УСТАНОВКА И МЕТОД ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
APPARATUS AND METHOD FOR GENERATION OF ENERGY FROM FLUID FLOW

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе для преобразования волновой энергии, энергии приливов или течений в пласте текущей воды в другую пригодную форму энергии. В частности, настоящее изобретение обеспечивает установку для генерирования электричества, использующую потоки, такие как волны, приливы или течения в пласте воды.
Уровень техники
Известно большое количество предложений для преобразования текущего, волнового или приливного потоков в электричество в качестве не загрязняющего окружающую среду подхода к генерированию энергии.
Предыдущие системы для извлечения энергии из волн использовали вертикальное перемещение водной поверхности, вызванное фазовым сдвигом между эллиптическими путями частиц воды вдоль длины волны. Как правило, предыдущие устройства характеризовались некоторой формой поплавка, соединенного с механическим приспособлением, или некоторой формой заполненного воздухом тела над волновой поверхностью для преобразования периодического вертикального перемещения волновой поверхности в некоторую форму движения, пригодную для генерирования электричества (как правило, вращательную). Такие системы часто механически сложные и для эффективной работы настроены на резонирование при частоте, при которой ожидается пик плотности энергии внешнего волнового спектра. Производительность может значительно падать, если частота волны отличается от этой проектной резонансной частоты. Такие системы непригодны, если имеется только поперечный поток (течение или прилив) с неколебательной вертикальной составляющей волны.
Были предложены системы для извлечения энергии в поперечных потоках. Такие системы подразумевают применение лопасти, колебание которой может вызывать поток, механическую систему передачи, преобразующую это колебание во вращательное движение. Эти системы сталкиваются с похожими проблемами волновых систем: сложность механического исполнения, неспособность к извлечению энергии из других типов движения, и т.д. Особенность других систем - большая подводная крыльчатка с генератором электрической энергии, находящихся в узле, схожая с ветродвигателем, но для воды вместо воздушных потоков. Для того чтобы на качающийся диск воздействовала максимальная величина набегающей энергии течения, длина лопаток должна быть большой, что, в свою очередь, требует сложной конструкции и материалов для компенсирования нагрузки на хвостовик лопатки. Прибрежные приливные плотины стремятся сосредоточить набегающую энергию большого поперечного сечения потока воды захватом приливного притока при приливе позади сдерживающей стены и направлением его вновь наружу через турбины с гораздо меньшей площадью поперечного сечения, как в обычной дамбе. Отлив обеспечивает соответствующую разность напоров между захваченной водой в лагуне позади плотины и отливом у направленной к морю стороне плотины. Как правило, такие плотины, возведенные поперек приливного устья, очень дорогостоящие и разрушительные для окружающей среды и требуют взаимодействия приливного потока с местным рельефом устья для усиления приливного диапазона.
Одна общая проблема для волновых или проточных систем заключается в их способности использовать достаточно большое поперечное сечение океана для возможного генерирования энергии в промышленных масштабах. Кроме того, концевой или краевой эффекты способствуют тому, что потоку легче обойти вокруг любой конструкции, расположенной в потоке для извлечения энергии из него, чем пройти через систему извлечения энергии. Эта проблема может быть устранена созданием очень большого сооружения, но это, в свою очередь, может привести к дальнейшему усложнению и увеличению стоимости, а также может лежать за пределами настоящих технических возможностей.
Документ WO 2008015047 раскрывает установку для преобразования энергии из волнового или текущего потоков, где ряд труб размещен так, что зоны Вентури образованы между трубами. Поток воды между этими трубами заставляет зоны Вентури действовать как насосы, втягивающие воду через трубы, которые питает канал потока коллектора, и приводящие в действие турбину. Ряд труб размещенных для образования комплектов с вертикальными плоскостями, которые, в свою очередь, установлены на морском дне для образования плотин.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение альтернативного расположения элементов, выполненных в виде труб, для обеспечения улучшенной работы для таких генерирующих энергию устройств.
Первый аспект настоящего изобретения предусматривает установку для генерирования электричества, использующую поток воды в пласте воды, содержащую:
- комплект элементов, расположенных на расстоянии друг от друга, при этом каждый элемент определяет вытянутый проточный канал, содержащий напорную сторону и вытянутую ненапорную сторону, причем каждый элемент оснащен рядом отверстий, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль, по меньшей мере, части его длины, и ненапорную сторону, проходящую и сужающуюся по направлению от напорной стороны, где элементы размещены бок о бок так, что противоположные стены смежных элементов определяют зону Вентури и первую секцию диффузора, проходящую ниже по потоку от зоны Вентури;
- канал потока, содержащий впускное отверстие и выпускное отверстие;
- турбину, размещенную в канале потока; и
- генератор или гидравлический насос, подсоединенный к турбине;
где проточные каналы подсоединены к выпускному отверстию канала потока так, что поток воды через зоны Вентури приводит к пропусканию воды через канал потока наружу через отверстия результирующим потоком, приводящим в действие турбину.
Напорный край каждого элемента может проходить и сужаться по направлению от отверстий для образования вытянутой формы такой, что при размещении элементов бок о бок противоположные стены смежных элементов определяют вторую секцию диффузора, проходящую выше по потоку от зоны Вентури. Профиль напорной стороны и ненапорной стороны может быть, по существу, одинаковым.
В одном варианте осуществления профиль переднего края напорной стороны, по существу, V-образной формы. При V-образной форме переднего конца на напорной стороне может происходить большее падение давления в зоне Вентури. Большее падение давления будет способствовать вторичному потоку выходить вверх в отверстия для соединения с основным потоком через зону Вентури.
Профили каждого элемента могут быть, по существу, шестиугольными или, по существу, эллиптическими. Профили являются такими, что применяемый профиль каждого элемента проходит в направлении потока жидкости.
В одном варианте осуществления профиль напорной стороны и профиль ненапорной стороны, по существу, разные.
Наружная поверхность элементов, определяющих секцию диффузора, может быть шероховатой для создания турбулентности в секции диффузора.
Установка может дополнительно содержать разделительные элементы, размещенные в секции диффузора. Разделительные элементы могут быть подвижными в секции диффузора относительно элементов.
Установка - это "спектральный преобразователь энергии моря" (SMEC).
Задний конец ненапорного края элементов может содержать большое количество перфорированных отверстий с целью способствовать управлению граничным слоем в секции диффузора.
Ненапорный край может содержать клапан управления потоком, причем клапан управления потоком предусматривает проток между ненапорным краем элемента и проточным каналом.
Каждый элемент может содержать подвижную разделительную панель для разделения напорной стороны от ненапорной стороны. Разделительная панель может быть управляемой для изменения площади поперечного сечения проточного канала. Может быть использован другой механизм для управления площадью поперечного сечения и/или блокирования участков проточного канала.
Система может содержать плавучие средства с целью управления или изменения плавучести системы и, например, для увеличения или уменьшения ее погруженности в воде. Плавучие средства могут быть предусмотрены в секции системы и могут быть предусмотрены на ненапорной стороне. Плавучим средством может быть воздухонепроницаемая камера, в которую воздух может быть введен или удален из нее.
В одном варианте осуществления элементы являются, по существу, вертикальными. Элементы подсоединены к горизонтальному коллектору за их нижний край; коллектор подсоединен к каналу потока.
Установка может далее содержать горизонтальные лопасти управления потоком, размещенные горизонтально поперек элементов. Каждый проточный канал может содержать ряды камер, расположенных вертикально внизу проточного канала; и питающий трубопровод, проходящий от каждой камеры и содержащий впускное отверстие, размещенное ниже ряда камер.
В варианте осуществления, содержащем вертикальные элементы, установка может дополнительно содержать по меньшей мере одну горизонтальную перегородку, проходящую между смежными элементами. Большое количество горизонтальных перегородок может проходить между двумя смежными элементами на расстоянии друг от друга с интервалами вдоль длины элементов. Горизонтальные перегородки могут помочь минимизировать размер водоворотов в вертикальной плоскости между смежными элементами.
В другом варианте осуществления элементы, по существу, горизонтальные. Элементы подсоединены к вертикальному коллектору; коллектор подсоединен к каналу потока.
Каждый коллектор может содержать ряд камер, причем каждая камера расположена смежно с краем проточного канала; и питающий трубопровод, проходящий от камеры и содержащий впускное отверстие, размещенное ниже ряда камер.
В варианте осуществления, содержащем горизонтальные элементы, установка может дополнительно содержать по меньшей мере одну вертикальную перегородку, проходящую между смежными элементами. Большое количество вертикальных перегородок может проходить между двумя смежными элементами. Вертикальные перегородки могут помочь минимизировать размер водоворотов в горизонтальной плоскости между смежными элементами.
Установка может дополнительно содержать дефлектор сифонного типа, проходящий наружу от ненапорной стороны установки. Дефлектор сифонного типа создает наклонный колпак в задней части установки, который может помочь минимизировать турбулентность от смешивания потоков, выходящих из зон Вентури. Дефлектор может помочь поддерживать давление в верхней части установки на ненапорной стороне ниже атмосферного давления.
В отверстиях может располагаться запирающий механизм, действующий между закрытым положением и открытым положением так, что, когда механизм находится в закрытом положении, вода не протекает через отверстия.
Каждое отверстие может содержать индивидуально управляемый запирающий механизм. Запирающим механизмом может быть клапан и/или заслонка. Каждое отверстие может быть открыто и закрыто по отдельности, или запирающий механизм может быть централизовано управляемый для одновременного закрытия всех отверстий в каждом комплекте. Наличие запирающего механизма дает возможность пользователю изменять площадь поперечного сечения активной части установки.
Длина используемых элементов и размер установки могут быть различными и будут зависеть от таких факторов: диапазон глубин, на которых используется установка, требования использования, направленность элементов, соответствующая глубина воды и текущего потока в воде. Установка может проходить в диапазоне от десяти метров до нескольких сотен метров и может зависеть от ширины водного пласта, в который будет установлена система.
Установка может быть сооружена из любых подходящих материалов. Материалы могут включать мягкую сталь, нержавеющую сталь, стеклопластик, поликарбонат, бетон и/или фанеру в различных других предметах. Другие высоколегированные стали и металлы могут также быть использованы при необходимости.
Второй аспект настоящего изобретения подразумевает элемент для включения в установку согласно первому аспекту настоящего изобретения для генерирования электричества, используя поток жидкости в пласте воды; элемент, определяющий вытянутый проточный канал и содержащий напорную сторону и ненапорную сторону, элемент, оснащенный рядом отверстий, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль его длинны, причем ненапорная сторона проходит и сужается в направлении потока так, что при размещении элементов бок о бок в комплекте противоположные стены смежных элементов определяют зону Вентури и секцию диффузора, проходящую вниз по потоку от зоны Вентури.
Третий аспект настоящего изобретения подразумевает способ генерирования электричества из потока воды, предусматривающий применение установки согласно первому аспекту настоящего изобретения, причем способ предусматривает обеспечение установки в потоке воды; позволяет приливному или текущему потоку протекать через зону Вентури, и позволяет вторичному потоку протекать через канал потока и приводить в действие турбину.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение теперь будет описано в качестве примера, ссылаясь на приложенные чертежи, на которых:
на фигуре 1 изображен вариант осуществления установки согласно изобретению, расположенной поперек текущего потока;
на фигуре 2 изображен схематический вид сверху расположения труб поперек текущего потока согласно изобретению;
на фигуре 3 изображен вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий горизонтально размещенные трубы;
на фигуре 4 представлено подробное изображение горизонтальной трубы для использования с настоящим изобретением;
на фигуре 5 изображено поперечное сечение вида сбоку варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего горизонтально размещенные трубы;
на фигурах 6-11 изображены примеры поперечного разреза труб для использования в установке настоящего изобретения;
на фигурах 12-16 изображены примеры поперечного разреза трубы для использования в установке настоящего изобретения;
на фигуре 17 изображен схематически поперечный разрез трубы для использования в варианте осуществления настоящего изобретения;
на фигуре 18 изображен схематический вариант осуществления настоящего изобретения, содержащего горизонтальные лопасти;
на фигуре 19 изображен схематический вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий вертикально размещенные трубы с внутренней сегментацией;
на фигуре 20 изображен схематический вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий горизонтально размещенные трубы;
на фигуре 21 изображен схематический вид одного варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего вертикальные трубы;
на фигуре 22 изображен вид в разрезе варианта осуществления по фигуре 21;
на фигуре 23 изображен другой вид в разрезе варианта осуществления фигуры 21;
на фигуре 24 изображен вид сбоку варианта осуществления настоящего изобретения;
на фигуре 25 изображен вид сбоку варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего дефлектор сифонного типа;
на фигуре 26 изображен схематический вариант осуществления настоящего изобретения, размещенный поперек части ширины пласта воды;
на фигуре 27 изображен вид сбоку по фигуре 24;
на фигуре 28 изображен схематический вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий зазор, установленный поперек пласта воды;
на фигуре 29 изображен вид сверху конструкций, установленных вдоль длины пласта воды; и
на фигуре 30 изображен вид сбоку конструкций, установленных вдоль длины пласта воды;
на фигуре 31 изображен вид сбоку труб при разных уровнях воды.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение, в общих чертах, основано на технологии, раскрытой в документе WO2008/015047, который раскрывает установку, содержащую расположение первых и вторых труб для генерирования электричества, используя приливный, волновой или текущий поток в пласте воды. Первые трубы оснащены рядом отверстий, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль длины труб, и соединены с каналом потока, содержащего впускное отверстие в пласт воды. Зоны Вентури, определенные между смежными трубами, действуют как работающие на эффекте Вентури насосы, включая поток изнутри первых труб через отверстия, для того чтобы втянуть воду через канал потока и запустить турбину, подсоединенную к генератору.
Термин SMEC используется для обозначения такой технологии. Слово "спектральный" означает, что энергия извлечена из любого движения воды между трубами независимо от частоты, при которой внешний волновой спектр предположительно максимальный. SMEC - является «всеспектральным». Он хорошо работает даже при почти нулевой частоте, т.е. в приливных потоках и однонаправленных (река) потоках.
Основной принцип настоящего изобретения - это предложение SMEC установки, в которой трубы содержат по меньшей мере одну сужающуюся сторону, такую, чтобы секция диффузора была сформирована между смежными трубами. На фигуре 1 изображена часть установки, содержащая ряд труб, размещенных поперек текущего потока. На фигуре 2 изображен вид сверху расположения труб для демонстрации принципа работы.
Расположение предусматривает комплект труб 10, расположенных вертикально параллельно бок о бок на расстоянии друг от друга, по существу, в одной и той же плоскости с зоной 12 Вентури, определенной между смежными трубами. Нижние концы труб подсоединены к конструкции 14 общего горизонтального коллектора, который подсоединен к каналу 16 потока, в котором расположена турбина 18. Турбина 18 подсоединена к генератору через приводной вал. Каждая труба 10 содержит ненапорную коническую сторону 20 и напорную сторону 22, проточный канал 24 и ряды отверстий 26, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль длины трубы. Смежные трубы 10 расположены так, что зона 12 Вентури и секция 28 диффузора определены противоположными стенами смежных труб 10. Отверстия 26 расположены так, что они гидравлически соединены с проточным каналом 24 и размещены в или около зоны 12 Вентури.
Вода поступает в канал 16 потока через впускное отверстие 32, и трубы 10 подсоединены к выпускным отверстиям 34 канала потока так, что основной поток 36 воды, прошедший расположение труб, заставляет зону 12 Вентури действовать как работающие на эффекте Вентури насосы, вызывая поток 38 изнутри труб наружу через отверстия 26 для того, чтобы втянуть воду 40 через канал потока и запустить турбину. Падение напора от напора поверхности верховой воды до уровня низовой воды вызвано эффектом Вентури. Поскольку поток проходит через зону Вентури между трубами, в зоне Вентури возникают усиленные потери напора. Это вызывает выход потока 38 воды наружу через отверстия 26. Это усиленное падение напора поперек труб, канала потока и турбины вызывает высокую скорость вторичного потока 38 через коллекторный трубопровод с объемом меньшим, чем основной поток, который может быть использован для приведения в действие турбины.
На фигуре 3 изображено другое расположение труб 50 для SMEC установки, которое установлено поперек входа для пласта воды 62. В этом варианте осуществления трубы 50 установки размещены, по существу, горизонтально и содержат, по существу, вертикальную плоскость и подсоединены к вертикальному коллектору 64. Горизонтальные трубы 50 размещены в виде комплекта труб, расположенных параллельно на расстоянии друг от друга бок о бок, по существу, в той же плоскости так, что противоположные стены смежных труб определяют зону Вентури и секцию диффузора.
Согласно фигурам 4 и 5 каждая труба 50 содержит суженную сторону 56, проточный канал 58 и отверстия 60, расположенные на расстоянии друг от друга вдоль длины трубы 50. Смежные трубы 50 расположены так, что зона 66 Вентури и секция 68 диффузора определены между противоположными стенами смежных труб. Вода 62 поступает в канал потока через впускное отверстие, и трубы 50 подсоединены к выпускным отверстиям коллектора 64 так, что поток воды, прошедший расположение труб, заставляет зону Вентури действовать как работающие на эффекте Вентури насосы, вызывая поток изнутри труб через отверстия для того, чтобы втянуть воду через канал потока и запустить турбину.
Горизонтальное расположение труб Вентури может помочь отделить вызванное пониженное давление в зоне Вентури от свободной поверхности основного потока. Это помогает поддерживать пониженное давление, образуемое в зоне Вентури, которое запускает вторичный поток и тем самым помогает поддерживать потенциальную полезную выходную мощность, которая может быть достигнута.
Энергетические потери через зону Вентури могут происходить в результате реинтеграции вторичного потока с основным потоком внутри зоны Вентури. Теоретическая предельная величина полезной работы, которая может быть извлечена из вторичного потока, зависит от геометрии SMEC установки. Геометрия профиля зоны Вентури может влиять на энергетические потери в зоне Вентури.
На фигурах 6-11 изображены примеры профилей труб, которые могут быть применены для образования установки для применения в однонаправленных потоках.
Каждая труба 70, образующая комплект, содержит напорную сторону 72 и ненапорную сторону 74. Проточный канал 76 расположен между напорной стороной 72 и ненапорной стороной 74. Ряды отверстий или пазов 78 образованы вдоль длины проточного канала 76, расположенного так, что они будут находиться в или около зоны 80 Вентури, образованной между смежными трубами. Отверстия или пазы 78 размещены на трубе там, где она характеризуется большей шириной и, расположены на расстоянии друг от друга вдоль длины трубы. В трубах 76 для применения в однонаправленном потоке 82 профиль напорной и ненапорной сторон труб может отличаться от входа 84 в зону 80 Вентури, который меньше, чем ненапорная сторона зоны Вентури секции 86 диффузора.
Количество, форма и расположение отверстий, образованных вдоль длины проточного канала, может изменяться. Под термином отверстия могут подразумеваться щели, пазы, непрерывные пазы, вытянутые отверстия и любой другой соответствующий проем в проточном канале.
На фигуре 6 изображен один профиль трубы 70 Вентури для применения в установке. Полая труба 70 Вентури содержит короткую, по существу, полукруглую напорную сторону 72, суживающуюся в вытянутую ненапорную сторону 74, образующую, по существу, форму капли. Проточный канал 76, образующий часть пути вторичного потока, проходит вдоль длины трубы 70. Отверстия 78 размещены между напорной 72 и ненапорной 74 сторонами вдоль длины трубы 70. Труба 70 может быть усилена дополнительными закрепленными внутренними стойками 88.
На фигуре 7 изображен профиль трубы Вентури для однонаправленного потока. Полая труба 70 Вентури характеризуется, по существу, шестигранной формой поперечного сечения, содержащей короткую заостренную напорную сторону 72 и вытянутую ненапорную сторону 74 с проточным каналом 76, проходящим вдоль длины трубы 70. Отверстия 78 размещены между напорной и ненапорной сторонами вдоль длины трубы.
На фигурах 8 и 9 изображены пересекающиеся формы поперечного сечения трубы Вентури, содержащего осевое отверстие с различным расположением стоек и креплений 88. Трубы 70 содержат суженную вытянутую ненапорную сторону 74 и более короткую полукруглую напорную сторону 72. Полукруглая напорная сторона 72 характеризуется большим диаметром, чем ненапорная сторона 74. Отверстия 78 размещены вдоль длины трубы 70 на напорной стороне 72 на границе с ненапорной стороной 74.
На фигурах 10 и 11 изображен другой вариант осуществления труб для установки, содержащих отличающиеся расположения креплений, стоек и плиты, предназначенные для обеспечения усиления труб. Форма поперечного сечения трубы 70 содержит короткую суженную выпуклую напорную сторону 72, образующую проточный канал 76 для пути вторичного потока. Труба 70 содержит суженную вытянутую ненапорную сторону 74, более длинную, чем напорная сторона 72 и заглушенную от напорной стороны 72. Отверстия 78 размещены вдоль длины трубы 70 в напорной стороне 72 возле границы с ненапорной стороной 74 для вторичного потока из проточного канала 76 в зону Вентури. Заглушенная ненапорная сторона 74 может содержать плавучую секцию 90.
Основной поток 82 ускоряется в зоне 80 Вентури между трубами 70, течет через зону 80 Вентури и затем расходится наружу между стенами труб, которые определяют секцию 86 диффузора.
Сужающаяся секция, предусмотренная на ненапорной стороне труб, помогает содействовать восстановлению давления, так как основной поток замедляется за пределами зоны Вентури. Для оптимального функционирования работающего на эффекте Вентури насоса требуется, чтобы был сохранен режим пониженного давления внутри зоны Вентури в соответствии с теоремой Бернулли. С целью удовлетворить это требование, основной поток необходимо замедлять плавно через зону диффузора, находящуюся на ненапорной стороне зоны Вентури, чтобы обеспечить восстановление давления обратно до внешнего напора свободного течения.
Более тупая и короткая напорная сторона трубы может быть использована в однонаправленном потоке с повышенным градиентом давления во входной горловине зоны Вентури, поддерживая хорошее регулирование потока.
Когда установка применяется в пластах воды, содержащих двунаправленный поток, труба может характеризоваться, по существу, такой же формой профиля, как изображено на фигурах 12, 13 и 14.
Трубы 100 для применения в двунаправленном потоке 102a, 102b содержат суженные ненапорную сторону 104 и напорную сторону 106, такие, что две секции 108a, 108b диффузоров определены между смежными трубами 100, разделенными зоной 110 Вентури. Симметричная форма труб позволяет входной горловине 108b зоны 110 Вентури стать секцией диффузора, когда направление потока 102a меняется на обратное 102b. Вторичный поток 112a, 112b присоединяется к основному потоку 102a, 102b, когда он покидает трубы 100 через отверстия. Как изображено на фигуре 12, двунаправленные трубы 100 могут характеризоваться, по существу, эллиптической формой, проходящей параллельно направлению потока 102 воды. Дальнейшие примеры форм поперечного сечения труб для применения в двунаправленном потоке изображены на фигуре 13, при этом двунаправленные трубы 100 могут характеризоваться, по существу, шестигранной формой, проходящей параллельно направлению потока 102 воды.
С целью достижения малого угла расширения диффузора применяется труба с большой длиной хорды. На фигуре 14 изображен комплект двунаправленных труб 100 с разделительными элементами 114, размещенными в секциях 108a, 108b диффузоров, образованных смежными трубами 100. Разделительные элементы 114 могут быть расположены в секции диффузора, позволяя короткой длине хорды по всей сборке быть использованной, в то же время, сохраняя маленький эффективный угол для содействия восстановлению давления. Изменения в направлении основного потока 102 при его проходе через секцию 108a диффузора с разделительными элементами 114 способствует смешиванию потока и содействует восстановлению давления.
Согласно фигуре 15 разделители 114 могут быть перемещены в и за пределы секций 108a, 108b диффузоров. Перемещение разделителей 114 изменяет коэффициент загрузки рабочего сечения, который может улучшить производительность приливного потока, где скорость основного потока непрерывно изменяемая. Перемещение разделителей из положения, близкого к зоне Вентури, в положение далее ниже по потоку уменьшает коэффициент загрузки рабочего сечения.
Дальнейшие изменения могут быть сделаны для SMEC установки для улучшения регулирования потока для получения соответствующего профиля потока. В одном варианте осуществления, как изображено на фигуре 16, разделители 114a, 114b могут быть соединены перегородкой 116 в пределах зоны Вентури. Это может помочь препятствовать неравномерному разделению потока вокруг разделителя и может помочь регулированию потока.
Коэффициент загрузки рабочего сечения может влиять на работу установки. Коэффициент загрузки рабочего сечения образуется разделением расстояния между средними линиями двух смежных труб Вентури зазором между смежными трубами в зоне Вентури.
Наружная поверхность труб, которая определяет секцию диффузора, может содержать шероховатую поверхность. Шероховатая поверхность помогает способствовать турбулентному потоку на граничном слое, который может способствовать смешиванию и содействовать восстановлению давления. Поверхность может содержать негладкую поверхность, такую как, рифленая поверхность. Поверхность может быть образована на трубе во время ее изготовления или может быть образована на трубе в течение эксплуатации, допуская естественное обрастание морскими организмами или подобным со временем.
На фигуре 17 изображен профиль трубы 120 для применения в SMEC установке, содержащей перфорированные отверстия 122 на заднем крае ненапорной стороны 124. Перфорированные отверстия 122 могут быть образованы в конце ненапорной стороны 124 труб, и клапан 126 управления потоком может быть размещен в пределах ненапорной стороны 124 для управления потоком воды от граничного слоя секции диффузора до проточного канала 128. Клапан 126 управления потоком может быть применен для втягивания воды от граничного слоя секции диффузора в трубу 120, помогая предотвращать или задерживать разделение потока.
На фигуре 18 изображен вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий лопасти 132 управления потоком, проходящие горизонтально поперек вертикально размещенных труб 134, подсоединенных к коллектору 136. Установка содержит комплект вертикальных труб 134 с одной или несколькими лопастями 132 управления потоком, расположенными горизонтально поперек вертикально размещенного комплекта труб. Горизонтальные лопасти могут быть плоскими, чтобы держать поток, по существу, горизонтально при его прохождении через зону Вентури.
Водная поверхность в верхней части каждого зазора для возникновения эффекта Вентури находится над свободной поверхностью водяного столба, который на протяжении небольшого отрезка зоны Вентури был ускорен до высокой скорости перед замедлением при его попадании в секцию диффузора. Поднятие свободной водной поверхности обусловлено сложным равновесием сил, являющимся следствием ее общего напора, частоты изменения ее динамики и атмосферного давления, действующего на нее. Поднятие свободной водной поверхности остается на более высоком уровне, чем если бы указывал ее локально сниженный общий напор в случае его квазистатичности. Любое стремление свободной поверхности к снижению в трубе может иметь вредное влияние на работу устройства. Посредством размещения управляющих лопастей поперек труб понижение свободной поверхности может быть предотвращено.
Когда трубы сами по себе горизонтальны, как изображено на фигуре 3, горизонтальное расположение труб, по существу, обеспечивает тот же эффект для установки, который обеспечивают горизонтальные управляющие лопасти при вертикальном расположении трубы.
В ситуации, когда установка размещена в приливном потоке, свободная поверхность основного потока воды может характеризоваться различным поднятием. На фигуре 19 изображено поперечное сечение части установки, содержащей вертикальные трубы 140, подсоединенные к горизонтальному коллектору 142. В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения каждая труба 140 разделена на большое количество камер 144, размещенных вертикально вдоль длины трубы. Питающий трубопровод 146 подсоединен к каждой камере 144 и проходит ниже наименьшего уровня 148 свободной поверхности, которого достигает свободная поверхность вторичного потока воды. Количество необходимых камер будет зависеть от изменения в уровне воды, который воздействует на трубы, длины труб и частоты выполнения отверстий 150 в трубах.
В приливных потоках, когда уровень воды падает, отверстия, расположенные наиболее высоко, могут подвергаться воздействию атмосферы, которая подвергает воду внутри труб атмосферному давлению. Уровень воды внутри труб Вентури затем упадет, и меньше электроэнергии может быть генерировано, так как вдоль трубы будет меньше активных отверстий. Внутренняя сегментация труб создает ряд камер, каждая в гидравлическом сообщении с нижним краем трубы через трубу, задействовавшую все отверстия ниже поверхности основного потока для применения даже при низких уровнях воды.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, когда установка содержит горизонтальные трубы 160, вертикальный коллектор 164 может быть сегментирован. На фигуре 20 изображено поперечное сечение части установки, содержащей горизонтальные трубки 160 Вентури, оснащенные рядом отверстий 162 и проходящие между вертикальными коллекторами 164. Коллектор 164 подсоединен к каналу 166 потока, вмещающего турбину 168, подсоединенную к приводному валу для приведения в действие генератора 170. Вертикальная коллекторная труба 164 разделена на большое количество камер 172, размещенных вертикально вдоль длины, по меньшей мере, части коллектора. Труба 174 подсоединена к каждой камере и проходит от камеры и ниже наименьшего уровня 176 свободной поверхности, которого достигает свободная поверхность вторичного потока воды. Каждая камера 172 расположена так, чтобы соответствовать горизонтальной трубе 160, проходящей от вертикального коллектора 164. Количество необходимых камер будет зависеть от изменения уровня воды, который воздействует на трубы. Необязательно, чтобы все трубы Вентури были связаны с отдельной камерой.
На фигурах 21, 22, и 23 изображен дополнительный вариант осуществления SMEC установки. В этом варианте осуществления установка содержит комплект вертикальных труб 200, содержащих сужающуюся ненапорную сторону 202 и проточный канал 204, содержащий отверстия 206, расположенные вдоль его длины. Трубы 200 подсоединены к общему горизонтальному коллектору 208, который, в свою очередь, подсоединен к вертикальному каналу 210 потока. Канал 210 потока содержит впускные отверстия 212 для получения воды из пласта воды и одной или нескольких турбин 214, размещенных в канале 210 потока, подсоединенных к генератору 216 через приводной вал. Горизонтальные коллекторы 218 расположены поперек труб 200 и канала 210 потока.
На фигуре 24 изображен один вариант осуществления SMEC установки. Установка содержит ряд вертикальных труб 20. Вертикальные трубы 20 заглушены в своем верхнем крае, по существу, горизонтальным барьером 220, проходящим поперек верхней части установки. При эксплуатации горизонтальный барьер 220 лежит ниже уровня 222 верховой воды, и верхняя часть трубы 20 лежит ниже уровня 224 низовой воды. Длина труб по вертикали выбрана при проектировании установки для соответствия параметрам потока в конкретном месте. По существу вертикальный барьер 226 проходит вверх от горизонтального барьера 220. Вертикальный барьер 226 непроницаемый для воды и сохраняет уровень верховой воды поверх верхней части труб.
На фигуре 25 изображен вариант осуществления SMEC установки. Установка содержит ряд вертикальных труб 20. Вертикальные трубы заглушены в их верхнем крае барьером 220, проходящим поперек верхней части установки. При эксплуатации барьер 220 лежит ниже, чем уровень 222 верховой воды. По существу вертикальный барьер 226 проходит вверх от горизонтального барьера 220. Вертикальный барьер является непроницаемым для воды и сохраняет уровень 222 верховой воды выше верхней части труб. Дефлектор 228 сифонного типа прикреплен к ненапорному краю установки. Вода, текущая между верхней частью вертикальных труб 20, выходит между трубами 20 при поднятии выше верхней точки уровня 224 низовой воды. Дефлектор 228 сифонного типа изолирует воду, находящуюся внутри дефлектора, от атмосферного давления таким образом, чтобы гидравлическое давление в воде в дефлекторе могло опуститься ниже атмосферного давления, тем самым, обеспечивая создание равномерного градиента давления в водяном столбе под дефлектором и способствуя улучшенным условиям потока.
Способ установки SMEC установки может отличаться в зависимости от типа установки и места, где установка будет установлена. Способы могут включать транспортирование на плаву секций установки в необходимую позицию, опускание установки в позицию при помощи управляемого погружения и/или опускания установки в необходимую позицию при помощи кранов или других подъемных установок. SMEC установка может быть установлена для того, чтобы охватить весь пласт воды, т.е. от берега до берега реки или пролива, или может быть установлена только частично поперек пласта воды.
Шлюзы могут быть встроены в SMEC установку как и для обычных плотин для разрешения прохода кораблей. Зазоры могут быть встроены в SMEC установку для пропуска плавучих средств, рыб или морских млекопитающих вверх и вниз по реке.
Поскольку установка размещена в потоке с большим поперечным сечением, чем поперечное сечение установки, наличие свободных краев позволяет направить основной поток скорее вокруг установки, чем через трубы. Чем длиннее установка относительно пласта воды, тем меньше потери в процентах полезной потенциально доступной выходной энергии.
С целью уменьшения эффекта краевых потерь, установка может работать поперек сплошного пласта движущейся воды, например от берега до берега реки или от одного побережья до другого побережья. Как изображено на фигуре 26 и фигуре 27, где установка 180 не перехватывает целый пласт воды 182, краевые потери могут быть минимизированы. С целью минимизации краевых потерь в таком расположении, поверхность 184 может быть присоединена к свободному краю установки, проходя перпендикулярно выше по потоку к установке 180. Поверхность 184 может помогать направлять воду через трубы 186 и минимизировать поток вокруг края. Впускное отверстие 188 для вторичного потока 190 может быть размещено у свободных краев для содействия основному потоку 192 в прохождении между трубами 186, а не по свободным краям.
На фигуре 28 установка 180 установлена по существу поперек полной толщины воды 182 с зазором 198, в котором на полпути поперек размещено впускное отверстие, содержащее турбину 196. Поверхность 184 присоединена к каждому из свободных краев модулей на каждой стороне зазора 198, чтобы помочь препятствовать пути потока, в то же время поддерживать открытым проток в конструкцию. Вторичный поток 190 через турбину регулирует падение напора по всей установке.
В одном варианте осуществления каждая SMEC установка может быть образована в виде модулей и расположена вдоль длины реки или другого пласта воды, такого как лиман, фьорд, канал. Модули могут использовать текущий или приливный поток воды для генерирования электричества.
Как изображено на фигуре 29 ряд конструкций 200, образованных из модулей, установлен вдоль длины реки 202 или другого пласта воды. Каждая конструкция 200 расположена поперек ширины реки перпендикулярно направлению потока 204 воды, и напорной и/или ненапорной стороны дополнительного модуля.
На фигуре 30 изображен общий вид установки в действии с тремя конструкциями 200, расположенными вдоль длины реки 202. Дальнейшие конструкции могут быть установлены по мере необходимости. Конструкция образует препятствие для воды по мере ее протекания вниз по реке, и происходит незначительное повышение уровня реки позади SMEC. Такое увеличение глубины реки является силовым приводом с малым напором для установки. Поскольку поднятия выступа над поверхностью воды, образованного позади каждой конструкции, является минимальной по сравнению с полным перекрыванием реки, то воздействие на окружающую среду выше по потоку является менее вредным.
Расстояние, на которое конструкции расположены друг от друга, будет играть роль для определения предельного увеличения уровня реки выше по потоку комплекта конструкций. Расстояние между каждой конструкцией будет зависеть от окружающей среды, в которой она установлена. Расстояние между конструкциями может изменяться в зависимости от контуров суши, которые омывают реки. Расстояние между каждой конструкцией может быть достаточным для того, чтобы уровень потока реки, в которой будет установлена напорная конструкция, по существу не испытывал воздействия какого-либо ненапорного SMEC. В конструкциях, расположенных на определенном расстоянии друг от друга достаточно обособлено, уровень реки от напорных структур будет достигать ее исходного уровня, несмотря на локальное увеличение в напоре непосредственно позади каждой структуры.
Высота труб выбрана в соответствии с глубиной реки, где конструкция должна быть установлена. Длина труб будет иметь такую протяженность, что модули будут проходить вниз ко дну реки для минимизации обходного потока.
Подвижные модули могут быть установлены в пласте воды. Как изображено на фигуре 31, модули могут содержать плавучую секцию 92 или внешний поплавок, который держится на верхней части трубы 20 на уровне 94 водной поверхности. Когда уровень 94 воды падает, SMEC может катиться по дну 96 реки так, чтобы отверстия 30 труб 20 и модуль оставались по существу погруженными при повышении и понижении уровня воды.
Как только первая конструкция будет размещена на реке, дополнительные конструкции могут быть расположены поперек реки выше и/или ниже по потоку от первой конструкции. Количество установленных конструкций будет зависеть от окружающей среды и количества электричества, которое требуется сгенерировать. Этот вариант осуществления особенно подходящий для внутренних речных систем, когда энергия прибрежных текущих и приливных сил не доступна для применения. SMEC модули не основываются на диапазоне высоты прилива, а основываются на объемном притоке и оттоке. Это делает SMEC особенно пригодным для применения в водных пластах, характеризующихся большим объемом воды, который не обязательно протекает с высокой скоростью, например, реки со значительной глубиной или шириной.
Потери на трение, происходящие на протяжении пути вторичного потока, могут вызывать спад давления в некоторых местах на протяжении пути потока, возникающие в результате уменьшения максимальной производительности, которая может быть получена. Потери на трение могут происходить во впускных отверстиях турбин, когда вода поступает в турбину. Эти потери могут быть минимизированы применением патрубка с гладким профилем.
Гидродинамическая эффективность турбин для отбора мощности может влиять на общую работу установки. Применение турбин с регулирующим шагом может помочь довести работу до максимальной величины. Типы турбин, подходящих для SMEC, включают осевую турбину и турбину Каплана. Все потери на трение могут быть минимизированы сглаживанием острых краев и применением гладких внутренних поверхностей частей турбины, находящихся в контакте с водой. Турбина может быть расположена низко в воде, это увеличивает внешнее рабочее давление и помогает ослабить ухудшение работы из-за воздействия кавитации на поверхности лопастей. Расположение генератора выше водной поверхности снижает вероятность попадания воды в любые электрические механизмы. Это может быть достигнуто применением достаточно длинного приводного вала между турбиной и генератором.
Слив от турбины может подвергаться регулированию потока. Это может быть достигнуто локализацией сужающейся наружу отсасывающей трубы ниже по потоку турбины, образующей диффузор. Это будет помогать поддерживать перепад пониженного давления ниже по потоку турбины, которая увеличивает энергию, которая может быть извлечена из вторичного потока.
Для установки с вертикальными трубами, проходящими от горизонтального коллектора, объемная скорость потока уменьшается, когда потоки воды поднимаются в каждую последующую трубу Вентури. Поэтому в одном варианте осуществления настоящего изобретения площадь поперечного сечения коллектора может быть уменьшена вдоль пути потока, чтобы обеспечить скорость постоянного потока вдоль длины коллектора на значении, больше критического значения для отложения осадка. Такое состояние потока может также помочь препятствовать завихрениям, способствующим потерям энергии, образующимся в коллекторе.
В дальнейшем варианте осуществления турбина и генератор могут быть предназначены для работы в обратном режиме в качестве насоса, вымывающего любой мусор или загрязнение из установки. Обычная обработка против обрастания и механическая очистка инструментов может также быть предусмотрена в установке для минимизации влияния морского обрастания и образования осадка, которое может иметь место при работе установки.
Для настоящего изобретения могут быть сделаны изменения. Соотношение геометрических размеров профиля труб может быть различным для обеспечения оптимальной работы комплекта. Соотношение геометрических размеров профиля трубы это соотношение длинны L профиля и ширины W профиля в их самой широкой точке.
В пределах области настоящего изобретения могут быть сделаны дальнейшие изменения.