专利名称：用于从水体中的水流产能的装置、地基、以及安装该装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从海流和河流产出电能的装置。而且本发明涉及该装置的地基，以及组装该装置的方法。
本装置用于通过旋转涡轮将水流中的动能转化为电能。本装置(除了用于和已有电力网连接的少量地面安装)完全安装在合适的潮流、水流或海流之下。
用于生产电能的潮水发电站的科学和研究已经进行了好几个世纪。例如和风力站一样紧凑的潮水发电站的优点在于它是可预测的并且不是特别依赖于气候。但是建造了很少发电站，即使在世界范围内潮流中蕴涵着大量的能量。其原因主要是经济和/或环境因素。
在文献中建造、计划建造和/或表述的大多数潮水发电站称为沿岸发电站。它们基于高潮时海湾或水池中的积聚的水，随后在低潮时释放水。可以通过一个或多个低压汽轮机双向使用水。从而可以利用水中的势能。但是这种方案费用高昂，并且因海洋中多样性、航海和改造活动它们具有相当多的结果。
试图通过将轮机放置在自由流动水体中来解决这一问题。作为一个例子，Marine Current Turbines Ltd.曾经提出将轴流式汽轮机放置在固定于流动水体经过的海床的柱子上。这些轮机固定于露出流动水体水面的柱子。
但是，水力引起这种结构上相当大的机械应力，并且很难持久、经济地在海床上成功建造地基，尤其是海床上的条件困难时。流经这种结构的水体容易产生结构中的固有频率和振动，并最终产生疲劳断裂。腐蚀也是一个问题，不论在水和空气之间的过渡部分的溅水区还是具有大机械应力的地方。还有利地简化部件的安装、维护和更换。而且，这种结构是航海的障碍，并且环境上不吸引人。
因此本发明的一个目的是提供一种结构，它外露以降低机械和腐蚀负荷，它不是航海的障碍，环境上不会不吸引人，它可以简单并经济地建造在各种海床条件上，并且提供一种在海床上安装该结构的方法。而且本发明的目的在于提供一种简化部件维护和更换的结构。本发明的多数目的由以下事实得以实现，即根据本发明的安装使得水体作用的面积减小并从而减小机械负载。
这由独立权利要求所限定的本发明实现。
本发明的装置以公知的方式利用水中的动能。
本发明描述了一种可以和风车相比的轮机。轮机可以具有两个或多个轮机叶片，叶片优选地具有不对称轮廓，当水体流过时这会引起提升。轮机配置有一个用于转动轮机叶片的机构。例如从风车和驱动螺旋桨可知这种机构。由于不对称轮廓，如果该装置用在潮水发电站，叶片必须能够转动至少180度，优选地至少220度，以便当潮流改变方向时可以最佳地利用潮流。例如在河流发电站中，这不是必要的。
轮机是一种提升致动的螺旋桨涡轮机，其中叶片节距可以控制以提高效率并能够相关于水流方向的改变优选地转动叶片至少180度。从而该结构可以固定在支撑结构(和风车不同，不需要转动)上的锁定位置。
而且该装置包括一个防水封壳或外壳，该外壳带有用于将轮机的转动转换为电能的设备，包括发电机、可能还有传动装置、控制系统和诸如较小渗漏的排空装置的次要功能件。
外壳包括用于支撑轮机的元件，并且包括用于将机械能优选地转换为电能的部件。这种元件一般来说是公知的并可以包括齿轮、发电机、变频器和变压器。
多种电站允许轮机驱动泵而不是发电机。在这种实施方式中水经由水管泵到高位地面上的水池，并且水可以从这里流下来并驱动地面底处的轮机/发电机。
该装置还包括用于控制转动轮机叶片节距控制的机构。这种控制机构可以连接于用于测量水流速度和方向的装置。
外壳固定于具有地基或支撑结构的海床。支撑结构还包括电力电缆连接于之的电缆门，以避免由于水流作用力导致的疲劳断裂。
地基优选地包括压入海床内的地基柱、带有可以放置在地基周围并可以填充混凝土的模壳的加强管、以及支撑外壳并固定于地基柱用以将外壳固定到底部的支撑柱。
为了降低外界载荷、允许在该区域航行、降低结构上的机械载荷以及减小中断和会影响轮机的水体上的减速力，减小了装置的面积和范围。仅仅通过将装置从放置和建造装置的海床延伸到支撑轮机的外壳即可实现。这样装置放置为船舶可以以充足的余量渡过。
部件作为模块来组装以使得安装和维护容易。安装时，支撑轮机的外壳表示为一个模块，地基作为一个或多个其他模块。在一个实施例中，地基包括前面所述的地基柱、带有模壳的加强管、以及作为独立模块的支撑柱。
用于所产生的电力的电力电缆从发电机延伸经过防水外壳到达基于陆地的电站。
模块化组装的优点在于电站成本显著降低、逐渐发展的可能、以及简化的拆解。
在本发明的安装装置的方法中，允许进行逐步安装，而且尽管由水流施加的大作用力仍可进行安装。
使用时轮机由水流驱动并且如下所述被控制。
当水流速度产生的电力产量等于或者小于系统的电子部件的设计范围时，调整轮机叶片的冲角以获得最佳效率。
当水流速度产生的电力产量超过系统的电子部件的设计范围时，调整轮机叶片的冲角使得电力产量等于系统的容量。
对于非常高的水流速度，因为施加到结构上的机械力，有必要完全停止轮机。
这种控制对于限制所安装的电子部件的要求以及降低机械部件的尺寸载荷来说非常重要。从而可以显著降低电站成本而不会因此而减小潜在的电能产量。随着流动水流的变化，轮机叶片转动180度。从而轮机将仍然反向旋转，这由系统的大功率电子设备来迎合。
外壳以及外壳内的部件的修理和维护通过将外壳提升到水面从而可以在车间内进行操作来进行。
附图简要说明
图1示出根据本发明的装置的一个实施例的正视图；图2示出局部剖切侧视图，其中示出安装顺序，从左到右；
图3示出如图2所示的安装顺序的另外三个步骤图4示出如图2和图3所示的安装顺序的最后两个步骤；图5示出具有多个如图1所示的装置的电站的透视图；图6示出本发明的外壳的局部剖切侧视图；图7示出根据本发明在将外壳组装到支撑柱上时的侧视图；图8示出本发明的外壳的局部剖切侧视图，其中表示出外壳内的内部部件；图9是输电线路的示意图，其中说明了从机械能到电能的转换；图10和11示出如图2到4所示的安装的另一个实施例。
以下利用实施例说明本发明。
如图1所示的提升致动的螺旋桨涡轮机1安装于水密外壳2，其中叶片节距被控制以提高效率并能够相关于水流方向的改变优选地转动叶片至少180度，并且该外壳带有用于将轮机的转动转换为电能的设备，包括发电机，并在某些情况下还有传动和控制系统。外壳2还可以包括诸如用于因较小渗漏而泵出水的泵系统的次要功能装置。通过允许轮机叶片如上所述旋转，所示结构可以安装到支撑结构上的一个锁定位置(并且和风车不同，不需要转动)。
支撑轮机1和外壳2的支撑结构3还可以包括用于传输电力的电力电缆4连接于之的电缆门，以避免由于水流作用力导致的疲劳断裂。来自发电机的电力传输电缆4从发电机延伸，经过防水外壳到达基于陆地的电站5。基于陆地的电站5将所产生的电力在进入已有电力网之前进行转换。
如图2到4所示，装置的安装可以按照步骤a到e逐步进行。
图2中的步骤a、b、c和d示出地基柱11首先夯入海床。在该安装外部是组合的模壳和加强管12。模壳15(图中表示为圆锥形)可以是任何材料，包括当填充混凝土(随后的安装步骤)时形成圆锥形的织物。如果底部11的物质随着冲刷不稳定，这可以通过在模壳15的边缘周围放置砂砾填充物13得以补偿。轮机1和外壳2的支撑结构或者地基14安装在地基柱11之内，但是被压入海床10内并且相对于水流方向定位。
图3中的步骤e、f和g示出地基柱11和模壳15内的加强管12之间以及支撑柱16和加强管12之间的空腔填充混凝土。随后松开铰接电缆门17从而下部旋转落入海床10。
图4中的步骤h和i示出轮机1和外壳2从水面下降并利用从支撑结构顶部延伸到水面(未示出)上的船只的引导管线18引导到位。在将轮机1和外壳2附着于支撑结构14顶部之后，外壳机械地锁定到支撑结构14上。最后下降电缆从而潜水员可以在电缆19的其余部分铺设到海床10上和海岸(未示出)上之前将电缆19固定于电缆门。电缆19由支撑结构14的脚部铺设成具有弓形，从而它具有充足的长度以将外壳2和轮机1提升到水面以便于日后的修理和维护。
图6、7和8示出外壳2、轮机21和用于调整轮机转速的传动装置22、利用外壳的超压保护来防止外壳进水的蓄水瓶23、将来自传动装置22的机械能转换为电能的发电机24、以及带有用于调整轮机叶片节距的节距控制装置28、润滑油或者其他防腐蚀流体27、可选地优选具有良好导热性并且和周围水压相比具有例如0.5帕的压头的氦或其他惰性气体25以及用于将发电机24连接于电缆19以将电力传输到海岸上的电连接器26的机舱。
权利要求
1.一种用于从水体中的水流产能的装置，该水体具有朝向外界环境的水面，流过海床(10)，该装置包括具有可转动叶片的轮机(1)，其中轮机(1)支撑在外壳(2)内，外壳(2)固定在支撑结构(14)内，而该支撑结构(14)建造在流动水体下面的海床(10)上，其特征在于，装置完全放置在水体水面之下；并且叶片可以转动至少180度以允许轮机(1)按照同一个方向旋转而和水体流动方向无关。
2.如权利要求1所述的用于产能的装置，其特征在于，其中支撑有轮机(1)的外壳(2)形成装置的最接近水面的固定点。
3.如权利要求1所述的用于产能的装置，其特征在于，轮机(1)的周边形成装置的最接近水面的点。
4.如权利要求1所述的用于产能的装置，其特征在于，其中支撑有轮机(1)的外壳(2)刚性地固定于支撑结构(14)，从而它不会相对于海床(10)转动。
5.如权利要求1所述的用于产能的装置，其特征在于，它由模块组装，其中这些模块包括带有轮机(1)的外壳(2)和支撑结构(14)。
6.如权利要求5所述的用于产能的装置，其特征在于，支撑结构(14)还包括地基柱(11)以及组合的模壳(15)和加强管(12)，并且其中模壳(15)(表示为圆锥形)可以是不同材料，包括当填充混凝土时具有圆锥形的织物。
7.如权利要求1所述的用于产能的装置，其特征在于，它还包括电缆门(17)，用于传输电力的电力电缆(4)连接于该电缆门，以避免由于水流作用力导致的疲劳断裂，其中电力传输电缆(4)从发电机(24)延伸，经过防水外壳(2)到达基于陆地的电站(5)。
8.一种用于将装置建造在海床(10)上的地基，其中支撑结构(14)包括夯入海床(10)的地基柱(11)，其中带有模壳(15)的加强管(12)放置在地基柱(11)周围并填充有混凝土，并且其中支撑外壳(2)的支撑柱(16)固定于地基柱(11)用于将外壳(2)固定到海床(10)上。
9.一种用于建造如权利要求2所述的装置的方法，其特征在于包括以下步骤将地基柱(11)夯入海床；将带有模壳(15)的加强管(12)压在地基柱(11)外部；将模壳填充混凝土；将支撑柱(16)固定在地基柱(11)内；以及将外壳固定在地基柱内。
全文摘要
本发明涉及一种用于从水体中的水流产能的装置，该水体具有朝向外界环境的水面。该装置包括具有可调节距的叶片的轴向轮机(1)。轮机(1)固定于外壳，外壳(2)固定于支撑结构(14)，而该支撑结构(14)建造在流动水体下面的海床(10)上。该装置完全放置在水体水面之下，并且轮机叶片可以转动至少180度以允许轮机(1)按照同一个方向旋转而和水体流动方向无关。而且本发明还描述了一种用于安装这种装置的方法以及用于安装的地基。
文档编号F03B17/06GK1491318SQ02804925
公开日2004年4月21日 申请日期2002年2月12日 优先权日2001年2月13日
发明者哈拉尔·约翰森, 哈拉尔 约翰森, 贝肯, 比约恩·贝肯 申请人:哈默弗斯特斯特伦股份有限公司