CN102506008A - 潮汐能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生能量的水中用设备。该水中用设备包括至少一个涡轮(9)，其特征在于：所述涡轮(9)安装在水流驱动飞行器(3)上，并且所述水流驱动飞行器(3)通过至少一根线材(6)固定在一结构中。

Description

潮汐能系统
本申请为申请号为200780004292.4、名称为“潮汐能系统”以及国际申请日为2007年1月31日的发明申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于产生能量的水中用设备，该水中用设备包括至少一个涡轮。
背景技术
要解决的主要全球性问题之一是如何为世界人口供应能量。必须减少使用矿物燃料并且用再生能源代替。
利用再生能源的大多数努力集中在风力供能系统上。风力供能发电系统具有风能本质上是间歇的问题。
目前存在用于由海流发电的水中用设备。那些设备通过线材固定到海底并且包括布置用于由潮水驱动的涡轮。
但是从水中用设备产生的动力需要在基本不增加成本的情况下增大，以便在商业上具有吸引力。
发明内容
本发明的一个目的是增大从水中用设备的动力输出。
所述目的通过一种用于产生能量的水中用设备来实现，所述水中用设备包括至少一个涡轮，其特征在于：所述涡轮安装在水流驱动飞行器上，并且所述水流驱动飞行器通过至少一根线材固定在一结构中。所述结构可以是静止的，诸如海底、河底、湖底等的系泊装置或位于海或湖中的风力设备或静止的水中用设备。所述结构还可以运动的，诸如船只。
根据本发明设备的飞行器以比水流速度高许多倍(具体在10到20倍之间)的速度运动。由此，飞行器上涡轮装置的效率比静止的转子装置的效率高出很多。
所述设备优选安装在在方向和速度上被良好限定并且可预知的水流环境下，诸如安装在河中、潮水影响区域以及在海流中。
根据本发明的设备使得从靠近海岸位置上的相对弱的海流和潮流环境友好地、合理地并且成本有效地产生能量，例如电能。根据本发明的设备还可在相对较大深度的近海使用，在近海几乎没有挑战技术。
根据本发明的一个优选实施例，水流驱动飞行器是翼形物，也就是升力体。
根据另一优选实施例的飞行器至少在俯仰方向上基本自由地旋转。所述飞行器适于在俯仰方向上的最适宜工作位置。所述飞行器还优选相对于涡轮在侧倾方向上基本自由地旋转。由此，涡轮将面对相关的水流方向，也就是水流将从垂直于由涡轮叶片限定平面的方向施加力到涡轮上。
在根据上述的飞行器自由旋转的一个优选实施例中，至少一个涡轮经由杆安装到飞行器上，并且旋转联接器安装在所述杆的一端，以便将涡轮或飞行器枢转地连接到所述杆。旋转联接器例如包括万向轴承。
在根据上述的飞行器自由旋转的另一优选实施例中，至少一个涡轮通过旋转联接器直接安装在飞行器上。
在本发明的另一优选实施例中，水流驱动飞行器设有操纵装置，并且控制单元布置用于为操纵装置提供控制信号，从而以预定轨迹操纵飞行器。操纵装置则可以包括一个或多个控制表面。
此外，线材将优选被拉紧，并且因此预定的轨迹形成于球面中。为了提供水流驱动，预定的轨迹将至少部分地横过水流方向。
根据本发明的一个实施例，涡轮可操作地连接到布置用于产生电能的发电机。发电机可操作地连接到布置用于分配所述电能的电缆。电缆可以例如至少部分地结合到线材中。然而，如果不需要连接到飞行器的电缆，所产生的电能可以例如用于使水电解，并且直接在飞行器处产生氢气。
附图说明
图1a示出根据本发明第一实例布置在xy平面内的水中用设备的实例，其中x表示垂直于水流方向的水平方向，并且y表示竖直方向；
图1b示出布置在yz平面内的图1a的水中用设备，其中z表示水平的水流方向；
图1c示出布置在xz平面内的图1a的水中用设备；
图2示出图1水中用设备的水流驱动飞行器的第一实例；
图3示出图1水中用设备的线材实例的横断面；
图4示出将涡轮安装到图1水中用设备的飞行器的实例；
图5示出图1水中用设备的控制单元的实例；
图6a示出根据本发明第二实例布置在xy平面内的水中用设备的实例，其中x表示垂直于水流方向的水平方向，并且y表示竖直方向；
图6b示出布置在yz平面内的图6a的水中用设备，其中z表示水平的水流方向；
图6c示出布置在xz平面内的图6a的水中用设备；
图7示出图1水中用设备的水流驱动飞行器的第二实例。
具体实施方式
在图1a、1b和1c中，水中用设备1布置在例如海的水面2之下。所述设备1包括水流驱动飞行器(vehicle)3，该飞行器通过线材6固定在海底5的系泊装置4中。线材6的长度例如为50-200米。在图1a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限定竖直方向。飞行器可以在线材范围内自由运动。然而，在图1a、1b和1c中，飞行器在球面内沿着形成为数字8的从不终止的轨迹7运动，所述球面具有等于线材长度的弯曲半径。所述轨迹优选地选择成使得飞行器总是位于海面之下。例如，所述轨迹可以选择成使得线材总是终止在海面之下的10-20米处。由此飞行器不经受通常靠近海面存在的涡流，并且可最小化涡轮气蚀的危险。具有形成为数字8轨迹的优点就是线材不会扭绞，并且因此不需要通过旋转装置将线材6连接到系泊装置4。
在图2中，水流驱动飞行器3是翼形物(wing)，也就是升力体(lifting body)。翼形物例如具有大约15米的翼展s，以及例如2-3米的宽度(考得(cord))c。翼形物的厚度可以是宽度的10-20％。翼形物优选由支撑一个表面结构的杆柱(spar)制成。在一个实例中，所述杆柱由碳纤维复合材料制成。所述表面结构例如由玻璃纤维复合材料制成。
在所示的实施例中，包括一个涡轮的涡轮装置9通过杆10安装到飞行器的结构上。涡轮9和杆10可由金属或金属化合物制成，例如由不锈钢制成。在一个实例中，涡轮9具有可调节的叶片，而在另一实例中，涡轮9的叶片固定地安装。涡轮的直径例如为1到1.5米。线材6固定在涡轮9中。涡轮9可操作地连接到布置用于产生电能的发电机(未示出)，所产生的电能经由结合到线材中或固定到线材的电缆分配。在一个实例中，发电机是速度控制的，而在另一实例中，发电机不是速度控制的。经由配电网从系泊装置4进一步分配电力。
具有涡轮9、杆10和线材6的飞行器3的密度优选稍低于水的密度。
在图3中，线材6包括例如由碳纤维材料制成的两根支撑绞合电缆11a、11b和电缆12。线材还进一步包括用于与飞行器3数据通信的附加低压电缆或光缆13。支撑电缆11a、11b、电缆12以及低压电缆或光缆13封装在例如由橡胶材料或塑料制成的套14内。
飞行器3优选仅由水流供能。但是，在某些情况下，例如当出现错误状态下，发电机可用作电机，其通过安装在飞行器处的一节或几节电池(未示出)供能。然后，发电机/电机可驱动飞行器到达海面，以便运输到维修地点。当然这种情况是假定飞行器首先从线材释放。发电机还可为了其它目的用作电机，例如为了驱动飞行器到海底的系泊位置。
在图4中，杆10通过轴承装置8安装到飞行器3，这样飞行器至少在俯仰方向(pitch direction)上自由旋转，但是优选还在侧倾方向(roll direction)上旋转。优选地，涡轮和飞行器之间的关系固定在偏航方向(yaw direction)上。飞行器相对于涡轮自由旋转的事实确保涡轮设备总是基本面对相关的水流方向，也就是水流方向垂直于由涡轮叶片限定的平面。在图4中，轴承装置是万向轴承(universalbearing)。万向轴承提供在俯仰方向和侧倾方向上的自由旋转特征。在图4所示的实例中，涡轮牢固地安装到所述杆，或与所述杆结合，而所述杆的面对飞行器的另一端通过轴承装置8安装到飞行器。然而，在可供选择实例(未示出)中，轴承装置8安装在所述杆的面对涡轮的一端。在另一实例(未示出)中，涡轮牢固地安装到所述杆或与所述杆结合，并且所述杆的面对飞行器的另一端牢固地安装到飞行器或与飞行器结合。
在图5中，安装在飞行器上的控制系统15布置用于在预定轨迹7中导引飞行器，而不超过飞行器和涡轮上的结构载荷极限和涡轮上的电载荷极限。控制系统15的其它功能需求是为了稳定飞行器3并最优化或控制所述装置在从不终止的轨迹7中的功率输出。
在所示的实例中，控制系统15具有用于导向和跟踪的四个输入信号。第一输入信号(即当前的倾角α，见图1b)和第二输入信号(即当前的旋转角β，见图1c)由安装在线材6的系泊装置4处的角度探测装置(未示出)提供，并且例如经由前述线材6中的电缆13馈送到控制系统15。第一倾角信号α限定线材6和水平平面之间的角度。第二旋转角信号β限定线材6和水平水流方向之间的角度。两个角度测量装置进一步安装在飞行器的轴承装置8中。这两个角度测量装置布置用于提供指示飞行器3和所述杆10之间的侧倾角的第三输入信号到控制系统，并且提供指示飞行器3和所述杆10之间的俯仰角的第四输入信号。例如可以从飞行器处的惯性测量单元提供另外的传感数据，以便精确控制系统15的计算指令。另外的传感数据还可以与水深相关。
由控制系统处理倾角数据α、旋转角数据β、侧倾角数据和俯仰角数据，并且输出飞行器3的第一控制表面16(图2)的指令角和飞行器3的第二控制表面17的指令角。在处理过程中，计算飞行器所需的俯仰和偏航运动的值，以便沿着预定轨迹运动。接着控制系统在第二步骤中提供安装到其相应控制表面16、17上的每个伺服致动器(未示出)的指令角。接着控制表面上的液体动力导致飞行器和涡轮偏航和侧倾，以便沿着预定轨迹运动。用于计算第一和第二表面16、17的指令角的算法不形成本发明的部分。对于本领域技术人员而言，在给定物理条件下提供用于在预定轨迹中导引根据上述的飞行器的算法属于常规操作。然而可以说当飞行器在其轨迹中运行时线材中的力和拉力非常高。因此在确定控制表面16、17的指令角的过程中，线材6大致可为线性杆。
在图6a、6b和6c中，在与图1相同的坐标系中示出飞行器3的可供选择的从不终止的轨迹7的实例。在图6a、6b和6c中所示的轨迹形成为椭圆形。所示的从不终止的轨迹在系泊装置4处需要旋转装置，以避免扭绞线材。
在图7中，飞行器在其每个端部处设有两个附加的涡轮18、19。涡轮通过允许涡轮在俯仰方向上自由旋转的轴承而安装到飞行器。布置用于产生电能的发电机连接到每个涡轮。电缆将每个附加的涡轮发电机连接到线材6的电缆12，以便进一步分配。
在所示的实例中飞行器是翼形物。然而，本发明并不限于翼形物形式的飞行器。例如，飞行器可由布置成彼此叠置并通过间隔元件隔开的两个或多个翼形物形成。

Claims (17)

1.一种用于从水流中产生电能的水中用设备(1)，所述水中用设备(1)包括至少一个涡轮装置(9；18，19)，所述涡轮装置(9；18，19)借助于线材(6)固定到一结构(4)中，
其特征在于：所述涡轮装置(9；18，19)安装在水流驱动飞行器(3)上，所述飞行器(3)由至少一个翼形物形成，并且所述飞行器(3)能够在所述线材(6)的范围内自由地运动，
所述飞行器(3)设有操纵装置(16，17)和控制单元(15)，其中所述控制单元(15)布置用于为所述操纵装置(16，17)提供控制信号，从而以轨迹(7)操纵飞行器(3)，所述轨迹(7)至少部分地横过水流方向，
其中在所述飞行器(3)被以所述轨迹(7)操纵时，所述飞行器(3)能够由水流以比水流速度高许多倍的速度驱动。
2.根据权利要求1所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述设备包括用于给所述控制单元(15)提供关于当前的倾角α和当前的旋转角β的输入信号的装置，所述当前的倾角α即所述线材(6)和水平平面之间限定的角度，所述当前的旋转角β即所述线材(6)和水平水流方向之间限定的角度。
3.根据权利要求1或2所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述轨迹(7)是从不终止的轨迹。
4.根据权利要求3所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述轨迹(7)形成为数字8。
5.根据上述权利要求中任一项所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述轨迹(7)形成于弯曲半径基本上等于所述线材(6)的长度的球面中。
6.根据上述权利要求中任一项所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述轨迹(7)的主要部分定向成基本上垂直于水流方向，从而在所述飞行器(3)沿着它的轨迹(7)操作时在所述线材(6)和所述水流的水平方向之间获得变化的旋转角β。
7.根据上述权利要求中任一项所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述至少一个涡轮装置(9；18，19)包括可操作地连接到布置用于产生电能的发电机的涡轮。
8.根据上述权利要求中任一项所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述操纵装置(16，17)包括至少一个控制表面。
9.根据权利要求7所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述发电机可操作地连接到布置用于分配所述电能的电缆(12)。
10.根据权利要求9所述的水中用设备(1)，其特征在于：所述电缆(12)至少部分地结合到所述线材(6)中。
11.一种用于操作根据权利要求1所述的水中用设备(1)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
以轨迹(7)操纵所述飞行器(3)，所述轨迹(7)至少部分地横过水流方向，从而使得所述飞行器(3)能够由水流以比水流速度高许多倍的速度驱动。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
使用所述控制单元(15)给所述飞行器(3)的操纵装置(16，17)提供控制信号。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
给所述控制单元(15)提供关于当前的倾角α和当前的旋转角β的输入信号，所述当前的倾角α即所述线材(6)和水平平面之间限定的角度，所述当前的旋转角β即所述线材(6)和水平水流方向之间限定的角度。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于：所述轨迹(7)是从不终止的轨迹。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述轨迹(7)形成为数字8。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其特征在于：所述轨迹(7)形成于弯曲半径基本上等于所述线材(6)的长度的球面中。
17.根据权利要求11-16中任一项所述方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
沿着基本上垂直于水流方向的方向操纵所述飞行器(3)，从而在操作过程中在所述线材(6)和水平水流方向之间获得变化的旋转角β。
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