用于控制水下发电站的操作的方法与流程

一种用于控制水下发电站的操作的方法，该水下发电站包括结构和运载工具，该运载工具包括至少一个翼部，该运载工具布置成通过至少一个系绳固定到所述结构；该运载工具布置成通过经过运载工具的流体流而在预定的轨迹中移动。

背景技术：

水下发电站在本领域中是已知的。一种类型的水下发电站使用包括翼部的运载工具。该运载工具布置成通过系绳固定到结构，并且布置成通过经过运载工具的流体流而在预定的轨迹中移动。运载工具的控制取决于来自提供关于控制运载工具所需的各种参数的信息的传感器的输入。这在EP1816345中描述。

水下发电站的一个应用是通过允许例如通过放置在运载工具上的涡轮机和发电机将诸如潮汐流的流体流的能量转换为电能而从流体流中产生电力。

使用潮汐流来产生电力导致了许多情况，其中，运载工具需要被控制以便能够在正常操作期间启动和停止运载工具，并且能够控制运载工具的启动和停止以避免损坏运载工具。此外，期望的是在正常操作期间优化发电站的功率输出。

因此，存在一种在各种运载工具状态下用于控制水下发电站的操作的改进的方法和发电站的需求。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种用于控制水下发电站的操作的方法以及一种水下发电站，其中至少部分地避免了先前提到的问题。这个目的通过权利要求1和8的特征部分的特征来实现。在所附从属权利要求中描述了本发明的变型。

水下发电站包括结构和运载工具。运载工具包括至少一个翼部。运载工具布置成通过至少一个系绳固定到结构。运载工具布置成通过经过运载工具的流体流而在一预定轨迹中移动。

本发明的特征为，运载工具布置成改变至少一个翼部的迎角，并且该方法包括：

I：确定经过运载工具的流体的速度是否高于一预定值，

-如果经过运载工具的流体的速度高于预定值，

Ia：通过调节所述至少一个翼部的迎角来启动运载工具，以达到运载工具的操作深度，并且开始运载工具在开始发电的预定轨迹中的移动，或者；

Ib：在发电期间，通过调节至少一个翼部的迎角来控制运载工具的速度，以优化电力输出，或者；

Ic：通过调节至少一个翼部的迎角来停止运载工具，使得经过运载工具的流体施加在翼部上的升力基本为零

或者

II：确定经过运载工具的流体的速度是否低于预定值，

-如果通过运载工具的流体的速度低于预定值，

IIa：调节至少一个翼部的迎角，以在经过运载工具的流体的速度被确定为高于预定值时，将运载工具移动到能使运载工具启动的位置和/或将运载工具保持在能使运载工具启动的位置。

通过这样，该方法允许响应于经过翼部的流体的速度是高于还是低于预定值来调节迎角，从而可以对于多种不同情况控制水下发电站的运载工具。

例如，期望的是能够启动运载工具并且开始在从水面到开始电力生产的预定轨迹中的移动。这种情况例如在运载工具的安装期间或运载工具服役之后发生。

还期望的是能够启动运载工具并且开始从水面下方的位置到开始电力生产的预定轨迹中的移动。如果运载工具在水面下方时由于任何原因而已停止，并且当运载工具停止的原因不要求运载工具停止操作时，则这种情况会发生。

升力基本为零意味着升力小于或等于影响运载工具的拖曳力。还期望的是当运载工具在其预定轨迹上移动期间操作时能够控制运载工具的速度。对于运载工具在其在预定轨迹上的运动期间的迎角可以被优化，以便使来自涡轮机和发电机的功率输出增加。这是通过增加运载工具在预定轨迹上的平均速度来完成的。还期望的是在操作期间如果发生将危及运载工具或水下发电站的其它部件的故障，则将停止运载工具。

当经过翼部的流体的速度低于预定值时，翼部的升力不够高，而不能允许运载工具的操作。在这种情况下，期望的是，能够通过改变迎角来当经过运载工具的流体的速度被确定为高于预定值时将运载工具移动到能够使运载工具启动的位置，并且只要流体的速度低就能将其保持在那里。如果运载工具已经处于合适的位置，则期望的是将运载工具保持在该位置。位置是指运载工具的平均深度和方向。

流体的速度可以通过使用物理性质与经过翼部的流体的速度之间的直接或间接关联来测量该物理性质而确定。例如，可以测量的物理性质是在远离运载工具的位置处或在运载工具上的位置处的流体本身的速度、系绳负载、涡轮速度、用于确定在预定的轨迹中的运载工具高度的变化的压力或者用于测量系绳和/或筝帆件(kite)本身的角速度的角度传感器。这些物理性质允许通过以下方式计算风筝件的速度并由此计算流体的速度：控制单元利用物理性质与运载工具的速度之间的数学关系来编程或者利用查表、数据库或类似的测量值(这些值可以用于从测量值计算运载工具的速度)来编程。优选地，一旦运载工具已在预定轨迹中开始移动，运载工具的速度就用于优化功率输出。

为了确定经过运载工具的流体的速度和运载工具的位置，可以使用许多不同类型的传感器。

如果经过运载工具的流体的速度高于预定值并且运载工具在一预定轨迹中移动，则该方法还可以包括：

III：确定运载工具是否处于与穿过预定轨迹的物体碰撞的危险中，

-如果运载工具被确定为处于与穿过预定轨迹的物体碰撞的危险中，

IIIa：通过调节至少一个翼部的迎角来停止运载工具，使得由经过运载工具的流体施加的升力基本上为零，

IIIb：确定穿过预定轨迹的物体已离开预定轨迹，

IIIc：基于确定穿过预定轨迹的物体已离开预定轨迹，调节至少一个翼部的迎角，以开始运载工具在开始发电的预定轨迹中的移动。

如果物体或动物进入预定轨迹的路径中，重要的是不发生可能损坏运载工具、物体或动物的碰撞。通过调节迎角使得由流体在翼部上施加的升力基本上为零，该方法允许将这种危险最小化或完全避免。例如，接近运载工具正在移动的预定轨迹的物体的存在由声纳、视觉检测装置(诸如连接到图像检测系统的相机)或接近传感器完成。当停止时，迎角可以被调节为将运载工具移动到当穿过预定轨迹的物体被确定已离开预定轨迹时能使运载工具启动的位置和/或将运载工具保持在当穿过预定轨迹的物体被确定已离开预定轨迹时能使运载工具启动的位置。当经过运载工具的流体的速度被确定为高于预定值时，运载工具可以启动并且恢复发电。

如果经过运载工具的流体的速度高于预定值，则该方法还可以包括：

IV：确定运载工具是否已失去动力，

-如果运载工具已失去动力，

IVa：通过调节至少一个翼部的迎角来停止运载工具，使得由经过运载工具的流体施加的升力基本上为零，

IVb：确定运载工具已经恢复动力，

IVc：基于确定运载工具已经恢复动力，调节至少一个翼部的迎角，以开始运载工具在开始发电的预定轨迹中的移动。

在运载工具失去动力的情况下，必须确保运载工具不被损坏、不会撞击任何其他物体或进入大海、湖泊或海洋的底部。为了避免这些，当运载工具失去动力时，电-机械故障安全确保迎角改变成使得运载工具在失去动力时立即经受没有升力，并由此在水中保持静止。在动力恢复之后，运载工具可以通过改变迎角来重新开始其移动，使得由翼部经受的升力启动运载工具的移动。如果动力失去之后的位置不适合启动运载工具，则运载工具还能够移动到使得运载工具能够启动的位置。

根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当在发电期间控制运载工具的速度时，通过调节至少一个翼部的迎角来控制系绳负载。当优化功率输出时，必要的是在高速流期间控制系绳负载，以确保系绳不会断裂。这通过改变迎角使得升力减小来完成。系绳负载可以通过附接到系绳的传感器来测量。

该方法可以以多种方式执行。

在本发明的一个实施方式中，通过设置为使运载工具的后支柱伸出或缩回的螺距控制系统来改变运载工具的迎角。螺距控制系统附接到后支柱，该后支柱进而附接到系绳。这个实施方式中的螺距控制系统包括电动机，其中，电动机还包括制动器和包括至少一个齿轮的变速器。螺旋形鼓附接到离合器所附接的轴。当离合器与变速器接合时，离合器将动力传递到轴，并且使得鼓能够与变速器脱离，导致当迎角需要快速改变时，鼓可以自由地旋转。在鼓上缠绕有柔韧的连接装置，该连接装置进而连接到后支柱。

在本发明的一个实施方式中，通过布置成沿着附接到翼部的机舱的长度或翼部的长度改变支柱的附接位置的螺距控制系统来改变运载工具的迎角。这个实施方式中的螺距控制系统包括用于后支柱的可移动附接装置。

在本发明的一个实施方式中，通过螺距控制系统改变运载工具的迎角，其中，螺距控制系统包括升降舵。

本发明还涉及一种包括结构和运载工具的水下发电站。运载工具包括至少一个翼部。运载工具布置成通过至少一个系绳固定到结构。运载工具布置成通过经过运载工具的流体流而在一预定的轨迹中移动。发电站还包括控制单元和至少一个传感器单元。运载工具布置成改变至少一个翼部的迎角。至少一个翼部的迎角布置成基于来自至少一个传感器单元的输入而通过控制单元来改变。控制单元布置成基于来自至少一个传感器单元的输入而确定经过运载工具的流体的速度是高于还是低于一预定值。

根据本发明的水下发电站允许执行如上所述的方法。水下发电站配备有向控制单元提供传感器输入的至少一个传感器。基于来自传感器的输入，控制单元确定经过运载工具的流体的速度是高于还是低于一预定值，并且根据运载工具所处的情况改变迎角。

在本发明的一个实施方式中，通过设置成使运载工具的后支柱伸出或缩回的螺距控制系统来改变运载工具的迎角。后支柱附接到系绳和螺距控制系统。

在本发明的一个实施方式中，运载工具包括机舱，该机舱包括螺距控制系统。机舱附接到翼部和后支柱，其中，后支柱布置成附接到机舱中的螺距控制系统，使得后支柱能通过螺距控制系统伸出和缩回。

在本发明的一个实施方式中，螺距控制系统整体形成在翼部中。后支柱布置成附接到翼部中的螺距控制系统，使得后支柱能通过螺距控制系统伸出和缩回。

在螺距控制系统整体形成在机舱或翼部中的实施方式中，后支柱可通过柔韧的连接装置附接到螺距控制系统。优选地，柔韧的连接装置是绳索、电缆、绳线、细绳或丝中的一种。优选地，柔韧的连接装置在应力下具有小伸长或零伸长。柔韧的连接装置优选地由迪尼玛制成，虽然其他材料在应力下表现出小伸长或零伸长的也是可以想到的。

后支柱可以是刚性的或柔韧的并且具有流体动力横截面。后支柱中的力构件优选地由迪尼玛制成。

在机舱包括螺距控制系统或者螺距控制系统整体形成在翼部中的实施方式中，螺距控制系统包括离合器、变速器、电动机和制动器。此外，螺距控制系统可包括用于存储柔韧的连接装置的螺旋形鼓以及在柔韧的连接装置的伸出和缩回期间用于引导柔韧的连接装置的引导装置。

在机舱包括螺距控制系统或者螺距控制系统整体形成在翼部中的实施方式中，螺距控制系统在操作状态下被供以动力。当螺距控制系统失去动力时，后支柱自动地完全伸出。这具有运载工具在失去动力时停止的优点。

在本发明的一个实施方式中，通过布置成沿着附接到翼部的机舱的长度或翼部的长度改变支柱的附接位置的螺距控制系统来改变运载工具的迎角。

在本发明的另一个实施方式中，通过螺距控制系统改变运载工具的迎角，其中，螺距控制系统包括升降舵。将升降舵与上述螺距控制系统的另一个组合是可能的。

传感器单元是以下中的一个或多个：用于直接测量流体速度的速度传感器、系绳负载传感器、涡轮速度传感器、压力传感器或角度传感器。例如，迎角由用于测量柔韧的连接装置的伸出长度的传感器或用于直接测量安装在前支柱上的迎角的传感器测量。

本发明还涉及一种与水下发电站一起使用的计算机可读介质，该计算机可读介质具有用于执行如上所述的方法的计算机可执行指令。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的水下发电站的立体图，

图2示意性地示出了根据本发明的水下发电站的侧视图，

图3a-3b示意性地描述了根据本发明的螺距控制系统，

图4a-4d示意性地描述了改变运载工具的迎角的应用的第一示例，

图5示意性地描述了改变运载工具的迎角的应用的第二示例，

图6a-6b示意性地描述了改变运载工具的迎角的应用的第三示例，

图7示意性地示出了改变运载工具的迎角的应用的第四示例。

具体实施方式

图1示意性地描述了根据本发明的水下发电站1。发电站1包括结构2和运载工具3。运载工具3包括至少一个翼部4。运载工具3布置成通过至少一个系绳(tether，系缆)5固定到结构2。运载工具3布置成通过经过运载工具3的流体流而在预定轨迹中移动。运载工具3还包括前支柱6和后支柱7。运载工具3可以包括附接到翼部4的机舱8。机舱8可定位在翼部4的下方或上方并且通过挂架9附接到翼部4。运载工具3还包括竖直舵10形式的控制表面。前支柱6附接到翼部4，并且后支柱7附接到机舱8。

图2示意性地示出了根据本发明的水下发电站的运载工具3的侧视图。机舱8包括螺距控制系统(未示出)，后支柱7附接到该螺距控制系统。后支柱7经由柔韧的连接装置18(诸如绳索、缆线、绳线、细绳或丝)连接到螺距控制系统。可替换地，柔韧的连接装置18是后支柱7本身的端部。柔韧的连接装置18经由机舱8中的开口(未示出)进入机舱。图2中的柔韧的连接装置18的长度仅用于说明的目的。

图3a和3b示意性地描述了根据本发明的螺距控制系统11。图3a是机舱8的沿着图2的线A-A的截面图。螺距控制系统11优选地位于机舱8的后半部中，螺距控制系统11的精确位置是一个设计因素。在该图中，螺距控制系统11偏离机舱8的竖直中心线的中心。螺距控制系统的位置使得柔韧的连接装置进入机舱8的开口位于机舱底部并沿着机舱的纵向中心线。这使得后支柱能够沿着机舱的纵向中心线附接。这确保了运载工具保持稳定。

图3b示意性地示出了机舱和螺距控制系统11的沿着图3a的线B-B截取的截面。螺距控制系统11包括电动机12，其中，电动机12还包括制动器以及包括至少一个齿轮的变速器13。螺旋形鼓15附接到轴16，离合器17附接到该轴。离合器17在与变速器13接合时将动力传递到轴16，并且使得鼓15与变速器脱离，导致当迎角需要快速改变时，鼓15可以自由地旋转。在鼓15上缠绕有柔韧的连接装置18，该柔韧的连接装置进而连接到后支柱7。可替换地，后支柱7的端部包括柔韧的连接装置18。引导装置19有助于使柔韧的连接装置18均匀地缠绕在鼓15上。电动机12通过控制系统来控制。

图4a-7全部示意性地示出了改变水下发电站1的运载工具3的迎角的应用的示例。图中的箭头示出了潮汐流的方向。发电站安装的深度仅是说明性的，而不旨在是限制性的。

图4a-4d示意性地描述了改变运载工具3的迎角的应用的第一示例。在图4a中，运载工具3位于水面处。例如，这种情况例如在运载工具3第一次投入使用或者在服役后投入使用时发生。使用螺距控制系统，运载工具3被放置在水面处(其中发现了直立、稳定的位置)，其中，运载工具3的前部面向流方向(在图中由箭头表示)。处于直立、稳定的位置意味着运载工具3以机舱8上方的翼部3定向的位置。在可替换的配置中，直立、稳定的位置是运载工具3以机舱8下方的翼部3定向的位置。在后一种情况下，螺距控制系统优选地整体形成在翼部3中。

在图4b中，后支柱7完全伸出，以便运载工具3改变翼部4的迎角并开始下降。

在图4c中，运载工具3已经下降到所期望的深度。翼部4的升力基本为零。前支柱6能够旋转到一预定程度。螺距控制系统控制迎角，该迎角确定运载工具3将下降的深度，使得运载工具3能够在经过运载工具3的流体的速度被确定为高于预定值时启动。

在图4d中，后支柱7缩回并且迎角改变，以便运载工具3开始移动。当运载工具3面向流方向时，运载工具3将开始向上移动并且可以转向到其预定轨迹中。

图5示意性地描述了改变运载工具3的迎角的应用的第二示例。在图5中，运载工具3沿着其产生电力的预定轨迹移动。后支柱7的长度可以改变，以便改变迎角，并从而在预定轨迹的长度上改变速度。在沿着预定轨迹的第一位置中(其中迎角小于第一位置的最佳迎角)，后支柱7缩回。在沿着预定轨迹的第二位置中(其中迎角大于第二位置的最佳迎角)，后支柱7伸出。

图6a-6b示意性地描述了改变运载工具3的迎角的应用的第三示例。在图6a中，运载工具3沿着其产生电力的预定轨迹移动。在电力产生期间，确定的是运载工具3处于与穿过预定轨迹的物体碰撞的危险中或者运载工具3已经失去动力。

响应于这些情况中的任一种，后支柱7完全伸出以便改变迎角，这样使得由经过运载工具3的流体施加的升力基本上为零，有效地阻止运载工具3继续沿着预定的轨迹移动。这在图6b中示出。在物体被确定为远离预定轨迹或者动力已经恢复之后，后支柱7缩回，正如结合图4d所描述的。

图7示意性地示出了改变运载工具3的迎角的应用的第四示例。在图6中，确定的是经过翼部4的流体的速度小于预定值。较低的速度由图中较短的箭头表示。一旦确定这个，后支柱7就完全伸出，并且运载工具3通过螺距控制保持在一定深度。如果需要的话，可以进行迎角的小改变，以便运载工具3改变其深度，使得在经过运载工具3的流体的速度被确定为高于预定值时避免偏离使运载工具3能够启动的位置。

在上述描述中，机舱8定位在翼部4下方，并且后支柱7附接到机舱8。机舱8还能够定位在翼部4上方。在这种情况下，后支柱7连接到机舱8或者连接到运载工具3的翼部。在后支柱7附接到翼部的情况下，螺距控制系统位于翼部中。此外，图4a-7中的运载工具3的迎角仅是说明性的，而不旨在是限制性的。

权利要求中提及的参考标记不应被视为限制由权利要求保护的内容的范围，并且它们的唯一功能是使权利要求更容易理解。

正如将要认识到的，本发明能够在各种明显的方面进行修改，而不背离所附权利要求的范围。因此，附图及其描述本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。