具有多个涡轮的潜水式发电设备 |
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| 申请号 | CN201380077044.8 | 申请日 | 2013-05-30 | 公开(公告)号 | CN105247206A | 公开(公告)日 | 2016-01-13 |
| 申请人 | 米内斯图股份公司; | 发明人 | 帕特里克·彼得森; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于产生 电能 的潜 水 式发电设备(1)。该潜水式发电设备(1)包括结构件(2)以及包括至少一个翼部(4)的运载器(3)。运载器(3)设置成被通过至少一个系链(5)固定到结构件(2)。运载器(3)设置成借助于经过翼部(4)的液流而在预定轨迹上运动。潜水式发电设备(1)包括设置成被附接至运载器(3)的翼部(4)上的至少第一 涡轮 (6)、第二涡轮(8)和第三涡轮(10)。第一涡轮(6)被连接到第一发 电机 (12)，第二涡轮(8)被连接到第二发电机(13)，并且第三涡轮(10)被连接到第三发电机(14)。第一涡轮(6)、第二涡轮(8)和第三涡轮(10)中的至少一个在翼部(4)的顶部表面(15)上附接至运载器(3)，并且第一涡轮(6)、第二涡轮(8)和第三涡轮(10)中的至少一个附接至翼部(4)的底部表面(16)。所述第一发电机(12)、第二发电机(13)和第三发电机(14)被设置成能够通过转矩控制而产生施加在相应的第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮(6、8、10)上的不同的 流体 动 力 学压力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于产生电能的潜水式发电设备(1)，所述潜水式发电设备(1)包括结构件(2)和运载器(3)，所述运载器包括至少一个翼部(4)，所述运载器(3)设置成通过至少一个系链(5)固定到所述结构件(2)；所述运载器(3)设置成借助于经过所述翼部(4)的液流而在预定轨迹上运动，所述潜水式发电设备(1)包括设置成附接至所述运载器(3)的所述翼部(4)上的至少第一涡轮(6)、第二涡轮(8)和第三涡轮(10)，所述第一涡轮(6)连接到第一发电机(12)，所述第二涡轮(8)连接到第二发电机(13)，所述第三涡轮(10)连接到第三发电机(14)， |
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| 说明书全文 | 具有多个涡轮的潜水式发电设备技术领域[0001] 本发明涉及用于产生电能的潜水式发电设备(submersible power plant，能潜水的发电设备)。该发电设备包括一结构件和包括至少一个翼部的运载器。运载器被设置成被通过至少一个系链(tether，系绳)固定到结构件上。运载器被设置成借助于经过翼部的液流而在预定轨迹上运动。发电设备包括被设置成被附接至运载器的翼部上的至少第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮。第一涡轮被连接到第一发电机，第二涡轮被连接到第二发电机，并且第三涡轮被连接到第三发电机。 背景技术[0002] 用于产生电能的潜水式电站在本领域中是已知的，例如见EP 1816345。在EPO1816345中，潜水式电站被附接至结构件上并且沿着轨迹运动，并由潮汐流提供动力。在EP 1816345中，潜水式电站通过使用控制系统而沿着预定轨迹行驶，其中该控制系统使用控制表面来控制该潜水发电设备。 [0003] 控制表面需要许多运动部件以及相关联的控制和动力系统，这些运动部件以及相关联的控制和动力系统容易磨损并且因此可能需要频繁维护。这增加了维护潜水式发电设备的成本并且减少了发电设备可以产生电力的时间。 [0004] 因此，期望提供一种改进的潜水式发电设备。 发明内容[0005] 本发明的一个目的是提供一种创新的潜水式发电设备，其中，先前提到的问题被部分地避免。这个目的被通过权利要求1的特征部分的特征实现。本发明的另一个目的是提供一种操纵包括飞翼的潜水式发电设备的方法。这个目的被通过权利要求11的特征部分的特征实现。 [0006] 本发明涉及一种用于产生电能的潜水式发电设备。该发电设备包括结构件以及包括至少一个翼部的运载器。运载器被设置成被通过至少一个系链固定到结构件上。运载器被设置成借助于经过翼部的液流而在预定轨迹上运动。发电设备包括被设置成被附接至运载器的翼部上的至少第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮。第一涡轮被连接到第一发电机，第二涡轮被连接到第二发电机，并且第三涡轮被连接到第三发电机。第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮中的至少一个在翼部的顶部表面上附接至运载器，并且第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮中的至少一个被附接至翼部的底部表面上。所述第一发电机、第二发电机和第三发电机被设置成能够通过转矩控制而产生施加在相应的第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮上的不同的流体动力学压力。本发明的优点是，通过使用转矩控制，可以施加不同的反转矩到不同的涡轮上，即，到第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮上，使得它们能够以不同的旋转速度旋转。涡轮因此是转矩控制的。发电机/马达，以及跟随的涡轮的转矩控制使得在翼部上引入可控制的阻力成为可能。由于涡轮被定位在与翼部的中心相距不同的距离处，因此它们的合成阻力是在偏转(pitch)和俯仰(yaw，偏航)两个方向上的。随着智能控制，这些涡轮可以影响翼部的运动，并且因此部分地或者完全地取代控制表面。管理涡轮的转矩的智能控制系统作用于涉及翼部的方向和位置的信息上。发电机/马达的转矩控制可以由在工业中常用的具有中断功能的伺服驱动器产生。 [0007] 被施加到相应的第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮上的不同的反转矩借助于不同的流体动力学压力，而由流体施加在所述第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮，从而导致将施加在运载器上的平移力和/或旋转力，导致运载器俯仰和/或偏转。不同的压力可以被施加在涡轮中的一个或者多个上。这个效果去除了对额外的控制表面(比如舵)的需要。去除比如舵的运动部件与伺服控制该舵一起提高了发电设备的耐用性。潜水式发电设备可替换地可以使用前支柱和后支柱来为系链提供远低于翼部的附着点。这降低了俯仰不稳定性和静水不平衡的影响。这是一种涉及多个部件和许多联接器的系统，并且因此设计和制造是相对复杂的，并且其可以增大潜水式电站的成本。 [0008] 在本发明中，支柱不再是必需的，其进一步减小了发电设备的复杂性。本发明也使得可以将系链联接器移动进翼部中或者移动进靠近翼部安装的联接设备中。 [0009] 此外，通过使用至少三个涡轮，每个涡轮可以被制造得比当仅仅使用一个涡轮时更小。这导致控制每个涡轮和发电机组合更为容易，因为每个涡轮和发电机的功率减小了。这意味着功率控制电子元件更容易设计。具有更小的涡轮也简化了发电机和它们的功率控制电子设备的冷却，并且可以导致总重量减小和机械负载更分散，便于结构设计。 [0010] 能够施加不同的反转矩到不同的涡轮上从而控制俯仰和/或偏转的另一个优点是，取决于运载器在它的预定轨迹上的位置而动态地控制俯仰和/或偏转是可能的。这使得能够最佳化每个发电机的功率输出以及运载器的行驶。 [0011] 该至少第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮可以具有用于产生电能的涡轮功能和用于向前或者向后推动运载器的推进器功能。该推进器功能被通过下述方式产生：第一、第二和第三发电机中的至少一个被通过施加到发电机上的动力而运行，使得它正向或者反向运行。 [0012] 能够例如通过使各自的发电机在正向方向上运行而将涡轮用作马达的优点是，更容易使发电设备开始沿着预定轨迹的运动，随后功能被切换到产生电能。当需要维护时，使运载器运行到水面上也是可能的。一个优点是，在安装或者维护之后运载器可以被从水面向下运行到工作深度。推进器功能的另一个优点是，对用于在发生故障的情况下用于到达水面进行救援进行检修的额外的系统或者潜水式发电设备的浮力控制的需要被减小。现在这可以被通过将涡轮用作引擎而实现。这个操作通过操作三个或者更多的涡轮来实现。 [0013] 发电设备可以包括大于三个的奇数个涡轮，其中在翼部的顶部表面上附接至运载器上的涡轮比被在运载器的底部表面上附接至运载器上的涡轮多一个。发电设备可以包括大于三个的奇数个涡轮，其中在翼部的顶部表面上附接至运载器上的涡轮比被在运载器的底部表面上附接至运载器上的涡轮少一个。发电设备可以包括转子直径比其余涡轮更大的至少一个涡轮。 [0014] 发电设备可以包括大于两个的偶数个涡轮，其中在翼部的顶部表面上附接至运载器上的涡轮的数量与在翼部的底部表面上附接至运载器上的涡轮数量相同。发电设备可以包括大于两个的偶数个涡轮，其中在翼部的顶部表面上附接至运载器上的涡轮比在翼部的底部表面上附接至运载器上的涡轮多，或者其中在翼部的底部表面上附接至运载器上的涡轮比在运载器的顶部表面上附接至运载器上的涡轮多。 [0015] 通过具有超过三个涡轮和发电机，发电变得是更冗余的，因为即使在一个涡轮和发电机故障的情况下，发电和推进器功能仍然可以继续。 [0016] 当一个涡轮没有在翼部的质心处附接至翼部的底部表面上时，系链通过被附接至运载器的翼部中的联接器上而附接至运载器上。通过不具有附接系链的任何支柱，将系链直接附接至运载器的翼部现在是可能的。这使发电设备的安装和维护更容易，因为不再需要将运载器升起到高于水面的高度，该高度等于在翼部下方的立柱的长度。该长度可以是翼部的宽度的量级。本发明允许运载器升起到水面之上仅仅很短的距离，使得运载器和系链之间的联接靠近或者在水面处。升起运载器使得它停靠在水面上，并且使得潜水员可以将系链从运载器的翼部脱离。 [0017] 当一个涡轮在翼部的质心处附接至翼部的底部表面上时，系链可以通过附接至连接至该涡轮的吊舱中的联接器而附接至运载器上。这允许涡轮具有不同的结构而仍然能够具有没有支柱的优点。 [0018] 发电设备可以包括至少一个固定的被动控制表面。为了运载器在转动之后适当地变直并且不会横向地漂移，或者以任何其他的方式与运载器的行进方向失准，发电设备的运载器可以具有被动控制表面。被动控制表面可以是在翼部的顶部或者底部侧上或者在这两侧上延伸的鳍的形状。被动控制表面也可以是将涡轮和发电机中的至少一个附接至翼部上的紧固部件的一部分。紧固部件可以从翼部升起和/或向前或者向后伸展，使得它采取对被动控制表面的功能而言适合的形状。被动控制表面可以是鳍和将涡轮和发电机附接至翼部上的紧固部件的组合。 [0019] 本发明也涉及一种操纵潜水式发电设备的方法。该潜水式发电设备包括结构件以及包括至少一个翼部的运载器。运载器设置成通过至少一个系链固定到结构件上。运载器设置成借助于经过翼部的液流而在预定轨迹上运动。发电设备包括设置成附接至运载器的翼部上的至少第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮。第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮中的至少一个在翼部的顶部表面上附接至运载器上。第一涡轮连接到第一发电机，第二涡轮连接到第二发电机，并且第三涡轮连接到第三发电机。所述第一发电机、第二发电机和第三发电机设置成能够对相应的第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮产生不同的反转矩。该方法包括： [0020] -通过第一发电机施加第一反转矩到第一涡轮，以将第一旋转速度设定至第一涡轮， [0021] -通过第二发电机施加第二反转矩到第二涡轮，以将第二旋转速度设定至第二涡轮， [0022] -通过第三发电机施加第三反转矩到第三涡轮，以将第三旋转速度设定至第三涡轮。 [0023] 本发明的方法的优点是，通过施加不同的反转矩到不同的涡轮，即，第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮，而提取不同量的功率，使得它们可以具有以不同的旋转速度旋转的能力。这通过不同的流体动力学压力流体施加至所述第一涡轮、第二涡轮和第三涡轮，而引起将施加在运载器上的平移力和/或旋转力，导致运载器俯仰和/或偏转。这去除了对比额外的控制表面(比如，舵)的需要。 [0024] 一般地，通过施加更大的反转矩到一个涡轮上，这个涡轮将改变运载器围绕转动的轴线。例如，为了入港，在翼部的质心的左舷(port side)上的涡轮将从它产生比在翼部的质心的右舷(starboard)上的涡轮更大的功率。 [0025] 该方法还可以包括： [0026] -通过由相应的发电机施加反转矩到在翼部的顶部表面上连接到运载器上的一个或者多个涡轮，而控制运载器的俯仰，其中该反转矩的总和与由相应的发电机施加到在翼部的底部表面上连接到运载器上的一个或者多个涡轮上的总反转矩不同。 [0027] 该方法还可以包括： [0028] -通过由相应的发电机施加反转矩到在翼部的质心的第一侧上连接到运载器上的一个或者多个涡轮上，而控制运载器的偏转，其中该反转矩的总和与由相应的发电机施加到在翼部的质心的第二侧上连接到运载器上的一个或者多个涡轮上的总反转矩不同。 [0029] 通过调节附接至翼部的顶部表面上和翼部的底部表面上的涡轮的反转矩，并且同时调节附接至翼部的质心的第一侧上和翼部的质心的第二侧上的涡轮的反转矩，能够产生组合了俯仰和偏转两者的操纵。该方法当然可以应用到任何数量的涡轮上。附图说明 [0030] 图1示意性地图示了根据本发明的潜水式电站。 [0031] 图2示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器的控制系统。 [0032] 图3示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0033] 图4a示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0034] 图4b示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0035] 图5示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0036] 图6a示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0037] 图6b示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0038] 图7示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0039] 图8示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0040] 图9示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 [0041] 图10示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备的运载器。 具体实施方式[0042] 在附图中，相同的特征具有相同的标号。 [0043] 图1示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1。潜水式发电设备1包括结构件2和运载器3，该运载器包括至少一个翼部4。运载器3通过至少一个系链5固定到结构件2，其中该结构件位于在水体的底部的表面上。运载器3设置成借助于经过翼部4的液流而在预定轨迹上运动。系链5设置成传输电力到发电设备1或者从该发电设备传输电力。潜水式发电设备1至少包括连接到第一吊舱7的第一涡轮6、连接到第二吊舱9的第二涡轮8以及连接到第三吊舱11的第三涡轮10。第一吊舱7、第二吊舱9和第三吊舱11分别包括第一发电机12、第二发电机13和第三发电机14，其中每个发电机12、13、14附接至它各自的涡轮6、8、10。每个吊舱也包括用以监测和控制各自的发电机并从而监测和控制运载器3的电子设备中的大部分。在图1中，第一涡轮6通过第一吊舱7在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3。第二涡轮8和第三涡轮10分别通过第二吊舱9和第三吊舱11在翼部4的底部表面16上附接至运载器3。每个吊舱7、9、11通过各自的的第一紧固部件17、第二紧固部件18和第三紧固部件19附接至翼部上。虽然涡轮和吊舱在整个详细说明中描述为单独的实体，但是这是为了说明的目的。涡轮是吊舱的一个集成部件当然也是可能的。 [0044] 所述第一发电机12、第二发电机13和第三发电机14设置成对各自的第一涡轮6、第二涡轮8和第三涡轮10产生不同的反转矩，以使潜水式电站在任何期望的方向上行进。 [0045] 运载器3还包括被动控制表面20。在图1中，被动控制表面20包括在运载器3的长度方向上延伸的第一吊舱7的第一紧固部件17。可替换地，紧固部件17、18、19中的一个或者多个可以一起充当被动控制表面20。被动控制表面20此外或者可替换地可以是在运载器3的长度方向上延伸的鳍的形状。 [0046] 图2示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3的控制系统。在图2中，第一涡轮6、第二涡轮8和第三涡轮10示意性地图示。第一涡轮6连接到第一发电机12，第一发电机又连接到第一转矩/功率控制电子设备21。第二涡轮8连接到第二发电机13，第二发电机又连接到第二转矩/功率控制电子设备22。第三涡轮10连接到第三发电机14，第三发电机又连接到第三转矩/功率控制电子设备23。系链5也连接到每个转矩/功率控制电子设备21、22、23。每个转矩/功率控制电子设备21、22、23和系链5又连接到机载计算机24上。机载计算机24输出控制信号到各个转矩/功率控制电子设备21、22、23，以智能地控制每个发电机12、13、14，并且由此智能地控制每个涡轮6、8、10，从而操纵运载器3。到机载计算机的输入例如是运载器3的方向和位置。这些输入可以通过各种传感器测量或者通过方向算法和位置算法计算。上文中的说明可以扩展到任何数量的涡轮和发电机。此外，机载计算机24可以由多于一个计算机构成。转矩/功率控制电子设备 21、22、23例如可以每个包括单独的机载计算机。机载计算机24可以定位在水体的底部或者岸上。在下文中的图中，仅仅提及了涡轮和吊舱的布置。将理解的是，每个涡轮附接至各自的吊舱上，其中每个吊舱包括连接到涡轮的发电机。每个吊舱还通过如上文所述的紧固部件附接至翼部的顶部表面或者底部表面上。系链5附接至在翼部4中或者在翼部的附近的联接器上，或者附接至在吊舱中的联接器(比如所述吊舱的外壳)上。 [0047] 图3示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图3中，第一涡轮6和第一吊舱7在翼部4的底部表面16上附接至运载器3。第二涡轮8和第二吊舱9以及第三涡轮10和吊舱11在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3。在这个结构中，系链5通过附接至第一吊舱7中的联接器上而附接至运载器3上。 [0048] 图4示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图4中，运载器3还包括第四涡轮25和第四吊舱26。第一涡轮6和第一吊舱7以及第二涡轮8和第二吊舱9在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。第三涡轮10和第三吊舱11以及第四涡轮25和第四吊舱26在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。 [0049] 图5a和5b示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图5a和5b中，运载器3还包括第五涡轮27和第五吊舱28。对涡轮6和第一吊舱7以及第二涡轮8和第二吊舱9在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。第三涡轮10和第三吊舱11以及第四涡轮25和第四吊舱26在翼部4的底部表面上附接至运载器3上。在图5a中第五涡轮27在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。在图5b中，第五涡轮27在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。在图5a和5b中，第五涡轮27比其他四个涡轮 6、8、10、25更大。所有五个涡轮6、8、10、25、27具有相同的尺寸也是可能的。 [0050] 图6示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图6中，运载器3还包括第六涡轮29和第六吊舱30。第一涡轮6和第一吊舱7以及第二涡轮8和第二吊舱9以及第三涡轮10和第三吊舱11在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。第四涡轮25和第四吊舱26以及第五涡轮27和第五吊舱28以及第六涡轮29和第六吊舱30在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。 [0051] 图7a和7b示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图7a和7b中，运载器3还包括第七涡轮31和第七吊舱32。第一涡轮6和第一吊舱7以及第二涡轮8和第二吊舱9以及第三涡轮10和第三吊舱11在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。第四涡轮25和第四吊舱26以及第五涡轮27和第五吊舱28以及第六涡轮29和第六吊舱30在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。在图7a中，第七涡轮31在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。在图7b中，第七涡轮31在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。与图5a和5b中所示的结构类似，这些涡轮中的一个具有的直径可以比其余涡轮更大。优选地，中心的涡轮(即，图7a中的第五涡轮27和图7b中的第二涡轮8)具有的直径比其余涡轮更大。具有直径比其余涡轮更大的超过一个涡轮是可能的。 涡轮具有的不同直径超过两种也是可能的。 [0052] 图8示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图8中，运载器3还包括第八涡轮33和第八吊舱34。第一涡轮6和第一吊舱7、第二涡轮8和第二吊舱9、第三涡轮10和第三吊舱11以及第四涡轮25和第四吊舱26在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。第五涡轮27和第五吊舱28、第六涡轮29和第六吊舱30、第七涡轮31和第七吊舱32以及第八涡轮33和第八吊舱34在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。 [0053] 图9示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图9中，运载器3包括在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上的第一涡轮6和第一吊舱7。第二涡轮8和第二吊舱9以及第三涡轮10和第三吊舱11在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。第一涡轮6和第二涡轮8二者在横向方向上都设置在翼部4的质心的一侧上。第三涡轮10和第三吊舱11优选地设置在翼部4的中心处，恰好在翼部4的质心的下方。在这个情况下，第三涡轮10大于第一涡轮6和第二涡轮8。当潜水式发电设备1的运载器3意图以圆形轨迹或者椭圆形轨迹运动时，这个结构是有益的。第三涡轮10可替换地可以在翼部4的中心处设置在翼部4的顶部表面15上，恰好在翼部4的质心的上方。 [0054] 图10示意性地图示了根据本发明的潜水式发电设备1的运载器3。在图6中，运载器3包括六个涡轮6、8、10、25、27、29和六个吊舱7、9、11、26、28、30。第一涡轮6和第一吊舱7、第二涡轮8和第二吊舱9、第三涡轮10和第三吊舱11以及第四涡轮25和第四吊舱26在翼部4的顶部表面15上附接至运载器3上。第五涡轮27和第五吊舱28以及第六涡轮29和第六吊舱30在翼部4的底部表面16上附接至运载器3上。而四个涡轮附接至底部表面上而两个涡轮附接至顶部表面上的相反的结构也是可能的。 [0055] 在权利要求中提及的标号不应该看作对权利要求保护的主题的范围的限制，并且它们的唯一功能是使权利要求更容易理解。 [0056] 如将认识到的一样，本发明能够在许多明显的方面进行更改，所有这些都不会脱离后附的权利要求的范围。因此，附图以及对其的说明将认为本质上是说明性的，而不是限制性的。上文中所说明的结构可以扩展到任何数量的涡轮。运载器在翼部的任一表面上而不是在翼部的相对侧上具有两个或者更多额外的涡轮也是可能的，例如运载器在运载器的上侧上具有四个涡轮并且在翼部的下侧上具有两个涡轮。 [0057] 涡轮之间的距离可以改变，以使能量输出和机动性最佳。在翼部的一侧上的所有涡轮之间具有相同的距离不是必需的。当在翼部的两侧上具有相同数量的涡轮时，在翼部的两侧上的涡轮之间具有相同的距离也不是必需的。 |
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