专利名称：水下涡轮机控制的改进的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种适用于控制水下发电单元的操作的系统和方法。
背景技术：
从水流中发电的技术为已知的。然而，许多已知的用于从水流发电的系统不易于控制。为了连接电网和电源，具有可预测和可控的功率输出是有用的。尽管在特定位置处水的流动一般以可预测的方式变化(通常例如潮汐的退潮和流动)，然而当一些成分(component)不会以某种方式无限地变化或一点都不会变化时，这些变化会改变可从水下发电单元提取出的功率以及提取功率的效率。此外，会存在流动以不可预测的方式(诸如来自一些气象(frontal)、月亮或其它种不可预见的事件)改变的时间。这会以不可期望的形式增加水流或者根据频率和/或幅度的变化增加水流，结果会对效率和元件(componentry)造成负面影响。此外，水环境包括不可预测的因素，诸如大的和小的浅海生命、垃圾、淤泥、生长物以及其它复杂的因素。目前的控制系统还不能够应对这些各种输出风险因素。本发明寻求改善上述提及缺点中一个或多个。
发明内容
在第一方案中，本发明提供一种用于控制水下发电机的操作的系统，该系统包括仪表(meter)，用于测量或指示与所述水下发电机的叶片(blade)速度和内部水流相关联的所选属性；驱动器，用于改变所述水下发电机的操作；以及数据处理装置，包括中央处理单元(CPU)以及操作为连接至所述CPU的存储器，该存储器包含有适于由CPU执行的程序，其中所述CPU和/或存储器为操作为适于接收来自所述仪表的信息以计算叶尖速比(TSR或λ)，并响应于所计算的TSR或λ对所述驱动器执行指令来改变所述水下发电机的操作参数。优选地，仪表包括用于直接或间接测量或指示叶片速度和内部水流的适合仪表， 包括转速计、流量计、电表、伏特计、功率计、欧姆表或其它类似的仪表。由所述驱动器改变的操作参数可包括叶片的转速。在该系统的操作中存在一些情况，其中外部电力和/或VSD可被用于启动或继续使马达以最小或期望速度进行旋转，以确保最佳电力产生。如果需要的话，控制系统可启动从电网中抽取电力，以对涡轮机通电。优选地，所述系统控制涡轮机，从而以给定的水流速使电力的产生最优化。典型地，流速小于约10哩/小时(knot)，小于约8哩/小时，小于约6哩/小时，或介于约1_5 哩/小时之间。水流速可为潮汐、河流、流出口(outflow)、或海洋或大海中的水流。本发明尤其适于以小于约5哩/小时的低流速控制安装在环境中的水轮机，以提供最佳的功率或电力产生。该系统可被用于控制上至约8哩/小时的涡轮机。所述涡轮机可为基于轨迹的涡轮机(track-based turbine)或回转支承(slew-ring)涡轮机，也可为如在亚特兰蒂斯资源股份私人有限公司(Atlantis Resources Corporation Pte Limited)申请的 WO 2005/028857、WO 2005/119052 以及 WO 2007/070935中所描述的涡轮机。如果所述涡轮机为基于轨迹的涡轮机，则所述涡轮机可具有运行一个或多个发电机的一个动力输出轴，或运行多个发电机的多个动力输出轴。优选地，其它仪表被设置为测量诸如下述的动作或数量水流方向，水流的相对位置，负载，扭矩，水中的高度或位置，马达叶片或叶形片(foil)的提升，马达叶片或叶形片的拖动(trailing)，扭矩、功率输出，所产生的电，功率负载等。优选地，还提供下述仪表，包括用于检测潜在或实际障碍物的声纳器件；用于以流速剖面仪形式测量动作的组件；用于测量环境空气或环境水的温度或马达温度、或液压油温度的热电偶；接收与涡轮机的偏航或线性定位(positioning)相关的角度或高度测量结果的传感器(transducer)；—个或多个水下或水上摄像机，用于检测潜在或实际障碍物；一个或多个传感器，用于测量涡轮机速度或所产生的功率、所产生的电压、所产生的相位；潮汐信息；保险丝，连接或中继检查线路；以及上述的组合。在优选实施例中，所述驱动器可为下述中的一个或多个液压马达，用于改变该表叶片的斜度(Pitch)或攻角(attack angle)；涡轮机在海床平面上方的偏航角或高度；发电机或变换器，来改变输入到涡轮机的扭矩，以影响其转速；报警装置；以及上述的组合。优选地，水下发电机为中心轴水轮机形式，包括具有中心轴的涡轮机主体；安装在所述涡轮机主体上的用于关于中心轴进行旋转的马达，该马达包括支撑多个叶片的中心轮轴，每个叶片从安装在轮轴上的叶片根部延伸到叶片尖；由马达驱动的发电机；以及可包括围绕在马达四周并适于将水流引向叶片的外壳。优选地，所述发电装置包括发电机；第一叶片组，操作为安装在所述发电机上，用于响应于来自所选方向的流动水以所选方向旋转；以及第二叶片组，操作为安装在发电机上用于旋转，并操作为连接至所述第一叶片组， 所述第二叶片组被设置为与所述第一叶片组的下行共轴，并在所述第一叶片组的下行或在所述第一叶片组的尾流区中；其中所述发电机适于由至少一个叶片组驱动，以及所述发电机通常共轴地设置在所述第一叶片组和所述第二叶片组之间。在一些配置中，共轴设置的第一叶片组和第二叶片组分别安装在第一马达和第二马达上。在这种配置中，第一马达或第二马达优选地安装在轴组件上，该轴组件包括操作为耦接或链接多个被连接在一起的马达轴，使得第二马达以同样于第一马达的方向进行旋转。在其它配置中，设置离合或制动配置，以将第一叶片组从第二叶片组中分开。因此，在这些配置中，在操作中，第二叶片组可与制动装置一起锁定在停止位置，或完全被分开且被允许自由旋转。
在可选配置中，可在叶片组之间设置耦接装置，该耦接装置以与第一叶片组相反的方向驱动第二叶片组。在再一个实施例中，发电机可由单独的发电机轴驱动，该发电机轴操作为耦接至马达轴。发电机轴可操作为连接至变速箱(gearbox)，使得它以比马达轴更高或更低的速率旋转。优选地，然而，第一马达和第二马达直接驱动发电机，因而都安装在共同的马达轴上，以便于它们以同样的速率旋转。优选地，马达都经由轮轴用过盈配合(interference fit)或花键连接(splined connection)安装在轴上。优选地，每个叶片组设置有多个叶片。可设置任何合适数量的叶片，例如，介于2 个和10个之间。在优选的形式中，每个叶片组设置三个叶片。在优选配置中，第二叶片组的叶片以相对于第一叶片组的角位置交错设置，使得第二叶片组的叶片在共同轴上旋转时不会被第一叶片组的叶片遮蔽。选择旋转方向的优选因素为叶片的布置，且在优选实施例中，叶片的攻角是固定的，然而，在一些实施例中，叶片也可在斜度上变化。以更优选的形式，两个叶片组包括同样数量的具有基本同样外形和尺寸的叶片。 因而，在使用时，一个叶片组可遮住(eclipse)另外一个叶片组。任选地，在一个马达上的一个叶片组的叶片外形可不同于另一个马达的叶片组上的那些叶片的外形，但这些叶片组的叶片都优选为在数量、长度、横截面以及其它主要特性上是一致的。优选地，第一马达和第二马达以任何合适的分离距离进行分离。在优选实施例中， 分离距离为至少这样的距离，叶片将被认为彼此间隔开而不是彼此邻近。优选地，叶片组间隔开有效的距离，并且在尾流场或尾流区中，约为叶片的直径 (d)长度，测试并模拟表明，对于最佳操作，有效的分离距离可在约0. 5d和IOd之间变化。有利地，本发明优选实施例的模拟和测试表明了，与较大直径、单叶片组单元相比，可从更小的直径、多叶片组中获得提高的功率。这些实施例可显著降低每kWH的成本。优选地，发电装置适于用于水下和浅海安装和使用。马达优选包括安装在马达前部的头椎体(nose cone)，以降低对马达的拖动并减小汹涌的水流。优选地，该头椎体为空的，以提供用于诸如控制系统的辅助系统的空间或提供用于辅助或甚至主要系统的储藏。与双向叶片的实施例一样，包括单向叶片的实施例可包括将叶片组对准会时时改变冲击或流动方向的潮汐水流的的旋转系统。因而，在一个实施例中，配置可为这样，安装一涡轮机头单元以(经由电驱动或其它组件)自动或人工实现大致的自对准，以便于涡轮机头单元的纵轴平行于潮汐水流或冲击流，其中该涡轮机头单元包括至少一发电机和两个上述可旋转安装的叶片组，两个叶片组沿着纵轴间隔开。因而，在这个实施例中，涡轮机头单元可旋转安装在支架(pylon)上。优选地，支架基本是垂直的，但它可以为任何所选的合适方向，只要这种配置能够使得它在所选距离内与海床间隔出一舱室，距离足够远以使叶片在绕着马达旋转时完全不接触海床即可。旋转装置也可设置在远离或临近涡轮机头单元的支架上。发电装置可为组合形式的，S卩，它可为可拆卸或可释放的模块的形式，这些模块在合适的阶段彼此被装配组合在一起。这些模块可包括涡轮机头单元、支架单元以及基座或支撑单元。涡轮机头单元可为可拆卸地或可释放地安装在支架单元上。此外，支架可拆卸地或可释放地安装在基座或支撑单元，用于在海上或其它水体床上支撑该支架。优选地，发电机可直接连接至一个或多个叶片组或马达轴。优选地，发电机可通过花键连接被连接至这些叶片组或每个叶片组、或马达轴。优选地，叶片或叶形片速度可通过使用变速驱动(VSD)改变发电机的功率负载而被改变，其中VSD位于与涡轮机或系统相关联的位置。在一个优选配置中，VSD位于支架或发电系统的安装结构上。VSD优选控制和/或监测发电机的功率以作用于负载或扭矩。优选地，指令选自一个群组，其包括提高扭矩，降低扭矩，改变涡轮机的方向，改变涡轮机的高度，改变涡轮机的朝向，改变叶片或叶形片角度，改变攻角，改变驱动或VSD 动作，耦接或分开发电机，从电网提取电力，发送电力给电网等。叶片可从垂直于中心轴的平面以约1°至20°的倾角，从叶片根部到叶片尖向后
部展开。优选地，叶片从垂直于中心轴的平面以约2°至10° (优选为4°至6° )的倾角， 从叶片根部到叶片尖向后部展开。此外，优选地，叶片从垂直于中心轴的平面以约5°的倾角，从叶片根部到叶片尖向后部展开。马达优选地包括安装在马达前部上的头椎体，以降低对马达的拖动并降低流经外壳的汹涌水流。优选地，该头椎体为空的，以提供用于诸如控制系统的辅助系统的空间，或提供用于辅助或甚至主要系统的储藏。在优选实施例中，发电机装有马达，该发电机适于从马达的旋转中产生电力。优选地，发电机直接连接至轴。优选地，发电机通过花键连接被连接至轴。优选地，发电机直接由马达驱动，并且这种配置可适配于所选发电机(诸如多极或高极(high-pole)发电机)所需要的输入速度。然而，在一些配置中，可适于将变速箱连接至轴或发电机，使得输入到发电机的轴的转速被转换为适合其它类型的发电机的转速。进一步地，应理解，任何叶片形状都是合适的，并且1°至20°的下行或后部的斜度或倾角与具有0°倾角(即，没有倾斜或斜度)的同样涡轮机相比，可提高具有合适外壳的中心轴涡轮机的功率输出。该叶片可为翼型、或锥形或梯形、矩形、平行线形、曲线或弯曲形的。在优选实施例中，翼型形状为NACA 4412系列横截面形状。叶片可为可在截面上对称的、具有轻微对称弯曲(twist)的双向叶片。优选地，弯曲介于5°至35°之间，优选为14°。优选地，设置制动器(brake)，以用于抑制马达的旋转。优选地，该制动器为不失灵的机械装置。优选地，在使用中，在施加电力给制动部件时，制动促动器对抗致动力保持制动部件远离马达。在使用中，当从制动促动器中去除电力时，可来自弹簧的致动力或可利用一些合适的其它种类的推压力的致动力克服制动促动器的力，并将制动部件施加给马达， 减慢或停止马达的旋转。优选地，保护套(boot)或插塞(plug)被设置在叶片根部，以覆盖任何缝隙或凸块或螺栓头等，以最小化那个区域的干扰阻力。优选地，外壳限定了流动通道，其具有从马达的前部开口到涡轮机主体附近的较窄管颈处的流动限制。有利地，相对于流动通道的非限制部分，这种配置提高了在流动通道的限制部分中液体通过流动通道的速度。流动限制优选包括文氏管(venturi)，其可形成部分或全部的流动通道。尤其是，文氏管可包括扩散-收敛-扩散的文氏管，从流动通道的每端开口朝着流动通道的内部逐渐变细。优选地，外壳为对于马达基本对称。文氏管可包括至少一个第一截头圆锥体、截头角锥或喇叭形主体、任意的圆柱主体、以及至少一个第二截头圆锥体、截头角锥或喇叭形主体。在优选实施例中，外壳延伸到马达后部，并用作扩散道，该外壳从管颈处到马达后部的后开口分叉。优选地，马达支撑至少两个叶片。还优选地，涡轮机具有3个或6个叶片。然而， 将理解任何数量的如2、3、4、5、6个或更多的叶片可使用在涡轮机中。在第二方案中，本发明提供一种用于控制水下发电机的操作的方法，其中该水下发电机具有响应于水流进行运动的多个叶片或多个叶形片，所述方法包括下述步骤
测量与所述水下发电机的叶片或叶形片速度以及内部水流相关联所述发电机或环境环流(surrounding flow)的所选属性；处理测量结果以计算叶尖速比(TSR或λ)；以及响应于所计算的TSR或λ指示驱动器来改变叶片或叶形片速度。在第三方案中，本发明提供一种用于控制水轮机的操作的数据处理装置，包括中央处理单元(CPU)；以及存储器，操作为连接至所述CPU，所述存储器包括一适于由CPU执行的程序，其中所述CPU和存储器都操作为接收来自用于测量或指示与叶片速度和水下发电机的内部水流相关联的所选属性的仪表的信息，并操作为适于计算叶尖速比(TSR)并发送指令给驱动器以改变叶片或叶形片的速度。优选地，所述数据处理装置还存储所接收到的关于影响涡轮机操作的动作的信息、所接收到的信息和/或关于涡轮机的输出或操作的信息。优选地，所述数据处理单元为可编程逻辑控制器(PLC)。在第四方案中，本发明提供一种用于控制水下发电机的操作的数据处理装置，包括中央控制器，包括中央处理单元(CPU)和操作为连接至所述CPU的存储器；至少一个终端，适于与所述中央控制器相通信，所述中央控制器用于发送来自仪表的信息，其中所述仪表用于测量或指示与所述水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；所述中央控制器中的存储器包含适于由CPU执行的程序，用于接收与转速计输出和流量计输出相关的信息，计算叶尖速比(TSR或λ)、以及发送指令给所述终端，以响应所计算的TSR或λ来改变所述叶片速度。优选地，所述装置包括多个终端，每个终端与单独的涡轮机或涡轮机的集合相通
fn °优选地，中央控制器还存储所接收到的关于多个涡轮机操作的信息。所述中央控制器可硬连线至终端或通过电话、无线等远程访问。在第五方案，本发明提供一种用于借助于计算机控制水下发电机的操作的方法， 包括
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接收来自仪表的信息，所述仪表用于测量或指示与所述水下发电机的叶片速度和内部流速相关联的所选属性；分析所接收到的信息，以计算叶尖速比(TSR或λ )；以及基于所计算的TSR或λ发送指令给驱动器来改变所述叶片速度。在第六方案中，本发明提供一种计算机可读存储器，用表示可编程器件的数据进行编码，包括一组件，用于接收来自仪表的信息，所述仪表用于测量与水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；一组件，用于分析所接收到的信息，以计算叶尖速比(TSR或λ)；以及一组件，用于基于所计算的TSR或λ发送指令给驱动来改变所述叶片速度。在第七方案中，本发明提供一种计算机程序部件，包括计算机程序码，以生成可编程器件接收来自仪表的信息，所述仪表用于测量或指示与水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；分析所接收到的信息，以计算叶尖速比(TSR或λ )；以及基于所计算的TSR或λ发送指令来改变所述叶片速度。在第八方案中，本发明提供一种用于从水流发电的方法，包括在具有流动水的区域中安装水下发电机；为所述水下发电机提供根据本发明第一方案或第二方案所述的用于控制水下发电机的操作的系统；允许水流旋转水下发电机；以及使用所述控制系统改变水下发电机的功率输出，以从所述水下发电机中产生电。在整个本说明书中，除非上下文表明需要其它方面，词“包括”或诸如“包含”或 “含有”的变化将被理解为，暗示了包含所陈述的部件、整数或步骤、或部件组、多个整数或步骤，但不排除任何其它的部件、整数或步骤、或部件组、多个整数或步骤。对包含在本发明中的文件、动作、材料、器件、物件等的任何讨论仅是为了提供本发明的背景目的。并非承认任何或所有的这些材料形成部分现有技术的基础，或为与本发明相关的本领域公知常识，如在本说明书中所公开的在本发明优先权日期之前的澳大利亚中的一样。为了更清楚地理解本发明，参考下述附图和示例将描述优选实施例。
图1示出了根据本发明优选实施例的用于水轮机的一示意性控制系统的示意图；图2示出了根据本发明优选实施例的用于水轮机的另一示意性控制系统的示意图；图3为示出了本发明一个优选实施例的控制系统的元件(component)的示意图；图4为示出了本发明优选实施例的控制系统的元件的示意图；图5为示出了处理系统的元件的示意图；以及图6为适于用在本发明优选实施例中的合适的水下发电机的透视图。
具体实施例方式水下发电系统一般包含具有多个叶片或叶形片的涡轮机。该系统也通常包括电力提取器件(诸如发电机或泵)以产生电力，并且在水压或提升的影响下叶片或叶形片的旋转或运动促使该电力提取器件产生电力。在涡轮机的最简化形式下，涡轮机的运动或旋转的速率与流过或穿过涡轮机的水的运动或流速成比例。如果流速太低，则涡轮机将不会工作，没有电力产生。同样地，如果流速不规律或不一致，发电速率也是不规律或不一致的。根据本发明优选实施例的用于控制水轮机的操作的系统的一个示例展示在图1 中。水下发电机40连接至电网70，能够产生电并经由链路60将电传送给电网70。水下发电机或涡轮机40可为任何合适的可在水运动的影响下进行操作的配置。示例包括而不限于如本文所描述的中心轴式涡轮机以及诸如亚特兰蒂斯资源股份私人有限公司申请的WO 2005/028857, WO 2005/119052以及WO 2007/0709 所描述的基于轨迹式涡轮机 (track-based turbine),也包括回转支承式润轮机(slew-ring turbine)。应注意到，在本发明的优选实施例中，多个叶片与涡轮机40相关联，这些叶片可在攻角或斜度上变化，但优选(根据斜度或攻角)固定在适当的位置，以简化制造并提高系统的可靠性。因此，由于操作效率不易于以其它方式受到影响，从而本发明优选实施例的控制系统是重要的。涡轮机40的操作可通过控制系统30执行，该控制系统30接收并处理来自多个仪表22、24J6、28的信息。仪表22、24J6、28的示例包括流量计、水流方向仪、用于测量涡轮机负载或输出的电表以及伏特计、用于测量涡轮机速度和/或叶片速度的转速计、用于测量涡轮机叶片或叶形片的攻角的传感器等。应注意到，可通过各种组件测量或指示叶片速度，包括设置在发电机、涡轮机、轮轴或其它机器上的电表、伏特计、功率计或欧姆表。作测量的特定仪表或装置可设置在涡轮机40的直接环境(immediate environment)中，并将这些测量结果或信息传输给控制系统。来自器件或仪表22、24、沈、观的信息被馈送给控制系统30，并且基于所处理的信息控制涡轮机40的输出。已经开发了特定的软件，使得将被处理的信息和信号或指令被发送给涡轮机40，以优化其在给定环境中的输出。尤其是，该软件采用来自转速计和流量计或其它仪表(诸如与涡轮机或发电机或马达相关联的电表或伏特计)的信息，以计算叶尖速比(TSR或λ)。TSR为叶片尖速度与水流速的比率。如果叶片旋转(在中心轴式涡轮机的情况下)或移动(假定沿着轨迹)太慢，大部分水将通过叶片，而不会从中获取任何能量。如果叶片旋转或移动太快，叶片会防止水流通过叶片，从而也不能高效地从中获取能量。本发明的发明人已经发现，在对于水下发电机的所选范围内计算TSR并维持流量会在流速的较大范围内提高发电机效率。TSR随着各种因素而变化，其中各种因素包括中心轴式水轮机的叶片数量，但观察到其应是介于2 至6之间，优选对于三叶片水下涡轮机约为4. 2。在一个示例中，优选控制系统30具有可编程逻辑控制器(PLC)，其与包括以变速驱动器(VSD)形式的驱动器的涡轮机40相关联，该VSD适于控制涡轮机上的马达/发电机单元的转速以提供最佳的功率输出。PLC适于使用VSD调节涡轮机40的运行速度和扭矩， 以对于给定水流速率维持最佳的功率输出。该系统还可包括快速启动(kick start)功能，以当流速低时启动或提高涡轮机的旋转，或在高的或低的输入情况下克服对涡轮机旋转的阻力。图2示出了与图1的系统同样的配置，但还包括用于涡轮机40的外部驱动器或变型组件(altering means) 52和M的其它示例。变型组件52和M的示例包括用于相对于水流方向对涡轮机进行定位、调节涡轮机的高度或深度、改变涡轮机40的马达叶片或叶形片速度、改变施加到涡轮机40的功率负载或扭矩的器件和驱动。如上所述，变速驱动器 (VSD)可通常依据所计算出的相对于最佳TSR的TSR，对涡轮机40施加扭矩或反向扭矩，以维持期望的运动来最优化发电。对于需要关于水流方向进行特定定位的涡轮机(诸如示例性基于轨迹式的系统)，改变装置可为回转配置，以相对于水流方向集中或对准涡轮机40。该系统还可包括快速启动功能，以启动或提高在流速低时的涡轮机的旋转或在高或低的输入情况下克服对涡轮机旋转的阻力。在这个方面，电力从电网70抽取出，通过马达配置转动涡轮机40。一些形式的发电机可通过涡轮机40的旋转产生电力，但也被用作马达以经由从电网70接收到的电力旋转涡轮机40。控制系统30可根据需要控制供电给发电机或从发电机中产生电。控制系统30可设置为紧邻系统10，并且硬连线至器件或仪表或测量组件22、24、 沈、28、驱动器或变型组件52、54以及涡轮机40。可选地，控制系统30可为远程的，通过无线网络或其它通信网络(诸如因特网)进行通信。控制系统30可控制单个涡轮机或操作水轮机发电场中的一系列涡轮机。控制系统30可包括处理系统50，其包括分布式结构，分布式结构的示例在图3、4 以及5中被示出。在这个示例中，基站1经由通信网络2(诸如因特网、有线和/或无线或射频网络)和/或通信网络4(诸如局域网(LANs))耦接至许多终端站3和5，因而，将理解 LANs 4可在特定位置形成内部网络。在使用中，处理系统50适于接收来自至少仪表2246和/或其它组件(诸如网站)的信息或控制输入，并将该信息发送给作为用户或控制器终端形式的终端站3、5。这些或每个终端站5适于将信息返回给基站1。因此，可使用任何合适形式的处理系统50。一个示例如图3所示。在这个示例中， 处理系统50至少包括经由总线11耦接在一起的处理器6、存储器7、输入/输出器件8 (诸如键盘和显示器)以及外部接口 9，如图所示。因而将理解处理系统50可由任何合适的处理系统形成，诸如合适的程序化的PC、 PLC、内部终端、便携式电脑、手持PC或通常操作应用程序软件以能够使数据传输并在一些情况下进行Web浏览的系统等。同样地，这些或每个终端站3必须适于与位于基站1的处理系统50进行通信。将理解，这使得将使用许多不同形式的终端站3。优选实施例被操作为存在三段操作首先，段1为一点都不值得操作涡轮机的段，这是因为通过叶片的水流太慢。一般而言，这是这样的一个段，在该段中，由流量计测量出的水流低于1哩/小时。应注意到能够测量来自转速计和水流计的输出，用CPU处理这些数字以提供TSR，并将它与最佳TSR进行比较。具有这样慢的流速，最佳TSR可能高于所计算的TSR。然后，VSD可参与提高轮轴的旋转或叶片的速度，但提高旋转或叶片速度所需的能量更大于所产生的能量。因此，在段1，发电机可与涡轮机断开连接，或者施加制动器，或涡轮机主体(在其上安装有具有叶片的马达)被回转或偏转，以改变在水流外部的攻角。段2为操作涡轮机的段。一般而言，在这个段流量计测量出1-8哩/小时。在这个段中，如上所述采取同样的步骤操作涡轮机，然而，VSD提高或降低叶片的速度，直到TSR 达到尽可能接近系统的最佳比率。即，在这个段中，VSD提高系统的效率，并且对于这种提高的能量消耗小于所产生的能量或在所产生能量中的增加，无论VSD是增加或降低叶片速度。段3为假定流量计测量出8-15哩/小时的操作的段，采用VSD通过降低叶片的速度来降低系统的效率。在这种情况下，系统被驱动为在效率上很差地执行。这是因为如果系统在这种测量上执行良好，叶片和关联的涡轮机可实际上会通过强使发电机输出比其额定电力更高的电力而毁坏发电机。对于假定为15哩/小时以上的流动，应用紧急制动以降低对所有部件毁坏的可能性。仪表或输入22、24、沈、28也可包括摄像机、或诸如声纳以及在本说明书中的页中所描述的那些输入的其它检测组件。可利用声纳以及水下和水上摄像机，并且他们的输出可通过通信网络被远程监测。以这种方式，某些障碍物可被操作者或计算机检测到，操作者或计算机可远程停止涡轮机或以一些适当的方式改变涡轮机性能。该检测组件、声纳或摄像机也可连接至报警器或紧急自动停止。也可利用诸如形状识别软件的软件，使得可自动检测潜在的障碍物，然后控制系统30可自动致动某些其它器件来响应。在某些环境中，由控制系统30响应某些潜在的危险进行动作，，这些动作为诸如警报致动或在涡轮机40的操作速度或角度或高度中的改变，直到潜在或实际障碍物被移除或自己移除掉为止。在这时， 通过摄像机或声纳或其它检测组件也可检测到没有障碍物，涡轮机40可自动被致动，以重新开始进行发电。此外，来自摄像机的镜头(footage)或来自声纳的事件可被存储器记录下来。为了增加数据存储效率，没有事件发生的其它时间段可从存储器中删除，然而，障碍物事件前后的所选时间段可被保留在存储器中，以便于以后观看。输入22、24、沈、观也可包括作为声学多普勒流速剖面仪(ADCPs)的形式的流速剖面仪，其向控制系统30报告下述信息10层水层的水速10层水层的水方向平均水速平均水方向潮汐深度上述提及的信息记录在SQL服务器数据库中。ADCPs集成在PLC控制系统中，它们的输出可被处理器利用，使得处理器通过致动信号引起诸如液压马达的部件的致动，从而可改变涡轮机30的高度或偏航角来最优化输出。如果潮汐逆转方向，则控制系统做出被称为主运动(Major movement)的运动(180度旋转)，并且如果潮汐改变了几度的方向，则控制系统做出被称为小运动(Minor movement) 的运动，以最优化电力输出。
控制系统也维持对所有输出的安全访问。对控制系统的访问是被密码保护的，这在优选实施例中是有利的，因为通信网络会使从布置有网络或其它卫星启用通信器件的任何地方都可便利地进行访问。系统30监测并控制包括PLC链路的各种电位的电力，以传送给各种器件、保险丝以及开关，也控制并监测高压输出，以控制进入电网70的电力的相位角和幅度。为了增加可靠性，24V的电路优选被用在计算电路、UPS、传感器(sensor)以及I/ 0控制中。此外，冗余电源也安装在控制系统30中。每个电源都连接至二极管(Diode)模块，如果一个电源失效或故障，这个故障条件被包含在二极管模块中，则允许另外的电源继续工作。每个电源具有故障信号接触，其接线到PLC I/O中，以可检测到并修复该故障的通知。保险丝可通过PLC输出来远程重设。在优选实施例中这是有益的，这是因为它们通常位于在支架上远离海岸的远程位置的房间(cabinet)内、或在涡轮机或发电单元附近的舱内。可以由电池的形式提供电源，电池可通过太阳能电池板或诸如从涡轮机40中取出潮汐电力的其它方法来进行再次充电。控制系统也可根据需求产生与潮汐流动、潮汐角度、所产生电力、事件日志相关的报告。连接至PLC的其它测量组件包括水淹(flooded)马达腔室监测器；用于马达温度的热电偶；用于空气温度的热电偶；用于涡轮机的转速计；用于测量马达扭矩、频率、伏特、幅度、功率、RPM的器件。PLV也连接至液压马达，该液压马达沿着支架或围绕着支架周围移动涡轮机。定位测量器件也可被连接为使得可获得正确的读数和位置。软件提供图形界面，以使对位于世界范围内的任何用户或控制器提供下述信息和能力来自发电的数据；扭矩设定的人工越控(manual override)；涡轮机40的高度和角度的人工越控；实时发电统计量的查看；先前时间段发电的查看；摄像机图像的查看；潮汐表的查看；潮汐层的实时查看；报警日志。这种控制系统能够被用在任何合适种类的水下发电机中。然而，为了便于提高理解，下文中将描述一种合适的发电装置。应理解，许多不同种类的水下发电机都被构思并适合用于上述描述的控制系统。以110示出的水下发电机包括具有中心纵轴111的涡轮机头单元105，还包括涡轮机，该涡轮机包括设置在发电装置Iio第一端113处、旋转安装为响应于流入的水流进行旋转的第一叶片组或马达112，以及位于发电装置110第二端处且同样旋转安装的第二叶片组或马达114。发电机134设置在第一叶片组和第二叶片组之间。发电装置110通常被安装为使得中心纵轴111以与水流方向平行的方向延伸。在使用中，第二马达114布置在相对于第一马达112的下行位置中。此外，第二马达114共轴且直接布置在第一马达112的下行并在第一马达112的尾流区中。第一叶片组和第二叶片组或马达112、114包括与其集成在一起或安装在其上的叶片配置或叶片组116，叶片配置或叶片组116包括多个叶片118。叶片18可为任何类型的叶片，在一种配置中，叶片118为单向的(如图6所示)。这些叶片示出了高度弯曲，如上所述。图6中所示的马达可被使用为使得叶片组每端朝着如所示的外面，或一个可朝向内。可选地，叶片的斜度是可变的，且完全可翻转。然而，优选地，叶片118为双向的(在所有其它的图中省略，但细节在图6中被示出)，使得即使水从一侧或另一侧击打叶片，叶片也可工作良好。尽管在操作中尾流区为紊流区，使用第二叶片组也可有利地提高从尾流区获取能量的效率。然而，当位于逆行时，发电装置110可被配置为使得第一叶片组和第二叶片组都适于为上行叶片组。在单向叶片的情况下，这种配置可为使叶片相对于彼此反向安装。因而，在一个配置中，叶片将会使得每个叶片朝着发电机倾斜成一所选倾角，如上所述。也可存在这样的情况，拖动的叶片组被锁定或自由旋转，因为叶片组在向后有效运转时不会提高发电机器的整个效率。然而，这样的情况也是可能的且被构思为叶片组都被配置为使得第二叶片组被设计为总是为下行叶片，从而与上行叶片组同样的进行布置(即在倾斜情况下，如果这是最高效的，倾斜都为彼此相应的角度，即在同一方向倾斜)。后一种配置很有可能需要旋转的涡轮机头。叶片118安装在每个马达上，并以等角间距设置在附近。每个马达设置有三个叶片118。当马达安装在共同的轴(未示出)上时，第二马达114上的叶片118被布置为使得它们位于相对于第一马达112上的叶片的交错位置中，以便于一个叶片在使用中不会被另一个叶片遮蔽。马达112、114可如上所讨论的安装在共同的轴上，或安装在独立或操作为被链接的轴上。如果需要提高效率的话，这些轴可通过变速箱链接，以提高或降低第二马达114相对于第一马达112的相对速度。然而，所示出的马达112、114被使用在涡轮机110的优选实施例中，并用过盈配合或花键连接(都未被示出)安装在同一轴上，但在任一种或所有情况下，固定马达112、114的旋转速度以与彼此相同，并维持马达112、114之间的叶片118的角度交错。叶片组或马达112、114可被选择性地不被耦接，以使得一个叶片相对于另一个自由旋转，并且制动器可被设置为使得选择性地锁定一个叶片组或另一个叶片组。也能够操作为连接两个叶片组或马达，使得它们能对于彼此以相反方向旋转。发电装置110可设置有旋转单元(未示出)，其可向上旋转该单元到180度，这在涡轮机10安装有单向叶片118时更有用，但在装配有双向叶片118时也是有一些用处的。例如，为了改善效率，发电装置110可被转动为使中心轴可移动一点角度，假定向上至 45°，以使得中心轴对准水或当前水流(其可在周期之间或之内移动一些角度)。第一和第二叶片组或马达112、114间隔合适的下行距离，迄今为止的测试表明其约为与叶片118的直径(d)相同的距离。其它下行间隔距离已经被模拟出，并且在间隔距离介于约0. Id至IOd之间时会导致有利的效率。设置有头椎体130，以使得促进或有助于水流不分离(flow attachment)。发电装置110可包括支架132，含有发电机134的涡轮机头单元105安装在该支架 132上方。支架132可为流线型，以使得降低水流对支架的压力。支架132可包括可释放 (releasably)的安装架，以使得可释放地支撑涡轮机头单元105。支架132也可以可释放地将其底座安装在支撑底座上，该支撑底座为底座平台形式并包括用于接收岩石(spoil)、 混凝土或其它大块物体的凹槽，以将底座稳固在海底上。本发明的发明人已经大量地模拟出水轮机的功率输出，并基于这种信息开发了合适的控制系统，其中该水轮机诸如上文中所示的水轮机，也如仅在单个支架上具有一个叶片组的水轮机。已经发现，甚至从低水流速中，环境因素的微小或灵敏处理都可允许最佳的电力产生。可计算出对于给定流速和涡轮机的类型的设定点，以便于对控制系统10进行编程来维持涡轮机的速度以最大化在那个流速点的输出。本发明的优选实施例已经被申请人使用，成功地控制并最优化连接至电网的基于轨迹式水轮机的电力产生。本领域普通技术人员应理解，在不背离所广义描述的本发明的精神和范围内，可对本发明做出如特定实施例所示出的许多改变和/或修正。因此，本发明实施例将被认为在所有方案中是作为示意性且非限制性的。
权利要求
1.一种用于控制水下发电机的操作的系统，所述系统包括仪表或器件，用于测量与水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；驱动器，用于改变所述水下发电机的操作中的一个或多个所选方面；以及数据处理装置，包括中央处理单元(CPU)以及操作为连接至所述CPU的存储器，所述存储器包含有适于由所述CPU执行的程序，其中所述CPU和/或所述存储器操作为适于接收来自所述仪表的信息以计算叶尖速比(TSR或λ)，并响应于所计算的TSR或λ对所述驱动器执行指令来改变所述水下发电机的一个或多个所选的操作参数。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述仪表选自一个群组，该群组包括转速计、流量计、电表、伏特计、功率计、欧姆表、声学多普勒流速剖面仪、应变仪、传感器以及热电偶。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述系统包括涡轮机，该涡轮机为基于轨迹式、回转支承式、或中心轴式的涡轮机。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中所述驱动器选自一个群组，该群组包括用于改变叶片转速的变速驱动器、用于改变所述涡轮机在海床平面上方的偏航角或高度的液压马达、用于改变输入到所述涡轮机的扭矩以影响其速度的发电机或变换器、以及报警器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其中所述水下发电机为中心轴式水轮机的形式，其包括发电机；第一叶片组，操作为安装在所述发电机上，用于响应于来自所选方向的流动水以所选方向旋转；以及第二叶片组，操作为安装在所述发电机上用于旋转，并操作为连接至所述第一叶片组， 所述第二叶片组被设置为与所述第一叶片组共轴，并在所述第一叶片组的下行或在所述第一叶片组的尾流区中；其中所述发电机适于由至少一个叶片组驱动，以及所述发电机通常共轴地设置在所述第一叶片组和所述第二叶片组之间。
6.根据权利要求5所述的系统，其中设置有离合器或制动配置，以使所述第一叶片组从所述第二叶片组分开或可选择为将所述第一叶片组与所述第二叶片组一起锁定。
7.根据权利要求5或6所述的系统，其中可在所述叶片组之间设置耦接装置，该耦接装置以与所述第一叶片组相反的方向驱动所述第二叶片组。
8.根据权利要求1-7任一项所述的系统，其中，在操作中，通过使用位于与涡轮机或系统相关联的位置的变速驱动器(VSD)改变所述发电机中的功率负载，来改变所述叶片或叶形片的转速。
9.一种用于控制水下发电机的操作的方法，其中所述水下发电机具有响应于水流进行运动的多个叶片或多个叶形片，所述方法包括下述步骤测量与所述水下发电机的叶片或叶形片速度以及内部水流相关联的所述发电机或环境环流的所选属性；处理测量结果以计算叶尖速比(TSR或λ)；以及响应于所计算的TSR或λ指示驱动器来改变所述叶片或叶形片的速度。
10.一种用于控制水轮机的操作的数据处理装置，包括中央处理单元(CPU)；以及存储器，操作为连接至所述CPU，所述存储器包括适于由所述CPU执行的程序，其中所述CPU和所述存储器都操作为适于接收来自用于测量或指示与水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性的仪表的信息，并操作为适于计算叶尖速比(TSR)并发送指令给驱动器以改变叶片或叶形片的速度。
11.一种用于控制水下发电机的操作的数据处理装置，包括中央控制器，包括中央处理单元(CPU)和操作为连接至所述CPU的存储器； 至少一个终端，适于与所述中央控制器相通信，用于发送来自仪表的信息，其中所述仪表用于测量或指示与所述水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；所述中央控制器中的所述存储器包含适于由所述CPU执行的程序，用于接收与转速计输出和流量计输出相关的信息、计算叶尖速比(TSR或λ)、以及发送指令给所述终端，以响应于所计算的TSR或λ改变叶片速度。
12.一种用于借助于计算机控制水下发电机的操作的方法，包括接收来自转速计的与关联于所述水下发电机的叶片速度相关的信息、以及来自仪表的信息，所述仪表用于测量或指示与所述水下发电机的叶片速度和内部流速相关联的所选属性；分析所接收到的信息，以计算叶尖速比(TSR或λ)；以及基于所计算的TSR或λ发送指令给驱动器，来改变所述叶片速度。
13.一种计算机可读存储器，用表示可编程器件的数据编码，包括用于接收来自仪表的信息的组件，所述仪表用于测量与水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；用于分析所接收到的信息的组件，以计算叶尖速比(TSR或λ)；以及用于基于所计算的TSR或λ发送指令给驱动器来改变所述叶片速度的组件。
14.一种计算机程序部件，包括计算机程序编码，以生成可编程器件接收来自仪表的信息，所述仪表用于测量或指示与水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；分析所接收到的信息，以计算叶尖速比(TSR或λ)；以及基于所计算的TSR或λ发送指令来改变叶片速度。
15.一种用于从水流发电的方法，包括 在具有流动水的区域中安装水下发电机；为所述水下发电机提供根据权利要求1或2所述的用于控制水下发电机的操作的系统；允许水流旋转所述水下发电机；以及使用所述控制系统改变所述水下发电机的功率输出，以从所述水下发电机中产生电。
全文摘要
描述了一种用于控制水下发电机的操作的系统和方法，也描述了用于控制水下发电机的操作的计算元件。所述系统包括仪表，用于测量与水下发电机的叶片速度和内部水流相关联的所选属性；驱动器，用于改变水下发电机的操作中的一个或多个所选方面；以及数据处理装置，包括中央处理单元(CPU)以及操作为连接至CPU的存储器，所述存储器包含有适于由CPU执行的程序，其中所述CPU和/或存储器操作为适于接收来自仪表的信息以计算叶尖速比(TSR或λ)，并对所述驱动器执行指令以响应于所计算的TSR或λ来改变所述水下发电机的一个或多个所选的操作参数。
文档编号F03B15/00GK102439286SQ201080022504
公开日2012年5月2日 申请日期2010年5月21日 优先权日2009年5月22日
发明者约翰·基尔 申请人:亚特兰蒂斯能源有限公司