CN101855447A - 用以基于流体产生能量的可再生能量流体泵 - Google Patents

用以基于流体产生能量的可再生能量流体泵 Download PDF

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克里斯托弗·J·格列科
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Abstract

安装在支承塔顶上或拴系在水下的风力或水力涡轮机驱动液压泵送系统。涡轮机将风能或水能转化为施加到液压泵的驱动转矩。液压泵迫使水通过管道传输系统到达岸上设施。在岸上,最终的加压流体流驱动水力发电系统以产生电力,或者可以先用在反渗透脱盐处理中,且副产品可以部分地用于驱动水力发电系统以产生电力。从水力发电系统和/或从脱盐处理排放的冷水用于岸上区域或电站的冷却目的。

Description

用以基于流体产生能量的可再生能量流体泵
技术领域
[0001] 本发明涉及流体驱动的涡轮机及用于运行这种流体驱动的涡轮机的方法,且更具 体地涉及用于转化驱动涡轮机的流体的动能的装置和方法。
背景技术
[0002] 用于离岸应用的可再生能源发电技术主要基于风力涡轮机和近来出现的潮汐、波 浪和洋流涡轮机,所有这些涡轮机目前或计划驱动发电机并经由高压海底电缆将电力传输 到岸上。此电力设备连同其许多连接和电控装置是昂贵的,要求高度的维护且易于因暴露 于严酷环境而发生故障和失效,且在海洋环境中在大范围的海况下难于接近和维修。以上 所述的问题中的一些也在架起高压电缆的情况中发生。
[0003] 多种紧密靠近,使单独或多个涡轮机构造内的高压系统及其相关的电磁场也产生 了海上使用时在盐水和电磁场(EMF)效应中加速腐蚀方面的许多未知性。
[0004] 因此,本发明的目的是提供用于转化流体动能的系统和用于运行这样的装置的方 法,这避免了经由高压电缆来传输电力。
发明内容
[0005] 本发明的目的通过用于转化第一流体的动能的系统来解决,其中该系统包括至少 一个流体驱动的涡轮机,每个涡轮机驱动用于使第二流体加压的至少一个流体泵。所述至 少一个流体泵连接到传输管线且将加压的第二流体提供到传输管线,且传输管线连接到利 用加压的第二流体的能量产生动力的至少一个装置。
[0006] 在下文中,此说明书使用术语“涡轮机”和“泵”用于至少一个涡轮机和至少一个 泵,即术语“涡轮机”不限制于仅一个涡轮机,而是还包括多个涡轮机。以上同样的说明适
用于术语“泵”。
[0007] 本发明的系统通过提供加压的第二流体而转化第一流体的动能,即驱动至少一个 涡轮机的流体的动能。此加压的流体用管道输送到利用第二流体的能量产生动力的至少一 个装置。此装置例如能够将加压流体的能量转化为电力(更详细的描述见下文)。根据本 发明,通过此加压的第二流体传输能量,且因此不需要高压电缆。
[0008] 一般地,系统的涡轮机位于离岸位置,即在湖、河或海洋之内或之上。驱动所述涡 轮机的第一流体是风、洋流、潮汐流或河流的一种或多种,即涡轮机能够布置在水下(使用 水作为第一流体),或布置在水面上(使用风作为第一流体)。然而,涡轮机也能够布置在 /位于岸上。在此情况中,涡轮机总是由风流驱动。
[0009] 涡轮机驱动流体泵以用于使第二流体加压。正如涡轮机,流体泵可以离岸布置或 布置在岸上。与涡轮机和流体泵的布置无关,即与离岸和岸上、水下或水面上无关,通过流 体泵加压的第二流体可以是与第一流体相同的流体,或第二流体可以与第一流体不同。
[0010] 例如,如果涡轮机和泵布置在水下且泵用于使驱动涡轮机的水加压,则第一流体 和第二流体相同。如果涡轮机是风驱动的涡轮机,即位于水面上方,且流体泵用于使水加
4压,例如使来自附近的河流或海洋的水加压,如果涡轮机离岸布置但布置在水面上,则第二 流体和第一流体不同。
[0011] 虽然涡轮机和泵可以离岸布置或布置在岸上,但优选的是涡轮机和流体泵都离岸 布置。流体泵布置在水下还是布置在水面上取决于对于流的使用。同样也适用于第二流体。 流体是否相同取决于应用。
[0012] 如上所述,涡轮机用于驱动流体泵。泵的驱动能够布置为机械驱动或电驱动。在 机械驱动的情况中,涡轮机的旋转运动机械地传输到流体泵,例如使用将涡轮机与流体泵 连接的传动装置。然而,也可以使用电力驱动流体泵。在此情况中,涡轮机的旋转运动用于 发电,而电力驱动流体泵。流体泵是电驱动还是机械驱动取决于应用。
[0013] 用于利用加压的第二流体的能量的装置通常是岸上装置,其中加压的流体流动驱 动水力装置。
[0014] 存在许多方式和方法分别用于利用加压的第二流体的能量。然而,优选的是用于 利用加压的流体的能量产生动力的装置是用于产生电力的装置。在此情况中,加压的第二 流体驱动发电机。
[0015] 在替代实施例中,用于利用加压的第二流体的能量产生动力的装置是脱盐装置。 在此情况中,由所述至少一个泵加压的流体是水。
[0016] 在一些情况中,可能希望将使用第二流体来产生电力的可能性或在脱盐装置内使 用第二流体的可能性相组合。因此,在本发明的一个优选实施例中,系统包括两个利用加压 的第二流体的能量产生动力的装置,即用于产生电力的装置和脱盐装置,两个装置都连接 到传输管线,其中引导通过装置的加压流体的量能够单独地调节。
[0017] 脱盐装置使用加压水来产生无盐的饮用水。在脱盐期间,相关的装置产生低压无 盐水的处理流。此外,脱盐装置产生压力相对高的盐水流。为利用高压盐水流的剩余能量, 脱盐装置布置在产生电力的装置的上游,使得加压的盐水流或脱盐装置的流能够用管道输 送到用于产生电力的装置。
[0018] 与加压的第二流体的第一使用无关,即与使用第二流体来驱动发电装置或在脱盐 装置内使用加压流体无关,来自这个装置或这些装置(如果系统包括多于一个用于利用第 二流体的能量产生动力的装置)的排放流仍含有可利用“能量”,因为排放流具有非常低的 温度。因此,优选的是系统包括下游的水厂(water utility),其中从利用加压流体的能量 产生动力的所述至少一个装置排放的冷水用于冷却处理。
[0019] 至少当洋流用于驱动系统的涡轮机时,该系统大体上恒定地转化第一流体的动 能。然而,加压的第二流体的需求不是恒定的。例如,如果系统用于产生电力,则例如在夜 间,对于电力的需求降低。在这样的非高峰时间期间,第二流体的能量能够用于区域冷却和 产生淡水。然而,在本发明的优选实施例中,系统包括连接到传输管线的空气填充的能量存 储器,其中存储器内的空气可通过将水注入能量存储器内而被压缩。
[0020] 使用本发明的此实施例,第二加压流体的能量例如能够在非高峰期间被存储。例 如,如果电力需求增加,则能量存储器内的压力可用于将另外的加压流体用管道输送到利 用加压流体的能量产生动力的(多个)装置。
[0021] 本发明的目的也通过用于转化风或水的动能的方法解决。该方法包括如下步骤: 使用风或水的动能驱动涡轮机,使用由涡轮机提供的能量驱动用于使流体加压的泵,且将加压的流体经由传输管线输送到利用加压流体的能量产生动力的至少一个装置。
[0022] 加压流体的能量能够以多种方式使用。然而,在电力需求增加时,优选的是将加压 的水用管道输送到水力发电设备以用于发电。
[0023] 许多国家不具有充足的淡水资源。因此,经常将海水脱盐用于产生饮用的淡水。因 此,优选的是将加压的水用管道输送到脱盐装置,在此加压的水经过过滤处理,从而产生低 压淡水流和高压盐水流。
[0024] 盐水流可被排放。然而,盐水流仍包括可利用的能量,因为盐水流具有高压力。因 此,优选的是将盐水流用管道输送到水力发电设备以用于发电。
[0025] 甚至淡水流也含有剩余的可使用“能量”,因为淡水流的温度非常低。因此,优选的 是将淡水流用管道输送到水站以用于饮用水或灌溉水和/或冷却处理。
[0026] 上述同样的说明适用于盐水流,即盐水流包括具有冷形式的可使用能量的剩余部 分。在优选实施例中,从水力发电设备排放的盐水流直接用于冷却处理或用管道输送到水 站(用于冷却处理)。
[0027] 本发明所具有的优点是,涡轮机捕获或集中了大量低速流动的风流或水流,即第 一流体的动能,且将所述动能转化为高压、高流速的能量(即第二流体),所述第二流体被 用管道输送到至少一个利用加压流体的能量产生动力的装置。因为不需要高压电缆,所以 降低了维护成本。
[0028] 本发明具有明显的环境益处。完全液压的系统不涉及电力消耗,这降低了空气污 染和温室气体的产生。另外,提供冷水用于制冷和其他冷却系统的能力显著抵消了以其他 方式在产生和使用常规化石能源来驱动这些系统中所造成的温室气体。
[0029] 与离岸生成电力且将电力传输到岸上相比,此新颖的流体驱动的系统具有显著的 可靠性优点。海洋环境中的高压系统可能是存在问题的。
[0030] 本发明具有的优点是驱动水泵的风流或水流涡轮机允许更大的机械简单性,且降 低了与电力相关的部件,这很大地改进了涡轮机生产率和可靠性。
[0031] 本发明具有的优点是除产生电力外,流体驱动系统也具有产生基于岸上的冷却能 力、脱盐和水产资源的灵活性;水产资源方面的优点是由于在一些位置处收集且泵送冷的 且更富有养分的水到岸上。
[0032] 本发明具有的优点是系统进一步利用通过能量存储特征增强,所述能量存储特征 允许优化系统输出与最佳满足客户需求之间的平衡。
[0033] 本发明的优点是由永恒存在的洋流所提供的动力不必在非高峰时间期间以100% 的电力售出。动力能够用于在非高峰时得到电力的收益低时产生用于区域冷却的能量且产 生淡水作为商品。
[0034] 本发明的优点是可编程的系统输出,因此使用者可以选择改变加压水的使用。 附图说明
[0035] 本发明将在下文中参考附图描述,其中:
[0036] 图1是其中实施了本发明的流体流系统的实施例的总体方框图;
[0037] 图2A是图1中示出的流体流系统的岸上部分的图;
[0038] 图2B是锚固在水体内的塔上的且连接到图2A的流体流系统的风力涡轮机的图;[0039] 图3是锚固在水体内的水下塔上的且连接到图2A的岸上部分的水流涡轮机的 图;
[0040] 图4是拴系在水下且连接到岸上部分的水流涡轮机的图;
[0041] 图5是图4中示出的水流涡轮机之一的更详细的图;
[0042] 图6是包括多个涡轮机模块的水下阵列的图;
[0043] 图7是图5中示出的水流涡轮机的后透视图;
[0044] 图8是图5中示出的水流涡轮机的前透视图;
[0045] 图9是图5中示出的水流涡轮机的后视图;
[0046] 图10是图5中示出的水流涡轮机的侧视图;和
[0047] 图11是图5中示出的水流涡轮机的顶视图。
[0048] 在这些附图中,类似的附图标记指示图中类似的元件。应理解的是图中不同部件 的尺寸可以不按比例,或不严格成比例,且为视觉清晰和解释的目的而示出。
具体实施方式
[0049] 图1图示了用于转化第一流体的动能的系统的实施例。图1的系统包括一个流体 驱动的涡轮机100、102、104,所述涡轮机驱动两个流体泵106、108用于将水加压。流体泵连 接到传输管路110且将加压的水流体提供到传输管路,其中传输管路110连接到水力发电 机112,即用于利用加压水的能量作为动力的装置。
[0050] 换言之,图1图示了一种系统,其中被流体驱动的涡轮机100、102、104利用的能量 通过加压的流体流将能量传输到岸上站,在岸上站中加压的流体流驱动的水力装置112。装 置112可以是任何能量回收装置,例如产生电力的水力发电系统,用于过滤出淡水(淡水流 113)以供饮用或灌溉的脱盐设备109,使用在区域(空调)冷却系统内的冷水存储器,盐水 冲击式涡轮机或以上的任何组合。
[0051] 根据图1的实施例包括利用加压水的能量产生动力的两个装置,即水力发电机 112和脱盐装置109。此外,图1的系统包括水厂122。
[0052] 脱盐装置109设置在水力发电机112的上游,且连接到传输管路110。加压水进入 脱盐装置109,在此处加压水分离为高压盐水流111和低压淡水流113。高压盐水流用管道 输送到水力发电机112且驱动发电机来发电。在图1中示出的实施例中,淡水流用管道输 送到水站,在此处淡水流的低温用于冷却处理。
[0053] 在本发明的其他实施例中,如果温度足够低以将盐水流用于冷却处理,甚至从水 力发电机排放的盐水流能够用管道输送到水厂122。此外,在其他实施例中,系统能够仅包 括一个用于利用加压水的能量作为动力的装置,例如仅水力发电机。然而,优选的是将脱盐 装置与水力发电机组合,因为运行脱盐装置所需的能量能够由水力发电装置产生,且不必 从公共电网获取。
[0054] 此外,在系统的其他实施例中,管路能够连接到脱盐装置和水力发电装置,使得能 够控制传输到分开的装置的加压流体的量且使该量适合于市场需要。例如,在非高峰时间, 可将更多的加压水用于产生淡水。
[0055] 驱动涡轮机的流体部不限于如在图1中图示的风流。可使用风流、洋流、潮汐流或 河流中的一种或多种。该装置可以在水上(风驱动,图1)运行或在水下(洋流驱动,图3和图4)运行,且泵送系统在大气环境、压力容器环境或潜水环境中运行。从水力装置112排 放的水115可在水厂122中使用且可然后返回到水源。
[0056] 涡轮机包括转子100,该转子100使连接到转矩降低变速器104的旋转轴102转 动。转矩降低变速器104优选地是分布式的动力传动系,如在Mikhail等人的美国专利 7,069,802B2中描述的。转子100和变速器104例如能够安装在锚固到海洋、河流或湖底 的塔结构顶上。转子100通过偏航控制机构而维持在水平面内且在占优的风流或水流路径 内。转子100具有响应于流体流动而旋转的叶片101。每个叶片具有附接到转子轴的叶片 基部部分,所述转子轴驱动变速器,并且每个叶片可以具有叶片桨距角控制能力和/或叶 片延伸部分,所述叶片延伸部分的长度可变以提供可变直径的转子。可以通过将叶片延伸 部的延伸或收缩来控制转子直径,以在低流动速度时完全延伸转子,且在流动速度增大时 收缩转子使得传递或施加在转子上的载荷不超过设定极限。整个叶片的桨距可以在仅叶片 的一部分延伸时变化。
[0057] 转矩分配变速器104驱动一个或多个水下液压泵106、108,所述液压泵106、108通 过转子100驱动以在输水管110内产生水压。管路110能够相互连接到(未示出的)其他 单元和/或岸上脱盐系统109、水力发电系统112、区域冷却系统或以上所述的一些组合。最 终的加压流体流驱动水力发电系统112以产生电力114。能够提供例如电路断路器和/或 熔断器的保护装置116,用于在故障情况下隔离。垫板安装变压器118将所产生的电力的电 压改变为连接到电网的能源贮藏收集系统120的电压。
[0058] 分布式的动力传动系104能够用于驱动风力涡轮机内的发电机,如在Mikhail等 人的美国专利7,069,802B2中描述的,以产生电力来电驱动处于风力涡轮机所处的塔基部 的泵106、108。在此情况中,泵106、108能够放置在水中,如在图1中所示,或放置在岸上而 带有通向水源的合适的管道。然而,泵也能够机械地驱动,如在下文中描述。
[0059] 脱盐后,在淡水流113内剩余有最小压力。因此,在系统的另一个实施例中,淡水 流113能够用于液压涡轮机。此淡水113能够被如此出售,或者运行通过换热器以提取温 度值,然后作为用于饮用/灌溉/等的淡水出售。盐水流111不具有压力,且运行通过水力 发电机112。如果盐水流具有低温,则能够通过使盐水115运行通过冷却系统而获取AC/冷 却值,然后可将盐水去除。
[0060] 来自水力发电系统112的冷水排放115用于为水厂122提供能量,例如制冷,且然 后返回123到水源。
[0061] 对于系统的改进是如果将脱盐站109提供在现场,则加压水流110能够转向以旁 通盐水站109,且进入水力发电机112而直接获得来自流111的100%的水力发电。
[0062] 总之,加压的海水源110可首先进入脱盐装置109,在此水源通过过滤处理而产生 低压淡水流113和高压盐水流111。盐水流111能够用管道输送到水力发电设施112内用 于发电。淡水流113可由水站122使用,用于饮用或灌溉水和用于制冷的能量,且从水力发 电设施112排放的盐水115可以用作制冷的能量,然后被去除。
[0063] 参考图2A,图2A是图1中示出的流体流动系统的实施例的岸上部分。来自图2B 中示出的风力涡轮机的高压海水管210进入脱盐站223。高压冷盐水通过冷盐水排放管224 排放。由脱盐站223分离的淡水221通过淡水管221引导到水站222。
[0064] 高压冷盐水224驱动水力涡轮机211,水力涡轮机211的输出轴使作为水力发电站213的部件的发电机212转动。来自水力涡轮机211的冷盐水排放225引导到水站222。
[0065] 加压的水流能够被转向以旁通过脱盐站223且从流动获得100%的水力发电。旁 通能够以已知的方式通过脱盐站223内的阀和旁通管进行。
[0066] 水力发电站213包括向变压器218提供合适的电压和电流所必需的电气设备216。 变压器218连接到高压电线220。
[0067] 参考图2B,图2B是锚固到水体内的塔上的且连接到图2A的流体流动系统的风力 涡轮机的图。以此实施例,涡轮机机械地驱动水泵206、208。水泵206、208的机械驱动以如 下方式实现。转子叶片200使主轴202转动,而主轴202驱动连接到向下轴205的直角变 速器204,且向下轴205驱动水泵206、208。通到水体的水泵经由高压海水管210将水从水 流涡轮机泵送到图2A中示出的岸上系统。
[0068] 参考图3,图3是锚固304在水体内的水下塔301上的且连接到图2A的流体流动 系统的水流涡轮机的图。转子叶片300使主轴转动,而主轴驱动水泵306。通到水体的水泵 306经由高压海水管310将水从水流涡轮机泵送到图2A中示出的岸上系统。
[0069] 图2图示了风力发电装置。风力发电装置安装在锚固到水体底部的塔结构207顶 上。通过偏航控制机构将转子200维持在水平面内且维持在占优的风流的路径内。转子具 有可变桨距叶片,所述叶片响应于风而旋转。每个叶片具有附接到转子轴202的叶片基部 部分,并且可以具有叶片桨距角控制能力和/或叶片延伸部分,所述叶片延伸部分的长度 可变以提供可变直径的转子。转子直径可以通过叶片延伸部的延伸和收缩控制,以在低流 动速度时完全延伸转子,且在流动速度增大时收缩转子,使得传递或施加在转子上的载荷 不超过设定极限。整个叶片的桨距可以在仅叶片的一部分延伸时变化。
[0070] 发电装置通过塔结构保持在风流的路径内,使得转子200保持与风流水平对齐。
[0071] 变速器204驱动一个或多个水下液压泵206,所述液压泵206由泵驱动轴205驱动 以在输水管210内产生水压,所述输水管210能够相互连接到其他单元和/或岸上水力涡 轮机211。水力涡轮机211驱动发电机212以产生电力。
[0072] 来自水力涡轮机211的冷水排放222用于为水厂提供动力,例如用于制冷,且然后 返回到水源。
[0073] 替代地,加压的水源可以首先进入脱盐装置,在此处水源通过过滤处理,从而产生 低压淡水流和高压盐水流。盐水流能够用管道输送到水力发电设备/装置用于发电。淡水 流可以由水厂使用,用于饮用水或灌溉水和用于制冷的能量,且盐水流可以用于制冷的能 量且然后去除。
[0074] 图3图示了水力发电装置。水力发电装置安装在完全处于水下且锚固304到水体 的底部的塔结构301的顶上。通过偏航控制机构将转子300维持在水平面内且维持在占优 的水流的路径内。转子具有可变桨距叶片306,所述叶片响应于水流而旋转。
[0075] 转子驱动一个或多个水下液压泵306,所述液压泵306通过转子300驱动以在输水 管310内产生水压,所述输水管310能够相互连接到其他单元和/或岸上水力涡轮机(如 在图1中所示)。水力涡轮机驱动发电机以产生电力。
[0076] 来自水力涡轮机的冷水排放用于提供制冷且然后返回到水源,如在上文中参考图 2所述。
[0077] 替代地,加压的水源可以首先进入脱盐处理/装置,在此处水源通过过滤处理从而产生低压淡水流和高压盐水流。盐水流能够用管道输送到水力发电设施内用于发电。淡 水流可以由水厂使用而用于饮用水或灌溉水和用于制冷的能量,且盐水可在丢弃之前用于 制冷的能量。
[0078] 其他输出、制冷、区域空调、脱盐和水产业
[0079] 流体驱动的系统可以包括制冷阶段,所述制冷阶段基于由(多个)涡轮机驱动的 (多个)泵从更深的海洋区(或湖区)抽取的且传输到岸上的水力发电站用于发电的冷水。 发电站的冷海洋水或湖水系统也可以用于制冷应用,例如增加生热站的制冷能力,或用于 居住、商用或其他工业用途的中央冷却系统。流体驱动的系统也可以用于岸上的或在风力 涡轮机或洋流涡轮机的离岸位置处的直接脱盐。对于水产业的益处可在于,某些位置处的 冷水是富含养分的且更纯净的。
[0080] 带有流体或压缩空气泵的水下系统
[0081] 图4是其中实施了本发明的一部分的水下拴系装置的透视后侧视图。水下拴系装 置在Dehlsen等人于2007年6月29日提交的美国临时专利申请60/937,813中描述。系 统包括支柱430和通过装置拴系件422、423、424、425连接到所述支柱430的装置400、402。 支柱可移动以控制装置的深度。主拴系件(未示出,但连接到拴系件440和442)、左侧拴系 件462和右侧拴系件460将支柱锚固到海底。拴系件中的一个是长度可变的拴系件。
[0082] 长度控制件连接到长度可变的拴系件。长度控制件是支柱430内的绞盘,用于控 制长度可变拴系件上的张力。当长度可变拴系件在绞盘上缠绕时装置被降低,且当长度可 变拴系件从绞盘展开时,装置通过该装置和支柱的而升高。
[0083] 水下装置包括容纳在流体密闭的机舱400和402内的一对液压泵,所述液压泵通 过包括中心部分404的水翼连接在一起。液压泵在图5中更清晰地可见。通过中心部分 404的横管470将每个机舱内的液压泵的输出连接在一起。沿拴系件423、438的向下管472 使组合的机舱向下输出到支柱430,且从支柱下降到锚固件466,然后从锚固件沿洋底到岸上。
[0084] 控制部分404将机舱400和402定位且支承在中心部分404的下表面上,使得机 舱中的每一个位于中心水翼结构404的下方。
[0085] 每个涡轮机具有分别带有可变桨距叶片418和420的转子414、416,所述转子 414、416在相反的方向上旋转,使得作用在结构上的转矩力平衡。一对拴系件422、424将装 置402在水流路径内拴系在水下。一对拴系件423、425将发电装置400在水流路径内拴系 在水下。拴系件422至425称为“装置拴系件”。转子414和416相对于水翼404定位,使 得水流首先移过中心部分404,然后汇合,且引起转子414和416的旋转。装置拴系件422 至425从拴系件连接构件在每个机舱400和402的主体上延伸到缆索支柱430。
[0086] 参考图5,图5示出了图4的机舱内的液压泵。四个液压泵500、502、504、506示出 为连接到水入口或空气通气管508。在图4中示出的横管470连接到水出口管510。液压 泵500、502、504、506的四个输出部连接到水出口管510,所述水出口管510连接到图4中示 出的向下管472。
[0087] 水或空气从入口 508通过液压泵500、502、504、506泵入且受迫离开输出管510到 向下管472,到洋底且沿洋底到陆基设备。
[0088] 水下流体或压缩空气阵列
10[0089] 参考图6,图6是包括多个涡轮机模块的水下阵列。阵列包括以示出的样式锚固 到洋底的多个图4的涡轮机模块。图4中示出的水或压缩空气的向下管472连接到公共的 传输管600、602,传输管600、602通过锚固件604、608锚固到洋底。公共的传输管600、602 连接到歧管610,所述歧管610的输出是通向岸上的公共的输出管612。
[0090] 蓄积器614设置在输出管610处以将储能能力整合到系统中,所述蓄积器614具 有安放在或系到洋底上的大直径的空气填充“存储”管或气囊的网的形式。涡轮机用于通 过将水注入蓄能网络的空气填充的空腔而对存储蓄积器614加压。因此,以压缩空气形式 存储的能量的储备可用于驱动可用于驱动基于陆地的发电设备。
[0091] 每个流体驱动的涡轮机将加压流体流传输到公共的歧管600、602、610,所述歧管 600、602、610又将加压流体流通过传输管线612输送到岸上站,其中加压流体流驱动用于 大规模商用发电的水力装置。
[0092] 参考图7至图11,图7至图11是图5和图6中示出的水流涡轮机的更详细的图。 四个液压泵500、502、504、506示出为连接到水歧管入口或空气通气管歧管进入点508。
[0093] 液压泵500、502、504、506的四个输入部701、703、705、707连接到水入口歧管,所 述水入口歧管将液压泵500、502、504、506的输入部连接到歧管进入点508,而歧管进入点 508连接到图4中示出的管470。图4中示出的横管470连接到水出口管510。液压泵500、 502,504,506的四个输出部709、711、713、715连接到水出口歧管,所述水出口歧管将液压 泵500、502、504、506的输出引导向出口管510,所述出口管510连接到图4中示出的向下管 472。
[0094] 水或空气通过液压泵500、502、504、506从入口 508泵入,且被迫使离开出口管510 到向下管472,到洋底,且沿洋底到陆基设备。
[0095] 涡轮机包括转子驱动的毂凸缘700,所述毂凸缘700使连接到转矩降低变速器704 的旋转轴702转动。转矩降低变速器704优选地是分布式传动系,如在Mikhail等人的美 国专利7,069,802B2中所述的。替代的驱动系统、泵设备和歧管系统可以使用单独的或多 个涡轮机以实现变化的物理组合益处,和变化的生产输出。这样的设备取决于具体情况的 能量需求、涡轮机尺寸和岸上应用的属性。
[0096] 转矩分配变速器704驱动水下液压泵500、502、504、506,所述水下液压泵500、 502,504,506通过转子驱动的毂凸缘700驱动以在相互连接到其他单元和/或连接到岸上 水力发电系统、脱盐系统、区域冷却系统或以上的一些组合的输水管内产生水压。最终的加 压流体流驱动水力发电系统以产生电力。
[0097] 能量存储
[0098] 流体驱动系统的利用可以进一步通过将能量存储能力整合到系统而改进,所述能 量存储能力具有安放在或系到洋底的大直径的空气填充的“存储”管或气囊的网的形式。在 所有情况中(风力和水力)的涡轮机可用于通过将水注入到能量存储网的空气填充的空腔 内而对存储管或气囊加压。这具有的优点是在风级降低时,以压缩空气形式存储的能量储 备可以用于驱动水而用于岸上的发电设备。对于潮汐流、河流或洋流涡轮机,此存储是有价 值的,因为此可再生能源在电力需求最低时(最廉价时)也存在。将此能量存储而非直接 输送以进行岸上发电将使收益值和电网稳定性优化,因为可以指令系统在最需要时传输能 量。[0099] 利用此能量存储特征,来自系统的电力输送与常规风能的间歇属性相比变得可靠 或可调度。对于洋流涡轮机这是最优的,当电力市场处于“非高峰”时所述洋流涡轮机也在 恒定流动环境内运行。此能力的另外的益处是允许电力的输送与由涡轮机的电力产生存储 时间差,以在具有最高电价值的日间时间(“高峰时间”)期间输送电力。作为例子,离岸风 场可设计为每日18小时泵送以为管道存储网充气,且然后在最高电力需求的六小时(高电 价)期间,将以压缩空气形式存储的能量释放用于转化为电力且输送电力。在此例子中,在 岸上水力发电站产生的电力可大约为风力涡轮机的容量的三倍,然而,在此高水平下的电 力输送持续仅持续25%时间长,且还要求到岸上或基于岸上的发电能力的管道的容量大约 为“如此生产”能力的三倍。由于高峰负荷电价获得的较高的收益应超过此较大容量的附 加成本。
[0100] 用于优化输出的编程控制
[0101] 流体驱动系统能够通过编程的算法控制,这允许城市或社区优化电网输送的每日 时间、季节调节的发电、保持发电能力和其他与电力、饮用水和冷却水的产生和输送相关的 特征。该系统也提供了以单独功能(即发电)开始的灵活性,且如需求增加了其他特征。
[0102] 替代方案:发电机驱动液压泵
[0103] 如参考图1所述,包括转子100的涡轮机使连接到转矩降低变速器104的旋转 轴102转动。转矩降低变速器优选地是分布式传动系,如在Mikhail等人的美国专利 7,069,802B2中描述的。转子和变速器安装在锚固到洋底、河底或湖底的塔结构顶上。变速 器驱动水下液压泵106、108。
[0104] 在发电涡轮机中,变速器104驱动发电机,所述发电机产生电力。在此替代中,作 为直接驱动液压泵106、108的变速器轴的替代,发电机给液压泵106、108供电,所述发电机 具有与液压泵串联的电动马达。传输系统和岸上系统的平衡与这里的材料保持一致。

Claims (25)

  1. 一种用于转化第一流体的动能的系统,其中所述系统包括:至少一个流体驱动的涡轮机(100、102、104、106、108),每个涡轮机驱动用于使第二流体加压的至少一个流体泵,其中所述至少一个流体泵连接到传输管线并将加压的所述第二流体提供到所述传输管线,并且其中所述传输管线连接到利用加压的所述第二流体的能量产生动力的至少一个装置。
  2. 2.根据权利要求1所述的系统,其中所述利用加压流体的能量产生动力的装置是用于 产生电力的装置。
  3. 3.根据权利要求1或2所述的系统,其中通过所述至少一个泵加压的所述流体是水。
  4. 4.根据权利要求3所述的系统,其中所述利用加压流体的能量产生动力的装置是脱盐直o
  5. 5.根据权利要求3或4所述的系统,其中所述系统包括两个利用加压的所述第二流体 的能量产生动力的装置,即用于产生电力的装置和脱盐装置,所述两个装置都能够连接到 所述传输管线,其中被引导通过所述装置的加压流体的量能够被单独地调节。
  6. 6.根据权利要求4或5所述的系统,其中所述脱盐装置布置在所述产生电力的装置的 上游,使得所述脱盐装置的加压盐水流能够被用管道输送到所述产生电力的装置。
  7. 7.根据权利要求3至6中任一项所述的系统,其中所述系统包括下游的水厂,在所述水 厂中从利用加压流体的能量产生动力的所述至少一个装置排放的冷水用于冷却处理。
  8. 8.根据权利要求3至7中任一项所述的系统,其中所述系统包括连接到所述传输管线 的空气填充的能量存储器,其中在所述存储器内的空气能够通过将水注入所述能量存储器 而被压缩。
  9. 9. 一种转化风或水的动能的方法,所述方法包括如下步骤:使用风或水的动能驱动涡轮机,使用由所述涡轮机提供的能量驱动泵,用于使流体加压,和将加压的流体通过传输管线输送到利用加压流体的能量产生动力的至少一个装置。
  10. 10.根据权利要求9所述的方法,其中将加压的水用管道输送到水力发电设备(112)以 用于发电。
  11. 11.根据权利要求9或10所述的方法,其中将加压的水用管道输送到脱盐装置(109), 在所述脱盐装置(109)中,所述加压的水经过过滤处理,从而产生低压淡水流(113)和高压 盐水流(111)。
  12. 12.根据权利要求11所述的方法,其中将所述盐水流(111)用管道输送到所述水力发 电设备(112)内以用于发电。
  13. 13.根据权利要求12所述的方法,其中将所述淡水流(113)用管道输送到水厂(122), 以用于饮用水或灌溉水和/或冷却处理。
  14. 14.根据权利要求13所述的方法,其中从所述水力发电设备(112)排放的盐水流 (115)用于冷却处理或用管道输送到所述水厂。
  15. 15. 一种系统,其中由流体驱动的涡轮机(100、102、104、106、108)所利用以产生动力 的能量经由加压的流体流(110、472)将能量传输到岸上站,在所述岸上站中,所述加压的 流体流(111)驱动水力装置(112)。
  16. 16.根据权利要求15所述的系统,其中所述加压的流体流(472)是水。
  17. 17.根据权利要求15所述的系统,其中所述加压的流体流(472)是压缩空气。
  18. 18.根据权利要求15、16或17中任一项所述的系统,其中所述水力装置是产生电力 (114)的水力发电系统。
  19. 19.根据权利要求15、16或17中任一项所述的系统,其中所述水力装置是产生淡水流 和盐水流的脱盐系统(109),所述盐水流用于产生电力。
  20. 20.根据权利要求15、16、17或18中任一项所述的系统,其中驱动所述涡轮机的流体是 风、洋流、潮汐流或河流中的一种或多种。
  21. 21.根据权利要求15至20中任一项所述的系统,其中所述流体驱动的涡轮机(400、 402)被拴系在水下。
  22. 22.根据权利要求15至19中任一项所述的系统,其中从所述水力装置(112)排放的水 (121)在水厂(122)中用于区域冷却。
  23. 23. 一种方法,包括:A.将加压的海水源(110)用管道输送至脱盐处理(109),在所述脱盐处理中,所述水源 经过过滤处理,从而产生低压淡水流(113)和高压盐水流(111)B.将所述盐水流(111)用管道输送到水力发电设备(112)用于发电;C.将所述淡水流(113)用管道输送到水厂(122)用于饮用水或灌溉水和用于制冷的能 量;禾口D.使用从所述水力发电设备(112)排放的盐水流(111)用于制冷的能量。
  24. 24. 一种系统,其中由多个流体驱动的涡轮机所利用以产生动力的能量经由加压的流 体流将能量传输到公共的歧管(600、602、610),所述歧管(600、602、610)又通过传输管线 (612)将所述加压的流体流输送到岸上站,在所述岸上站中,所述加压的流体流驱动水力装 置(112)以用于大规模商用发电。
  25. 25.根据权利要求23或24所述的系统,其中蓄积器(614)设置在出口管(610)处,以 将能量存储能力整合到所述系统中;所述涡轮机通过将流体注入能量存储网的空气填充的空腔而使所述存储蓄积器(614) 加压,由此以压缩空气形式存储的能量储备用于将加压的流体流驱动到所述岸上站,在所 述岸上站中,所述加压的流体流驱动所述水力装置(112)以用于大规模商用发电。
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