CN102245892A - 将水电涡轮机紧固到布置场所的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供将水电涡轮机紧固到例如海底的布置场所以及大潮汐流的区域的方法，通过利用潮汐流在安装有涡轮机的底座的一个或多个支腿上产生向下作用的力，所述方法使得所述涡轮机能够被紧固地定位而不具有倒转或滑出适当位置的风险，但是不需要使用打桩或其它复杂的固定操作。

Description

将水电涡轮机紧固到布置场所的方法
技术领域
本发明涉及将水电涡轮机紧固到例如海底的布置场所以及大潮汐流的区域中的方法，所述方法使得涡轮机能被紧固地定位而不具有倒转或滑出适当位置的风险，但是不需要使用打桩或其它复杂的固定操作，从而显著地简化了这种涡轮机的安装。
背景技术
当前，并且在全球范围内，高度关注的是，CO2的排放对我们的环境正在引起破坏，尤其是由全球变暖造成的威胁。CO2排放的主要源头之一是通过化石燃料的燃烧进行大规模发电。然而，电是人类生存所必需的商品，因此在寻求进行大量发电的替代方法而无需使用化石燃料过程中有大量资源正在被耗费。尽管核能是一种这样的可选方案，大多数社会对于核电的负面影响不满，并且因此需要其它更多的可取方案。
因此近年来可再生能源已经引起了更多的关注，围绕太阳能动力、风能动力和潮汐能动力正在研发许多项目。在这些可选的能量形式中，假如潮汐流完全可预测且稳定，经论证潮汐发电是最有吸引力的，不像风能或太阳能相对间断且因此不太可靠。
然而，控制潮汐能确实具有其自身的挑战，特别是安装和维护潮汐电力发电机，例如水电涡轮机，由于水电涡轮机自身运行的特质，水电涡轮机必须定位在相对快流动的潮汐流中，并且更加期望定位在海底。这些条件显然不易满足并且不利于安全工作条件。安装有这种潮汐涡轮机的底座的安装通常采取将桩沉入海底，然后涡轮机或承载一个或多个涡轮机的辅助框架可以定位在该桩上。然而，在高潮汐流的区域中将桩沉入海底存在很大的问题且通常是危险的操作。另外，重大的钻孔打桩装备必须运送到安装场所处且在安装场所处工作，显著地增加了操作的复杂度和成本。
安装过程由于市场上越来越缺少执行这种钻孔工作的适当容器和装备以及从事潜水人员在高潮汐流动场所非常危险而进一步复杂化。
因此，本发明的目的是提供将水电涡轮机紧固到诸如海底的布置场所处的方法，所述方法使用易于获得的非专业的海上装备且不需要复杂且耗时的钻孔或类似准备性操作。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供将水电涡轮机紧固到布置场所处的方法，所述方法包括下述步骤：
将所述涡轮机安装到具有多个支腿的底座上；
将所述底座定位在海底的高潮汐流区域中；
利用通过潮汐流施加到涡轮机和/或底座上的力在底座上产生转动力矩，所述转动力矩迫使支腿中的至少一个穿透海底以便于诸如防止底座不期望的移动。
优选地，所述方法包括下述步骤：
将所述涡轮机定位在所述底座至少部分上方，以便于由于潮汐流对抗涡轮机而经历倒转力矩；
以及允许倒转力矩通过所述底座传递到所述支腿中的至少一个以便于迫使所述支腿抵住海底。
优选地，所述方法包括下述步骤：
使所述支腿中的至少一个穿透海底。
优选地，所述方法包括下述步骤：
利用由所述涡轮机在其运行期间产生的转矩来迫使所述支腿中的至少一个抵住海底。
优选地，所述方法包括下述步骤：
相对于潮汐流的方向定位所述底座，以使得当潮汐在第一方向上流动时迫使涡轮机的下游侧的至少一个支腿抵住海底，并且当潮汐流反向以在与所述第一方向基本相反的第二方向上流动时迫使涡轮机的下游侧的至少一个另一支腿抵住海底。
优选地，所述方法包括下述步骤：
所述底座设置有以大致三角形排列布置的三个支腿；
相对于潮汐流的方向定位所述底座，以使得所述支腿中的两个定位在涡轮机的下游侧并且其余的支腿定位在涡轮机的上游侧，并且当潮汐流的方向反向时反之亦然。
优选地，所述方法包括下述步骤：
相对于潮汐流的方向定位底座以使得涡轮机的下游侧的两个支腿沿着与潮汐流的方向基本成法向的轴线定位。
根据本发明的第二方案，提供水电涡轮机系统，所述水电涡轮机系统包括：涡轮机；底座，所述涡轮机能够安装在所述底座上，所述底座包括多个支腿，所述支腿中的至少一个定位为经历向下的力，当所述系统布置在海底的高潮汐流布置场所处时，所述向下的力由潮汐流施加到涡轮机和/或底座上的力产生。
优选地，所述底座包括以三角形取向排列的三个支腿。
优选地，三个支腿中的每个具有海底接触端，海底接触端的形状和尺寸设计为辅助穿透海底。
优选地，所述底座包括三角形形状的框架，支腿从所述框架的每个顶端延伸出。
优选地，所述支腿或每个支腿的海底接触端是尖的。
优选地，所述支腿或每个支腿的海底接触端包括翼片排列。
优选地，多个翼片围绕各个支腿的纵轴线以圆形排列布置。
优选地，每个翼片向内成锥形以使得翼片收敛到共同点处。
如本文中使用的，术语“海底”指的是除了诸如河床等任何适当水体的基底或底部之外的海底。
如本文中使用的，术语“潮汐流的方向”指的是潮汐流动的主要方向，由于潮汐退潮和流动将稍微偏离主要方向。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施方案的水电涡轮机系统的立体图；
图2示出了原位位于海底的图1中的系统的示意性侧视正面图；以及
图3示出了从图1中所示的底座的支腿形成部分中的一个的下方看到的立体图。
具体实施方式
现在参考附图，示出了通常表示为10的水电涡轮机系统，所述水电涡轮机系统适合于简化形成系统10的部分的水电涡轮机12到海底B的安装和维护，如图2所示。系统10进一步包括底座14，涡轮机12安装在底座14上，并且在图示的实施方案中底座14包括框架16，三个支腿18适合于从所述框架16伸出，如下文中描述的，以便在由于经过此处的水的潮汐流而作用于系统10上的力的影响下挤压且优选地穿透海底B。一旦支腿18挤压或已穿透海底B，系统10将适当地紧固到适当位置上，因此响应于经过此处的潮汐流不沿着海底B滑动或翻转。因此，将理解的是，特别是从系统10的构造和操作的随后描述中，在将系统10定位在海底B之前，不需要钻孔或其它准备性操作。这大大减少了安装和拆除系统10的时间、作用力和成本。
在图示的实施方案中，底座14的框架16为三角形形状且由一起限定三个顶端22的三个支柱20构成，支腿18中的一个在三个支柱20中的每个处或者与每个邻近处向下延伸。尽管框架16的三角形形状是优选的，从随后的说明将理解的是，框架16的形状可以进行很多改变，此外设置的支腿18的数量可以改变。
现在，特别参考图2，可以看出，每个支腿18包括海底接触端24，海底接触端24优选地向内成锥形指向点26。本文中术语“点”的使用不是要将构造限制为尖锐的尖端等，并且仅意指点26的尺寸足以使得每个支腿18的接触端24抓紧且优选地至少部分地穿透海底B，如下文中详细说明的。
在图示的实施方案中，每个接触端24包括多个锥形翼片28，四个翼片28设置为形成每个接触端24。当然，将理解的是，翼片28的数量和形状/取向可以进行显著地改变。翼片28的使用显著地减小了接触端24的截面面积，从而提高了端24抓紧、刺透或穿透海底B的能力。另外，一旦接触端24沉入海底B，翼片28将抵住在每个支腿18上的任何转动力矩，从而提高了系统10的稳定性。
然后转到本发明的操作，最初利用任何适当的容器(未示出)(例如由绳索等牵引的小艇)将系统10运送到布置场所。然后将系统10从所述容器(未示出)朝向海底B下降且下降到海底B，使得涡轮机12紧固到底座14。在接触到海底B时，三个支腿18的有尖接触端24将由于涡轮机12和底座14的重量向下作用到有尖接触端24上而牢固地抓紧到海底B上。在缺少在布置场所处经受的主要潮汐力的情况下，这种抓紧将足以防止系统10沿着海底B的不期望移动或滑移。然而，由于在布置场所处经受的主要潮汐力，由涡轮机12和底座14的重量实现的抓紧的程度可能不足以防止系统10的上述不期望移动。
因此，系统10设计为通过支腿18中的至少一个由潮汐流产生向下的作用力，从而通过底座14在海底B上产生增强的抓紧。这主要是通过将涡轮机12选择性地定位在底座14上支腿18中的每个之间的位置处来实现的。以此方式，无论潮汐流的方向如何，支腿18中的一个或多个将定位在涡轮机12的下游。参考图1，随着潮汐在第一方向A上流动，涡轮机12定位在两个支腿18的上游和其余支腿18的下游。水的潮汐流抵住涡轮机12将在底座14上产生转动力矩。因此，底座14像在围绕安装涡轮机12的点处枢转的杠杠一样起作用，并且由于一对下游支腿18的向外位置底座14将迫使那两个支腿18特别是支腿18的接触端24向下抵住海底B。所产生的力优选地足以使得两个下游支腿18穿透到海底B中，从而将系统10紧固地定位在适当位置上并且防止系统10沿着海底B滑移。在各个支腿的接触端24处产生的力的量可以通过增加或减小支腿18与涡轮机12间隔开的距离而改变，从而增加由框架16限定的有效杠杠的长度。涡轮机12在底座14的上方延伸的高度也是产生的转动力矩的大小的确定因素。因此，涡轮机12相对于底座14的高度可以被改变以改变所产生的力且因此改变支腿18的穿透程度，从而防止系统10不期望的移动。
系统10也优选地相对于潮汐流的主要方向定位，以使得一对下游支腿18的均定位在在与潮汐流的方向A大致成法向的线上。以此方式，均等的力施加到各个支腿18上，提高了底座14在海底B的稳定性。当潮汐反向而在相反的方向AA上流动时，位于涡轮机12的下游的两个支腿18现在将定位在涡轮机12的上游，而其余的单个支腿18现在定位在涡轮机12的下游。而且，抵住涡轮机12作用的潮汐流将产生转动力矩，这将使得框架16像杠杆一样起作用并且将该转动力矩传送成通过单个下游支腿18作用的向下的力。而且，该向下的力将使得所述支腿18的接触端24的牢固地抓紧和/或穿透到海底B中，从而防止系统10的不期望移动。
除了上述产生的力之外，涡轮机12在潮汐流中运行且经受旋转而发电。结果，由涡轮机12产生转矩。而且，支腿18相对于涡轮机12的定位将使得该转矩通过底座14向下传送到支腿18中，从而进一步增加由支腿18经受的向下作用的力。因此，涡轮机12的操作抵住沿着海底B的不期望移动而进一步起作用将系统10紧固到适当位置上。
如上所述，除了支腿18的数量之外，只要保持上述功能，框架16的形状可以改变。然而，使用三个支腿18确保，无论海底B的轮廓的不规则性如何，所有三个支腿18将接触海底B从而为系统10提供稳定性。另外，使用三个支腿18是允许将系统10稳定地定位在海底B的最小数量的支腿。因此，这使得由各个支腿18施加到海底B上的压力最大化，从而实现穿透海底B。尽管可以设置附加的支腿18，这将减小由各个支腿18施加的压力。因此，将理解的是，使用三角形构造的三个支腿18为系统10提供了多种益处。
如上文详述地，系统10通过适当的装置运送到安装场所且下降到海底。系统10朝向海底B下降且下降到海底B，如图2中所示。在该点处，由于支腿18的三角形布置，每个接触端24将自动地接触海底B，以使得系统10自动地找到最稳定的位置。一旦将系统10在潮汐流中定位在海底B上，由于上述杠杆效应，各个接触端24连同端24的形状和构造一起，将穿透海底B，无论海底B是否为岩石。这种穿透可以从图2中清除地看到。系统10最终将在各个支腿18某种程度的穿透之后固定。在该点处，系统10完全紧固到适当位置上，并且无论作用于系统10上的潮汐流如何，系统10将不沿着海底B滑动，并且除此之外不离开固定位置或倒转。
当下降系统10时，有利的是使得“前方”支腿18首先下降。这将允许10围绕该支腿18旋转(通过操纵当将系统10下降到海底B时使用的容器)，直到系统10已到达正确的方位，从而使涡轮机12与潮汐流一致。在该点处，后方的两个支腿18被下降。这种方法可能意味着，前方支腿18可不具有翼片28，因为翼片28将使得更加难以旋转前方的支腿18。
因为由于系统10的构造和操作使得不需要钻孔或其它准备操作，因此系统10的设计允许涡轮机12在系统10在布置到海底B上之前能被预先安装在底座14上。如果为了将系统10紧固到适当位置上而需要例如打桩等钻孔或其它操作，那么在这个操作过程中安装到到系统10的任何涡轮机12受到损坏的危险度高并且因此不是可用的选择。因此，将理解的是，本发明的系统10提供了优于将潮汐涡轮机安装到海底的现有技术方法的许多优点。
由于支腿18的设计，并且特别是成锥形的接触端24，在涡轮机或底座14需要维护的情况下，系统10还能够通过适当的吊升装置(未示出)被提升而离开海底B。一旦已经完成这样的维护，系统10仅被下放回到海底B，其中底座14将再次自动地穿透海底B以将其自身紧固到适当位置上。因此，不需要将系统10精准地重新定位在为了维护而从其拆除的位置处。这显著地降低了重新定位系统10时所需的精度，从而减少了完成该任务所花费的时间。

Claims (14)

1.一种将水电涡轮机紧固到布置场所的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述涡轮机安装到具有多个支腿的底座上；
将所述底座定位在海底高潮汐流的区域中；
利用由潮汐流施加在所述涡轮机和/或所述底座上的力在所述底座上产生转动力矩，所述转动力矩迫使所述支腿中的至少一个穿透海底以便于诸如防止所述底座的不期望移动。
2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：
将所述涡轮机定位在所述底座至少部分上方，以便于由于潮汐流对抗涡轮机而经历倒转力矩；
以及允许倒转力矩通过所述底座传递到所述支腿中的至少一个以便于迫使所述支腿抵住海底。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
利用由所述涡轮机在其运行期间产生的转矩来迫使所述支腿中的至少一个抵住海底。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
相对于潮汐流的方向定位所述底座，以使得当潮汐在第一方向上流动时迫使涡轮机的下游侧的至少一个支腿抵住海底，并且当潮汐流反向以在与所述第一方向基本相反的第二方向上流动时迫使涡轮机的下游侧的至少一个另一支腿抵住海底。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
所述底座设置有以大致三角形排列布置的三个支腿；
相对于潮汐流的方向定位所述底座，以使得所述支腿中的两个定位在涡轮机的下游侧并且其余的支腿定位在涡轮机的上游侧，并且当潮汐流的方向反向时反之亦然。
6.根据权利要求5所述的方法，包括以下步骤：
相对于潮汐流的方向定位所述底座以使得所述涡轮机的下游侧的两个支腿沿着与潮汐流的方向基本成法向的轴线定位。
7.一种水电涡轮机系统包括：涡轮机；底座，所述涡轮机能够安装在所述底座上，所述底座包括多个支腿，所述支腿中的至少一个定位为经受向下的力，当所述系统布置在海底的高潮汐流布置场所处时，所述向下的力由潮汐流施加到所述涡轮机和/或所述底座上的力产生。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述底座包括以三角形取向排列的三个支腿。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述三个支腿中的每个具有海底接触端，所述海底接触端的形状和尺寸设计为辅助穿透海底。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的系统，其中，所述底座包括三角形形状的框架，支腿从所述框架的每个顶端延伸出。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的系统，其中，所述支腿或每个支腿的海底接触端是尖的。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的系统，其中，所述支腿或每个支腿的海底接触端包括翼片排列。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，多个翼片围绕各个支腿的纵轴线以圆形排列布置。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中，每个翼片向内成锥形以使得翼片收敛到共同点处。
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