專利名稱：潮汐能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生能量的水中用設(shè)備，該水中用設(shè)備包括 至少一個(gè)渦輪。
背景技術(shù)：
要解決的主要全球性問(wèn)題之一是如何為世界人口供應(yīng)能量。必須 減少使用礦物燃料并且用再生能源代替。
利用再生能源的大多數(shù)努力集中在風(fēng)力供能系統(tǒng)上。風(fēng)力供能發(fā) 電系統(tǒng)具有風(fēng)能本質(zhì)上是間歇的問(wèn)題。
目前存在用于由海流發(fā)電的水中用設(shè)備。那些設(shè)備通過(guò)線材固定 到海底并且包括布置用于由潮水驅(qū)動(dòng)的渦輪。
但是從水中用設(shè)備產(chǎn)生的動(dòng)力需要在基本不增加成本的情況下增 大，以便在商業(yè)上具有吸引力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是增大從水中用設(shè)備的動(dòng)力輸出。
所述目的通過(guò)一種用于產(chǎn)生能量的水中用設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述水中
用設(shè)備包括至少一個(gè)渦輪，其特征在于所述渦輪安裝在水流驅(qū)動(dòng)飛 行器上，并且所述水流驅(qū)動(dòng)飛行器通過(guò)至少一根線材固定在一結(jié)構(gòu)中。 所述結(jié)構(gòu)可以是靜止的，諸如海底、河底、湖底等的系泊裝置或位于 海或湖中的風(fēng)力設(shè)備或靜止的水中用設(shè)備。所述結(jié)構(gòu)還可以運(yùn)動(dòng)的， 諸如船只。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的飛行器以比水流速度高許多倍(具體在10到 20倍之間)的速度運(yùn)動(dòng)。由此，飛行器上渦輪裝置的效率比靜止的轉(zhuǎn) 子裝置的效率高出很多。
所述設(shè)備優(yōu)選安裝在在方向和速度上被良好限定并且可預(yù)知的水 流環(huán)境下，諸如安裝在河中、潮水影響區(qū)域以及在海流中。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備使得從靠近海岸位置上的相對(duì)弱的海流和潮流
環(huán)境友好地、合理地并且成本有效地產(chǎn)生能量，例如電能。根據(jù)本發(fā) 明的設(shè)備還可在相對(duì)較大深度的近海使用，在近海幾乎沒(méi)有挑戰(zhàn)技術(shù)。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，水流驅(qū)動(dòng)飛行器是翼形物，也就 是升力體。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例的飛行器至少在俯仰方向上基本自由地旋 轉(zhuǎn)。所述飛行器適于在俯仰方向上的最適宜工作位置。所述飛行器還 優(yōu)選相對(duì)于渦輪在側(cè)傾方向上基本自由地旋轉(zhuǎn)。由此，渦輪將面對(duì)相 關(guān)的水流方向，也就是水流將從垂直于由渦輪葉片限定平面的方向施 加力到渦輪上。
在根據(jù)上述的飛行器自由旋轉(zhuǎn)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)渦 輪經(jīng)由桿安裝到飛行器上，并且旋轉(zhuǎn)聯(lián)接器安裝在所述桿的一端，以 便將渦輪或飛行器樞轉(zhuǎn)地連接到所迷桿。旋轉(zhuǎn)聯(lián)接器例如包括萬(wàn)向軸 承。
在根據(jù)上述的飛行器自由旋轉(zhuǎn)的另一優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)渦 輪通過(guò)旋轉(zhuǎn)聯(lián)接器直接安裝在飛行器上。
在本發(fā)明的另 一優(yōu)選實(shí)施例中，水流驅(qū)動(dòng)飛行器設(shè)有操縱裝置， 并且控制單元布置用于為操縱裝置提供控制信號(hào)，從而以預(yù)定軌跡操 縱飛行器。操縱裝置則可以包括一個(gè)或多個(gè)控制表面。
此外，線材將優(yōu)選被拉緊，并且因此預(yù)定的軌跡形成于球面中。 為了提供水流驅(qū)動(dòng)，預(yù)定的軌跡將至少部分地橫過(guò)水流方向。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，渦輪可操作地連接到布置用于產(chǎn)生電 能的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)可操作地連接到布置用于分配所述電能的電纜。 電纜可以例如至少部分地結(jié)合到線材中。然而，如果不需要連接到飛 行器的電纜，所產(chǎn)生的電能可以例如用于使水電解，并且直接在飛行 器處產(chǎn)生氫氣。


圖la示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)例布置在xy平面內(nèi)的水中用設(shè)備的 實(shí)例，其中x表示垂直于水流方向的水平方向，并且y表示豎直方向； 圖lb示出布置在yz平面內(nèi)的圖la的水中用設(shè)備，其中z表示水
平的水流方向；
圖lc示出布置在xz平面內(nèi)的圖la的水中用設(shè)備；
圖2示出圖1水中用設(shè)備的水流驅(qū)動(dòng)飛行器的第一實(shí)例；
圖3示出圖1水中用設(shè)備的線材實(shí)例的橫斷面；
圖4示出將渦輪安裝到圖1水中用設(shè)備的飛行器的實(shí)例；
圖5示出圖1水中用設(shè)備的控制單元的實(shí)例；
圖6a示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)例布置在xy平面內(nèi)的水中用設(shè)備的 實(shí)例，其中x表示垂直于水流方向的水平方向，并且y表示豎直方向；
圖6b示出布置在yz平面內(nèi)的圖6a的水中用設(shè)備，其中z表示水 平的水流方向；
圖6c示出布置在xz平面內(nèi)的圖6a的水中用設(shè)備；
圖7示出圖1水中用設(shè)備的水流驅(qū)動(dòng)飛行器的第二實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
在圖la、 lb和lc中，水中用設(shè)備1布置在例如海的水面2之下。 所述設(shè)備1包括水流驅(qū)動(dòng)飛行器(vehicle) 3，該飛行器通過(guò)線材6 固定在海底5的系泊裝置4中。線材6的長(zhǎng)度例如為50-200米。在圖 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限定豎直方向。飛行器可以在線材范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。然而，在 圖la、 lb和lc中，飛行器在球面內(nèi)沿著形成為數(shù)字8的從不終止的 軌跡7運(yùn)動(dòng)，所述球面具有等于線材長(zhǎng)度的彎曲半徑。所述軌跡優(yōu)選 地選擇成使得飛行器總是位于海面之下。例如，所述軌跡可以選擇成 使得線材總是終止在海面之下的10-20米處。由此飛行器不經(jīng)受通常 靠近海面存在的渦流，并且可最小化渦輪氣蝕的危險(xiǎn)。具有形成為數(shù) 字8軌跡的優(yōu)點(diǎn)就是線材不會(huì)扭絞，并且因此不需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置將 線材6連接到系泊裝置4。
在圖2中，水流驅(qū)動(dòng)飛行器3是翼形物(wing)，也就是升力體 (lifting body )。翼形物例如具有大約15米的翼展s，以及例如2-3米 的寬度(考得(cord)) c。翼形物的厚度可以是寬度的10-20%。翼形 物優(yōu)選由支撐一個(gè)表面結(jié)構(gòu)的桿柱(spar)制成。在一個(gè)實(shí)例中，所
述桿柱由碳纖維復(fù)合材料制成。所述表面結(jié)構(gòu)例如由玻璃纖維復(fù)合材 料制成。
在所示的實(shí)施例中，包括一個(gè)渦輪的渦輪裝置9通過(guò)桿10安裝到 飛行器的結(jié)構(gòu)上。渦輪9和桿IO可由金屬或金屬化合物制成，例如由 不銹鋼制成。在一個(gè)實(shí)例中，渦輪9具有可調(diào)節(jié)的葉片，而在另一實(shí) 例中，渦輪9的葉片固定地安裝。渦輪的直徑例如為1到1.5米。線 材6固定在渦輪9中。渦輪9可操作地連接到布置用于產(chǎn)生電能的發(fā) 電機(jī)(未示出)，所產(chǎn)生的電能經(jīng)由結(jié)合到線材中或固定到線材的電纜 分配。在一個(gè)實(shí)例中，發(fā)電機(jī)是速度控制的，而在另一實(shí)例中，發(fā)電 機(jī)不是速度控制的。經(jīng)由配電網(wǎng)從系泊裝置4進(jìn)一步分配電力。
具有渦輪9、桿10和線材6的飛行器3的密度優(yōu)選稍低于水的密度。
在圖3中，線材6包括例如由碳纖維材料制成的兩根支撐絞合電 纜lla、 11b和電纜12。線材還進(jìn)一步包括用于與飛行器3數(shù)據(jù)通信 的附加低壓電纜或光纜13。支撐電纜lla、 llb、電纜12以及低壓電 纜或光纜13封裝在例如由橡膠材料或塑料制成的套14內(nèi)。
飛行器3優(yōu)選僅由水流供能。但是，在某些情況下，例如當(dāng)出現(xiàn) 錯(cuò)誤狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)可用作電機(jī)，其通過(guò)安裝在飛行器處的一節(jié)或幾 節(jié)電池(未示出)供能。然后，發(fā)電機(jī)/電機(jī)可驅(qū)動(dòng)飛行器到達(dá)海面， 以便運(yùn)輸?shù)骄S修地點(diǎn)。當(dāng)然這種情況是假定飛行器首先從線材釋放。 發(fā)電機(jī)還可為了其它目的用作電機(jī)，例如為了驅(qū)動(dòng)飛行器到海底的系 泊位置。
在圖4中，桿10通過(guò)軸承裝置8安裝到飛行器3，這樣飛行器至 少在俯仰方向(pitch direction )上自由3走轉(zhuǎn)，但是優(yōu)選還在側(cè)傾方向 (roll direction)上旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，渦輪和飛行器之間的關(guān)系固定在 偏航方向(yaw direction)上。飛行器相對(duì)于渦輪自由旋轉(zhuǎn)的事實(shí)確 保渦輪設(shè)備總是基本面對(duì)相關(guān)的水流方向，也就是水流方向垂直于由 渦輪葉片限定的平面。在圖4中，軸承裝置是萬(wàn)向軸承(universal bearing )。萬(wàn)向軸承提供在俯仰方向和側(cè)傾方向上的自由旋轉(zhuǎn)特征。
在圖4所示的實(shí)例中，渦輪牢固地安裝到所述桿，或與所述桿結(jié)合， 而所述桿的面對(duì)飛行器的另一端通過(guò)軸承裝置8安裝到飛行器。然而， 在可供選擇實(shí)例(未示出)中，軸承裝置8安裝在所述桿的面對(duì)渦輪 的一端。在另一實(shí)例(未示出)中，渦輪牢固地安裝到所述桿或與所 述桿結(jié)合，并且所述桿的面對(duì)飛行器的另一端牢固地安裝到飛行器或 與飛行器結(jié)合。
在圖5中，安裝在飛行器上的控制系統(tǒng)15布置用于在預(yù)定軌跡7 中導(dǎo)引飛行器，而不超過(guò)飛行器和渦輪上的結(jié)構(gòu)載荷極限和渦輪上的 電載荷極限?？刂葡到y(tǒng)15的其它功能需求是為了穩(wěn)定飛行器3并最優(yōu) 化或控制所述裝置在從不終止的軌跡7中的功率輸出。
在所示的實(shí)例中，控制系統(tǒng)15具有用于導(dǎo)向和跟蹤的四個(gè)輸入信 號(hào)。第一輸入信號(hào)(即當(dāng)前的傾角a，見(jiàn)圖lb)和第二輸入信號(hào)(即 當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角P，見(jiàn)圖lc)由安裝在線材6的系泊裝置4處的角度探 測(cè)裝置(未示出)提供，并且例如經(jīng)由前述線材6中的電纜13饋送到 控制系統(tǒng)15。第一傾角信號(hào)a限定線材6和水平平面之間的角度。第 二旋轉(zhuǎn)角信號(hào)P限定線材6和水平水流方向之間的角度。兩個(gè)角度測(cè) 量裝置進(jìn)一步安裝在飛行器的軸承裝置8中。這兩個(gè)角度測(cè)量裝置布 置用于提供指示飛行器3和所述桿10之間的側(cè)傾角的第三輸入信號(hào)到 控制系統(tǒng)，并且提供指示飛行器3和所述桿10之間的俯仰角的第四輸 入信號(hào)。例如可以從飛行器處的慣性測(cè)量單元提供另外的傳感數(shù)據(jù)， 以便精確控制系統(tǒng)15的計(jì)算指令。另外的傳感數(shù)據(jù)還可以與水深相 關(guān)。
由控制系統(tǒng)處理傾角數(shù)據(jù)a、旋轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)P、側(cè)傾角數(shù)據(jù)和俯仰 角數(shù)據(jù)，并且輸出飛行器3的第一控制表面16 (圖2)的指令角和飛 行器3的第二控制表面17的指令角。在處理過(guò)程中，計(jì)算飛行器所需 的俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)的值，以便沿著預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。接著控制系統(tǒng)在笫 二步驟中提供安裝到其相應(yīng)控制表面16、 17上的每個(gè)伺服致動(dòng)器(未 示出)的指令角。接著控制表面上的液體動(dòng)力導(dǎo)致飛行器和渦輪偏航 和側(cè)傾，以便沿著預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。用于計(jì)算第一和第二表面16、 17
的指令角的算法不形成本發(fā)明的部分。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在 給定物理?xiàng)l件下提供用于在預(yù)定軌跡中導(dǎo)引根據(jù)上述的飛行器的算法 屬于常規(guī)操作。然而可以說(shuō)當(dāng)飛行器在其軌跡中運(yùn)行時(shí)線材中的力和
拉力非常高。因此在確定控制表面16、 17的指令角的過(guò)程中，線材6 大致可為線性桿。
在圖6a、 6b和6c中，在與圖l相同的坐標(biāo)系中示出飛行器3的 可供選擇的從不終止的軌跡7的實(shí)例。在圖6a、 6b和6c中所示的軌 跡形成為橢圓形。所示的從不終止的軌跡在系泊裝置4處需要旋轉(zhuǎn)裝 置，以避免扭絞線材。
在圖7中，飛行器在其每個(gè)端部處設(shè)有兩個(gè)附加的渦輪18、 19。 渦輪通過(guò)允許渦輪在俯仰方向上自由旋轉(zhuǎn)的軸承而安裝到飛行器。布 置用于產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)連接到每個(gè)渦輪。電纜將每個(gè)附加的渦輪發(fā) 電機(jī)連接到線材6的電纜12，以便進(jìn)一步分配。
在所示的實(shí)例中飛行器是翼形物。然而，本發(fā)明并不限于翼形物 形式的飛行器。例如，飛行器可由布置成彼此疊置并通過(guò)間隔元件隔 開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)翼形物形成。
權(quán)利要求
1. 一種用于產(chǎn)生能量的水中用設(shè)備(1)，所述水中用設(shè)備包括至少一個(gè)渦輪(9；18，19)，其特征在于:所述渦輪(9；18，19)安裝在水流驅(qū)動(dòng)飛行器(3)上，并且所述水流驅(qū)動(dòng)飛行器通過(guò)至少一根線材(6)固定在一結(jié)構(gòu)(4)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中用設(shè)備(1 )，其特征在于所述水 流驅(qū)動(dòng)飛行器(3)是至少一個(gè)翼形物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述飛 行器(3)相對(duì)于每個(gè)渦輪(9;18，19)至少在俯仰方向上基本自由地 旋轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述飛 行器(3)相對(duì)于所述至少一個(gè)渦輪(9;18，19)在側(cè)傾方向上基本自 由地旋轉(zhuǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所迷的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所 述至少一個(gè)渦輪(9;18，19)經(jīng)由桿(10)安裝在飛行器(3)上，并 且旋轉(zhuǎn)聯(lián)接器(8)安裝在所述桿(10)的一端，以便將渦輪(9)或 飛行器(3)樞轉(zhuǎn)地連接到所述桿。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述旋 轉(zhuǎn)聯(lián)接器(8)包括萬(wàn)向軸承。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述至 少一個(gè)渦輪(18， 19)通過(guò)旋轉(zhuǎn)聯(lián)接器(8)直接安裝在飛行器(3) 上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水中用設(shè)備(l)，其特征在于所述水 流驅(qū)動(dòng)飛行器(3)設(shè)有操縱裝置(16， 17)，并且控制單元(15)布 置用于為所述操縱裝置(16， 17)提供控制信號(hào)，從而以預(yù)定軌跡(7) 操縱飛行器(3)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述預(yù) 定軌跡(7)形成于至少部分地橫過(guò)水流方向的球面中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述 操縱裝置(16， 17)包括至少一個(gè)控制表面。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述 渦輪(9;18，19)可操作地連接到布置用于產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的水中用設(shè)備(1 )，其特征在于所述 發(fā)電機(jī)可操作地連接到布置用于分配所述電能的電纜(12)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的水中用設(shè)備(1)，其特征在于所述 電纜(12)至少部分地結(jié)合到所述線材(6)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生能量的水中用設(shè)備。該水中用設(shè)備包括至少一個(gè)渦輪(9)，其特征在于所述渦輪(9)安裝在水流驅(qū)動(dòng)飛行器(3)上，并且所述水流驅(qū)動(dòng)飛行器(3)通過(guò)至少一根線材(6)固定在一結(jié)構(gòu)中。
文檔編號(hào)F03B17/06GK101379291SQ200780004292
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月2日
發(fā)明者M·蘭德貝里 申請(qǐng)人:米內(nèi)斯圖股份公司