專利名稱：潮汐流能量轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從自然海洋潮流獲得能量的裝置，具有一個(gè)大體垂直于潮流方向安放的水壩并有一或多個(gè)內(nèi)裝把潮汐能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎媚芰刻貏e是電能，的裝置的通道。
常言所說的類似裝置也稱潮汐發(fā)電站。在選定潮汐發(fā)電站站址時(shí)，乞今幾乎只考慮那些自然條件下出現(xiàn)八米或八米以上極高水位的海灣。這樣的地址非常少有；一般水位小得多。最大的，也是最箸名的潮汐發(fā)電站是六十年代在法國東布里塔尼的圣瑪洛附近拉朗斯(La Rance)河灣建設(shè)的。該發(fā)電站有一個(gè)封閉整個(gè)海灣的圍壩，只留有一或數(shù)個(gè)輪廓分明的通道，內(nèi)裝透平機(jī)把水流能量轉(zhuǎn)換為可利用、易傳輸?shù)男问?，此處為電能。盡管世界上有一些其它海灣可筑類似堤壩，例如英國的色溫，加拿大的方地灣，乞今實(shí)際技術(shù)實(shí)現(xiàn)僅限于上述法國潮汐發(fā)電站。
主要用于天然或其它海灣的潮汐發(fā)電站例子見于USP4,464,080美國專利說明和WO91/11614國際專利申請。這些案子中，在海灣建筑一或數(shù)個(gè)堤壩，內(nèi)含一或數(shù)個(gè)透平機(jī)，把潮汐能量轉(zhuǎn)換為電力。但是后一個(gè)專利申請也描述了在這種發(fā)電站，往往要在壩前形成淺灘并湮沒鄰近陸地，造成生態(tài)損害。為了避免這些生態(tài)損害，上述專利申請?zhí)峒鞍l(fā)電站盡可能利用純動(dòng)能，而降低裝置兩側(cè)的水位落差。
礦物能源的供應(yīng)日益緊張，人們減少二氧化碳排放的呼聲日益增強(qiáng)，用可持續(xù)替代能源形成大部分耗用能量以滿足不斷增長的能源需要的社會(huì)要求也日益提高。如果全世界潮汐能量的利用僅限于上述目前認(rèn)為適于建筑潮汐發(fā)電站的地點(diǎn)，世界上可資利用的總潮汐能量僅有很小的一部分可被開發(fā)。尤其是海岸無特大天然潮汐水頭的國家，如荷蘭等大多數(shù)國家，就不能利用這種能量。
本發(fā)明旨在提供一種可消除上述缺點(diǎn)，并尤其適用于潮汐起落不大的地區(qū)而不降低其效益的潮汐發(fā)電站。
為達(dá)到該目的，本發(fā)明的特征在于一種筑于海底、大體垂直于海岸、長度足以干涉天然潮汐波形的堤壩。該結(jié)構(gòu)堤壩與已知用于獲取潮汐能量的堤壩的一個(gè)根本區(qū)別在于，本發(fā)明裝置的堤壩大規(guī)模地，從而顯箸地干涉潮汐波的波形的傳播，不論水平潮汐還是垂直潮汐。壩的長度、地址及方位要據(jù)此仔細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)際上，舉例來說，要求壩長與當(dāng)?shù)爻毕▽挾瘸杀壤?。這意味著，堤壩至少要約長于波寬的四分之一。以荷蘭北海沿岸為例，壩長為20公里左右。該例中，根據(jù)本發(fā)明，天然潮汐波的波形和傳播將受堤壩的顯箸影響。由此在堤壩兩側(cè)產(chǎn)生的水位差可以靠安裝在堤壩特定地段的透平機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電。與傳統(tǒng)的海灣封閉潮汐堤壩比較，本發(fā)明裝置有不造成封閉淺灘的優(yōu)點(diǎn)，所以預(yù)料生態(tài)損害很少。畢竟，根據(jù)本發(fā)明的堤壩伸向開闊的大海，而且總有一個(gè)游離的末端。
在這方面，以上述美國專利USP4.464.080為例，提出在開放的海上筑壩，然而所述堤壩不是筑于海底，而是采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，因其構(gòu)形和大小絕對不適于干涉潮汐波。該專利說明書，同于上述國際專利申請，目的在于利用純天然潮流動(dòng)能而不是產(chǎn)生顯著水位差。因此，與本發(fā)明比較，這種壩的最大功率要比本發(fā)明裝置低數(shù)倍，因?yàn)橐阎虊螞]有利用潮汐波的垂直成分，更不用說增強(qiáng)該成分。
根據(jù)本發(fā)明，裝置的一個(gè)特殊構(gòu)形的特征在于，在堤壩的游離端設(shè)置了一個(gè)與前述堤壩成角度的第二堤壩。設(shè)一或數(shù)個(gè)這種與主壩游離端成角度的壩會(huì)加強(qiáng)對潮汐波的作用，從而得到更多能量。
根據(jù)本發(fā)明，裝置的另一個(gè)構(gòu)形的特征在于，堤壩設(shè)置一個(gè)有閘門通道的系統(tǒng)，其一或數(shù)個(gè)但非所有的通道裝備上述換能裝置。采用類似裝置可以增強(qiáng)對天然潮汐波的干涉，即刻意地把帶閘通道作為時(shí)間和相對于潮汐波的實(shí)際進(jìn)程的位置的函數(shù)開啟。以此方法主觀改變抵達(dá)的潮汐波，并在波幅及相位上以有計(jì)劃的方式改變，也就是以顯著增加能量的方式改變。舉例說，帶閘通道中可安裝活板、滑板或者充氣或充水的活門裝置，裝在通道的可調(diào)節(jié)部件。而且，不是只建一個(gè)孤壩，可建一個(gè)有位于不同地點(diǎn)的數(shù)個(gè)堤壩的系統(tǒng)，相互補(bǔ)償波峰波谷，以實(shí)現(xiàn)較連續(xù)的能量輸出。本發(fā)明的裝置在這方面的一個(gè)優(yōu)選構(gòu)形，特征在于,大體上平行于堤壩建筑一個(gè)附加堤壩，第一堤壩與附加堤壩間距離大約為潮汐波長的一半或該半波長的數(shù)倍。該設(shè)計(jì)主要依據(jù)潮流具有波的特性，以及誘導(dǎo)潮汐振蕩可以從結(jié)構(gòu)上得到附加功率。這方面，人們注意到，此范圍內(nèi)潮汐波長應(yīng)當(dāng)理解為一種各常規(guī)天體影響的函數(shù)。
現(xiàn)參照幾個(gè)設(shè)計(jì)例和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，其中

圖1為本發(fā)明裝置第一設(shè)計(jì)例；圖2為本發(fā)明裝置第二設(shè)計(jì)例；圖3為本發(fā)明裝置第三設(shè)計(jì)例；圖4為本發(fā)明裝置第四設(shè)計(jì)例；圖5為本發(fā)明裝置第五設(shè)計(jì)例；以上各圖純?yōu)槭疽鈭D，而且沒有按照比例畫。為便于說明，有些尺寸作了顯著夸張。各圖中的相應(yīng)部位盡可能采用相同標(biāo)號(hào)。
圖1用示意形式畫出天然海岸線1的部分，如荷蘭北海沿岸為例。用虛線2和箭頭21、22分別示意表示沿岸潮汐波的傳播方向及相關(guān)潮流的變化方向。一般說，沿海岸線1自然的地區(qū)潮汐梯度不超過每公里1分米，因此不足以用傳統(tǒng)潮汐發(fā)電站得到有用輸出功率。然而，根據(jù)本發(fā)明，大體上垂直于海岸1設(shè)置堤壩3，其構(gòu)形和大小設(shè)計(jì)得使之能積極干涉潮流過程和潮汐波形。為此目的，壩長λ顯然與當(dāng)?shù)爻毕▽挾瘸杀壤@在荷蘭北海沿岸為90公里。該例采用約20公里的總壩長λ的堤壩3，它將設(shè)在荷蘭灣和登海爾得之間某地海岸1處。堤壩3可以依照通常方法建筑，例如采用就地取材的或別處運(yùn)來的砂石建筑。如果需要可以在外部用石頭或混凝土件加固。堤壩3也可以部分或全部用專用預(yù)制件建筑，用各種方法就地下沉及安裝，例如應(yīng)用現(xiàn)有海洋運(yùn)輸和噴灌(driving and spouting)技術(shù)。還可以以擱置后專門收來的油船之類的回收件為核心筑壩。因?yàn)榈虊蔚拇蟛糠譀]有嚴(yán)格的安全要求，堤壩可相對便宜。只要不影響結(jié)構(gòu)，一些水波的淹沒或越頂沒有害處。因此壩頂可有有限高度。
類似的堤壩3以改變其波形的方式形成天然潮汐波的障礙。在模擬、計(jì)算、現(xiàn)埸測量的基礎(chǔ)上可以預(yù)計(jì)潮汐波的改變過程。通過閘門3，設(shè)在堤壩中可以部分或完全啟閉的通道，可以動(dòng)態(tài)且準(zhǔn)確地控制堤壩對潮汐波的影響，因?yàn)槌毕傇谧兓⑹茱L(fēng)和波浪的影響。因此用類似堤壩，潮汐在很大程度上受控制以獲得顯著增大的動(dòng)力。被動(dòng)態(tài)操作的閘門還為預(yù)測沿海岸線的末來變化提供機(jī)會(huì)，不論變化是否人工誘導(dǎo)的。當(dāng)前條件下，荷蘭沿海寧靜的潮汐中流過計(jì)劃中類似堤壩3地區(qū)的水流約為每秒50萬立方米。在堤壩的區(qū)段5將通過專門預(yù)制的涵閘留出通道，內(nèi)裝已知的透平機(jī)，同樣連接發(fā)生能量的發(fā)電機(jī)。因此從流過的水流可獲得有用的能量形式。根據(jù)本發(fā)明，通過積極干涉潮流，不僅可以開發(fā)水平潮汐的動(dòng)能，即潮流的動(dòng)能，還可利用堤壩兩側(cè)水位差開發(fā)垂直的潮汐勢能，潮汐勢能用堤壩加以提高，本例中堤壩兩側(cè)水位差可達(dá)兩米。
綜上所述，通過上述堤壩，可在荷蘭北海沿岸得到約1500兆瓦電力，說明即使在天然潮汐有限的沿海國家，也可得到潮汐能量作為滿足國民可持續(xù)能源要求的補(bǔ)充。然而，針對世界上各個(gè)具體地方需要單獨(dú)的研究，根據(jù)當(dāng)?shù)爻毕珬l件、海底狀況、以及可能的其它自然、社會(huì)條件，如天然或人造淺灘、島、半島等，來示明壩的理想的大小，形式和壩址。一定條件下，例如海岸安全有特殊要求，或考慮到現(xiàn)有離岸島嶼，可以優(yōu)先考慮與陸地不連接的堤壩3取代連接陸地的堤壩，如圖3所示。
本發(fā)明第二設(shè)計(jì)例示于圖2。該例中堤壩3裝備有兩個(gè)交叉堤壩6。7，設(shè)在主壩游離端，伸展方向大體與主壩垂直。堤壩6、7可以相對于主壩3對稱，也可以在本設(shè)計(jì)例的框架內(nèi)作不對稱安排。這種交叉堤壩6、7增加了堤壩對潮汐波的作用，因此可以得到更多輸出能量。該作用還可以通過在堤壩3的另一端用人工屏障海灘改變海岸線來加強(qiáng)，人工屏障海灘的形式為堤壩兩側(cè)漸次沉降堆積的砂礫。這一專門設(shè)計(jì)的人工屏障海灘還有助于防止海岸線急劇變形。交叉堤壩6、7也可以配備閘門、閥門通道、或其它各種活門，以通過就近的通道改變潮流，并從而動(dòng)態(tài)且準(zhǔn)確地調(diào)控潮汐波。
如上文所述，堤壩也可以游離地置于海中，來取代與海岸連接，如圖3所示的本發(fā)明第三設(shè)計(jì)例。如此辦理可出自當(dāng)?shù)爻毕珬l件、為沿海航運(yùn)留出通道等社會(huì)經(jīng)濟(jì)理由。本設(shè)計(jì)例中，也有交叉堤壩6、7、9加強(qiáng)堤壩對潮汐流的作用。
圖4所示為本發(fā)明裝置的一個(gè)優(yōu)選設(shè)計(jì)例。該例中大體平行于堤壩3設(shè)置了類似的第二堤壩13。這個(gè)第二堤壩修建得距第一堤壩約為當(dāng)?shù)爻毕ㄩL的一半。在北海沿岸此波長為600公里左右，從而兩堤壩間距約為300公里。在同樣或其倍數(shù)間距條件下，潮汐波將會(huì)在兩堤壩3、13之間反射，產(chǎn)生壩間潮汐波振蕩。這會(huì)使堤壩兩側(cè)的水位差顯著升高，從而增加堤壩的輸出能量。就此而言，兩壩不必要相同。如本例所示，在第二壩上可留出帶發(fā)電機(jī)的區(qū)段5。特別是，在一定條件下第二堤壩13可由部分海岸形成，如圖5的本發(fā)明裝置的第五設(shè)計(jì)例所示。本例中天然海岸含有一個(gè)垂直于潮流伸向海洋的舌形突出23。如圖所示，通過與舌形突出23隔一定距離修建堤壩，與前例相同會(huì)產(chǎn)生一個(gè)潮汐波振蕩，在堤壩3前推起超常的水位，本例中堤壩與舌形突出23的間隔為潮汐波波長的一半或該半波長的倍數(shù)。
雖然上文通過五個(gè)設(shè)計(jì)例詳細(xì)說明了本發(fā)明，但是顯然本發(fā)明絕不限于所舉設(shè)計(jì)例。反之，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可有多種變化和形式。設(shè)計(jì)例的某些方面可以用于其它設(shè)計(jì)例。例如，在所有固定堤壩結(jié)構(gòu)中都可采用海岸調(diào)節(jié)。而且，交叉堤壩可以用于最后兩個(gè)設(shè)計(jì)例，以進(jìn)一步加強(qiáng)對潮汐波的作用。如需要，可以增減壩中可控制通道數(shù)量。如果不存在準(zhǔn)確控制對潮汐波作用的需要，這種通道可以完全省掉。
另外，如需要可在壩中設(shè)閘為當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)留出通道。但這種閘并非絕對必要，因?yàn)楹酱衫@堤壩遠(yuǎn)端航行。再有，堤壩還可用作其它目的，如安裝風(fēng)車，以補(bǔ)充在陸地安裝風(fēng)車所受的局限；登陸海底管線、電纜等傳輸裝置，以免在沖浪區(qū)或易破壞自然資源處登陸，創(chuàng)造與天然或人工島嶼的連接，同時(shí)有可能在該島嶼設(shè)一或數(shù)個(gè)透平機(jī)；存放污染物，例如存放在壩體上的坑道中，以解決陸地存放污染物所受局限。
無論如何，本發(fā)明裝置的主要效益總能達(dá)到得到潮汐能量，即使在世界上用傳統(tǒng)潮汐發(fā)電站不能提供足夠的有效益地開發(fā)的可能性的地方。
權(quán)利要求
1．一種從自然海洋潮流獲得能量的裝置，具有一個(gè)大體垂直于潮流方向安放的堤壩，后者具有一或多個(gè)內(nèi)裝把潮汐能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎媚芰康难b置的通道，其特征在于一個(gè)大體上垂直于海岸的堤壩，它座落于海底，長度足以干涉潮汐波的自然波形。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為，在堤壩游離端連接一個(gè)第二堤壩，延伸方向與前者垂直。
3．如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征為，堤壩的一端毗連海岸，并在此處通過壩兩側(cè)的人工屏障海灘調(diào)節(jié)海岸。
4．如權(quán)利要求1至3之一或之幾所述的裝置，其特征為，堤壩有一個(gè)閘門通道系統(tǒng)，一或數(shù)個(gè)但非全部通道裝備上述換能裝置。
5．如上述權(quán)利要求之一或之幾所述的裝置，其特征為，大體上平行于堤壩設(shè)置一個(gè)類似的附加壩，這個(gè)附加堤壩修建得距第一堤壩約為潮汐波長的一半或該半波長的數(shù)倍。
6．如上述權(quán)利要求之一或之幾所述的裝置，其特征為，在堤壩上設(shè)置閘門為當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)提供通道。
全文摘要
一種從自然海洋潮流獲得能量的裝置,具有一個(gè)大體垂直于潮流方向(2)安放的堤壩(3),堤壩(3)有一或多個(gè)通道(5),內(nèi)裝把潮汐能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎媚芰刻貏e是電能的裝置,根據(jù)本發(fā)明,堤壩在開放的海面上垂直于海岸(1)座落于海底,堤壩長度(λ)足以積極地干涉潮汐波的自然波過程。
文檔編號(hào)F04B27/18GK1225155SQ97196188
公開日1999年8月4日 申請日期1997年7月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月5日
發(fā)明者科內(nèi)利斯·亨德里克·赫爾斯伯格尼, 羅伯特·科內(nèi)利斯·斯泰吉恩 申請人:科內(nèi)利斯·亨德里克·赫爾斯伯格尼, 羅伯特·科內(nèi)利斯·斯泰吉恩