CN108779756A - 由潮汐水提供动力的发电装置及提供这种装置的方法 - Google Patents

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Abstract

由潮汐水提供动力的发电装置(100)，包括安装在固定结构(110)中的涡轮机组(120)，该固定结构分隔第一水体(130)和第二水体(140)。涡轮机组(120)布置成围绕基本上水平的轴线(180)在固定结构(110)内转动。涡轮机组(120)可以安装在基本上圆柱形组件(150)中，并且固定结构(110)可以设置有基本上圆柱形腔体，其被配置为以使得圆柱形组件(150)可在腔体内转动的方式容纳圆柱形组件(150)。还公开了一种用于提供这种发电装置(100)的方法。

Description

由潮汐水提供动力的发电装置及提供这种装置的方法
技术领域
本发明涉及一种由潮汐水提供动力的发电装置和一种用于提供这种发电装置的方法。
背景技术
全社会正面临着重大的气候变化，一个重要的挑战是利用可再生能源如潮汐能替代化石燃料。
由潮汐水提供动力的发电装置先前已从WO-2005/017349中获知。该文献教导了一种用于由潮汐力从水流发电的装置。该装置包括连接到发电机的涡轮机，以及位于涡轮机的相应侧上的两个水体(water mass)。涡轮机布置成围绕竖直轴线转动。根据第一流动空间和第二流动空间之间的任何给定时间占优势的流动方向来调节涡轮机的位置。
先前的装置需要复杂的轴承装置，半径较大且构造成本高。此外，轴承装置放置在其中沉积物自然结束的地方，从而导致轴承磨损，需要较频繁的保养周期。
DE-417 570公开了一种潮汐能发电装置。涡轮机布置成通过流动的水旋转。涡轮机的旋转引起水泵的操作，该水泵提供加压水，该加压水反过来又可以推动发电机。涡轮机和水泵包括在可围绕水平轴线旋转的壳体中。壳体可以根据高潮和低潮而旋转，以确保流动的水进入涡轮机的输入侧并从涡轮机的输出侧离开。
该背景技术装置包括若干功率耗散阶段或元件，包括水泵，由水泵提供的水流，具有若干流量限制的水管，和水力发动机。因此，其整体功率效率将受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种由潮汐水提供动力的改进的发电装置和一种用于提供这种装置的方法，其可以减轻或克服至少一些上述缺点。
本发明在独立权利要求中进行限定。在从属权利要求中阐述了有利的实施方式和其他特征。
附图说明
在下文中，以在附图中示出的并在以下详细描述中说明的非限制性实例方式更详细地描述本发明。在可能的情况下，在附图中通过相同的附图标记指示相同或相应的元件。
图1是示出由潮汐水提供动力的发电装置的原理的横截面图。
图2是示出图1的细节的截面图。
图3是示出圆柱形组件的原理的截面图。
图4是示出圆柱形组件的某些特征的透视图。
图5是示出圆柱形组件的某些特征的透视图。
具体实施方式
图1是示出由潮汐水提供动力的发电装置100的示意图。
装置100包括涡轮机组120，涡轮机组布置在固定结构110中，固定结构分隔第一水体130和第二水体140。
固定结构110可以是防水屏障，其完全或部分地构成水域(sound，海峡)一侧上的第一水体130与水域另一侧上的第二水体140之间的障碍物。替换地，固定结构110可以是这种防水屏障的一部分。特别地，固定结构110可以构成防水屏障模块，并且防水屏障可以使用多个这样的互连模块构造。
这种防水屏障的一个实例可以是拦河坝、水道或水坝，其基本上阻挡水域的整个截面上的水，除了障碍物中的通流区域(through-flow area)，其中可以布置涡轮机以用于支配水流。
然而，在该文献中，防水屏障还应理解为意指仅部分地构成对流动水的阻碍的结构。因此，防水屏障的其他实例可以是防浪堤，局部漫水桥、拦洪坝、水闸等。防水屏障可以例如位于近海，或部分大陆之间，或大陆地区与岛屿之间，或岛屿之间。
本文所公开的装置和方法特别适用于其中潮汐水引起大量水流或从低潮到高潮的大量水头差的位置，通常是窄和浅的水域中。
在图1中，第二水体140的水位142示出为高于第一水体130的水位132。在相反的潮汐条件下，第一水体130的水位可以相反地高于第二水体140的水位。因此，潮汐活动导致在水库或水体之间流动的水，即通过固定结构110，的主导方向的变化。
为了引导水库或水体之间的水流，固定结构110设置有基本上水平的第一管道116，其从第一水体130延伸到固定结构中的中心腔体中，中心腔体中布置有涡轮机组120。同样地，固定结构110设置有基本上水平的第二管道118，其从第二水体140延伸到固定结构110中的中心腔体中，中心腔体中布置有涡轮机组120。
第一管道116和第二管道118可以有利地是漏斗形的，以这种方式使得每个管道的横截面积在固定结构110的更接近相应的水体的外部处比在固定结构110的更接近涡轮机组120的中央部分处更宽。尽管存在其他可能性，但第一管道和第二管道的横截面可以有利地在每个管道的整个长度上是圆形的。
使涡轮机组120能在固定结构110的腔体内转动(turn)使得可以使用具有取决于流向的效率(流向依赖性效率，flow direction dependent efficiency)的涡轮机。更具体地，它允许优化涡轮机以用于单向流动。这通常将使得发电装置100的整体效率高。
允许涡轮机组120在固定结构110内转动使得可以使用机械上更简单的涡轮机，其对调节部件的需求较少，同时仍然获得整体良好的效率。而且，涡轮机可以用作泵，其在两个流动方向上具有比固定涡轮机组更好的效率。
涡轮机组120可包括具有涡轮叶片的转子；连接到转子的轴，当周围的流动水作用在转子的叶片上时轴将旋转；以及由旋转轴驱动的电机。电机可以是发电机。如本文所用，“使涡轮机组转动”可以意味着使整个涡轮机组，即包括转子、轴和电机的组件转动，使得转子相对于周围的水定位在不同的方向上。
涡轮机组120可采用许多不同类型的涡轮机类型。例如，诸如Straflo型涡轮机的紧凑型涡轮机适合且易于集成到发电装置100中。其他合适的涡轮机包括Kaplan灯泡式涡轮机、具有或不具有导流叶片的其他类型的Kaplan涡轮机、Straflo矩阵式涡轮机、Hydro矩阵式涡轮机、VLH涡轮机等。在本发明中，与WO-2005/017349中公开的背景技术相反，涡轮机组120布置成在固定结构110内围绕水平轴线或基本上水平的轴线180转动。“基本上水平”包括用于实际目的的水平，包括例如+/-1度或+/-2度的容差范围。
涡轮机组围绕基本上水平的轴线转动的可能优点可包括：
转动机构可以简化、具有更少的摩擦表面、转动轴直径较小以及整个系统中的运动部件较少。
任何轴承都可以无水干燥地布置。
将涡轮机组围绕基本上水平的轴线转动可便于更容易地接近，以便对关键部件进行维护、更换和检查。
例如，通过研究本公开和/或通过实践本发明，本领域技术人员也可以意识到其他优点。
有利地，涡轮机组120安装在具有基本上水平的轴线的基本上圆柱形组件或外壳150中。圆柱形组件150的各个方面已在图2、图3、图4和图5中更详细地示出。
涡轮机类型将影响固定结构的尺寸、流入和流出管道的长度和尺寸，以及圆柱形组件150的尺寸。像VLH这样的简单涡轮机不需要流入和流出管道，因此大大减小了圆柱形组件的尺寸，仅需要轴160。
在一些情况下，不提供圆柱形组件150。对于不需要流入和出口管道的涡轮机组120，不需要围绕涡轮机组的圆柱形组件150。在这些情况下，涡轮机组120本身或围绕涡轮机组的配件(板或环)可以与涡轮机组转动所围绕的水平轴线配合。圆柱形组件150可配合以配重以确保重心平衡，以便减小使圆柱形组件150转动所需的力/扭矩。
圆柱形组件150可以是转塔。涡轮机组120可以安装在圆柱形组件150内并通过锁定唇190锁定就位，锁定唇在图5中更详细地示出。在组装期间，首先将涡轮机组120安装在圆柱形组件150中，然后锁定唇190封闭圆柱形组件150并将涡轮机组120锁定在其中。该概念还可提供拆卸可能性，例如在由于维修、故障或失效导致更换涡轮机的情况下。
圆柱形组件150可设置有一个或多个检修孔，以使人可以进入结构的内部。这样的检修孔可以例如，通过轴160提供，轴可以是管状的，以便尤其用于这个目的。
圆柱形组件150可以通过使用各种类型的材料制造，例如，金属(如钢)、混凝土或玻璃纤维。
圆柱形组件150和锁定唇190可以通过使用各种类型的材料制造，例如金属(如钢)和玻璃纤维。
涡轮机组120在圆柱形组件150(例如，转塔)内的布置可具有若干优点：
整个涡轮机组在圆柱形组件150(例如转塔)中的封装使得可以不对称地成形圆柱形组件150的入口和出口。这可以具有提高发电模式中的整体效率的效果。
有利地，固定结构110设置有基本上圆柱形的腔体，其被配置为以使得圆柱形组件150可在腔体内转动的方式容纳圆柱形组件150。
固定结构110可以通过使用各种类型的材料制造，例如混凝土、金属(如钢)和玻璃纤维。
圆柱形组件150可以定向成一种构造使得部件或其自身作为一个整体可从固定结构110移除或通过提升而安装到固定结构中。可以通过圆柱形组件150中的浮力来完成提升，从而不需要或者需要较少的机械力。可被移除的部件是圆柱形组件150、涡轮机组120或锁定唇190。为此，圆柱形组件150可以设置有一个或多个防水腔体，这些防水腔体布置并尺寸设计成以便调节圆柱形组件的浮力。
固定结构110可设置有竖直管道112，竖直管道从固定结构的顶部向下延伸到圆柱形腔体，该圆柱形腔体设置用于容纳圆柱形组件150。竖直管道112可在其内侧上设置有轨道，这些轨道可在安装期间将圆柱形组件150和/或其轴160引导到正确位置。这些轨道也可以在拆卸过程中便于提升。
固定结构110，特别是配置为容纳圆柱形组件150的腔体的下部，可以设置有缺口122，用于在操作期间收集沉积物。在该缺口122的底部可以存在排出孔，该排出孔可以打开以便于将沉积物排放到固定结构110的下隔室124中。
固定结构110可设置有唇部以封闭第一管道116和第二管道118与包括涡轮机组120的圆柱形组件150之间的空间。
固定结构110还可以包括另一个唇部，该唇部能够刮擦圆柱形组件150的外壁。
圆柱形组件150可包括又一个唇部，该唇部能够刮擦固定结构110的内壁。
固定结构110可设置有进入区域，该进入区域提供从圆柱形组件150的顶部和侧面进入涡轮机组120的入口。
圆柱形组件150可包括沿其旋转轴线即基本上水平的轴线180的轴160，特别地示出在图4和图5中。轴160可以不必穿过圆柱形组件，而是可以例如由安装在圆柱形组件150的两个底座区域中的每一个上的凸缘形成。
轴160可以有利地支撑在固定结构110上，特别地通过布置在轴160和固定结构110之间的轴承。
轴160可以是中空的，以包括电气/液压设备和用于(到达)发电机和涡轮机的缆线布线(cabling)。这种缆线布线可以从发电机延伸到外部电力电路，例如变压器、逆变器、电源转换器和/或电网。轴160还可以用作进入圆柱形组件150的内部的入口。
轴160可以在构造发电装置100期间转动。
轴160可包括连接到驱动装置170的齿轮。适当时，轴160可包括与用于驱动装置170的液压泵配合的配件。
轴160可以通过使用金属(例如钢)或玻璃纤维制造。
轴与轴承相互作用的摩擦区域可以是硬金属或自润滑材料(例如，青铜石墨)。
每个轴承可以在水平和竖直方向二者上受力。轴承可以由聚合物或自润滑金属制成。
轴承可以密封在固定结构110和圆柱形组件150之间。轴承可以支撑圆柱形组件150并且能够承受明显的振动。
发电装置100还可包括用于在固定结构110内使圆柱形组件150转动的驱动装置170。图4中示出了驱动装置170的实例。
驱动装置170可包括电动机，其具有连接到齿轮或传动装置的旋转轴，由电源供电。或者，驱动装置170可包括连杆式液压活塞，其连接到轴160的外周，由液压电源即压力下的液压流体供电。
驱动装置170可包括连接在轴160和电动机之间的链驱动器，电动机附接到固定结构。
有利地，发电装置100还可包括用于控制驱动装置的控制装置。控制装置可被配置成控制驱动装置以在两个方向上或仅在一个方向上转动圆柱形组件150，从而转动涡轮机组120。
控制装置可以例如被配置为在一个或两个方向上将圆柱形组件150转动90度、180度、270度和360度的角度。圆柱形组件的常规操作位置包括0度和180度，二者均对应于涡轮机组120的水平位置。超出这些常规操作位置或角度的自由移动可能尤其地便于在维护期间进入涡轮机的所有侧面。
圆柱形组件150可有利地在常规操作位置或角度(0度和180度)中具有“锁定模式”，特别是在涡轮机运行时。在该模式中，圆柱形组件150可以用销、制动器或其他合适的锁定装置锁定。
控制装置可有利地配置成在正常操作期间随着潮汐循环而每24小时转动(180度)圆柱形组件150四次。或者，控制装置可以配置成每24小时将圆柱形组件150转动其他的次数，特别是多于四次，或者控制装置可以配置成零星地或按需转动圆柱形组件150。
控制装置可有利地配置成在需要时将圆柱形组件150转动90度、270度或360度，以便维护和/或进入，和/或移除圆柱形组件150周围的沉积物。
在其中轴160包括用于发电机的缆线布线的实施方案中，控制装置可以有利地配置成在两个方向上转动圆柱形组件，使得轴中的缆线布线不会过度扭曲。例如，控制装置可以配置成在0到360度之间，或0到270度之间或0到180度之间的一定间隔内来回地转动圆柱形组件。
本发明还涉及一种用于提供如上所公开的由潮汐水提供动力的发电装置100的方法。该方法包括以下步骤：
将涡轮机组120安装在固定结构110中，该固定结构分隔第一水体130和第二水体140；以及
将涡轮机组120布置成围绕基本上水平的轴线180在固定结构110内转动。
将涡轮机组120安装在固定结构110中的步骤有利地包括将涡轮机组120安装在具有基本上水平的轴线180的基本上圆柱形组件150中，圆柱形组件150包括轴160。
有利地，涡轮机组120包括具有涡轮叶片的转子和当周围流动的水作用在转子的涡轮叶片上时旋转的转子轴。涡轮机组120有利地还包括由转子轴驱动的发电机，圆柱形组件150的轴160有利地是中空的并且包括用于发电机的缆线布线，其方式与上面参考发电装置100描述的方式相同。
固定结构110可以是参考图1-5的上述公开的类型。固定结构110可以例如提供为多个预组装的防水屏障模块，其在部署期间即当组装在第一水体130和第二水体140之间时互连。可包括多个防水屏障模块的固定结构可以布置在支撑底座上，该支撑底座可以是例如海底，或者有利地是设置在海底上的基底。
将涡轮机组120安装在固定结构110中的步骤可包括将涡轮机组120安装在圆柱形组件150中，通过例如锁定唇190将涡轮机组锁定在位，以及将圆柱形组件150连同涡轮机组120布置在固定结构的中心腔体内。
然后，可以将圆柱形组件150连同涡轮机组120和锁定唇190下降到竖直管道112中，竖直管道从固定结构110的顶部向下延伸到固定结构110中的中心圆柱形腔体。通过设置在竖直管道112内侧上的轨道可以便于进行这种下降。
涡轮机也可以用作泵。在该操作模式中，涡轮机中的电机可以作为电动机操作。作为泵工作的涡轮机在两个方向上可以具有比用作泵的传统单向涡轮机更好的效率。像泵一样工作的单向涡轮机需要在反向泵送模式和正向泵送模式二者下操作以能够在两个方向上操作，由于叶片、导向叶片的形状和涡轮机与固定结构之间的内壁的形状，这两种操作模式的效率本质上是不同的。对于本发明，涡轮机仅需要以这些模式(反向泵送或正向泵送)之一操作，并且一个模式转动圆柱形组件以确保在两个方向上的最佳泵送效率。

Claims (13)

1.一种由潮汐水提供动力的发电装置(100)，包括：
安装在固定结构(110)中的涡轮机组(120)，所述固定结构分隔第一水体(130)和第二水体(140)，所述涡轮机组(120)布置成围绕基本上水平的轴线(180)在所述固定结构(110)内转动，
所述涡轮机组(120)安装在具有所述基本上水平的轴线(180)的基本上圆柱形组件(150)中，并且所述圆柱形组件(150)包括轴(160)，
所述涡轮机组包括具有涡轮叶片的转子并具有转子轴，当周围的流动水作用在所述转子的涡轮叶片上时所述转子轴将旋转，
其特征在于，
所述涡轮机组还包括由所述转子轴驱动的发电机，并且
所述圆柱形组件(150)的所述轴(160)是中空的并且包括用于所述发电机的缆线布线。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述涡轮机组(120)具有取决于流向的效率。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述固定结构(110)设置有基本上圆柱形的腔体，所述腔体被配置为以使得所述圆柱形组件(150)能在所述腔体内转动的方式容纳所述圆柱形组件(150)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述轴支撑在所述固定结构上。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，用于所述支撑的支撑件包括轴承。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，还包括用于使所述圆柱形组件(150)在所述固定结构(110)内转动的驱动装置(170)。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括用于控制所述驱动装置的控制装置。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，所述固定结构(110)设置有第一管道(116)和第二管道(118)，所述第一管道从所述第一水体(130)延伸到所述固定结构(110)中的中心腔体内，所述第二管道从所述第二水体(140)延伸到所述固定结构(110)中的所述中心腔体内，所述涡轮机组(120)布置在所述固定结构(110)中的所述中心腔体内。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一管道(116)和所述第二管道(118)是漏斗形的，并且在所述固定结构(110)的外部处具有的横截面比在所述固定结构(110)的中心部分处具有的横截面更宽。
10.根据权利要求8-9中任一项所述的装置，其中，所述固定结构(110)设置有竖直管道(112)，所述竖直管道从所述固定结构(110)的顶部向下延伸至所述固定结构(110)中的所述圆柱形腔体。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述竖直管道(112)设置有用于在组装或拆卸期间引导所述圆柱形组件(150)和/或所述圆柱形组件的所述轴(160)的装置。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的装置，其中，所述固定结构(110)中的所述中心腔体的下部设置有缺口(122)，所述缺口在其底部处具有排出孔，从而允许沉积物排入到所述固定结构(110)的下部隔室(124)内。
13.一种用于提供由潮汐水提供动力的发电装置(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
将涡轮机组(120)安装在分隔第一水体(130)和第二水体(140)的固定结构(110)中，这包括将所述涡轮机组(120)安装在具有基本上水平的轴线(180)的基本上圆柱形组件(150)中，所述圆柱形组件(150)包括轴(160)；
以及
将所述涡轮机组(120)布置成围绕所述基本上水平的轴线(180)在所述固定结构(110)内转动，
所述涡轮机组(120)包括具有涡轮叶片的转子并包括转子轴，当周围的流动水作用在所述转子的涡轮叶片上时，所述转子轴将旋转，
所述涡轮机组(120)还包括由所述转子轴驱动的发电机，
其中，所述圆柱形组件(150)的所述轴(160)是中空的并且包括用于所述发电机的缆线布线。
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