專利名稱：動能水力發(fā)電系統(tǒng)及用于其的進口的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及動能水力發(fā)電，且明確地說，本發(fā)明涉及動能水力發(fā)電系統(tǒng)及
其進口。
背景技術：
由于最近已出現(xiàn)的能源問題，已將相當大的關注放在將自然界中出現(xiàn)的流體流動 (例如風能轉換系統(tǒng)中的風流和動能水力發(fā)電系統(tǒng)中的水流)的動能轉換為電力。舉例來說，風能轉換系統(tǒng)涉及將風引導穿過渦輪。風致使渦輪使發(fā)電機旋轉，致使發(fā)電機產(chǎn)生電力。可將動能水力定義為(例如)無障礙水力，其是從在海洋、潮汐、河流、湖泊和人工運河或管道的流動的水流中發(fā)現(xiàn)的能量轉換而來。舉例來說，動能水力發(fā)電系統(tǒng)通常涉及將渦輪浸入水下，并引導流動的水流經(jīng)過所述渦輪，從而致使所述渦輪使發(fā)電機旋轉，用于產(chǎn)生電力。然而，一些水體中的水流對于動能水力發(fā)電系統(tǒng)來說過于微弱以致不具成本效應。舉例來說，一些水力發(fā)電系統(tǒng)要求每秒至少約六英尺的流速，以便產(chǎn)生足以使其具成本效應的能量。從通常用于風能轉換系統(tǒng)和動能水力發(fā)電系統(tǒng)中的渦輪產(chǎn)生的電力與(例如)水或空氣在渦輪入口處的流速的三次方成比例。此外，每一渦輪葉片越長，發(fā)電量越高。然而， 長葉片是昂貴的，可能遭受缺陷和故障，占用大量的空間，且產(chǎn)生過多的噪聲和振動。從這些渦輪產(chǎn)生的電力與螺漿長度的平方成正比。然而，較長的螺漿不僅增加材料和安裝成本， 而且增加維護成本。由此，當前的風能轉換系統(tǒng)和動能水力發(fā)電系統(tǒng)通常遭受低效率、高資本成本、不可預知的故障、過高的噪聲和振動和/或高維護的問題。出于上述原因，且出于下文將陳述的所屬領域的技術人員在閱讀和理解本說明書后就將明白的其它原因，此項技術中需要現(xiàn)存風力發(fā)電系統(tǒng)和動能水力發(fā)電系統(tǒng)的替代系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供一種動能水力發(fā)電系統(tǒng)。所述動能水力發(fā)電系統(tǒng)具有渦輪以及耦合到所述渦輪的發(fā)電機。水下進口噴嘴組合件流體耦合到渦輪。對于一個實施例，水下塔噴嘴可流體耦合在渦輪與水下進口噴嘴組合件之間。所述水下進口噴嘴組合件可包含收集器和會聚噴嘴。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的能量轉換系統(tǒng)的實施例的剖示透視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的圖1的一部分的放大圖。圖3說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例的浸入水體中的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的實施例。圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的能量轉換系統(tǒng)的另一實施例的透視圖。圖5說明根據(jù)本發(fā)明另一實施例的浸入水體中的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實施例。圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的圖5的一部分的放大圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的能量轉換系統(tǒng)陣列的實施例的透視圖。
具體實施例方式在本發(fā)明實施例的以下詳細描述中，參考形成本發(fā)明一部分的附圖，且其中借助于說明來展示可實踐的特定實施例。以充足的細節(jié)描述這些實施例是為了使所屬領域的技術人員能夠實踐所揭示的標的物，且將理解可利用其它實施例，且可在不脫離所主張的標的物的范圍的情況下，進行工藝、電或機械改變。因此，不應在限制意義上進行以下詳細描述，且所主張的標的物的范圍僅由所附權利要求書及其均等物界定。圖1是能量轉換系統(tǒng)100(例如風能轉換系統(tǒng)或動能水力發(fā)電系統(tǒng))的剖示透視圖。當作為動能水力發(fā)電系統(tǒng)操作時，將能量轉換系統(tǒng)100浸入水體(例如河流、海洋、湖泊或人工運河等)內，如圖3中針對動能水力發(fā)電系統(tǒng)300所示。能量轉換系統(tǒng)100包含 渦輪進口塔110 ；潤輪120，其流體耦合到渦輪進口塔110 ；以及發(fā)電機130，例如60Hz AC發(fā)電機，其耦合(例如機械耦合)到渦輪120。對于水下應用，發(fā)電機130經(jīng)適當防水以抵御短路和腐蝕。為了幫助提防水腐蝕， 渦輪進口塔Iio和渦輪120的葉片可由合適的聚合物制造或可為涂有聚合物的金屬。對于其它實施例，渦輪120和發(fā)電機130可位于水的上方，例如在陸地上或在浮于水體上的平臺上，且從渦輪進口塔110出來的水可傳送到渦輪120，例如通過導管，例如管道。渦輪進口塔110具有入口 140和出口 142?？諝饣蛩ㄟ^入口 140進入渦輪進口塔110，流經(jīng)渦輪進口塔110，且通過出口 140從渦輪進口塔110出來。通過出口 142出來的空氣或水經(jīng)過渦輪120的葉片上方，如圖2(出口 142、渦輪120和發(fā)電機130的放大圖) 中所示，從而致使渦輪120旋轉。渦輪120的旋轉經(jīng)由將渦輪120機械耦合到發(fā)電機130 的合適傳動裝置(未圖示)使發(fā)電機130旋轉。入口 140可具有濾網(wǎng)或其它裝置，以對于風應用來說防止鳥或其它空中物體進入，或對于水下應用來說防止魚或其它水生物體進入。此系統(tǒng)中可使用任何常規(guī)的捕鳥器或捕魚器裝置。渦輪進口塔110包含進口噴嘴組合件143，其包含會聚進口噴嘴144，且可包含一體式收集器146，其與會聚進口噴嘴144是連續(xù)的。對于另一實施例，進口噴嘴組合件143 可借助于軸承152以可旋轉方式耦合到渦輪進口塔110的支撐柱150。支撐柱150大體上是垂直的，且用以在地平面巧4上方垂直高度H處支撐進口噴嘴組合件143，其中高度H是從進口噴嘴組合件143的中心縱軸156測量的。注意，地平面IM可對應于渦輪進口塔110進入其中的水體的底面或底部354(圖3)。對于風應用，高度H可大約為與常規(guī)風渦輪系統(tǒng)(其中渦輪安裝在塔上)的渦輪的輪轂相同的高度。舉例來說，高度H可約為100英尺到約200英尺。對于一些水下應用，高度H可足以將進口噴嘴組合件143定位在水體的底部3M 上方某一距離處，在所述距離處，流速處于或接近其最高值。舉例來說，對于河流或海岸線附近的淺水區(qū)，水流速度朝水面增加。舉例來說，在海岸線附近的防浪區(qū)中，水面附近的流速因波浪動作和潮汐流動而較高。由此，將進口噴嘴組合件143定位成捕捉潮汐流動和波浪引起的水流。支撐柱150具有基座151，其可在地平面IM處直接接觸地面?；蛘撸瑢τ陲L應用， 進口塔110可定位在浮于水上的平臺上且可與所述平臺直接接觸(例如對于離岸應用)，在所述情況下，地平面巧4將對應于平臺的表面。渦輪120和發(fā)電機130可位于地平面處或附近，例如在大約與基座151相同的垂直水平處和大約與出口 142相同的垂直水平處，如圖 1和圖2中所示。舉例來說，渦輪120和發(fā)電機130可位于水體的底部3M上，如圖3中所
進口噴嘴組合件143可大體上水平。就是說，進口噴嘴組合件143的中心縱軸156 可大體上水平。中心縱軸156可大體上平行于風或水流的方向，且因此平行于空氣或水進入進口噴嘴組合件143的方向。噴嘴組合件143的內表面由光滑材料制成，以便減少因表面摩擦而導致的損失。收集器146在中心縱軸156的方向上從渦輪進口塔110的入口平面160延伸到虛線162，虛線162標記收集器146的出口。收集器146內的流道的大小在入口平面160與收集器146的出口 162之間是大體上均勻的，即收集器146內的流道橫截面面積(垂直于流動方向)在入口平面160與出口 162之間是大體上均勻的。當入口 140面向風或水流方向，且中心縱軸156大體上平行于風或水流動方向時，收集器146收集風或水流。進口噴嘴144流體耦合到收集器146。進口噴嘴144內的流道在中心縱軸156的方向上會聚(例如，漸細)，在收集器146的出口 162處開始且在彎頭164的入口處結束。 就是說，進口噴嘴144內的流道的橫截面面積(垂直于流動方向)在收集器146的出口 162 與彎頭164之間減小，如圖1所示。進口噴嘴144用以增加收集器146的出口 162與彎頭 164之間的流速。就是說，使流穿過進口噴嘴144會致使所述流會聚且因此加速。注意，進口噴嘴144接收來自收集器146的風或水流，且使所述風或水流加速。彎頭164插入進口噴嘴組合件143與軸承152之間。由此，軸承152將支撐柱150 的上端可旋轉地連接到彎頭164。支撐柱150是中空的。會聚塔噴嘴170(例如，柱噴嘴)位于支撐柱150的內部， 且可從軸承152延伸到彎頭172，所述彎頭172耦合到通往出口 142的出口管道174(例如， 有時稱為渦輪入口管道)。由此，塔噴嘴170流體耦合到進口噴嘴144和出口管道174。塔噴嘴170可大體上垂直。舉例來說，塔噴嘴170的中心縱軸176大體上垂直，且大體上垂直于進口噴嘴組合件143的中心縱軸156，如圖1所示。塔噴嘴170內的流道在中心縱軸176的方向上(例如，在向下垂直方向上)會聚 (例如，漸細)，在彎頭164的出口處開始，且在彎頭172的入口處結束。就是說，塔噴嘴170 內的流道的橫截面面積(垂直于流動方向)在彎頭164與彎頭172之間減小，如圖1所示。塔噴嘴170用以增加彎頭164與彎頭172之間的流速。就是說，使流穿過塔噴嘴170會致使所述流會聚且因此加速。出口管道174可大體上水平。舉例來說，出口管道174的中心縱軸178可大體上水平，且可大體上垂直于塔噴嘴170的中心縱軸176，且大體上平行于進口噴嘴組合件143 的中心縱軸156，如圖1所示。彎頭172和出口管道174將流從塔噴嘴170引導到渦輪120 的葉片上。出口 142(即渦輪進口塔110和管道174的出口)處的流速為渦輪入口速度。渦輪120具有可旋轉軸桿180，其大體上水平，即軸桿180具有大體上水平且大體上平行于出口管道174的中心縱軸178的中心縱軸182。渦輪葉片181 (圖2)(例如三個或三個以上)機械耦合到軸桿180。注意，中心縱軸182是渦輪120的旋轉軸，軸桿180和葉片圍繞所述旋轉軸旋轉。渦輪120可稱為水平軸渦輪。出口管道174的中心縱軸178與軸桿180的中心縱軸182可大體上共線。注意，對于此實施例，渦輪進口塔110具有大體上水平的出口。還應注意，流從出口管道174出來的方向大體上平行于軸桿180的中心縱軸182，且因此大體上平行于渦輪120的旋轉軸?；蛘?，對于另一實施例，可去除彎頭172和出口管道174，且渦輪120可位于塔噴嘴 170的出口處，使得其軸桿180大體上垂直。舉例來說，軸桿180的中心縱軸182大體上垂直，且大體上平行于塔噴嘴170的中心縱軸176且大體上與塔噴嘴170的中心縱軸176共線。在此實施例中，渦輪120可稱為垂直軸渦輪。注意，對于此實施例來說，塔噴嘴170的出口處的流速是渦輪入口速度，且渦輪120直接從塔噴嘴170接收流體流。由此，塔噴嘴170 的出口是渦輪進口塔110的出口，意味著渦輪進口塔110具有大體上垂直的出口。再次，流從塔噴嘴170出來的方向大體上平行于軸桿180的垂直定向的中心縱軸182，且因此大體上平行于渦輪120的旋轉軸。彎頭164具有用以使流損失保持相對較低的曲率半徑。這意味著進口噴嘴144的出口和塔噴嘴170的入口處的流速大體上相同。彎頭172也具有用以使流損失保持相對較低的曲率半徑。另外，出口管道174中的損失相對較小。因此，塔噴嘴170的出口和出口管道174的出口處的流速大體上相同。由此，進口噴嘴144和塔噴嘴170 —起工作以使流速從入口 140處的速度(風或水流速度)增加到出口 142處的速度(渦輪入口速度)。彎頭、塔噴嘴170和出口管道174的內表面由光滑材料制成，以便減少因表面摩擦而導致的損失?？蓪嵤┩牧饕种破饕詼p少彎頭164和172、進口噴嘴組合件143、塔噴嘴170 和出口管道174中的湍流，所述湍流可能起因于彎頭164和172、進口噴嘴組合件143、塔噴嘴170和出口管道174中的瑕疵和異常。注意，入口 140處的流(風或水流)速度大體上與常規(guī)的風能轉換或常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪的入口處的流(風或水流)速度相同。這意味著到渦輪120的入口處的流速高于常規(guī)的風能轉換或常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪的入口處流速(風或水流)，因為使用進口噴嘴144和塔噴嘴170來增加流速。與用于常規(guī)的風能轉換或常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪的渦輪葉片相比，到渦輪120的入口處的增加的速度允許較短的渦輪葉片。舉例來說，渦輪的電力輸出通常與渦輪入口速度的三次方成比例，且通常與葉片長度的平方成比例。由于歸因于渦輪進口塔110，本發(fā)明的風能轉換系統(tǒng)和動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪入口速度高于常規(guī)的風能轉換系統(tǒng)和常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪的入口處的風或水流速度，因此對于相同的葉片長度，本發(fā)明的風能轉換系統(tǒng)和動能水力發(fā)電系統(tǒng)具有比常規(guī)的風能轉換系統(tǒng)和常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)高的電力輸出。這意味著由于渦輪的電力輸出與渦輪入口速度的三次方成比例，且與葉片長度的平方成比例，因此本發(fā)明的風能轉換系統(tǒng)和動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪可具有比常規(guī)的風能轉換系統(tǒng)和常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪的葉片短的葉片，且仍具有較高的電力輸出。 較短的葉片比較長的葉片導致較少的拖動，且因此比較長的葉片導致較少的能量損失。與常規(guī)的風能轉換系統(tǒng)和常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪的較長葉片相比，較短的葉片導致較低的材料成本、安裝成本和維護成本。與常規(guī)的風能轉換系統(tǒng)和常規(guī)的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的渦輪的較長葉片相比，較短的葉片較不易出現(xiàn)缺陷和故障，占用較少的空間， 且產(chǎn)生較少的噪聲和振動。 致動器186 (例如壓電致動器)可物理耦合到進口噴嘴組合件143的外表面，例如進口噴嘴144的外表面和/或收集器146的外表面，如圖1、圖3和圖4中所示。舉例來說， 致動器186可耦合成與進口噴嘴144的外表面和/或收集器146的外表面直接物理接觸。 致動器186電耦合到控制器190，用于接收來自控制器190的電信號。流速傳感器192可在渦輪進口塔110的頂部處或附近安裝在渦輪進口塔110的外表面上，用于感測風或水流的速度。舉例來說，流速傳感器192可安裝在彎頭164上，如圖 1所示，或安裝在進口噴嘴組合件143上。流速傳感器192可電耦合到控制器190，用于將指示感測到的風或水流流速的電信號發(fā)送到控制器190。注意，盡管將流速傳感器192定位在入口 140后面，但將流速傳感器192定位于充分在進口噴嘴組合件143的上表面上方的垂直層級處，以便感測渦輪進口塔110外部的主導風或水流流速。因此，流速傳感器192有效地測量入口 140上游的主導風或水流流速。流動方向傳感器194可在渦輪進口塔110的頂部處或附近安裝在渦輪進口塔110 的外表面上，用于感測風或水流的方向。流動方向傳感器194捕捉風或水流，使得水流使進口噴嘴組合件143相對于支撐柱150旋轉，使得入口 140指向風或水流中，例如使得進口噴嘴組合件143的中心縱軸156大體上平行于風或水流方向。流動方向傳感器194可電耦合到控制器190，用于將指示感測到的風或水流動方向的電信號發(fā)送到控制器190。經(jīng)配置以將潮汐流的動能轉換成電力的動能水力發(fā)電系統(tǒng)暴露于雙向水流。就是說，當潮汐進來時，水流是在一個方向上，且當潮汐出去時，水流是在相對方向上。流動方向傳感器194捕捉進來和出去的潮汐，且使進口噴嘴組合件143旋轉，使得入口 140指向進來或出去的潮汐中。注意，流入海洋中的河流充當潮汐通道，其中水流方向隨潮汐而改變。對于另一實施例，在從流動方向傳感器194接收到電信號后，控制器190可即刻將電信號發(fā)送到鄰近軸承152定位的偏航電動機(未圖示)。偏航驅動器(未圖示)可將偏航電動機機械耦合到進口噴嘴組合件143。所述信號指令偏航電動機激活偏航驅動器，偏航驅動器又使進口噴嘴組合件143相對于支撐柱150和塔噴嘴170而旋轉，使得入口 140指向風或水流中。響應于接收到來自流速傳感器192的指示風或水流速度的信號，控制器190可將電信號發(fā)送到致動器186。致動器186可接著通過基于風或水流速度將力施加在進口噴嘴組合件143的外表面上來調整進口噴嘴組合件143的形狀(例如，輪廓)。就是說，可基于風或水流速度來調整收集器146的形狀和/或進口噴嘴144的形狀。舉例來說，致動器186 可調整收集器146的直徑和/或進口噴嘴144的直徑?？刂破?90可存儲對應于需要施加到致動器186以將直徑設定在特定數(shù)值的電壓的電壓值。所述特定數(shù)值可對應于提供速度的特定增加和/或針對特定電力輸出的特定風或水流速度的減少的損失的直徑。舉例來說，流速傳感器192可檢測風或水流速度，且將指示風或水流速度的信號發(fā)送到控制器190?？刂破?90可接著確定出口 142處的所需速度以產(chǎn)生特定電力?？刂破?90可進一步確定需要將多少電壓施加到致動器186以調整進口噴嘴144和/或收集器 146的直徑，以便針對檢測到的風或水流速度在出口 142處產(chǎn)生所需的速度。類似地，控制器190可基于檢測到的風或水流速度而調整收集器146的直徑和/或進口噴嘴144的直徑， 以減少流損失。在流速傳感器192檢測到過量(例如高于特定值)且可能導致?lián)p壞渦輪120和/ 或發(fā)電機130的風或水流速度的情況下，控制器190可將信號發(fā)送到位于彎頭164和172 處的螺線管激活的泄放閥193，所述信號致使泄放閥193打開。打開泄放閥193致使流的一部分被泄放，從而使渦輪入口速度減小到可接受值。舉例來說，可在進口噴嘴組合件143與塔噴嘴170之間泄放流的一部分，且可在塔噴嘴170與渦輪120之間泄放流的一部分。對于一個實施例，可將泄放的流引導到另一渦輪。在進口噴嘴組合件143經(jīng)旋轉以使得入口 140指向風或水流且中心縱軸156大體上平行于風或水流方向之后，收集器146收集風或水流，并將風或水流引導到進口噴嘴 144。進口噴嘴144使所述風或水流加速。彎頭164接收來自進口噴嘴143的經(jīng)加速的風或水流，并通過使風轉向大體上90度來將風或水流引導到塔噴嘴170。塔噴嘴170使風或水流進一步加速。對于一個實施例，彎頭172接收來自塔噴嘴170的經(jīng)進一步加速的風或水流，并通過使風或水流轉向大體上90度來將風或水流引導到出口管道174。舉例來說，當渦輪120為水平軸渦輪時，出口管道174將風或水流引導到渦輪120。對于另一實施例，例如當渦輪120為垂直軸渦輪時，渦輪120可在風或水大體上垂直向下流動時，直接從塔噴嘴 170接收風或水流。對于另一實施例，可將兩個或兩個以上渦輪進口塔110的輸出發(fā)送到耦合到單個發(fā)電機130的單個渦輪120，如針對圖4中的能量轉換系統(tǒng)400(例如風能轉換系統(tǒng)或動能水力發(fā)電系統(tǒng))所示。明確地說，出口管道174耦合到對準渦輪120的單個出口 442。注意，出口 442處的流速為渦輪入口速度。圖1和圖4中使用共用編號來識別圖1和圖4共用的組件。當能量轉換系統(tǒng)400充當動能水力發(fā)電系統(tǒng)時，將能量轉換系統(tǒng)400浸入水下。 對于另一實施例，僅將渦輪進口塔110浸入水下；且所述單個渦輪120和發(fā)電機130位于陸地上或浮動平臺上；且從單個出口 442出來的水被(例如)導管(例如管道)傳送到渦輪 120。圖5說明浸入水體(例如河流、海洋、湖泊或人工運河等)中的動能水力發(fā)電系統(tǒng) 500。圖1到圖3以及圖5中使用共用編號來識別圖1到圖3以及圖5共用的組件。動能水力發(fā)電系統(tǒng)500包含噴嘴組合件143，如上文結合圖1所描述，其位于水體的底部3M上。 噴嘴組合件143的入口 140指向水流中。
噴嘴組合件143可大體上平行于水體的底部354。就是說，噴嘴組合件143的中心縱軸156可大體上平行于水體的底部354。中心縱軸156可大體上平行于水流的方向，且因此大體上平行于水進入進口噴嘴組合件143的方向。渦輪軸桿180 (圖幻的中心縱軸182大體上平行于縱軸156且大體上與縱軸156 共線，如圖6 (進口噴嘴組合件143的出口 M2、渦輪120和發(fā)電機130的放大圖)中所示。 如上文結合圖1和圖2所指示，中心縱軸182是渦輪120的旋轉軸。注意，從進口噴嘴組合件143出來的流的方向大體上平行于軸桿180的中心縱軸182。噴嘴組合件143如上文結合圖1所述而操作。就是說，收集器146收集水流，并將水流引導到進口噴嘴144。進口噴嘴144使水流加速，并將經(jīng)加速的水流引導到渦輪120的葉片上，從而致使渦輪120旋轉發(fā)電機130，使得發(fā)電機130產(chǎn)生電力。噴嘴組合件143可包含流速傳感器192(圖1)，其電耦合到控制器190，用于將指示感測到的水流流速的電信號發(fā)送到控制器190。如上文所述，控制器190可致使致動器 186基于檢測到的水流速度而調整收集器146的直徑和/或進口噴嘴144的直徑。舉例來說，控制器190可確定需要將多少電壓施加到致動器186，以調整進口噴嘴 144和/或收集器146的直徑，以便針對檢測到的水流速度在出口 542處產(chǎn)生所需的速度。 控制器190可基于檢測到的水流速度而進一步調整收集器146的直徑和/或進口噴嘴144 的直徑，以減少流損失。對于另一實施例，可以類似于圖4所示的方式將動能水力發(fā)電系統(tǒng)的兩個或兩個以上噴嘴組合件143的輸出發(fā)送到耦合到單個發(fā)電機130的單個渦輪120。舉例來說，所述兩個或兩個以上噴嘴組合件143的出口 542可耦合到對準渦輪120的單個出口，例如類似于圖4的出口 442。圖7是如上文結合圖1和圖2所述的能量轉換系統(tǒng)100的陣列700的透視圖。陣列700可作為風力發(fā)電廠的一部分位于地面上，或可作為水下動能水力發(fā)電廠的一部分浸入水體中。水下動能水力發(fā)電廠的相應的能量轉換系統(tǒng)100的渦輪和發(fā)電機可位于水下或水上，例如位于陸地上或浮動平臺上。風力發(fā)電廠可包含耦合到對準單個渦輪的單個出口的多個地上渦輪進口塔110， 如圖4所示。水下動能水力發(fā)電廠可包含耦合到對準單個渦輪的單個出口的多個水下渦輪進口塔110。水下動能水力發(fā)電廠的單個渦輪可位于陸地上或浮動平臺上，且可通過導管 (例如管道)將從單個出口出來的水傳送到陸上渦輪。對于另一實施例，水下動能水力發(fā)電廠可包含水下動能水力發(fā)電系統(tǒng)500(圖5) 的陣列。相應的能量轉換系統(tǒng)500的渦輪和發(fā)電機可位于水下或水上，例如位于地上或浮動平臺上?；蛘?，水下動能水力發(fā)電廠可包含噴嘴組合件143的陣列，其中所述陣列的噴嘴組合件耦合到對準單個渦輪的單個出口，其中耦合到其的單個渦輪和發(fā)電機位于水下或水上，例如位于地上或浮動平臺上。使用圖5的噴嘴組合件143來使水流加速或使用圖1、圖3、圖4和圖7的渦輪進口塔110來使風或水流加速是為了減少渦輪葉片的長度。減少渦輪葉片的長度是為了降低渦輪的初始資本成本、安裝成本以及壽命維護成本。使用噴嘴組合件143或渦輪進口塔110 使水流加速是為了使原本過低而不具有成本效應的水流流速增加到可具成本效應的水平。如所揭示的動能水力發(fā)電系統(tǒng)的實施例中的一些實施例中所描述的那樣將渦輪和發(fā)電機定位在水上使得與常規(guī)動能水力發(fā)電系統(tǒng)中的水下渦輪和發(fā)電機相比能夠較容易地接近渦輪和發(fā)電機。這用以降低維護成本。水上渦輪和發(fā)電機不會受到如在水下渦輪和發(fā)電機中常見的由水引起的類型的腐蝕。水上發(fā)電機不易受到對于水下發(fā)電機可能發(fā)生的由水引起的類型的短路?？偨Y盡管本文已說明和描述了具體實施例，但明白地希望所主張的標的物的范圍僅由所附權利要求書及其均等物限制。
權利要求
1.一種動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其包括 渦輪；發(fā)電機，其耦合到所述渦輪；以及一個或一個以上水下進口噴嘴組合件，每一水下進口噴嘴組合件包括 收集器和一體式會聚噴嘴，所述收集器經(jīng)配置以收集水流，且將所述收集到的水流遞送到所述會聚噴嘴，所述會聚噴嘴經(jīng)配置以使遞送到其的所述水流加速，且將所述經(jīng)加速的所述水流遞送到所述渦輪；其中所述渦輪經(jīng)配置以在大體上平行于所述渦輪的旋轉軸的方向上接收所述經(jīng)加速的流。
2.根據(jù)權利要求1所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其中所述渦輪和所述發(fā)電機位于水下、 陸地上或浮在水上的平臺上。
3.根據(jù)權利要求1所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其中所述動能水力發(fā)電系統(tǒng)是水下動能水力發(fā)電廠的包括多個所述動能水力發(fā)電系統(tǒng)的部分。
4.根據(jù)權利要求1所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包括一個或一個以上致動器，其耦合到所述進口噴嘴組合件的外表面；以及控制器，其電耦合到所述一個或一個以上致動器；其中所述控制器經(jīng)配置以將信號發(fā)送到所述一個或一個以上致動器，所述信號致使所述一個或一個以上致動器基于所述水流的速度而調整所述進口噴嘴組合件的形狀。
5.根據(jù)權利要求4所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包括電耦合到所述控制器的水速度傳感器，其用于感測所述水流的所述速度且將所述速度提供給所述控制器。
6.一種動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其包括 渦輪；發(fā)電機，其耦合到所述渦輪；以及一個或一個以上水下渦輪進口塔，每一水下渦輪進口塔包括 大體水平的進口噴嘴組合件，其位于所述渦輪進口塔的出口上方的垂直層級處；以及大體垂直的塔噴嘴，其流體耦合到所述進口噴嘴組合件和所述渦輪，且在所述進口噴嘴組合件與所述渦輪進口塔的所述出口之間大體垂直延伸。
7.根據(jù)權利要求6所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包括 中空支撐柱；其中所述進口噴嘴組合件可旋轉地耦合到所述中空支撐柱；且其中所述塔噴嘴安置在所述中空支撐柱內。
8.根據(jù)權利要求7所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包括流動方向傳感器，所述流動方向傳感器耦合到所述進口噴嘴組合件，且經(jīng)配置以捕捉水流，使得所述水流使所述進口噴嘴組合件相對于所述支撐柱旋轉，使得所述進口噴嘴組合件指向所述水流中。
9.根據(jù)權利要求6所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其中所述進口噴嘴組合件包括收集器和一體式會聚噴嘴。
10.根據(jù)權利要求6所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其中所述渦輪和所述發(fā)電機位于水下、 陸地上或浮在水上的平臺上。
11.根據(jù)權利要求6所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其中所述渦輪是垂直軸渦輪且直接從所述塔噴嘴接收流體流，或水平軸渦輪，其經(jīng)配置以從所述渦輪進口塔的流體耦合到所述塔噴嘴和所述渦輪的大體水平的出口管道接收大體水平的流。
12.根據(jù)權利要求6所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其中所述動能水力發(fā)電系統(tǒng)是水下動能水力發(fā)電廠的包括多個所述動能水力發(fā)電系統(tǒng)的部分。
13.根據(jù)權利要求6所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包括一個或一個以上致動器，其耦合到所述進口噴嘴組合件的外表面；以及控制器，其電耦合到所述一個或一個以上致動器；其中所述控制器經(jīng)配置以將信號發(fā)送到所述一個或一個以上致動器，所述信號致使所述一個或一個以上致動器基于水流的速度而調整所述進口噴嘴組合件的形狀。
14.根據(jù)權利要求13所述的動能水力發(fā)電系統(tǒng)，其進一步包括電耦合到所述控制器的水速度傳感器，其用于感測所述水流的所述速度且將所述速度提供給所述控制器。
15.一種將水流遞送到渦輪的方法，其包括 在面向所述水流中的水下收集器中收集所述水流； 將所述水流從所述收集器引導到水下噴嘴； 使所述水流在所述水下噴嘴內加速；以及在大體上平行于所述渦輪的旋轉軸的方向上將所述經(jīng)加速的水流引導到所述渦輪的葉片上。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其進一步包括基于在所述水下噴嘴外部測量到的主導水流速度使用耦合到所述水下噴嘴的致動器來調整所述水下噴嘴的形狀。
17.一種將水流遞送到渦輪的方法，其包括使所述水流在面向所述水流中的第一水下噴嘴內加速； 使所述水流在大體上垂直于所述第一噴嘴的第二水下噴嘴內進一步加速；以及在使所述水流在所述第二水下噴嘴中進一步加速之后，將所述水流引導到所述渦輪的葉片上。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中隨著所述水流在所述第二水下噴嘴中加速，所述水流大體上垂直向下流動。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，其進一步包括在使所述水流在所述第一水下噴嘴內加速之前在水下收集器中收集所述水流；以及將所述水流從所述收集器引導到所述第一水下噴嘴。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其進一步包括基于在所述第一和第二水下噴嘴和所述水下收集器外部測量到的主導水流速度，使用耦合到所述第一水下噴嘴且/或耦合到所述水下收集器的致動器來調整所述第一水下噴嘴和/或所述水下收集器的形狀。
21.根據(jù)權利要求17所述的方法，其進一步包括在所述第一與第二水下噴嘴之間且/ 或在所述第二水下噴嘴與所述渦輪之間泄放所述水流的一部分。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其進一步包括將所述泄放的水流引導到另一渦輪。
23.根據(jù)權利要求17所述的方法，其進一步包括在使所述水流在所述第一水下噴嘴內加速之前，用流動方向傳感器捕捉所述水流，使得所述水流使所述第一水下噴嘴相對于所述第二水下噴嘴旋轉，使得所述第一水下噴嘴指向所述水流中。
全文摘要
一種動能水力發(fā)電系統(tǒng)具有渦輪以及耦合到所述渦輪的發(fā)電機。水下進口噴嘴組合件流體耦合到所述渦輪。對于一個實施例，水下塔噴嘴可流體耦合在所述渦輪與所述水下進口噴嘴組合件之間。所述水下進口噴嘴組合件可包含收集器和會聚噴嘴。
文檔編號F03B13/12GK102439287SQ201080021458
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權日2009年5月15日
發(fā)明者達優(yōu)釋·阿拉爾 申請人:優(yōu)質研發(fā)咨詢公司