CN103119288B - 从流动的液体中提取能源的设备 - Google Patents

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Abstract

拦河坝设备是一种通过利用一个或多个浸没式拦河坝阻挡水流并将加速水流引向下游的涡轮机电能输出模块来从流动的液体中提取能源的装置,同时提供了一种相应的能源提取方法。水流速度的加快不仅能增加可提取能源的动能,动能的增加为从低速水流现场中提取能源提供了可能性,而且能促进低成本小型海流涡轮机的使用,为从流体流中提取可再生能源提供了一种环境上合理、高效、具有成本效益的方法。

Description

从流动的液体中提取能源的设备
技术领域
[0001] 本发明涉及一种从流动的液体中提取能源的方法和设备,尤其涉及一种可提高从流动的液体中提取能源的效率的改进方法。
背景技术
[0002] 利用化石燃料发电引起的气候变化、环境成本和环境影响等全球性问题促使人们寻求清洁高效的可再生能源技术以满足当今的发电需求。从河流、洋流和潮汐中提取能源为清洁可再生能源的供应提供了选择。
[0003] 虽然现有的很多海流涡轮机技术能够发电,但大部分会产生过高的资本和维修费用,使得无法长期进行切实可行的电力供应。过去,水轮机用于通过拦挡水发电的水电设备。岸到岸挡潮闸对潮流采用相同的拦挡方法以使河床水流在流经安装拦河水坝内的涡轮机时产生液压水头。这两种情况下,涡轮机均用于驱动发电机。虽然水坝和拦河坝均能有效发电,但会产生大量的费用和环境成本,因此需要提出更佳的解决方案。
[0004] 海流发电的进一步发展是,提议利用明流拦河坝在明流或明海流中运行发电。明流拦河坝包括多个大型的墙壁结构,拦河坝墙壁中设置开口用于容纳涡轮机或者涡轮机堆放在一起构成拦河坝墙壁。通常,明流拦河坝虽然能发电,但不能像传统的水坝或拦河坝一样高效地引导水流,这是因为液体形态不固定而对外界压力,如来自拦河坝的压力,具有很小的抵抗力,因而绕过拦水板和涡轮机流动,产生的压力可能会限制水流流向涡轮机,从而限制效率和降低潜在电能的提取。
[0005] 海流发电的另一种方法是利用低水头水轮机在自由流动水流中运行发电,无需建造拦河坝。开式涡轮机需冲击较大面积的水流以从流体流中得到具商业利益的电能供应。此类螺旋桨涡轮机置于流动的股流中,液体倾向于绕过捕能装置流动而不是从捕能装置中流过,因而对涡轮机造成一定的限制。为克服这一限制,涡轮机设置直径很大约20米的转子。此类大型涡轮机必须经过精密设计以承受压力负荷和恶劣的海洋环境,而产生相当高的费用和维修成本,因此会影响电力供应成本。
[0006] 较新近的发展是使用通过涡轮机周围的压差产生文丘里效应的自由流动管道式涡轮机。这些类型的文丘里涡轮机管道声称其效率比开式涡轮机高三倍多。然而,若要提取足够量的能源以供商营,就需使用大型涡轮机,这就意味着要使用大型管道。这些管道由于其体积之大和轴向力作用在浸没式装置上而需使用昂贵坚固的钢结构,因此须对其进行精密设计。
[0007] 下一代流体能源提取装置应产生较低的费用和运行成本以提供商业上切实可行的可再生能源。针对这一系列问题,设计出精良的解决方案,具有各种挑战,但同时也带来了无限的机遇。
[0008] 发明目的
[0009] 本发明的一个目的在于至少克服上述一个或多个劣势和缺点,或至少向公众提供一种有用的替代物。
[0010] 通过以下说明,可以清楚了解本发明更多的目的。
发明内容
[0011] 这种形式的拦水坝设备(这种形式不一定为唯一形式,或确实可有更广泛的形式)提供了一种可提高引向涡轮机的流体流(所述涡轮机用于从流动的水流中提取能源)的速度的方法和设备。流体流中的动能由水流的运动和速度产生。速度越快,动能就越大。若流速增加一倍,潜在电能输出会增加约八倍,因为潜在电能是水速三次方的函数。对于海洋能源产业来说,从流动的液体中提取能源的主要限制是很难获得足够高的流速进行高效发电。全球范围内,高速水流场所还很有限。流速低于每秒两米的水流一般不认为可切实用于商业发电。
[0012] 因此,本发明的一种形式在于从流体流中提取能源的拦河坝设备,其中,设备包括:拦河坝,其表面可加快流经该表面的流体的速度,和至少一个涡轮机模块,所述涡轮机模块具有进水口、出水口和涡轮机,其中,所述进水口与表面间隔设置;所述加速的流体能流入进水口,使涡轮机运行,然后从出水口流出;表面和进水口之间的间隔界定了分路开口,所述分路开口引导加速的流体通过涡轮机模块和出水口,促进流体流过涡轮机模块。
[0013] 本发明的一个实施例在于使用浸没式障碍物或拦河坝(以下简称拦河坝)这种方法,所述浸没式障碍物或拦河坝由人造不透水的固体几何模型构成。拦河坝作为重力坠入式装置浸没在密度比其小的流体中运行,或作为轻型装置浸没在密度比其大的流体中运行。流体流寻找阻力最小的路径,绕过障碍物或阻塞物流动。水流绕过障碍物的这种流动性对明流海洋能源提取装置的效率起到了一定的限制作用。流体倾向于绕过捕能装置流动而不是从捕能装置中流过。该拦河坝设备通过设置上游拦河坝以冲击较大面积的水流,而该拦河坝则阻挡部分加速水流并将其引进或绕过下游涡轮机的方式来克服这一限制性。拦河坝与方向转变的进来水流产生透镜效应,形成速度增加的高速水流区。动能从较大区域集中到较小区域可较理想地使绕过涡轮机的流速高于自由水流的速度。速度增加的水流驱动与发电机连接的涡轮机,发电机通过浸没在水中的电缆向电网或其它最终用户提供电能。可选择使用内部容纳多个小型低成本横流式水轮机电能输出模块的分散管,以增大拦河坝中的加速水流。分散管可确保拦河坝和管道之间有足够的空间以保证大量的水流不受阻碍流入或绕过分散器流动。
[0014] 更具体地说,拦河坝改变总体水流的方向使其形成两股水流,这两股水流沿界定在拦河坝底板和顶板内的拦河坝面引导,然后从阻力最小处流出,所述阻力最小处是拦河坝各端的开口末端。这两股高速水流流出拦河坝,然后向下游流向设在拦河坝下游的低压区的两侧。拦河坝可选择使用多个涡轮机构成拦河坝设施,其中涡轮机连接在拦河坝的下游端或独立地设在离拦河坝有一段距离的地方,这样顺流而下的高速水流可冲击这些涡轮机。优选采用横流式达里厄型涡轮机,也可适当采用现有技术中已知的其它类型的涡轮机。通常,涡轮叶片与轴连接,在流体流的作用下绕垂直轴转动,使轴发生转动。涡轮机优选包括一个与涡轮机轴直接或间接连接的电能输出装置。电能输出装置可包括齿轮装置和发动机,发电机通过现有技术中已知的合适装置将电能通过电缆输送给电网或其它最终用户。涡轮机和电能输出模块优选安装在独立的模块结构中,以便可单独安装在拦河坝设施中或从中拆下进行维修、维护或更换。可使用不同类型的涡轮机,根据场所和施工要求水平或垂直安装。引导顺流而下的水流冲击涡轮机的速度由拦河坝置于其中的总体水流的速度和拦河坝的尺寸来决定拦河坝尺寸越大,顺流而下的水流的速度就越大。速度越快,涡轮机提取的能源的动能就越多。拦河坝设施提供了一种更高效的电能提取方法。在同一个流体流中浸没相同的涡轮机,其中一个涡轮机设在拦河坝的下游,通过这种方式产生的电能比不受拦河坝作用的涡轮机产生的要多。若下游涡轮机装在管道中,拦河坝设施可更高效地提取能源。本发明的实施例能在河流的单向水流、某些海流和双向水流中运行,在涨潮和退潮时提取能源。可使用多种结构的拦河坝和涡轮机进行各种排列构成能源提取农场。
[0015] 根据本发明的拦河坝可有各种实施例,包括轻型设备(即其密度小于水的密度)、固定在重力坠入式基座上的轻型设备(即基座的密度大于水的密度)或重力坠入式设施(即拦河坝建造材料的密度远大于水的密度)。轻型拦河坝和涡轮机设备优选为由拦河坝、涡轮机电能输出模块和漂浮装置构成的一体结构。轻型拦河坝设备除了有引导和加速流体流向涡轮机的速度的功能外,还可作为该设备的漂浮装置的密封船舶。或者,该轻型设备可安装其它漂浮/压载箱。该设备优选浸没在流体流中达到中性浮力,通过向漂浮箱或漂浮拦河坝栗入压缩空气或水得到期望的浮力水平。该设备可固定在海中或河床上,或固定在驳船或其它船舶的下面。海洋石油勘探中开发了各种锚固方法,这些方法在现有技术中为人们所熟知。拦河坝设备优选采用结构合理、坚固、轻型材料制造而成,如管状钢、钢板、管状铝、铝板、土工布、塑料、玻璃纤维、复合纤维、合成材料或其它不锈高强度材料。或者,轻型拦河坝设备可安装在用混凝土或其它密度大于水的合适材料制成的重力坠入式基座上,这样该设备可坠入河床或海床适当位置处。以上两种形式的轻型设备采用上述材料制造,与现有或提议的海洋电能提取设施相比,更便宜。上述轻型设备的优点是,可从现有供应商现货购买或制造,采用扁平式包装和储存以便现场装配和使用,且此类设备的安装成本很少。另一优点是该轻型设备纳入了漂浮装置,所述漂浮装置可从重力坠入式基座上拆下在海上地基表面进行维修、维护或更换,维修、维护或更换完成后可及时重新安装到浸没式基座上。
[0016] 重力坠入式拦河坝设施(其密度远大于水的密度)设在海床、河床或运河或其它有流动流体的人造河道上。拦河坝优选为一个使用寿命大于40年的人造固定结构,成一个可改变和加快流向涡轮机模块的水流流速的密度较大不透水块状物。重力坠入式拦河坝通常用混凝土建造形成固体结构或用其它密度合适的不透水材料建造,所述密度合适的不透水材料包括土工布充砂袋、石墙、堆放的预制混凝土钢、石框、密度大无污染可循环材料、结构钢或其它长寿命材料,这些材料结构合理,重量和密度足以将拦河坝坠入适当位置,能使流体流改变方向且能承受恶劣的海洋条件和水流的轴向力。另外,拦河坝还可用混凝土或其它合适材料建造成一个壳体形式。所述壳体形式可选择用岩石、沙子、砖块、混凝土或其它密度大的天然或无污染可循环材料填充。多个涡轮机模块设在固定在重力坠入式基座上的结构内,分别独立地设在从重力坠入式固定拦河坝或拦河坝中流出的高速水流中。或者,涡轮机电能输出模块以一种在维修、维护或更换时便于拆卸和重新安装的合适方式连接到重力坠入式拦河坝的后部。涡轮机电能输出组件的位置是从拦河坝流出的加速顺流而下的水流中的一个偏离位置。这两种情况中,涡轮机电能输出模块均由容纳涡轮机的结构外壳和产生电能的电能输出装置构成,所述电能输送到电网或其它最终用户。重力坠入式拦河坝设施可以上述单流向或双流向结构的形式使用。重力坠入式拦河坝的长寿命可抵消其资本成本。拦河坝设施具有如下优点:该设备中仅活动机械部件设在轻型设备中,可互换的模块化的涡轮机电能输出模块在设备使用寿命中可很容器拆下进行维修或更换以节约成本。
[0017] 轻型和重力坠入式拦河坝设施均为批量生产的较小涡轮机的使用提供了可能性,这些较小涡轮机相比现在海洋发电中使用的涡轮机更具成本效益。可从单向和双向水流中高效提取电能的涡轮机市场上具有现成的产品。使用较小涡轮机的原因是,浸没式拦河坝较大的冲击区域将高速集中水流引向涡轮叶片,从而较小涡轮机可高效地提取能源。引向涡轮机的水流的速度越大,能提取能源的动能就越大。若要提高拦河坝设施的潜在能源提取量,可通过增加涡轮机的数量或规格、扩大拦河坝的尺寸或使用多个拦河坝和涡轮机来实现。拦河坝设施设计简单,因此可使用注塑塑料或其它可使用较便宜材料的铸造或浇铸工艺制造涡轮机。另外,制造过程中可使用循环材料。虽然可以使用较小涡轮机,但应注意的是,该设施并不限于使用较小涡轮机,当拦河坝设备释放出较高速度的水流时,大型或其它类型的涡轮机的效率更高。该拦河坝提高了水力速度而使股流中的动能增加,这为从以前认为无商业价值的低速场所提取能源创造了可能性。全球范围内由于高速水流场所还很有限,因此能从大量靠近岸边的低速场所提取能源便成了该设备的一大优势。岸到岸设施需要较低的基础设施成本且能减少电力传输损耗。该拦河坝设备的核心结构可以较低成本使用混凝土或其它低成本材料来建造。较小较便宜涡轮机的使用可进一步减少成本。较低的资本和使用成本使发电的成本较低。
[0018] 本说明书旨在对本发明进行说明,无意将本发明限制为任一实施例或各特征的集入口 ο
附图说明
[0019] 为清楚展示本发明以便于理解和实际应用,下面对附图进行说明:
[0020]图1为安装有两个分散器管涡轮机的抛物形拦河坝的正面示意图。
[0021]图2为安装有两个分散器管涡轮机的抛物形拦河坝的平面示意图。
[0022]图3为半个部分抛物形拦河坝和分散器管的横截面示意图。
[0023] 图4为安装有两个分散器管涡轮机的抛物形拦河坝的后视示意图。
[0024]图5为安装有描述为达到中性浮力的浸没式装置的两个分散器管涡轮机的抛物形拦河坝的侧视示意图。
[0025]图6为安装有描述为达到中性浮力的浸没式拴系装置的两个分散器管涡轮
[0026] 机的抛物形拦河坝的横截面示意图。
[0027] 图7为安装有固定在驳船下侧的两个分散器管涡轮机的侧视示意图。
[0028] 图8为安装有固定在埋于海床内的单根柱子上的两个分散器管涡轮机的侧
[0029] 视示意图。
[0030]图9为安装有固定在海床上的重力坠入式基座的两个分散器管涡轮机的横截面示意图。
[0031]图10为具有两个分散器管涡轮机的直角棱镜的平面示意图。
[0032]图11为安装有描述为达到中性浮力的装置的一个分散器管涡轮机围裙的方
[0033] 底金字塔形拦河坝的立体示意图。
[0034]图12为一体式涡轮机拦河坝模块的立体示意图。图13为涡轮机电能输出模块的立体示意图。
[0035]图14为一体涡轮机电能输出模块的平面示意图。
[0036]图15为由多个一体式涡轮机拦河坝模块构成的拦河坝的平面示意图。
[0037] 图16设在独立重力坠入式管道双涡轮机模块两侧的抛物形拦河坝阵列的平面示意图。
[0038] 图17为两个容纳在固定于重力坠入式基座上的结构内的两涡轮机独立输出模块的横截面示意图。
[0039] 图18为涡轮机电能输出模块的侧视示意图。
[0040]图19为涡轮机电能输出模块的横截面示意图。图20为涡轮机电能输出模块的平面示意图。有关技术领域的技术人员根据这些具体实施例可实现各个变型,但这些变型均属本发明范围内。通过以下详细说明,可以清楚了解本发明的其它特征。
具体实施方式
[0041] 图1为根据本发明一个实施例拦河坝设备100的平面示意图,所述拦河坝设备100提供了一种从流动的液体中提取能源的方法。拦河坝设备100浸没在流动的液体(如河流或海螺)中,优选与箭头和字母“A”标记的水流方向垂直设置。拦河坝设备100包括由不透水材料建成的抛物形或其它合适几何形状的拦河坝110,所述拦河坝110对沿着基板120和顶板130之间引向拦河坝110外部末端的水流构成部分障碍。所述水流引向涡轮机/容纳了横流式涡轮机145和通过海底传输电缆190向电网或其它最终用户提供电能的电能输出模块160的电能输出模块140。分散器管150有个进水口开口 170,进水口 170的侧壁向外不断变宽至安装有凸缘板155的较宽出水口 180。涡轮机电能输出模块140设在分散器管道150内进水口 170处,以便进入到进水口 170内的水流抽吸横越过涡轮机145然后经出口 180流出。
[0042] 分散器管道150安装在抛物形拦河坝110后部的偏离位置,尺寸应保证提供一个合适的敞开空间区域175。
[0043] 图2为本发明一个实施例两涡轮机拦河坝设备100的平面示意图,所述拦河坝设备100优选与箭头和字母“A”标记的水流方向垂直地浸没在水流中。明式自由水流中的浸没式拦河坝设备100可对水流起到部分阻碍作用。受阻碍的水流沿阻力最小的路径绕过拦河坝设备100形成的障碍物流走。迎面流过来的总体水流受到不透水抛物形拦河坝壁110的阻碍分成两个单独的股流,所述两个单独的股流限制在顶板130 (为清晰起见,已略去)和底板120之间并沿抛物形拦河坝壁110的面流过。水流从抛物形拦河坝壁110各侧的开口末端阻力最小的路径流出。抛物形拦河坝壁110与方向转变的水流产生透镜效应,形成速度增加的高速水流区,所述高速水流经抛物形拦河坝壁110引向分散器管道150的进水口 170,所述分散器管道150容纳一个电能输出模块140 (为清晰起见,以透明方式展示)。涡轮机145安装在水流通道170至180中的涡轮机模块140内,可在垂直轴上绕轴转动。所述涡轮机145包括从流过涡轮机模块140的流体中提取能源的叶片。电能输出装置160安装在涡轮机模块140的基座上,并通过合适的传动装置(如齿轮传动装置)连接至涡轮机轴上,以便涡轮机轴的转动使电能输出装置或直流发电机160发电。电缆190与电能输出装置160连接,然后通向水面站,产生的电能在水面站供给电网或其它最终用户。开口 175使从抛物形拦河坝壁流出的水流绕过分散器管道150流动。每个分散器管道150均有一个较窄的进水口 170,所述进水口 170向外逐渐变宽至安装有凸缘端板155的较宽出水口180。分散器管道150使涡轮机电能输出模块140后面形成的低压区最大化。压力的减小可有助于产生吸入效应以抽吸更多的水流过涡轮机145,因而较理想。分散器管道150产生的文丘里效应增大了流速。此处,开口 175使从抛物形拦河坝壁110流出的水流绕过分散器管道150流动,可有助于文丘里效应的形成。动能从较大区域集中到较小区域可较理想地使绕过涡轮机模块140的流速远高于自由水流的速度,这通过分散器管道150来增大。这样就可使用直径较小的低成本涡轮机(可能是尺寸的十分之一)向海洋能源提取行业目前试用的涡轮机提供相当量的电能输出。
[0044] 图3为抛物形拦河坝100设备半剖面的横截面示意详图。底板120和顶板(为清晰起见,已略去)围住抛物形拦河坝壁110和分散器管道臂150。分散器管道壁150在进水口开口 170和出水口开口 180之间形成水流通道。凸缘板155安装分散器管道墙壁150的后部。分散器管道壁150设在抛物形拦河坝壁110下游偏离设置,尺寸应保证管道壁350和拦河坝壁110之间可设置合适的开口 175。水流方向如箭头和字母“A”所示,抛物形拦河坝壁110将水流引向上述水流通道170至180。图中未示出涡轮机电能输出模块。
[0045] 图4为安装有两个分散器管道150和由顶板130和底板120围住的抛物壁110的抛物形拦河坝设备100的后视示意图。分散器管道150内容纳了一个由涡轮机145和发电的电能输出装置140构成的涡轮机模块160,所述发出的电通过海底电缆190输送给电网或其它最终用户。分散器管道150的出水口开口 180和抛物形涡轮机110和分散器管道150之间的开口 175可促进水流的流出。
[0046] 图5为本发明另一实施例拦河坝设备100的侧视示意图。设备100浸没在海平面550以下达到中性浮力,并用电缆520拴住固定在海床560上的系泊设备570上,以适于双向水流。拦河坝设备100建造成轻型结构,能承受作用于其上的轴向力,适用的材料包括管状钢或铝构件、塑料、土工布、复合材料或其它轻型结构材料。设备100安装有漂浮箱510,所述漂浮箱510合适地固定在设备100的结构上以使设备的密度小于水的密度。现有技术中通过用进水阀和出水阀从外部来源栗入水或压缩空气将流体流中的设备100提升、降低和保持在合适的位置。固定舵540通过支持臂510连接在拦河坝100的后部,以便在潮流改变方向时,舵540能操纵抛物形拦河坝壁510面向流过来的水流,水流方向如箭头和字母“A”所示。抛物形拦河坝壁110加快水流速度并将其引向分散器管道150开口 170,开口中的涡轮机电能输出模块(被分散器管道550遮住)从水流中提取能源,然后水通过出水口 180流出。如上所述,产生的电能通过海底电缆190输送给电网或其它最终用户。
[0047] 图6为图5中的拦河坝设备100的横截面示意图。拦河坝设备100浸没在海平面550以下并通过电缆520锚固在海底(未示出)。漂浮箱510合适地安装在拦河坝设备100的顶板130和底板120。固定舵665连接支持臂675上,所述支持臂530合适地安装在设备100底板120和顶板130上。抛物形拦河坝110加快水流速度并将其引向下游的涡轮机模块140,所述涡轮机模块包括横流式涡轮机145和以上述方式从水流中提取能源的电能输出装置160。产生的电能通过电缆190供给电网或其它最终用户。
[0048] 图7为本发明另一实施例轻型拦河坝装置100的侧视示意图,所示拦河坝装置100安装有带有分散器管道150的抛物形拦河坝壁110,所述分散器管道150遮住了容纳在其中的涡轮机电能输出模块。拦河坝100优选用电缆710锚固在海床560上,以便设备100沿水流方向上浸没在合适位置,水流方向如箭头和字母“A”所示。驳船根据水流方向改变自身的方向,以便抛物形壁110面向流过来的水流,水流加速后引向分散器导管150。涡轮机模块从流入开口 170和流出开口 180的水流中提取能源,涡轮机电能输出模块以上述方式进行发电。产生的电能通过电缆190输送给电网或其它最终用户。
[0049] 图8为本发明的另一实施例拦河坝100的侧视示意图。如图所示,拦河坝设备800安装在埋于海床560内的单根柱子800上。拦河坝设备100制成轻型结构,能承受作用于其上的轴向力,适用的材料包括管状钢或铝构件、塑料、土工布、复合材料或其它轻型结构材料。设备100合适地连接在转台810上,所述转台810安装在埋于海床560内的单根柱子800上。固定舵540通过支持臂530连接在拦河坝设备100的后部,以便在潮流改变方向时舵540使拦河坝设备100转动,从而使抛物形拦河坝壁面向迎面而来的水流,水流方向如箭头和字母“A”所示。抛物形拦河坝壁110加快水流速度并将其引向分散器管道150开口 170,开口中的涡轮机电能输出模块(被分散器管道150遮住)从水流中提取能源,然后水通过出水口 180流出。产生的电能如上述通过海底电缆190以上述方式输送给电网或其它最终用户。
[0050] 图9为图1、2、3和4中所述的拦河坝设备100的横截面示意图,所述拦河坝设备100固定在海床560上的重力坠入式基座900上。
[0051] 设备100浸没在海平面550以下,与水流方向垂直。抛物形拦河坝110将水流分开并使其加速流向涡轮机模块140,涡轮机模块140容纳在分散器管道中。抛物形设备100可选用密度大或轻型材料建成。拦河坝壁110和分散器管道150用密度较大的材料(如混凝土)建造时,拦河坝中唯一的活动部件,涡轮机模块140,可从分散器管道150中取出拿到地面上进行更换或维修。涡轮机构件140按要求进行更换时,拦河坝设备可作为半固定结构仍留在海床560上。
[0052] 本发明实施例可节省较多的维修和使用成本,并能在维修保养周期或涡轮机发生灾难性故障时缩短发电停机时间。
[0053] 图10为拦河坝设备1000的平面示意图。本发明的实施例适用于潮流。拦河坝设备1000与潮流方向垂直设置,涨潮时的潮流方向如箭头和字母“A”所示,退潮时的潮流方向如箭头和字母“B”所示。直角棱镜拦河坝壁1010优选偏离潮流的方向约45度的设置。壁板1010和容纳涡轮机电能输出模块140的分散器管道150合适地安装在顶板130和基座900之间。分散器管道150设在从拦河坝壁1010末端流出的下游水流中。部分的水流由中心倾斜拦河坝壁1010阻挡,水流沿限制在顶板130和底板900之间的拦河坝壁板1010引导,然后流进阻力最小的路径,所述路径是拦河坝壁1010的下游开口末端。从拦河坝1010流出的高速水流向下游流进和绕过下游分散器管道150流动。设在分散器150下游的低压区可加快抽吸横越过涡轮机电能输出模块140的水流的速度。下游涡轮机电能输出模块140比上游涡轮机电能输出模块140提取更多的电力。从拦河坝壁1010流出的下游水流会发生变化且这取决于总体水流的方向。如上所述,涡轮机电能输出模块140进行能源的提取,产生的电能通过海底电缆190输送给电网或其它最终用户。拦河坝设备1000可制成轻型(密度小于水)结构,固定在重力坠入式基座900上,或制成混凝土或其它密度较大的材料的重力坠入式(密度大于水)结构。可改变直角棱镜拦河坝设备1000以在单向水流中运行,其拦河坝板1010设在与水流垂直的的斜面上,涡轮机电能输出模块140安装在拦河坝1010的基座处;或者拦河坝板偏离水流方向,而涡轮机电能输出模块安装在拦河坝1000的顶部。在两个变型中,直角棱镜拦河坝1110均连接至重力坠入式基座900上。侧壁固定在拦河坝1010的两侧以帮助引导水流。
[0054] 图11为本发明另一实施例拦河坝设备1100的立体示意图。中心方底金字塔形拦河坝110将水流引向分散器管道围裙150,所述分散器管道围裙150适当地偏离并连接在拦河坝110的后部,尺寸应确保提供一个水流开口 175。分散器管道围裙150内共容纳四个横流式涡轮机,所述涡轮机安装在安装凹处1110之间。涡轮机电能输出模块(如上述,但未示出)水平和垂直安装在分散器管道150内。安装凹处1110提供了电缆520的定位点。拦河坝1100浸没在海平面550以下,作为中性浮力装置运行,面朝箭头和字母“A”所示的水流方向。拦河坝1100用电缆520栓在海床系泊设备(未示出)上。金字塔形拦河坝110如上所述采用轻型结构材料制成,密封起来起到浮箱的作用。如上所述,通过栗入压缩空气或水来提升或下沉浮箱。从金字塔形拦河坝110流出的加速水流冲进和绕过分散器围裙150,所述分散器围裙内容纳涡轮机电能输出装置(未示出)。如上所述,涡轮机电能输出模块进行能源的提取,产生的电能通过海底电缆190输送给电网或其它最终用户。
[0055]图12为本发明另一实施例的单涡轮机拦河坝模块1200的立体示意图,所述单涡轮机拦河坝模块作为独立式能源提取装置运行,或通过合适的手段连接至其它相同的涡轮机组件模块1200上形成潮汐栅栏或大型明流拦河坝。单涡轮机拦河坝模块1200包括可拔出涡轮机电能输出模块140,如图所示,部分涡轮机电能输出模块140已从顶板130开口1210中拔出(为清晰起见,以透明方式展示)。拦河坝弯曲的偏转板110固定在基座120和顶部130上,用于增大水流速度并将其引向分散器管道150,所述分散器管道150内容纳涡轮机电能输出模块140。如上所述,涡轮机电能输出模块进行能源的提取,产生的电能通过海底电缆190输送给电网或其它最终用户。
[0056]图13为本发明另一实施例涡轮机电能输出模块140的立体示意图,所述涡轮机电能输出模块140在本专利申请所述的大部分各拦河坝设施中仅容纳活动部件。
[0057] 模块140可按要求如上所述从拦河坝设施中拔出进行更换。轻型结构框架1320用钢或其它合适材料制成,设置一个合适可钩住起重机吊钩的起吊点1300。海面上的船可用起重机将所述模块吊出水面。达里厄型横流式涡轮机145设在模块140的内部,所述达里厄型横流式涡轮机安装四个叶片1330(其中两个被遮住),叶片可绕轴1310在垂直轴上转动。轴1310以适当方式连接至磁性电能输出装置160或直流发电机上,所述磁性电能输出装置1340或直流发电机通过现有技术中已知的手段将齿轮装置或其它合适的传动装置与发电机连接进行发电。电气连接插座1340将涡轮机电能输出模块140与并网电缆连接以便将海底电缆传输的电能送往电网或其它最终用户。较小涡轮机提取出的电能与较大风力发电机(如尺寸等于拦河坝设备外形尺寸的风力发电机)提取出的电能相等。两种装置提取相同的电能输出要冲击相同或近似的面积,但拦河坝的涡轮机145却是其竞争对手风力发电机尺寸的十分之一。涡轮机145尺寸较小,为以较低成本批量生产涡轮机提供了可能性。竞争对手风力发电机由于其尺寸较大,会产生较高的设计和材料成本且在维修、安装和运行时会遇到一些问题。拦河坝设备纳入了涡轮机电能输出模块140,和所有现有技术中已知的能源提取装置相比,具有很大的资本、安装、维修和使用成本优势。小型涡轮机还有其它优势,如可在潮汐周期中运行更长时间,另外,由于互换较容易,因此较少出现发电停机期。竞争对手风力发电机部件故障或遇到灾难性事件,可能需要几个月时间进行维修,并会带来大量的损失。
[0058] 图14为图12中所述的单涡轮机拦河坝模块1200的平面示意图。拦河坝模块1200优选与进来水流的方向垂直设置,水流方向如箭头和字母“A”所示。弯曲的拦河坝侧壁110固定在底板120和顶板130之间,顶板130上设有一个可拔出和放回涡轮机电能输出模块140的开口 1210。从拦河坝壁110流出的水流的速度由设备1200浸没在其中的总体水流和拦河坝壁110的尺寸共同决定。拦河坝壁110越大、转向后的水流的速度越大。速度越大、涡轮机模块140能提取能源的动能就越多。拦河坝1200提供了一种更高效的电能提取方法,该方法能比相同涡轮机模块140在不受拦河坝壁110影响的总体流体流中提取更多的电能。凸缘板分散器管道150进一步加快了通过水流通道170至180的水流速度。多个单涡轮机模块1200连接在一起构成较大拦河坝时,水流量和流速增加更多。
[0059] 图15为由多个单涡轮机拦河坝模块1200构成的拦河坝阵列1500的平面示意图,所述多个单涡轮机拦河坝模块1510以合适的方式连接在一起构成能源农场。与以不同方式进行安置的独立拦河坝设施相比,此类能源农场的优点是,连接电网等基础设施成本和维修成本较少。四个单涡轮机模块1200连接在一起,并如上所述进行发电并将电能供给同一根海底电缆190。拦河坝1500可与箭头和字母“A”所示的水流方向垂直,也可成不同角度偏向或偏离水流方向。另外,拦河坝1500还可局部区域形成拦河坝组,所述局部区域向水面下或上的中心变电站供电,变电站通过同一个输电线向电网提供电能。
[0060] 图16为本发明另一实施例多个抛物形拦河坝1600(也可采用其它合适几何形状的拦河坝)构成的阵列的平面示意图。
[0061] 浸没式重力坠入式拦河坝1610,其密度大于水的密度,可为混凝土或其它合适材料建造而成的固体形式的半固定设施,或为可填充石头或其它密度较大的材料的人造结构。拦河坝设备1610和1630与潮流方向垂直设置,涨潮时的潮流方向如箭头和字母“A”所示,退潮时的潮流方向如箭头和字母“B”所示。拦河坝1610之间合适位置处设置独立重力坠入式管道双横流式涡轮机电能输出模块设施1620。根据现场的条件,设备1620中可纳入不同尺寸和数量的涡轮机。认为较适合选用横流式达里厄型涡轮机,因为这种类型的涡轮机能从反方向来的水流中提取能量。但并不限制仅横流式涡轮机,也可使用其它较大涡轮机,无需装在管道内。另外,也可使用图8中安装有可转向进来水流的分散器管道的涡轮机。抛物形拦河坝1610和1620阻挡水流,使顺流而下流向涡轮机电能输出模块1620的水流速度加快。箭头和字母“A”标示的流体流撞击拦河坝1610分成高速水流,高速水流从拦河坝1610各侧流出,然后顺流而下冲过涡轮机电能输出模块设备1620。浪潮转向处,水流从箭头和字母“B”标示的相反方向而来冲击拦河坝1630,所述拦河坝1630将加速水流引向涡轮机电能输出模块设施1620。
[0062] 模块1620从特定水流中上游拦河坝1610或1630流出的加速水流中提取能源。上游拦河坝的构成取决于水流的方向。如上所述,从水流中提取的能源通过涡轮机电能输出模块1620转化成电能,然后通过电缆190输送给电网或其它最终用户。
[0063] 图17为独立重力坠入式双涡轮机动力涡轮机设施1700的横截面示意图,
[0064] 所述动力涡轮机设备1620构成图16中的拦河坝涡轮机阵列设备的一部分。外壳结构1700的前部和后部分别设有进水口开口 170和出水口开口 180,所述开口 170和180,在顶部130处是敞开的,用于插入和移除涡轮机140,能使流体经过涡轮机模块140流进145。涡轮机145安装在水流通道170至180中的涡轮机模块140内,可在垂直轴上绕轴转动。电能输出装置160安装在涡轮机模块140的基座上,并通过合适的传动装置(如齿轮传动装置)连接至涡轮机轴1310上,以便涡轮机轴1310的转动使电能输出装置或直流发电机160发电。电缆190与动力输出装置160连接,然后通向水面站,产生的电能在水面站供给电网或其它最终用户。起重铁角1300系在涡轮机模块140的顶部,方便安装和拆卸。
[0065] 图18所示为适用于垂直轴涡轮机145的涡轮机模块140的侧视示意图。涡轮机模块140根据实际应用可能会有所不同,但通常包括顶部的平面壁130、底部的平面壁120和相对的平面侧壁1800,其中侧壁上设有进水口开口 170和出水口开口 180,使液体可有效流过通道。箭头和字母“A”标示的是水流的方向。
[0066]图19为涡轮机电能输出模块的横截面示意图。
[0067] 起重铁角1300系在模块的顶部,方便安装和拆卸。横流式涡轮机145安装在水流通道170至180中的涡轮机模块140内,可在垂直轴上方绕轴1310转动,用于从流经其的流体中提取能源。电能输出装置160安装在基座上,并通过合适的传动装置(如齿轮传动装置)连接至祸轮机145上,以便祸轮机145的转动使电能输出装置160发电。电缆190与电能输出装置160连接,然后通向水面站,产生的电能在水面站供给电网或其它最终用户。
[0068] 图20为带有平面顶壁130 (为清晰起见,已略去)的涡轮机电能输出模块140的平面示意图。箭头“A”所示方向为流体流的方向。进入进水口 170的水流引导沿壁板1800、涡轮机模块140的顶板130和基座120构成的通道流动,冲击横流式涡轮机145,如上所述,横流式涡轮机145驱动电能输出装置160发电。
[0069] 本发明具有很多优点,至少包括如下优点:
[0070] 1.一种可从流体流中成功提取可再生能源发电的方法。
[0071] 2.克服海流涡轮机设备目前产能量方面的局限性。
[0072] 3.提尚流体流的能源提取量。
[0073] 4.克服现有从流体中提取能源的方法中的缺点以从流动流体的能源来源中产生大量的能源。
[0074] 5.提供一种提高流体流速的方法。
[0075] 6.使用较小的海流涡轮机对高流速水流中增加的能源进行高效且具有成本效益地提取。
[0076] 7.提供一种可发觉大量以前认为流速不足无法进行海流能源提取商业运行的场所的方法。
[0077] 8.能够在浅水处、靠近岸边、低流速场所进行作业。
[0078] 9.能够在高流速和深水场所进行作业。
[0079] 10.可进行相应改变以适应于海流、潮流、水流、人造流体流和其它流体流。
[0080] 11.使设备能作为重力坠入式结构运行。
[0081] 12.使设备能作为可达中性浮力的轻型结构运行。
[0082] 13.使设备能比目前更高效地利用现有涡轮机。
[0083] 14.提供可使用较小、具成本效益、可批量生产的涡轮机的选择。
[0084] 15.提供一种结构简单合理、具有成本效益、设计精良的设备。
[0085] 16.提供一种制造简单的解决方案,该设备无需进行高精度、花费很高的设计工作。
[0086] 17.提供一种具有成本效益、模块化设计,能适应于作为独立装置或以阵列或能源农场的形式运行提供商营量、较低成本电能的各种需求的设备。
[0087] 18.提供一种运输和安装成本可降至最低的设备。
[0088] 19.拦河坝和涡轮机电能输出模块尽可能在现场外已完成预先制作以便现场快速装配和使用。
[0089] 20.某些部件可采用扁平式包装以便储存和运输。
[0090] 21.该设备在灾难救援中能快速响应、高效低成本地进行施救。
[0091] 22.具有无污染且利于环保的设计。
[0092] 23.设备能浸没在水中,因此视觉影响和噪音影响较小。
[0093] 24.该设备对海洋生物影响极小,为此涡轮机模块安装了现有技术中已知的合适的拦污装置和保护网以确保不危害鱼类。
[0094] 25.该设备碳足迹最小、对海洋生物影响最小,为此该设备作为重力坠入式结构运行时无需拆除,因为它可作为人工礁使用。
[0095] 26.该设备克服了利用化石燃料发电对环境产生的负面影响。
[0096] 27.利用该设备产生每千瓦时的成本较低、或较其它可再生能源电能供应,它至少具有竞争性;利用该设备产生能源的成本比利用化石燃料供能的成本更具优势
[0097] 本说明书和权利要求书中涉及的“包括”及其变形并无排除其它添加物、部件、整套装置或步骤之意。

Claims (13)

1.一种从流体流中提取能源的拦河坝设备,包括: 拦河坝,其表面可加快流经该表面的流体的速度,和至少一个涡轮机模块,所述涡轮机模块具有进水口、出水口和涡轮机,其中,所述进水口在拦河坝表面间隔设置;加速的所述流体能流入进水口,使涡轮机运行,然后从出水口流出;拦河坝表面和进水口之间的间隔界定了分路开口,所述分路开口引导加速的流体通过涡轮机模块和出水口,促进流体流过涡轮机模块; 所述涡轮机模块包括具有内侧壁和外侧壁的外壳,所述涡轮机模块靠近拦河坝一侧的侧壁为内侧壁,内侧壁和外侧壁间隔开,涡轮机适于设在侧壁之间,内侧壁和拦河坝表面至少界定了部分分路开口。
2.根据权利要求1所述的设备,其中,出水口大于进水口,可促进出水口后低压区的形成。
3.根据权利要求2所述的设备,包括邻接出水口向外伸出的凸缘,所述凸缘可促进出水口后低压区的形成。
4.根据权利要求3所述的设备,包括顶板、底板、拦河坝和至少一个置于其间的涡轮机丰旲块。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,其中,拦河坝表面基本为平面并与水流方向成一定角度以加速流向所述至少一个涡轮机模块的流体的速度。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,其中,拦河坝表面基本为方底金字塔形表面,可加速流向所述至少一个涡轮机模块的流体的速度。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,包括第一所述拦河坝,其表面可加快流经该表面的流体的速度;第二所述拦河坝,其表面可加快流经该表面的流体的速度;至少一个涡轮机模块,设置所述第一和第二拦河坝之间,第一拦河坝的表面和进水口界定了第一分路开口,第二拦河坝的表面和进水口界定了第二分路开口,各开口用于引导加速的流体通过涡轮机模块和出水口以促进流体流过涡轮机模块。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,其中,涡轮机可从模块上拆下。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,其中,涡轮机模块包括涡轮机和电能输出装置,所述电能输出装置在涡轮机运行时发电。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,包括至少一个浮力装置以使设备能置于流体流中。
11.根据权利要求10所述的设备,包括使该设备可在水流中保持正确方向的舵。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,所述的设备,包括将该设备支撑在流体流中的支撑装置。
13.拦河坝组件,其包括至少两个权利要求1至4中任一项所述的设备。
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