CN1454290A - 用于开发潮汐与河流能量的系统 - Google Patents

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哈拉尔德·约翰森
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

本发明涉及由海洋及江河水流生产电能的电站。该电站完全没入水下并包括几台带叶片(G)、支撑总成(C)，后支撑装置(E)的水轮机(A)及发电机。水轮机(A)的轴的取向垂直于水流方向，而且叶片(G)呈翼形，致使不论水流方向如何，水轮机(A)同一方向转动。水轮机轴支撑在带有固定在支撑和承重装置的漂浮容器(B)的机架中。该电站由模块建成。

Description

用于开发潮汐与河流能量的系统
本申请涉及由水流产生能量的系统。本发明特别适用于潮汐流、河流或洋流，尤其是存在水流过的有限截面，如江河或狭窄的通道或海峡。和其它能源相比，在所有已知能源中，潮汐能源是最顺应环境并可预知的一种能源。
在变狭的海峡中，水流将向最狭的截面会聚。在这些地方，不仅速度最快，而且均匀分布，因此这种位置通常是用于潮汐电站的理想地点。在局部深度测量完全确定的通道中，同时应当避免将潮汐电站设在暴露于具有不同方向的强水流处。在江河中，应进行类似的鉴定。
收集水流能量的电站的应用受到限制，因为由于甚至收集相当小的能量也需要很大的电站，从而建设成本很高。以往，集中于使用高度差，以及使用水的压头的能量，如在低压水电站中那样。在这种电站中，要求将水筑堤拦阻用水轮机开发，并将产生和建设传统水电站相似的环境干扰。电站的大小决定于对环境不利的变化及同时对船舶交通的阻碍等等。
已经提出几种减少上述缺点的技术解决方案，解决方案涉及各种水轮机式带叶片的叶轮，而且整个水轮机/叶轮的组合放在水下。
US 3 922 012表示一种专利，其中多种竖直水轮机放在机架上面下降置于海底。机架具有使电站漂浮的浮重元件，并拖到适当位置上去。然后对浮重元件压载，致使电站下沉位于海底。
专利US 3912937说明以二部件水轮机叶片结构为基础的由洋流生产电能的系统。电站完全放在水下并包含水平放置的水轮机。
专利US 5440176是以可移动水轮机为基础的，即根据操作条件，它可相对于平台/机架上下调整。
在水轮机设计方面，前面的专利US 2250772表示一种叶轮。
可是，用这些设计，问题在于它们覆盖水流的较小截面，或机组很大以致难于安装和维护。
根据本发明，涉及可覆盖水的流动物质的较大截面，但无论如何用更可控制尺寸的元件，其中维护简化，而且元件或整个电站可以更容易上升到水面以便维护和修理。
采用由洋流或河流生产电能的电站可以实现上述目的，该电站包含带叶片、轴和侧部件的水轮机；机架总成装有由一个或多个副架组装的漂浮容器，那里电站全部放在水下。水轮机轴的取向基本上垂直于水的速度方向，而且水轮机的轴支撑在机架总成中。电站具有由漂浮容器调节的正浮力，而且后支撑装置锚接在水下，致使电站由后支撑装置保持在水下。叶片呈翼形，以致不论水流方向如何，水轮机沿同一方向转动。
参照附图，现在将更详尽说明本发明电站的实施例，其中：
图1表示当沿水流方向从海底观察该系统时本发明所述的电站。
图2表示从图1的2-2观察的电站。
图3表示从图1的3-3观察的电站。
图4和5表示水轮机的细节。
图6表示对应于图2的立视图，其中显示系统的位置。
水轮机(A)包含翼形叶片(G)，它们成型为不论水流方向如何，水轮机(A)将沿同一方向转动。叶片(G)支撑在每一侧。发电机(未示出)连接水轮机(A)的轴，并将产生通过电缆(未示出)传送的电能。利用防水外壳可保护发电机防止水侵入及可能在外壳中产生的过剩压力。
水轮机(A)支撑在由多个竖直和水平机架或组装成模块的副架构成的机架(C)中。组装模块以生成带有几个水轮机的平面。从而该平面可调整到通道或江河中水流所需的截面。还可以这样建造最关键的部件使它们在运转状态中容易合理地替换。采用预期经常修理和维护的互换零件时这是特别适用的。通常使机架的设计含有利于结构力、尤其是那些作用在水轮机轴承上的力的分布。在各端的顶部以及中部还装有漂浮容器(B)，便于电站浮力的简易调节。
图4和5表示叶轮(A)的截面，其中更清楚地显示翼形叶片(G)的形状。该形状确保不论水流方向如何，叶轮沿同一方向转动。还可制成带可调整节距的叶片(G)，以便更好地利用水流能量。
叶片(G)固定到每一端的圆板上以构成水轮机(A)。水轮机的轴连接这些圆板各自的中心。水轮机的轴可固定在每一个圆板上以防止轴伸张穿透水轮机。这样将改善水轮机中的流动条件。
如图所示，总共有8台水轮机(A)，及3台漂浮容器(B)组装在锚接在洋/河底(D)的机架(C)中，机架(C)进而通过锚索，锚链或后支撑条(E)锚接到锚墩(F)上。图6中显示相对于系统(1)的洋/河流(H)的方向。
后支撑条，或锚定件，包含保持电站在水下并反抗浮力的锚链(E)。按电站可能摆动最小的要求选择锚定件。选用“螺旋形股绳”型的钢绳或丝达到使用期限长的目标。后支撑条还应进一步处理以防止腐蚀。
锚链固定在装在结构上的五个水下绞盘(未示出)上。通过带有放在电站顶部的快速释放耦合器的液压软管向绞盘提供动力。
电站上的总力是比较大的。因此使用10条锚链(E)未减轻锚链(E)上的负载，并在锚链断裂的情况下减弱它的影响。
在支撑总成中，锚链(E)固定到五台竖直机架(C)上。两条锚链(E)固定到电站的每一端。这些锚链或后支撑链(E)在电站的长轴及横向均加载竖直和水平力。对于三个中间的内部机架，后支撑条固定到机架底部或下部。所有后支撑条与海底成45°角。
下面是根据实例可以放入电站的带有潮汐流通道的实例。
水深：50米
在安装处的通道宽度：500米
最大水流速度：Vs＝2.5米/秒(5节)
有效波高：Hs＝0.5米
最大波高：Hm＝1.0米
波浪周期范围：Tz＝6.0-15秒
下面是根据所述实施例用于电站的设计参数：
用于水轮机的牵引系数：Cd：1.2
牵引面积设定在＝12×12米2×0.75＝108米2
其中0.75是水轮机的渗透因子以适配穿过水轮机的水流。
支撑总成设计为钢机架。它包含用水平机架互连的五个高14米，中心距16米的竖直机架或副架。外部机架之间的总中心距是64米。由于要水电站上面的航行高度为10米，钢机架(C)将位于水下23米，即在海底上面27米处。从而至海底的距离是20米。机架(C)含壁厚20毫米的500毫米管状轮廓。这样机架(C)的净钢重为171吨和总浮力为126吨。
漂浮容器(B)放在支撑总成中竖直机架(C)的顶部，每一端有一台容器，在中间机架(C)的顶部有一台。选定装置的总浮力，使得在现有气候条件中锚链不会失掉张力。五个容器各自的直径为3.5米及20米长。这就向每个容器提供197吨的毛浮力。假定钢箱的浮力对重量的比例是3，即每个容器重66吨。
水轮机(A)安排在两种水平高度中，每一种高度有四台水轮机和水平轴支架。从而在竖直方向中水轮机(A)的中心距变为14米。由五个叶片组成的水轮机在直径为12米的两种端板间不受支撑的跨度为12米。叶片呈NACA 0016翼型，说明最大叶片厚度是叶片长度的16％。叶片长度设定为3.2米，从而叶轮叶片的最大厚度是512毫米。选用空心剖面的叶片以节省重量。端板包括具有波纹芯的圆板以减轻重量。总厚度是120毫米。每台水轮机的总干重估计为64吨。同理，每台水轮机的总浮力是81吨。从而每台水轮机将具有17吨的净浮力，足以支撑发电机和连接水轮机的齿轮装置的重量。
2米/秒的最大春潮速度向每台208千瓦的水轮机提供最佳效能。然后假定水轮机具有144平方米的外露面积及22％的效率。带有8台水轮机的电站将具有约1.66兆瓦容量的装机效能。
测量流速的历时曲线在大约1.75米/秒时达到最高点，而且应当研究量度比这更大的速度是否有利。这提供139千瓦的水轮机效能。高于1.75米/秒的速度对年产量的贡献约为10％。
电站含8台水轮机，其中每一根发电机轴连接两台水轮机。这就对每台发电机提供416千瓦的最大轴效能。
伸至水面的电缆可在大气或水下连接。当在大气中耦合时，电缆用防水电缆密封套或孔道导引穿过外壳，密封套是市售的标准产品，并在外壳内连接发电机的端子。然后在水下安装前外壳必须耦合到发电机上。此后要求支撑总成在安装和描接或锚定后，带有齿轮和外壳的发电机安装并固定到支撑总成上。在发电机、齿轮或电缆断裂的事故中，电缆可与发电机/齿轮模块同时拉上去，并在容器上拆开。这就要求电缆足够长，或有足够大的间隙，以便可提升模块。如在水下连接，使用水下电耦合器或连接器。连接器的一部分随后固定在外壳的外部。当敷设电缆时，另一部分随后固定到电缆上并连接以外壳上。然后发电机/齿轮模块可装在岸上的支撑总成上，并作为总成的一部分。在发生断损事故时，电缆可以从水下的发电机/齿轮模块放开，而且发电机/齿轮模块或电缆可吊起用于修理。水下电连接器是贵重元件，但可以证明，这种方法比整体式电气装置的附加费用少，更能降低安装与维护的成本。
电缆是另一种关键因素。由于潮汐水流，电缆将承受机械负载。因此要求正确地固定以防止电缆的磨损或断裂。通常海底电缆是平放或锚接到海底上。从海底到发电机的长度或为关键部分。如果选定不用水下连接器将电缆端接在发电机上，每条电缆需要约40米的附加额外长度为额外的间隙创造条件用于吊起发电机/齿轮模块以拆开电缆。必须固定额外的电缆长度以防止电缆断裂，在发电机/齿轮模块断损的事故中必须是简单的并迅速放开。
当安装锚接装置时，可由电视图象考察将要锚接电站的海底。还应进行海底的地震试验。
在实例中假定用水泥固定在钻孔中的杆为刚性锚件。一般杆的尺寸在30”至60”之间，并安装在10-15米深的钻孔中。
电站定位在安装装置处，其短边指向水流方向，而在一边的五根锚链用较小的船舶固定。然后，鲸炮绳固定在另一边的五根锚链上到五台装在结构上的水下绞盘上。用于绞盘的电源来自带有在支撑结构上部的快速释放耦合器的液压软管。
在潮汐的变化中，拖绳将全部电站转过90度，致使长边垂直于水流方向。当来自水流的力拉紧固定到结构上的五根锚链时，运转水下绞盘直到电站到位。在这一位置锁定其次五根锚链，而水下装置或ROV在潮汐变化时放开液压软管。锚链如何锁定在结构中尚未详细估计，但在细节的设计中它是重要的。
该方法要求比建设支撑结构中预期的那些锚链更长。进而建议使用带保护层(反抗堵塞和泥沙侵入)的纤维绳来简化安装工作。随这种变化引起的任何费用的增加，就此而论数量较小。
潮汐电站将没入洋面下10米处，因此是可见的。其中电缆敷设在海岸上，在安装前将安装用于变频器和变压器的房屋而且是可见的。在电站放置的区域，该电站将使潮汐流减少约20％。
不论水流方向如何，水车将在同一方向转动。
潮汐电站对潮汐流将产生两种相反的效应：由电站对水流提供增大的阻力使流速降低，而因为电站阻挡某些截面并扼制或节制水流使流速提高。如水车在通道中的分布像风车在大的放置场中的分布一样，车将只增大阻力并减少水流。但假设水车紧密地沿一种和相同的截面放在一起，在这种截面中的流速将提高即使它在通道的其它地方降低。从而当水车放在同一截面并阻塞通道时，比它们散开时，消耗更多的能量。
所提供的实施例的说明仅为了帮助理解本发明，而本发明仅由所附的权利要求限定。

Claims (12)

1.由海洋或江河水流产生电能的电站，包括带叶片(G)、轴和侧板的水轮机(A)，产生电能的发电机，装有漂浮容器(B)的机架(C)，该机架由一个或多个副架组装，其中整个电站放在水下，在该处水轮机(A)轴的取向基本上垂直于水流方向，而且水轮机轴支撑在机架总成(C)中，其特征在于，电站具有由漂浮容器控制的正浮力和锚接在水下的后支撑装置(E)，从而电站由后支撑装置(E)保持在水下，而且叶片(G)呈翼状轮廓，使得不论水流方向如何，水轮机(A)沿同一方向转动。
2.根据权利要求1的电站，其特征在于，水轮机(A)的轴基本上水平。
3.根据权利要求1的电站，其特征在于，水轮机轴只固定在侧板上，从而水流不必受轴的限制。
4.根据权利要求1的电站，其特征在于，水轮机(A)并排放在一个平面内并彼此错开，生成一种截面，那里尽可能少的水可以在水轮机(A)外部流动。
5.根据权利要求1的电站，其特征在于，后支撑装置(E)固定在绞盘上，从而电站可根据需要升高至水面或下降。
6.根据权利要求1的电站，其特征在于，每个副架形成一个模块。
7.根据权利要求6的电站，其特征在于，它是由多个模块组装而成的，而且每一个模块可升高到水面处，彼此独立地替换或修理。
8.根据权利要求6的电站，其特征在于，这些模块可组装在一个平面中，平面的构型覆盖海峡或江河所要求的截面。
9.根据上述权利要求之一的电站，其特征在于，水轮机叶片(G)的角度是可调的。
10.根据权利要求1的电站在海峡或江河的一部分中的应用，其中水流截面基本上是单向的。
11.根据权利要求10的应用，其中电站覆盖全部水流截面。
12.根据权利要求10的应用，其中电站覆盖水流截面至某一给定高度，允许船舶不受阻碍地通过电站。
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