[发明专利]提取潮汐能的装置和系统

说明书

技术领域

本发明的实施方式总体涉及从移动的流体——例如潮汐流——提取能量的系统和方法，更特别地涉及能够产生相对恒定的合力矩输出的涡轮机以及采用这种涡轮机和增速装置的系统。

背景技术

潮汐能或潮能是水流或潮汐中固有的一种动能的形式。将该动能转化成有用的形式的装置是通常所说的潮汐流装置。许多现有的潮汐流装置采用类似于风力涡轮机的水平轴涡轮机。这些水平轴潮汐流涡轮机是大型设备，其直径典型地大于10米并且设计成产生兆瓦量级的电能以减小每兆瓦特的总基础设施的成本。相应地，这些大型涡轮机必须在深水中和高的潮汐流流动速度下运行。这样严重地限制了这种大型涡轮机的潜在应用。此外，由于潮汐流流动每天两次改变方向，这些大型涡轮机需要使用复杂的叶片控制器、传感器和其它控制装备以实现较高的效率。

源自萨沃纽斯(Savonius)、达里厄(Darrieus)或戈尔洛夫(Gorlov)的设计的现有的竖轴涡轮机具有它们的局限性。萨沃纽斯的设计如阻力型涡轮机(drag type turbine)那样运行并且因此与例如达里厄或戈尔洛夫设计的类似尺寸的升力式涡轮机相比提取较少的能量。竖轴涡轮机通常在单个回转中产生具有总数量与叶片的数量相同的波峰或波谷的正弦力矩输出。由单独的叶片产生的力矩的总和导致正弦力矩输出，该正弦波动根据回转过程中它们与流动的接触位置而变化。这些力矩波动将导致不希望的电输出的波动。在戈尔洛夫螺旋式涡轮机中，叶片在竖直方向上螺旋状地布置，以便旋转时将它们的横截面横过流体流均匀地分布。然而，戈尔洛夫设计复杂、制造成本高并且由于结构刚性问题具有高度局限性。

在潮汐能发电站中采用的潮汐流涡轮机通常布置在建造河口或横跨泻湖的入口的堰坝中。这种堰坝通常是需要高成本的例如750米长的大型基础设施。堰坝的建造还对环境有这样的负面影响：淤积和改变当地的生态系统。

美国专利No.6,856,036(别林斯基(Belinsky))公开了用于在深水中获取海洋流的动能的设备，其基于利用半潜式平台和多个具有通风道的竖直定向的达里厄型液力涡轮机。该涡轮机定位在低于海平面一段足够远的距离以排除它们受波动作用的影响。发电机定位在水上面的结构上并且利用从半潜式平台至海底的柔性电缆以及通向岸边的水下电缆将电能传输至岸边，在岸边其连接于电力分布网络。本发明的一个实施方式设计成在深水处采集潮汐能量。

在美国专利No.6,921,986(拜耳(Bayer))、WO2008/050149(尼普顿可再生能源有限公司(Neptune Renewable Energy Limited))、WO2008/109784(圣路易斯大学(Saint Louis University))、美国专利公开文献No.2008/0084067(希尔(Hill))、美国专利公开文献No.2008/0159873(陈(Tran))、美国专利公开文献No.2007/0269305(伯格(Burg))、美国专利公开文献No.2007/0020097A1(乌苏亚(Ursua))、美国专利公开文献No.2006/0008351(别林斯基(Belinsky))、美国专利公开文献No.2003/0014969(沃尔特斯(Walters))、美国专利No.4,717,832(哈里斯(Harris))，和美国专利No.4,213,734(Lagg)中，能够发现涉及涡轮机和采用涡轮机的系统的其他信息。

鉴于与现有涡轮机设计和涡轮机布置有关的上述和其它问题，以及上文中提到的公开文献，非常需要改进的涡轮机设计和系统以及布置涡轮机的方法。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，涡轮机组件可包括堆叠式布置的相同的区段。外板可设置在堆叠式布置的相反的端部处。每个区段包括顶部表面、底部表面和固定地安装在它们之间的多个机翼形(airfoil)叶片。每个区段中的空间可以是无轴的。每个区段内的叶片可被布置成与相邻的区段内的叶片旋转地偏差一相位偏移或角度。由于这种旋转偏置，每个区段定向成与相邻的区段呈相位偏移。当流体流向区段提供能量以产生升力时，区段产生多个渐进(progressive)的相位偏移的力矩输出。相位偏移的力矩输出的总和将导致具有小的幅值波动的相对恒定的合成力矩输出。

相邻的区段可分离或插入阻止相邻的区段之间的流体连通的内板。可替代地，相邻区段可插入允许相邻区段之间流体连通的无辐条的环形框架。