專利名稱：潮汐渦輪系統(tǒng)的制作方法
潮汐渦輪系統(tǒng)本發(fā)明涉及一種潮汐渦輪系統(tǒng)，特別地用于在潮汐流能量產(chǎn)生系統(tǒng)中使用。
背景技術(shù)：
潮汐能在很大程度上是可預(yù)測的。動力可用性的確定性質(zhì)與其高密度和可見的沖擊的隱含缺乏一起使得潮汐能的提取成為非常有吸引力的命題，特別是因為實際上整個可用資源仍然未被開發(fā)。在顯著的波作用下的水深處，大體上水流(current flow)中的變化是由于月亮和太陽的自然發(fā)生狀態(tài)引起的。流速的變化被附加在此模式上，一些流速達到自由流的值的相當大部分，并且流速是由于強烈的氣候條件而引起的。已知的現(xiàn)有技術(shù)建議，在潮汐流速隨著時間變化時，響應(yīng)于潮汐水流的速度向潮汝潤輪發(fā)電機(tidal turbine generator)提供控制信號以控制潤輪發(fā)電機的效率。此布 置例如公開在US2006/0232072中。已知的現(xiàn)有技術(shù)還建議根據(jù)所感應(yīng)的流動方向而改變渦輪葉片的沖角。此布置例如公開在US2003/0231951中。然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在海床處安裝的潮汐流產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中，以比潮汐變化頻率高的頻率發(fā)生的流動中的壓力脈沖變化的影響能夠具有顯著的作用。特別是湍流和由于波特性引起的流動能夠?qū)u輪具有顯著的壓力脈沖應(yīng)力負載沖擊。由于這些作用而引起的不穩(wěn)定負載能夠在系統(tǒng)部件中引起疲勞，如果沒有被改善，則這將具有顯著地減少系統(tǒng)操作壽命的可能。另外，如果流速以突變的方式變化，貝1J這可能引起瞬間的導(dǎo)致失速故障(stall event)的渦輪操作。發(fā)明概述根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種潮汐流能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括一個或多個潮汐渦輪發(fā)電機；控制設(shè)備，其用于控制一個或多個潮汐渦輪發(fā)電機的操作；流動測定設(shè)備(flow determination means),其用于測定遠離各個潤輪發(fā)電機一定距離處的流動中的變化；其中控制設(shè)備利用來自流動測定設(shè)備的輸入而操作，以在沖擊各個渦輪的過程中預(yù)測流動特性中的變化，使得渦輪發(fā)電機的操作參數(shù)可以響應(yīng)于控制設(shè)備而改變。以此方式，系統(tǒng)能夠操作成改變所述(或每個)渦輪發(fā)電機的操作，以補償將沖擊在渦輪發(fā)電機上的負載變化，該負載變化基于由測定設(shè)備測定的變化而被預(yù)測。這減小了疲勞失效的風險。根據(jù)可選擇的方面，本發(fā)明提供一種操作潮汐流產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，該方法包括測定離發(fā)電機一定距離處的流動中的(壓力脈沖)變化，預(yù)測將沖擊各個渦輪發(fā)電機的壓力脈沖負載，并改變渦輪發(fā)電機的操作以補償所預(yù)測的壓力脈沖負載。典型地，流動測定設(shè)備被布置成感應(yīng)離渦輪發(fā)電機一定距離處的壓力波，并能夠預(yù)測在未來時刻將發(fā)生于渦輪發(fā)電機處的壓力變化。典型地，控制設(shè)備將計算預(yù)測的沖擊時間或輸入時刻，并控制操作參數(shù)(典型地改變渦輪速度)以適應(yīng)在所需要的未來時刻的改變，以使在渦輪發(fā)電機處的壓力脈沖情形的作用最小化。此技術(shù)能夠通過適當改變渦輪發(fā)電機的操作而補償壓力脈沖產(chǎn)生的負載在渦輪發(fā)電機上的作用。通過探知將短暫地沖擊在渦輪發(fā)電機上的異常的波作用或壓力負載，弓丨起應(yīng)力的疲勞作用能夠被抵消(neutralise);并且通過獲知壓力脈沖的異常流動作用的接近的距離和速度，發(fā)電機操作需要被改變時所在的時刻能夠由控制系統(tǒng)獲得(以及必須的操作參數(shù)變化程度)。優(yōu)選地，流動測定設(shè)備包括流動測量設(shè)施。其可以是聲納和/或多普勒裝置。在一種實施方式中，聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)可用于此目的。流動測定設(shè)備被布置成測定遠離潮汐渦輪發(fā)電機一定距離處的流動。典型地，該流動將在遠離渦輪發(fā)電機數(shù)米(例如5到50米)處被測量。這對于沖擊過程中壓力脈沖載荷的預(yù)測來說提供了充分的時間延遲，并且渦輪發(fā)電機的操作能夠響應(yīng)于所做的預(yù)測而改變。優(yōu)選地，控制設(shè)備被布置成獲取流速?？蛇x擇地，或另外地，控制設(shè)備可被布置成通過測定的流動而對渦輪發(fā)電機上的預(yù)測負載進行測定。對發(fā)電機的控制輸出響應(yīng)于預(yù)測的或測量的參數(shù)而變化。在一種技術(shù)中，在滿足或超過預(yù)定的閾值的條件下，對發(fā)電機的控制輸出響應(yīng)于預(yù)測的或測量的參數(shù)而變化。響應(yīng)于來自測定設(shè)備的輸出，控制設(shè)備調(diào)節(jié)渦輪發(fā)電機的操作參數(shù)以減小將另外作用在系統(tǒng)上的應(yīng)力。在本發(fā)明的一種實現(xiàn)方式中，響應(yīng)于來自測定設(shè)備的輸出，控制設(shè)備改變渦輪發(fā)電機的動力輸出或載荷。另外或可選擇地，響應(yīng)于來自測定設(shè)備的輸出，控制設(shè)備改變渦輪發(fā)電機的定向和或渦輪轉(zhuǎn)子葉片的構(gòu)造。例如可以改變?nèi)~片節(jié)距。在一種實施方式中，提供多個渦輪發(fā)電機(典型地安裝在共同的海床結(jié)構(gòu)安裝架上)。有益地，該系統(tǒng)被布置成這樣操作在控制設(shè)備操作成響應(yīng)于測定設(shè)備的輸出而改變渦輪發(fā)電機中的一個渦輪發(fā)電機的操作的情形下，控制設(shè)備操作成以補償?shù)姆绞礁淖儨u輪發(fā)電機中的另一個渦輪發(fā)電機的操作。這使得系統(tǒng)的總輸出可以保持在恒定的水平(或者比其他的如果補償性的渦輪操作變化沒有被實施時的情形更接近于恒定)。典型地，潮汐渦輪發(fā)電機在海床處安裝在直立安裝架結(jié)構(gòu)的頭部。潮汐渦輪發(fā)電機典型地具有包括渦輪葉片的轉(zhuǎn)子。根據(jù)其他方面，本發(fā)明提供一種用于潮汐流產(chǎn)生系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括用于測定流動中的變化的流動測定設(shè)備；控制系統(tǒng)操作成使得渦輪發(fā)電機的控制可以響應(yīng)于從流動測定設(shè)備到控制設(shè)備中的輸入而變化。對于固定節(jié)距的葉片設(shè)計,參數(shù)可被選擇或修改(tailored)以提供期望的操作特性。可被選擇或修改的參數(shù)為葉片安裝角(blade stagger angle)和/或葉尖速比(TSR)。安裝角是指葉片相對于潮汐流方向的沖角或節(jié)距。、
對于可變節(jié)距的渦輪來說，可以改變?nèi)~片節(jié)距以改變渦輪的操作特性。潮汐流渦輪系統(tǒng)可包括定位在海床上的安裝架結(jié)構(gòu)，安裝架結(jié)構(gòu)通過其自身重量而停放在合適的位置，并主要通過與海床的摩擦接觸而固定以抵抗位移。在優(yōu)選實施方式中，潮汐渦輪系統(tǒng)包括相互連接的框架結(jié)構(gòu)，該框架結(jié)構(gòu)被布置成停置于海床上并支撐多個間隔的渦輪發(fā)電機?，F(xiàn)將在具體實施方式
中僅通過示例的方式并參照附圖描述本發(fā)明。附圖簡述圖I是根據(jù)本發(fā)明的已知潮汐流渦輪系統(tǒng)的示意性圖示；圖2是根據(jù)本發(fā)明的潮汐流能量產(chǎn)生系統(tǒng)的示意性圖示；圖3是根據(jù)本發(fā)明的潮汐流能量產(chǎn)生系統(tǒng)的可選擇實施方式的示意性圖示。優(yōu)選實施方式的詳細描述參照附圖，且最先參照

圖1，其中顯示了潮汐流能量產(chǎn)生設(shè)施I。潮汐流能量產(chǎn)生設(shè)施I需要在極端條件下操作。為了在商業(yè)上與其他形式的動力產(chǎn)品競爭，需要利用高潮汐流能量聚集的海底區(qū)域。在這些區(qū)域中工作是困難且危險的，并且結(jié)構(gòu)及其安裝和修復(fù)需要考慮重大的環(huán)境危險。例如，水流是迅速的，典型地高達4海里每小時。這些區(qū)域經(jīng)常處于深水中，可能深于打樁機具能夠操作于其中的區(qū)域。暴風雨情況可能引起高代價的延遲和延期。潮汐反轉(zhuǎn)一天兩次，并且潮汐反轉(zhuǎn)之間的時間可能非常短(例如在15到90分鐘之間)。另外，在此高潮汐流的區(qū)域中，海床經(jīng)常被沉積物和其他輕質(zhì)材料沖刷而露出不均勻的巖石海床，這使得拋錨困難。在所述情形下，對于駕駛員或遠程操作的交通工具來說， 當結(jié)構(gòu)被定位在海床上時，不可能對結(jié)構(gòu)進行操作。因此，安裝、回收和維護最方便從表面進行。為了在環(huán)境上可接受，結(jié)構(gòu)的所有部件和在部署或回收中使用的任何裝備必須顯示為是可回收的。設(shè)施I包括獨立式結(jié)構(gòu)的框架組件，該框架組件包括鋼管2 (大約I. 5米的直徑)?？蚣芙M件包括焊接的管狀鋼角模塊(corner module) 3。角單元(corner unit)通過多段鋼管2而相互連接。附圖中所示的結(jié)構(gòu)在足跡上是三角形的，并且這對于一些部署方案來說是優(yōu)選的，然而在這樣的布置中還可設(shè)想其他形狀的足跡(例如矩形的)，角模塊3的帶角的構(gòu)型當然將不同于與附圖相關(guān)地顯示并描述的。角模塊3包括相互以60度角延伸的第一傾斜肢部7和第二傾斜肢部8。傾斜管肢 部7焊接到肢部8的外部圓柱壁上。傾斜管肢部7和8固定到相應(yīng)的吊艙塔架(nacelletower) 90角模塊3和相互連接的管2包括用于相互螺栓連接的各個凸緣4。角模塊的管肢部8包括包含有鉸鏈式瓣的瓣閥，瓣閥關(guān)閉管肢部8的端部的被內(nèi)部地焊接的擋板中的孔。水能夠借助于瓣閥而涌進和流出管肢部8 (并因而流進管2)。一旦被涌進并在海床上處于合適的位置，瓣閥便傾向于關(guān)閉管肢部8的端部，防止管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部淤積。角模塊3還包括焊接在傾斜管肢部7、8之間的結(jié)構(gòu)鋼板(未示出)。吊眼結(jié)構(gòu)焊接到鋼板。鏈提升束帶設(shè)施(chain lifting bridle arrangement)的各個鏈14的端部固定到吊眼。各個提升鏈14附接在每個節(jié)點模件3處，遠端在束帶頂部連接件處會合。使用中，起重機吊鉤與頂部連接件接合用于提升。自動調(diào)平腳部15可以設(shè)置在每個角模塊3的前部。這確保了結(jié)構(gòu)在不均勻沖刷海床上的水平定位并使豎直負載直接傳遞到海床。結(jié)構(gòu)由于其自身的質(zhì)量而保持在合適的位置并且因為管2和端部模件3的進水而缺少浮力。管2被定位在接近海床的邊界層中，并且結(jié)構(gòu)具有相對于高度來說的巨大的基部區(qū)域。這使?jié)撛诘膬A覆力矩最小化。由于使用單個的大直徑管2作為用于框架的主要的相互連接的支撐件，所以水平拖曳力被最小化。所述結(jié)構(gòu)形成用于被安裝在每個角模塊3處的渦輪發(fā)電機19的安裝架基部，各個渦輪發(fā)電機19的支撐軸20容納在相應(yīng)的安裝架管3內(nèi)，使得渦輪發(fā)電機能夠圍繞相應(yīng)的支撐軸20的縱向軸線旋轉(zhuǎn)。動力借助于在海事可再生工業(yè)中已知的合適線纜而從安裝的渦輪發(fā)電機19的角部傳送到岸上。對于駕駛員來說，深水區(qū)域和強流以及低能見度是非常危險的。所述結(jié)構(gòu)被設(shè)計成完全地從水面艦船安裝和去除。該結(jié)構(gòu)被設(shè)計成在退潮和漲潮之間呈現(xiàn)平流的時間段內(nèi)安裝到之前勘測的位置上。此時間可以從15分鐘變化到90分鐘。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以比潮汐變化頻率高的頻率發(fā)生的流動變化的影響能夠具有顯著的作用。特別是湍流和由于波特性引起的流動能夠?qū)Y(jié)構(gòu)和渦輪發(fā)電機19具有顯著的壓力脈 沖應(yīng)力負載沖擊。由于這些作用而引起的不穩(wěn)定壓力脈沖負載能夠在系統(tǒng)部件中弓I起疲勞，如果沒有被改善，則這將具有顯著地減少系統(tǒng)操作壽命的可能。另外，如果流速以突變的方式變化，則這可能引起瞬間的導(dǎo)致失速故障的渦輪操作?，F(xiàn)在參照圖2所示的系統(tǒng)，類似于圖I的實施方式，產(chǎn)生系統(tǒng)包括安裝在海床上的三角形結(jié)構(gòu)的支撐框架組件102。各個的渦輪發(fā)電機119安裝在三角形框架102的每個頂點處。流動測定裝置160a、160b、160c、160d安裝在與渦輪發(fā)電機119隔開的重要位置處，并被布置成對在沖擊渦輪發(fā)電機119和海床上安裝的結(jié)構(gòu)的過程中的流動特性(例如，波形振幅、壓力、速度中的一個或多個)進行監(jiān)測。來自流動測定裝置160a、160b、160c、160d的輸出被引向控制器150，控制器150首先測定流動變化是否明顯足以保證渦輪發(fā)電機119的操作調(diào)節(jié)。通常，將流動值與閾值相比較，測定結(jié)果在閾值之上時，渦輪發(fā)電機的操作調(diào)節(jié)被保證。接下來，控制器計算所需要的對渦輪發(fā)電機119的操作做出的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)被測定以盡可能清楚地確保使壓力脈沖產(chǎn)生的負載的作用通過適當改變渦輪發(fā)電機的操作(典型地通過控制渦輪或所引入載荷的旋轉(zhuǎn)速度)而被補償，其中壓力脈沖產(chǎn)生的負載被預(yù)測為短暫地沖擊在渦輪發(fā)電機119的一個或每個上。通過探知將短暫地沖擊在渦輪發(fā)電機上的預(yù)測負載，引起應(yīng)力的疲勞作用能夠被抵消；并且通過已知異常流動作用的接近的距離和速度，發(fā)電機操作需要被改變時所在的時刻能夠由控制器150獲得(以及必須的操作參數(shù)變化程度)。為了對渦輪發(fā)電機119的操作做出合適的調(diào)節(jié)(以改變軸向推力)，渦輪發(fā)電機的輸出動力或負載可以被變(在補償引入增加的壓力脈沖或波的情形下降低)。對于可變節(jié)距的葉片渦輪發(fā)電機來說，另外地或可選擇地調(diào)節(jié)動力輸出或負載，葉片節(jié)距可以被改變。該系統(tǒng)可被操作成使得，在控制器150操作成響應(yīng)于流動測定裝置160a、160b、160c、160d的輸出而改變渦輪發(fā)電機119中的一個渦輪發(fā)電機的操作的情形下，控制器150操作成以補償?shù)姆绞礁淖儨u輪發(fā)電機119中的另一個渦輪發(fā)電機的操作。這提供了系統(tǒng)的總輸出可以保持在恒定的水平(或者比其他的如果補償性的渦輪操作變化沒有被實施時的情形更接近于恒定)。流動測定裝置160a、160b、160c、160d可以是聲納或其他流動測量裝置。特別適合于使用的是聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)裝置。在圖2的實施方式中，ADCP裝置160a、160b、160c、160d定位成遠離渦輪發(fā)電機119 一定的間隔距離，并且被向上引導(dǎo)以獲得該位置處的水柱的速度分布。在遠離渦輪發(fā)電機足夠的距離(典型地，十米)處測量速度分布是有益的，以使渦輪發(fā)電機有足夠的時間響應(yīng)于來自控制器150的調(diào)節(jié)控制信號。圖3的實施方式大體類似于圖2的實施方式。產(chǎn)生系統(tǒng)包括安裝在海床上的三角形結(jié)構(gòu)框架組件202。各個渦輪發(fā)電機219安裝在三角形框架202的每個頂點處。然而，在此實施方式中，流動測定裝置260a、260b、260c被安裝在渦輪發(fā)電機219上，并被布置成對于在沖擊渦輪發(fā)電機219和海床 上安裝的結(jié)構(gòu)的過程中在固定距離處且在特定方向上(見圖3中的測量錐)的流動特性進行監(jiān)測。來自流動測定裝置260a、260b、260c的輸出被引向控制器250，控制器250首先測定流動變化是否明顯足以保證渦輪發(fā)電機219的操作調(diào)節(jié)。在任一種實施方式中，流動測定裝置能夠針對相關(guān)的潮汐流的主要的流動方向而被最恰當?shù)囟ㄎ弧?br> 權(quán)利要求
1.一種潮汐流能量產(chǎn)生系統(tǒng)，包括 一個或多個潮汐渦輪發(fā)電機； 控制設(shè)備，其用于控制所述一個或多個潮汐渦輪發(fā)電機的操作； 流動測定設(shè)備，其用于測定離各個渦輪發(fā)電機一定距離處的流動中的變化； 其中所述控制設(shè)備利用來自所述流動測定設(shè)備的輸入而操作，以在沖擊各個渦輪發(fā)電機的過程中預(yù)測流動特性中的變化，使得所述渦輪發(fā)電機的操作參數(shù)能夠通過所述控制設(shè)備而改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述流動測定設(shè)備包括流動測量設(shè)施。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述流動測量設(shè)施包括聲納和/或多普勒裝置。
4.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述流動測定設(shè)備被布置成測定遠離所述潮汐渦輪發(fā)電機一定距離處的流動。
5.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述控制設(shè)備被布置成測量流速。
6.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述控制設(shè)備被布置成通過測定的流動而對所述渦輪發(fā)電機上的預(yù)測負載進行測定。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中對所述發(fā)電機的控制輸出響應(yīng)于預(yù)測的或測量的參數(shù)而變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中在滿足或超過預(yù)定的閾值的條件下，對所述發(fā)電機的所述控制輸出響應(yīng)于預(yù)測的或測量的參數(shù)而變化。
9.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中響應(yīng)于來自所述測定設(shè)備的輸出，所述控制設(shè)備調(diào)節(jié)所述渦輪發(fā)電機的操作參數(shù)以減小將另外作用在所述系統(tǒng)上的應(yīng)力。
10.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中響應(yīng)于來自所述測定設(shè)備的輸出，所述控制設(shè)備改變所述渦輪發(fā)電機的動力輸出或載荷。
11.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中響應(yīng)于來自所述測定設(shè)備的輸出，所述控制設(shè)備改變所述渦輪發(fā)電機的定向和或渦輪轉(zhuǎn)子葉片的構(gòu)造。
12.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中設(shè)置有多個渦輪發(fā)電機，并且如果所述控制設(shè)備操作成響應(yīng)于所述測定設(shè)備的輸出而改變所述渦輪發(fā)電機中的一個渦輪發(fā)電機的操作，則所述控制設(shè)備操作成以補償?shù)姆绞礁淖兯鰷u輪發(fā)電機中的另一個渦輪發(fā)電機的操作。
13.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述潮汐渦輪發(fā)電機在海床處安裝在直立安裝架結(jié)構(gòu)的頭部。
14.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述潮汐渦輪發(fā)電機具有包括渦輪葉片的轉(zhuǎn)子。
15.一種用于潮汐流產(chǎn)生系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括用于測定流動中的變化的流動測定設(shè)備；所述控制系統(tǒng)操作成使得所述渦輪發(fā)電機的控制能夠響應(yīng)于從所述流動測定設(shè)備到所述控制設(shè)備中的輸入而變化。
16.一種操作潮汐流產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，所述方法包括測定遠離各個發(fā)電機一定距離處的流動中的壓力脈沖變化，預(yù)測將沖擊各個發(fā)電機的壓力脈沖負載，并改變各個渦輪發(fā)電機的操作以補償預(yù)測的壓力脈沖負載。
全文摘要
一種潮汐流能量產(chǎn)生系統(tǒng)，具有潮汐渦輪發(fā)電機和用于控制一個或多個潮汐渦輪發(fā)電機操作的控制系統(tǒng)以及用于測定離各個渦輪發(fā)電機一定距離處流動中的變化的流動測定裝置?？刂葡到y(tǒng)利用來自流動測定裝置的輸入而操作，以在沖擊渦輪發(fā)電機的過程中預(yù)測流動特性中的變化，使得渦輪發(fā)電機的操作參數(shù)可以通過控制系統(tǒng)而改變。控制系統(tǒng)操作成使得渦輪發(fā)電機的控制可以響應(yīng)于從流動測定設(shè)備到控制設(shè)備中的輸入而改變。以此方式，系統(tǒng)能夠操作成改變所述(或每個)渦輪發(fā)電機的操作，以補償將沖擊在渦輪發(fā)電機上的負載變化，負載變化基于由測定設(shè)備測定的變化而被預(yù)測。這減小了疲勞失效的風險。
文檔編號F03B13/26GK102725517SQ201080054009
公開日2012年10月10日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者理查德·艾爾 申請人:潮汐能源有限公司