水力发电系统和方法技术方案

一种水动力发电总成(10)及其使用方法，用于从水的动能、静水能和湍流能的组合中产生电力。发电总成(10)包括水加速器组件(40a，40b)，水加速器组件包括至少部分具有浮力的支撑结构(15)以及控流器板块构件(或控流器板块构件的阵列)，控流器板块构件具有开口、板块间空隙或围绕(诸)控流器板块的流动通路。水力转换器(55)从支撑结构(15)得到支撑、由支撑结构支撑或支撑在支撑结构上，并且可操作地联结到发电机。水力转换器(55)位于控流器组件(40a，40b)后面。流经或围绕控流器组件的水相对于周围水流具有增大的速度，并因此相对于部署有发电总成的周围水能够产生更多的电力。适合于与本发明专利技术一起使用的特定类型的水力转换器是涡轮机和水轮机。和水轮机。和水轮机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水力发电系统和方法
[0001]本申请要求2019年3月8日提交的序列号为62/815,670的美国临时专利申请和2019年6月25日提交的序列号为62/866,376的美国临时专利申请的优先权权益，这两篇文献的内容通过引用整体合并到本文中。


[0002]本专利技术涉及一种用于从活水或流动的水产生电力的发电总成。更具体地，本专利技术涉及一种水动力发电总成，其包括控流器组件(baffle assembly)，所述控流器组件被构造成使水流加速流向或流进水力转换器，所述水力转换器位于控流器组件后面(即，下游)一定间隔处，用于由加速后的水流致动，并且发电机可操作地联结到水力转换器以产生电力。按这种方式构造，所述控流器组件包括控流器板块构件(或者控流器板块构件阵列)，所述控流器板块构件(或者控流器板块构件阵列)安装到支撑结构，并具有一个或多个开口，或者具有相邻控流器板块之间的板块间空隙，以形成该一个或多个开口，用于允许水从中流过，使得抵靠着、围绕着控流器组件流动以及/或者冲击到控流器组件上的水的速度，相对于控流器组件部署地点附近的周围水的速度增大(或加速)，从而能够增加发电机产生的电力。水力转换器可以是涡轮机组件、水轮机组件或者其他装置或组件，所述其他装置或组件能够将流水的能量转换成机械能，该机械能随后可以被用来致动、驱动或者以其他方式给一个或多个发电机提供动力以产生电。所述水力转换器位于(诸)控流器开口/(诸)空隙后面间隔一定距离处，并且可操作地联结到该至少一个发电机。

技术介绍

[0003]偏远的内陆社区通常很少或根本无法接入电网，在获得电力方面面临重大挑战，尤其是当这些社区处于寒冷气候时。这种离网社区通常附近没有现成可用的电力来源或产生这种电力的手段。这些社区的人口少，通常无法激励公用事业公司将电力线路延长很长距离到达这些社区。此外，由于地形复杂以及需要清除树木和保持电力线长度不会增加过长，建造输电塔和输电线路的成本可能非常高。偏远社区可能也没有良好的道路来运送为发电机提供动力的诸如汽油、煤炭或柴油等燃料。因此，地方政府有时会补贴燃料购买或安排运送燃料，但是，这些行动可能非常费钱、不可靠且对环境不友好。因此，缺乏足够的电力可能往往会限制偏远村庄或城镇的商业发展和投资，并且阻碍居民的生计。
[0004]尽管原油价格定期大幅下跌(诸如在2014
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2015年期间)，但由于全球石油和天然气储量不断减少，化石燃料价格上涨的长期趋势可能会继续。替代(优选是可再生)的能源生成系统已成为世界各国日益关注的重要话题，特别是化石燃料消耗以及随之而来的排放和环境问题继续有增无减。因此，已经投入了大量的时间、资源和资金来研究和开发替代的电能生成系统，所述替代的电能生成系统利用诸如太阳能、水流、风能等可再生能源，以供应数量日益增大的能源。
[0005]近来探索了将海洋作为能源生成的来源。从海洋产生电能的潜力通常来自三种类型的能量/动力来源：海洋热能，波浪能和潮汐能。海洋热力发电利用冷的深海水和被太阳
加热的温暖海面水之间的热差；然后使用该热差使热机运行发电。然而，海洋热力发电成本高、效率低，而且可能需要的设备如果位于居民区附近会很难看，甚至可能对环境不友好。此外，海洋热力发电需要非常大的温度梯度或温差才能充分发挥作用。在许多海洋区域中，局部热差不够大，无法产生大量电能以满足需求。
[0006]波浪发电利用风在海面上作用所产生的波浪。然而，波浪发电高度依赖于波长，因此只适用于海洋中存在大波长的特定位置。波浪能有时不可靠，这是因为波浪质量不规则并且难以预测，从而导致能量的生成不恒定。
[0007]如果能量生成器位于居民区附近，则波浪和潮汐型能量生成可能会造成噪音或视觉污染。例如，某些潮汐能系统需要建造和放置远远超出水面的诸如液压装置和可动水箱等机器，诸如美国专利第5,426,332号、美国专利第5,872,406号和美国专利申请公布第2013/0134714号中所描述的。在美国专利第4,288,985号中所描述的另一个示例中，潮汐能系统可能需要在陆地上建造大型蓄水池，该蓄水池必须被充填，以便大型管道系统可以捕获水流。这种潮汐能系统需要在水面之上或岸上建造大型结构，从而需要大量的工程和土地成本，并且可能会引起环境问题。
[0008]WO2016/179048(在此通过引用合并该文献的全文)公开了一种潮汐能生成系统，它包括若干组件，用于使用浮力位移船利用潮汐在竖直方向上的升高和下降或者潮涨潮落捕获能量，并使用安装在位移船上的方向转换器将该能量转化为电能。WO2018/200005(在此通过引用合并该文献的全文)公开了一种潮汐能转换组件，其利用潮汐的潮涨潮落和/或水流产生的漂移/阻力产生能量，并且包括具有阻力板块的位移船，所述阻力板块可操作地连接至发电机。当位移船由于水的流动行进时，发电机产生电力。
[0009]尽管热能、波浪能和潮汐能可以成为位置靠近海岸的社区的动力来源，但远离水体的城镇和村庄无法获得这些能源。如果条件不适合替代能源，诸如太阳能或风能发电，那么，被隔绝的社区可能不得不依靠卡车运输或空运的非常昂贵的碳氢燃料来维持生计。
[0010]最近受到越来越多关注的一种相当大程度上未开发的可再生能源是流动的水蕴含的能量，例如河流、溪流、潮汐等不断流动的水流或例如墨西哥湾流或佛罗里达洋流等洋流。许多社区住在整年不断流动的河流或溪流附近，即使河流或溪流表面在冬季结冰。能够利用来自流水的水动力发电将是有利的。
[0011]水坝已经使用超过了2000年，用于将水动力能量或动能转换为诸如机械能等其他类型的能量，而水坝用于水力发电已经超过100年。水坝的主要目的是在水力发电厂上游的水中建立“压头”。水力学中的“压头”是静态(即不流动)水体中水位的量度，通常以米或英尺表示。水位或压头越高，特定位置的水具有的能量就越多。水坝将运动水体的动能(速度)转换为累积的压头(单位为米或英尺)。然后，该压头对通向涡轮机的压力管道或管路加压。当高压和高速的水被释放经过压力管道并推动涡轮机时能量被捕获，涡轮机旋转并发电。
[0012]尽管除了水力发电之外，水坝还提供了显著的其他好处，例如蓄水和防洪，但是，水坝也干扰了河流或溪流的自然流动，并可能引发环境问题，例如摧毁了人类定居点和植物、动物和鱼类的栖息地、沉积物沉降、水温变化和河岸侵蚀。因此，水坝通常不被认为是“绿色的”或对自然环境真正有益。
[0013]作为用于水力发电的水坝的替代方案，可以将涡轮机浸没在诸如河流或溪流等流动的水中，以利用水流中的动能。因为溪流和河流在河槽中具有大体恒定的水流，所以使用
这种水流发电会是有利的。然而，流动缓慢的溪流可能没有足够的速度来产生充分的动力。涡轮机通常具有指定的最小水流动速率以产生额定量的功率；低于此要求的最小流动速率的水速将只能产生额定功率的一小部分。例如，涡轮机可能需要5节(2.5米/秒)的最小水流流动才能产生其额定功率，而3节(1.5米/秒)(最小速度的60％)的流动可能仅产生额定功率的20％或20％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种水动力发电总成，用于在周围水流中发电，其包括：支撑结构；控流器组件，其安装到所述支撑结构上并且能够定位在水流中，用于增大周围水流的速度，所述控流器组件包括至少一个控流器板块构件，所述控流器板块构件具有至少一个开口，用于当在其中部署所述支撑结构时，水能够以相对于周围水流速度增大的速度流经所述控流器组件；水力转换器，其位于所述控流器组件的后方或下游预定距离处，并且定位成被以所述增大的速度流经所述控流器组件的水致动；以及发电机，其可操作地联结到水力转换器，用于因流水致动所述水力转换器而发电。2.根据权利要求1所述的发电总成，其中，所述控流器组件包括两个或多个控流器板块构件，所述两个或多个控流器板块构件在相邻的板块构件之间具有板块间空隙，以形成所述至少一个开口，水流以相对于周围水流增大的速度流经所述至少一个开口。3.根据权利要求1所述的发电总成，其中，所述至少一个开口位于所述至少一个控流器板块构件中，流经所述控流器组件的流水相对于周围水的速度增大，用于以相对于周围水流增大的力致动所述水力转换器。4.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，还包括距离调节机构，用于调节水力转换器与所述控流器组件之间的距离，并由此改变致动所述水力转换器的流水的速度。5.根据权利要求4所述的发电总成，其中，所述距离调节机构包括轨道或滑动件。6.根据权利要求4或5所述的发电总成，其中，所述距离调节机构调节水力转换器相对于水面的竖直位置、水力转换器相对于支撑结构的横向距离，或者以上两者。7.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述支撑结构包括一个或多个浮筒。8.根据权利要求7所述的发电总成，其中，所述一个或多个浮筒具有可调节浮力，以改变水力转换器位于水流中的深度。9.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述支撑结构具有浮力以漂浮在周围水流中。10.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述支撑结构具有可调节浮力，以调节水力转换器浸没在加速后水的路径中的深度。11.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述支撑结构包括一个或多个绞盘，用于可控地调节所述支撑结构的俯仰和/或滚转。12.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述支撑结构的头部区段具有比支撑结构的尾部区段更大的浮力。13.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述水力转换器相对于支撑结构的位置是可调节的，以改变水力转换器在水流中的深度。14.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件和水力转换器安装到包括支撑结构的支柱上。15.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件是单个结构元件。16.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，在发电总成的使用期间，支
撑结构位于水体表面处或水体表面附近。17.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述支撑结构在使用期间位于水体表面的下面。18.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述水力转换器为涡轮机、水轮机或阿基米德螺旋器。19.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，还包括：(a)多个控流器板块，至少一个控流器板块构件中具有至少一个开口，或者所述多个控流器板块在相邻板块之间具有板块间空隙，用以在其间形成所述至少一个开口，用于使得流水以相对于周围水流增大的速度流经所述控流器组件；以及(b)多个水力转换器，每个水力转换器位于控流器组件的后方或下游一定距离处，从而被冲击在水力转换器上的、相对于周围水流速度增大的水致动。20.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，进一步包括定位在所述控流器组件的开口的后方或下游的多个水力转换器。21.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件和水力转换器从支撑结构向下悬挂，使得支撑结构能够被部署成漂浮在水面处或水面附近，其中，所述控流器组件位于周围水流中，而水力转换器位于速度增大的水流中。22.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件和水力转换器从支撑结构向上延伸，使得支撑结构能够以浸没的方式部署，其中，控流器组件位于周围水流中，而水力转换器位于速度增大的水流中。23.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件的开口为控流器组件的宽度的大约三分之一。24.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述水力转换器具有入口，所述入口设置于控流器组件的开口的下游。25.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件的开口为控流器组件的整个面的宽度的大约30
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50％。26.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件包括多个控流器板块，所述多个控流器板块在相邻板块之间具有板块间空隙，所述板块间空隙的总宽度为所述控流器组件的整个面的宽度的大约30
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50％。27.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述控流器组件的底部边缘在水力转换器的最低部分下方延伸0
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3英尺(0
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1m)。28.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，进一步包括控制机构，用于调节所述至少一个控流器板块构件关于水平轴线、竖直轴线或者水平轴线和竖直轴线两者的角度，以改变当周围水流流经控流器组件时赋予周围水流的速度增大量。29.根据权利要求28所述的发电总成，其中，所述控制机构在0度和180度之间调节所述至少一个控流器板块构件关于水平轴线、竖直轴线或者水平轴线和竖直轴线两者的角度，用以改变当周围水流流经所述控流器组件时赋予周围水流的速度增大量。30.根据权利要求28或29所述的发电总成，其中，所述控制机构独立地调节多个控流器板块中的每个控流器板块关于水平轴线、竖直轴线或者水平轴线和竖直轴线两者的角度。31.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，还包括系到固定位置的系绳，用于
将所述支撑结构保持在周围水流中的期望位置。32.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，还包括一个或多个导流器，用于将水流引导至所述控流器组件。33.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，其中，所述水力转换器是包括多个安装到可旋转轴上的桨叶的水轮机。34.根据权利要求33所述的发电总成，其中，所述水轮机包括两组或多组相邻的桨叶，每组桨叶都安装到所述轴上。35.根据权利要求34所述的发电总成，其中，各组桨叶中的桨叶在圆周上彼此偏移。36.根据权利要求33至35中任意一项所述的发电总成，其中，所述水轮机的桨叶可调节地安装到所述轴上，用以在水轮机的旋转周期期间改变每个桨叶从所述轴径向向外延伸的长度。37.根据权利要求33至36中任意一项所述的发电总成，其中，所述桨叶具有不平坦的表面，用于在水轮机的旋转期间盛水。38.根据权利要求33至37中任意一项所述的发电总成，还包括罩，所述罩构造为包围所述水轮机。39.根据权利要求33至38中任意一项所述的发电总成，还包括方向转换器，所述方向转换器转换从水轮机接收的旋转能量，并将旋转能量传递到至少一个发电机，用于致动所述至少一个发电机。40.根据权利要求39所述的发电总成，其中，所述方向转换器通过传动机构可操作地联结到所述发电机。41.根据权利要求40所述的发电总成，其中，所述传动机构将来自水轮机的输出旋转能量转换为给发电机的更快的输入旋转，用于增加由发电机产生的电。42.根据权利要求40或41中所述的发电总成，其中，所述传动机构包括滚筒组件，用于增加由水轮机产生的旋转能量。43.根据权利要求40至42中任意一项所述的发电总成，其中，所述传动机构在达到指定的扭矩水平时与多个发电机中的一个或多个相接合或脱离。44.根据权利要求40至43中任意一项所述的发电总成，其中，所述传动机构包括齿轮箱或链条和链轮装置。45.根据权利要求40至44中任意一项所述的发电总成，其中，所述传动机构在达到指定的扭矩水平时与多个发电机中的一个或多个接合或脱离。46.根据权利要求39至45中任意一项所述的发电总成，还包括位于所述水轮机的轴的相应端部处的至少一对方向转换器。47.根据上述权利要求中任意一项所述的发电总成，还包括多个发电机，所述多个发电机经由发电机接合机构可操作地连接至所述水力转换器，所述发电机接合机构选择性地接合和脱离一个或多个发电机与水力转换器的操作耦合，用于改变由所述多个发电机所产生的电量。48.根据权利要求47所述的发电总成，其中，所述发电机接合机构包括机械开关、电气开关、或者机械开关和电气开关两者。49.根据权利要求47至48中任意一项所述的发电总成，其中，所述多个发电机中的每一
个发电机都具有独立于其他发电机的发电能力。50.根据权利要求33至49中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：林恩，
申请(专利权)人：超级月亮电力公司，
类型：发明
国别省市：