专利名称：用于水力发电厂的单元及包括该单元的模块化水力发电厂的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于水力发电厂的单元。更具体地，本发明涉及用于水力发电厂的水下单元。本发明还涉及包括至少一个这种单元的水下水力发电厂。
背景技术：
水力发电厂广泛地分布并用于生产电力。这些发电厂使用流动的水团来生产电力水被输送到一个或多个涡轮机，使得涡轮机由于水的推力转动；每个涡轮机联接到交流发电机，交流发电机将转动运动转换为电力。水赋予涡轮机的速度通过至少100m、优选为约150-300m的称为“水头”的高度差产生， 其在涡轮机定位的高度处转换成水动压力。为了具有足以运行水力发电厂的水储备，通常通过具有水坝的河谷的堰坝形成人工池从该池，水通过压力管中的“水头”向下传输到涡轮机，将动能传递到涡轮机的叶片。尽管水力发电厂相对于热电或核热电发电厂具有不容置疑的优势，但它们不是没有缺陷。首先，池和涡轮机之间的高度差要求限制了设置发电厂的可能场地的选择。其次， 形成人工池的需要严重影响了发电厂的构建成本。第三，阻挡河谷的大坝阻挡了河流的固体(沙子和砾石)顺流运输到海，由于固体沉积减少或者没有固体沉积，海处会出现海岸侵蚀的现象。最后，大型水力电气池会由于对地貌的改变和对自然栖息环境的破坏、人口迁徙、耕地流失等而对周围区域具有严重实体或严肃的环境和社会经济影响。为了解决与对于大型水团可用性以及对于水池和涡轮机之间的高度差的需求相关的问题，已经考虑到实现水下水力发电厂，其中压力管将水从地面运送到定位在深处的涡轮机。将水力发电厂设置在海、大湖或者具有大尺寸的类似水池的河床上消除了形成人工池的需要并且使得几乎无限的水源可用于发电厂。上述类型的水下水力发电厂的例子在UA23002U和IT1117257中通过例子显示。然而，以这种方式在天然水池深处实现的水力发电厂的设置产生了处理从涡轮机流出的水的问题，因为用过的大量水团必须从水力发电厂转移到周围环境，而水力发电厂与压力管的入口端口的压力相同，因此基本为大气压力，而周围环境处于高得多的压力。
发明内容
本发明的主要目的在于通过提供一种能够容易且有效地处理从涡轮机流动的水团的水力发电厂水下单元来解决上述问题。本发明的另一目的在于提供一种能够产生可与传统水力发电厂相比的电力的水下水力发电厂。由于具有包括入口区段和出口区段的压力管，且所述出口区段相对于所述入口区段设置在至少100米深，优选为约150-300m深，可提供确保进入根据本发明的单元的水具有用于运行涡轮机的充分速度的“水头”。优选地，所述压力管的入口区段靠近水池的表面定位。此外，由于具有定位在用于产生电力的涡轮机下游的至少一个可变排量箱，根据本发明的用于生产电力的单元能够有效地将用来运行涡轮机的水团本身排放到周围环境中。在优选实施方式中，设置至少两个交替地填充和排空的可变体积箱，使得可确保根据本发明的单元的连续运行。注意，在此方面，US2008/0159855描述了一种包括可变排量箱的水下水力发电厂。但是，该文件中描述的水力发电厂具有显著的缺陷。首先，它没有设置任何压力管，并且用于水的入口端口就定位在涡轮机上方，从而进入涡轮机的水不具有提高的速度， 因为没有提供“水头”，因此需要巨大的低速水体积运行描述的发电厂。其次，为了排空排放箱，该发电厂采用复杂的压缩空气系统，这产生生产成本的大幅增加，关系到需要在水池表面的水平下的很深深度处提供高压空气。最后，由于发电厂的入口端口在深处，因此处于提高的压力，可能需要提供昂贵的加压系统，以便将涡轮机的环境保持在大气压力。有利地，根据本发明的用于水力发电厂的单元不具有所有这些缺陷。
多个根据本发明的单元可以关联在一起以便形成模块化水力发电厂。由此获得的用于生产电力的发电厂的模块化允许根据本发明的发电厂连续运行， 即使在单个单元损坏、故障、维护和/或更换的情况下也如此。
从以下参照附图通过非限制性例子给出的本发明优选实施方式的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得明显。其中图1是根据本发明的用于水力发电厂的单元的示意表示；图2是容纳图1的单元的涡轮机的空间的示意剖切前视图；图3是图2的空间的示意剖切横向视图；图4是沿着图2的空间的线IV - IV的剖视图；图5是根据本发明的水力发电厂的示意表示。
具体实施例方式参照图1，根据本发明的水力发电厂的水下单元1被设计用于定位在天然(海、湖等)或者人工的任何类型的水池中。所述水下单元1通常包括-用于用来生产电力的水的入口端口100，该入口端口 100基本设置在水池的表面处；-用于允许用来生产电力的水返回水池的出口端口 400，该出口端口 400设置在水池的深处；-连接所述入口端口与出口端口的管道系统，该管道系统包括压力管200，压力管 200包括入口区段200a和出口区段200b，压力管的出口区段200b相对于压力管200的入口区段200a在大于100m、优选等于150_300m的深度，以向下延伸到水池的深处，并且因此提供能够赋予水动能的“水头”，压力管200优选是倾斜的，从而避免压力管自身内的气穴问题；-一个或多个涡轮机，优选容纳在空间300内，空间300沿着管道系统定位在入口端口 100和出口端口 400之间并且在压力管200下游，使得在压力管内流动的水团的动能传递给所述涡轮机；在空间300内等同地容纳有与所述涡轮机相联的交流发电机，以便将所述动能转换成电力。图2-4中更加详细地显示了所述空间300，在该空间300中，动能从自压力管流动的水团传递至涡轮机，并且被连续转换成电力。空间300相对于外部环境液密封，从而空间内的压力等于单元1的入口端口处的压力，即基本等于大气压力。空间300容纳一个或多个涡轮机301a-301f (在所示形式的实施方式中为六个)， 涡轮机设置成拦截从压力管200流动的水，由于压力管本身的延伸部303进入空间300并分成分支305，每一个分支与相应的涡轮机301a-301f连接，从而动能从水传递到涡轮机的叶片。涡轮机301a-301f优选为培尔顿式(Pelton)涡轮机，其特别适于在具有大高度差和减小的水流速的应用中工作，但也可以使用其它类型的涡轮机。每个涡轮机301a_301f的轴以已知的方式与相应的交流发电机(未显示)连接， 这些交流发电机能够将涡轮机叶片的动能转换成电力。根据本发明，用于运行涡轮机301a_301f的水通过相应的出口通道307传输到公共过渡室309中。该公共室通过导管311与至少可变体积箱连接。特别地，在所示实施方式中，设置两个可变体积箱313a、31!3b 导管311分成两个分支317a、317b，每个分支与相应的可变体积箱313a、31!3b连接；三通选择阀315设置在导管311的分叉处，使得流自过渡室309的水可选择性地朝着箱313a、31!3b中的一个或另一个引导。所述可变体积箱313a、31!3b优选实现为膨胀箱，但也可以提供任何其它类型的可变体积箱。特别参照图2和图3，每个箱313a、31!3b包括通过可动壁319a、319b与箱的其他部分分开的可变体积补偿室321a、321b。每个箱设有包括一个或多个缸的液压驱动系统，所述缸在相应补偿室321a、321b 的可动壁319a、319b上运行，以将其运动远离箱本身的底部或者运动靠近该底部。导管311的每个分支317a、317b与相应箱的补偿室321a、321b连通，使得在选择阀315将导管311与分支317a (317b，分别地)连通时，水进入箱313a (313b，相应地)的补偿室321a(321b，相应地)，造成体积增加。在该填充阶段，液压系统的缸用来使可动壁 319a(319b，相应地)运动远离箱的底部，从而增加补偿室的容积。根据本发明，箱313a、3i;3b的补偿室321a、321b还通过例如止回阀的一个或多个阀32^1、325b与单元1的出口端口 400连接。这样，一旦箱的补偿室达到最大可能膨胀，可通过其将出口端口 400与周围环境连通，使得所述箱中容纳的水排放到外面。在此排空阶段，液压系统的缸用来使可动壁运动靠近箱的底部，从而减小补偿室的容积。显然，在打开与出口端口 400连通的阀325a、325b之前，箱313a、313b和导管311 之间的连通通过对选择阀315的及时操作来中断。显然，仅一个可变体积箱就足以确保根据本发明的单元1的恰当运行。但是，在只有一个箱的情况下，每次需要排空所述箱时，单元1的运行应当中断。另一方面，本领域技术人员明白存在交替与导管311连通的两个箱313a、313b以交替被填充和排空确保了根据本发明的单元1的连续运行当选择阀315将导管311与第一箱313a连通时，其补偿室321a可逐渐被填充；在这个阶段，第二箱31 通过阀32 与出口端口 400连通并被排空；当第一箱的补偿室达到最大膨胀时，切换选择阀315以将导管 311与第二箱31 连通，用于运输其中的水，而第一箱313a的阀32 打开，从而允许其中容纳的水返回周围环境。参照图4，显示了空间300除了包括容纳涡轮机及其交流发电机的空间外，还包括容纳单元1的机械和电设备的管理、控制和维护设备的另一空间327。此外，在空间300中设有用于进入空间300以便维护的通道329 ；显然，为了还在单元1运行并且在深处时对单元1进行检查和维护，所述通道的端部通过液密堵头331封闭。在所示的设有六个涡轮机301a-301f的优选实施方式中，假设空间300布置在水池的水平面以下大约150米处，则根据本发明的单元ι能够获得接近eoookw的输送功率。所述单元的设备的恰当运行必要的电力消耗(即该单元的有效自我维持必要的电力消耗)被评估为约200-300kW，低于生产功率的5%，而其余的95%可开发用于其它应用。根据本发明，为了获得功率可与传统发电厂相比的水力发电厂，可以将合适数量的上述类型的单元相互关联。参照图5，示意性地显示了这样构建的发电厂2。所述发电厂2包括用于水池中接近表面的水的供给导体600，该导体终止于与水力发电厂的单元的入口端口 100连通的通风系统700。所述单元的压力管200离开所述通风系统700并且每个压力管终止于容纳涡轮机和用于生产电力的交流发电机的空间300内。有利地，不同单元的空间300并排布置并且由于设置在每个单元内的检查通道相互连通。用于接近表面500的装置设置成与其中一个单元连通(特别是与所示实施例中的中心单元)，使得从该表面，操作者可容易地接近用于检查和维护操作的所有单元的空间。在所示实施例中，单元沿着接近90度的弧设置成辐条状样式并且设置21个单元， 用于生产等于近120MW的总功率。很明显，单元的布置及其数量都可以根据需要变化。出于容易接近和容易朝着干的陆地传输生产的电力的显著原因，优先靠近海岸 (例如，与不用的海港对应)定位发电厂，这限制并排布置在小于180度角度的单元形成的弧的延伸。但是，也可以远离海岸定位根据本发明的发电厂，并且使该发电厂包括足以覆盖 360度的整个弧的多个单元，以因此增加产生的功率。
通过上面的描述清楚的是，根据本发明的水力发电厂的单元和由多个这样的单元并列形成的模块化水力发电厂能够达到上述的目的，因为它们能够通过使用大型天然水池的几乎不受限制的水源获得电力并且能够容易有效且经济地将用过的水返回所述池。还清楚的是，上述的实施方式通过非限制性例子提供，在不脱离由所附的权利要求限定的保护范围下可以进行很多变型。
权利要求
1.一种用于水力发电厂的单元(1)，该单元能够放置在水池的水下并且包括-用于将所述水池的水供给到所述单元的入口端口(100)；-用于将所述水池的水从所述单元排放的出口端口 000)，所述出口端口设置在比所述入口端口更深的深度处；-将所述入口端口连接到所述出口端口的管道系统(200，303，305，311，317a，317b)， 所述管道系统包括压力管O00)；-沿着所述管道系统设置在所述压力管下游的一个或多个涡轮机(301a-301f)，其被设置成拦截流经的水，每个所述涡轮机都与相应的交流发电机相关联；其特征在于，所述压力管(200)包括入口区段QOOa)和出口区段(200b)，所述出口区段QOOb)相对于所述入口区段QOOa)至少深100米，使得流经所述压力管的水获得相应的动能，并且在所述管道系统中，在所述涡轮机(301a-301f)和所述出口端口(400)之间设置一个或多个可变排量箱(313a，31 )。
2.根据权利要求1所述的单元(1)，其中，所述可变排量箱是包括可变体积补偿室 (321a, 321b)的膨胀箱(313a，313b)。
3.根据权利要求1或2所述的单元(1)，其中，设置有两个所述可变排量箱(313a， 313b)。
4.根据权利要求3所述的单元(1)，其中，所述管道系统设置有选择阀(315)，该选择阀布置在所述涡轮机和所述可变排量箱之间，用于选择性地将两个箱中的一个与所述管道系统连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的单元(1)，其中，设置有多个涡轮机 (301a-301f)，所述管道系统设有布置在所述压力管和所述涡轮机之间的多个分支，以将所述管道系统与每个所述涡轮机连接。
6.根据权利要求5所述的单元(1)，其中，在每个所述涡轮机下游，所述管道系统提供水出口通道(307)，所述出口通道(307)连接到公共过渡室(309)，所述过渡室连接到所述可变排量箱。
7.根据前述任一项权利要求所述的单元(1)，其中，所述一个或多个涡轮机以及相应的交流发电机容纳在液密空间(300)中。
8.根据权利要求7所述的单元(1)，其中，所述空间(300)包括用于进入该空间本身的通道(3 )，所述通道的端部处设有液密堵头(331)。
9.根据前述任一项权利要求所述的单元(1)，其中，所述入口端口(100)靠近所述水池的表面设置。
10.根据权利要求7所述的单元(1)，其中，所述压力管O00)的入口区段靠近所述水池的表面设置。
11.根据权利要求1所述的单元(1)，其中，所述压力管的出口区段相对于所述压力管的入口区段设置在等于近150-300m的深度处。
12.用于电力生产的发电厂O)，其特征在于，所述发电厂包括多个根据权利要求1-11 中任一项的用于电力生产的单元(1)。
全文摘要
本发明涉及用于水力发电厂的水下单元(1)以及包括多个这种单元的模块化水力发电厂(2)。根据本发明的单元(1)使用传统水力发电厂的作用原理，包括压力管(200)，其涉及至少100m、优选大约150-300m的“水头”并将升高的动能水团从水池的表面向下输送到设置在水池自身的表面下方的深处的一个或多个涡轮机(301a-301f)，以将动能从水传递到涡轮机并随后将其转换成电力。由于使用了定位在涡轮机下游的可变排量箱(313a，313b)，可以容易且有效地将用来致动涡轮机的水团本身返回到周围环境。
文档编号F03B13/10GK102575638SQ201080039313
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月19日 优先权日2009年7月30日
发明者玛西莫·贝弗特, 玛里纳·波拉罗, 鲁卡·迪恩德瑞亚 申请人:鲁卡·迪恩德瑞亚