水磨装置和借助于这种装置产生电能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在诸如河流或潮水的流水中使用的水磨装置，其被设计成能够被完全放置在水下，用于将流水的力转换成电能。
【背景技术】
[0002]从流水的力中产生电能是已知的。这种能量的产生是人们感兴趣的一种选择，特别是在有巨大落差的地方或者在可以人工创造巨大水平高差的地方。然而，在较小落差的情况下，流水仍可以被用来转换成对人有用的能量。可是，已知的应用的弊端在于，它们通常将障碍物放在挡住流水的使用者的道路上，比如航运业，对捕鱼业也是。相应地，必须要有附加的设备供应来使这种障碍最小化。
[0003]专利US 2008/0231057公开了一种具有水平流动通道和叶轮的水磨装置，所述水平流动通道具有入口开口和出口开口。所述叶轮在其外周缘上设有以弹簧阻尼方式安装到轮的铰链式翼瓣，从而这些翼瓣在沿流运动时具有相对较大的阻力，而在逆流运动时具有相对较小的阻力。进一步设置了传输装置，例如，以传送带的形式的，其将叶轮的旋转运动传输至发电机。
【发明内容】
[0004]本发明为其目的提供了一种如本文开头第一段中限定的水磨装置，其比已知的装置更有效地将流水的能量转换成电能。根据本发明，此目的是通过一种根据权利要求1的前序所述的水磨装置实现的，其中叶片各自包括可绕枢转轴线枢转的薄片，枢转轴线至少大致平行于叶轮的旋转轴线延伸，其中所述枢转轴线总是位于或邻近于相应薄片的一个较长侧，其中当相关的叶片正随着流移动时，薄片的枢转运动被限制装置阻碍，且其中当相关的叶片正逆着流的方向移动时，薄片是可自由枢转的。无论本文中何处提到方向或定向，这意在表明具有大致水平导向的、平行于流的方向的流动通道的水磨装置在该方向或定向上或以该方向或定向放置在水道中。根据本发明的水磨装置可以完全放置在水下，从而流水的使用者，以及本文中指出的水道，比如船、游泳者或类似的，不会遇到或几乎不会遇到任何来自该装置的阻碍。水磨装置可以被放置在比如河流的水道的底部，前提是河流足够深的话，在此深度河运不会受其影响。该水磨装置不需要水道在全部宽度上被关闭来产生足够的水位落差或提供缩窄的通路。在操作期间水流动穿过入口开口进入至少一个流动通道并沿着至少一个叶轮流动。
[0005]根据本发明，叶轮的薄片枢转时所绕的物理轴或虚轴线各自位于或邻近于相关薄片的较长侧，结果是叶片大体上表现得像风向标，总是在寻找具有最小阻力的定向。这意味着薄片当被放置在流动媒质中时，将会倾向于将它们自己定向成从平行于流的方向的相关的枢转轴离开而朝着下游方向。然而，如果叶片正沿着流的方向移动，限制装置会防止薄片占据最小阻力的定向位置。限制装置设计成使得将随流移动的叶片的薄片定向成大致垂直于流，这样至少大致上关闭的叶片由提供了对于流水有很大阻力的薄片形成。流水因此施加相对很大的力在相关的叶片上。根据本发明的装置使得可以提供一种叶轮，其具有大致覆盖其所有长度的薄片，由此可以获得相对高的效能。由于随着流移动的叶轮受到流的相对较大的阻力，而逆着流移动的叶轮受到流的相对较小的阻力，因而叶轮会绕其转轴转动。由水流施加在叶片上的用于驱动叶轮的力在叶轮的一周转动中变化，从当叶片大致垂直于流的方向并随着流移动时为极大，经过当其大致平行于流的方向时为极小，以至进一步的极小，即当叶片大致垂直于流的方向并逆着流移动时为负方向的驱动力，然后经由在平行定向时的极小至转动结尾时再一次为极大。由于流的阻力是依据转动期间连续变化的位置的，叶轮将会继续转动。由此达到本发明的目的。
[0006]专利FR 2525694(下文称为D2)描述了一种水磨装置，其设有叶片，叶片具有各自可绕相关薄片的中心纵轴线枢转的薄片，该轴线平行于叶轮的转轴延伸。能够绕中心纵轴线旋转的薄片在定向成平行于流的时候是不稳定的。薄片所处于的流体的流中的微小扰动会导致薄片翻转(部分地)。这使得薄片不平静，并且当相关叶片逆着流移动时会导致不必要的高阻力，这会减低水磨装置的效能。当相关叶片随着流移动时，薄片同样对于流体的流中的扰动很敏感，结果是阻力相对地减小。这同样对效能有负面影响。此外，在流体的流中存在大的扰动时，薄片可能完全翻转，这会导致旋转中的叶轮几乎完全停滞下来。由于水磨设置在对于流具有影响并优选地将相对大量流体引导入水磨装置的外壳中，流中出现紊流是不可避免的。
[0007]根据本发明的水磨装置的所述至少一个流动通道优选地设有内壁，内壁具有相对于在操作期间流过其的水较低的流动阻力。随着流动通道中的水的流速更高，根据本发明的水磨装置的效能成比例地增加将会是明显的。
[0008]如果所述至少一个流动通道被设计成将流动穿过其的水导向在所述至少一个叶轮的叶片随着流移动的方向上，流能够更好地被利用，用于驱动需要被驱动的相关叶片，并且任何施加至在任何时候不需要被驱动的叶片的阻力能够被减小，因为流被从其部分地导向离开。
[0009]如果至少两个叶轮被设成在流动通道中一个在另一个后面，优选的是，所述一个在另一个后面放置的叶轮以互为相反的方向旋转。水因此以一种波动起伏的方式移动穿过相关流动通道，由此，存在于流动通道中的水在相关叶轮上实现优化的能量效应。
[0010]在本发明的优选实施例中，所述至少一个叶轮的转轴至少大致垂直地延伸。虽然转轴可以有其他定向，优选地垂直于流的方向，例如水平定向，具有垂直定向的转轴的叶轮在最有利的方式中被加载，转轴于是在操作期间基本不受到叶片的重力的变化力的影响。
[0011]优选的是，每个薄片被紧固至相应叶片，以便可绕相关联的枢转轴线自由移动，但每个薄片受到由限制装置施加的限制。薄片由此在任何时候都具有自由度以搜寻和呈现具有最小阻力的定向，除了由限制装置施加的限制之外。
[0012]在本发明中优选的是，叶片设有薄片，薄片的长度为叶轮半径的至少50%。这意味着，当薄片被定向成平行于相关叶片时，由叶片限定的轮半径的长度的至少50%由薄片覆盖在相关叶片的表面区域上。设有薄片的叶片的表面区域越大，能够由叶轮达到的效能也越尚。
[0013]在本发明的优选实施例中，两个互相邻接的薄片的枢转轴线之间的距离小于与所述两个枢转轴线中的任一个相关联的薄片的宽度。由此可以获得一种设置，其中两个互相邻接的薄片在平行定向时部分地重叠，从而将会由薄片形成封闭的表面。
[0014]此处优选的是，薄片的枢轴形成用于邻接的薄片的限制装置。由此可以以简单的方式达到薄片移动的自由度的可设想的限制。
[0015]薄片的高效流动的形状可以获得，因为从枢转轴线向位于枢转轴线相对处的末端方向以垂直于相关薄片的枢转轴线的方向取得薄片的横截面被设计成会聚的。这种形状，例如水滴形，被证实，在定向成平行于流的方向的设置中，对于流过其的流体可产生相对低的阻力。
[0016]优选的是，薄片被设计成在枢转轴线的一侧处，这样当相关侧面对上游方向时，对于流过薄片的水的阻力是最小化的。虽然这种措施在此处似乎是一种愿望，但其对于水文学领域的技术人员来说是很清楚的，为了符合这种要求，薄片的相关侧可以采用这种形状。
[0017]优选的是，叶片被分布成围绕转轴至少大致以规则的角度间隔。叶片绕转轴规则的分布产生叶轮的有利的、通常均等的转动运动。
[0018]在本发明的优选实施例中，至少两个叶轮被设成在流动通道中一个在另一个后面。为此目的而加长的话，在外壳中提供第二、可能第三或更多叶轮需要花费的精力相比于提供各自包括一个叶轮和用于将转轴的转动转换成电能的部件的第二、可能第三或更多水磨装置需要花费的精力相