[发明专利]流体动力能量转换系统

说明书

相关申请的交叉参考

该申请要求2009年11月12日提交的美国临时专利申请号61/281,034的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明通常涉及从水流或潮汐中获得能量（比如产生电力）。

背景技术

本发明涉及新型流体动力（潮汐或河流或运河）能量转换系统（HKECS），该系统开发海洋潮汐或河流/运河水流中过剩能量的使用，用来发电或为机械载荷提供动力，比如抽水。

清洁的可再生能源，比如太阳能、风力、海浪和潮汐或水流变得尤其具有重大意义，并且作为化石燃料的替换物已经成为日益增长的研发的主题。人们日渐意识到，有害的温室气体排放以及煤和核能有害的危险垃圾造成全球气温变化，并且如无必要，人们希望不再依靠消耗化石燃料储量，这就使得清洁的可再生能源在经济上和环境上有吸引力。

然而，这些能源中的某些并不是以具有相等或可靠能量密度的方式作为全球可用的。不同的地理位置和变化的气候条件使得清洁能源不一致或不可预测。而且，其能量密度有很大不同。比如，太阳能为大约0.15-1kW/m²，接近赤道具有更高的值；风能大约为0.2-1.0kW/m²；海浪大约为10-50kW/m；并且对于每年平均水流速度范围为1.0到3.5m/s的潮汐流来说可提供0.5-20kW/m²。

与风能或太阳能相比，更可预测潮汐和河流能量。由太阳、月球和地球之间可预测的且规则的引力驱动潮汐，而风能和太阳能受太阳辐射以及大气、海洋、拓扑以及地球旋转的相互作用控制，这经常造成不均匀的和不可预测的分布。天然河流系统和人工运河系统在降水位置与海洋之间的坡度上运行，该坡度通常超过维持标称流态所需要的值并且造成土壤侵蚀（soil erosion）。可有利地使用这种过剩的动能，会带来额外的利益，比如泥土保持或回收。比如，据估计，印度每年接收大约400,000,000公顷-m的降雨，如果这发生在平均海拔为500m处，那么会拥有2×10¹⁹J或5.5×10⁹MWhr的能量，其为印度每年的全部水流发电的5倍。

潮汐能量以循环的方式随着组合的日-月活动周期变化，每天具有四个周期，具有大约50分钟的可预测相移。潮汐能量的大小取决于潮汐的强度，而该强度由月亮和太阳的位置改变、地球旋转的作用以及海床和海岸线的局部形状而确定。尤其地，众所周知，逆着涌浪流动的水流会增大波高，而当在相同的方向具有两种现象时会减弱该波高。也需要考虑季节变化和地理潮汐位置。虽然如果已知局部潮汐流是能够预测给定位置上的潮汐能的，但是潮汐池（tidal basin）形状和其他因素影响潮汐能，并且可为重要的设计因素。对于潮汐能系统具有吸引力的地区在具有快速水流的地区，其中自然水流集中在受限的沿海结构中，比如在海湾和河流的入口处、岩石点和海角周围、岛屿之间以及受限的或浅水深度区域内。这些因素的组合导致在定位和设计潮汐动力能量系统时必须考虑复杂动力学。

河流，尤其是那些由雨水和融化的冰川形成的河流，也是丰富的可预测的能源。河流能量的大小取决于河流的流速和容量，流速由坡度和河道的粗糙度和形状确定，容量由流域盆地的尺寸、植被、气候以及底岩的渗透率确定。这些因素的组合导致在定位和设计河流动力能量系统时必须考虑复杂动力学。

水比空气具有更高的密度（832倍），因此，与风流（wind current，气流）相比，单个潮汐或河流发电机在低潮汐或河流流速下就可提供很大的动力。而且，由于与空气相比，水具有更小的动力粘度值（几乎为1∶20），与在空气中相比，以高雷诺数操作的小型叶片（100-200mm的翼弦）在水中会大大提高空气（流体）动力性能。设计为以相似的雷诺数进行操作的风力机需要的叶片比翼弦大10倍，以便在低速下有效。

从现有的风力涡轮机技术中取用现有技术中的水力涡轮机设计，并且该设计自然与风力涡轮机的设计相似：螺旋桨式水平轴风力涡轮机（“HAWT”）、或竖直轴风力涡轮机（“VAWT”），包括戴瑞斯型（Darrieus-type）和螺旋叶片Gorlov式涡轮机。用于潮汐源和风源的传统能量转换装置具有公知的基于传统1-D模型的空气动力（或流体动力）能量提取限制，即所谓的16/27“Betz限制”(59.3%)，并且在较高的叶尖速度比值（5-8）下具有峰值性能，由功率系数值C_p表示。同样，转子速度的变化非常大，并且切出风速低，由绝对的叶尖速度所限制。