潮汐渦輪系統的制作方法

專利名稱：潮汐渦輪系統的制作方法
潮汐渦輪系統本發明涉及一種潮汐渦輪系統，特別地用于在潮汐流能量產生系統中使用。
背景技術：
潮汐能在很大程度上是可預測的。動力可用性的確定性質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。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生狀態引起的。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。已知的現有技術建議，在潮汐流速隨著時間變化時，響應于潮汐水流的速度向潮汝潤輪發電機(tidal turbine generator)提供控制信號以控制潤輪發電機的效率。此布 置例如公開在US2006/0232072中。已知的現有技術還建議根據所感應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。然而已經發現，在海床處安裝的潮汐流產生結構中，以比潮汐變化頻率高的頻率發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對渦輪具有顯著的壓力脈沖應力負載沖擊。由于這些作用而引起的不穩定負載能夠在系統部件中引起疲勞，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致失速故障(stall event)的渦輪操作。發明概述根據第一方面，本發明提供一種潮汐流能量產生系統，其包括一個或多個潮汐渦輪發電機；控制設備，其用于控制一個或多個潮汐渦輪發電機的操作；流動測定設備(flow determination means),其用于測定遠離各個潤輪發電機一定距離處的流動中的變化；其中控制設備利用來自流動測定設備的輸入而操作，以在沖擊各個渦輪的過程中預測流動特性中的變化，使得渦輪發電機的操作參數可以響應于控制設備而改變。以此方式，系統能夠操作成改變所述(或每個)渦輪發電機的操作，以補償將沖擊在渦輪發電機上的負載變化，該負載變化基于由測定設備測定的變化而被預測。這減小了疲勞失效的風險。根據可選擇的方面，本發明提供一種操作潮汐流產生系統的方法，該方法包括測定離發電機一定距離處的流動中的(壓力脈沖)變化，預測將沖擊各個渦輪發電機的壓力脈沖負載，并改變渦輪發電機的操作以補償所預測的壓力脈沖負載。典型地，流動測定設備被布置成感應離渦輪發電機一定距離處的壓力波，并能夠預測在未來時刻將發生于渦輪發電機處的壓力變化。典型地，控制設備將計算預測的沖擊時間或輸入時刻，并控制操作參數(典型地改變渦輪速度)以適應在所需要的未來時刻的改變，以使在渦輪發電機處的壓力脈沖情形的作用最小化。此技術能夠通過適當改變渦輪發電機的操作而補償壓力脈沖產生的負載在渦輪發電機上的作用。通過探知將短暫地沖擊在渦輪發電機上的異常的波作用或壓力負載，弓丨起應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，發電機操作需要被改變時所在的時刻能夠由控制系統獲得(以及必須的操作參數變化程度)。優選地，流動測定設備包括流動測量設施。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。流動測定設備被布置成測定遠離潮汐渦輪發電機一定距離處的流動。典型地，該流動將在遠離渦輪發電機數米(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測來說提供了充分的時間延遲，并且渦輪發電機的操作能夠響應于所做的預測而改變。優選地，控制設備被布置成獲取流速。可選擇地，或另外地，控制設備可被布置成通過測定的流動而對渦輪發電機上的預測負載進行測定。對發電機的控制輸出響應于預測的或測量的參數而變化。在一種技術中，在滿足或超過預定的閾值的條件下，對發電機的控制輸出響應于預測的或測量的參數而變化。響應于來自測定設備的輸出，控制設備調節渦輪發電機的操作參數以減小將另外作用在系統上的應力。在本發明的一種實現方式中，響應于來自測定設備的輸出，控制設備改變渦輪發電機的動力輸出或載荷。另外或可選擇地，響應于來自測定設備的輸出，控制設備改變渦輪發電機的定向和或渦輪轉子葉片的構造。例如可以改變葉片節距。在一種實施方式中，提供多個渦輪發電機(典型地安裝在共同的海床結構安裝架上)。有益地，該系統被布置成這樣操作在控制設備操作成響應于測定設備的輸出而改變渦輪發電機中的一個渦輪發電機的操作的情形下，控制設備操作成以補償的方式改變渦輪發電機中的另一個渦輪發電機的操作。這使得系統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，潮汐渦輪發電機在海床處安裝在直立安裝架結構的頭部。潮汐渦輪發電機典型地具有包括渦輪葉片的轉子。根據其他方面，本發明提供一種用于潮汐流產生系統的控制系統，該控制系統包括用于測定流動中的變化的流動測定設備；控制系統操作成使得渦輪發電機的控制可以響應于從流動測定設備到控制設備中的輸入而變化。對于固定節距的葉片設計,參數可被選擇或修改(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距。、
對于可變節距的渦輪來說，可以改變葉片節距以改變渦輪的操作特性。潮汐流渦輪系統可包括定位在海床上的安裝架結構，安裝架結構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。在優選實施方式中，潮汐渦輪系統包括相互連接的框架結構，該框架結構被布置成停置于海床上并支撐多個間隔的渦輪發電機。現將在具體實施方式
中僅通過示例的方式并參照附圖描述本發明。附圖簡述圖I是根據本發明的已知潮汐流渦輪系統的示意性圖示；圖2是根據本發明的潮汐流能量產生系統的示意性圖示；圖3是根據本發明的潮汐流能量產生系統的可選擇實施方式的示意性圖示。優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生設施I。潮汐流能量產生設施I需要在極端條件下操作。為了在商業上與其他形式的動力產品競爭，需要利用高潮汐流能量聚集的海底區域。在這些區域中工作是困難且危險的，并且結構及其安裝和修復需要考慮重大的環境危險。例如，水流是迅速的，典型地高達4海里每小時。這些區域經常處于深水中，可能深于打樁機具能夠操作于其中的區域。暴風雨情況可能引起高代價的延遲和延期。潮汐反轉一天兩次，并且潮汐反轉之間的時間可能非常短(例如在15到90分鐘之間)。另外，在此高潮汐流的區域中，海床經常被沉積物和其他輕質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， 當結構被定位在海床上時，不可能對結構進行操作。因此，安裝、回收和維護最方便從表面進行。為了在環境上可接受，結構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。設施I包括獨立式結構的框架組件，該框架組件包括鋼管2 (大約I. 5米的直徑)。框架組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。附圖中所示的結構在足跡上是三角形的，并且這對于一些部署方案來說是優選的，然而在這樣的布置中還可設想其他形狀的足跡(例如矩形的)，角模塊3的帶角的構型當然將不同于與附圖相關地顯示并描述的。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，瓣閥關閉管肢部8的端部的被內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，瓣閥便傾向于關閉管肢部8的端部，防止管狀結構的內部淤積。角模塊3還包括焊接在傾斜管肢部7、8之間的結構鋼板(未示出)。吊眼結構焊接到鋼板。鏈提升束帶設施(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。自動調平腳部15可以設置在每個角模塊3的前部。這確保了結構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。結構由于其自身的質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，并且結構具有相對于高度來說的巨大的基部區域。這使潛在的傾覆力矩最小化。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。所述結構形成用于被安裝在每個角模塊3處的渦輪發電機19的安裝架基部，各個渦輪發電機19的支撐軸20容納在相應的安裝架管3內，使得渦輪發電機能夠圍繞相應的支撐軸20的縱向軸線旋轉。動力借助于在海事可再生工業中已知的合適線纜而從安裝的渦輪發電機19的角部傳送到岸上。對于駕駛員來說，深水區域和強流以及低能見度是非常危險的。所述結構被設計成完全地從水面艦船安裝和去除。該結構被設計成在退潮和漲潮之間呈現平流的時間段內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。已經發現，以比潮汐變化頻率高的頻率發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對結構和渦輪發電機19具有顯著的壓力脈 沖應力負載沖擊。由于這些作用而引起的不穩定壓力脈沖負載能夠在系統部件中弓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致失速故障的渦輪操作。現在參照圖2所示的系統，類似于圖I的實施方式，產生系統包括安裝在海床上的三角形結構的支撐框架組件102。各個的渦輪發電機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安裝在與渦輪發電機119隔開的重要位置處，并被布置成對在沖擊渦輪發電機119和海床上安裝的結構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電機119的操作調節。通常，將流動值與閾值相比較，測定結果在閾值之上時，渦輪發電機的操作調節被保證。接下來，控制器計算所需要的對渦輪發電機119的操作做出的調節。調節被測定以盡可能清楚地確保使壓力脈沖產生的負載的作用通過適當改變渦輪發電機的操作(典型地通過控制渦輪或所引入載荷的旋轉速度)而被補償，其中壓力脈沖產生的負載被預測為短暫地沖擊在渦輪發電機119的一個或每個上。通過探知將短暫地沖擊在渦輪發電機上的預測負載，引起應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變化程度)。為了對渦輪發電機119的操作做出合適的調節(以改變軸向推力)，渦輪發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)。對于可變節距的葉片渦輪發電機來說，另外地或可選擇地調節動力輸出或負載，葉片節距可以被改變。該系統可被操作成使得，在控制器150操作成響應于流動測定裝置160a、160b、160c、160d的輸出而改變渦輪發電機119中的一個渦輪發電機的操作的情形下，控制器150操作成以補償的方式改變渦輪發電機119中的另一個渦輪發電機的操作。這提供了系統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定位成遠離渦輪發電機119 一定的間隔距離，并且被向上引導以獲得該位置處的水柱的速度分布。在遠離渦輪發電機足夠的距離(典型地，十米)處測量速度分布是有益的，以使渦輪發電機有足夠的時間響應于來自控制器150的調節控制信號。圖3的實施方式大體類似于圖2的實施方式。產生系統包括安裝在海床上的三角形結構框架組件202。各個渦輪發電機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被安裝在渦輪發電機219上，并被布置成對于在沖擊渦輪發電機219和海床 上安裝的結構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電機219的操作調節。在任一種實施方式中，流動測定裝置能夠針對相關的潮汐流的主要的流動方向而被最恰當地定位。
權利要求
1.一種潮汐流能量產生系統，包括 一個或多個潮汐渦輪發電機； 控制設備，其用于控制所述一個或多個潮汐渦輪發電機的操作； 流動測定設備，其用于測定離各個渦輪發電機一定距離處的流動中的變化； 其中所述控制設備利用來自所述流動測定設備的輸入而操作，以在沖擊各個渦輪發電機的過程中預測流動特性中的變化，使得所述渦輪發電機的操作參數能夠通過所述控制設備而改變。
2.根據權利要求I所述的系統，其中所述流動測定設備包括流動測量設施。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述流動測量設施包括聲納和/或多普勒裝置。
4.根據之前任一權利要求所述的系統，其中所述流動測定設備被布置成測定遠離所述潮汐渦輪發電機一定距離處的流動。
5.根據之前任一權利要求所述的系統，其中所述控制設備被布置成測量流速。
6.根據之前任一權利要求所述的系統，其中所述控制設備被布置成通過測定的流動而對所述渦輪發電機上的預測負載進行測定。
7.根據權利要求5或權利要求6所述的系統，其中對所述發電機的控制輸出響應于預測的或測量的參數而變化。
8.根據權利要求7所述的系統，其中在滿足或超過預定的閾值的條件下，對所述發電機的所述控制輸出響應于預測的或測量的參數而變化。
9.根據之前任一權利要求所述的系統，其中響應于來自所述測定設備的輸出，所述控制設備調節所述渦輪發電機的操作參數以減小將另外作用在所述系統上的應力。
10.根據之前任一權利要求所述的系統，其中響應于來自所述測定設備的輸出，所述控制設備改變所述渦輪發電機的動力輸出或載荷。
11.根據之前任一權利要求所述的系統，其中響應于來自所述測定設備的輸出，所述控制設備改變所述渦輪發電機的定向和或渦輪轉子葉片的構造。
12.根據之前任一權利要求所述的系統，其中設置有多個渦輪發電機，并且如果所述控制設備操作成響應于所述測定設備的輸出而改變所述渦輪發電機中的一個渦輪發電機的操作，則所述控制設備操作成以補償的方式改變所述渦輪發電機中的另一個渦輪發電機的操作。
13.根據之前任一權利要求所述的系統，其中所述潮汐渦輪發電機在海床處安裝在直立安裝架結構的頭部。
14.根據之前任一權利要求所述的系統，其中所述潮汐渦輪發電機具有包括渦輪葉片的轉子。
15.一種用于潮汐流產生系統的控制系統，所述控制系統包括用于測定流動中的變化的流動測定設備；所述控制系統操作成使得所述渦輪發電機的控制能夠響應于從所述流動測定設備到所述控制設備中的輸入而變化。
16.一種操作潮汐流產生系統的方法，所述方法包括測定遠離各個發電機一定距離處的流動中的壓力脈沖變化，預測將沖擊各個發電機的壓力脈沖負載，并改變各個渦輪發電機的操作以補償預測的壓力脈沖負載。
全文摘要
一種潮汐流能量產生系統，具有潮汐渦輪發電機和用于控制一個或多個潮汐渦輪發電機操作的控制系統以及用于測定離各個渦輪發電機一定距離處流動中的變化的流動測定裝置。控制系統利用來自流動測定裝置的輸入而操作，以在沖擊渦輪發電機的過程中預測流動特性中的變化，使得渦輪發電機的操作參數可以通過控制系統而改變。控制系統操作成使得渦輪發電機的控制可以響應于從流動測定設備到控制設備中的輸入而改變。以此方式，系統能夠操作成改變所述(或每個)渦輪發電機的操作，以補償將沖擊在渦輪發電機上的負載變化，負載變化基于由測定設備測定的變化而被預測。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 優先權日2009年12月3日
發明者理查德·艾爾 申請人:潮汐能源有限公司