CN102792011B - 从流体流动来发电的设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于在水体中使用水流发电的设备包括：一个阵列的多个间隔开的元件。每个元件限定了一个长形流动通道并且具有一个上游侧和一个长形的下游侧，每个元件配备有一系列沿其长度间隔开的孔，并且该下游侧在流动方向上延伸并逐渐变窄。这些元件是背靠背安排的，使得相邻元件的相对的壁限定一个文氏管区段以及从该文氏管区段向下游延伸的一个第一扩散器区段。该设备还包括：一个流动导管，该流动导管具有一个进口和一个出口；位于该流动导管中的一个涡轮机；以及连接至该涡轮机上的一个发电机。这些流动通道连接到该流动导管的出口上，使得水流经这些文氏管区段造成了水被抽吸穿过该流动导管而经由这些孔流出，所得的流动驱动该涡轮机。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于将流动水体中的波浪、潮汐或水流能量转化为更有用的能量形式的系统。本发明特别提供了一种用于使用水体中诸如波浪、潮汐或水流的流动来发电的设备。
发明背景
已经提出了作为无污染的发电途径将用于将水流、波浪或潮汐流动转化为电的多种建议。
以前的用于从波浪中提取能量的系统使用了通过沿着波长的椭圆形水颗粒路径之间的相偏移造成的水表面的竖直移动。典型地，以前的装置涉及到连接到波浪表面上的机械安排或某种形式的集气本体上的某种形式的漂浮物，用于将波浪表面的周期性竖直移动转化成某种形式的对于发电有用的运动（通常是转动）。此类系统通常是机械上复杂的并且为了有效工作而被调整成在一个频率下共振，在该频率下预期周围的波谱的能量密度达到峰值。如果波浪频率不同于这个设计共振频率，则输出可能急剧降低。如果仅存在横向流动（水流或潮汐）而没有振荡的竖直波浪分量，则此类系统是无用的。
已经提出了用于提取横向流动中的能量的系统。此类系统涉及使用一个可以由该流动引起振荡的叶片，是将这转化成旋转运动的一个机械传动系统。这些系统面临着与以波浪为动力的系统相类似的问题：机械复杂性、不能从其他类型的运动中提取能量，等等。其他系统的特征是具有大的水下螺旋桨，该螺旋桨在轮毂中具有一个电力发电机，类似于风车，但用于水而非风的流动。为了使该扫除盘更加暴露于最大入射水流能量中，这些叶片必须非常长，这进而要求尖端的设计和材料以适应叶片跟部的应力。朝向海面的拦潮坝寻求集中大截面的水流的入射能量，是通过将流入的潮水截留在一个包容壁后方的升起的潮水上并且使之在此通过具有小得多的截面积的涡轮机漏出，例如在常规的水坝中。下落的潮水在堰坝后方的泻湖中截留的水与堰坝的朝海一侧上的下落潮水之间提供了充足的水头差。这类堰坝典型地跨越了一个有潮河口，是非常昂贵的并且在环境上是破坏性的，并且要求潮汐流与河口的当地地势相互作用以扩大潮汐范围。
波浪或流动系统的一个共同问题是它们能够应对海洋的足够大的截面来发电从而在工业规模上是可能的。此外，末端或边缘效应可以使得这个流动更容易达到位于该流动中的任何结构周围以便从中提取能量、而不是越过该能量提取系统。这个问题可以通过将设施造得更大来减轻，但这进而可能导致进一步的复杂性和费用并且可能导致超过水流工程容量的极限。
WO2008015047披露了用于转化来自波浪或水流流动的能量的设备，其中安排了一系列的管道，使得在这些管道之间限定了文氏管。这些管道之间的水流使得这些文氏管作为泵起作用而将水抽吸穿过这些管道（这些管道通过一个歧化流动导管来进料）并且驱动一个涡轮机。这一系列的管道被安排成形成了具有竖直平面的阵列，这些阵列进而被安装在海床上以形成堰坝。
发明概述
本发明寻求提供替代性的管道安排以对此类能量产生装置提供改进的性能。
本发明的第一方面提供了一种用于在水体中使用水流发电的设备，该设备包括：
一个阵列的多个间隔开的元件，每个元件限定了一个长形流动通道并且具有一个上游侧和一个长形的下游侧，每个元件配备有一系列至少沿其长度的一部分间隔开的孔，并且该下游侧离开该上游侧延伸并逐渐变窄，其中这些元件是背靠背安排的，这样使得相邻元件的相对的壁限定一个文氏管区段以及从该文氏管区段向下游延伸的一个第一扩散器区段；
一个流动导管，该流动导管具有一个进口和一个出口；
位于该流动导管中的一个涡轮机；以及
连接至该涡轮机上的一个发电机或液压泵；
其中，这些流动通道连接到该流动导管的出口上，这样使得水流经这些文氏管区段造成了水被抽吸穿过该流动导管而经由这些孔流出，所得的流动驱动该涡轮机。
每个元件的上游端可以离开这些孔延伸并逐渐变窄，从而形成一种长形的形状，这样使得当这些元件背靠背安排时，相邻元件的相对的壁限定了从该文氏管区段向上游延伸的一个第二扩散器区段。该上游侧和下游侧的轮廓可以是基本上相同的。
在一个实施方案中，该上游侧的前端的轮廓是基本上V形的。通过在上游侧上具有一个V形的前端，可能在文氏管中出现更大压降。更大的压降将帮助促进二次流从这些孔中向上流出以便通过该文氏管加入主流中。
每个元件的轮廓可以是基本上六边形的或基本上椭圆形的。这些轮廓是这样的使得在使用中每个元件的轮廓在流体流动方向上延伸。
在一个实施方案中，该上游侧的轮廓以及该下游侧的轮廓是基本上不同的。
这些元件的限定了该扩散器区段的外表面可以被粗糙化以便引起该扩散器区段中的紊动。
该设备可以进一步包括位于该扩散器区段内的多个隔离元件。这些隔离元件在该扩散器区段中可以相对于这些元件是可移动的。
该装置是一个‘波谱海洋能转换器（SpectralMarineEnergyConvertor）’（SMEC）。
这些元件的下游端的后端可以包括多个穿孔以便辅助该扩散器区段处的边界层控制。
该下游端可以包括一个流量控制阀，该流量控制阀在该元件的下游端与该流动通道之间提供了一个流动路径。
每个元件可以包括一个可移动的分离板，以便将该上游侧与该下游侧分离。该分离板可以是可控制的以便改变该流动通道的截面积。也可以使用控制该流动通道的截面积和/或阻塞其多个部分的其他机构。
该系统可以包括一个浮力装置，以便控制或改变该系统的浮力并且例如以便升高或降低其在水中的深度。该浮力装置可以设置在该系统的一个区段中并且可以设置在该下游侧。该浮力装置可以是一个气密室，空气可以引入该气密室中或从中去除。
在一个实施方案中，这些元件是基本上竖直的。这些元件在其下端处连接到一个水平歧管上；该歧管连接到该流动导管上。
该设备可以进一步包括跨越这些元件水平安排的多个水平的流动管理叶片。每个流动通道可以包括沿着该流动通道向下竖直定位的一系列室；以及一个输送管，该输送管从每个室延伸并且具有位于该系列室下方的一个进口。
在具有多个竖直元件的一个实施方案中，该设备可以进一步包括在相邻元件之间延伸的至少一个水平隔膜。多个水平隔膜可以在两个相邻元件之间沿着这些元件的长度以间隔开的间距延伸。这些水平隔膜可以帮助将相邻元件之间的竖直平面中的涡流的尺寸最小化。
在另一个实施方案中，这些元件是基本上水平的。这些元件连接到一个竖直歧管上；该歧管连接到该流动导管上。
每个歧管可以包括一系列室，每个室位于一个流动通道的末端附近；以及一个输送管，该输送管从该室延伸并且具有位于该系列室下方的一个进口。
在具有水平元件的一个实施方案中，该设备可以进一步包括在相邻元件之间延伸的至少一个竖直隔膜。多个竖直隔膜可以在两个相邻元件之间延伸。这些竖直隔膜可以帮助将相邻元件之间的水平平面中的涡流的尺寸最小化。
该设备可以进一步包括从该设备的下游侧延伸出来的一个虹吸罩（syphoniccowl）。该虹吸罩在该设备的背面创建了一个倾斜盖，该倾斜盖可以帮助将由文氏管中存在的流的混合而产生的紊动最小化。该罩可以帮助将下游侧的设备顶部的压力维持在低于大气压。
这些孔可以包括在一个打开位置与一个关闭位置之间可运作的一个关闭机构，使得当该机构处于关闭位置时，阻止水流经这些孔。
每个孔可以具有一个单独可控的关闭机构。该关闭机构可以是阀和/或闸门。每个孔可以单独地打开和关闭，或者该关闭机构可以在中央运作以便一次性关闭每个阵列中的所有孔。该关闭机构的存在使得使用者能够改变该设备的活动部分的截面积。
所使用的元件的长度以及该设备的尺寸可以改变并且将取决于多个因素，例如该设备将被使用的深度范围、所希望的用途、这些元件的取向、所涉及的水深度以及该水中的水流。该设备可以在几十米到几百米的范围上延伸并且可以取决于该系统将被安装在其中的这个水体的宽度。
该设备可以由任何适当的材料建造。在各自不同的真实情况下，材料可以包括软钢、不锈钢、玻璃纤维增强塑料、聚碳酸酯、混凝土和/或胶合板。适当时也可以使用其他高合金钢和金属。
本发明的第二方面包括了一种用于包含在根据本发明的第一方面所述的、用于在水体中使用流体流动发电的设备中的元件；该元件限定了一个长形流动通道并且具有一个上游侧和一个下游侧，该元件配备有一系列沿其长度间隔开的孔，该下游侧在流动方向上延伸并逐渐变窄，这样使得当多个元件背靠背地布置在一个阵列中时，相邻元件的相对的壁限定了一个文氏管区段以及从该文氏管区段向下游延伸的一个扩散器区段。
本发明的第三方面包括一种用于从水流来发电的方法，该方法包括使用根据本发明第一方面所述的设备，该方法包括将该设备提供在水流中；允许一个潮汐流或水流来流动经过该文氏管，并且允许二次流来流经该流动导管并驱动该涡轮机。
附图简述
图1.示出了根据本发明的设备在水流上对齐的一个实施方案；
图2.示出了根据本发明的管道在水流上的安排的一个示意性平面图；
图3.示出了本发明的具有水平安排的管道的一个实施方案；
图4.示出了用于本发明的一个水平管道的细节；
图5.示出了本发明的具有水平安排的管道的一个实施方案的截面侧视图；
图6.-图11.示出了用于本发明的设备中的管道的横截面的实例；
图12.-图16.示出了用于本发明的设备中的管道的横截面的实例；
图17.示出了用于本发明的一个实施方案中的管道的示意性横截面；
图18.示出了本发明的具有水平叶片的一个实施方案的示意图；
图19.示出了本发明的具有竖直安排的管道的一个实施方案的示意图，这些管道具有内部分节；
图20.示出了本发明的具有水平安排的管道的一个实施方案的示意图；
图21.示出了本发明的具有竖直管道的一个实施方案的示意图；
图22.示出了图21的实施方案的切开视图；
图23.示出了图21的实施方案的另一个切开视图；
图24.示出了本发明的一个实施方案的侧视图；
图25.示出了本发明的一个包含虹吸罩的实施方案的侧视图；
图26.示出了本发明的、安装在水体宽度的一部分上的一个实施方案的示意图；
图27.示出了图24的一个侧视图；
图28.示出了本发明的、安装在水体上的、具有一个间隙的一个实施方案的示意图；
图29.示出了沿着水体长度安装的多个结构的鸟瞰图；并且
图30.示出了沿着水体长度安装的多个结构的侧视图；
图31.示出了不同水位处的管道的侧视图。
发明详述
本发明广义上是基于WO2008/015047中披露的技术，其中描述了一种用于在水体中使用潮汐、波浪或水流来发电的设备，该设备包括具有第一管道和第二管道的一种安排。这些第一管道配备有一系列沿其长度间隔开的孔、并且连接到一个流动导管上，该流动导管具有进入水体中的一个进口。相邻管道之间限定的文氏管作为文丘里泵起作用而引起从第一管道内部穿过这些孔的流动，从而将水抽吸穿过该流动导管并驱动一个连接到发电机上的涡轮机。
使用术语SMEC来定义这种技术。词语“频谱的”表示，从管道之间的任何水运动中提取能量，而与预期周围波谱将达到峰值的这个频率无关。SMEC是“全频谱的”。它即使在接近零的频率下，即在潮汐流和单向（河流）流中也工作良好。
本发明的基本原理是提供一种SMEC设备，其中这些管道具有至少一个楔形的侧面，使得在相邻管道之间形成了一个扩散器区段。图1示出了一种包括设置在水流上的一系列管道的设备的一部分。图2示出了一种管道排列的平面图，用于展示工作原理。
该安排包括一个阵列的管道10，这些管道是以平行间隔开的背靠背的安排被竖直安排的、与相邻管道之间限定的文氏管12是在基本上同一平面内。这些管道的下端连接到一个公共的水平歧管结构14上，该歧管结构连接到容纳了涡轮机18的流动导管16上。涡轮机18通过一个驱动轴而连接到发电机上。每个管道10包括一个下游楔形侧20、以及上游侧22、一个流动通道24以及沿着该管道的长度间隔开的多排孔26。相邻管道10被定位成使得由相邻管道10的相对的壁限定了一个文氏管区段12以及一个扩散器区段28。这些孔26被定位成使得他们与该流动通道24是流体连通的并且位于文氏管区段12处或在其附近。
水通过进口32进入流动导管16中，并且这些管道10连接到该流动导管的这些出口34上，这样使得越过该管道安排的主流的水36致使文氏管12作为文丘里泵起作用而引起从管道内部穿过孔26流出的流动38，从而将水40抽吸穿过该流动导管并且驱动了该涡轮机。从上游水面水头到下游水位的水头降是由文丘里效应造成的。当水流流经管道之间的文氏管时，在文氏管中出现了放大的水头损失。这引起了水通过这些孔26流出的流动38。这种在管道上、流动导管以及涡轮机上的放大的水头降引起了穿过歧管的高速二次流38，其具有比可以用来涡轮机的主流更小的体积。
图3示出了用于该SMEC设备的一种不同的管道安排50，该安排是跨过水体62的入口而安装的。在这个实施方案中，该设备的管道50被基本上水平安排成具有一个基本上竖直的平面并且连接到一个竖直歧管64上。这些水平管道50是以平行间隔开的背靠背的阵列被安排在基本上同一个平面内，使得相邻管道的相对的壁限定了一个文氏管以及一个扩散器区段。
参见图4和图5，每个管道50包括一个楔形侧56、一个流动通道58以及沿着管道50的长度间隔开的多个孔60。相邻管道50被定位成使得在相邻管道的相对的壁之间限定了一个文氏管区段66以及一个扩散器区段68。水62经由该进口进入该流动导管中，并且这些管道50连接到歧管64的出口上使得越过该管道安排的水流致使该文氏管作为文丘里泵起作用而引起从管道内部穿过这些孔流出的流动，从而将水抽吸穿过该流动导管并且驱动该涡轮机。
文丘里管道的水平安排可以帮助将该文氏管中引起的低压与该主流的自由表面分离。这帮助维持了在文氏管中形成的低压，该低压驱动了二次流并由此帮助维持可以实现的潜在有用的动力输出。
可能由于二次流与文氏管内部主流的重组而发生穿过该文氏管的能量损失。可以从二次流中提取的有用功的理论最大值是SMEC设备的几何形状的函数。文氏管的轮廓的几何形状可以影响文氏管中的能量损失。
图6-图11示出了可以用于形成在单向流中使用的设备的管道的轮廓的实例。
形成该阵列的每个管道70包括一个上游侧72和一个下游侧74。在上游侧72与下游侧74之间定位了一个流动通道76。沿着该流动通道76的长度限定了一系列的孔或槽78，这些孔或槽被定位成使得它们将处于相邻管道之间形成的文氏管区段80处或在其附近。这些孔或槽78位于该管道的具有最大宽度的位置处并且沿该管道的长度间隔开。在用于单向流82的管道76中，管道的上游侧和下游侧的轮廓可以不同，其中通向文氏管80的入口84比文氏管80的下游的扩散器区段86短。
沿着流动通道的长度限定的孔的个数、形状和安排可以变化。术语孔可以包括孔口、槽、连续槽、长形孔以及进入该流动通道中的任何其他适合的开口。
图6示出了用于该设备中的一个文丘里管道70的一种轮廓。该空心的文丘里管道70包括一个短的、基本上半圆形的上游侧72，它逐渐变窄成一个长形的下游侧74，从而形成一种基本上泪珠的形状。形成了该二次流动路径的一部分的一个流动通道76沿着管道70的长度延伸。沿着管道70的长度在上游侧72与下游侧74之间定位了多个孔78。该管道70可以通过添加内部撑杆88来加强。
图7示出了用于单向流的文丘里管道的轮廓。空心的文丘里管道70具有一个基本上六边形的截面形状、具有一个短而尖的上游侧72以及一个长形的下游侧74，其中一个流动通道76沿着管道70的长度延伸。沿着该管道的长度在上游侧与下游侧之间定位了多个孔78。
图8和图9示出了文丘里管道的横截面形状，这些管道具有一个空心中心，该中心具有支柱和撑杆的不同安排88。这些管道70具有一个逐渐变窄的长形下游侧74以及一个更短的半圆形的上游侧72。该半圆形的上游侧72具有比下游侧74更宽的直径。在上游侧72上在以下游侧74为边界处沿着管道70的长度定位了多个孔78。
实施例
图10和图11示出了用于该设备的管道的不同实施方案，这些管道具有不同的撑杆、支柱以及板安排以便提供对管道的强化作用。管道70的截面形状具有一个短的逐渐变窄的凸形上游侧72，从而形成了用于二次流动路径的流动通道76。管道70具有一个楔形的长形下游侧74，该下游侧比该上游侧72长并且与上游侧72是隔离的。在上游侧72中、在以下游侧74为边界附近沿着管道70的长度定位了多个孔78，用于从流动通道76到文氏管的二次流动。被隔离的下游侧74可以包括一个浮力区段90。
主流82加速进入管道70之间的文氏管80、流动经过文氏管区段80并然后在管道的壁之间分叉，这限定了该扩散器区段86。
在管道的下游侧提供一个楔形区段有助于在主流减速离开文氏管时辅助压力恢复。为了使文丘里泵最佳地发挥作用，根据伯努利定理，要求保持文氏管区段内部的低压状况。为了满足这个要求，主流需要平滑地减速穿过位于文氏管区段下游的扩散器区段以便对周围的自由流水头给予压力恢复储备。
在具有正压力梯度的单向流中、在文氏管的进入喉管处可以使用通向管道的钝的更短的上游侧，从而促进良好的流动调整。
当该设备被用于具有双向流的水体中时，该管道可以具有与图12、图13和图14中所示基本上相同的轮廓形状。
用于双向流102a、102b中的管道100具有一个楔形的下游侧104和上游侧106，这样使得在相邻管道100之间限定了两个被文氏管区段110隔开的扩散器区段108a、108b。这些管道的对称形状允许在流动方向102a反转成102b时文氏管110的进入喉管108b变成该扩散器区段。当二次流112a、112b经过这些孔离开管道100时，二次流将加入该主流102a、102b。如图12中所示，双向管道100可以具有平行于水流方向102延伸的一个基本上椭圆形的形状。用于双向流中的管道的截面形状的进一步实例在图13中示出，这些双向管道100可以具有平行于水流方向102延伸的一个基本上六边形的形状。
为了实现一个小的扩散器角度，获得一个具有长的弦长度的管道。图14示出了一个阵列的双向管道100，这些管道具有位于相邻管道100所形成的扩散器区段108a、108b内的隔离元件114。隔离元件114可以定位在扩散器区段中以便允许在整个组件上使用短的弦长度，而仍保持一个小的有效角度来辅助压力恢复。主流102在经过带有隔离元件114的扩散器区段108a时方向的变化促进了流的混合并且有助于压力恢复。
参见图15，这些隔离件114可以是可移动进出这些扩散器区段108a、108b。隔离件114的移动改变了堵塞比率，这可能有助于主流速度是持续可变时潮汐流的性能。隔离件从一个靠近文氏管区段的位置向一个更远离下游位置的移动减小了堵塞比率。
可以对该SMEC设备进行进一步改变以便改进流动调整从而获得适当的流动轮廓。在图16所示的一个实施方案中，这些隔离件114a、114b可以通过文氏管区段内的一个隔膜116进行连接。这可以帮助防止流动在隔离件周围不均匀地分开并且可以帮助进行流动调整。
该堵塞比率可以影响设备的性能。堵塞比率是用两个相邻文丘里管道的中线之间的距离除以文氏管区段处的相邻管道之间的间隙而形成的。
这些管道的限定了该扩散器区段的外表面可以包括一个粗糙化的区域。这个粗糙化的表面帮助促进边界层中的紊流，这可以促进混合并帮助压力恢复。这个表面可以具有一个不光滑的表面，如带凹坑的表面。该表面可以在管道的制造过程中在管道上形成或者可以允许其在管道的使用过程中通过允许海生物的自然生长或类似地随时间推移而在管道上形成。
图17示出了用于SMEC设备中的管道120的轮廓，该管道在下游侧124的尾随边缘中包括多个穿孔122。穿孔122可以在管道的下游侧124的末端中形成并且可以将一个流量控制阀126定位在下游侧124内以便控制从扩散器区段的边界层进入流动通道128中的水流。流量控制阀126可以用于将水从扩散器区段的边界层抽入管道120中，这有助于防止或延迟流的分离。
图18示出了本发明的一个实施方案，其具有在竖直安排的管道134上水平延伸的流动管理叶片132，这些管道连接到一个歧管136上。该设备包括具有一个或多个流动管理叶片132的一个阵列的竖直管道134，这些流动管理叶片是在该竖直安排的管道阵列上水平定位的。这些水平叶片可以是平的以便在水流经过文氏管时保持其是基本上水平的。
每个文氏管间隙顶部处的水面是在一个水柱的自由表面处，该水柱在文氏管的短的长度上朝前加速至高速、然后又在离开而进入扩散器区段时减速。该自由水表面的高度是由从其总水头产生的复杂的力平衡、其动量的变化速率以及作用在其上的大气压决定的。该自由水表面的高度保持在其局部减小的总水头更高的高度处，这将表明它是准静态的。自由表面在管道中降低的任何趋势都可能对该装置的性能具有不利影响。通过在管道上定位管理叶片，可以抑制自由表面的降低。
当管道本身是水平的，如在图3中所示，则管道的水平安排固有地对该设备提供了与水平管理叶片可以对竖直管道安排相同的效果。
在该设备位于潮汐流中的情况下，主流的水的自由表面可以具有变化的高度。图19示出了一种设备的一部分的截面视图，该设备具有连接至一个水平歧管142上的多个竖直管道140。在本发明的一个进一步的实施方案中，每个管道140被分成多个沿着该管道的长度竖直安排的多个室144。一个输送管146连接至每个室144上并且延伸至二次流的水的自由表面将达到的最小自由表面高度148的下方。所要求的室的个数将取决于管道所暴露的水高度的变化、管道的长度以及管道中孔150的出现率。
在潮汐流中，当水位下降时，最上面的孔可能变得暴露在大气中，这将管道内部的水暴露在了大气压下。然后文丘里管道内部的水位将下降并且可能产生更少的电力，因为沿着该管道更少的孔是起作用的。将管道内部分割以创造一系列的室而使每个室经由该管而与管道的下端是处于流体连通，使得甚至是在低的水位下所有在主流表面下方的孔都能被利用。
在该设备包括水平管道160的本发明的另一个实施方案中，可以将该竖直歧管164分段。图20示出了一种设备的一部分的截面，该设备具有的水平文丘里导管160配备有一系列的孔162并且在多个竖直歧管164之间延伸。该歧管164连接到一个容纳了涡轮机168的流动导管166上，该涡轮机连接到一个驱动轴上以驱动一个发电机170。该竖直歧管164被分成沿着该歧管的至少一部分长度竖直安排的多个室172。一个管174连接至每个室上并且从该室延伸至二次流的水的自由表面将达到的最小自由表面高度176的下方。每个室172被定位成与一个从竖直歧管164延伸的水平管道160对应。所要求的室的个数将取决于管道所暴露的水位的变化。并不必须使所有文丘里管道都与一个单独的室相关联。
图21、图22和图23示出了该SMEC设备的一个进一步的实施方案。其中该设备包括一个阵列的文丘里管道200，这些管道具有一个楔形的下游侧202以及一个流动通道204，该流动通道具有沿着其长度定位的多个孔206。这些管道200连接到一个公共的水平歧管208上，该歧管进而连接到一个竖直的流动导管210上。该流动导管210具有用于接纳来自水体的水的多个进口212、以及一个或多个涡轮机214，这些涡轮机位于该流动导管210内、通过一个驱动轴连接至一个发电机216上。在这些管道200和流动导管210上定位了多个水平歧管218。
图24示出了该SMEC设备的一个实施方案。该设备包括一系列的竖直管道20。这些竖直管道20在其顶端用一个基本上水平的挡板220关闭，该挡板延伸越过该设备的顶部。在使用中，该水平挡板220位于上游水位222下方并且管道20的顶部位于下游水位224下方。这些管道的竖直长度是在该设备的设计过程中选择的以便适应具体场所的流动条件。一个基本上竖直的挡板226从该水平挡板220向上延伸。该竖直挡板226是不透水的并且保持上游水位高于管道的顶部。
图25示出了该SMEC设备的一个实施方案。该设备包括一系列的竖直管道20。这些竖直管道在其顶端用一个挡板220关闭，该挡板延伸越过该设备的顶部。在使用中，挡板220位置低于上游水位222。一个基本上竖直的挡板226从该水平挡板220向上延伸。该竖直挡板是不透水的并且保持上游水位222高于管道的顶部。一个虹吸罩228附接至该设备的下游末端上。在这些竖直管道20的上部之间流动的水在一个高度处从管道20之间离开，该高度是在下游水位224的高度上方。该虹吸罩228将罩内部的水与大气压隔离，这样使得罩内的水的静水压力可以下降到低于大气压并且由此允许在罩下方的水柱上得到均匀的压力梯度并且有助于改善流动调整。
安装该SMEC设备的方法可以根据设备的类型以及有待安装该设备的位置而变化。方法可以包括使该设备的这些区段漂浮至适当位置、通过受控的涨水来将该设备降低至适当位置和/或通过起重机或其他升降设备来将该设备降低至适当位置。该SMEC设备可以被安装成横跨整个水体，即从河流或海峡的河岸到河岸，或者可以安装成仅部分地跨过水体。
对于常规的堰坝，可以在该SMEC设备中结合多个水闸以允许航船通过。可以在该SMEC设备中结合多个空隙以允许水运工具、鱼或海洋哺乳动物在河流中来回通过。
当该设备被置于具有比设备更大的截面的水流中时，自由边缘的存在允许主流在设备周围分叉而不是穿过这些管道。该设备相对于水体越长，作为有用的潜在可获得的输出能量的百分比的损失就越小。
为了减小边缘损失的作用，该设备可以前进越过整个移动的水体，如从河流的河岸到河岸或从一个海岸到另一个海岸。如图26和图27中所示，其中该设备180没有拦截整个水体182，边缘损失可以最小化。为了最小化这种安排中的边缘损失，可以将一个表面184连接到该设备的自由端上，该表面在设备180的上游以直角延伸。表面184可以帮助引导水穿过管道186并且将边缘周围的水流最小化。二次流190的进口188可以定位在这些自由边缘处以促进主流192在管道186之间穿过而不是在自由边缘的周围穿过。
在图28中，设备180基本上被安装为跨过水182的全部宽度，在半路有一个空隙198，在该空隙中定位了一个包含涡轮机196的进口。一个表面184在间隙198的任一侧上附接到这些模块的每个自由端上，用于帮助抑制旁通的水流，而仍然在结构中维持一个开放通道。穿过涡轮机的二次流190调节了设备上的水头降。
在一个实施方案中，每个SMEC设备可以作为模块形成并且沿着河流或其他水体（例如河口、峡湾或沟渠）的长度进行定位。这些模块可以使用水的流动或潮汐流来发电。
如图29中所示，沿着河流202或其他水体的长度安装了由这些模块形成的一系列结构200。每个结构200是跨过河流的宽度、垂直于水流204的方向并且在另一个模块上游和/或下游定位的。
图30示出了运行中的设备的全视图，其中沿着河流202的长度定位了三个结构200。如需要的话可以安装另外的结构。该结构在水沿河流向下流动时形成了对水的阻碍并且在SMEC后方将出现河流水位的轻微升高。河流深度的增加是对设备的低水头驱动力。由于在每个结构后方形成的安全超高与河流的完全拦截相比是极小的，因此上游的环境影响不是很具破坏性的。
这些结构间隔开的距离对于决定该阵列的结构的上游的河流水位的最终升高有影响。各个结构之间的距离将取决于它所安装的环境。这些结构之间的距离可以根据河流流过的陆地的地势变化。各个结构之间的距离可以是充足的，使得有待定位一个上游结构的河流水位基本上不受任何下游SMEC的影响。如果这些结构被充分间隔开，则这些结构上游的河流水位将达到其原始水平，除了在每个结构紧密后方的水头的局部增大。
这些管道的高度被选择以适应有待安装该结构之处的河流深度。这些管道的长度是这样的长度：使得这些模块将沿着河床向下延伸以最小化旁通的水流。
这些模块可以被安装成在水体内是可移动的。如图31中所示，这些模块可以包括一个浮力区段92或外部漂浮物，该浮力区段或外部漂浮物用于将管道20的顶部保持在水面水位94。在水位94下降时，该SMEC可以在河床96上滚动，这样使得管道20的孔30以及该模块在水位升高和降低时保持基本上被淹没。
一旦一个第一结构已经定位在河流中，就可以在该第一结构的上游和/或下游跨过该河流来定位另外的结构。所安装的结构的个数将取决于环境以及所希望产生的电量。当沿岸流和潮汐力不可供用于产生该能量形式时，这个实施方案特别适用于内陆河流系统。这些SMEC模块不依赖于潮汐的高度范围、而是依赖于体积的流入和流出量。这使得SMEC特别适用于存在大体积水的水体中，这些水不必以高速流动，例如具有相当大的深度或宽度的河流。
穿过二次流路径出现的摩擦损失可以在该流动路径中的多个点处造成压力损失，从而导致可以获得的最大输出降低。摩擦损失可能通过水进入涡轮机时吸入涡轮机中而发生。这些损失可以通过使用光滑轮廓的进入导管来最小化。
动力排水涡轮机的流体动力学效率可以影响该设备的总体性能。使用螺距可控的涡轮机可以帮助使性能最大化。适合于SMEC的涡轮机类型包括轴流和卡普兰（AxialflowandKaplan）涡轮机类型。摩擦损失可以全部通过减少尖锐边缘并对于水接触的涡轮机零件采用光滑的内表面而最小化。涡轮机可以在水中定位得很低，这增大了周围的工作压力并且有助于叶片表面上汽蚀所造成的抑制和性能退化。将发电机定位在水面上减少了水与任何电气机械相接触的机会。这可以通过涡轮机与发电机之间一个足够长的驱动轴来实现。
来自涡轮机的排水可以经受流动调整。这可以通过在涡轮机的下游定位一个向外楔形的牵引管（从而形成一个扩散器）来实现。这将有助于在涡轮机下游维持减小的压降，这增大了可以从二次流中提取的动力。
对于具有从水平歧管延伸的竖直管道的一个设备，体积流量随着水向上流入每个顺次的文丘里管道中而减小。因此在本发明的一个实施方案中，可以使歧管的截面积沿着该流动路径减小以便沿着歧管的长度给出一个恒定的流速，该流速是高于沉积物的临界值的一个值。这样的水流状况可以帮助防止在歧管中形成浪费能量的涡流。
在一个进一步的实施方案中，该涡轮机和发电机可以被设计成与泵相反地运行，以将任何碎屑或污染物从该设备中反冲洗去除。也可以将常规的反污浊处理和机械清洁工具结合到该设备中，以便将海洋污物和沉积物可能对设备性能造成的影响最小化。
可以对本发明进行多种改变。这些管道的轮廓的长径比可以改变，以提供该阵列的最佳性能。管道的轮廓的长径比是轮廓的长度L与轮廓在其最宽点处的宽度W之比。
可以在本发明的范围之内作出另外的改变。
Claims (27)
1.一种跨过水体安装用于在水体中使用水流发电的设备，这样使得在使用中存在从该设备的上游侧到下游侧的水头降，该设备包括：
一个阵列的多个间隔开的元件，每个元件限定了一个长形流动通道并且具有一个上游侧和一个长形的下游侧，每个元件配备有一系列至少沿其长度的一部分间隔开的孔，并且该长形的下游侧离开该上游侧延伸并逐渐变窄，其中这些元件是背靠背安排的，这样使得相邻元件的相对的壁限定一个文氏管区段以及从该文氏管区段向下游延伸的一个第一扩散器区段，并且其中该上游侧的轮廓以及该下游侧的轮廓是不同的；
一个流动导管，该导管具有一个进口和一个出口；
位于该流动导管中的一个涡轮机；以及
连接至该涡轮机上的一个发电机或液压泵；
其中这些流动通道连接到该流动导管的出口上，这样使得水流经这些文氏管区段造成了水被抽吸穿过该流动导管并且经由这些孔流出，所得的流动驱动该涡轮机。
2.如权利要求1所述的设备，其中，每个元件的上游侧离开这些孔延伸并逐渐变窄，从而形成一种长形的形状，这样使得当这些元件背靠背安排成一个阵列时，相邻元件的相对的壁形成了从该文氏管区段向上游延伸的一个第二扩散器区段。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中该上游侧的前端的轮廓是基本上V形的。
4.如权利要求1所述的设备，其中每个元件的轮廓是基本上六边形的。
5.如权利要求1所述的设备，其中每个元件的限定了该扩散器区段的外表面被粗糙化以便引起穿过该扩散器区段的紊流。
6.如权利要求1所述的设备，进一步包括位于该扩散器区段内的一个隔离元件。
7.如权利要求6所述的设备，其中这些隔离元件在该扩散器区段内是相对每个元件可移动的。
8.如权利要求1所述的设备，其中每个元件的下游侧的末端包括多个孔口。
9.如权利要求8所述的设备，其中该下游侧包括一个流量控制阀，该流量控制阀在该下游侧与该流动通道之间提供了一个流动路径。
10.如权利要求1所述的设备，其中每个元件包括将该上游侧与该下游侧分离的一个可移动的分离板。
11.如权利要求1所述的设备，其中该下游侧包括一个浮力区段。
12.如权利要求1所述的设备，其中这些元件是基本上竖直安排的。
13.如权利要求12所述的设备，其中每个元件在其下端连接到一个水平歧管上；该歧管连接到该流动导管上。
14.如权利要求12所述的设备，进一步包括跨过这些元件水平安排的多个水平流动管理叶片。
15.如权利要求12所述的设备，其中每个流动通道包括沿着该流动通道向下竖直定位的一系列室；以及一个输送管，该输送管从每个室延伸并且具有位于该系列室下方的一个进口。
16.如权利要求12所述的设备，进一步包括在相邻元件之间延伸的至少一个水平隔膜。
17.如权利要求1所述的设备，其中这些元件是基本上水平安排的。
18.如权利要求17所述的设备，其中每个元件连接到一个竖直歧管上；该歧管连接到该流动导管上。
19.如权利要求17所述的设备，其中每个歧管包括一系列室，每个室位于一个流动通道的末端附近；以及一个输送管，该输送管从该室延伸并且具有位于该系列室下方的一个进口。
20.如权利要求17所述的设备，进一步包括在相邻元件之间延伸的至少一个竖直隔膜。
21.如以上权利要求1所述的设备，进一步包括从该设备的下游侧延伸的一个虹吸罩。
22.如以上权利要求1所述的设备，其中这些孔包括在一个打开位置与一个关闭位置之间可运作的一个关闭机构，这样使得当该机构处于其关闭位置中时，阻止水流经这些孔。
23.根据权利要求22所述的设备，其中每个孔具有一个独立可控的关闭机构。
24.根据权利要求22所述的设备，其中该关闭机构是一个阀。
25.根据权利要求22所述的设备，其中该关闭机构是一个闸门。
26.一种用于包含在根据权利要求1至25中任一项所述的用于在水体中使用水流发电的设备中的元件；该元件限定了一个长形流动通道并且具有一个上游侧和一个长形的下游侧，该元件配备有一系列沿其至少一部分长度间隔开的孔，该下游侧在流动方向上延伸并逐渐变窄，这样使得当多个元件背靠背地布置在一个阵列中时，相邻元件的相对的壁限定了一个文氏管区段以及从该文氏管区段向下游延伸的一个扩散器区段，并且其中该上游侧的轮廓以及该下游侧的轮廓是不同的。
27.一种用于从潮汐流或水流来发电的方法，该方法包括跨过水体提供如权利要求1至25中任一项所述的设备；允许一个潮汐流或水流来流动经过该文氏管；并且允许二次流动流经该流动导管并驱动该涡轮机。
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