CN107250530A - 水流能量的利用方法和设施 - Google Patents

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Abstract

一种借助于安置在水流(16)中的能量设施(1)来利用水流能量的方法被描述，该能量设施(1)包括至少一根绳索(2、4)，该绳索围绕至少两个旋转站(8、10)延伸，且运载至少部分被浸没的至少一个导叶(12)，所述导叶围绕其弦(42)呈大致对称，水的流动速度和方向(Vc)以及导叶的移动速度和方向(Vs)一同形成作用在导叶(12)上的最终水流速度和方向(Vr1、Vr2)，该方法包括以下步骤：当导叶正在顺流位移时，枢转导叶(12)直至其相对于最终水流方向(Vr1)成所需攻角(α1)；以及当导叶(12)正在逆流位移时，枢转导叶(12)直至其相对于最终水流方向(Vr2)成所需攻角(α2)，在顺流和逆流情况下的攻角相同或不同。还描述了一种用于实施该方法的能量设施(1)。

Description

水流能量的利用方法和设施
技术领域
本发明涉及通过能量设施利用水流能量的方法。更具体地说，本发明涉及一种通过放置在水流中的能量设备来利用水流能量的方法，所述能量设备包括围绕至少两个转动站延伸的至少一根绳索，且沿绳索设有至少部分被浸没的至少一个导叶(foil)，所述导叶围绕其弦呈近似对称，且水的流动速度和方向与导叶的移动速度和方向共同形成作用在导叶上的最终水流速度和方向。本发明还包括在实施该方法时使用的能量设备。
背景技术
就此而论，术语“导叶”指的是一个整体或复合体，其被设计成在从流动的水中提取能量时形成有利的流动模式。该术语还包括用于相同目的的帆。
术语“绳索”包括通常为纤维绳、线、链或其组合的任何适当的细长柔性体。
由文献NO333432已知沿着被浸没的轨道设置导叶，其中导叶相对于流动方向进行顺流调节(co-current adjust)。当导叶相对于水流移动时，导叶被设置在中立位置，其目的在于使其提供尽可能少的流动阻力。
文献GB2131491涉及用于从风或水中提取能量的设备，其中沿着环形带布置多个导叶，在用于水的实施例中，该环形带设置为垂直于水流。导叶围绕其弦呈近似对称，并且弦与带平行。
在文献NO333432描述的实施例中，很明显，在逆流支架(leg)上将存在能量损失，从而降低能量设施的总效率。根据文献GB2131491，没有逆流支架，因为带垂直于输出支架(outbound leg)和返回支架上的水流。
发明内容
本发明的目的是弥补或减少现有技术的至少一个缺点，或至少提供现有技术的可用替代方案。
该目的由以下描述和后附权利要求书中指定的特征来实现。
除了文献GB2131491所示的方案以外，在根据使沿着绳索的导叶处于流动力作用下的原理而工作的能量设施中，总是必须有逆流支架，且该支架与水流方向之间的角度小于90度。
通过使逆流支架上的绳索具有1至45度之间的角度以及将所述导叶与攻角定向为相对最终水方向成一攻角，所述导叶以对应于航海中的术语“迎风(by the wind)”的方式受到来自水流的力，因为导叶给出沿逆流支架定向的力分量。因此，当导叶向上游位移时，也可以提取相当大量的能量。
应注意，在航海中，术语“迎风”有一些混乱，因为有人将这种航海方向与风向之间的角度在90度和45度之间的情况称为“前舷侧风(close reach)”。
本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定本发明的有利实施例。
在一个方案中，本发明具体涉及一种通过安置在水流中的能量设施来利用水流能量的方法，该能量设施包括至少一根绳索，该绳索围绕至少两个旋转站延伸，沿着绳索设有至少一个至少部分被浸没的导叶，该导叶围绕其弦呈大致对称，水的流动速度和方向以及导叶的移动速度和方向一同形成作用在导叶上的最终水流速度和方向，该方法包括以下步骤：
当导叶正在顺流位移时，枢转导叶直至其相对于最终水流方向成所需攻角；以及
当导叶正在逆流位移时，枢转导叶直至其相对于最终水流方向成所需攻角，
通过顺流位移形成的攻角相同或不同于通过逆流位移形成的攻角且大于零。
通过顺流的意思是，导叶的位移方向具有与水流方向一致的位移分量。通过逆流的意思是，导叶的位移方向具有与水流方向相反的位移分量。
由于在逆流和顺流情况下最终水流速度不同，在逆流和顺流情况下导叶上的所需攻角将不同。其原因可能是必须由绳索吸收的侧向力的限制或对来自水的能量的最佳利用。
计算和测试表明，该方法可以包括让攻角位于1至20度之间。
为了实现必要的功能可靠性，该方法可能需要包括通过顺流位移使得可控制的转换体将导叶枢转到活动位置。
转换体通常以这样一种方式设置，该方式为当导叶在其顺流支架上行进时，转换体对导叶设置为使其处于活动位置。如果导叶将其自身设定为被动位置，则能量设施就会停止。试验表明，正确设置导叶所需的力是相对适中的。
因此，可能需要在导叶在其逆流支架上行进之前，将导叶引导至其活动位置。
本方法可包括设置具有支撑体的旋转站，支撑体的直径大于旋转站处的绳索滑轮，支撑体在旋转站处碰撞导叶。
在第二方案中，本发明更具体涉及一种位于水流中的能量设施，该能量设施包括至少一根绳索，该绳索围绕至少两个旋转站延伸，沿着绳索设有至少一个至少部分被浸没的导叶，该导叶围绕其弦呈大致对称，水的流动速度和方向以及导叶的移动速度和方向一同形成作用于导叶上的最终水流速度和方向，其特征在于，当导叶正在顺流位移时，导叶被枢转而相对于最终水流方向成所需攻角，当导叶正在逆流位移时，导叶被枢转而相对于最终水流方向成相同或不同的攻角。
能量设施可包括设置在顺流位移处的可控制的转换体。转换体的功能如上所述，并且转换体可以由轮或翼片组成，例如，其设置在每个旋转站处且当转换体处于其活动位置时将会碰撞导叶。转换体可以借助于水流或借助于致动器在其活动位置与被动位置之间移动。
至少一个旋转站可以设有支撑体，该支撑体设置为撞击导叶，因为支撑体的外径大于旋转站处的绳索滑轮。
由于支撑体处于绳索滑轮的外径之外，在导叶于逆流支架上行进之前，支撑体将始终使导叶处于其活动位置。
当然可以使用其它形式的转换和支撑体来实现所需的功能。例如，转换体可以具有这样的设计，使得当水流转动时，其围绕旋转站的中心轴线转动到新的活动位置。
根据申请人自己的专利文献NO333432的导叶非常适合用于能量设施，然而也可以使用具有主要相同性质的其它导叶。
通过对称设计，根据本发明的能量设施在潮汐流中和在流动方向不变的河流或其它水流中一样适合。
当导叶通过水进行位移时，会产生升力L和拉力(流动阻力)D。
沿着绳索作用的力由以下公式给出：
T＝-D cos(γ)+L sin(γ)
其中γ表示流动的相对方向的角度；参见说明书的具体部分。
通过当导叶沿着逆流支架位移时也能够从水流中提取能量，根据该方法和系统的本发明使得相关能量设施的总效率得到显著提高。
附图说明
以下将描述在附图中被可视化的优选方法和实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的能量设施的原理图；
图2示出了图1的一部分，其中，一个导叶正在进入其活动位置；
图3示出了图1的一部分，但是其中导叶处于其被动位置；
图4示出了导叶的侧视图；
图5示出了图4的导叶的端视图；
图6示出了当导叶处于顺流支架上时的流动方向和力的示图；
图7示出了当导叶处于逆流支架上时的流动方向和力的示图；以及
图8示出了沿图1中的I-I所示的视图。
具体实施方式
在附图中，附图标记1表示能量设施，其包括围绕绳索滑轮6延伸的环形上绳索2和环形下绳索4，绳索滑轮6位于第一旋转站8和第二旋转站10处。参见图4，多个导叶12附接到上绳索2和下绳索4。绳索2和4可以包括数根单独的绳索。
术语“上”和“下”是指在实施状态下，能量设施1设有垂直转动站轴线14时的相对位置。
在所示的示例性实施例中，绳索滑轮6的旋转方向是顺时针方向。水流16中的第一旋转站8和第二旋转站10之间的延伸段(stretch)构成顺流支架18，而返回支架构成逆流支架20。
由于此处的绳索滑轮6具有相同的直径，所以顺流支架18和逆流支架20平行且在此处与水流16成大约70度角。
导叶12具有靠近导叶12的前部26的提升中心(lift centre)22和旋转轴线24。导叶12设有附接到上绳索2的上导叶悬挂件28，和附接到下绳索4的下导叶悬挂件30。
导叶悬挂件28、30均包括臂32，臂32可旋转地连接到轴34，从而能够围绕旋转轴线24旋转。臂32具有与旋转轴线24相距一定距离的悬挂件轴线36。围绕悬挂件轴线36可旋转的多个联接件38分别连接到上绳索2和下绳索4。弹性元件40在此处为张力弹簧的形式，其趋于将臂旋转到相对于导叶12的弦42的平行位置。弹性元件40可由未示出的致动器或其它适当的设备替代。
在图6和图7中，箭头Vc表示水流16的速度和方向，箭头Vs表示导叶12的速度和移动方向。图6表示顺流情况，图7表示逆流情况。图6中的箭头Vr1和图7中的箭头Vr2表示水流16朝向导叶12的最终力和方向。图6中的γ1和图7中的γ2表示最终水流方向与导叶12的移动方向之间的相对角度。
当导叶12被设定成迎角为α时，参照提升中心22，提升力L和牵引力D上升。迎角α在顺流支架18和逆流支架20处可以相同或不同，其基于主要条件(prevailing condition，优势条件)而被选择。
在本说明书的广义部分中，沿着绳索2、4作用的力T被共同地定义。横向于绳索2、4而作用的横向力N的总和由以下公式给出：
N＝D sin(γ)+L cos(γ)
横向力N可能相当大，考虑到这一点，必须控制迎角α。力T和N是容易理解的，在图中未示出。
当能量设施1运行时，当导叶12在顺流支架18上行进(set off)时，其可以处于如图3所示的被动位置。因而其会阻挡能量设施1。设置在每个旋转站8、10处的且能够处于活动位置(见图2)或被动位置(见图3)的转换体44被设置在其活动位置，以便碰撞导叶12从而确保当导叶12在顺流支架18上行进时处于其活动位置。
当导叶12遇到水流16时，导叶12围绕旋转轴线24朝向相对于水流16的有利位置旋转。当臂32围绕旋转轴线24旋转时，弹性元件40被拉伸。悬挂轴线36相对于提升中心22的位置使得导叶12在不同的水流速度下达到有利于该目的的位置。导叶12的对称设计以及上下导叶悬挂件28、30的对称设计的效果是使得导叶12在水流16中沿两个方向正确对准。
导叶12沿着顺流支架18与绳索2、4一起位移，直至其到达第二旋转站10，在那里其围绕绳索滑轮6转动。第二旋转站10设有支撑体46，该支撑体46设置为碰撞导叶12。由此，支撑体46使导叶12位移到绳索2、4的相对侧。其目的是确保当导叶12在逆流支架20上行进且朝向第一旋转站8位移时，导叶12处于其活动位置。
由于所示实施例中的能量设施1已经适应于潮汐流(水流16在其中转动)，所以第二旋转站10处也同样设有转换体44，且第一旋转站处设有支撑体46。
在给定的绳索和水速度下，每个导叶12均沿着绳索2、4贡献力T。因此，可以由能量设施1提取能量，例如通过将发电机(未示出)连接到一个或多个绳索滑轮6来提取能量。
应当注意，所有上述实施例仅阐释本发明，而非对其限制，本领域技术人员可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下构建许多替代实施例。在权利要求中，括号中的附图标记不应被视为限制性的。所用的动词“包括”及其不同形式不排除存在权利要求中未提及的元件或步骤。元件前的不定冠词“一”或“一个”不排除存在多个该元件。
虽然一些特征在相互不同的从属权利要求中表示，但不表示这些特征的组合不能有利地使用。

Claims (8)

1.一种借助于放置在水流(16)中的能量设施(1)来利用水流能量的方法，所述能量设施(1)包括至少一根绳索(2、4)，所述绳索围绕至少两个旋转站(8、10)延伸，沿着所述绳索(2、4)设有至少部分被浸没的至少一个导叶(12)，所述导叶围绕其弦(42)呈大致对称，水的流动速度和方向(Vc)以及所述导叶的移动速度和方向(Vs)一同形成作用在所述导叶(12)上的最终水流速度和方向(Vr1、Vr2)，所述方法包括以下步骤：
当所述导叶正在顺流位移时，枢转所述导叶(12)直至其相对于所述最终水流方向(Vr1)成第一攻角(α1)；以及
当所述导叶(12)正在逆流位移时，枢转所述导叶(12)直至其相对于所述最终水流方向(Vr2)成第二攻角(α2)，
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在顺流位移中，使能够控制的转换体(44)将所述导叶(12)枢转到其活动位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
使所述攻角(α)在1至20度之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
设置具有支撑体(46)的旋转站(8、10)，所述支撑体的直径大于所述旋转站(8、10)处的绳索滑轮(6)的直径，所述支撑体(46)在所述旋转站(8、10)处碰撞所述导叶(12)。
4.一种安置于水流(16)中的能量设施(1)，所述能量设施(1)包括至少一根绳索(2、4)，所述绳索围绕至少两个旋转站(8、10)延伸，沿着所述绳索(2、4)设有至少部分被浸没的至少一个导叶(12)，所述导叶围绕其弦(42)呈大致对称，水的流动速度和方向(Vc)以及所述导叶的移动速度和方向(Vs)一同形成作用于所述导叶(12)上的最终水流速度和方向(Vr1、Vr2)，当所述导叶正在顺流位移时，所述导叶(12)被枢转而相对于所述最终水流方向(Vr1)成第一攻角(α1)，当所述导叶(12)正在逆流位移时，所述导叶(12)被枢转而相对于所述最终水流方向(Vr2)成第二攻角(α2)，其特征在于，每个所述旋转站(8、10)处均设有能够控制的转换体(44)。
5.根据权利要求4所述的能量设施(1)，其中，在处于活动位置时，所述转换体(44)会碰撞所述导叶(12)。
6.根据权利要求4所述的能量设施(1)，其中，至少一个旋转站(8、10)设有支撑体(46)，所述支撑体设置为碰撞所述导叶(12)，同时所述支撑体(46)的外径大于所述旋转站(8、10)处的绳索滑轮(6)的外径。
7.根据权利要求4所述的能量设施(1)，其中，所述转换体(44)借助于所述水流(16)能够被控制为朝向活动位置。
8.根据权利要求4所述的能量设施(1)，其中，所述转换体(44)借助于致动器能够被控制成处于活动位置。
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