ПЛАВУЧАЯ ТУРБИНА И СИСТЕМА ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
FLOATING TURBINE AND POWER ACCUMULATION SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к плавучей турбине для выработки электроэнергии и к системе выработки, в которой используется такая турбина.
Предшествующий уровень техники
Морская вода в 832 раза плотнее воздуха. Это означает, что течение со скоростью 5 узлов (9,26 км/ч) имеет больше кинетической энергии, чем ветер со скоростью 350 км/ч. Известны схемы, в которых используют подводные турбины, расположенные в прибрежных областях с большими приливно-отливными течениями, такие как схемы, выполненные компанией Marine Current Turbines, г. Бристоль, Великобритания, в Странгфорд-Лох, в Северной Ирландии. Здесь лопасти турбины 15 – 20 метров в поперечнике вращаются со скоростью 10 – 20 оборотов в минуту под действием приливно-отливных течений. Один прототип работает в Странгфорд Нарроуз, Северная Ирландия, и в нем использованы двойные роторы диаметром 16 м, для выработки номинальной мощности 1,2 МВт при скорости течения 2,4 м/с. Это позволяет получить коэффициент полезного действия при преобразовании кинетической энергии воды в электроэнергию 43% для всей системы турбины.
Однако, разработка таких проектов зависит от локальных прибрежных условий, генерирующих соответствующие приливно-отливные течения, и они не пригодны, например, в глубоководных участках, вдали от берега. Поэтому, существует потребность в решении для выработки электроэнергии в глубоководных участках, используя турбину с гидроприводом, и которое:
1) может быть развернуто в водах без существенных естественных течений; и
2) имеет высокую выходную мощность/м2 используемой площади морского дна.
Плавучие генераторы известны из уровня техники из патентных документов WO2009/026610, GB2456798, US2006/017292, GB507093 и US2005188691.
Наиболее близким аналогом изобретения является плавучая турбина, раскрытая в патентном документе DE 202006009953 U1.
Раскрытие изобретения
Описанная выше задача решается в изобретении посредством создания плавучей турбины для накопления и выработки электроэнергии, выполненной подвижной на, по существу, вертикально ориентированной направляющей таким образом, что турбина может перемещаться вниз вдоль направляющей под действием силы тяжести. Турбинная установка обладает отрицательной плавучестью, что способствует ее погружению, но дополнительно она снабжена средством регулируемой плавучести, которое позволяет придавать конструкции турбины положительную плавучесть, когда это требуется. При придании положительной плавучести турбинная установка всплывает обратно вверх вдоль вертикально ориентированной направляющей под действием силы плавучести. При движении вниз вдоль направляющей под действием силы тяжести и вверх вдоль направляющей под действием силы плавучести генерируется эффективный искусственный поток при относительном движении воды через лопасти турбины, вращающий эти лопасти, которые, в свою очередь, обеспечивают выработку электроэнергии генератором.
Для обеспечения управляемой плавучести согласно некоторым вариантам осуществления обеспечен компрессор, который подает сжатый воздух под соответствующим давлением в стыковочные порты, выполненные на нижнем конце направляющей и с которыми стыкуется турбинная установка, когда она достигает конца направляющей. Турбинная установка снабжена балластными емкостями или аналогичными средствами регулирования плавучести, такими как резервуары обеспечения плавучести, в которые можно закачивать сжатый воздух или другой газ для придания положительной общей плавучести турбинной установке.
Энергия, требуемая для работы компрессора, является важной, поскольку энергия, требуемая компрессору для сжатия достаточного количества воздуха или газа, для придания положительной плавучести, меньше, чем суммарная энергия, вырабатываемая турбинной установкой, как на пути ее погружения вниз, так и на последующем пути подъема вверх, поэтому конструкция будет иметь положительную энергию с точки зрения выработки.
Согласно одному предпочтительному способу развертывания множество таких турбин и направляющих узлов развернуты как «ферма» с одним узлом компрессора, подающим сжатый воздух к этим узлам. «Рабочие циклы» подъема вверх и опускания турбин смещены по времени таким образом, что только в одну из поднабора турбин подают сжатый воздух в любой один момент времени, а остальные или большинство турбин выполняют свои соответствующие рабочие циклы и, следовательно, вырабатывают электроэнергию.
Согласно одному типичному варианту развертывания лопасти турбины могут иметь диаметр около 10 – 20 метров, а вес турбины, и соответствующего вырабатывающего оборудования, и балластных емкостей может составлять порядка 8 – 15 тонн. Длина направляющей может быть в диапазоне от 100 до 1000 м. Например, турбина весом 10 тонн на направляющей длиной 1000 м имеет потенциальную энергию 98 MДж. Если она будет погружаться со скоростью 2,4 м/с, тогда может быть доступна максимальная мощность 235,5 кВт, если предположить 100% коэффициент полезного действия. Такой коэффициент полезного действия невозможен, даже если допустить незавышенное значение коэффициента полезного действия только 30%, тогда будет получена выходная мощность, превышающая 70 кВт. При таком же коэффициенте полезного действия, как и у турбины предшествующего уровня техники (43%), будет получена мощность, превышающая 100 кВт, в течение 416 секунд (время, требуемое для опускания турбины с высоты 1000 метров вдоль направляющей.
3
На глубине 1000 м давление воды составляет приблизительно 100 атм (~1470 фунтов на кв. дюйм), однако компрессоры высокого давления, такие как поставляются компанией Hydro-Pac, Inc, позволяют получать выходное давление 1500 фунтов на кв. дюйм (10 MПa) при подаче, например, 111 нормальных кубометров в час при таком давлении, используя электродвигатель мощностью 45 кВт (см., в частности, множество моделей C1.56-70/140LX, в качестве примера). Для подъема массы 10 тонн с морского дна потребовалось бы вытеснить 10 м воды для получения положительной плавучести, но при использовании таких компрессоров такой объем воздуха может поступать при соответствующем давлении менее, чем за величину времени, требуемого для погружения турбины вдоль направляющей. В частности, при расходе 111 нормальных кубометров в час за 416 секунд в сумме будет подано 12,82 кубометров воздуха при большем давлении, чем окружающее давление воды, что более, чем достаточно для подъема турбины. Поскольку турбина также вырабатывает энергию при подъеме, система имеет положительный выход энергии, несмотря на то, что некоторая часть вырабатываемой энергии требуется для работы компрессора, она существенно меньше, чем количество энергии, вырабатываемой турбиной при ее погружении и подъеме.
Учитывая описанное выше одним объектом изобретения является плавучая турбина, содержащая вращающийся набор лопастей турбины, соединенных с возможностью связи с системой выработки электроэнергии, выполненной с возможностью выработки электроэнергии при вращении лопастей турбины, причем плавучая турбина дополнительно снабжена системой управления плавучестью, выполненной с возможностью управляемого придания положительной плавучести плавучей турбине, следящим механизмом направляющей, предназначенным для следования направляющей, вдоль которой может перемещаться указанная турбина, при этом плавучая турбина предназначена для погружения в воду, лопасти турбины выполнены с возможностью вращения при движении турбины через воду.
Другим объектом изобретения является воздушная башня, погруженная в воду. Башня содержит трубу, проходящую сверху поверхности воды в глубину ниже поверхности воды. Труба открыта и заполнена относительно теплым и влажным воздухом из пространства над поверхностью воды. По мере увеличения глубины воды, температура воды понижается. Океаны, например, имеют четко выраженные слои, при этом самый верхний слой называется поверхностным слоем. Этот слой может продолжаться до глубины приблизительно 250 м ниже поверхности и может иметь температуру около 22 градусов Цельсия.
Ниже него расположен слой температурного скачка, который представляет собой граничный слой температуры. Слой температурного скачка может изменяться в диапазоне от 250 до 1000 м ниже уровня моря, и при этом температура воды постепенно снижается в слое температурного скачка от приблизительно 22 до приблизительно 5 градусов Цельсия.
Подвешенная воздушная башня охлаждается температурой окружающей воды и может проходить через слой температурного скачка морской воды. Эффект охлаждения башни окружающей водой в большей степени выражен по мере того, как глубина воды увеличивается, и температура воды понижается. Охлажденная башня охлаждает воздух, содержащийся внутри нее, и теплый, и влажный воздух охлаждается ниже своего уровня насыщения. Ниже уровня насыщения вода конденсируется из воздуха, как на внутренней части башни, так и внутри башни, выпадая в виде дождя.
Вода собирается в башне, образующей резервуар несоленой воды. Эта вода может откачиваться из башни и использоваться для потребления, например, людьми или животными, или для полива. Таким образом, обеспечивается система выработки несоленой воды, которая требует только очень небольшого количества энергии для откачки несоленой воды из воздушной башни. При сравнении современные системы очистки воды, такие, в которых используется обратный осмос, требуют много энергии для получения несоленой воды.
Охлаждение воздуха внутри водяной башни может способствовать использованию активной или пассивной систем теплообмена между водой, окружающей башню, стенками самой башни и/или воздухом внутри башни.
Холодный воздух, вода из которого конденсируется, можно откачивать из башни и использовать с целью охлаждения. Насос может быть расположен внутри или снаружи башни для откачивания холодного и не содержащего влагу воздуха в жилое помещение или в коммерческие учреждения, где он используется для управления климатом, снижая, таким образом, потребность, например, в кондиционировании воздуха. Управление климатом, используя перекачиваемый холодный воздух, экономит энергию, которая, в противном случае, использовалась бы для охлаждения теплого воздуха, как часть модуля кондиционирования воздуха. Кроме того, по мере откачивания холодного воздуха из воздушной башни, теплый и влажный воздух отбирается внутрь башни с поверхности воды, поддерживая процесс конденсации внутри башни.
Воздушная башня может проходить к нижнему слою толщи воды, в которой она сформирована, или она может проходить только частично до слоя, в котором она может быть закреплена с использованием определенной конструкции или растяжек.
Дополнительные особенности и объекты изобретения будут понятны из формулы изобретения.
Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут более понятны из последующего описания на примере вариантов его осуществления со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные обозначения относятся к одинаковым частям.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана турбинная установка (схематично) в соответствии с вариантом осуществления изобретения, вид сбоку;
на фиг. 2 – турбинная установка (схематично) на фиг. 1, вид в плане;
на фиг. 3 – схема, поясняющая типичный вариант развертывания согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 4 – вариант направляющей (схематично), используемой согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 5 – блок-схема, поясняющая способ работы согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 6 – турбинная установка (схематично) в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, вид сбоку;
на фиг. 7a – первая направляющая система, вид в разрезе;
на фиг. 7b – вторая направляющая система, вид в разрезе;
на фиг. 8 – нижняя часть воздушной башни (схематично);
на фиг. 9 – механизм регулирования шага ротора (схематично), вид сбоку;
на фиг. 10 – блок-схема управления клапанами сброса давления; и
на фиг. 11 – лопасть ротора (схематично), вид сбоку.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 и 2 показана плавучая турбина 10 согласно варианту осуществления изобретения. Плавучая турбина 10 содержит лопасти 12 турбины, которые соединены с корпусом 14 генератора, содержащим устройства выработки электроэнергии. Например, в корпусе 14 генератора могут быть размещены соответствующие зубчатые передачи и генератор, или генератор переменного тока, соединенный с зубчатой передачей и выполненный с возможностью генерировать электроэнергию при вращении лопастей турбины. Лопасти турбины расположены таким образом, что они вращаются вокруг корпуса 14 генератора, по мере того, как плавучая турбина 10 движется вверх и вниз через воду.
Плавучая турбина выполнена с возможностью движения вверх и вниз по направляющей 20, которая согласно этому варианту осуществления проходит через центральную ось турбины, вокруг которой вращаются лопасти. Согласно другим вариантам осуществления направляющая может быть выполнена другой формы, и не обязательно должна быть расположена на центральной оси. Например, в соответствии с одним альтернативным вариантом осуществления направляющая может быть выполнена в форме заполненной водой перфорированной трубы или корпуса в виде трубы, через который движется плавучая турбина.
Плавучая турбина 10 снабжена балластной емкостью 16, которая согласно этому варианту осуществления содержит балластные резервуары 18, выполненные с возможностью подачи в них сжатого воздуха или другого газа, когда это требуется для придания положительной плавучести плавучей турбине 10. Согласно одному варианту осуществления балластные резервуары 18 представляют собой расширяемые подъемные мешки такие, как используются в спасательных операциях. Предпочтительно, однако, мешки снабжены клапаном таким, что после подъема с их помощью плавучей турбины до малой глубины, воздух из них выпускают, таким образом, что турбина может затем погружаться до конца направляющей под действием силы тяжести.
Согласно другому варианту осуществления балластная емкость 16 представляет собой кольцевой балластный резервуар 18 в форме тора. Кольцевой балластный резервуар 18 в форме тора окружает направляющую 20, и направляющая проходит через центр кольца.
Турбину утяжеляют так, чтобы она обладала незначительной отрицательной плавучестью в отношении поверхности морской воды, когда балластный резервуар 18 заполнен морской водой. Это обеспечивает то, что минимальное количество воздуха может сделать турбину плавучей, когда ее плавучесть повышается на стыковочной станции 36, что обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия турбины.
Согласно одному варианту осуществления плавучую турбину 10 используют, как модуль накопления энергии. Электрическая энергия накапливается, как потенциальная энергия плавучей турбины с положительной или с отрицательной плавучестью, которая механически удерживается под водой. В то время как турбина удерживается, энергия не поступает ни на ее выход, ни на ее выход. Однако, после высвобождения турбины из положения удержания, ее плавучесть создает силу, направленную вверх или вниз, для выработки электроэнергии.
Направленная вверх сила образуется, когда плавучая турбина 10 обладает положительной плавучестью. Плавучая турбина может удерживаться в ее самой нижней точке (то есть, на стыковочной станции, расположенной на морском дне), и ее балластная емкость, заполненная воздухом, придает ей положительную плавучесть. Когда требуется электроэнергия, силу удержания, прикладываемую соответствующими зажимами, электромагнитом или аналогичным средством, высвобождают, и направленная вверх сила, создаваемая под действием положительной плавучести, вызывает направленное вверх движение турбины через окружающую воду, и сила вращения турбины обеспечивается в результате движения лопастей 12, проходящих через окружающую воду. Турбина обеспечивает электроэнергию, выводимую до тех пор, пока она не достигнет верхнего предела движения. При этом верхнем пределе у плавучей турбины остается положительная плавучесть в воде такая, что отсутствует движение плавучей турбины в воде, и электроэнергия не вырабатывается.
Гравитационная потенциальная энергия накапливается плавучей турбиной 10 в этом положении, которое может быть высвобождено для выработки электроэнергии посредством выпуска воздуха из балластной емкости и заполнения ее водой для того, чтобы придать плавучей турбине отрицательную плавучесть. Плавучая турбина с отрицательной плавучестью опускается через окружающую воду, и лопасти 12 обеспечивают вращательное движение для турбины, для преобразования в электрическую энергию. Плавучая турбина 10 продолжает погружаться через окружающую воду, вырабатывая электроэнергию до тех пор, пока она не достигнет нижнего предела движения, при котором выработка электроэнергии прекращается.
Направляющая 20, предпочтительно, имеет такую форму, что турбина в целом не может вращаться вокруг направляющей. Турбина 10 содержит соответствующей формы сквозное отверстие, через которое проходит направляющая. Как показано на фиг. 2, можно использовать направляющую овальной формы, хотя другие формы, такие как прямоугольная, квадратная или любая форма, за исключением круглой, являются предпочтительными. Если используется направляющая с круглым поперечным сечением, тогда механизм, такой как направляющие или канавки и т.п., может быть обеспечен в направляющей, в который устанавливаются выступы, выполненные на турбине, таким образом, что турбинная установка в целом не может просто вращаться вокруг направляющей при всплытии и погружении турбины. Например, может быть использована круглая труба с T-образными салазками или направляющими, выступающими из нее.
Согласно этому варианту осуществления направляющая 20 проходит от поверхности воды до стыковочной станции, которая расположена на морском дне. Вариант воплощения такой направляющей означает, что не требуются какие-либо тросы для закрепления турбины ни на стыковочной станции, ни на возможно используемой платформе, расположенной на поверхности воды. Направляющая также означает, что даже в присутствии течений в открытой воде, турбина будет подниматься и погружаться вдоль того же пути, что снижает проблемы, связанные с безопасностью, в случае множества турбин, работающих в одной и той же толще воды.
В случае необходимости, может быть обеспечен насос (не показан), либо как часть турбины 10, или на стыковочной станции, на нижнем конце движения турбины 10 для вытеснения воды из балластного резервуара 18. По мере того, как воду откачивают из балластного резервуара 18, частичный вакуум создается в балластном резервуаре в результате расширения воздуха, захваченного внутри балластного резервуара. Частичный вакуум внутри балластного резервуара 18 повышает плавучесть балластного резервуара, что делает турбину 10 плавучей.
На фиг. 3 показан типичный вариант развертывания, в котором обеспечена «ферма», содержащая несколько наборов плавучих турбин 10A – 10E, каждая из них имеет свои собственные соответствующие направляющие 20, показанные, в этом случае, проходящими от морского дна до поверхности. На нижнем конце каждой направляющей 20 расположен стыковочный порт 36, снабженный стыковочными клапанами (не показаны), которые сообщаются с газовым компрессором 32 через соответствующие соединительные рукава 38. Компрессор 32 снабжен воздухозаборником 34, проходящим к поверхности моря. Компрессор 32 может представлять собой компрессор серии LX, поставляемый компанией Hydro-Pac, Inc., и, в частности, компрессор, ссылка на который была представлена выше.
В развертывании на фиг. 3 показано пять плавучих турбин 10A – 10E, каждая из которых находится на разной стадии рабочего цикла погружения и подъема. Например, турбина 10A находится приблизительно на полпути через стадию погружения ее рабочего цикла, и, следовательно, вырабатывает электроэнергию по мере того, как она движется через воду под действием силы тяжести. Аналогично, турбина 10B также находится на этапе погружения ее рабочего цикла, но на более высоком уровне в воде, чем турбина A, и, следовательно, она находится на более раннем этапе погружения, чем турбина 10A. В этом отношении, рабочий цикл турбины 10B смещен так, что турбина 10 B отстает.
Обе турбины 10C и 10D находятся на этапах подъема их соответствующих рабочих циклов, при этом турбина 10D опережает по времени турбину 10C. Следует отметить, что в этом примере у обеих турбин 10C и 10D подъемные резервуары 18, которыми снабжены балластные емкости 16, накачаны таким образом, что они имеют положительную плавучесть. Согласно другим вариантам осуществления могут быть использованы балластные емкости с клапанами регулирования давления. Согласно еще одним вариантам осуществления может быть использована комбинация балластных емкостей и подъемных резервуаров. В зависимости от силы, обеспечиваемой подъемными резервуарами и/или балластными емкостями, турбины 10C и 10D будут двигаться через воду с определенной скоростью, и, следовательно, будут производить электроэнергию, по мере того, как их соответствующие лопасти турбины вращаются по ходу движения. Согласно одному варианту осуществления скорость подъема турбин, по существу, соответствует скорости погружения, таким образом, что обеспечивает простое управление соответствующими рабочими циклами разных турбин. Однако, это не существенно, и возможно, чтобы этап подъема отличался, например, был более длительным, чем этап погружения.
Турбина 10E закончила свой этап погружения и состыкована с соответствующим ей стыковочным портом 36. Как отмечено выше, стыковочный порт 36 снабжен стыковочными клапанами или клапанами быстросъемного сцепного соединения, которые соединяются со входными отверстиями клапанов, обеспеченными на корпусе турбины, для подачи сжатого газа из компрессора в балластную емкость 16 и/или в подъемные резервуары 18. Как показано, подъемные резервуары 18 турбины 10E заполнены только частично и находятся в процессе их заполнения компрессором. После достаточного заполнения стыковочный механизм отсоединяется, и турбина затем может свободно всплывать вверх на поверхность, вырабатывая электроэнергию, по мере ее перемещения вверх.
Волновой след, формируемый вращательным движением лопастей первой плавучей турбины в воде, вызывает вихревые потоки в окружающей воде. Вихревые потоки распределяются от лопастей первой плавучей турбины, и лопасти второй плавучей турбины, проходящей через ту же окружающую воду, могут двигаться через эти вихревые потоки. Лопасти турбины работают наиболее эффективно, когда они двигаются через ламинарную воду, таким образом, вихревые потоки снижают коэффициент полезного действия второй турбины.
Относительный промежуток между множеством плавучих турбин, формирующих конструкцию фермы, планируют так, чтобы минимизировать турбулентность между турбинами, вызванную волновым следом любой плавучей турбины, оказывающей негативное влияние на коэффициент полезного действия другой плавучей турбины.
Кроме того, турбулентность между турбинами может быть уменьшена, благодаря работе только одной турбины, в то время как соседние турбины неподвижны, или наоборот.
Рабочий цикл любой турбины показан в виде блок-схемы движения на фиг. 5. Во-первых, предположим, что турбина находится вверху на стадии подъема. Клапан открывают для выпуска всего газа из балластной емкости и/или подъемных резервуаров, и турбина затем погружается под действием силы тяжести (s.5.2). При погружении лопасти турбины вращаются, и вырабатывается электроэнергия (s.5.4). Находясь на дне, на этапе подъема, турбина стыкуется с нижним стыковочным узлом (s.5.6), и нижний стыковочный узел затем начинает накачивать подъемные резервуары и/или заполнять балластные емкости сжатым газом (s.5.8). После заполнения требуемым количеством, стыковочный узел отсоединяет турбину, и турбина начинает подъем под действием положительной плавучести, передаваемой подъемными резервуарами и/или балластными емкостями (s.5.10). При подъеме турбины вращаются (обычно в противоположном направлении по сравнению со спуском, если шаг турбины является фиксированным), и вырабатывается электроэнергия. Этап подъема продолжается до тех пор, пока турбина не приблизится к поверхности, и в этом случае подъемный газ высвобождается из подъемных резервуаров/балластных емкостей (s.5.14), и цикл затем начинается снова.
Как отмечено выше, рабочие циклы турбин на ферме должны предпочтительно быть смещены таким образом, что только одна турбина стыкуется и принимает сжатый воздух от компрессора в любой момент времени, а другие турбины находятся на фазах подъема или спуска таким образом, что они могут подавать энергию для работы компрессора. Точная фаза рабочих циклов зависит, в основном, от длины направляющих турбины, которая определяет количество турбин, способных работать от одного, используемого на 100%, компрессора воздуха. В альтернативном варианте осуществления рабочую фазу также можно отслеживать, используя различные датчики, установленные на турбине, и дополнительно управляемые CPU/PLC.
Множество плавучих турбин на фиг. 3 может быть использовано для накопления энергии, таким образом, что обеспечивается возможность управляемого высвобождения. Одна или более плавучих турбин 10A – 10E удерживается стыковочным механизмом, будучи заполненными сжатым газом от компрессора, приводимого в действие электроэнергией. Такие турбины содержат потенциальную энергию при их удержании, но преобразуют сохраненную потенциальную энергию в электроэнергию, когда они будут отсоединены стыковочным механизмом.
Что касается количества вырабатываемой энергии, подаваемой на поверхность, на фиг. 4 более подробно показана направляющая 20. Можно видеть, что направляющая 20 может содержать плавучее верхнее кольцо 42, которое плавает на поверхности. Корпус направляющей затем образуют из множества отдельных проводов 42, которые свисают от плавучего верхнего кольца 42 и вдоль которых движется турбина. На турбине выполнены щеточные контакты, которые находятся в контакте с по меньшей мере одним из проводов для подачи к нему генерируемого электрического тока, при этом провод затем подает ток на нижнюю часть, или, как вариант, к поверхности, где его можно снимать и подавать в береговую распределительную систему электрической сети.
Различные модификации могут быть выполнены для описанного выше варианта осуществления для получения дополнительных вариантов осуществления. Например, турбины могут иметь лопасти с фиксированным шагом или, в качестве альтернативы, в них могут быть обеспечены лопасти с переменным шагом. Преимущество лопастей с переменным шагом состоит в том, что шагом можно управлять для изменения сопротивления, воздействующего на лопасти турбины, и, следовательно, скорости спуска и подъема, и, следовательно, выходной энергии. Кроме того, в конечном итоге, шаг лопастей может быть изменен на обратный между фазами подъема и спуска и наоборот, таким образом, чтобы турбина вращалась в одном и том же направлении на обеих фазах цикла. Это устраняет необходимость реверсирования зубчатой передачи.
Кроме того, каждая плавучая турбина может быть снабжена более, чем одним набором лопастей, например, могут быть обеспечены вращающиеся в противоположных направлениях наборы лопастей. Такие вращающиеся в противоположных направлениях системы винтового типа показали большую эффективность, чем одиночный набор лопастей.
На фиг. 9 показан механизм управления шагом лопастей, предназначенный для использования с лопастями турбины. Камера 96 зубчатой передачи выполнена в балластной емкости 16. Передняя сторона 90 открыта на верхнюю и/или на нижнюю сторону балластной емкости 16 таким образом, что движение балластной емкости 16 вверх и/или вниз через окружающую воду изменяет давление, действующее на переднюю сторону 90. Передняя сторона 90 выполняется подвижной относительно балластной емкости 16 и соединена с поршнем 91, который может перемещаться с передней стороной 90. Поршень 91 соединен посредством линейной зубчатой передачи 92 со средством смещения, например, механической пружиной. Средство смещения обеспечивает силу, которая оказывает сопротивление движению, вызванному давлением, действующим на переднюю сторону 90. Шестерня 94 соединена с линейной зубчатой передачей 92 и вращается вместе с движением линейной зубчатой передачи (и поршня). Согласно одному варианту осуществления лопасть турбины (не показана) непосредственно соединена с шестерней 94 вокруг ее оси вращения. Согласно другому варианту осуществления лопасть соединена с шестерней через промежуточные элементы, которые могут включать в себя зубчатые передачи. В обоих описанных выше вариантах осуществления вращение шестерни 94 в результате движения поршня 91 изменяет шаг лопасти турбины.
Механизм управления шагом одной лопасти может управлять шагом одной лопасти турбины, или, в качестве альтернативы, один механизм может управлять шагом множества лопастей через механические связи.
Согласно еще одному варианту осуществления модуль электронного управления отслеживает скорость подъема и/или погружения и управляет углом лопасти турбины, используя крутящий момент, формируемый механизмом управления шагом лопастей.
На фиг. 11 показана вращающаяся лопасть 12a турбины из перспективы вдоль оси вращения 12r лопасти. Три параллельных не затушеванных стрелки представляют движение воды относительно лопасти, а затушеванная стрелка в виде одного блока представляет требуемое движение лопасти с целью генерирования энергии.
Лопасть 12a показана в первой ориентации, где она вычерчена сплошной линией. Лопасть 12b показана во второй ориентации, где она вычерчена пунктирной линией, причем лопасть повернута на угол α вокруг оси вращения 12r так, что она устанавливается во второй ориентации из первой ориентации.
Лопасть обеспечивает i. минимальное сопротивление для подъема и/или спуска, когда лопасть 12a турбины расположена под углом α, равным 0 градусов (см. фиг. 11, где лопасть турбина вычерчена сплошной линией); и ii. максимальное сопротивление для подъема и/или спуска, когда лопасть турбины расположена под углом α, равным 90 градусов (не показана на фиг. 11).
Наиболее эффективный шаг лопасти для выработки электроэнергии, используя изобретение, относится к характеристикам генератора переменного тока, используемого в турбине, и связан с количеством, размером, формой и углом наклона лопастей турбины. Шаговый (α) угол может быть рассчитан по шагу (pitch) и радиусу (r) лопастей, используя следующую формулу:
tan α = pitch/2 π r [Формула 1]
Согласно одному варианту осуществления средний угол вдоль длины лопасти турбины составляет от 45 до 60 градусов. Согласно другому варианту осуществления средний угол вдоль длины лопасти турбины составляет от 55 до 60 градусов.
На фиг. 9 показана часть механизма управления шагом лопастей, размещенного в камере 96 зубчатой передачи внутри балластной емкости 16. В качестве альтернативы, механизм управления шагом лопастей расположен в других устройствах турбины.
В другой модификации компрессор не обязательно должен находиться на дне моря, но вместо этого может плавать на поверхности или находиться на берегу рядом с фермой емкости сжатого воздуха, с рукавами подачи, которые проходят до стыковочных узлов на нижних частях направляющих.
Согласно дополнительному варианту осуществления вместо обеспечения компрессора на ферме турбин, источник сжатого воздуха, такой как резервуар со сжатым газом, может быть обеспечен на дне моря или на поверхности. Это устраняет необходимость локальной подачи питания в компрессор. Однако, все еще может потребоваться подавать питание в компрессор для сжатия газа, для подачи его в резервуар, но подаваемая энергия, требуемая для работы такого компрессора и затем для транспортирования резервуара к турбинной ферме, меньше, чем вырабатываемая в сумме турбинами, и тогда общая конструкция будет иметь положительную выработку энергии.
В дополнительной модификации компрессор может получать питание от возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце. Таким образом, когда сеть выработки энергии работает с избытком, энергия может быть накоплена в виде сжатого воздуха, и затем использована для подачи в плавучую турбину, для изменения ее плавучести. Это означает, что в результате выполнения плавучей турбины в соответствии с изобретением в сети, получающей питание от возобновляемых источников энергии, выход сети может быть легко сглажен и отрегулирован в зависимости от требований потребителей.
В дополнительной модификации вместо обеспечения балластной емкости или подъемных резервуаров, некоторые другие части турбины могут быть заполнены плавучей текучей средой для начала фазы подъема. Например, лопасти турбины могут быть выполнены полыми и заполнены водой на фазе погружения, которая затем может быть откачана и заменена плавучей текучей средой перед этапом подъема.
В еще одной модификации турбина может быть самонаправляющейся, например, она может быть снабжена электронными средствами управления направлением и малыми управляющими движителями такими, что возможно исключить направляющую 20. В таком случае турбина может свободно подниматься и погружаться, при управлении ее поперечным положением посредством управляющих движителей (например, малыми винтами, приводимыми в движение электродвигателями, установленными на корпусе турбины) таким образом, что обеспечивается стыковка турбины с нижним стыковочным узлом.
На фиг. 6 показана турбинная установка 10 согласно дополнительному варианту осуществления. Балластные емкости 16 имеют гидродинамическую форму для уменьшения сопротивления при перемещении турбины через воду в любом направлении. Кроме того, можно видеть, что балластные емкости 16 обеспечены, как выше, так и ниже системы 14 выработки электроэнергии.
Кроме того, лопасти турбины снабжены кожухом, содержащим левый и правый экраны 62 и 64, каждый из которых закреплен на центральном корпусе турбины посредством распорок 66. Экраны 62 и 64 выполнены изогнутыми так, что они действуют, как трубка Вентури для направления воды в направлении лопастей турбины с более высокой скоростью, чем скорость движения турбины вдоль направляющей. Это должно повысить скорость потока воды через турбину, но без повышения скорости турбины вдоль направляющей, и может обеспечить увеличение получаемой энергии.
Экраны 62 и 64 могут управляемо скользить вверх и вниз на экранных держателях, закрепленных на проксимальных концах распорок 66 на экранах таким образом, что эффективную входную ширину горловины трубки Вентури, сформированной экранами, можно изменять для ее увеличения или уменьшения.
Экраны 62 и 64 также могут быть изготовлены из жесткого материала, который может изгибаться. Это может обеспечить возможность самостоятельного расширения трубки Вентури, вызываемого в направлении движения турбины при поддержании другого конца экрана сжатым и суженным. Это позволяет достичь требуемого преимущества трубки Вентури без потребления энергии. Такой механизм может также быть управляемым электромеханически, электрически или электрогидравлически посредством ECU для изменения скорости погружения /подъема турбины.
На фиг. 7a показана сферическая направляющая 20, окруженная корпусом 14 генератора. Четыре пары колес 70 закреплены с возможностью вращения на внутренней поверхности корпуса 14 генератора на четырех парах осей 72 колес. Пары колес 70 равномерно расположены на расстоянии вокруг внутренней поверхности корпуса 14 генератора. Каждое колесо 70 движется по его собственной U-образной направляющей 74, которая прикреплена к внешней стенке сферической направляющей 20 первым плечом U-образной направляющей 74, которое проходит дальше, чем второе плечо. В качестве альтернативы, направляющая 20 может быть выполнена несферической, возможно, эллиптической, и/или может быть использовано большее или меньшее количество, чем пара колес.
На фиг. 7b показана система эллиптической направляющей 20, окруженная корпусом 14 генератора. Система направляющей содержит две пары направляющих 76, проходящих внутрь вдоль длины системы направляющей, при этом пары двигаются вдоль противоположных сторон. Одна направляющая 78 установлена внутри двух сторон корпуса 14 генератора и проходит наружу. Каждая одиночная направляющая 78 проходит между одной парой направляющих 76 и может скользить вдоль длины пары направляющих 76. В качестве альтернативы, система направляющих 76, 78 может включать в себя дополнительные наборы направляющих, и/или одна направляющая 78 может быть заменена двойной направляющей 76, и наоборот.
На фиг. 8 показан на виде в разрезе воздухозаборник, который может представлять собой воздухозаборник 34 на фиг. 3, или может быть выполнен в соответствии с другим вариантом осуществления, отличным от показанного на фиг. 3. Разрез воздухозаборника 34, показанный на фиг. 8, представляет нижний край; однако, конструктивные особенности, представленные на фиг. 8, могут быть выполнены на более высоком уровне воздухозаборника 34, а не в представленных относительных положениях.
Заполненный воздухом воздухозаборник 34 достигает поверхности, где воздух является одновременно теплым и влажным. Рядом с поверхностью вода также относительно теплая; однако, температура воды понижается по мере увеличения глубины воды. Корпус воздухозаборника 34 охлаждается окружающей водой все в большей степени по мере увеличения глубины воды. Теплый и влажный воздух от поверхности охлаждается корпусом воздухозаборника 34, и водяной пар конденсируется из воздуха внутри воздухозаборника на охлажденную поверхность воздухозаборника.
Самый холодный воздух находится в воздухозаборнике 34, в нижней части, где температура моря является самой низкой. Ниже слоя температурного скачка температура морской воды падает, приближаясь к 0°C. Поскольку система разработана так, что в ней используется преимущества существенных глубин океана, такая разность температур означает, что настоящая система позволяет эффективно охлаждать воздух в воздушном столбе. В этой нижней области установлен порт 80 выдачи, в стенке воздухозаборника 34. Порт 80 выдачи отбирает холодный воздух из воздухозаборника 34 через теплоизолированную трубу 81 холодного воздуха. По трубе 81 холодного воздуха холодный воздух поступает либо в жилое помещение, или в коммерческие структуры, где он используется для целей централизованного холодоснабжения. Холодный воздух движется по трубе холодного воздуха с помощью воздушного насоса 82. На фиг. 8 воздушный насос показан в положении вдоль трубы 81 холодного воздуха рядом с воздухозаборником 34; однако, насос 82 холодного воздуха может быть расположен внутри воздухозаборника 34, или дальше вдоль трубы 81 холодного воздуха и даже на берегу.
Воздухозаборник 34 показан на фиг. 3 отдельно от плавучих турбин, присутствующих в системе. Согласно одному варианту осуществления (не показан на фиг. 3) воздухозаборник может быть установлен внутри направляющей 20. Воздухозаборник 30 формирует воздушную башню, проходящую от поверхности воды, где воздух с температурой поверхности отбирают внутрь башни. Воздушная башня имеет направляющий рельс, который взаимодействует с направляющей, установленной на плавучей турбине.
Использование охлажденного в море воздуха в жилых помещениях или в коммерческих структурах устраняет или уменьшает потребность в кондиционировании воздуха, которая представляет собой процесс, интенсивно потребляющий энергию.
Вода, которая конденсируется из влажного воздуха, отбираемого с поверхности, движется под действием силы тяжести до дна воздухозаборника, где ее собирают и подают через порт 84 выдачи. Воду перекачивают по водопроводной трубе 86 с помощью водяного насоса 85. Водяной насос 85 представлен так, что он установлен рядом с воздухозаборником 34; однако, он может быть расположен в любом месте в воздухозаборнике или в точке, расположенной дальше вдоль водяной трубы 86.
Конденсированная вода является несоленой и ее можно использовать в качестве питьевой воды. Процесс конденсации перекачки требует намного меньше энергии, чем в обычных способах очистки воды.
Воздухозаборник 34 снабжен системой 87 теплообмена. Система теплообмена показана, как радиатор, по которому подают холодную соленую воду внутрь воздухозаборника через нижнее отверстие радиатора. Холодную соленую воду прокачивают через воздухозаборник 34, охлаждая воздух в воздухозаборнике 34. Эффект охлаждения от радиатора увеличивает степень конденсации воды в воздухозаборнике 34. Поскольку холодная соленая вода опосредованно нагревается воздухом, находящимся в воздухозаборнике 34, ее плотность понижается, и теплая соленая вода поднимается вверх внутри радиатора, перед выходом через верхнее отверстие радиатора. Насос (не показан) может быть использован для перекачки воды через систему 87 теплообмена, повышая, таким образом, ее эффект охлаждения.
Предпочтительно, по мере конденсации водяного пара с образованием жидкой воды, его объем понижается, в результате чего снижается давление воздуха внутри воздухозаборника 34, что втягивает воздух вниз по воздухозаборнику 34 от поверхности. Следовательно, можно исключить потребность в компрессоре воздуха для перекачивания атмосферного воздуха внутрь башни.
Согласно одному варианту осуществления газовый компрессор 32 на фиг. 3 используется в качестве воздушного насоса 82 на фиг. 8.
На фиг. 6 показан набор из верхнего и нижнего клапанов 68, 69 сброса давления. При подъеме турбины воздух, содержащийся в балластных емкостях 16, расширяется, и его плотность уменьшается (повышая плавучесть устройства, увеличивая, таким образом, скорость подъема). Расширяющийся воздух можно избирательно выпускать через верхний или нижний клапаны сброса давления.
Нижние клапаны 68 сброса давления, когда их открывают, выпускают струю расширяющегося воздуха из балластного резервуара турбины и обеспечивают направленную вверх силу, которая ускоряет турбину, увеличивая скорость подъема. Верхние клапаны 69 выпуска давления направляют расширяющуюся струю воздуха вверх, замедляя скорость подъема турбины.
Количество и положения верхнего и нижнего клапанов сброса давления можно изменять для регулирования гидродинамических свойств турбины. Согласно некоторым вариантам осуществления турбина содержит один или более верхних клапанов 69 сброса давления или один или более нижних клапанов 68 сброса давления.
Текучая среда, выпускаемая через клапан (клапаны) 68 сброса давления, может представлять собой другую текучую среду, чем воздух, например, она может представлять собой воду или любой другой присутствующий в избытке газ.
Фиг. 10 поясняет способ управления клапанами сброса давления по фиг. 6. Согласно способу управляют скоростью подъема путем избирательного открывания и закрывания клапанов для увеличения или уменьшения скорости подъема турбины.
На этапе s.10.0 способ начинается и переходит на этап s.10.1. На этапе s.10.1 согласно способу проверяют, достигла ли турбина верхнего предела перемещения вдоль ее соответствующей направляющей. Если верхний предел был достигнут, способ переходит на этап s.10.2, на котором он заканчивается. Если верхний предел не был достигнут, способ переходит на этап s.10.3, на котором измеряют мгновенную скорость подъема турбины. Если скорость подъема ниже первой заданной скорости, направленные вверх клапаны закрывают (этап s.10.4) и открывают направленные вниз клапаны (этап s.10.5), и способ переходит на этап s.10.6. Это увеличивает скорость подъема. Если мгновенная измеренная скорость подъема выше или равна первой заданной скорости, способ переходит на этап s.10.6, и верхний, и нижний клапаны не изменяют. На этапе s.10.6, если скорость подъема превышает вторую заданную скорость (больше или равна первой заданной скорости), направленные вниз клапаны закрывают (s.10.7) и открывают направленные вверх клапаны (s.10.8), и способ возвращается на этап s.10.1. Это замедляет скорость подъема. Если мгновенная измеренная скорость подъема ниже или равна второй заданной скорости, способ возвращается на этап s.10.1.
Способ на фиг. 10 может быть адаптирован таким образом, что вместо скорости подъема используется измерение глубины турбины под водой, поскольку известно давление на заданной глубине. Управление клапанами, поэтому, зависит от того, насколько далеко турбина переместилась от поверхности воды. Высота над фиксированной точкой также может быть использована для управления клапанами, когда фиксированная точка представляет собой дно толщи воды или нижний предел движения плавучей турбины, определенный направляющей 20.
Дополнительные модификации, полученные в результате добавления, замены или удаления, могут быть выполнены для раскрытых выше вариантов осуществления, для получения дополнительных вариантов осуществления, и любые или все из них должны попадать в пределы объема формулы изобретения.