潮汐流能量转换器的制作方法

专利名称：潮汐流能量转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从自然海洋潮流获得能量的装置，具有一个大体垂直于潮流方向安放的水坝并有一或多个内装把潮汐能量转变为可用能量特别是电能，的装置的通道。
常言所说的类似装置也称潮汐发电站。在选定潮汐发电站站址时，乞今几乎只考虑那些自然条件下出现八米或八米以上极高水位的海湾。这样的地址非常少有；一般水位小得多。最大的，也是最箸名的潮汐发电站是六十年代在法国东布里塔尼的圣玛洛附近拉朗斯(La Rance)河湾建设的。该发电站有一个封闭整个海湾的围坝，只留有一或数个轮廓分明的通道，内装透平机把水流能量转换为可利用、易传输的形式，此处为电能。尽管世界上有一些其它海湾可筑类似堤坝，例如英国的色温，加拿大的方地湾，乞今实际技术实现仅限于上述法国潮汐发电站。
主要用于天然或其它海湾的潮汐发电站例子见于USP4,464,080美国专利说明和WO91/11614国际专利申请。这些案子中，在海湾建筑一或数个堤坝，内含一或数个透平机，把潮汐能量转换为电力。但是后一个专利申请也描述了在这种发电站，往往要在坝前形成浅滩并湮没邻近陆地，造成生态损害。为了避免这些生态损害，上述专利申请提及发电站尽可能利用纯动能，而降低装置两侧的水位落差。
矿物能源的供应日益紧张，人们减少二氧化碳排放的呼声日益增强，用可持续替代能源形成大部分耗用能量以满足不断增长的能源需要的社会要求也日益提高。如果全世界潮汐能量的利用仅限于上述目前认为适于建筑潮汐发电站的地点，世界上可资利用的总潮汐能量仅有很小的一部分可被开发。尤其是海岸无特大天然潮汐水头的国家，如荷兰等大多数国家，就不能利用这种能量。
本发明旨在提供一种可消除上述缺点，并尤其适用于潮汐起落不大的地区而不降低其效益的潮汐发电站。
为达到该目的，本发明的特征在于一种筑于海底、大体垂直于海岸、长度足以干涉天然潮汐波形的堤坝。该结构堤坝与已知用于获取潮汐能量的堤坝的一个根本区别在于，本发明装置的堤坝大规模地，从而显箸地干涉潮汐波的波形的传播，不论水平潮汐还是垂直潮汐。坝的长度、地址及方位要据此仔细设计。实际上，举例来说，要求坝长与当地潮汐波宽度成比例。这意味着，堤坝至少要约长于波宽的四分之一。以荷兰北海沿岸为例，坝长为20公里左右。该例中，根据本发明，天然潮汐波的波形和传播将受堤坝的显箸影响。由此在堤坝两侧产生的水位差可以靠安装在堤坝特定地段的透平机和发电机发电。与传统的海湾封闭潮汐堤坝比较，本发明装置有不造成封闭浅滩的优点，所以预料生态损害很少。毕竟，根据本发明的堤坝伸向开阔的大海，而且总有一个游离的末端。
在这方面，以上述美国专利USP4.464.080为例，提出在开放的海上筑坝，然而所述堤坝不是筑于海底，而是采用浮动结构，因其构形和大小绝对不适于干涉潮汐波。该专利说明书，同于上述国际专利申请，目的在于利用纯天然潮流动能而不是产生显著水位差。因此，与本发明比较，这种坝的最大功率要比本发明装置低数倍，因为已知堤坝没有利用潮汐波的垂直成分，更不用说增强该成分。
根据本发明，装置的一个特殊构形的特征在于，在堤坝的游离端设置了一个与前述堤坝成角度的第二堤坝。设一或数个这种与主坝游离端成角度的坝会加强对潮汐波的作用，从而得到更多能量。
根据本发明，装置的另一个构形的特征在于，堤坝设置一个有闸门通道的系统，其一或数个但非所有的通道装备上述换能装置。采用类似装置可以增强对天然潮汐波的干涉，即刻意地把带闸通道作为时间和相对于潮汐波的实际进程的位置的函数开启。以此方法主观改变抵达的潮汐波，并在波幅及相位上以有计划的方式改变，也就是以显著增加能量的方式改变。举例说，带闸通道中可安装活板、滑板或者充气或充水的活门装置，装在通道的可调节部件。而且，不是只建一个孤坝，可建一个有位于不同地点的数个堤坝的系统，相互补偿波峰波谷，以实现较连续的能量输出。本发明的装置在这方面的一个优选构形，特征在于,大体上平行于堤坝建筑一个附加堤坝，第一堤坝与附加堤坝间距离大约为潮汐波长的一半或该半波长的数倍。该设计主要依据潮流具有波的特性，以及诱导潮汐振荡可以从结构上得到附加功率。这方面，人们注意到，此范围内潮汐波长应当理解为一种各常规天体影响的函数。
现参照几个设计例和附图详细说明本发明，其中

图1为本发明装置第一设计例；图2为本发明装置第二设计例；图3为本发明装置第三设计例；图4为本发明装置第四设计例；图5为本发明装置第五设计例；以上各图纯为示意图，而且没有按照比例画。为便于说明，有些尺寸作了显著夸张。各图中的相应部位尽可能采用相同标号。
图1用示意形式画出天然海岸线1的部分，如荷兰北海沿岸为例。用虚线2和箭头21、22分别示意表示沿岸潮汐波的传播方向及相关潮流的变化方向。一般说，沿海岸线1自然的地区潮汐梯度不超过每公里1分米，因此不足以用传统潮汐发电站得到有用输出功率。然而，根据本发明，大体上垂直于海岸1设置堤坝3，其构形和大小设计得使之能积极干涉潮流过程和潮汐波形。为此目的，坝长λ显然与当地潮汐波宽度成比例，这在荷兰北海沿岸为90公里。该例采用约20公里的总坝长λ的堤坝3，它将设在荷兰湾和登海尔得之间某地海岸1处。堤坝3可以依照通常方法建筑，例如采用就地取材的或别处运来的砂石建筑。如果需要可以在外部用石头或混凝土件加固。堤坝3也可以部分或全部用专用预制件建筑，用各种方法就地下沉及安装，例如应用现有海洋运输和喷灌(driving and spouting)技术。还可以以搁置后专门收来的油船之类的回收件为核心筑坝。因为堤坝的大部分没有严格的安全要求，堤坝可相对便宜。只要不影响结构，一些水波的淹没或越顶没有害处。因此坝顶可有有限高度。
类似的堤坝3以改变其波形的方式形成天然潮汐波的障碍。在模拟、计算、现埸测量的基础上可以预计潮汐波的改变过程。通过闸门3，设在堤坝中可以部分或完全启闭的通道，可以动态且准确地控制堤坝对潮汐波的影响，因为潮汐波总在变化并受风和波浪的影响。因此用类似堤坝，潮汐在很大程度上受控制以获得显著增大的动力。被动态操作的闸门还为预测沿海岸线的末来变化提供机会，不论变化是否人工诱导的。当前条件下，荷兰沿海宁静的潮汐中流过计划中类似堤坝3地区的水流约为每秒50万立方米。在堤坝的区段5将通过专门预制的涵闸留出通道，内装已知的透平机，同样连接发生能量的发电机。因此从流过的水流可获得有用的能量形式。根据本发明，通过积极干涉潮流，不仅可以开发水平潮汐的动能，即潮流的动能，还可利用堤坝两侧水位差开发垂直的潮汐势能，潮汐势能用堤坝加以提高，本例中堤坝两侧水位差可达两米。
综上所述，通过上述堤坝，可在荷兰北海沿岸得到约1500兆瓦电力，说明即使在天然潮汐有限的沿海国家，也可得到潮汐能量作为满足国民可持续能源要求的补充。然而，针对世界上各个具体地方需要单独的研究，根据当地潮汐条件、海底状况、以及可能的其它自然、社会条件，如天然或人造浅滩、岛、半岛等，来示明坝的理想的大小，形式和坝址。一定条件下，例如海岸安全有特殊要求，或考虑到现有离岸岛屿，可以优先考虑与陆地不连接的堤坝3取代连接陆地的堤坝，如图3所示。
本发明第二设计例示于图2。该例中堤坝3装备有两个交叉堤坝6。7，设在主坝游离端，伸展方向大体与主坝垂直。堤坝6、7可以相对于主坝3对称，也可以在本设计例的框架内作不对称安排。这种交叉堤坝6、7增加了堤坝对潮汐波的作用，因此可以得到更多输出能量。该作用还可以通过在堤坝3的另一端用人工屏障海滩改变海岸线来加强，人工屏障海滩的形式为堤坝两侧渐次沉降堆积的砂砾。这一专门设计的人工屏障海滩还有助于防止海岸线急剧变形。交叉堤坝6、7也可以配备闸门、阀门通道、或其它各种活门，以通过就近的通道改变潮流，并从而动态且准确地调控潮汐波。
如上文所述，堤坝也可以游离地置于海中，来取代与海岸连接，如图3所示的本发明第三设计例。如此办理可出自当地潮汐条件、为沿海航运留出通道等社会经济理由。本设计例中，也有交叉堤坝6、7、9加强堤坝对潮汐流的作用。
图4所示为本发明装置的一个优选设计例。该例中大体平行于堤坝3设置了类似的第二堤坝13。这个第二堤坝修建得距第一堤坝约为当地潮汐波长的一半。在北海沿岸此波长为600公里左右，从而两堤坝间距约为300公里。在同样或其倍数间距条件下，潮汐波将会在两堤坝3、13之间反射，产生坝间潮汐波振荡。这会使堤坝两侧的水位差显著升高，从而增加堤坝的输出能量。就此而言，两坝不必要相同。如本例所示，在第二坝上可留出带发电机的区段5。特别是，在一定条件下第二堤坝13可由部分海岸形成，如图5的本发明装置的第五设计例所示。本例中天然海岸含有一个垂直于潮流伸向海洋的舌形突出23。如图所示，通过与舌形突出23隔一定距离修建堤坝，与前例相同会产生一个潮汐波振荡，在堤坝3前推起超常的水位，本例中堤坝与舌形突出23的间隔为潮汐波波长的一半或该半波长的倍数。
虽然上文通过五个设计例详细说明了本发明，但是显然本发明绝不限于所举设计例。反之，在本发明的范围内可有多种变化和形式。设计例的某些方面可以用于其它设计例。例如，在所有固定堤坝结构中都可采用海岸调节。而且，交叉堤坝可以用于最后两个设计例，以进一步加强对潮汐波的作用。如需要，可以增减坝中可控制通道数量。如果不存在准确控制对潮汐波作用的需要，这种通道可以完全省掉。
另外，如需要可在坝中设闸为当地航运留出通道。但这种闸并非绝对必要，因为航船可绕堤坝远端航行。再有，堤坝还可用作其它目的，如安装风车，以补充在陆地安装风车所受的局限；登陆海底管线、电缆等传输装置，以免在冲浪区或易破坏自然资源处登陆，创造与天然或人工岛屿的连接，同时有可能在该岛屿设一或数个透平机；存放污染物，例如存放在坝体上的坑道中，以解决陆地存放污染物所受局限。
无论如何，本发明装置的主要效益总能达到得到潮汐能量，即使在世界上用传统潮汐发电站不能提供足够的有效益地开发的可能性的地方。
权利要求
1．一种从自然海洋潮流获得能量的装置，具有一个大体垂直于潮流方向安放的堤坝，后者具有一或多个内装把潮汐能量转变为可用能量的装置的通道，其特征在于一个大体上垂直于海岸的堤坝，它座落于海底，长度足以干涉潮汐波的自然波形。
2．如权利要求1所述的装置，其特征为，在堤坝游离端连接一个第二堤坝，延伸方向与前者垂直。
3．如权利要求1或2所述的装置，其特征为，堤坝的一端毗连海岸，并在此处通过坝两侧的人工屏障海滩调节海岸。
4．如权利要求1至3之一或之几所述的装置，其特征为，堤坝有一个闸门通道系统，一或数个但非全部通道装备上述换能装置。
5．如上述权利要求之一或之几所述的装置，其特征为，大体上平行于堤坝设置一个类似的附加坝，这个附加堤坝修建得距第一堤坝约为潮汐波长的一半或该半波长的数倍。
6．如上述权利要求之一或之几所述的装置，其特征为，在堤坝上设置闸门为当地航运提供通道。
全文摘要
一种从自然海洋潮流获得能量的装置,具有一个大体垂直于潮流方向(2)安放的堤坝(3),堤坝(3)有一或多个通道(5),内装把潮汐能量转变为可用能量特别是电能的装置,根据本发明,堤坝在开放的海面上垂直于海岸(1)座落于海底,堤坝长度(λ)足以积极地干涉潮汐波的自然波过程。
文档编号F04B27/18GK1225155SQ97196188
公开日1999年8月4日 申请日期1997年7月3日 优先权日1996年7月5日
发明者科内利斯·亨德里克·赫尔斯伯格尼, 罗伯特·科内利斯·斯泰吉恩 申请人:科内利斯·亨德里克·赫尔斯伯格尼, 罗伯特·科内利斯·斯泰吉恩