专利名称：集潮汐发电和洋流发电于一身的综合电力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及集潮汐发电和洋流发电于一身的综合电力系统，更具体地涉及集潮汐 发电站和洋流发电场于一身的综合电力系统，该系统能增加电力设备的工作速率并利用通 过潮汐电站的涡轮发电机进入湖的输入海水或通过潮汐能水坝的间门排至海洋侧的海水 的快速流动高效地产生电能，并且该系统专门连接于潮汐发电站，以利用由涨潮和退潮造 成的海水间的势能差来发电。
背景技术：
本发明涉及海洋能源的潮汐发电和潮汐流发电。潮汐发电是通过使用存在于因潮 汐移动的海水之间的势能差发电的手段，并根据由堰包围的湖或泻湖的数量分为单泻湖和 多泻湖；根据流动方向分为单流动式和双流动式；以及根据当发电时使用的潮汐分为涨潮 式和退潮式。部署在南韩西海岸线的Siwha湖的潮汐发电站采用涨潮式发电方法，因为基于堰 的外海侧水位基于管理水位高度随时间向上和向下改变若干米，当发电时在外海侧保持高 水位并在湖侧保持低水位，相反泻湖的水位必须保持低于管理水位高度。从潮汐发电获得的电力输出正比于涡轮发电机的效率、海水通过的横截面积以及 由涨潮和退潮引发的海平面和湖平面之间的落差的3/2次幂，因此高效涡轮发电机、具有 大叶片的发电机以及因涨潮和退潮海平面之间的大落差带来高的经济效益。作为另一种接近海洋能资源中商用化的发电方法的潮汐流发电是一种发电方法， 该方法将涡轮发电机安装在潮汐流快速流动的地点，并从洋流的动能中获取电力。使用潮 汐流的的潮汐流发电广义上说涉及洋流发电并根据涡轮发电机的类型分为螺旋式、HAT(水 平轴线涡轮)式和VAT (垂直轴向和涡轮)式；并根据涡轮发电机的安装方法分为浮动式和 底部附连式。潮汐能发电人为地形成堰并使用堰内侧和外侧的海水落差发电。然而，洋流发电 则通过将涡轮发电机安装在自然流动的洋流退路(corner)上而发电。洋流发电的理论原 理类似于风力发电，但不同于风力发电的是通过流动的洋流使涡轮转动，而不是风。在洋 流发电的情形下，其强度(电力/面积)大约比风力发电高4倍，因为海水的密度相比空气 密度高出大约840倍。因此，在相同设备容量中，洋流发电机远小于风力发电机。从洋流发电获得的电力输出正比于涡轮发电机的效率、洋流通过的横截面积以及 洋流速度的3次幂。因此，高洋流速度对洋流发电来说是绝对有利的。潮汐能和洋流能具有优势，例如能量是无穷大的，源自太阳、月亮和地球之间万 有引力的洁净能量只要太阳系存在就会继续；由于涨潮和退潮的周期性，这些能量不受气 候和季节的影响；发电输出的长期预测变得可能；可在某个时间段内连续提供电力；并且 容易接入到电网中。另一方面，其缺点包括不定时发电以及如果电站远离陆地由于输电线 的构造而庞大的初期投资。直到最近，还在考虑如果在岛屿和陆地之间的狭窄地带的平均洋流速度很快——即在高洋流周期内典型为至少2米/秒——洋流发电的适用性。然而，尽管若干潮汐发电站 已在实践中投入使用，然而大规模洋流发电的例子在世界上仍属罕见。其原因是不容易找 到安装涡轮发电机的合适地点，因为很少有自然海域的海水流动快到足以用洋流发电。此 外，即使平均洋流速度令人满意，但难以取得涡轮发电机的结构稳定性并且如果根据洋流 电站安装区域的海床地形而使速度分布不均而难以取得发电量的可靠控制。一般来说，洋流发电的自然洋流的平均速度必须是2. 0-2. 5米/秒，其很大程度地 受海床地形和流动方向频繁变化的影响。然而，可从潮汐发电站获得的洋流包括更均勻的 动能，它比自然洋流状态具有更高的利用价值。在采用单流涨潮式并在高潮时以6. 0米落 差发电的Sihwa湖潮汐发电站的情形下，观察到在经过涡轮发电机排至湖区的水的平均速 度为至少3. 0米/秒并且通过水闸渠道排至海洋的海水的平均速度为至少6. 0米/秒。
发明内容
技术问题相比利用海水自然流动的洋流发电流过潮汐发电站的涡轮发电机和潮汐能水坝 的闸门的海水是以可预测速度沿固定方向流动的高质量海水，并且容易控制发电量。具体 地说，如果潮汐发电站同时建造有洋流发电场，则可节约建造成本并获得比单独建造更高 的经济效益。因此，考虑到上述情形，本发明已作出并且本发明的目的是提供一种集潮汐发电 和洋流发电于一身的综合发电系统，它能够增加发电设施的工作速率并利用通过潮汐发电 站的涡轮发电机进入湖的输入海水或通过潮汐能水坝的间门排至海洋侧的海水的快速流 动高效地产生电能。本发明的又一目的是部署洋流发电机以增大单位面积的能量密度，将 经过潮汐发电站的涡轮发电机以及潮汐发电水坝的水闸渠道的洋流特征作为考量。技术方案为了实现上述目的，本发明的特征在于跨海地构造堰以构成湖或泻湖；安装潮 汐发电站的涡轮结构和潮汐发电水坝的水闸结构，通过使用堰间由涨潮和退潮造成的海水 势能差来发电；在涡轮结构中安装涡轮发电机以通过利用当涨潮时从海侧进入湖侧的输入 海水的流动旋转涡轮叶片而发电；在水闸结构中安装闸门，以在涨潮和退潮时关闭和开启 水闸渠道；通过在潮汐发电站的涡轮结构的后湖侧安装多个洋流发电机以通过使用经由涡 轮发电机排出的海水流动来发电，从而在湖侧形成洋流发电场；并在潮汐发电水坝的水闸 结构的后海侧通过安装多个洋流发电机，以通过使用经过闸门快速排入海中的海水的流动 发电，从而在海侧形成洋流发电场。安装在潮汐发电站的涡轮结构的后湖侧以及潮汐发电水坝的水闸结构的后海侧 的多个洋流发电机设置成在行间具有预定间距的交错(cross)形状，以使偶数行和奇数行 的发电机彼此交错。安装在潮汐发电站的涡轮结构的后湖侧以及潮汐发电水坝的水闸结构的后海侧 的多个洋流发电机分别安装在海床上的单纵列(mono file)上。潮汐发电站的涡轮结构和潮汐发电水坝的水闸结构通过两者间的连接结构或连 接堰彼此连接。至少一种或多种潮汐发电站的涡轮结构和潮汐发电水坝的水闸结构分别彼此相连。发明效果本发明的集潮汐发电和洋流发电于一身的综合发电系统可通过使用经由涡轮发 电机进入湖区的输入海水以及经由水间排入海区的海水的快速流动而增加发电设施的工 作速率。此外，经过潮汐发电站或涡轮发电机或潮汐发电水坝的闸门的洋流产生比自然洋 流状态具有更高利用价值的动能，并因此洋流发电机能产生更多的电能。经过潮汐发电站的涡轮发电机或潮汐发电水坝的闸门的洋流是以可预测速度沿 固定方向流动的高质量海水，并易于控制发电量。特别地，如果潮汐发电系统同时构造有洋流发电场，则可节约建造成本并相比仅 建造洋流发电场能够取得更高的经济效益。此外，通过洋流发电机从经过潮汐发电站的涡轮发电机或潮汐发电水坝的闸门的 高速洋流的动能获取减慢了洋流的速度，并能减轻因潮汐发电对海洋生态系统和自然环境 的很大部分的不利影响。因此，连接有潮汐发电的洋流发电可产生能弥补潮汐发电的缺陷 的更为环境友好的综合发电系统。
附图示出了本发明的示例性实施例。然而，示例性实施例可以不同方式体现并且 不应当认为局限于附图中展示的实施例。图1是示出根据本发明一个实施例的集潮汐发电站、潮汐发电水坝和两个洋流发 电场为一身的综合发电系统的平面图；图2是示出根据本发明一个实施例的位于湖侧的潮汐发电站和洋流发电场的涡 轮结构的侧视图；图3是示出根据本发明一个实施例的位于海侧的潮汐发电水坝和洋流发电场的 水闸结构的侧视图。实现本发明的最佳方式 下文中，将参照附图更详细地描述本发明的实施例。图1是示出根据本发明一个实施例的集潮汐发电站、潮汐发电水坝和两个洋流发 电场为一身的综合发电系统的平面图；图2是示出根据本发明一个实施例的位于湖侧的潮 汐发电站和洋流发电场的涡轮结构的侧视图；图3是示出根据本发明一个实施例的位于海 侧的潮汐发电水坝和洋流发电场的水闸结构的侧视图。如图1所示，根据本发明的集潮汐发电站、潮汐发电水坝和两个洋流发电场为一 身的综合发电系统需要在涨潮和退潮之间发生大落差的地点构造堰10。在如上所述构造堰10后，如图1所示形成湖12。在堰10中，安装潮汐发电水坝 200并架设横跨湖侧12和海侧14之间的潮汐发电站100。较佳地，潮汐发电站100和潮汐发电水坝200通过两者间的连接结构300或连接 堰彼此相连。连接结构300或连接堰可根据地形特征建立几百或几千米长。如图2所示，具有通过输入海水流入湖侧12而转动的涡轮叶片112的涡轮发电机110被安装在构成潮汐发电站100的涡轮结构102中。构成潮汐发电站100的涡轮结构102如图1所示为一个单元体内的十个涡轮结构 彼此连接。然而并非局限于此并且其安装数量可根据地形特征或发电量的计划而改变。使用通过涡轮发电机110排出的海水流动来发电的多个洋流发电机120被安装在 潮汐发电站100的涡轮结构102的后侧，即湖侧12，由此在湖侧12中形成洋流发电场。多个洋流发电场120以交错形状配置，在行间具有与图1和图2所示的洋流发电 机120的涡轮叶片的直径一样大的预定间距，并且在偶数行的洋流发电机120A和在奇数行 的洋流发电机120B彼此交错地设置。此外，当洋流发电机120设置在湖侧12中时，洋流发电机120的单位面积安装数 目可通过沿与海水流动方向垂直的方向缩短安装间距而增加，就如洋流速度变快那样。具 体地说，在本发明的情况下，在从潮汐发电站100的涡轮结构102排出的洋流的速度为3. 0 米/秒或更大并且海水流动良好的情形下，湖侧12中的洋流发电机120可以比涡轮叶片的 直径更窄的间距来设置。同时，关于湖侧12中的洋流发电机120，较佳地，首先设置在位奇数行的洋流发电 机120A和涡轮结构102之间的距离大约为涡轮结构102出口的尺寸。为此，当海水经过涡 轮发电机110并流入湖时，海水变成紊流并因此将首先设置在位奇数行的洋流发电机120A 设置在海水流动由于紊流减少而变得稳定的地点。结果，洋流发电机120A的结构稳定性得 以保证并且发电得以稳定地进行。闸门212安装在水闸结构210中，这形成如图3所示的潮汐发电水坝200。当涨潮 时，闸门212通过卷扬装置214下降，由此防止海侧14中的海水流至湖侧12并当退潮时， 闸门上升，由此将湖侧12的海水通过水闸渠道216排至海侧14。构成潮汐发电水坝200的水闸结构210如图1所示在一个单元体内配有八个水闸 结构210，但不局限于此并且其安装数量可根据洋流发电场的地形特征或发电量的计划而改变。使用通过闸门212排至海洋的快速海水发电的洋流发电机220沿潮汐发电水坝 200的水闸结构210的闸门212的背面方向安装，即图1和图3所示的海侧14。多个洋流 发电机220安装在海侧14，由此在海侧形成洋流发电场。较佳地，多个洋流发电机220以交错形状配置，在行间具有与洋流发电机的涡轮 叶片的直径一样大的预定间距，并且在偶数行的洋流发电机220A和在奇数行的洋流发电 机220B彼此交错地设置。此外，当洋流发电机220设置在湖侧12时，洋流速度越快，洋流发电机120的单位 面积安装数目可通过根据洋流的速度变快沿与海水流动方向的垂直方向缩短安装间距而 增加得越多。具体地说，在本发明的情况下，在通过闸门212排出的洋流的速度为6. 0米/ 秒或更大并且海水流动良好的情形下，洋流发电机可以比涡轮叶片的直径约窄1/2以上的 间距来设置。这里，湖侧的洋流发电机120和海侧的洋流发电机220分别支承并安装在耸立在 海床上的单纵列(F)上。此外，湖侧的洋流发电机120和海侧14的洋流发电机220包括推进器，该推进器 通过洋流流动以及发电机旋转和驱动，该发电机以及具有连接于推进器的旋转轴的转子。
潮汐发电站100中的至少一个或多个涡轮结构102和潮汐发电水坝200的水闸结 构210各自相连，如图1所示那样。同时，关于海侧14中的洋流发电机220，较佳地，首先设置在位奇数行的洋流发电 机220A和水闸结构210之间的距离大约为水闸结构210出口的尺寸。在该示例性实施例中，当洋流发电场根据潮汐发电站100和潮汐发电水坝200的 地形特征和发电量计划而由洋流发电机120、220构成时，集潮汐发电和洋流发电于一身的 综合发电系统可通过如下步骤形成仅在潮汐发电站100的湖侧12安装多个洋流发电机 120,220 ；仅在潮汐发电水坝200的海侧14安装多个洋流发电机120、220 ；并在潮汐发电站 100的湖侧12以及潮汐发电水坝200的海侧14均安装多个洋流发电机120、220，分别如图 1所示那样。下面将阐述上述示例性实施例的效果。当海水从海侧14流入湖侧12的涨潮时，安装在潮汐发电水坝的水闸结构210中 的闸门212关闭。因此，海侧14的海水沿图2箭头方向流入湖侧12。因此，安装在潮汐发电站100的涡轮结构102中的涡轮发电机110的涡轮叶片112 通过洋流的流动而旋转，涡轮发电机Iio进而发电。在经过涡轮发电机110后进入湖侧12 的输入海水流过湖侧的多个洋流发电机120。此时，海水的平均速度为3. 0米/秒或更大。 因此，洋流发电通过间距小于湖侧的洋流发电机120的涡轮叶片直径的交错形状配置的多 个洋流发电机120完成。洋流发电继续，直到湖水的水位达到管理水位高度为止，另外当湖 水的水位达到管理水位高度时潮汐发电站100的涡轮发电机110停止发电，并且这种停止 状态保持到海侧的水位因退潮而低于湖侧水位为止。同时，当海侧14的水位因涨潮后的退潮而变得低于湖侧水位时，潮汐发电水坝的 水闸结构210中的闸门212如图3所示地开启，且湖侧12的海水通过水闸渠道216沿箭头 方向排至海侧14。此时，通过闸门212排出的海水的平均速度为6. 0米/秒或更大，并且遍 及潮汐发电水坝200并安装在海侧14的多个洋流发电机220被驱动，由此发电。根据本发明的集潮汐发电和洋流发电于一身的综合发电系统使用从海侧14进入 湖侧12的输入海水和从湖侧12排至海侧14的海水来发电，并因此就发电设备的工作效率 而言比仅当海水从海侧流入湖侧时发电的单流涨潮式的潮汐发电更为优越。为了将来自湖侧的洋流发电机120和海侧的洋流发电机220的电力输送至变电 站，可通过海底电缆将电力传输至潮汐发电站100中的变电站或在陆地上直接传输至变电 站。当根据本发明的潮汐发电站100的涡轮发电机110发电时，湖侧12中的洋流发电 机120发电。较佳地在容量增加后将在湖侧的洋流发电机120的洋流发电场侧产生的电力 送至潮汐发电站100内的变电站。此外，如果海侧的洋流发电机120形成在等于湖侧的洋流发电机120和潮汐发电 站100产生电量的总和的发电容量内，在海侧的洋流发电机220的洋流发电场处产生的大 量电力可直接连接于安装在潮汐发电站100中的变电站而无需安装额外的变电站。其原因 是当海侧14中的洋流发电机在退潮中发电时潮汐发电站100和湖侧12的洋流发电机120 不发电，并且潮汐发电站100内的变电站中可接受潮汐发电站100和洋流发电机120、200 的全部发电容量。
根据本发明的经过潮汐发电水坝200和潮汐发电站100的涡轮发电机110的闸门 212的洋流具有比自然洋流条件更高的利用价值，因此，在湖侧和海侧的洋流发电机120、 220能更高效地发电。也就是说，经过潮汐发电站100的涡轮发电机110和潮汐发电水坝200的闸门212
的海水是高质量海水，它以可预测速度沿固定方向流动并容易控制发电量。尤其是如果潮 汐发电站同时建造有洋流发电场，就能比单独建造的情形更为节约建造成本并获得更高的 经济效益。此外，经过潮汐发电站的涡轮发电机和潮汐发电水坝的闸门的快速洋流通过洋流 发电机的动能提取使洋流速度减慢，并能减轻因潮汐发电对海洋生态系统和自然环境的很 大部分的不利影响。因此，连接有潮汐发电的洋流发电场可产生能弥补潮汐发电的缺陷的 更为环境友好的综合发电系统。一般来说，为了保存和管理洋流发电机，可将洋流发电机及其辅助设备牵引至海 中并由小船联系，同时由于洋流的流动状态因存在堰而比使用自然潮汐流的潮汐流电站更 为柔和，所以根据本发明的综合发电系统在不发电或海水不排出的情形下具有能使用潜水 或ROV(遥控车)保存和管理洋流发电机的优势。已在上文中联系附图所示的若干示例性实施例对本发明进行了说明，然而不应当 认为本发明局限于这些实施例。相反，本领域内技术人员应当理解可不脱离本发明范围地 对这些实施例的细节作出许多变化。
权利要求
一种集潮汐发电和洋流发电于一体的综合发电系统，包括跨海地构造堰10以构成湖12；安装潮汐发电站100的涡轮结构102和潮汐发电水坝200的水闸结构210，以通过使用堰10间由涨潮和退潮造成的海水间的势能差来发电；在所述涡轮结构102中安装涡轮发电机，以通过利用当涨潮时从海侧14进入湖侧12的输入海水的流动来转动涡轮叶片而发电；在所述水闸结构中安装闸门212，以在涨潮和退潮时关闭和开启水闸渠道214；以及通过在所述潮汐发电站110的涡轮结构102的后湖侧12安装多个洋流发电机120，以利用通过涡轮发电机110排出的海水流动来发电，从而在湖侧12形成洋流发电场。
2.一种集潮汐发电和洋流发电于一体的综合发电系统，包括 跨海地构造堰10以构成湖12 ；安装潮汐发电站100的涡轮结构102和潮汐发电水坝200的水闸结构210，以通过使用 堰10间由涨潮和退潮造成的海水间的势能差来发电；在所述涡轮结构102中安装涡轮发电机，以通过利用当涨潮时从海侧14进入湖侧12 的输入海水的流动来转动涡轮叶片而发电；在所述水闸结构中安装闸门212，以在涨潮和退潮时关闭和开启水闸渠道；以及 通过在所述潮汐发电水坝200的水闸结构210的后海侧安装洋流发电机220，以通过利 用通过闸门212快速排入海中的海水流动来发电，从而在海侧14形成洋流发电场。
3.一种集潮汐发电和洋流发电于一体的综合发电系统，包括 跨海地构造堰10以构成湖12 ；安装潮汐发电站100的涡轮结构102和潮汐发电水坝200的水闸结构210，以通过使用 堰10间由涨潮和退潮造成的海水间的势能差来发电；在所述涡轮结构102中安装涡轮发电机，以通过利用当涨潮时从海侧14进入湖侧12 的输入海水的流动来转动涡轮叶片而发电；在所述水闸结构中安装闸门212，以在涨潮和退潮时关闭和开启水闸渠道214 ；以及 通过在所述潮汐发电站110的涡轮结构102的后湖侧12安装多个洋流发电机120，以 利用通过涡轮发电机110排出的海水流动来发电，从而在湖侧12形成洋流发电场，并通过 在潮汐发电水坝200的水闸结构210的后海侧安装洋流发电机220，所述洋流发电机利用通 过闸门212快速排入海中的海水流动来发电，从而在海侧14形成洋流发电场。
4.如权利要求1或3所述的综合发电系统，其特征在于，安装在所述潮汐发电站100的 所述涡轮结构102的后湖侧12中的所述多个洋流发电机120设置成在行间具有预定间隔 的交错形状，并且奇数行和偶数行中的所述洋流发电机被设置成彼此交错。
5.如权利要求2或3所述的综合发电系统，其特征在于，安装在所述潮汐发电站200的 所述水闸结构210的后海侧14中的所述多个洋流发电机220设置成在行间具有预定间隔 的交错形状，并且奇数行和偶数行中的所述洋流发电机被设置成彼此交错。
6.如权利要求1或3所述的综合发电系统，其特征在于，安装在所述潮汐发电站100的 所述涡轮结构102的后湖侧12中的所述多个洋流发电机120被分别安装在海床上的单纵 列上。
7.如权利要求2或3所述的综合发电系统，其特征在于，安装在所述潮汐发电水坝200的所述水闸结构210的后海侧14中的所述多个洋流发电机220被分别安装在海床上的单 纵列上。
8.如权利要求1-3中任何一项所述的综合发电系统，其特征在于，所述潮汐发电站100 的涡轮结构102和所述潮汐发电水坝200的水闸结构210通过两者间的连接结构300彼此相连。
9.如权利要求1-3中任何一项所述的综合发电系统，其特征在于，所述潮汐发电站100 的涡轮结构102和所述潮汐发电水坝200的水闸结构210通过两者间的连接堰彼此相连。
10.如权利要求1-3中任何一项所述的综合发电系统，其特征在于，所述潮汐发电站 100的至少一个或多个涡轮结构102和所述潮汐发电水坝200的水闸结构210各自彼此相连。
全文摘要
一种集潮汐发电和洋流发电于一体的综合发电系统，包括跨海地构造堰以构成湖；安装潮汐发电站的涡轮结构和潮汐发电水坝的水闸结构，通过使用堰间由涨潮和退潮造成的海水间势能差来发电；通过在潮汐发电站的涡轮结构的后湖侧安装多个洋流发电机在湖侧形成洋流发电场，从而通过使用经由涡轮发电机排出的海水流动来发电；并在潮汐发电水坝的水闸结构的后海侧通过安装洋流发电机在海侧形成洋流发电场，从而通过使用经过闸门快速排入海中的海水发电。
文档编号F03B13/26GK101925737SQ200880126083
公开日2010年12月22日 申请日期2008年3月12日 优先权日2008年1月30日
发明者张宰源, 张庆秀, 张成源, 李姃恩 申请人:张庆秀