。

开发由可再生能源供给燃料的发电系统的很多努力已经聚焦于风能。尽管风能发电系统提供了很多益处，但是它们仍然具有显著的缺点。具体地，风向和风速一直处于变化状态。风速能每小时地波动并且具有明显的季节和昼间模式。它们还经常在能量需求最低时产生最大的电能。这在电力行业中已知为低利用系数。低利用系数，以及更低可靠性的峰值利用系数，是风力发电的显著缺点。

与风能相比，江河和溪流提供了相对稳定的流动。另外，一些深的海流很大程度上由相对稳定的科里奥利力驱动。这种海流的方向或速度不会明显变化的事实使得海底发电有时比风力涡轮机产生的间断电能更加令人期待。书籍《Ocean Passages of the World(世界航路)》(Hydrographic Department of the British Admiralty出版，1950年)列出了超过3节(3.45mph)的14个海流，其中几个处于开放海域。湾流和黑潮(Kuro Shio)是该书籍中列出的全年一直流动的、速度超过3节的仅有的两个海流。这两个海流都由地球的向东旋转作用于表面信风所产生的海流上所引起的科里奥利力驱动。因为这些海流很大程度上由地球的旋转所引起，它们应当很长时期保持恒定，阻止了当地地理学的显著变化。

湾流大致在其中墨西哥湾变窄以在古巴和佛罗里达群岛之间形成通道的区域中开始。海流从那里向东北流动穿过美国大陆和巴哈马群岛之间的佛罗里达海峡，以相当大的速度流动大约400英里。湾流的峰值速度在佛罗里达州迈阿密海岸实现，在该处湾流为大约45英里宽和1500英尺深。在该处，海流在佛罗里达州基拉戈岛和佛罗里达州北棕榈滩之间的位置达到高达6.9英里/小时的速度，并且离海岸小于18英里。沿着其更远地与来自东南的安的列斯流会合，并且会合的海流更宽且移动更慢，继续向北然后向东南，大致平行于100等深线直到北卡罗来纳州海特瑞斯岬。

黑潮是太平洋上等同于湾流的暖流。北赤道海流的大部分水在吕宋岛东边转向东北并且经过台湾东海岸以形成这个海流。在日本南面，黑潮在东北方向流动，平行于九州、四国和本州日本岛屿。根据《世界航路》，黑潮的最高速度大约与湾流相同。湾流的最高流速是156.5法定英里/天(6.52mph)并且黑潮的是153法定英里/天(6.375mph)。

水下发电机的其它可能地点是最高速度为110.47法定英里/天(4.6mph)的澳大利亚东海岸海流，以及最高速度为139.2法定英里/天(5.8mph)的南非最南端的阿加勒斯海流。水下发电机的另一可能地点是墨西拿海峡，这是将西西里岛从意大利分开的狭窄开口，其中海流的稳定逆时针旋转主要通过由于地中海蒸发所引起的水密度改变而产生。海洋地理学的海流数据会建议其它可能的地点。

潜水涡轮发电系统能设计为从慢到3mph的海流有效地发电——如果流速恒定——通过相对于发电机的尺寸增大涡轮机的尺寸，以及通过加入更多的传动以增大发电机的轴速度。因为科里奥利海流能非常稳定，可实现70％和95％之间的利用系数。这与很好定位的风力发电机在23％至30％之间的历史利用系数形成对比。因为很好布置的水下涡轮机将在具有均匀流速的海流中运行，就能产生实际上就时间而言100％可用的电流。

而且，随着人类进入海洋的日益增多，使得期望海底发电。实际上，潜艇需要定期浮出水面并且停靠在岸基港口以便维护，包括充电或替换电池和/或在其船上发电机的维护期间接收临时电能。这种定期旅行至岸基设施的需要不利地限制了很多潜艇的航行能力。适合的深海发电设施能给潜艇提供在仍然处于水下并且无需从开放海域转移到海岸地点之下获得维护电能的机会。另外，随着水下科学考察数量的增大，在考察地点的考察活动也需要发电。而且，无论是军事、科学、商业还是娱乐活动，人类都需要饮用水。饮用水能从海水生产，但是这种生产设施通常需要电能。

尽管需求很多，可行的水下发电已经显示了显著的挑战。例如，旋转发电机产生热。流过定子和转子中的导体的电流由于电阻而产生热。另外，热在转子电枢芯部的钢中由于变化的磁通量而产生，并且轴承、轴和齿轮摩擦也产生热。尽管大型发电机中的热损失的量级通常仅是输出的大约1％，这仍然很可观。例如，一对产生1200kW的发电机可具有12kW的损失，这等同于40973BTU/小时。因此，期望液冷系统用于由海底发电系统产生的热的消散。另外，维持相对于海流深度和方向定位的适当的水平、垂直和方位角的涡轮机(尤其在海洋中)用于优化海底发电系统的操作中的利用系数是具有挑战性的。另一个挑战是将发电机置于在深水下使得它们更加不易于维护和修理。

发明内容

在一个实施例中，一种水下发电系统包括：框架；由框架支撑并且可操作地连接至第一立式转子的第一发电机；由框架支撑并且可操作地连接至第二立式转子的第二发电机；第一百叶窗，其可操作地连接至第一立式转子并且包括前侧和后侧，并且可在其中后侧与第一枢转限制结构相接触的第一位置和其中后侧不与第一枢转限制结构相接触的第二位置之间枢转；以及第二百叶窗，其可操作地连接至第二立式转子并且包括前侧和后侧，并且可在其中后侧与第二枢转限制结构相接触的第三位置和其中后侧不与第二枢转限制结构相接触的第四位置之间枢转。

在另一个实施例中，一种从水流中产生电能的方法包括：将第一百叶窗定位在水流中；用水流撞击第一百叶窗的前侧；使用通过撞击水流产生的第一力将第一百叶窗枢转入与第一枢转限制结构相接触；将第二力从水流传递至第一枢转限制结构；以及用传递的第二力旋转可操作地连接至第一发电机的第一立式转子。

在又一个实施例中，一种水下发电系统包括：框架；由框架支撑的第一发电机，第一发电机可操作地连接至第一立式转子；第一百叶窗，其可操作地连接至第一立式转子并且包括前部和后部，并且可在其中后部与第一枢转限制结构相接触的第一位置和其中后部不与第一枢转限制结构相接触的第二位置之间枢转；以及第一枢轴，其延伸穿过第一百叶窗并且限定用于第一百叶窗的第一旋转轴线以使得从第一旋转轴线至第一百叶窗的前缘的距离小于从第一旋转轴线至第一百叶窗的后缘的距离。

本发明的上述特点和优点，以及其它特点和优点，对于本领域技术人员而言在参照下面包括目前认为是执行本发明的最佳模式的公开的详细描述和附图之上将变得很明显。

附图说明

图1示出根据本发明原理的示例性有人操纵的水下发电站的透视图；

图2示出图1的发电站的发电节点的局部切除的视图，示出多个通过各自可控的离合器机构结合至多个万向齿轮的模块化发电机；

图3示出与根据本发明原理的替代的有人操纵的水下发电站一起使用的锚固和定位系统的示意图；

图4示出用于根据本发明原理的图1所示有人操纵的发电站的各种子系统的控制网络的示意图；

图5示出图1的发电站的顶部平面图；

图6示出图1的发电站的局部切除视图，示出图2的发电节点的另外细节；

图7示出具有用于图1所示发电站的百叶窗面板中的百叶窗的横杆的放置的示意图，其减少百叶窗上维护的需要；

图8示出图1所示发电站的干燥传输节点以及升降机系统的局部切除视图；

图9示出根据本发明原理的另一个示例性水下发电站的透视图；

图10示出图9的水下笼子部分的透视图，其具有两个垂直转子、反转的涡轮；

图11示出图10的涡轮之一的透视图；

图12示出图11的涡轮的一个端板的透视图，其示出百叶窗接收区域；

图13示出图10所示涡轮的下部端板以及自对准百叶窗的平面视图，其示出在涡轮旋转时百叶窗在主要驱动地带、次要驱动地带以及涡轮的抖动地带中的运动和位置；

图14示出也可用作加固腹板的替代端板的透视图；

图15示出可用来增加涡轮效率的衬套的透视图；

图16示出百叶窗的透视图，其具有内部腔以增加百叶窗的强度并且降低百叶窗的重量；

图17示出具有百叶窗的涡轮的实施例的透视图，百叶窗使用枢转销自对准于百叶窗叶片中以限制百叶窗的枢转；

图18示出图14所示涡轮的下部端板和自对准的百叶窗，其中示出在涡轮旋转时，百叶窗在主要驱动地带、次要驱动地带域以及抖动地带中的运动和位置；

图19示出具有螺旋地围绕中心轴延伸的固定百叶窗的涡轮的实施例的透视图；

图20示出图19所示涡轮的顶部横截视图，其中示出五个固定的螺旋地延伸的百叶窗；

图21示出具有围绕中心轴螺旋地延伸的固定百叶窗的涡轮的实施例的透视图；

图22示出图21所示涡轮的顶部横截视图，示出三个固定的螺旋地延伸的百叶窗；

图23示出图9所示系统的水下笼子部分的透视图，其具有两个垂直转子、反转的固定百叶窗涡轮以及安装在笼子部分上以增加涡轮效率的挡板；

图24示出根据本发明原理的另一个示例性水下发电站的侧面横截视图；

图25示出图24所示水下发电站的顶部平面视图；并且

图26示出图24所示水下发电站在定位在海流中并且甲板移除时的顶部平面视图。

具体实施方式

相同的附图标记在下面的描述、附图以及权利要求中全部指代相同的部件。

图1示出根据本发明的示例性水下发电站100的透视图。电站100设计为每天24小时并且每年365天操作，同时全部在水下以通过脐带(未示出)将电能供应至海岸电网。电站100对海洋生物、生物量以及航海是友好的，并且在其它地点之中适合于其中存在相当恒定的、矢量特定的海底水流的地理学定位。应当明白，世界上存在大量其中恒定的、矢量规定的海底水流能被利用来产生电能的地点(举例来说，北美洲湾流地区，比如尤其佛罗里达、乔治亚以及南卡罗来纳海岸)。除了能产生电能以外，电站100能产生显著数量的饮用水。

电站100包括中性浮力的、有人操纵的、一个大气压的框架102。框架102包括大致水平地定向的上部三角形地形成的耐压结构104、大致水平地定向的下部三角形地形成的耐压结构106以及在结构104和结构106之间延伸的三个基本上中空的大致垂直地定向的腿或“杆柱”(第一杆柱108、第二杆柱110以及第三杆柱112)。

三角形地形成的结构104和106以及杆柱108、110和112通常为圆柱形构造并且以适当的标准制造，比如人口密度用压力容器(PVHO-2，VIII部分，I组)的美国机械工程师协会(ASME)标准、国会、美国船级社(ABS)以及美国海岸警卫队(USCG)标准。框架102构造为中性浮力的。中性浮力可通过电站100的排水量以及永久性和可变的浮力(包括“硬的”和“软”的压载舱和合成泡沫的使用)的很多组合来获得。

上部三角形结构104在这个实施例中提供类似于那些在商船上发现的住舱，其包括泊位、洗手间、淋浴室、公共休息室、不值班室、食品制备和存贮区域、小医务所、通信和媒体室、锻炼区域等。另外，上部三角结构104提供用于应急设备比如应急逃生箱和一个大气压绝对压力下转移(一个ATATUP)模块的存储区域。

下部三角形结构106提供用于存储和装备的另外空间。举例来说，水力发电机(反向渗透(“R/O”)或蒸馏型)、卫生站、热水器、控制设备、火灾扑灭系统(“FSS”)、减压舱、潜水员封锁隔室(“DLOC”)、远程车辆封锁口(“ROVLOC”)、充气机以及环境控制单元(“ECU”)设置于电站100中。环境控制单元包括制氧机、涤气器以及燃烧器。下部三角形结构106还容纳用于饮用水、加压空气和氧气的存储容器以及用于旋转机器部件的热冷却以及用于使用由机器部件产生的热来加热电站的一个或多个热交换器系统。另外，电池在发电中断以及电网不可利用的情况下提供备用电源。

电站100包括六个节点。节点114和116由杆柱110接合，节点118和120由杆柱112接合并且节点122和124由杆柱108接合。六个附加杆柱进一步接合各个节点。具体地，沿着上部结构104，杆柱126接合节点122和114，杆柱128接合杆柱114和118，并且杆柱130接合节点118和122。沿着下部结构106，杆柱132接合节点124和116。杆柱134接合节点116和120，并且杆柱136接合节点120和124。节点和杆柱之间的每个通道可由防水门(未示出)密封以便在溢流或其它紧急情况下隔离各个区域。节点116、120和124分别紧固至塔台117、121和125。塔台117、121和125锚固于海底中。

杆柱110和杆柱112用作垂直驱动轴的壳体。参照图1和2，驱动轴138在节点116和114之间延伸。驱动轴138结合至三个百叶窗面板140、142和144。百叶窗面板140、142和144由杆柱110可旋转地支撑。驱动轴138驱动多个模块发电机，比如模块发电机146。杆柱112类似地构造有百叶窗面板141、143和145。因而，在这个实施例中，每个发电机节点114、116、118和120容纳十六个堆叠的模块发电机单元。

杆柱108装备有测验装备和叶片/翼片微处理器，其控制各个百叶窗面板(比如百叶窗面板140、141、142、143，144和145)以适当的顺序闭合以最大化从水流中获取动能并且控制各个百叶窗面板的打开以便最小化旋转返回“从动位置”的百叶窗的表面阻力。这个测验设备杆柱108的下部还设置有一个大气压科学观察站。

图3示出了替代电站300，其中多个部件移除以更清楚地示出锚固和定位系统150。锚固和定位系统150包括大的圆形“泥浆垫(mudpad)”类型的锚固件152，其使用相关技术人员已知的高压水喷射埋入海底154。

系统150还包括三个不锈钢“拉紧腿”电缆156、158和160，它们从泥浆垫152延伸并且由相应的冗余的、合成泡沫填充的不锈钢水下浮动件162、164和166保持拉紧。电缆156、158和160的长度选择为以使得水下浮动件162、164和166没有保持处于在任何海洋状态下对表面行进船只(在电力或牵引之下)造成明显阻碍的深度。替代地，电站300可定位于捕鱼和航行受到限制的区域以避免缠结或损害。每一单个不锈钢拉紧腿电缆162、164和166穿过电站300的相应垂直杆柱310、308或312。系统150的电缆162、164和166安装有应急浮力设备，所以受损/被缠住的电缆的任何部分将浮动至表面，而不是下沉潜在地缠结在百叶窗面板中。

锚固和定位系统150还包括定位于每个相应杆柱308、310和312内部的大线轴绞车和/或适合的水力牵引设备(未示出)。锚固和定位系统150通过使用绞车以朝着海底154牵引电缆并且拉动电站300将电站300沉浸至选择的操作深度。相反地，绞车还可用来允许电站300从选择的操作深度向上“爬行”至拉紧腿浮动件162、164和166。可变压载舱可用来给电站300提供负的或正的浮力以在这些操作期间减少绞车上的负载。

另外，锚固和定位系统150能通过释放电缆156、158和160并且使用可变压载舱以提供正浮力从而将电站300迅速半浮出至较浅的深度。无论哪一种情况，电站300可定位为正好在能由常规潜水设备维护的海洋表面168下面。

电站300还包括系留的一个大气压“升降机”箱170，其能通过从安装在电站300上的电缆绞车释放或收回电缆来从电站300浮起或沉下。箱170能用来将设备从表面168传输至水下的电站300。箱电缆安装有应急浮力设备，所以损坏/被缠结的电缆的任何部分将浮动至表面而不是下沉并且潜在地缠结在百叶窗面板中。

回到图1，电站100还构造为产生大量饮用水。除了使用百叶窗面板发电以外，该系统使用产生的电能或旋转百叶窗面板140、141、142、143、144和145的机械能来给高压水泵提供动力，高压水泵通过海洋生物友好(吸引中断)的过滤器来牵引周围海水660并且强迫高压海水通过反向渗透膜以产生新鲜的饮用水。替代地，海水可以被蒸馏。如果需要，饮用水可以是微量气体氯化的。饮用水然后可用于在有人操作期间电站100上的消耗和/或可经由埋设管线泵送至陆地水设施。

电站100还包括盐水扩散系统、收集反向渗透处理的盐水(冲刷)的保持罐、以及将盐水喷射入盐水扩散系统的泵。盐水扩散系统包括很长的穿孔管和迫使强劲的周围海水流穿过管的泵。系统400将盐水溶液以计量的剂量喷射入管并且盐水然后以可控的方式通过多孔管扩散于周围海水中以便不会使海洋生物遭受盐毒。这改善了水柱中会毒害海洋生物的盐云的不利产生。优选地，盐水扩散管定位于电站100的下游。

电站100的操作通过图4中所示的电站计算机网络170控制。网络170包括用户接口172、微处理器174和存储器176。微处理器174可编程为监测和控制涉及电站100操作的各种功能。举例来说，与电能产生相关的多个传感器178能受到监测。传感器178在这个实施例中包括产生与百叶窗面板140、141、142、143、144和145的旋转位置相应的输出的传感器。

微处理器174还通过传感器180监测环境状态，包括电站100内的大气状况。传感器182提供与电站100上游的状况相应的信号。传感器182在这个实施例中是可从马里兰州Annapolis的NortekUSA购得的测流计。传感器182提供表示水温和水速的输出。传感器182定位于电站100上游的水流路径中。

微处理器74还编程为提供各种控制功能。举例来说，微处理器174将控制信号提供至用来保持电站100的环境适合居住的各种系统184。系统184包括加热、通风和空调系统。微处理器还控制与火灾扑灭系统186、通信系统188以及辅助系统190相联系的机器。

微处理器还控制与发电相关的各种系统192，包括百叶窗面板的控制。百叶窗面板的控制参照图5描述。水流在由箭头194显示的方向上移动。流速由传感器182感知并且信号传给微处理器174。表示百叶窗面板140、141、142、143、144和145的位置的信号从传感器178传给微处理器174。微处理器174编程来基于接收的输入为每个百叶窗面板140、141、142、143、144和145计算设计的撞击时间。

换言之，当百叶窗面板140、141、142、143、144和145在箭头195和197的方向上围绕杆柱110和112旋转时，微处理器174设计从相应杆柱110或112通过百叶窗面板140、141、142、143、144和145画出的线直接指向水流来自的方向(这里称为与水流对准)的时间。在图5中，百叶窗面板140几乎与水流对准。因而，在百叶窗面板140、141、142、143、144和145继续旋转经过它们与水流对准的点时，微处理器174发出控制信号，这引起特定百叶窗面板上的百叶窗146移动至闭合位置，产生相对较大的表面，用于从水流接收动能。

水流继续提供撞击闭合的百叶窗的力直到百叶窗面板与下游侧上的水流对准。在图5中，百叶窗面板141几乎与下游侧上的水流对准。超过这个位置，水流在百叶窗面板上的任何力作用来放慢百叶窗面板的旋转。因此，微处理器174发出控制信号，引起与下游侧上的水流对准的面板上的百叶窗196(参见图2)打开，从而减少百叶窗面板的有效表面面积。

本领域技术人员将进一步理解到，电站100上来自百叶窗面板141、143和145的扭矩由电站100上来自百叶窗面板142、144和146的扭矩抵消。

在一个实施例中，微处理器174构造为确定预测性的“攻角”和“攻速”。这个计算包括百叶窗面板的旋转速度连同百叶窗在打开和闭合位置之间的过渡速度，以便最优化百叶窗面板的旋转速度。

微处理器174还可用来控制百叶窗196至“全活叶(in full feather)”位置，其中受控的百叶窗196移动至全部打开位置以帮助放慢/停止百叶窗面板的旋转。另一个受控的位置是“全部倾斜”位置，其中每个百叶窗面板上的全部百叶窗196被控制至完全闭合位置以在改变电站100的深度(比如用于半浮出电站100以便修理)时提供相对低的垂直阻力。百叶窗196还能被控制至“选择滑键”位置，其中百叶窗196之一设置至完全打开位置并且锁闭以允许该百叶窗的运动控制系统的维修，同时其余百叶窗继续正常地起发电的作用。

微处理器174还提供用于发电节点114、116、118和120中发电设备的控制功能。参照图6，发电节点114包括四个级别的模块化发电机146。每个级别包括围绕驱动轴138布置的四个模块化发电机146。驱动轴138结合至四个万向齿轮198、200、202和204。每个发电机146由离合器206结合至与模块化发动机146处于相同级别上的万向齿轮198、200、202或204。微处理器174发出用于啮合或脱离各个离合器206的控制信号。因此，每个模块化发电机146可从操作中个别地移除以执行维护或替换而不影响发电节点114中其余三十一个模块化发电机146的操作。

维护方面的考虑也作为百叶窗196的构造中的因素。举例来说，图7示出百叶窗206和百叶窗208的示意图。百叶窗206和208的位置通过横杆210和212来控制。横杆210和212定位为使得百叶窗206和208当在箭头214的方向上流动的水流分别冲击前表面216和218时稍微朝着打开位置悬臂。相反，当在箭头220的方向上流动的水流冲击后表面222和224时，百叶窗206和208分别经受将它们朝着闭合位置移动的力。这个构造增大百叶窗面板的操作效率并且减少系统上用于控制百叶窗的力。另外，这个构造允许百叶窗206和208用于其中百叶窗没有积极地受到控制而是允许响应于水流的冲击围绕横杆210和212枢转的实施例中。

这个实施例中的百叶窗206和208还构造为在电站100处于期望的深度时将是中性浮力的。因此，较小的力置于各个部件上，进一步减少维护需求。

由微处理器174控制的辅助系统190包括设置于杆柱108中的升降机系统。如图8中所示，杆柱108包围在节点122和节点124之间延伸的升降机轴230。升降机230允许人员、供应和设备在上部结构104和下部结构106之间移动。杆柱126、128、130、132、134和136还可供应有轨道或导轨，用于在整个电站中移动设备或供应。

升降机轴230定位于干燥水边缘232的下面。边缘232构造为与安装有高压水冲洗装置和旋转擦洗刷的车辆一起使用。高压水冲洗装置和旋转擦洗刷用来清洁来自干燥转换边缘232的生物污着或其它碎屑。车辆然后在插入销的帮助下设置到干燥转换边缘232上，以提供适合的对准。车辆下侧上的密封件在车辆和干燥转换边缘232之间提供水密的密封。一旦车辆适当地定位，密封件内并且在车辆和干燥转换边缘232之间的空间就脱水。脱水过程降低车辆和干燥转换边缘232之间的压力。因此，紧密封由作用在车辆上的周围海洋压力的力维持。

根据一个实施例，电站100位于650至2500海水英尺(FSW)的水深。这个深度将电站100较好地放置在100年暴风雪危险情况的平均水面之下。在将锚固和定位系统150结合于650FSW中时，泥浆垫152埋入海底154下面大约45英尺的深度并且端接相应不锈钢拉紧腿电缆156、158和160的三个水下浮动件162、164和166位于大约165FSW的最小深度处，仍然在100年暴风雪危险情况的平均水面之下。

有人操纵的潜水器可用来实现船员变化，食品、书信、替换部件的运送，以及移走生病或受伤的电站工作人员，并且运送或替换参观科学观察站的科学家。因而较好地定位在海洋的“活动层”下面，电站100不会显著地受到不利的表面/半表面状态(比如海啸、飓风、太阳耀斑、战争等)的影响。电站100因而对于潜在的恐怖主义也是困难的目标。而且，应当注意到，百叶窗面板140、141、142、143、144和145可足够缓慢地打开、闭合以及旋转以改善对海洋生物的不利影响。电站100还包括水下声音广播系统，其构造为以各种水平和频率产生声音以诱导大部分形式的海洋生物产生厌恶/转移行为。无脊椎生物(水母等)对支撑柱以及叶片表面的冲击将比得上近海产油结构或沉船上看到的冲击。

另外，在操作中，电站100可为潜艇提供辅助动力码头以在它们的船上动力设施在水下断电以便修理/维护期间满足其动力和新鲜水的需要，并且电站100可为较长范围的海底水下声音收听/跟踪/信号重复系统提供高压电源。

另外，由于电站100基本上是沉浸于相当冷的水中(即在大约650FSW的深度处为39华氏度左右)的较大金属结构，周围水660的温度便于利用热交换器冷却旋转部件。

替代的水下发电站250在图9中示出。水下发电站250包括基座252和框架254。基座252用作锚固件以维持发电站250处于水下水流的期望位置处。框架254包括多个垫板孔眼256，它们用来将发电站250定位于水下水流中。垫板孔眼256可由轮船使用来将发电站250降入从陆地移走的位置或由起重机将发电站250定位于河流、溪流、或靠近陆地的洋流。

框架254从基座252延伸至水面258上方的位置。在这个实施例中，框架254支撑舷梯260，舷梯260用来提供通向发电站250的通路并且将电力线从发电站250延伸至负载。框架254还支撑两个发电机262和264，它们分别由立式转子轴266和268提供动力。发电机262和264在这个实施例中是可从威斯康辛州Wausau的Marathon电力制造公司购得的5kW

MAC发电机。如果期望，多于一个的发电机可通过如上相对于电站100所述的离合器系统由每个立式转子轴266和268提供动力。

立式转子轴266和268分别从发电机262和264延伸入框架254的笼子部分270，转子轴266和268如图10所示在这里分别结合至两个立式轴涡轮272和274。涡轮272和274是基本上相同的并且最初参照在图11中所示的涡轮272描述。涡轮272包括在两个端板282和284之间延伸的多个百叶窗280。每个百叶窗280由各自的枢转杆286枢转地连接至端板282和284。每个枢转杆286在定位于端板282和284内的枢转孔288内枢转。

参照图12，端板282包括多个接收区域290。每个接收区域290包括一个枢转孔288，后部枢转限制壁292、前部枢转限制壁294以及稳定器296。当在平面图中看时，最上部接收区域290的前部枢转限制壁294朝向后部枢转限制壁292的右边开口。因此，端板282是顺时针方向的端板，如下面更完整地描述的那样。每个接收区域290如图13中所示接收一个百叶窗280。相对的端板284互补地形成有接收区域。如果期望，中间腹板可设有延伸穿过腹板的切除部分以提供另外刚度的百叶窗。

图13示出涡轮274的端板284和端板298。端板284是逆时针方向的端板而端板298是顺时针方向的端板。枢转杆286将每个百叶窗280分成比后缘部分302要短的前缘部分300。前侧304在每个百叶窗280的一侧上在前缘部分300和后缘部分302之间延伸并且后侧306定位为与前侧304相反。百叶窗280的后侧306是百叶窗280接触后部枢转限制壁292的一侧。因而，如图13中所示，在涡轮272上的百叶窗280与涡轮274上的百叶窗280相同时，涡轮272上的百叶窗280的后侧306与涡轮274上的百叶窗280的后侧306反向。

水下发电系统250的操作参照图9-13描述。最初，框架254降低入具有水流的水体中直到基座252停留在水文要素的底部上并且笼子部分270至少局部地浸没。在这个实施例中，发电机262和264优选地定位于水面258之上。

在优选的定向中，框架254定位为使得从立式转子轴266延伸至立式转子轴268的线与水流垂直。因此，在图13中的箭头310的方向上移动的水流将以大约相同的力驱动两个涡轮272和274。当水流撞击在百叶窗280上时，百叶窗280旋转穿过三个操作地带。在摆动地带312中，百叶窗由枢转杆286抑制，但是它们没有由接收区域290抑制。因此，百叶窗280自定向于对进入水流阻力最小的位置，同时前缘部分300指向进入的水流。

在涡轮272和274旋转时，摆动地带312内的百叶窗280围绕由枢转杆286限定的枢轴枢转。因此，百叶窗280的后缘部分302的后侧306枢转为更靠近后部枢转限制壁292。在百叶窗280转出摆动地带312时，它们进入主要驱动地带314。在主要驱动地带314中，百叶窗280的后缘部分302的后侧306与后部枢转限制壁292相接触。

因此，当水流在箭头310的方向上移动时，来自水流的动能通过百叶窗280传递至主要驱动地带314内的后部枢转限制壁292。在包括中间腹板的实施例中，来自水流的动能还通过百叶窗280传递至中间腹板。传递的动能引起涡轮272和274旋转。涡轮272的端板284(下部端板)是逆时针方向的端板。因此，撞击涡轮272中的百叶窗280的水流引起涡轮272在箭头316的方向上的旋转。涡轮274的端板298(下部端板)是顺时针方向端板。因此，撞击涡轮274中的百叶窗280的水流引起涡轮274在箭头318的方向上旋转。

来自水流穿过百叶窗280的动能的传递在整个主要传递地带314继续。在百叶窗280朝着次级传递地带320旋转时，百叶窗280的纵向轴线与水流方向对准。一旦百叶窗280旋转入次级传递地带320，穿过涡轮272和274的水流撞击百叶窗280的后侧306。撞击水流迫使百叶窗280枢转。百叶窗280的枢转继续直到百叶窗280的前缘部分300接触前部枢转限制壁294。在这个实施例中，稳定器296构造为使得在百叶窗280的前缘部分300接触前部枢转限制壁294时，百叶窗280的前侧304接触稳定器。

一旦百叶窗280已经枢转入与稳定器296和前部枢转限制壁294接触，另外的动能穿过百叶窗280传递至稳定器296和前部枢转限制壁294，给涡轮272和274提供另外的转矩。

因此，百叶窗280自对准以最大化动能从水流穿过主要驱动地带314和次级驱动地带320至涡轮272和274的传递，同时最小化穿过摆动地带312的阻力。

其它变型可结合来增强这里描述的各种涡轮的功效。例如，图14描述了包括后部枢转限制壁324的板322的透视图。板322可在涡轮中用作端板的一部分或作为中间腹板以便为百叶窗提供附加支撑。在暴露至较高应力的涡轮结构和/或暴露至特别苛刻环境(比如海水)的应用中，这里描述的板322和其它板可由不锈钢制造。在较小的结构中，尤其是没有暴露至具有高盐度的水中的那些，在制造板322中可结合能从康涅狄格州Middlebury的Chemtura公司购得的聚合体或可浇注尿烷，比如VIBRATHANE或ADIPRENE。

涡轮的功率还能通过在相对于彼此移动的部件之间包括衬套来增强。例如，图15的衬套326可用于这里描述的各种端板中。衬套326还可结合VIBRATHANE或ADIPRENE制造。

更高的效率可通过降低百叶窗的重量来实现。为此，除了轴腔334以外，图16中所示的百叶窗328还包括前部腔330和后部腔332。腔330和332(它们可装满流体或气体以提供期望的浮力)允许百叶窗328的重量将变型至期望的重量。另外，腔为百叶窗328提供增大的强度和硬度。尽管不锈钢可在某些应用中用于制造百叶窗328，但是较小形式的百叶窗328可使用铝挤压成形以进一步降低百叶窗328的重量。例如，可使用6063铝合金并且进行热处理以显现T6状况的性质。聚合体(比如上面讨论的那些)可用来覆盖百叶窗以提供另外的期望性质。

图17示出可用来从水下水流发电的替代涡轮340。涡轮340包括支撑多个百叶窗346的两个端板342和344。百叶窗346通过枢转杆348枢转地连接至端板342。枢转杆348限定定位于前缘部分350和后缘部分352之间的枢轴。百叶窗346还包括前侧354和后侧356。

涡轮340以与涡轮272和274类似的方式操作。涡轮340与涡轮272和274之间的一个差异在于端板342和344不包括接收区域。而是，百叶窗346的枢转由图18中所示的相关枢转销358抑制，并且对于大部分百叶窗346，由相邻的百叶窗346的前侧304的前缘部分350抑制。更具体地，枢转销358定位为使得在相关第一百叶窗346的后侧356接触相关枢转销358时，后侧356的后缘部分352还接触定位于第一百叶窗346内侧的相邻第二百叶窗346的前侧304的前缘部分350。

因此，在百叶窗346旋转穿过主要驱动地带360时，邻近的百叶窗346形成百叶窗叶片362。在百叶窗346旋转入次级驱动地带364时，百叶窗346在顺时针方向上枢转，如在图18中看到的，并且来自进入水流的动能穿过前缘部分350的后侧356传递至相关枢转杆348。

在其它实施例中，固定百叶窗的涡轮用来从水下水流发电。例如，图19和20示出包括五个固定百叶窗372的涡轮370。在端板374和376之间延伸的百叶窗372围绕垂直轴378螺旋地形成。如果期望，可使用更多或更少的固定百叶窗。因而，在图21和22中示出的涡轮380包括三个固定百叶窗382。在端板384和386之间延伸的百叶窗382围绕垂直轴388螺旋地形成。

在使用具有固定百叶窗的涡轮时，挡板可用来增加涡轮的效率。例如，图9和10的框架254的笼子部分270在图23中示出为挡板380和382附接于此。挡板380包括前唇缘384、后部386。挡板382包括前唇缘388、后部390。相对的唇缘384和388限定笼子270的嘴392并且后部386和390限定排出口394。

在图23中也示出了涡轮370和396。涡轮370构造为当由在箭头398的方向上移动的水流撞击时在如图23中所示的逆时针方向上旋转。涡轮396构造为当由在箭头398的方向上移动的水流撞击时在如图23中所示的顺时针方向上旋转。在涡轮370和396安装于笼子部分270中并且放置于水流中时，水流由挡板380和382引导在涡轮370和396的主要驱动地带400和402中逆着百叶窗372穿过嘴392。穿过笼子部分270的水通过排出口394排出。挡板380和382还围绕笼子部分270偏转水流以使得水流在非主要驱动地带404和406中没有直接撞击百叶窗372，从而减少阻力并且增大涡轮370和396的效率。

替代的水下发电站410在图24和25中示出。水下发电站410包括基座或甲板412和框架414。多个夹板416(如下讨论的用来定位和保持发电站410处于水下水流中)设置于甲板412上。

甲板412从第一浮筒418延伸至与第一浮筒418隔开的第二浮筒420。四个横杆422在浮筒418和420之间延伸。两个挡板424和426分别连接至浮筒418和420。挡板424和426朝着发电站410的中心线428向内弯曲。

两个发电机430和432支撑于框架414内。发电机430和432可是与发电站250的发电机262和264相同的类型。两个垂直轴434和436分别结合至发电机430和432，并且由基座438可旋转地支撑。每个垂直轴434和436结合至相应的垂直轴涡轮440和442。垂直轴涡轮440和442可与垂直轴涡轮272和274基本上相同。

水下发电站410能以与水下发电站250基本上相同的方式操作。然而，另外的能力由水下发电站410的各种部件提供。例如，浮筒418和420允许水下发电站410由拖车运输并且投入水体。浮筒418和420定尺寸为维持甲板412和发电机430和432在水面之上。线路然后可附接至夹板416并且用来将水下发电站410操纵入水体中的期望位置。替代地，电机可附接至甲板412并且用来定位水下发电站410。

除了允许快速部署之外，水下发电站410在水体内的定位和定向容易优化。例如，水下发电站410(在图26中示出，为了清楚的缘故移除了甲板412)由两个左舷起拱线452和454以及两个右舷起拱线456和458(它们每个都结合至夹板416之一)紧固在移动的水体450内。左舷横缆460和右舷横缆462也结合至夹板416。起拱线452和454进一步结合至支柱464并且起拱线456和458结合至支柱466。横缆460和462分别与支柱468和470相结合。替代地，横缆460和462以及起拱线452、454、456和458可结合至其它方便的结构。

起拱线452、454、456和458用来将水下发电站410定位于水体450内的位置，水体450内的水流在该处是最佳的。在图26的示例中，自然出现的颈部472集中水体450的水流。横缆460和462然后用来用进入水流定向水下发电站410的中心线428，以最大化由水下发电站410产生的动力的量。

挡板424和426构造为进一步集中进入水流并且优化水流撞击垂直轴涡轮440和442的角度。如果期望，挡板424和426可构造为存储于水面之上的位置以增大水下发电站410的操纵性，并且一旦水下发电站410定位于水体450内的期望位置处时就降低。

电缆478用来将水下发电站410结合至变电站480。电缆478可用横缆462支撑。水下发电站410然后可用来产生电能。

尽管本发明已经通过示例性过程和系统部件的描述来示出，并且尽管各种过程和部件已经相当详细地描述，但是申请人不是要将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制于这种细节。另外的优点和变型对于本领域技术人员而言也将是显而易见的。因此本发明在其宽泛的方面中不限于所示和所述的特定细节、实施或示例性的例子。因此，在不脱离申请人总体创造性概念的精神或范围之下可对这些细节做出改变。

Claims (20)

1.一种水下发电系统，包括：

框架；

由框架支撑的第一发电机，第一发电机可操作地连接至第一立式转子；

由框架支撑的第二发电机，第二发电机可操作地连接至第二立式转子；

第一百叶窗，其可操作地连接至第一立式转子并且包括前侧和后侧，并且能够在其中后侧与第一枢转限制结构相接触处的第一位置和其中后侧不与第一枢转限制结构相接触处的第二位置之间枢转；以及

第二百叶窗，其可操作地连接至第二立式转子并且包括前侧和后侧，并且能够在其中后侧与第二枢转限制结构相接触处的第三位置和其中后侧不与第二枢转限制结构相接触处的第四位置之间枢转。

2.根据权利要求1的系统，其中：

第一百叶窗围绕第一枢轴线枢转；

第一枢轴线在相比第一百叶窗的后缘而言更靠近第一百叶窗的前缘的位置处延伸穿过第一百叶窗，以使得撞击在第一百叶窗的前侧上的水产生将第一百叶窗朝着第一位置偏压的力；

第二百叶窗围绕第二枢轴线枢转；并且

第二枢轴线在相比第二百叶窗的后缘而言更靠近第二百叶窗的前缘的位置处延伸穿过第二百叶窗，以使得撞击在第二百叶窗的前侧上的水产生将第二百叶窗朝着第三位置偏压的力。

3.根据权利要求2的系统，其中：

第一枢轴线基本上平行于第一立式转子；并且

第二枢轴线基本上平行于第二立式转子。

4.根据权利要求2的系统，其中：

第一枢转限制结构是第三百叶窗的前缘部分；并且

第二枢转限制结构是第四百叶窗的前缘部分。

5.根据权利要求2的系统，其中：

第一枢转限制结构是第一枢转销；并且

第二枢转限制结构是第二枢转销。

6.根据权利要求2的系统，其中：

第一百叶窗枢转地安装至端板；

该端板包括接收区域；并且

第一枢转限制结构是该接收区域的第一壁部分。

7.根据权利要求6的系统，其中在第一百叶窗处于第二位置时，第一百叶窗的前侧与第二枢转限制结构相接触。

8.根据权利要求7的系统，其中第二枢转限制结构是该接收区域的第二壁部分，第二壁部分相对于第一壁部分以一角度定向。

9.一种从水流中产生电能的方法，包括：

将第一百叶窗定位在水流中；

利用水流撞击第一百叶窗的前侧；

使用通过撞击水流产生的第一力将第一百叶窗枢转入与第一枢转限制结构相接触；

将第二力从水流传递至第一枢转限制结构；以及

利用传递的第二力旋转可操作地连接至第一发电机的第一立式转子。

10.根据权利要求9的方法，还包括：

将第二百叶窗定位于水流中；

利用水流撞击第二百叶窗的前侧；

使用通过撞击水流产生的第三力将第二百叶窗枢转入与第二枢转限制结构相接触；

将第四力从水流传递至第二枢转限制结构；以及

利用传递的第四力旋转第二立式转子。

11.根据权利要求10的方法，其中：

枢转第一百叶窗包括围绕与水流的速度矢量垂直的第一旋转轴线枢转第一百叶窗；并且

枢转第二百叶窗包括围绕与水流的速度矢量垂直的第二旋转轴线枢转第二百叶窗。

12.根据权利要求10的方法，其中：

枢转第一百叶窗包括将第一百叶窗枢转入与第三百叶窗相接触；并且

枢转第二百叶窗包括将第二百叶窗枢转入与第四百叶窗相接触。

13.根据权利要求10的方法，其中：

枢转第一百叶窗包括将第一百叶窗枢转入与第一枢转销相接触；并且

枢转第二百叶窗包括将第二百叶窗枢转入与第二枢转销相接触。

14.根据权利要求10的方法，其中：

枢转第一百叶窗包括将第一百叶窗枢转入与端板的百叶窗接收区域的第一壁部分相接触。

15.一种水下发电系统，包括：

框架；

由框架支撑的第一发电机，第一发电机可操作地连接至第一立式转子；

第一百叶窗，其可操作地连接至第一立式转子并且包括前部和后部，并且能够在其中后部与第一枢转限制结构相接触处的第一位置和其中后部不与第一枢转限制结构相接触处的第二位置之间枢转；以及

第一枢轴，其延伸穿过第一百叶窗并且限定用于第一百叶窗的第一旋转轴线，以使得从第一旋转轴线至第一百叶窗的前端的距离小于从第一旋转轴线至第一百叶窗的后端的距离。

16.根据权利要求15的系统，还包括：

由框架支撑的第二发电机，第二发电机可操作地连接至第二立式转子；

第二百叶窗，其可操作地连接至第二立式转子并且包括前部和后部，并且能够在其中后部与第二枢转限制结构相接触处的第三位置和其中后部不与第三枢转限制结构相接触处的第四位置之间枢转；以及

第二枢轴，其延伸穿过第二百叶窗并且限定用于第二百叶窗的第二旋转轴线，以使得从第二旋转轴线至第二百叶窗的前端的距离小于从第二旋转轴线至第二百叶窗的后端的距离。

17.根据权利要求16的系统，其中：

第一发电机通过第一离合器可操作地连接至第一立式转子；并且

第二发电机通过第二离合器可操作地连接至第二立式转子。

18.根据权利要求15的系统，其中：

第一百叶窗定位于涡轮内；

涡轮包括具有在接收区域内的第一壁部分的端板；

第一壁部分限定第一枢转限制结构；并且

第一百叶窗在接收区域处枢转地连接至端板。

19.根据权利要求18的系统，该接收区域还包括：

与第一壁部分成角度地远离的第二壁部分，第二壁部分定位为在第一百叶窗处于第二位置时接触前部。

20.根据权利要求19的系统，所述接收区域还包括：

与第一壁部分和第二壁部分间隔开的稳定器，稳定器定位为在第一百叶窗处于第二位置时接触后部。

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