CN106103978B - 流体动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水力发电的流体动力系统，系统包括用于停泊的浮式结构，浮式结构包括大致水平的转子(12)、用于将撞击水变流至下冲流路和漫顶流路以驱动转子的变流装置(13,15)，以及通过转子的转动发电的发电机。此外，本发明还公开了一种网络化的系统、停泊锚和停泊方法。

Description

流体动力系统
技术领域
本发明涉及水力发电，更具体地说，本发明涉及一种用于从河流、洋流、潮流和波浪能发电的流体动力系统。此外，本发明还涉及一种锚和一种停泊方法。
背景技术
与有限的矿物燃料不同，可再生能源取之不尽、用之不竭。人们普遍认为，矿物燃料燃烧时释放的温室气体会导致气候变化和全球温度上升。因此，增加再生能源的使用，不仅有利于可持续发展，而且有利于环境保护。
水电是一项在世界现存可再生能源输出中占有重要比例的商业技术，绝大部分水电能量输出通过大型水电项目采用涡轮利用被大坝截流的流体的势能发电。水电技术的问题在于，不断增长的土地利用限制、环境问题和高资金成本。
流体动力学能量是正在大规模开发且具有理想市场前景的新技术，可以为消费者稳定提供有价格竞争力的电力。最新历史先例显示，在有可能被地方政府制裁和满足欧盟指令和国内立法制定的环境标准之前，任何新技术都需要满足环境利益、既得利益集团和当地居民的期望。流体动力学能商业领域正在吸引全球公司的兴趣，但是没有领跑者，所有现存的系统存在某种形式的商业或设计局限。
流体动力设备的技术发展可追溯到罗马建筑师维特鲁威，他采用了突出式水轮。此外，罗马人还在巴贝盖尔建造了引人注目的面粉磨坊，采用了16个上颚水轮。
证据还显示，罗马人最早利用浮动式水轮来驱动台伯河上的面粉磨坊。
由于输出功率低下，大多数水车已不再商业运营，但是，可再生能源部门中尝试合并新老技术的人对重新评估此项技术感兴趣，例如，美国“水电伏”('Hydro volt')的Darrieus、Savonius、Barrel、Flipwing转子。
轴流式涡轮机、垂直轴涡轮机和混合动力技术(如阿基米德螺杆型转子)是现存的商业实例，现有技术的轮和涡轮需经受严格的环境和商业审查，经常因此难以交付。
发展商业可行、环境敏感的流体动力设备的难度不可低估，尤其是在大海的恶劣环境下：大风容易导致风暴破坏，海水会腐蚀绝大多数金属，海藻和其他微型海洋生物的污染是一个挑战，维持电气完整性更是另一个特别的挑战。
现有设备存在的另一个问题在于设备维护：对于需要潜水支援船(DivingSupport Vessel,DSV)恢复设备的海底设备，干预成本很高。浮动装置通常不需要DSV，但是需要经常在干船坞恢复和维修，如对损坏的转子轴承进行维修。
因此，确有必要提供一种高效、对环境无害、具有理想可靠性和弹性的流体动力设备。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种流体动力设备，其可以克服现有技术中存在的至少一个缺陷。
根据本发明的一个方面，提供了一种流体动力系统，其包括一个设有下冲流路和漫顶流路以驱动转子的结构。本发明流体动力系统，可以有效提高效率。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种用于水力发电的流体动力系统，其包括用于停泊的浮动结构，浮动结构包括：大致水平的转子；变流装置，用于在使用时将撞击水变流至下冲流路和漫顶流路，以驱动转子；以及发电机，用于通过转子的转动发电。
使用系统时，撞击水可以是水流，如河流、洋流或潮流。有利地，系统可以应用在水流表面。特别地，由于下冲流路和漫顶流路的设置，系统可以利用水流和位于水流表面的波浪的水电。根据本发明的一个实施方式，系统设置成使至少部分水流中的波浪被变流至漫顶流路，至少部分底层水流被变流至下冲流路，被变流至下冲流路和漫顶流路的水驱动转子。
根据本发明的一个实施方式，所述变流装置设有用于将水变流至漫顶流路的顶面和将水变流至下冲流路的底面。如此设置，撞击变流装置底面的底层水流被底面变流至下冲流路，撞击变流装置顶面的表面水流被变流至漫顶流路。如此设置，可以简单、有力地将撞击水分配至各自的流路。
根据本发明的一个实施方式，所述变流装置沿着纵轴延伸，所述变流装置沿着其纵轴是规则的，所述变流装置具有可定义顶面和底面的三角形横截面。例如，所述变流装置的顶尖背离转子，所述变流装置的一侧朝向转子，所述变流装置的纵轴大致平行于转子的转轴。
使用时，背离转子的顶尖基本位于水平面。有利地，至少一个所述变流装置设有不规则的三角形横截面，横截面的最短边朝向转子，横截面的最长边大致朝下以定义底面，横截面剩下的边大致朝上以定义顶面。
当水自船头方向撞击时，所述撞击水被变流至前部漫顶流路。当水自船尾方向撞击时，所述撞击水被分流至尾部漫顶流路。如此设置，当系统用在相对于系统双向流动的水流(如潮水)中时，不管水流的方向，都可以以最大效率发电。在此情形下，转子的转动方向通常由下冲流路中的水流方向决定。通过将撞击水变流至两个漫顶流路中的一个、转子的一面或两面，各个漫顶流路中的水可用于强化由下冲流路中的水决定的转子的转动方向。
例如，所述结构设有一个将船头方向的水撞击变流至前部漫顶流路的前部变流装置，和一个将船尾方向的水撞击变流至尾部漫顶流路的尾部变流装置。
根据本发明的一个实施方式，至少部分转子位于变流装置下方，以与下冲流路对接并驱动转子。
根据本发明的一个实施方式，所述系统包括可动部件，可动部件定义临近所述转子一边的漫顶蓄水池，以收集沿着漫顶流路变流的水并提供作用于转子上的静压头。当系统被设置成导引前部和尾部漫顶流路以实现双向时，系统优选包括前部可动部件和尾部可动部件，前部可动部件和尾部可动部件分别定义临近转子前部和尾部的前部漫顶蓄水池和尾部漫顶蓄水池，以收集沿着相应漫顶流路被变流的水并提供作用于转子上的静压头。
根据本发明的一个实施方式，所述可动部件启动或关闭相应的漫顶流路。合适地，所述可动部件在关闭位置和开启位置之间移动，在关闭位置时，沿着相应的漫顶流路(开启的)被变流的水被相应的漫顶蓄水池收集；在开启位置时，沿着相应的漫顶流路(关闭的)被变流的水被允许流过转子的相应边。可选地，所述可动部件设有一个或多个前部百叶门。或者，所述可动部件设有一个或多个前部百叶门，和/或所述可动部件设有一个或多个尾部百叶门，因此，所述系统可设置若干个前部或尾部百叶门。
为了有利于保持浮力，每个变流装置包括一个中空的外体，外体中设有填充材料。
为了减小堵塞，系统设有一个过滤网，过滤网与漫顶流路相交。
根据本发明的一个实施方式，所述结构设有被所述转子桥接的第一和第二浮桥。如此设置，不仅成本低廉，而且可以获得理想的稳定性。第一和第二浮桥进一步被前部和尾部变流装置桥接和连接，前部和尾部变流装置分别用于将撞击水变流至下冲流路和漫顶流路以驱动转子。如此设置，可以获得稳定的双向结构。
为了结构稳定，一个浮桥设有发电机，另一个浮桥设有电力逆变器、电力变压器、电气断路器和电力输出电缆接线盒中的一个或多个。
合适地，转子通过淡水轴承安装。至少一个浮桥设有用于自高盐度水生成淡水的装置，如用于淡水轴承的淡水。方便地，系统可以包括淡水传输线，用于自一个浮桥向其他浮桥提供淡水。合适地，用于生成淡水的装置可以是反渗透装置。
为了有助于冷却，所述结构设有位于甲板上方的通风系统。
有利地，通风系统设有通风元件，如通风漏斗，通风元件设有高架进气口。为了增加平台的能见度和/或辅助导航，通风系统或通风元件设有导航灯。根据本发明的一个实施方式，所述结构包括第一和第二浮桥，第一和第二浮桥分别设有位于甲板上方的通风系统。
浮动平台为使用时漂浮的平台。便利地，所述结构设有一个或多个压载舱，用于调节结构的浮力。例如，所述结构的压载舱可调节，以使变流装置和撞击水对接。
合适地，所述结构设有压载舱，使得在使用时水被变流至下冲流路和漫顶流路以驱动转子。
根据本发明的一个实施方式，所述转子通过淡水润滑轴承安装于所述浮桥上。
根据本发明的一个实施方式，所述转子设有中空的圆柱形转子体和径向延伸的转子叶片，以提供轻质的转子。为了获得理想的强度和耐久性，转子体设有包含轴向延伸筋的纤维增强混凝土。为了维持进水时的浮力，转子体中设有填充材料。
系统可以设有用于停泊所述结构的自重锚。根据本发明的一个实施方式，所述系统设有若干个自重锚，所述结构可以停泊若干个自重锚。
所述自重锚设有立柱，用于连接所述结构的锚缆索，立柱相对于所述自重锚的大致水平的支撑面呈锐角设置。根据本发明的一个实施方式，所述立柱设置成，使用时，在最高天文潮位(HAT)并考虑到因天气引起的最高天文潮位(HAT)时的潮涌，锚缆索和连接的锚立柱之间的角度始终小于90度。有利地，所述立柱设有用于与导杆的连接机构(如闩锁结构)对接的结构(如鱼颈部)。
所述结构设有用于自所述结构输出电力的电力输出电缆。为了抵消因输出电缆与基底(如海底)接触引起的磨料磨损，所述输出电缆悬挂段悬置于所述浮动结构和自重锚之间。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用于水电发电的网络化流体动力系统，其包括：浮动结构，包括用于在使用时与水流结合的转子和用于通过转子转动发电的发电机；用于停泊所述结构的自重锚；以及用于自所述结构输出电力的电力输出电缆，其中，所述浮动结构和自重锚之间悬置有输出电缆悬挂段。
根据本发明的一个实施方式，所述输出电缆设有位于自重锚和系统的另一个浮动结构之间的悬挂段。所述输出电缆还设有位于再一个漂浮结构和系统的再一个自重锚之间的悬挂段，或者，所述输出电缆设有位于若干个浮动结构和系统的自重锚之间的若干个悬挂段。悬挂段既可以一体设置，也可以包括不同长度的电缆。
合适地，所述电力输出电缆包括位于自重锚和在岸用电目的地之间的网段，网段可以掩埋。根据本发明的一个实施方式，网段为连接由若干个浮动结构生成的电力输出的共享段。
所述输出电缆的一个或多个所述悬挂段，最好是所述输出电缆的所有悬挂段，设有促进浮力的电缆浮球。根据本发明的一个实施方式，所述输出电缆的一个或多个所述悬挂段，最好是所述输出电缆的所有悬挂段，设有位于水平面内的弯曲。
为了获得额外的强度，所述输出电缆设有若干个碳纤维长丝，碳纤维长丝包覆有封装在电绝缘材料中的导电材料，例如，导电材料为镍。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种用于浮动结构张紧式停泊的自重锚，其包括：锚基，用于在部署位置置于海底；以及立柱，用于与浮动结构的锚缆索结合，当锚基位于部署位置时，立柱自锚基非垂直延伸。
合适地，立柱偏离垂直方向至少5度，优选至少10度。有利地，锚可以设置若干个自锚基延伸的立柱。根据本发明的一个实施方式，立柱的长度为0.5至2米，如至少0.5米。
方便起见，所述立柱相对于自重锚大致水平的海底支撑面呈锐角设置。
有利地，所述立柱与海底呈锐角设置。根据本发明的一个实施方式，所述立柱与海底的夹角为10至80度。
为了给所述浮动结构提供安全的停泊，所述立柱设置成，使用时，在最高天文潮位(HAT)并考虑到因天气引起的最高天文潮位(HAT)时的潮涌，锚缆索和对接的锚立柱之间的角度始终小于90度。
为了方便将电缆连接至立柱，所述立柱设有用于与导杆的连接机构对接的结构，如鱼颈部。如此设置，可允许锚缆索滑至设有导杆的立柱上。
根据本发明的再一个方面，本发明还提供了一种用于停泊浮动结构的方法，其包括以下步骤：在海底设置自重锚，自重锚设有非垂直延伸的立柱，立柱设有与连接结构对接的结构；使导杆与所述锚的立柱结构对接；使浮动结构的锚缆索的环沿着导杆滑动，以与立柱对接；对锚缆索施加张紧力，以维持环与立柱的对接；以及使导杆自立柱的结构脱开。根据本发明的一个实施方式，自重锚和/或浮动结构可以是本申请描述的自重锚和/或浮动结构。有利地，导杆可以设置一个相机，以协助导杆与立柱的结构在水下定位。
合适地，根据本发明的方法，通过停泊至相对的第二锚，可维持锚缆索中的张紧力。通过张紧式停泊，可以将张紧力维持在相对的锚缆索中。
优选地，根据本发明的方法，若干个锚缆索可以连接在锚上。
在本申请的说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”和术语的各种变体，指的是“包括但不限于”，并不排除其他元件、部件、整数或步骤。此外，除非上下文特别要求，单数包括复数。当使用不定冠词时，说明书应被理解成包括复数和单数，除非上下文另有要求。
除非另有说明，以下结合其他方面详细描述本发明各个方面的优选特征。根据以下的详细描述，本发明的其他特征显而易见。一般来说，本发明可延伸至任何一个本申请揭示的新颖特征(包括附属的权利要求和说明书附图)，或延伸至多个特征的组合。此外，除非另有说明，本申请揭示的特征也可以替换为其他可实现相同或相似目的的特征。
附图说明
为了使本发明更加清晰明白，以下结合附图对本发明流体动力系统进一步示例性说明。
图1为本发明流体动力系统的一个实施方式的主视图。
图2a为图1所示系统的局部等轴视图，其中，省略了系统的左浮桥。
图2b为与图2a视图对应的局部端视图。
图2c为图2b中区域A的放大示意图。
图3a为图1所示系统的俯视图。
图3b为图1所示系统的侧视图。
图3c为图3a区域中A的放大示意图。
图4a为图1所示系统的转子总成的端视图。
图4b为图4a所示转子总成的主视图。
图4c为图4a中区域B的放大示意图。
图4d为图4b中区域A的放大示意图。
图5a为图4a所示转子总成的喇叭张紧组件的端视图。
图5b为图5a所示的喇叭张紧组件的主视图。
图5c为图5a所示喇叭张紧组件的另一端视图。
图5d为沿着图5b中线A的图5a所示喇叭张紧组件的剖视图。
图6a为图4a所示转子总成的转子叶片组件的等轴视图。
图6b为图6a所示转子叶片组件的端视图。
图7a为图1所示系统的右轴承座的端视图。
图7b为图7a所示轴承座的俯视图。
图7c为图7a所示轴承座的主视图。
图7d为沿着图7c中线A的图7a所示轴承座的剖视图。
图7e为图7d中区域A的放大示意图。
图8a为图7a所示浮桥轴承座的制动系统的俯视图。
图8b为图8a所示制动系统的端视图。
图8c为图8a所示制动系统的主视图。
图8d为沿着图8c中线A的图8a所示制动系统的剖视图。
图8e为图8d中区域B的放大示意图。
图9a为图1所示系统的右浮桥的俯视图。
图9b为图9a所示右浮桥的主视图。
图9c为沿着图9b中线A的图9a所示右浮桥的剖视图。
图9d为图9a所示右浮桥的端视图。
图9e为图9c的放大示意图。
图10为图9a所示右浮桥的漏斗组件的等轴视图，其中，外壳已移除。
图11a为图1所示左浮桥的俯视图。
图11b为图11a所示左浮桥的主视图。
图11c为图11a所示左浮桥的端视图。
图11d为沿着图11b中线A的图11a所示左浮桥的剖视图。
图11e为图11d的放大示意图。
图12为图11a所示左浮桥的漏斗组件的等轴视图，其中，外壳已移除。
图13a为图1所示系统的盖组件的端视图。
图13b为图13a所示盖组件的俯视图。
图13c为沿着图13b中线B的图13a所示盖组件的剖视示意图。
图14a为图1所示系统的自重锚的端视图。
图14b为图14a中区域A的放大示意图。
图14c为图14a所示自重锚的等轴视图。
图15a为图1所示系统的浮桥锚组件的主视图。
图15b为沿着图15a中线A的锚组件的剖视示意图。
图15c为图15b中B区域的放大示意图。
图15d为图15b中C区域的放大示意图。
图16为根据本发明另一个实施方式的网络化流体动力系统的俯视图。
具体实施方式
请参照图1至图3c所示，本发明的一个实施方式提供了一种流体动力系统2，用于将双向水流的动能和波浪能转换为电能。流体动力系统2包括一个浮动平台4和第一、第二自重锚6。
浮动平台4包括间隔的左右浮桥8、10，左右浮桥8、10分别设有倾斜的流线型前部和尾部。浮桥8、10大致互相平行，左右浮桥8、10的中央通过正交取向、大致圆形的转子总成12桥接。在转子总成12的前部和尾部，浮动平台4设有第一、第二变流装置13、15，第一、第二变流装置13、15与浮桥8、10桥接并将水流变流至转子总成12，如下所述。转子总成12被设有若干个百叶门18的盖组件覆盖，其也可以变流水流，如下所述。
请参照图4a至图4d所示，转子总成12充当系统的涡轮。转子总成12包括均匀的圆柱形转子体14，转子体14支撑径向延伸的转子叶片16。通过转子总成12相应的左右轮毂组件20、22，转子体14可旋转地安装于左右浮桥8、10上。
转子体14为中空的圆柱，由填充轻质发泡19的钢筋混凝土制成，以确保任何可能的进水不会显著影响转子总成12的浮力。如此设置，有利于转子总成12的维护。例如，如果一个或多个轮毂组件20、22需要更换或维修。此外，增强浮力可显著降低左右轴承座24、26中的动力学摩擦，转子总成12可转动地安装于左右浮桥8、10上的左右轴承座24、26中，如下所述。
为了改善形成转子体14的钢筋混凝土的抗拉强度，转子体14的左右面设有喇叭张紧组件31的嵌入式环。请参照图5a至图5d所示，每个喇叭张紧组件31设有喇叭28、锚头30、转接头34和锯齿状钢楔32。后张紧力由沿着转子体14轴向延伸的若干个管(未图示)中的一个或多个股形成的筋(未图示)提供，两端与喇叭组件31连接。股由高压液压千斤顶施压，通过硬化的锯齿状钢楔32锁定。每个喇叭28设有内螺纹，用于连接被用来将轮毂组件20、22两端连接至转子体14的转接头34。
转子总成12的左右轮毂组件20、22的结构相同，请参照图4a和图4b所示，每个轮毂组件20、22设有轮缘21和若干个辐条23，辐条23将轮缘21分别连接至设有转子轴槽29的左右转子轴25、27上。
请参照图4b、4c、6a和6b所示，转子体14设有若干个转子叶片16，转子叶片16通过若干个转子叶片锚板36固定连接在转子体14上，以提供与水流的界面，如本领域技术人员所知。锚板36和转子叶片16共同形成转子叶片组件37。
请参照图7a至图7e所示，右轴承座26固接在右浮桥10上，形成水密隔舱。右轴承座26大致呈块状，右轴承座26的顶壁39设有若干个管道，以收容与右浮桥10周边对齐的管道对接的螺纹杆(未图示)。请结合参照图9a所示，螺纹杆可通过在右浮桥10的甲板上可访问的螺母盒41定位。如此设置，右轴承座26为右浮桥10的甲板提供额外的结构强度，且需要时可以方便替换。
右轴承座26包括淡水润滑滑动轴承38，滑动轴承38位于球面轴承40中，球面轴承40可减小波浪引起的浮动平台4的弯曲或错位导致的边缘磨损。为了防止球面轴承40出现转动，球面轴承40设有短轴42。短轴42由衬套44维持，但是其偏差允许球面轴承40有限运动。
淡水润滑滑动轴承38设有若干个淡水口52和防止进水的转子轴密封系统54，球面轴承40通过润滑脂润滑以形成防水密封。
请结合参照图8a至8e所示，右轴承座26设有一个制动器壳体46，制动器壳体46连接球面轴承40。制动器壳体46设有若干个静制动盘48和旋转制动盘50，静制动盘48维持在制动器壳体46的内表面上开设的若干个槽中，旋转制动盘50通过与右转子轴27中的转子轴凹槽29的对接驱动。通过使用若干个液压操作刹车活塞51反推最外静制动盘48，将静制动盘48和旋转制动盘50压在一起，可在需要时施加制动力。
左轴承座24和右轴承座26相同，固定连接在左浮桥8上并与左转子轴25对接。
除了支撑在轴承座24、26中的转子总成12，浮桥8、10还设有用于将转子总成12的转动生成电的元件和方便传输生成的电的元件。
请参照图9a至9e所示，右浮桥10充当驱动端，除了右轴承座26，右浮桥10还包括用于将海水转化成淡水以协助轴承座24、26中润滑的反渗透系统，通过弹性联轴器58连接支撑于右轴承座26中的右转子轴27的齿轮箱56，以及直接位于齿轮箱56上方的异步发电机60。
右浮桥10的内部元件55、56、58、60分别设有壳体，且可根据需要执行的功能与其他元件连接，模块化设置可方便各个元件的维护和更换。如上结合右轴承座26所描述，壳体通过管道和导杆(未图示)可拆卸地安装定位，因此可以为右浮桥10提供结构强度。
系统2的设置使得从右轴27至齿轮箱56的输出约为8rpm，以形成可观的扭矩。为了将低速高扭矩输入转换成高速低扭矩输出，齿轮箱56包括5个阶段(未图示)，第一至第三阶段包括行星齿轮设计，第四和第五阶段采用正齿轮设计。如此设置，齿轮箱56与异步电机连接的输出轴(未图示)的转速约为1000rpm。
请结合参考图10所示，右浮桥10的内部元件55、56、58、60的冷却借助于右浮桥10上方携带的右通风漏斗62实现。右通风漏斗62设有空气进口/出口64(带过滤装置)，空气进口/出口64连接第一和第二直立通风管66(一个为进气管，另一个为出气管)并被第一和第二直立通风管66支撑，第一和第二直立通风管66分别引导至用于右浮桥10内部元件55、56、58、60通风和冷却的通风总管68。通过风扇65，空气自空气进口/出口64进入和流出通风管62。右浮桥10的甲板上方还设有访问舱70、用于为反渗透系统55提供海水的管道72、用于将淡水运送至左右浮桥轴承座24、26的淡水管线74、如下所描述的用于驱动百叶门18的电机74，以及电力传输电缆75。甲板上方的通风系统和其他元件，可方便维护和冷却。此外，位于甲板上方的漏斗设置，其中空气进口/出口64位于直立管道的顶部，可确保通风不被通过甲板的大浪影响，如波涛汹涌的海浪。实际上，漏斗62可以充当通气管，以确保右浮桥10的各个元件冷却空气的稳定供应。
为了降低海运的潜在碰撞风险，右通风漏斗62设有航行灯78。右通风漏斗62被涂布成代表导航浮标，具有正确的航行灯颜色和闪光频率，浮动平台4可被用作导航浮标。因此，通过使用系统2，现有导航浮标的操作和维持成本可被转移至潮汐能项目。浅水处也可以获得较快的潮流，以提升性能。对于一个航道，航道的两侧可以每间隔300米分布有若干个浮动平台4，相对于在航道一侧间隔1500米设置浮动平台4具有明显的优点。
请参照图11a至图11e所示，左浮桥8可充当配电端，除了左轴承座24，左浮桥8设有用于转换和传输电力的元件。左浮桥8通过电力传输电缆75接收来自右浮桥10的电能。在左浮桥8，电力逆变器80将异步发电机60提供的异步交流电转换成同步交流电。同步交流电随后被传输至高压变压器82，电流的电压在高压变压器82升高。自高压变压器82，电流被传送至电气断路器84。
左浮桥8的内部元件80、82、84分别设有壳体，且可根据需要执行的功能与其他元件互接，模块化设置可方便各个元件的维护和更换。如上结合右轴承座26所描述，壳体通过管道和导杆设置(未图示)可拆卸地安装定位，因此可以为左浮桥8提供结构强度。
请结合参考图12所示，左浮桥8的内部元件80、82、84的冷却借助于左浮桥8甲板上方携带的左通风漏斗86实现。左通风漏斗86设置的通风元件与右通风漏斗62设置的通风元件相同，图12中，对应的附图标记表示对应的元件。如结合右通风漏斗62所描述，左浮桥8上也可以设置导航元件，导航元件可根据需要设置在通风漏斗62、86中的至少一个上。左浮桥8的甲板上方设有电力传输电缆75、用于自右浮桥10接收淡水以润滑左轴承座24的淡水管线74、若干个访问舱口70、用于驱动百叶门18的电机74，以及电力输出电缆接线盒88。
电力输出电缆接线盒88接收来自电气断路器84的电流，并允许最多与四个电力输出电缆90的电连接，每个电力输出电缆90可以通过相关的电力输出电缆导管92进入大海。
如前所述，系统设有第一和第二变流装置13、15和若干个百叶门18，以使转子总成12区域的水流变流。
请继续参照图2b和图2c所示，变流装置13、15均由钢筋混凝土制成，且具有中空的斜三角形横截面。变流装置13、15的三角形横截面不规则，使得变流装置具有最短的横截面94，形成变流装置底面的最长横截面96，以及形成变流装置顶面的剩余横截面98。变流装置13、15安装于转子总成12的前部和尾部，变流装置13、15的第一顶尖100背离转子总成12，变流装置13、15的最短的横截面94朝向转子总成12，最长的横截面96和剩余的横截面98分别向上和向下。变流装置13、15的第一顶尖100位于转子总成12的转轴99的上方，变流装置13、15的第二顶尖101位于转子总成12的转轴99下方，以优化和加速转子总成12下方的水流。变流装置13、15采用后张预应力技术通过压力安装在浮桥8、10上，其中，后张紧喇叭28嵌入浮桥8、10一侧，如上结合转子体14所描述，此时不需要螺纹转接头34。
变流装置13、15围绕纵轴均一设置，且填充有轻质泡沫19，以确保任何潜在的进水不会显著影响其浮力。
变流装置13、15的定位使得，在使用时系统，海平面一般位于由背离转子总成12的第一顶尖100定义的平面。例如，由于潮流的作用，作用于变流装置13、15上的水撞击主要被底面96向下变流至转子总成12的下冲流路。在下冲流路，被变流的水流与转子体14的转子叶片16对接并驱动转子总成12，使得电可以自浮桥8、10产生、转换和传送，如上所述。需要注意的是，由于前部和尾部变流装置13、15的存在，流体动力系统2可以按此方式双向发电。
例如，由于潮流的作用，位于变流装置13、15的第一顶尖100上方的水撞击被顶面98向上变流至转子总成12的漫顶流路。向上变流的水可以被收集在形成于转子总成12一侧和百叶门18之间的前部和尾部漏斗形储存器103中的一个，形成位于海平面上方的高架水头，以驱动转子总成12一侧，即漫顶结构。
请参照图13a至图13c所示，盖组件17的百叶门18在转子总成12的前部和尾部成对设置。每个百叶门18可在图13c左侧所示的开启位置和图13c右侧所示的关闭位置之间运动。在开启位置时，百叶门18和转子总成12之间设有间隙105，以便于来自漏斗形储存器103的水流经过转子总成12，减小或消除在相应侧作用于转子总成12上的静压头。在关闭位置时，百叶门18和转子总成12之间的间隙105缩小，以使得水被收集在漏斗形储存器103中并形成作用于转子总成12相应侧(尤其是转子叶片16)上的静压头。为了抵消旁路，百叶门18的边缘设有橡胶密封(未图示)。
转子总成12的前部和尾部静压头的差异，可以为转子总成12提供额外的漫顶水电。为了保证漫顶水电和下冲流路协调，在正常的操作条件下，上游百叶门18关闭，下游百叶门18开启，以防止经过浮动平台4顶部的大浪引起潜在的反向转矩。每个百叶门18通过连接杆104连接至门上的两个螺旋千斤顶102在开启位置和关闭位置之间驱动，螺旋千斤顶102与由电机76驱动的两个普通传动轴106相连，电机76位于浮动平台4的漏斗62、86中，如前所述。
漫顶结构也是双向设置，前部漏斗形间隙105和尾部漏斗形间隙105分别位于转子总成12与前部百叶门18和尾部百叶门18之间。为了优化漫顶结构的性能，最好可以保证上游漏斗形储存器103填满，而相对的储存器103大致是空的。如有需要，可以通过堵上位于转子总成12和百叶门18之间的间隙105实现。
因此，当百叶门18位于转子总成12前部的间隙105窄而转子总成12尾部的间隙105宽的位置时，转子总成12被前部漫顶流路中自前部漫顶储存器103流过转子总成12的水流驱动沿着第一方向转动。当百叶门位于转子总成12的前部的间隙105窄而尾部的间隙105宽的位置时，转子总成12被前部漫顶流路中自前部漫顶储存器103的水流驱动沿着与第一方向相反的第二方向转动。
每个百叶门18上方设有过滤网108，过滤网108连接漫顶流路至漏斗形储存器103，在转子总成12的顶部上方延伸，并由滤网框架110支撑。过滤网108可防止碎片进入漏斗形储存器103，防止堵塞。过滤网108的网目尺寸的选择需权衡考虑细网目尺寸可改善性能和为了防止过滤网108堵塞所需的维护费。如果需要，各种网目尺寸的可以交互使用，以综合各种环境因素。滤网框架110还可以为浮桥8、10和变流装置13、15提供额外的刚性。
转子叶片16可以同时被转子总成12下的水流和进入漏斗形储存器103中的波浪能驱动，同时应用水流和波浪能可显著提升系统的效率。
通过每个浮桥8、10中的压载舱(未图示)加水或除水，变流装置13、15的海拔和转子总成12的性能可以根据浪高调整。
请参照图3a和图3b所示，第一和第二自重锚6被用于将浮动平台4维持在正确的位置并在前部和尾部根据拉紧停泊原理发电。自重锚6结构相同，在使用时位于海底。每个自重锚6在海底的位置需要相对平坦，如果不能实现，在安装前可采用挖泥船准备海底。
请参照图14a至图14c所示，每个自重锚6为椭圆形且包括若干个压载舱。自重锚6被设置成桥梁沉箱漂浮至适当位置，随后采用连接在自重锚基座上的充气袋(未图示)以可控方式沉没。压载可以就地采购，以减少其他地方采购可能引起的环境风险。自重锚6的除役或移除可以通过相反程序轻易完成。
每个自重锚6包括4对圆柱形锚立柱114，以能够依次锚住两个浮动平台4。
对于每个被用于锚住浮动平台4的绳或缆，下缆风绳116通过设有销连接的锚环118连接圆柱形锚立柱114。为了防止锚环118自锚立柱114脱落，锚立柱114倾斜设置，以使得在最高天文潮(HAT)并考虑到因天气引起的最高天文潮(HAT)时的涌潮，下缆风绳116和锚立柱114之间的夹角总是小于90度。
无需潜水员，即可将锚环118安装在锚立柱114上，可以通过将设有闩锁机构的导杆(未图示)连接至位于锚立柱114端部的鱼颈部120来实现，还可以通过沿着导杆滑动且带有位于介入容器中的观察屏的防水相机来辅助。当导杆被成功锁定后，相机被拉至表面，锚环118沿着导杆下滑至锚立柱114上。随后，相机在导杆上方滑动，以确认锚环118已经正确安装。需要移除导杆时，采用启罐动作剪断销并释放闩锁机构。
请结合参照图1所示，在锚环118的相对端，下缆风绳116被连接至锚索减震器122上，以减少因波浪导致的锚缆负载，张紧式停泊系统和浮动平台4的流线型设计也有助于减少因波浪导致的锚缆负载。
锚索减震器122连接至上缆风绳124，上缆风绳124连接至浮桥锚组件125，浮桥锚组件125包括若干个圆柱形链环126，圆柱形链环126设有用于销连接的孔以将链条连接在一起。
请参照图15a至图15d所示，圆柱形链环126设有周向槽，以收容若干个临时荷载支撑销128。圆柱形链环126维持在外顶杆130中，从最高处的圆柱形链环126上的载荷通过负载测量销132传至外顶杆130。自外顶杆130的载荷通过锚链筒上套管136传至锚链筒134，锚链筒134固定连接在浮桥8、10上。在锚链筒134的基底，锚链筒下套管138支撑外顶杆130，并防止锚链筒134受到磨料磨损。锚链筒下套管138可以恢复，例如，通过特殊设计的恢复工具锁入锚链筒下套管138的内槽中。
为了张紧每个绳索，临时荷载支撑销128与最高圆柱形链环126a对接，并将拉伸载荷自负载测量销132转移，使得负载测量销132可以被移除。液压千斤顶(未图示)随后被置于外顶杆130和最高圆柱形链环126a的销连接的顶部，液压千斤顶随后被用于将载荷自临时荷载支撑销128移除。液压千斤顶随后被用于抬升最高圆柱形链环126a，直至下一个链环126b与临时荷载支撑销的孔对齐。临时荷载支撑销128随后重新对接，载荷又被移回。将最高圆柱形链环126a连接至下一个链环126b的销127随后被移除，液压千斤顶和最高圆柱形链环126a被移除。通过随后移除圆柱形链环126，前述过程不断重复，以张紧锚缆116、122、124。
请继续参照图1所示，高压电力输出电缆90悬置在左浮桥8和相应的自重锚6之间，不与海底接触。为了防止潮汐运动和海浪引起的运动导致海底磨损，电力输出电缆90设有电缆浮球130和位于水平面的弯曲。为了支撑水平链条和减小疲劳引起的电导体故障，输出电缆90的电导体设有若干个碳纤维丝，碳纤维丝包覆有导电材料，如镍，电导体包覆在绝缘材料中。
自自重锚6，电力输出电缆90可以埋在海底并通向岸上。可选地，电力输出电缆90也可以通往另一个浮动平台4，与之前一样悬置且设有电缆浮球130。
系统2可以安装在适合水力发电的任何位置。浮动平台4被设置成在最低天文潮(LAT)时只需10米水深，以安全操作。浅水位置具有许多优点，主要的优点是，浅水的水流速度显著大于深水的水流速度。浮动平台4的浅水位置还可以减小电力输出电缆90至岸上所需的长度，以显著改善项目经济性。此外，通过有助于第三方在深水使用为电力输出电缆筹集资金，可以提供可观的商业杠杆，转变深水位置的商业可行性，深水位置的商业可行性采用现有流体动力技术开发目前仍然不经济。
在定期维护方面，转子叶片16的结垢无法避免。但是，请继续参照图2a和图2b所示，可以通过位于转子总成12上方的维护走道140访问转子叶片16并用高压清洗机(在平静的天气下)定期清洗。维护走道140还可以在过滤网108被临时移除后被用来访问转子叶片16，以便维护或更换，维护走道140还可以被用来服务或更换螺旋千斤顶102和百叶门18。
浮桥8、10中的设备，如反渗透系统55、齿轮箱56、发电机60、逆变器80、高压电力变压器82或电气断路器84的服务或维护，可以通过舱口70实现。如果主要设备出现故障或需要升级，相关漏斗62、86可以轻易移除，受影响的元件可被移除并用备用元件替换。通过元件的模块化设置，元件的移除和替换可以轻易实现，可以大幅减小停机时间。
需要移除锚索进行检查，以保证系统2的长期完整。每个浮桥8、10设有两个锚链筒134，前部锚链筒和尾部锚链筒。第二锚链筒34允许在移除主要锚缆进行检查前第二锚缆可以被连接至自重锚6上，也允许在浮动平台的第一次安装期间纤绳连接。通过使用安装在外顶杆130上的液压千斤顶添加圆柱形链条126，锚缆张紧力可自第一锚缆被移除。随后，锚缆的最高圆柱形链环126a自浮桥8、10分离。圆柱形链环126、上缆风绳124、锚缆减震器122通过接入容器被移除，只留下下缆风绳116和锚环118连接在自重锚6上。从锚立柱114上移除锚环118的方式如下：将介入容器定位在相对于锚缆的起始方向成180度角的位置，锚环118随后滑出锚立柱114和下缆风绳116，如此，锚环118可以被恢复。
通过每个浮动平台4和在岸控制室之间的电力输出电缆90采用电力线通信系统(PLC)，可以通过数据通信系统(未图示)实现浮动平台的指挥和控制。控制室的尺寸和规模取决于需要控制的浮动平台的数量，控制室还可以协调当地的电力配送公司的操作和维护。
根据多种因素分析确定，系统2对当地环境的影响可以忽略不计。转轴25、27的滑动轴承38通过淡水润滑，齿轮箱56虽然含有油但却设置了两个屏障防止油泄漏至环境中，由于浮桥8、10的模块化设计，检查和监控很容易实现。转子叶片16的前端设计的最大速度为3.0m/sec，减小了任何对当地鱼群或海洋哺乳动物的潜在冲击损伤(请参照英国环境局2012年12月的“水电良好实践指南”)。考虑到转子叶片16的长度较短，如果新的指南生效，可以采用橡胶材料制造转子叶片16。通过提供轮毂组件20、22，转子叶片16的边缘受到保护。由于过滤网108的设置，可以防止自上方访问漏斗形储存器103，因此可以减小海洋哺乳动物被困或被转子叶片16伤害的风险。过滤网108还可以保护当地居民免于因好奇心而受到伤害。
还需要考虑洄游鱼类以及设计是否会通过任何方式影响洄游鱼类。转子总成12被设置成紧靠表面，因此，即使在浅水，也会有足够的空间允许鱼类自下方通过。如上所述，转子叶片端部的速度设置为不超过3.0m/sec，不会对鱼类造成任何伤害。
多个浮动平台项目可以捕获部分可用的潮汐动能，因此，会否定下游潮差的任何变化的风险，为涉水鸟群提供持续保护。由于设置灵活，可以考虑定点方式，减少任何干扰鸟群的风险。
系统2可以安装在任何有水流或波浪能的位置，包括但不限于河流、人造渠道、潮汐河口、自然形成的潮汐通道，以及存在适当水流的任意其他位置。因此，此处描述的“海”和“海底”也应被理解成包括这些应用场合。
浮动平台4的网络可以依次安装和/或平行安装。
请参照图16所示，在本发明的一个实施方式中，浮动平台4和自重锚6的网络200可用于水力发电，每个浮动平台4和自重锚6如前所述。在网络200中，浮动平台4和自重锚6穿插设置，每个浮动平台4可以停泊两个自重锚6，如前所述。电力输出电缆90设置成位于浮动平台4之间的若干个段，各个段的两端在浮动平台4的通风漏斗86内收容的电力输出电缆接线盒88中电性连接，并被连接至位于浮动平台4之间的自重锚6。每个浮动平台4如上所述。为了将电力传输上岸，在自重锚6附近，海底铰接95连接悬挂的电力输出电缆段和电力输出电缆90的网段93。网段93掩埋在海底并通到岸上。浮动平台4的第二线通过采用电力输出电缆的互联段91形成，并通过电力输出电缆接线盒88使两端电性连接，连接至自重锚6。
本领域的技术人员可以理解的是，说明书中描述的都是非限制性的实施方式，在不偏离本发明的权利要求限定的保护范围的情形下，还可以对本发明进行适当修改。

Claims (44)

1.一种用于水力发电的流体动力系统，系统包括用于停泊的浮动结构，浮动结构包括：
大致水平的转子；
变流装置，用于在使用时将撞击水变流至下冲流路和漫顶流路，以驱动转子；
发电机，用于通过转子的转动发电；以及
可动部件，可动部件定义临近转子一边的漫顶蓄水池，以收集沿着漫顶流路被分流的水，提供作用于转子上的静压头。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变流装置设有用于将水变流至漫顶流路的顶面和将水变流至下冲流路的底面。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述变流装置沿着纵轴延伸，且具有限定顶面和底面的三角形横截面。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述变流装置设有自转子背离的顶尖，所述变流装置的一侧朝向转子，所述变流装置的纵轴大致平行于转子的转轴。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，至少一个所述变流装置设有不规则的三角形横截面，横截面的最短边朝向转子，横截面的最长边大致向下定义底面，横截面的剩余边大致向上定义顶面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，当水自船头方向撞击时，所述撞击水被变流至前部漫顶流路，当水自船尾方向撞击时，所述撞击水被变流至尾部漫顶流路。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述浮动结构包括将来自船头方向的撞击水变流至前部漫顶流路的前部变流装置，和将来自船尾方向的撞击水变流至尾部漫顶流路的尾部变流装置。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，进一步包括前部可动部件和尾部可动部件，前部可动部件和尾部可动部件分别定义临近转子前侧和尾侧的前部漫顶蓄水池和尾部漫顶蓄水池，以收集沿着相应漫顶流路被变流的水，提供作用于转子上的静压头。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可动部件在关闭位置和开启位置之间运动，在关闭位置时，沿着相应漫顶流路被变流的水被相应的漫顶蓄水池收集；在开启位置时，沿着相应漫顶流路被变流的水被允许流过转子的相应边。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可动部件设有百叶门。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统包括若干个前部百叶门和尾部百叶门。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变流装置设有中空外体，外体中设有填充材料。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步安装有过滤网，过滤网与所述漫顶流路相交。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述浮动结构设有第一和第二浮桥，第一和第二浮桥通过所述转子桥接。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第一和第二浮桥进一步被前部和尾部变流装置桥接和连接，前部和尾部变流装置分别用于将撞击水变流至下冲流路和漫顶流路以驱动转子。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述浮桥中的一个设有发电机，所述浮桥中的另一个设有电力逆变器、电力变压器、电气断路器和电力输出电缆接线盒中的一个或多个。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的系统，其特征在于，所述浮桥中的至少一个设有用于自高盐度水生成淡水的装置。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，进一步包括淡水传输线，用于自一个所述浮桥向其他浮桥提供淡水。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述浮动结构设有位于甲板上方的通风系统。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述通风系统设有具有高架进气口的通风部件。
21.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述通风系统设有导航灯。
22.根据权利要求19或20所述的系统，其特征在于，所述浮动结构包括第一和第二浮桥，第一和第二浮桥分别设有位于甲板上方的通风系统。
23.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述浮动结构设有一个或多个用于调节结构浮力的压载舱。
24.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述浮动结构设有压载舱，以使得使用时水被变流至下冲流路和漫顶流路以驱动转子。
25.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述转子通过淡水润滑轴承安装在所述浮桥上。
26.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转子设有中空的圆柱形转子体和径向延伸的转子叶片。
27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述转子体设有包含轴向延伸筋的纤维增强混凝土。
28.根据权利要求26或27所述的系统，其特征在于，所述转子体中设有填充材料。
29.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括用于停泊所述浮动结构的自重锚。
30.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括若干个自重锚，其中，所述浮动结构用于停泊若干个自重锚。
31.根据权利要求29或30所述的系统，其特征在于，所述自重锚设有用于连接所述浮动结构的锚缆索的立柱，立柱相对于所述自重锚的大致水平的支撑面呈锐角设置。
32.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述立柱设置成，使用时，在最高天文潮位(HAT)并考虑到因天气引起的最高天文潮位(HAT)时的潮涌，锚缆索和连接的锚立柱之间的角度始终小于90度。
33.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述立柱设有用于与导杆的闩锁机构对接的结构。
34.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述浮动结构设有用于自所述结构输出电力的电力输出电缆。
35.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，使用时，输出电缆悬挂段悬置于所述浮动结构和自重锚之间。
36.根据权利要求35所述的系统，其特征在于，所述输出电缆设有位于自重锚和系统的另一个浮动结构之间的悬挂段。
37.根据权利要求35所述的系统，其特征在于，所述输出电缆设有位于再一个浮动结构和系统的再一个自重锚之间的再一个悬挂段。
38.根据权利要求37所述的系统，其特征在于，所述输出电缆设有位于若干个浮动结构和系统的自重锚之间的若干个悬挂段。
39.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述电力输出电缆设有掩埋段，掩埋段位于自重锚和在岸用电目的地之间。
40.根据权利要求39所述的系统，其特征在于，所述掩埋段为与由若干个浮动结构生成的电力输出连接的共享段。
41.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述输出电缆的一个或多个悬挂段，或输出电缆的所有悬挂段，设有促进浮力的电缆浮球。
42.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述输出电缆的一个或多个悬挂段，或输出电缆的所有悬挂段，设有位于水平面内的弯曲。
43.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述输出电缆设有若干个碳纤维长丝，碳纤维长丝包覆有封装在电绝缘材料中的导电材料。
44.根据权利要求43所述的系统，其特征在于，所述导电材料为镍。
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