具有可變浮力的水力渦輪機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電力的浮動(dòng)式渦輪機(jī)，以及使用這種渦輪機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]海水的密度比空氣大832倍，這意味著5節(jié)的潮流比350公里每小時(shí)的風(fēng)具有更多的動(dòng)能。已知方案具有位于具有高潮流的沿海區(qū)域內(nèi)的水下渦輪機(jī)，諸如由英國(guó)布里斯托的海流禍輪機(jī)公司在北愛爾蘭的Strangford Lough運(yùn)行的方案。在此，由潮流的作用導(dǎo)致具有15至20米跨度的渦輪機(jī)葉輪以每分鐘10-20轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。在北愛爾蘭的StrangfordNarrows有一種原型機(jī)為可操作的，并且采用兩個(gè)16米直徑的轉(zhuǎn)子來在2.4米/秒的流速下形成1.2MW的額定功率。這導(dǎo)致對(duì)于整個(gè)渦輪機(jī)系統(tǒng)而言具有將水動(dòng)能轉(zhuǎn)換成43%電力的有效效率。
[0003]然而，這類項(xiàng)目的部署取決于產(chǎn)生適當(dāng)潮流的局部沿海條件，而不適合于例如離岸的深水。因此，對(duì)于使用水來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)來產(chǎn)生電力的深水解決方案存在需求，并且其:
[0004]1)可部署在沒有顯著自然潮流的水中；以及
[0005]2)具有所利用的每平方米海床的高功率輸出。
[0006]浮力發(fā)電機(jī)在本領(lǐng)域內(nèi)從TO2009/026610，GB2456798，US2006/017292，GB507093和 US2005188691 已知。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一方面通過提供用于存儲(chǔ)和產(chǎn)生電力的可浮動(dòng)渦輪機(jī)來解決上述問題，其可在大致豎直取向的引導(dǎo)件上移動(dòng)，以使渦輪機(jī)可在重力作用下沿著引導(dǎo)件向下移動(dòng)。渦輪機(jī)設(shè)備具有負(fù)的浮力，以便于其下沉，但進(jìn)一步設(shè)置有可調(diào)節(jié)的浮力裝置，以允許渦輪機(jī)裝置在需要時(shí)可被賦予正浮力。當(dāng)被賦予正浮力時(shí)，渦輪機(jī)設(shè)備在浮力作用下沿著豎直取向的引導(dǎo)件向上向回浮動(dòng)。當(dāng)在重力作用下沿著引導(dǎo)件向下移動(dòng)以及在浮力的作用下沿著引導(dǎo)件向上向回移動(dòng)時(shí)，由水通過渦輪機(jī)葉輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生有效的人工潮流，水通過渦輪機(jī)葉輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這又導(dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。
[0008]為了提供可控的浮力，在一些實(shí)施例中，提供壓縮機(jī)，其以適當(dāng)?shù)膲毫嚎s空氣供應(yīng)到設(shè)置在引導(dǎo)件下端部處的對(duì)接端口，以及當(dāng)渦輪機(jī)設(shè)備到達(dá)引導(dǎo)件的端部時(shí)對(duì)接到對(duì)接端口。渦輪機(jī)設(shè)備設(shè)置有可將壓縮空氣或其它氣體栗送到其內(nèi)的沉浮罐(或壓載艙)或類似的浮力調(diào)節(jié)裝置，諸如浮力袋，以便將總體為正的浮力賦予給渦輪機(jī)設(shè)備。
[0009]運(yùn)行壓縮機(jī)所需的能量是很重要的，因?yàn)橛蓧嚎s機(jī)壓縮足夠的空氣或氣體以賦予正浮力所需提供的能量低于由渦輪機(jī)設(shè)備在其向下和隨后的向上路徑兩者上所產(chǎn)生的能量總和，于是裝置在發(fā)電方面將是提供正能量的。
[0010]在一個(gè)優(yōu)選的部署情形中，多個(gè)這樣的渦輪機(jī)和引導(dǎo)件單元被部署為“農(nóng)場(chǎng)”，其具有用于將壓縮空氣供應(yīng)到單元的單個(gè)壓縮機(jī)單元。渦輪機(jī)的上下“工作周期”在時(shí)間上是錯(cuò)開的，使得在任何一個(gè)時(shí)刻下只有一個(gè)或一個(gè)子組的渦輪機(jī)被供以壓縮空氣，而剩下的或大部分的渦輪機(jī)處于其相應(yīng)的工作周期下，并因此產(chǎn)生電力。
[0011]在一個(gè)典型的部署下，可設(shè)想到渦輪機(jī)葉輪可在10至20米直徑的區(qū)域中，以及所述渦輪機(jī)和相關(guān)的發(fā)電設(shè)備和沉浮罐的重量為8至15噸的數(shù)量級(jí)。引導(dǎo)件裝置的長(zhǎng)度可設(shè)想到在100至1000米的范圍內(nèi)。例如，在1000米長(zhǎng)度的引導(dǎo)件裝置上的10噸的渦輪機(jī)具有98兆焦耳的勢(shì)能。如果它以2.4米/秒的速度下沉，假定效率為100%，則將可得到235.5kW的理論最大功率。雖然這樣的效率是不可能的，甚至如果只考慮30%的儲(chǔ)備效率，那么也會(huì)產(chǎn)生超過70kW的功率輸出。以其與現(xiàn)有技術(shù)渦輪機(jī)相同的效率(43 % )來計(jì)算，則在416秒內(nèi)(渦輪機(jī)沿著引導(dǎo)件下降1000米所花費(fèi)的時(shí)間)能夠產(chǎn)生超過1 OOkW的功率。
[0012]在1000米水下，水壓約為100個(gè)大氣壓(?1470psi)，但是諸如可購自Hydro-Pac，Inc.的高壓壓縮機(jī)能夠產(chǎn)生1500psi(10MPa)的排氣壓力，在來自45kW電機(jī)功率的這樣的壓力下，每小時(shí)能夠提供例如111正常立方米(以舉例的方式參見具體型號(hào)Cl.56-70/140LX)。為了升高來自海底的10噸重的質(zhì)量，則需要移動(dòng)超過10立方米的水來產(chǎn)生正浮力，但通過這種壓縮機(jī)，該空氣量能在比渦輪機(jī)沿著引導(dǎo)件下沉所花費(fèi)的時(shí)間更短的時(shí)間內(nèi)以適當(dāng)?shù)膲毫?yīng)。具體地，在每小時(shí)111標(biāo)準(zhǔn)立方米的速率下，在416秒的時(shí)間內(nèi)，則可在比周圍的水的壓力大的壓力下，供應(yīng)總共12.82立方米的空氣，其相比用于升高渦輪機(jī)的量時(shí)綽綽有余的。由于渦輪機(jī)也將在向上的途中產(chǎn)生電力，因此系統(tǒng)是產(chǎn)生正能量的。這是因?yàn)橥瑫r(shí)所產(chǎn)生的的功率中有一部分要用于運(yùn)行壓縮機(jī)，但這個(gè)功率顯著小于由渦輪機(jī)在其下沉和上升時(shí)所產(chǎn)生的功率量。
[0013]鑒于上述情況，從一個(gè)方面，本發(fā)明提供可浮動(dòng)的渦輪機(jī)，其包括可旋轉(zhuǎn)的一組渦輪機(jī)葉輪;所述渦輪機(jī)葉輪聯(lián)通地聯(lián)接到電力產(chǎn)生(或發(fā)電)系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)布置成當(dāng)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電力;所述可浮動(dòng)的渦輪機(jī)還設(shè)置有浮力控制系統(tǒng)，所述浮力控制系統(tǒng)被設(shè)置成可控地將正浮力賦予給可浮動(dòng)分渦輪機(jī);所述渦輪機(jī)還設(shè)置有引導(dǎo)件隨動(dòng)件，其被布置成隨動(dòng)于所述渦輪機(jī)而沿其移動(dòng);所述可浮動(dòng)渦輪機(jī)用于浸沒在水中，所述渦輪機(jī)葉輪被布置成當(dāng)渦輪機(jī)移動(dòng)通過水時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
[0014]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供懸浮于水中的空氣塔。該塔包括從水表面上方延伸到水表面下方深度的管道。該管道是開放的，并且充滿了來自水表面上方的相對(duì)溫暖和潮濕的空氣。隨著水深度的增加，水的溫度降低。例如，海洋具有不同的層，其中最上層稱為表面層。該層可延伸到具有約22攝氏度溫度的表面下方約250米。在表面層之下，存在溫躍層，其是溫度邊界層。溫躍層范圍可從海平面以下的250至1000米，其中水溫度跨過溫躍層從約22下降到約5攝氏度。
[0015]懸浮空氣塔由環(huán)境水溫度進(jìn)行冷卻，并且可延伸跨過整個(gè)海水溫躍層。由環(huán)境水在塔上進(jìn)行的冷卻效果當(dāng)水深度增加以及水溫下降時(shí)更突出。該被冷卻的塔用于冷卻其內(nèi)所含的空氣并且溫暖和潮濕的空氣被冷卻到其飽和極限以下。低于該飽和極限，則水從空氣冷凝到塔內(nèi)側(cè)上并在塔內(nèi)作為雨水下落。
[0016]水將被收集在塔內(nèi)，形成非鹽水的儲(chǔ)藏。該水可從塔中栗送出，并例如用于人或動(dòng)物飲用或灌溉。因此，提供了非鹽水生成系統(tǒng)，其僅需要非常少的能量來將非鹽水從空氣塔內(nèi)栗送出來。相比較而言，目前的水凈化系統(tǒng)，諸如采用反滲透的那些，需要大量的能量來提供非鹽水。
[0017]可使用在塔周圍的水、塔壁本身和/或塔內(nèi)空氣之間的主動(dòng)或被動(dòng)熱交換系統(tǒng)來促進(jìn)空氣在水塔內(nèi)的冷卻。
[0018]將水冷凝之后產(chǎn)生的冷卻空氣從塔被栗送出去，并用于冷卻目的。栗可位于塔內(nèi)或塔外，以便將冷的和非潮濕的空氣栗送到使用其進(jìn)行氣候控制的住宅或商業(yè)機(jī)構(gòu)，從而例如減少對(duì)空氣調(diào)節(jié)的需求。使用栗送的冷空氣進(jìn)行的氣候控制能節(jié)省能源，否則這些冷空氣將被用于對(duì)作為空氣調(diào)節(jié)單元一部分的溫暖空氣致冷。另外，當(dāng)冷空氣從空氣塔被栗送出去時(shí)，溫暖和潮濕的空氣從水表面被吸入到塔內(nèi)，以保持塔內(nèi)的冷凝過程。
[0019]空氣塔可延伸到其所形成在內(nèi)的水體床中，或僅部分地延伸到床，空氣塔可通過結(jié)構(gòu)或系繩固定到床。
[0020]本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和方面在所附權(quán)利要求書中將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0021]本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將從對(duì)其實(shí)施例的以下描述并通過參考附圖更加明顯，所述實(shí)施例僅以實(shí)例的方式呈現(xiàn)，其中相同的附圖標(biāo)記指代相同的部分，并且其中:
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的渦輪機(jī)設(shè)備的示意性側(cè)視圖；
[0023]圖2是圖1所示渦輪機(jī)設(shè)備的示意性平面視圖；
[0024]圖3是示出在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的典型部署方案的圖；
[0025]圖4是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中使用的引導(dǎo)件的變型的圖；
[0026]圖5是示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的操作方法的流程圖；
[0027]圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的渦輪機(jī)設(shè)備的示意性側(cè)視圖；
[0028]圖7a是第一導(dǎo)軌系統(tǒng)的剖視圖；
[0029]圖7a是第二導(dǎo)軌系統(tǒng)的剖視圖；
[0030]圖8是空氣塔下部部分的示意圖；
[0031 ]圖9是轉(zhuǎn)子節(jié)距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；
[0032]圖10是壓力釋放閥的控制的流程圖；和
[0033]圖11是轉(zhuǎn)子葉輪的示意性側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]圖1和圖2示出形成本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性可浮動(dòng)的渦輪機(jī)10。可浮動(dòng)的渦輪機(jī)10設(shè)置有渦輪機(jī)葉輪12，其連接到容納電力產(chǎn)生設(shè)備的發(fā)電機(jī)殼體14。例如，發(fā)電機(jī)殼體14可容納合適的傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)被耦聯(lián)到所述傳動(dòng)裝置并被布置成當(dāng)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電力。渦輪機(jī)葉輪被布置為當(dāng)可浮動(dòng)渦輪機(jī)10上下移動(dòng)通過水時(shí)，它們圍繞發(fā)電機(jī)殼體14旋轉(zhuǎn)。
[0035]可浮動(dòng)的渦輪機(jī)被布置成在引導(dǎo)件20上面上下移動(dòng)，在該實(shí)施例中所述引導(dǎo)件經(jīng)過渦輪機(jī)的中心軸線，葉輪圍繞所述中心軸線旋轉(zhuǎn)。在其它實(shí)施例中，引導(dǎo)件可采取不同的形式，而不必在中心軸線上。例如，在一個(gè)替代性的實(shí)施例中，引導(dǎo)件可采取水填充的穿孔管道或管道狀主體的形式，可浮動(dòng)的渦輪機(jī)移動(dòng)而通過穿孔管道或管道狀主體。
[0036]所述可浮動(dòng)渦輪機(jī)10設(shè)置有沉浮箱16，在該實(shí)施例中其包括沉浮罐18，所述沉浮罐18布置成當(dāng)希望將正浮力賦予到可浮動(dòng)渦輪機(jī)10時(shí)接收壓縮空氣或其它氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，壓載罐18是可膨脹的升降袋，諸如可在救助作業(yè)中使用的那些。然而，優(yōu)選地，袋設(shè)置有閥，使得一旦所述袋將可浮動(dòng)的渦輪機(jī)提升到淺的深度，則空氣從其釋放，使得渦輪機(jī)然后在重力作用下下沉回到引導(dǎo)件的端部。
[0037]在另