专利名称：潮汐能系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生能量的水中用设备，该水中用设备包括 至少一个涡轮。
背景技术：
要解决的主要全球性问题之一是如何为世界人口供应能量。必须 减少使用矿物燃料并且用再生能源代替。
利用再生能源的大多数努力集中在风力供能系统上。风力供能发 电系统具有风能本质上是间歇的问题。
目前存在用于由海流发电的水中用设备。那些设备通过线材固定 到海底并且包括布置用于由潮水驱动的涡轮。
但是从水中用设备产生的动力需要在基本不增加成本的情况下增 大，以便在商业上具有吸引力。
发明内容
本发明的一个目的是增大从水中用设备的动力输出。
所述目的通过一种用于产生能量的水中用设备来实现，所述水中
用设备包括至少一个涡轮，其特征在于所述涡轮安装在水流驱动飞 行器上，并且所述水流驱动飞行器通过至少一根线材固定在一结构中。 所述结构可以是静止的，诸如海底、河底、湖底等的系泊装置或位于 海或湖中的风力设备或静止的水中用设备。所述结构还可以运动的， 诸如船只。
根据本发明设备的飞行器以比水流速度高许多倍(具体在10到 20倍之间)的速度运动。由此，飞行器上涡轮装置的效率比静止的转 子装置的效率高出很多。
所述设备优选安装在在方向和速度上被良好限定并且可预知的水 流环境下，诸如安装在河中、潮水影响区域以及在海流中。
根据本发明的设备使得从靠近海岸位置上的相对弱的海流和潮流
环境友好地、合理地并且成本有效地产生能量，例如电能。根据本发 明的设备还可在相对较大深度的近海使用，在近海几乎没有挑战技术。 根据本发明的一个优选实施例，水流驱动飞行器是翼形物，也就 是升力体。
根据另一优选实施例的飞行器至少在俯仰方向上基本自由地旋 转。所述飞行器适于在俯仰方向上的最适宜工作位置。所述飞行器还 优选相对于涡轮在侧倾方向上基本自由地旋转。由此，涡轮将面对相 关的水流方向，也就是水流将从垂直于由涡轮叶片限定平面的方向施 加力到涡轮上。
在根据上述的飞行器自由旋转的一个优选实施例中，至少一个涡 轮经由杆安装到飞行器上，并且旋转联接器安装在所述杆的一端，以 便将涡轮或飞行器枢转地连接到所迷杆。旋转联接器例如包括万向轴 承。
在根据上述的飞行器自由旋转的另一优选实施例中，至少一个涡 轮通过旋转联接器直接安装在飞行器上。
在本发明的另 一优选实施例中，水流驱动飞行器设有操纵装置， 并且控制单元布置用于为操纵装置提供控制信号，从而以预定轨迹操 纵飞行器。操纵装置则可以包括一个或多个控制表面。
此外，线材将优选被拉紧，并且因此预定的轨迹形成于球面中。 为了提供水流驱动，预定的轨迹将至少部分地横过水流方向。
根据本发明的一个实施例，涡轮可操作地连接到布置用于产生电 能的发电机。发电机可操作地连接到布置用于分配所述电能的电缆。 电缆可以例如至少部分地结合到线材中。然而，如果不需要连接到飞 行器的电缆，所产生的电能可以例如用于使水电解，并且直接在飞行 器处产生氢气。
图la示出根据本发明第一实例布置在xy平面内的水中用设备的 实例，其中x表示垂直于水流方向的水平方向，并且y表示竖直方向； 图lb示出布置在yz平面内的图la的水中用设备，其中z表示水
平的水流方向；
图lc示出布置在xz平面内的图la的水中用设备；
图2示出图1水中用设备的水流驱动飞行器的第一实例；
图3示出图1水中用设备的线材实例的横断面；
图4示出将涡轮安装到图1水中用设备的飞行器的实例；
图5示出图1水中用设备的控制单元的实例；
图6a示出根据本发明第二实例布置在xy平面内的水中用设备的 实例，其中x表示垂直于水流方向的水平方向，并且y表示竖直方向；
图6b示出布置在yz平面内的图6a的水中用设备，其中z表示水 平的水流方向；
图6c示出布置在xz平面内的图6a的水中用设备；
图7示出图1水中用设备的水流驱动飞行器的第二实例。
具体实施例方式
在图la、 lb和lc中，水中用设备1布置在例如海的水面2之下。 所述设备1包括水流驱动飞行器(vehicle) 3，该飞行器通过线材6 固定在海底5的系泊装置4中。线材6的长度例如为50-200米。在图 la中，z限定水平的水流方向，x限定垂直于水流方向的水平方向， 并且y限定竖直方向。飞行器可以在线材范围内自由运动。然而，在 图la、 lb和lc中，飞行器在球面内沿着形成为数字8的从不终止的 轨迹7运动，所述球面具有等于线材长度的弯曲半径。所述轨迹优选 地选择成使得飞行器总是位于海面之下。例如，所述轨迹可以选择成 使得线材总是终止在海面之下的10-20米处。由此飞行器不经受通常 靠近海面存在的涡流，并且可最小化涡轮气蚀的危险。具有形成为数 字8轨迹的优点就是线材不会扭绞，并且因此不需要通过旋转装置将 线材6连接到系泊装置4。
在图2中，水流驱动飞行器3是翼形物(wing)，也就是升力体 (lifting body )。翼形物例如具有大约15米的翼展s，以及例如2-3米 的宽度(考得(cord)) c。翼形物的厚度可以是宽度的10-20%。翼形 物优选由支撑一个表面结构的杆柱(spar)制成。在一个实例中，所
述杆柱由碳纤维复合材料制成。所述表面结构例如由玻璃纤维复合材 料制成。
在所示的实施例中，包括一个涡轮的涡轮装置9通过杆10安装到 飞行器的结构上。涡轮9和杆IO可由金属或金属化合物制成，例如由 不锈钢制成。在一个实例中，涡轮9具有可调节的叶片，而在另一实 例中，涡轮9的叶片固定地安装。涡轮的直径例如为1到1.5米。线 材6固定在涡轮9中。涡轮9可操作地连接到布置用于产生电能的发 电机(未示出)，所产生的电能经由结合到线材中或固定到线材的电缆 分配。在一个实例中，发电机是速度控制的，而在另一实例中，发电 机不是速度控制的。经由配电网从系泊装置4进一步分配电力。
具有涡轮9、杆10和线材6的飞行器3的密度优选稍低于水的密度。
在图3中，线材6包括例如由碳纤维材料制成的两根支撑绞合电 缆lla、 11b和电缆12。线材还进一步包括用于与飞行器3数据通信 的附加低压电缆或光缆13。支撑电缆lla、 llb、电缆12以及低压电 缆或光缆13封装在例如由橡胶材料或塑料制成的套14内。
飞行器3优选仅由水流供能。但是，在某些情况下，例如当出现 错误状态下，发电机可用作电机，其通过安装在飞行器处的一节或几 节电池(未示出)供能。然后，发电机/电机可驱动飞行器到达海面， 以便运输到维修地点。当然这种情况是假定飞行器首先从线材释放。 发电机还可为了其它目的用作电机，例如为了驱动飞行器到海底的系 泊位置。
在图4中，杆10通过轴承装置8安装到飞行器3，这样飞行器至 少在俯仰方向(pitch direction )上自由3走转，但是优选还在侧倾方向 (roll direction)上旋转。优选地，涡轮和飞行器之间的关系固定在 偏航方向(yaw direction)上。飞行器相对于涡轮自由旋转的事实确 保涡轮设备总是基本面对相关的水流方向，也就是水流方向垂直于由 涡轮叶片限定的平面。在图4中，轴承装置是万向轴承(universal bearing )。万向轴承提供在俯仰方向和侧倾方向上的自由旋转特征。
在图4所示的实例中，涡轮牢固地安装到所述杆，或与所述杆结合， 而所述杆的面对飞行器的另一端通过轴承装置8安装到飞行器。然而， 在可供选择实例(未示出)中，轴承装置8安装在所述杆的面对涡轮 的一端。在另一实例(未示出)中，涡轮牢固地安装到所述杆或与所 述杆结合，并且所述杆的面对飞行器的另一端牢固地安装到飞行器或 与飞行器结合。
在图5中，安装在飞行器上的控制系统15布置用于在预定轨迹7 中导引飞行器，而不超过飞行器和涡轮上的结构载荷极限和涡轮上的 电载荷极限。控制系统15的其它功能需求是为了稳定飞行器3并最优 化或控制所述装置在从不终止的轨迹7中的功率输出。
在所示的实例中，控制系统15具有用于导向和跟踪的四个输入信 号。第一输入信号(即当前的倾角a，见图lb)和第二输入信号(即 当前的旋转角P，见图lc)由安装在线材6的系泊装置4处的角度探 测装置(未示出)提供，并且例如经由前述线材6中的电缆13馈送到 控制系统15。第一倾角信号a限定线材6和水平平面之间的角度。第 二旋转角信号P限定线材6和水平水流方向之间的角度。两个角度测 量装置进一步安装在飞行器的轴承装置8中。这两个角度测量装置布 置用于提供指示飞行器3和所述杆10之间的侧倾角的第三输入信号到 控制系统，并且提供指示飞行器3和所述杆10之间的俯仰角的第四输 入信号。例如可以从飞行器处的惯性测量单元提供另外的传感数据， 以便精确控制系统15的计算指令。另外的传感数据还可以与水深相 关。
由控制系统处理倾角数据a、旋转角数据P、侧倾角数据和俯仰 角数据，并且输出飞行器3的第一控制表面16 (图2)的指令角和飞 行器3的第二控制表面17的指令角。在处理过程中，计算飞行器所需 的俯仰和偏航运动的值，以便沿着预定轨迹运动。接着控制系统在笫 二步骤中提供安装到其相应控制表面16、 17上的每个伺服致动器(未 示出)的指令角。接着控制表面上的液体动力导致飞行器和涡轮偏航 和侧倾，以便沿着预定轨迹运动。用于计算第一和第二表面16、 17
的指令角的算法不形成本发明的部分。对于本领域技术人员而言，在 给定物理条件下提供用于在预定轨迹中导引根据上述的飞行器的算法 属于常规操作。然而可以说当飞行器在其轨迹中运行时线材中的力和
拉力非常高。因此在确定控制表面16、 17的指令角的过程中，线材6 大致可为线性杆。
在图6a、 6b和6c中，在与图l相同的坐标系中示出飞行器3的 可供选择的从不终止的轨迹7的实例。在图6a、 6b和6c中所示的轨 迹形成为椭圆形。所示的从不终止的轨迹在系泊装置4处需要旋转装 置，以避免扭绞线材。
在图7中，飞行器在其每个端部处设有两个附加的涡轮18、 19。 涡轮通过允许涡轮在俯仰方向上自由旋转的轴承而安装到飞行器。布 置用于产生电能的发电机连接到每个涡轮。电缆将每个附加的涡轮发 电机连接到线材6的电缆12，以便进一步分配。
在所示的实例中飞行器是翼形物。然而，本发明并不限于翼形物 形式的飞行器。例如，飞行器可由布置成彼此叠置并通过间隔元件隔 开的两个或多个翼形物形成。
权利要求
1. 一种用于产生能量的水中用设备(1)，所述水中用设备包括至少一个涡轮(9；18，19)，其特征在于:所述涡轮(9；18，19)安装在水流驱动飞行器(3)上，并且所述水流驱动飞行器通过至少一根线材(6)固定在一结构(4)中。
2. 根据权利要求1所述的水中用设备(1 )，其特征在于所述水 流驱动飞行器(3)是至少一个翼形物。
3. 根据权利要求1所述的水中用设备(1)，其特征在于所述飞 行器(3)相对于每个涡轮(9;18，19)至少在俯仰方向上基本自由地 旋转。
4. 根据权利要求3所述的水中用设备(1)，其特征在于所述飞 行器(3)相对于所述至少一个涡轮(9;18，19)在侧倾方向上基本自 由地旋转。
5. 根据权利要求3或4所迷的水中用设备(1)，其特征在于所 述至少一个涡轮(9;18，19)经由杆(10)安装在飞行器(3)上，并 且旋转联接器(8)安装在所述杆(10)的一端，以便将涡轮(9)或 飞行器(3)枢转地连接到所述杆。
6. 根据权利要求5所述的水中用设备(1)，其特征在于所述旋 转联接器(8)包括万向轴承。
7. 根据权利要求3所述的水中用设备(1)，其特征在于所述至 少一个涡轮(18， 19)通过旋转联接器(8)直接安装在飞行器(3) 上。
8. 根据权利要求l所述的水中用设备(l)，其特征在于所述水 流驱动飞行器(3)设有操纵装置(16， 17)，并且控制单元(15)布 置用于为所述操纵装置(16， 17)提供控制信号，从而以预定轨迹(7) 操纵飞行器(3)。
9. 根据权利要求8所述的水中用设备(1)，其特征在于所述预 定轨迹(7)形成于至少部分地横过水流方向的球面中。
10. 根据权利要求8所述的水中用设备(1)，其特征在于所述 操纵装置(16， 17)包括至少一个控制表面。
11. 根据权利要求1所述的水中用设备(1)，其特征在于所述 涡轮(9;18，19)可操作地连接到布置用于产生电能的发电机。
12. 根据权利要求11所述的水中用设备(1 )，其特征在于所述 发电机可操作地连接到布置用于分配所述电能的电缆(12)。
13. 根据权利要求12所述的水中用设备(1)，其特征在于所述 电缆(12)至少部分地结合到所述线材(6)中。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生能量的水中用设备。该水中用设备包括至少一个涡轮(9)，其特征在于所述涡轮(9)安装在水流驱动飞行器(3)上，并且所述水流驱动飞行器(3)通过至少一根线材(6)固定在一结构中。
文档编号F03B17/06GK101379291SQ200780004292
公开日2009年3月4日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年2月2日
发明者M·兰德贝里 申请人:米内斯图股份公司