CN102203347B - 用于安装潮汐堰坝的方法和装置 - Google Patents

Abstract

横贯一个水体安装堰坝用于从潮汐或水流的流动中发电的方法和模块，该堰坝是由一系列的模块(12)形成的，每个模块包括：一个基底结构(18)，该基底结构以一种间隔开的、并列的安排来承载多个基本上直立的管结构(22)；以及一个板面结构(32)，该板面结构横贯这些管结构的顶部而延伸并且由至少两个管结构支撑，该方法包括：在基本上垂直于该水流的流动方向上横贯该水体的底床准备一系列的基础平台，每个基础平台提供了一个基本上平的基底，在该基底上可以定位一个或多个模块的基底结构；并且在这些平台上将一系列模块并列定位，这样使得每个模块的基底部分放置在一个平台上并且使得每个模块的板面结构与其相邻模块的板面结构位于基本上相同的高度上。

Description

用于安装潮汐堰坝的方法和装置

技术领域

本发明涉及堰坝的建造，这些堰坝可以用来从潮汐流或水流的流动中提取能量用于发电。背景技术

已经有许多提议将水体中的潮汐流动或水流的流动为一种无污染的发电方式来用于发电。这类系统已涉及使用一种叶片，通过这种流动可以引起该叶片的振动，而一种机械传动系统将这种振动转换为旋转运动。这类系统面临多个问题，如：它们在机械上是复杂的、要求调谐的行为，并且它们通常不能从其他类型的运动中提取能量。

其他系统以一个大的水下推进器为特征，该水下推进器类似于一个风车，但用于水流而不是风流。为了使扫掠的圆盘得以暴露于最大入射流能量之中，这些翼片必须是很长的，这进而要求复杂的设计和材料以适应翼片根部处的应力。

已经有人提出离岸式潮汐堰坝通过在围阻墙后面将水流俘获并且将其以漏斗式导流经过具有小得多的截面面积的涡轮来集中大截面水流的入射能量，如在常规的水坝中一样。此类堰坝(典型地横贯潮汐河口)是非常昂贵的并且对环境有破坏性。

对于所有这些系统的一个共同的问题是应对海洋或其他水体的充分大的截面以使产生工业规模上的电力是可能的。此外，末端或边缘效应可以使水流更易于绕过定位于水流中以便从中提取能量的任何结构而不是经过该能量提取系统。可以通过使一种设施非常大来减弱这个问题，但这进而可以导致进一步的复杂性和费用并且可能超过当前的工程学能力极限。

WO 2008/015047披露了用于转换来自波浪流或水流的流动的能量的改进的装置，其中将一系列管道安排为限定了文丘里管。在这些管道之间的水的流动致使文丘里管起到多个泵的作用，这些泵通过这些管道将水抽起(这些管道是由一个歧管流动导管供水)并且驱动一个叶轮。该系列的管道被安排为形成具有垂直面的多个阵列，这些阵列进而被架设在海床上以形成堰坝。

本发明通过提供一种模块化构造来寻求克服以上关于潮汐堰坝概述的这些缺陷中的一些，从而允许与通过先前设计所可能的情况相比更容易的安装。此外，通过从河岸到河岸横贯一个河口或者从海岸到海岸横贯一个海峡来安装堰坝消除了末端和边缘效应。本发明是基于一种在WO 2008/015047中在广义上披露的技术的模块化应用。发明披露

本发明的一个第一方面提供了一种横贯水体安装堰坝以便从潮汐或水流的流动中发电的方法，该堰坝是由一系列模块形成的，这些模块各自包括：一个基底结构，该基底结构以一种间隔开的、并列的安排承载多个基本上直立的管结构；以及一个板面结构，该板面结构横贯这些管结构的顶部而延伸并且由至少两个管结构支撑，该方法包括：在基本上垂直于潮汐或水流的流动的方向上横贯该水体的底床准备一系列的基础平台，每个基础平台提供一个基本上平的基底，在该基底上可以定位一个或多个模块的基底结构；并且将一系列模块并列地定位在这些平台上，这样使得每个模块的基底部分放置在一个平台上并且每个模块的板面结构与其相邻模块的板面结构位于基本上相同的高度上。

横贯水体的整个宽度的一种全部深度的堰坝的构建是通过确保入射流被引导通过该堰坝而由此消除边缘损失来维持弓形波效应。维持上游弓形波允许超过贝兹极限的势能到电能的转换。

每个基础平台优选是由定位在该水体的底床的一个线性护岸形成的，该方法进一步包括改变邻近每个护岸的底床的轮廓，这是通过清淤和/或倾倒材料来与其形状相匹配而实现的。

每个模块的基底结构可以通过灌浆而固定到该基础平台上。

可以使每个模块浮动进入在其对应的基础平台上方的位置中并且通过对该模块受控的淹没使它下降到位。在一个实施方案中，每个模块的基底包括一个歧管，并且这些管筒结构连接到该歧管上并且沿它们的侧面具有一系列的孔，在发电的过程中水可以穿过这些孔而流动。在这种情况下，这种安装方法可以包括当该模块浮动进入合适的位置时临时地将这些孔封闭，并且然后一旦安装了该模块则将这些孔完全打开。

在一个优选的实施方案中，该方法进一步包括在两个模块之间形成一个船闸以便允许水面船只通过这个堰坝。该方法还可以包括在该板面结构上形成一条道路、铁路或飞机起落跑道。

多个模块可以选自在该基底单元之上具有不同板面高度的一组模块，该模块是根据有待将它定位在其中的水的深度来选择的。

本发明的一个第二方面提供了在根据本发明的第一方面的方法中使用的一种模块，该模块包括：一个基底结构，该基底结构限定了一个歧管；在该歧管中的一个入口，该入口容纳了一个叶轮，该叶轮被连接为用来驱动一台发电机；以一种间隔开的、并列的安排架设于该歧管上以便连接到其上的多个基本上直立的管结构，每个管具有沿其面向它相邻管的一侧所形成的一系列的孔，这样使得在邻近的管之间的流动引起一种文丘里效应，从而使得水通过这些孔从该歧管中抽出，以此导致水通过该入口被抽入该歧管中以便驱动该叶轮；以及一个板面结构，该板面结构横贯这些管结构的顶部而延伸并且由至少两个管结构支撑。

该发电机典型地位于该板面结构处或在其附近。

这些管结构中的至少一些终止于该板面之下，这样使得在使用中它们位于正常的高水位之上但是与其接近。

本发明的一个第三方面提供了在根据本发明的第一方面的方法中使用的一种模块，该模块包括：一个基底结构，该基底结构限定了一个歧管；在该歧管中的一个入口，该入口容纳了一个叶轮，该叶轮被连接为用来驱动一个液压泵；以一种间隔开的、并列的安排架设在该歧管上以便连接到其上的多个基本上直立的管结构，每个管具有沿其面向它相邻管的一侧所形成的一系列孔，这样使得在邻近的管之间的流动引起一种文丘里效应，这样使得水通过这些孔从该歧管中抽出，从而导致水通过该入口被抽入该歧管中以便驱动该叶轮；以及一个板面结构，该板面结构横贯这些管结构的顶部而延伸并且由至少两个管结构支撑。

该液压泵可以用来驱动一个高压水泵。

从以下说明中，本发明的另外的方面将是清楚的。附图简要说明

图1示出了多个SMEC管筒，它们在一个序列中排齐以形成一个横贯潮汐流的堰坝装置；图2示出了一个SMEC管筒的侧视图；图3示出了一个SMEC管筒的鸟瞰图；图4示出了多个SMEC堰坝模块，它们被首尾相连放置以便形成横贯典型的河口或海峡的堰坝；图5示出了一个SMEC堰坝模块的截面图；图6示出了一个SMEC堰坝的标准模块；图7示出了运行中的一个SMEC堰坝的总体视图；图8、图9、图10、图11和图12示出了正在构建的一个SMEC堰坝；图13示出了被结合到该SMEC堰坝中的一个船闸；并且图14示出了根据本发明的一个模块的一个第二实施方案。用于实施本发明的一种(多种)模式

本发明是基于在WO 2008/015047中广义上披露的技术，该技术说明了用于使用水体中的潮汐、波浪或水流的流动进行发电的装置，该装置包括：具有第一管道和第二管道的一种安排，每个第一管道配备有沿其长度间隔开的一系列的孔，并且这些第一管道是相对于这些第二管道安排的，这样使得在这些孔附近在相邻的第一管道与第二管道的这些壁之间定义了一种文丘里管。提供了一种流动导管，该流动导管具有一个入口和一个出口，其中一个叶轮被定位在该流动导管中；并且一台发电机被连接到该叶轮上。来自该水体的水可以通过该入口而进入该流动导管中，并且这些第一管道被连接到该流动导管的出口上，这样使得经过该第一和第二管道的安排的水的流动导致这些第一管道起到文丘里泵的作用，从而诱发经过这些孔而来自这些第一管道内部的流动，以便通过该流动导管而抽引水并且驱动该叶轮。

术语“谱系海洋能量转换器”(SMEC)被用来定义这种技术。单词“谱系”表示能量是从在这些管道之间的任何水的运动中提取的而无论入射能量的频率如何。大多数其他波能装置依赖通过使该装置调谐为以便在其周围波谱的能量密度预期是峰值的频率上产生共振来提取能量。相比之下，SMEC是“全谱系”的。它甚至在零频率(即，潮汐流动)处都是工作良好的。

本发明的基本原理是横贯河口或海峡将一系列的SMEC模块对齐以形成一个堰坝。这些SMEC模块能够经由文丘里管通过驱动叶轮单元来从潮汐或水流的流动中发电。本发明的一个第二实施方案是提供一种用于支撑一条公路或铁路的平台。

图1示出了横贯潮汐流设置的一系列的SMEC管筒1，这些管筒可以具有打开或关闭的顶部。从水表面的水位5到管筒内的水位7的落差3是由文丘里效应引起的。这引发一个次级流9经过这些槽缝11流出。这种横贯很大数目的文丘里孔口的小的压力降导致了一个大体积、大的截面面积、低速度的次级流13通过歧管管系15。这种大型水体的缓慢移动是由通过具有显著较小的截面积的护罩17而流经该叶轮的水来进给的，以便提供比该歧管更高的一种局部流速。槽缝11、歧管管系15以及护罩17的总的截面面积被选择为以便增加该压力降并且根据伯努利定理使功率输出最大化。这种设计的自由度允许该叶轮被优化为以高效率以及令人希望的应力水平来运行。

图2示出了运行中的一个SMEC堰坝的侧视图；示出了潮汐19的方向。该SMEC堰坝的实体的存在引起上游水表面水位以一个弓形波21的方式上升。这个弓形波是由于该压力差所引起的水不能经由这些槽缝流过该SMEC管筒所引起的。所引起的压头差23允许在一个仅在提取动能的装置的上效率极限(已知为贝兹极限)之上的势能到有用功率的转换。

增加SMEC堰坝的实体长度通过防止在该装置边缘的旁路损失(由此入射流被转向绕过堰坝而不是通过该堰坝)而维持了这种弓形波效应。由于弓形波的高度不是与SMEC堰坝的长度线性地成比例的，在该装置边缘处的准恒定的能量损失被分摊在增加的总的能量输出上。此外，横贯河口从河岸到河岸或者横贯海峡从海岸到海岸安装一个大型的SMEC堰坝将会展现零边缘损失，因为旁路流将被消除。

图3示出了由低压力27所引起的多个次级流路径25。潮汐流19经过文丘里管29而流动并且根据伯努利定理(Bernoulli′s Theorem)展现出一个压力降。

图4示出了一个典型的河口或海峡的截面，在该截面中可以安装一个堰坝。该河床已经被准备具有多个基础平台10，其上能以一种首尾相连的安排来放置多个SMEC堰坝模块12以便形成该堰坝。该堰坝还可以结合一个船闸14以允许航运通过。将每个SMEC模块12的管道或管筒的长度选择为适合于在水位下方准备的基础的深度以达到将这些模块的上部维持在基本上处于相同的高度的目的。

被SMEC堰坝横穿的水流的截面面积不受结构长度考虑的限制，如水下涡轮的情形，其大小受叶片中或叶片根部附近的应力的限制。通过增加无限地可按比例伸缩的SMEC的大小可以使得在SMEC堰坝中所引起的次级流的体积与所希望的一样大。因此，由SMEC阵列转换为电功率的潮汐流功率也是无限可调节的，唯一的约束是对于堰坝可供使用的潮汐流的截面积。

图5示出了安装在其基础平台10上的一个SMEC堰坝模块12的截面。每个平台是通过在河床或海床中打板桩一个线性护岸16以适应基底部分18的宽度来形成的。河床或海床是通过清淤和/或倾倒碎石20来改变轮廓以便防止河床被侵蚀并且引导水流通过SMEC模块。

每个SMEC堰坝模块12是在一个临时或当地的码头中由混凝土和/或钢材制成的，以便能够利用滑移成形法以及其他的节省成本的制作技术。典型地将每个模块的大小选择为使它们在部署的区域中是常见地可用拖船牵引的。

模块12的基底部分18限定了一个歧管，空心的管筒部分22从中其延伸。基底部分中的一个入口容纳了一个叶轮，该叶轮用来定义一个涡轮部分24。叶轮通过一个轴28被连接到位于该模块顶部的一个发电机模块26上。当该模块在位时，这些管筒部分22包含了位于潮汐水位以下的多个槽缝30。作为水被迫经过由相邻的管筒部分所定义的一系列文丘里管的结果，该叶轮受通过该歧管所引导的水流的驱动。经过文丘里管的增加速度的水从这些槽缝30中抽引水，它进而经过该入口及歧管来抽引水。叶轮进而驱动叶轮轴28，该叶轮轴对发电机26提供动力。

在本发明的另一个实施方案中，该叶轮可以驱动一个液压泵。由次级流转换的液压动力可以用来驱动一个液压马达，该液压马达可以用来驱动机器或用来产生电力。将一个液压储能器结合在该回路中而允许从次级流转换的能量的存储。这个能量可以随后在需要时使用，从而确保能量需求不依赖于同时发生的发电。可以通过将一个高压水泵连接到该液压泵上来实现同样的调整效应。被泵送的水可以用来填满一个高架水槽。当需要时，这种水可以用来驱动一台由静液压力供能的涡轮驱动的发电机。以这种方式，仅当需要电力时才使用该发电机，并且潮汐和需求周期可能是完全断开联系的。

多个铺设的顶部段32被定位在SMEC堰坝模块12的顶部。一旦SMEC堰坝模块被首尾相连地排列，它们就被连接而形成一条马路或铁路。这些铺设的顶部段32额外地用于帮助结构的完整性。在本发明的另外的实施方案中，这些铺设的顶部段可以形成大的应用，如与航站楼设施一起的飞机跑道。机场可以位于部分地横贯河口或海峡的一个人造岛上，其中它的跑道与SMEC堰坝成直角。

图6示出了一个SMEC堰坝12的标准模块。将这些管筒22的高度选择为适合于在水面下所准备的平台基础的深度(潮汐区域中的高水位)。水从位于管筒的弦线中点的这些文丘里槽缝中流入较低的压力区域中，从而导致一个次级流经过歧管18、叶轮入口34以及多个叶轮36，该次级流驱动这些发电机26。

图7示出了运行中的一个SMEC堰坝的总体视图，其中示出了三个模块12a、12b、12c。下游的生态系统未受到严重影响；因为SMEC的主要效应是潮汐周期中的仅有一次的延迟，而固体堰坝改变了该潮汐周期的时间轮廓的形状。

图8、图9、图10、图11和图12示出了正在构建的一个SMEC坝。通过清淤和/或倾倒岩石来改变河床或海床的轮廓，并且通过如上所述的在河床或海床中打板桩多个线性护岸16而形成基础平台。这些SMEC堰坝模块12的槽缝30被临时地封闭以便形成一个具有歧管(该歧管具有多个封闭端)的浮力室。这些模块被拖船38拖拽入位。一旦模块在它的护岸16上方定位，该模块由通过适当的阀门控制的多个入口的受控的淹没而下降到位。可替代地，这些槽缝30和叶轮入口34是未封闭的以便协助对该结构的受控的淹没并且将该模块下降到位。将该模块下降到这些被预先驱动的打板桩的护岸16之间的位置中。一旦该模块在该基础上就座，用泥浆40将SMEC堰坝模块周围或下面的任何间隙封闭。这些模块12仅需在公路或铁路高度上彼此连接。当几个SMEC堰坝模块12是在位时，通过倾倒岩石而在每侧准备一个有轮廓的岩石斜坡42。

图13示出了被结合到SMEC堰坝中以允许航运通道的一个船闸14。该船闸可以将一个升降桥、平旋桥或高架桥44合并在公路或铁路中。处于关闭位置中的船闸门46可以起作用来增加流速并且通过这些SMEC堰坝模块来引导水流，从而导致增强的发电量。

图14示出了SMEC模块的另一个实施方案，其中多个管筒22a被截去顶端以便刚好在正常高水位上方结束。其他管筒22b延伸以便支撑板面32。被截去顶端的管筒22a允许巨浪(如风暴潮、异常潮汐、暴涨潮以及洪水潮)在这些管筒上方(但在道路之下)无害地通过，从而限制了施加在模块上的负荷以及可能由堰坝约束流引起的上游洪水效应。SMEC堰坝具有的额外优点是对环境较少的破坏。SMEC堰坝稍稍修改了上游的潮汐周期而不是通过将水集中在围阻墙之后将它完全阻止；本方法采用了常规的潮汐堰坝。此外，SMEC堰坝还是更轻的并且是更廉价的，并且能够通过允许在两个方向上的流动并且允许大浪无障碍地通行来承受整个潮汐变化范围的倾覆力矩。

Claims (15)

1.一种用于形成横贯水体堰坝以便从潮汐或水流的流动中发电的模块，该模块包括：

一个基底结构，该基底结构限定了一个歧管；

在该歧管中的一个入口，该入口容纳了一个叶轮，该叶轮被连接为用来驱动一台发电机或一个液压泵；

以一种间隔开的、并列的安排架设于该歧管上以便连接到其上的多个基本上直立的管结构，每个管具有沿其面向它的相邻管的一侧形成的一系列的孔，这样使得在邻近的管之间的流动引起一种文丘里效应从而使得水通过这些孔从该歧管中抽出而导致水通过该入口被抽入该歧管中以便驱动该叶轮；以及

一个板面结构，该板面结构横贯这些管结构的顶部而延伸并且由至少两个管结构支撑。

2.如权利要求1所述的模块，其中该板面结构包括一个道路、铁路或飞机起落结构。

3.如权利要求1或2所述的模块，其中这些管结构中的至少一些终止于该板面之下，这样使得在使用中它们位于正常的高水位之上但是与其接近。

4.如权利要求1所述的模块，包括所述的发电机，其中该发电机是位于该板面结构处或在其附近。

5.如权利要求1所述的模块，包括所述的液压泵，其中该液压泵被连接到一个高压水泵上。

6.一种用于从潮汐或水流的流动中发电的堰坝，包括多个如权利要求1至5任何一项所述的模块。

7.一种横贯水体安装如权利要求6所述堰坝以便从潮汐或水流的流动中发电的方法，该方法包括：

在基本上垂直于潮汐或水流的流动的方向上横贯该水体的底床准备一系列的基础平台，每个基础平台提供了一个基本上平的基底，在该基底上可以定位一个或多个模块的基底结构；并且

将一系列模块并列地定位在这些平台上，这样使得每个模块的基底部分放置在一个平台上并且每个模块的板面结构与其相邻模块的板面结构是位于基本上相同的高度上。

8.如权利要求7所述的方法，其中该堰坝是横贯该水体的整个宽度安装的。

9.如权利要求8所述的方法，包括维持一个上游的弓形波以允许超过贝兹极限的势能到电能的转换。

10.如权利要求7所述的方法，其中每个基础平台是由定位于该水体的底床上的一个线性护岸形成的，该方法进一步包括改变邻近每个护岸的底床的轮廓，这是通过清淤和／或倾倒材料来与其形状相匹配而实现的。

11.如权利要求7所述的方法，其中每个模块的基底结构是通过灌浆而固定到该基础平台上。

12.如权利要求7所述的方法，包括使每个模块浮动进入在其对应的基础平台上方的位置中并且通过对该模块受控的淹没使它下降到位。

13.如权利要求12所述的方法，包括当该模块被浮动进入合适的位置时临时地封闭这些孔并且然后一旦已经安装了该模块则将这些孔完全打开。

14.如权利要求7所述的方法，进一步包括在两个模块之间形成一个船闸以便允许水面船只通过该堰坝。

15.如权利要求7所述的方法，其中多个模块是选自在该基底单元之上具有不同板面高度的一组模块，该模块是根据有待将它定位在其中的水的深度来选择的。

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