CN104884787A - 一种稳定的水电涡轮机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水电涡轮机系统(10)，该水电涡轮机系统(10)包括基部(12)，在该基部(12)上安装并支撑有水电涡轮机(14)，该基部(12)具有多个固定长度的支腿(20)和至少一个可调节长度的支腿(22)，以便允许所有支腿接触海床从而将系统载荷均匀地分布到海床中。

Description

一种稳定的水电涡轮机系统
技术领域
本发明涉及一种水电涡轮机系统，并且具体地，一种其上安装有水电涡轮机的稳定基部，该稳定基部提供增加的稳定性，同时减小系统的重量和成本，无需使用打桩或其它复杂的固定操作，因此显著简化这样的涡轮机的安装。
发明背景
当前，并且在全球范围内，围绕CO2的排放导致对我们环境的损害，具体地全球变暖引发的威肋存在极大担忧。CO2排放的一个主要来源是通过化石燃料的燃烧大规模发电。然而，电是对人类种族的生存而言已经变得必不可少的商品，并且因此，当前正花费巨大资源来寻找不使用化石燃料而产生大量的电的替代手段。虽然核能是一个这样的替代物，但是大多数社会对核能的负方面感到不安，并且因此，需要其它更多期望的解决方案。
因此，可再生能源在最近几年中已经凸显出来，正围绕太阳能、风能和潮汐能研发许多项目。关于能量的这些替代形式，考虑到潮汐流是完全可预测且恒定的，不像风或太阳能是相对间歇并且因此可依赖性不太强，潮汐能可论证地是最具吸引力的。
然而，治理潮汐能提出其自身的挑战，特别是相对于潮汐能发电机(例如水电涡轮机)的安装和维护，就潮汐能发电机的操作的特有性质而言，潮汐能发电机必须位于相对快速流动的潮汐流中，并且很有可能位于海床上。这些条件是显著恶劣的，并且不利于安全的工作条件。对这样的潮汐涡轮机所安装在的基部的安装在传统上已经采取将桩下沉到海床上的形式，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所述桩上。然而，在高潮汐流区域中将桩下沉到海床中是相当有疑问的并且一般而言是危险的操作。此外，大量钻井和打桩设备必须被运送至安装现场并且在安装现场处被操作，显著增加操作的复杂性和成本。
安装过程因用以执行这样的钻井工作的适当船舶和设备市场上日益短缺以及在高潮汐流现场中雇用潜水员的极端危险而进一步复杂化。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种水电涡轮机系统，该水电涡轮机系统包括用于水电涡轮机的基部，所述基部包括至少四个支腿，其中，所述至少一个支腿相对于至少另一个支腿的位置是可变的。
优选地，至少一个可变位置支腿在长度上是可调节的。
优选地，长度可调节支腿是可伸缩的。
优选地，可调节支腿的长度是远程可控的。
优选地，可调节支腿在长度上是液压/气动可调节的。
优选地，至少四个支腿以大致矩形阵列布置。
优选地，基部包括框架，多个支腿从该框架延伸，该框架是四边形的。
优选地，该框架包括梯形。
优选地，该框架包括等腰梯形。
优选地，该框架包括多个横向构件，在相邻的支腿之间延伸的单个横向构件。
优选地，该系统包括安装到基部的水电涡轮机。
优选地，该系统包括载荷传感器，该载荷传感器可操作以测量施加在海床与至少可变位置支腿之间的载荷。
优选地，该系统包括控制器，该控制器可操作以当载荷传感器记录预定的载荷时，停止或调节支腿的延伸。
优选地，框架具有充分的柔性以允许至少一个可变支腿的位置的载荷感应变化。
根据本发明的第二方面，提供了一种安装水电涡轮机系统的方法，该方法包括如下步骤：
将系统的基部运送至部署现场；
使基部从船舶下降直至基部上的多个支腿接触海床为止；以及
改变至少一个可变位置支腿的位置，直至所述支腿接触海床为止。
优选地，该方法包括延伸或收起可变位置支腿。
优选地，该方法包括远程地致动位置可变支腿的延伸或收起。
优选地，在长度上调节至少一个位置可变支腿，直至预定的载荷施加在海床与位置可变支腿之间为止。
优选地，该方法包括在延伸至少一个位置可变支腿之前，确定在部署现场处海床的适合性的步骤。
优选地，该方法包括在延伸至少一个位置可变支腿之前，当基部下降到海床上时，确定基部的姿势在预定范围内。
附图简述
现在将参考附图描述本发明，在附图中；
图1示出根据本发明的水电涡轮机系统的立体图；
图2示出图1所示的水电涡轮机系统的基部；并且
图3示出在平面中具有梯形形状以便简化从部署船舶下降的备选基部。
具体实施方式
现在参照附图中的图1和图2，示出了大体上被标示为10的水电涡轮机系统，为了例如通过使用以已知形式合并到系统10中的磁体(未示出)和线圈(未示出)类型发电机、感应式发电机、或任意其它适当的发电机从经过系统10的水的潮流产生电能，所述水电涡轮机系统在使用中被布置在海床上或其它适当的水下支撑表面或位置。
水电涡轮机系统10包括基部12，水电涡轮机14安装在该基部12上，该基部12当被布置在海床上时为水电涡轮机14提供支撑和稳定性。通过涡轮机14的水流使涡轮机14旋转，这种旋转然后经上述发电机(未示出)转换成电能。基部12和涡轮机14在使用期间经历起因于水的高速潮流而产生的显著的力，并且因此系统10的稳定性至关重要。
在所示的实施例中，基部12包括框架16，该框架16在形状上是大致四边形的并且由形成自钢管的四个横向构件18形成，但是应领会，可以采用任意其它适当的材料。横向构件18连接到三个固定支腿20和可变位置或可调节支腿22并且在所述三个固定支腿20与所述可变位置或可调节支腿22之间延伸，在所示的实施例中，支腿20、22以矩形阵列布置。在所示的实施例中，支腿20、22由大段钢管形成，所述钢管可以是或不是中空的和/或填充有压载物，但是应再次领会，支腿20、22的形状、定向和材料可以根据需要而改变。支腿20、22中的每一个在接地脚部24中终止，为了防止系统10在潮汐力的影响下沿着海床可滑动地移位，当在海床上布置系统10时，该接地脚部24优选朝其自由端是锥形的或尖的(但是可以具有块形式)以便接合并穿透海床岩、鹅卵石(大卵石)或其它海床类型。然而，若需要，则可以采用任意其它适当形式的脚部或终端。还应当理解，可以根据需要改变固定支腿20和可调节支腿22的数量。
虽然固定支腿20可以是实心或中空的并且填充有压载物，但是出于在此之后阐述的原因，可调节支腿22优选是中空的以便容纳适于在使用中调节支腿22的垂直长度的致动器(未示出)。一旦可以执行期望的功能，当然可以将致动器(未示出)放置在替代位置，例如，远离支腿22或整个基部12。在所示的优选实施例中，致动器适于使脚部24相对于支腿22的管状部分移位，以便有效地调节支腿22的全长。致动器(未示出)可以是任意适当的形式，例如一个或多个液压/气压缸，基于机械的致动器(诸如，齿条和齿轮类型布置)，或任意其它适当的功能选择。
为了允许从远位置(诸如，在使系统10下降到海床的过程中使用的部署船舶(未示出))对支腿22进行长度上的调节，致动器(未示出)也优选是远程可控的。因此，这将消除在部署地点处海床上出现潜水员的需要。
因此，在使用中，基部12优选与安装到基部12的涡轮机14一起通过适当的部署船舶(未示出)下降至海床上的部署现场。在下降和上升系统10中提供四个支腿20、22是有利的，因为每个支腿20、22提供方便的连接点，在该连接点处，绞盘卷绕的下降线缆(未示出)可以连接到基部12，因此，例如相对于三角形或其它非对称基部将载荷更均匀地分配在部署船舶(未示出)上。
在使系统10朝海床下降之前，或至少在基部12接触海床之前，优选的是，使可调节支腿22相对于三个固定支腿20在长度上缩短，以便允许三个固定支腿20各自接触海床，无论海床中的表面不规则性或不平坦性如何。一旦三个固定支腿20已经接合海床，就可以远程地致动可调节支腿22以便在长度上延伸并且因此迫使各自的脚部24与海床相接触。然后，可以通过致动器(未示出)施加适当的压力以便确保可调节支腿22承载由系统10产生的载荷的期望份额。此时，系统10稳定地位于海床上，并且涡轮机14因此可以被投入运转。
在优选布置中，在延伸长度可调节支腿22之前，可以确定在部署现场处海床的适合性。例如，系统10可以设置有一个或多个传感器(未示出)，所述一个或多个传感器适于测量系统10的姿势，该信息然后可以用来确定是否应使支腿22延伸。传感器(未示出)可以被设置在任意适当的位置处，例如，在框架12上或远离框架12。例如，期望的是，在使支腿22延伸前，基部12大致被水平地定向。为了实现水平定向，三个固定支腿20将需要在近似相同的深度处接触海床上的点，使得在使支腿22延伸前，基部12大致是平坦的或水平的，因为支腿22将不能补偿或调节基部12的整体水平。
还可以设想，系统10可以包括载荷传感器(未示出)，该载荷传感器可操作以确定由于支腿22延伸并且接触海床而施加在长度可调节支腿22与海床之间的载荷。以这种方式，一旦已经到达预定的载荷支腿22的延伸就可以停止，这在支腿22支承与三个固定支腿中的每一个近似相同的载荷时是优选的。在该阶段，支腿22的附加延伸会导致固定支腿中的一个升高离开海床。因此，系统10可以设置有控制器，该控制器可操作以当达到这种状态时自动停止支腿22的延伸。
如上所提及的，可以根据需要改变基部12的形状和构造，并且可以根据需要改变固定支腿20的数量。然而，以矩形阵列提供三个固定支腿20和第四可调节支腿22提供多个优点。使用四个支腿提供在其上支撑涡轮机14的非常稳定的平台，而同时允许使用更轻的整体基部12，因为在海床上的部署和回收以及操作期间所经历的载荷被更均匀地分布，允许横向构件18由更轻的规范材料形成，还同时在系统10的部署和取回期间使部署船舶上的载荷下降。除了减小输送系统10的成本和复杂性之外，这将减小制造系统10的成本。
然而，可以设想，本发明的系统10能够设置有多于一个长度可调节支腿22。此外，系统10可以被设计成使得，无论通过手动或自动控制，长度可调节支腿如果经历高于预期的加载则都适于在长度上压缩或减短，从而将载荷更均匀地传播到剩余的支腿20、22。
还可以设想，支腿20、22中的一个或多个的位置的变化性能够通过替代手段获得。例如，通过将框架16设计成具有充分的柔性，可以允许支腿20、22中的一个或多个在载荷(例如，基部12的静载荷或基部12和涡轮机14的组合载荷)下移位，使得框架12弯曲以允许所有的支腿20、22接触海床或其它水下支撑表面，从而遍及所有支腿20、22均匀地分配载荷，不管支腿20、22所位于的不平坦表面。
现在参照图3，示出了形成本发明的水电涡轮机系统的基部的替代实施例，并且该基部大体上被指示为112。在该替代实施例中，相同的部件已经被给予相同的附图标记，并且除另外陈述之外，执行相同的功能。基部112包括框架116，框架116在形式上特别是在平面图中再一次是四边形的，每侧由横向构件118限定。基部112被示出为安装在部署船舶V的下方，该部署船舶V包括一对大致平行的浮箱P，所述一对大致平行的浮箱P通过一对平行且隔开的横梁C彼此固定。在使用中，基部112被固定在一对浮箱P下方，并且在下降远离船舶V的下方之前被适当地固定到位，在该情况下通过位于浮箱P的甲板上的多个绞盘W运送至部署现场。基部112包括四个支腿，每个支腿定位在框架116的每个顶点处。基部112包括三个固定支腿120和单个位置可调节支腿122。应注意的是，为了描述基部112的该实施例的目的，可调节支腿122的位置是不重要的，并且仅出于说明目的被示出为在特定位置处。
绞盘W中的每一个经适当的线缆固定至支腿120、122中的一个，并且在部署期间，绞盘W中的每一个送出(feed out)线缆以便使基部112以受控的形式从部署船舶V的正下方下降。通过将框架116设置为梯形形状，优选地等腰梯形，支腿120中的两个(在该情况下，图3的左手侧上所示的一对支腿120)相对于剩余的支腿120、122向内步进。该布置允许每个浮箱P上的一对绞盘W相对于彼此和浮箱P的纵向轴线偏移，使得来自每个绞盘W的线缆具有到各自支腿120、122的无障碍路径，而来自每个绞盘W的线缆不必在浮箱P的甲板上相互交叉。这确保船舶V上的简化布局，由此简化部署过程。
因此，应领会，本发明的系统10允许水电涡轮机14甚至在表面不平坦的情况下也可以被定位并且被支撑在海床上，以及允许在涡轮机14的工作期间提供稳定平台。此外，相对于非对称基部构造，倾覆的风险显著减小，由于海床接触脚部24的增加的数量，特别是相对于三角形或三条腿基部，在海床上滑动位移的风险也减小。

Claims (15)

1.一种水电涡轮机系统，其包括用于水电涡轮机的基部，所述基部包括至少四个支腿，其中所述至少一个支腿相对于至少另一个支腿的位置是可变的。
2.根据权利要求1所述的水电涡轮机系统，其中所述至少一个可变位置支腿在长度上是可调节的。
3.根据权利要求2所述的水电涡轮机系统，其中所述长度可调节支腿是可伸缩的。
4.根据任一前述权利要求所述的水电涡轮机系统，其中所述至少四个支腿以大致矩形阵列布置。
5.根据任一前述权利要求所述的水电涡轮机系统，其中所述基部包括框架，所述多个支腿从所述框架延伸，所述框架是四边形的。
6.根据权利要求5所述的水电涡轮机系统，其中所述框架包括梯形。
7.根据权利要求5所述的水电涡轮机系统，其中所述框架包括等腰梯形。
8.根据任一前述权利要求所述的水电涡轮机系统，其包括安装到所述基部的水电涡轮机。
9.根据任一前述权利要求所述的水电涡轮机系统，其包括载荷传感器，所述载荷传感器可操作以测量施加在所述海床与至少所述可变位置支腿之间的载荷。
10.根据权利要求9所述的水电涡轮机系统，其包括控制器，所述控制器可操作以当所述载荷传感器记录预定的载荷时，停止或调节所述支腿的延伸。
11.根据权利要求5至10中的任一项所述的水电涡轮机系统，其中所述框架具有充分的柔性以允许所述至少一个可变支腿的位置的载荷感应的变化。
12.一种安装水电涡轮机系统的方法，所述方法包括如下步骤：
将所述系统的基部运送至部署现场；
使所述基部从船舶下降，直至所述基部上的多个支腿接触所述海床为止；以及
改变所述至少一个可变位置支腿的位置，直至所述支腿接触所述海床为止。
13.根据权利要求12所述的方法，其包括延伸或收起所述可变位置支腿。
14.根据权利要求13所述的方法，其包括远程地致动所述位置可变支腿的延伸或收起。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中在长度上调节所述至少一个位置可变支腿，直至预定的载荷施加在所述海床与所述位置可变支腿之间为止。
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