专利名称：潮汐涡轮系统的制作方法
潮汐涡轮系统本发明涉及一种潮汐涡轮系统，特别地用于在潮汐流能量产生系统中使用。
背景技术：
潮汐能在很大程度上是可预测的。动力可用性的确定性质与其高密度和可见的冲击的隐含缺乏一起使得潮汐能的提取成为非常有吸引力的命题，特别是因为实际上整个可用资源仍然未被开发。在显著的波作用下的水深处，大体上水流(current flow)中的变化是由于月亮和太阳的自然发生状态引起的。流速的变化被附加在此模式上，一些流速达到自由流的值的相当大部分，并且流速是由于强烈的气候条件而引起的。已知的现有技术建议，在潮汐流速随着时间变化时，响应于潮汐水流的速度向潮汝润轮发电机(tidal turbine generator)提供控制信号以控制润轮发电机的效率。此布 置例如公开在US2006/0232072中。已知的现有技术还建议根据所感应的流动方向而改变涡轮叶片的冲角。此布置例如公开在US2003/0231951中。然而已经发现，在海床处安装的潮汐流产生结构中，以比潮汐变化频率高的频率发生的流动中的压力脉冲变化的影响能够具有显著的作用。特别是湍流和由于波特性引起的流动能够对涡轮具有显著的压力脉冲应力负载冲击。由于这些作用而引起的不稳定负载能够在系统部件中引起疲劳，如果没有被改善，则这将具有显著地减少系统操作寿命的可能。另外，如果流速以突变的方式变化，贝1J这可能引起瞬间的导致失速故障(stall event)的涡轮操作。发明概述根据第一方面，本发明提供一种潮汐流能量产生系统，其包括一个或多个潮汐涡轮发电机；控制设备，其用于控制一个或多个潮汐涡轮发电机的操作；流动测定设备(flow determination means),其用于测定远离各个润轮发电机一定距离处的流动中的变化；其中控制设备利用来自流动测定设备的输入而操作，以在冲击各个涡轮的过程中预测流动特性中的变化，使得涡轮发电机的操作参数可以响应于控制设备而改变。以此方式，系统能够操作成改变所述(或每个)涡轮发电机的操作，以补偿将冲击在涡轮发电机上的负载变化，该负载变化基于由测定设备测定的变化而被预测。这减小了疲劳失效的风险。根据可选择的方面，本发明提供一种操作潮汐流产生系统的方法，该方法包括测定离发电机一定距离处的流动中的(压力脉冲)变化，预测将冲击各个涡轮发电机的压力脉冲负载，并改变涡轮发电机的操作以补偿所预测的压力脉冲负载。典型地，流动测定设备被布置成感应离涡轮发电机一定距离处的压力波，并能够预测在未来时刻将发生于涡轮发电机处的压力变化。典型地，控制设备将计算预测的冲击时间或输入时刻，并控制操作参数(典型地改变涡轮速度)以适应在所需要的未来时刻的改变，以使在涡轮发电机处的压力脉冲情形的作用最小化。此技术能够通过适当改变涡轮发电机的操作而补偿压力脉冲产生的负载在涡轮发电机上的作用。通过探知将短暂地冲击在涡轮发电机上的异常的波作用或压力负载，弓丨起应力的疲劳作用能够被抵消(neutralise);并且通过获知压力脉冲的异常流动作用的接近的距离和速度，发电机操作需要被改变时所在的时刻能够由控制系统获得(以及必须的操作参数变化程度)。优选地，流动测定设备包括流动测量设施。其可以是声纳和/或多普勒装置。在一种实施方式中，声学多普勒海流剖面仪(ADCP)可用于此目的。流动测定设备被布置成测定远离潮汐涡轮发电机一定距离处的流动。典型地，该流动将在远离涡轮发电机数米(例如5到50米)处被测量。这对于冲击过程中压力脉冲载荷的预测来说提供了充分的时间延迟，并且涡轮发电机的操作能够响应于所做的预测而改变。优选地，控制设备被布置成获取流速。可选择地，或另外地，控制设备可被布置成通过测定的流动而对涡轮发电机上的预测负载进行测定。对发电机的控制输出响应于预测的或测量的参数而变化。在一种技术中，在满足或超过预定的阈值的条件下，对发电机的控制输出响应于预测的或测量的参数而变化。响应于来自测定设备的输出，控制设备调节涡轮发电机的操作参数以减小将另外作用在系统上的应力。在本发明的一种实现方式中，响应于来自测定设备的输出，控制设备改变涡轮发电机的动力输出或载荷。另外或可选择地，响应于来自测定设备的输出，控制设备改变涡轮发电机的定向和或涡轮转子叶片的构造。例如可以改变叶片节距。在一种实施方式中，提供多个涡轮发电机(典型地安装在共同的海床结构安装架上)。有益地，该系统被布置成这样操作在控制设备操作成响应于测定设备的输出而改变涡轮发电机中的一个涡轮发电机的操作的情形下，控制设备操作成以补偿的方式改变涡轮发电机中的另一个涡轮发电机的操作。这使得系统的总输出可以保持在恒定的水平(或者比其他的如果补偿性的涡轮操作变化没有被实施时的情形更接近于恒定)。典型地，潮汐涡轮发电机在海床处安装在直立安装架结构的头部。潮汐涡轮发电机典型地具有包括涡轮叶片的转子。根据其他方面，本发明提供一种用于潮汐流产生系统的控制系统，该控制系统包括用于测定流动中的变化的流动测定设备；控制系统操作成使得涡轮发电机的控制可以响应于从流动测定设备到控制设备中的输入而变化。对于固定节距的叶片设计,参数可被选择或修改(tailored)以提供期望的操作特性。可被选择或修改的参数为叶片安装角(blade stagger angle)和/或叶尖速比(TSR)。安装角是指叶片相对于潮汐流方向的冲角或节距。、
对于可变节距的涡轮来说，可以改变叶片节距以改变涡轮的操作特性。潮汐流涡轮系统可包括定位在海床上的安装架结构，安装架结构通过其自身重量而停放在合适的位置，并主要通过与海床的摩擦接触而固定以抵抗位移。在优选实施方式中，潮汐涡轮系统包括相互连接的框架结构，该框架结构被布置成停置于海床上并支撑多个间隔的涡轮发电机。现将在具体实施方式
中仅通过示例的方式并参照附图描述本发明。附图简述图I是根据本发明的已知潮汐流涡轮系统的示意性图示；图2是根据本发明的潮汐流能量产生系统的示意性图示；图3是根据本发明的潮汐流能量产生系统的可选择实施方式的示意性图示。优选实施方式的详细描述参照附图，且最先参照
图1，其中显示了潮汐流能量产生设施I。潮汐流能量产生设施I需要在极端条件下操作。为了在商业上与其他形式的动力产品竞争，需要利用高潮汐流能量聚集的海底区域。在这些区域中工作是困难且危险的，并且结构及其安装和修复需要考虑重大的环境危险。例如，水流是迅速的，典型地高达4海里每小时。这些区域经常处于深水中，可能深于打桩机具能够操作于其中的区域。暴风雨情况可能引起高代价的延迟和延期。潮汐反转一天两次，并且潮汐反转之间的时间可能非常短(例如在15到90分钟之间)。另外，在此高潮汐流的区域中，海床经常被沉积物和其他轻质材料冲刷而露出不均匀的岩石海床，这使得抛锚困难。在所述情形下，对于驾驶员或远程操作的交通工具来说， 当结构被定位在海床上时，不可能对结构进行操作。因此，安装、回收和维护最方便从表面进行。为了在环境上可接受，结构的所有部件和在部署或回收中使用的任何装备必须显示为是可回收的。设施I包括独立式结构的框架组件，该框架组件包括钢管2 (大约I. 5米的直径)。框架组件包括焊接的管状钢角模块(corner module) 3。角单元(corner unit)通过多段钢管2而相互连接。附图中所示的结构在足迹上是三角形的，并且这对于一些部署方案来说是优选的，然而在这样的布置中还可设想其他形状的足迹(例如矩形的)，角模块3的带角的构型当然将不同于与附图相关地显示并描述的。角模块3包括相互以60度角延伸的第一倾斜肢部7和第二倾斜肢部8。倾斜管肢 部7焊接到肢部8的外部圆柱壁上。倾斜管肢部7和8固定到相应的吊舱塔架(nacelletower) 90角模块3和相互连接的管2包括用于相互螺栓连接的各个凸缘4。角模块的管肢部8包括包含有铰链式瓣的瓣阀，瓣阀关闭管肢部8的端部的被内部地焊接的挡板中的孔。水能够借助于瓣阀而涌进和流出管肢部8 (并因而流进管2)。一旦被涌进并在海床上处于合适的位置，瓣阀便倾向于关闭管肢部8的端部，防止管状结构的内部淤积。角模块3还包括焊接在倾斜管肢部7、8之间的结构钢板(未示出)。吊眼结构焊接到钢板。链提升束带设施(chain lifting bridle arrangement)的各个链14的端部固定到吊眼。各个提升链14附接在每个节点模件3处，远端在束带顶部连接件处会合。使用中，起重机吊钩与顶部连接件接合用于提升。自动调平脚部15可以设置在每个角模块3的前部。这确保了结构在不均匀冲刷海床上的水平定位并使竖直负载直接传递到海床。结构由于其自身的质量而保持在合适的位置并且因为管2和端部模件3的进水而缺少浮力。管2被定位在接近海床的边界层中，并且结构具有相对于高度来说的巨大的基部区域。这使潜在的倾覆力矩最小化。由于使用单个的大直径管2作为用于框架的主要的相互连接的支撑件，所以水平拖曳力被最小化。所述结构形成用于被安装在每个角模块3处的涡轮发电机19的安装架基部，各个涡轮发电机19的支撑轴20容纳在相应的安装架管3内，使得涡轮发电机能够围绕相应的支撑轴20的纵向轴线旋转。动力借助于在海事可再生工业中已知的合适线缆而从安装的涡轮发电机19的角部传送到岸上。对于驾驶员来说，深水区域和强流以及低能见度是非常危险的。所述结构被设计成完全地从水面舰船安装和去除。该结构被设计成在退潮和涨潮之间呈现平流的时间段内安装到之前勘测的位置上。此时间可以从15分钟变化到90分钟。已经发现，以比潮汐变化频率高的频率发生的流动变化的影响能够具有显著的作用。特别是湍流和由于波特性引起的流动能够对结构和涡轮发电机19具有显著的压力脉 冲应力负载冲击。由于这些作用而引起的不稳定压力脉冲负载能够在系统部件中弓I起疲劳，如果没有被改善，则这将具有显著地减少系统操作寿命的可能。另外，如果流速以突变的方式变化，则这可能引起瞬间的导致失速故障的涡轮操作。现在参照图2所示的系统，类似于图I的实施方式，产生系统包括安装在海床上的三角形结构的支撑框架组件102。各个的涡轮发电机119安装在三角形框架102的每个顶点处。流动测定装置160a、160b、160c、160d安装在与涡轮发电机119隔开的重要位置处，并被布置成对在冲击涡轮发电机119和海床上安装的结构的过程中的流动特性(例如，波形振幅、压力、速度中的一个或多个)进行监测。来自流动测定装置160a、160b、160c、160d的输出被引向控制器150，控制器150首先测定流动变化是否明显足以保证涡轮发电机119的操作调节。通常，将流动值与阈值相比较，测定结果在阈值之上时，涡轮发电机的操作调节被保证。接下来，控制器计算所需要的对涡轮发电机119的操作做出的调节。调节被测定以尽可能清楚地确保使压力脉冲产生的负载的作用通过适当改变涡轮发电机的操作(典型地通过控制涡轮或所引入载荷的旋转速度)而被补偿，其中压力脉冲产生的负载被预测为短暂地冲击在涡轮发电机119的一个或每个上。通过探知将短暂地冲击在涡轮发电机上的预测负载，引起应力的疲劳作用能够被抵消；并且通过已知异常流动作用的接近的距离和速度，发电机操作需要被改变时所在的时刻能够由控制器150获得(以及必须的操作参数变化程度)。为了对涡轮发电机119的操作做出合适的调节(以改变轴向推力)，涡轮发电机的输出动力或负载可以被变(在补偿引入增加的压力脉冲或波的情形下降低)。对于可变节距的叶片涡轮发电机来说，另外地或可选择地调节动力输出或负载，叶片节距可以被改变。该系统可被操作成使得，在控制器150操作成响应于流动测定装置160a、160b、160c、160d的输出而改变涡轮发电机119中的一个涡轮发电机的操作的情形下，控制器150操作成以补偿的方式改变涡轮发电机119中的另一个涡轮发电机的操作。这提供了系统的总输出可以保持在恒定的水平(或者比其他的如果补偿性的涡轮操作变化没有被实施时的情形更接近于恒定)。流动测定装置160a、160b、160c、160d可以是声纳或其他流动测量装置。特别适合于使用的是声学多普勒海流剖面仪(ADCP)装置。在图2的实施方式中，ADCP装置160a、160b、160c、160d定位成远离涡轮发电机119 一定的间隔距离，并且被向上引导以获得该位置处的水柱的速度分布。在远离涡轮发电机足够的距离(典型地，十米)处测量速度分布是有益的，以使涡轮发电机有足够的时间响应于来自控制器150的调节控制信号。图3的实施方式大体类似于图2的实施方式。产生系统包括安装在海床上的三角形结构框架组件202。各个涡轮发电机219安装在三角形框架202的每个顶点处。然而，在此实施方式中，流动测定装置260a、260b、260c被安装在涡轮发电机219上，并被布置成对于在冲击涡轮发电机219和海床 上安装的结构的过程中在固定距离处且在特定方向上(见图3中的测量锥)的流动特性进行监测。来自流动测定装置260a、260b、260c的输出被引向控制器250，控制器250首先测定流动变化是否明显足以保证涡轮发电机219的操作调节。在任一种实施方式中，流动测定装置能够针对相关的潮汐流的主要的流动方向而被最恰当地定位。
权利要求
1.一种潮汐流能量产生系统，包括 一个或多个潮汐涡轮发电机； 控制设备，其用于控制所述一个或多个潮汐涡轮发电机的操作； 流动测定设备，其用于测定离各个涡轮发电机一定距离处的流动中的变化； 其中所述控制设备利用来自所述流动测定设备的输入而操作，以在冲击各个涡轮发电机的过程中预测流动特性中的变化，使得所述涡轮发电机的操作参数能够通过所述控制设备而改变。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述流动测定设备包括流动测量设施。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述流动测量设施包括声纳和/或多普勒装置。
4.根据之前任一权利要求所述的系统，其中所述流动测定设备被布置成测定远离所述潮汐涡轮发电机一定距离处的流动。
5.根据之前任一权利要求所述的系统，其中所述控制设备被布置成测量流速。
6.根据之前任一权利要求所述的系统，其中所述控制设备被布置成通过测定的流动而对所述涡轮发电机上的预测负载进行测定。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的系统，其中对所述发电机的控制输出响应于预测的或测量的参数而变化。
8.根据权利要求7所述的系统，其中在满足或超过预定的阈值的条件下，对所述发电机的所述控制输出响应于预测的或测量的参数而变化。
9.根据之前任一权利要求所述的系统，其中响应于来自所述测定设备的输出，所述控制设备调节所述涡轮发电机的操作参数以减小将另外作用在所述系统上的应力。
10.根据之前任一权利要求所述的系统，其中响应于来自所述测定设备的输出，所述控制设备改变所述涡轮发电机的动力输出或载荷。
11.根据之前任一权利要求所述的系统，其中响应于来自所述测定设备的输出，所述控制设备改变所述涡轮发电机的定向和或涡轮转子叶片的构造。
12.根据之前任一权利要求所述的系统，其中设置有多个涡轮发电机，并且如果所述控制设备操作成响应于所述测定设备的输出而改变所述涡轮发电机中的一个涡轮发电机的操作，则所述控制设备操作成以补偿的方式改变所述涡轮发电机中的另一个涡轮发电机的操作。
13.根据之前任一权利要求所述的系统，其中所述潮汐涡轮发电机在海床处安装在直立安装架结构的头部。
14.根据之前任一权利要求所述的系统，其中所述潮汐涡轮发电机具有包括涡轮叶片的转子。
15.一种用于潮汐流产生系统的控制系统，所述控制系统包括用于测定流动中的变化的流动测定设备；所述控制系统操作成使得所述涡轮发电机的控制能够响应于从所述流动测定设备到所述控制设备中的输入而变化。
16.一种操作潮汐流产生系统的方法，所述方法包括测定远离各个发电机一定距离处的流动中的压力脉冲变化，预测将冲击各个发电机的压力脉冲负载，并改变各个涡轮发电机的操作以补偿预测的压力脉冲负载。
全文摘要
一种潮汐流能量产生系统，具有潮汐涡轮发电机和用于控制一个或多个潮汐涡轮发电机操作的控制系统以及用于测定离各个涡轮发电机一定距离处流动中的变化的流动测定装置。控制系统利用来自流动测定装置的输入而操作，以在冲击涡轮发电机的过程中预测流动特性中的变化，使得涡轮发电机的操作参数可以通过控制系统而改变。控制系统操作成使得涡轮发电机的控制可以响应于从流动测定设备到控制设备中的输入而改变。以此方式，系统能够操作成改变所述(或每个)涡轮发电机的操作，以补偿将冲击在涡轮发电机上的负载变化，负载变化基于由测定设备测定的变化而被预测。这减小了疲劳失效的风险。
文档编号F03B13/26GK102725517SQ201080054009
公开日2012年10月10日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年12月3日
发明者理查德·艾尔 申请人:潮汐能源有限公司