提供有栅栏的水力发电厂和用于操作该水力发电厂的方法

摘要

本发明涉及一种水力发电厂，包括浸没在水流(W)中的水涡轮机(1)和邻近所述水涡轮机(1)定位的栅栏(6)。根据本发明，所述栅栏(6)被布置为引导所述水流中的水流动，使得所述栅栏(6)与所述水涡轮机(1)之间的水的速度变得不均匀。本发明还涉及所述水力发电厂的用途，用于产生电能以供应到电网。进一步，本发明还涉及一种用于操作水力发电厂的方法。

权利要求

1.一种水力发电厂，包括被布置为在0.5到50rpm的范围内旋转的浸没在水流(W)中的至少一个水涡轮机(1)和邻近所述水涡轮机(1)定位的栅栏(6)，所述栅栏被布置为防止物体在水中流动到达所述水涡轮机，其特征在于：所述水涡轮机(1)的轴线具有大体上垂直于所述水流(W)的方向，由此限定所述水涡轮机(1)的顺水旋转的第一半部和逆水旋转的第二半部，所述栅栏(6)被布置为引导所述水流中的流动，使得所述栅栏(6)与所述水涡轮机(1)之间的水的速度变得不均匀，使得到达所述第一半部的水的平均速度比到达所述第二半部的水的平均速度大，并使得到达所述水涡轮机(1)的水的速度剖面在切向到达所述第一半部的水中具有最大值且在切向到达所述第二半部的水中具有最小值。

2.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述栅栏(6)包括彼此之间形成缝隙的多个杆(8)，杆(8)的垂直于其纵向延伸部的横截面具有被限定为前端点与后端点之间的距离的长度，所述水流在所述前端点处到达所述杆(8)，所述水流在所述后端点处离开所述杆(8)，所述横截面具有垂直于所述长度测量的杆宽度，并具有被限定为所述长度的方向的引导方向，其中所述栅栏(6)相对于所述长度、所述宽度、所述引导方向、所述横截面的面积和/或所述横截面的轮廓这些参数中的至少一个参数变化，使得对于至少一些杆所述至少一个参数从一个杆(8)到另一个杆变化，和/或使得所述至少一个参数沿一个杆(8)的纵向延伸部变化。

3.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述栅栏包括彼此之间限定缝隙的多个杆(8)，每个缝隙形成缝隙宽度，且其中对于至少一些缝隙所述缝隙宽度从一个缝隙到另一个缝隙变化，和/或沿一个缝隙的延伸部变化。

4.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述栅栏(6)包括多个杆(8)，其中所述杆(8)的至少一些与穿过所述水涡轮机(1)的轴线的平面的距离不同于其他杆与该平面的距离，所述平面垂直于所述水流(W)，使得中心定位的杆与所述平面的距离大于侧向定位的杆与所述平面的距离。

5.根据权利要求2所述的水力发电厂，其特征在于：所述杆(8)的所述纵向延伸部基本平行于所述水涡轮机(1)的轴线。

6.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述栅栏具有第一组杆(6a)和第二组杆(6b)，所述第一组杆(6a)和所述第二组杆(6b)被布置为使得所述第一组杆(6a)与所述第二组杆(6b)交叉。

7.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述栅栏(9)相对于对所述水流中的流动的所述引导是可调节的。

8.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述水涡轮机(1)的轴(4)是竖直的。

9.根据权利要求8所述的水力发电厂，其特征在于：所述轴(4)由水道的基底上的底座(7)支撑，所述栅栏(6)与所述轴(4)由相同的底座(7)支撑。

10.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述水涡轮机被布置为在2到

20rpm的范围内旋转。

11.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述发电厂包括多个水涡轮机(1)，每个水涡轮机具有单独的栅栏(6)。

12.根据权利要求1所述的水力发电厂，其特征在于：所述发电厂包括多个水涡轮机(1)，至少一些所述水涡轮机(1)的栅栏(6)共用。

13.一种根据权利要求1-12中任一项所述的水力发电厂的用途，用于产生电能以供应到电网。

14.一种用于操作水力发电厂的方法，所述方法包括将浸没的水涡轮机暴露于水道中的水流，使得所述水涡轮机以在0.5到50rpm的范围内的速度旋转，和提供邻近所述水涡轮机的栅栏，布置所述栅栏以防止物体在水中流动到达所述水涡轮机，其特征在于：布置所述栅栏，使得所述栅栏影响所述栅栏与所述水涡轮机之间的水的速度，以使该速度变得不均匀，使得到达所述水涡轮机(1)的顺水旋转的第一半部的水的平均速度比到达所述水涡轮机(1)的逆水旋转的第二半部的水的平均速度大，并使得到达所述水涡轮机的水的速度剖面在切向到达所述第一半部的水中具有最大值且在切向到达所述第二半部的水中具有最小值。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述方法用根据权利要求1-12中任一项所述的水力发电厂执行。

说明书

提供有栅栏的水力发电厂和用于操作该水力发电厂的方法

技术领域

[0001] 本发明在第一方面涉及一种水力发电厂，包括浸没水流中的至少一个水涡轮机和邻近所述水涡轮机定位的栅栏。

[0002] 本发明在第二方面涉及这种水力发电厂的用途。

[0003] 本发明在第三方面涉及一种用于操作水力发电厂的方法，所述方法包括将浸没的水涡轮机暴露于水道中的水流并提供邻近所述水涡轮机的栅栏。

背景技术

[0004] 在水力发电厂中，常常需要在水涡轮机的上游提供栅栏，以防止在水中流动的诸如死动物、植物、垃圾等物体到达所述涡轮机。否则，这些物体可能扰乱运转或者甚至损坏涡轮机。

[0005] 对于在流动的水中运转的水涡轮机，能由水产生的动力取决于很多因素。一个重要的因素在于涡轮机所遭受到的质量流量，即，水的质量与速度的产物。进一步，朝向水流的涡轮机在其逆着朝向水的不同部分将受到不均匀的影响。对于某些种类的涡轮机，在一些部分对于动力产生的贡献高，在另外一些部分则较小，且在一些部分甚至为负的。对于动力产生的贡献的不均匀分配对于大多数类型的水涡轮机原则上存在。然而，对于具有垂直于水流的主方向的轴的涡轮机，这种情况特别突出，使得水沿径向方向通过涡轮机。对于这类涡轮机，涡轮机的一半逆着水流的方向旋转，且在该侧上对于动力产生的贡献是负的。

[0006] 大多数水力发电厂在快速流动的水中运转，在快速流动的水中，高的速度通过水的基本垂直的降落而被获得。水中的能量密度高，且水流被最优地朝向涡轮机导向。由此，接收的高动力输出是基于当较高水平面的势能在快速流动中通过涡轮机被转换为动能时对该较高水平面的势能的利用。

[0007] 然而，在缓慢流动的水中，诸如在平静的河水、海流和潮汐流中，也可以发现大的、尚未大量开发的能源。虽然这里的速度比传统的水力发电厂中的速度低得多，但是水的体积相当大。在代表水中动能的质量与速度的乘积中，在这种水力发电厂中，质量这个因素与在传统发电厂中相比主要得多。因为速度小，速度的改变能够显著地影响水的动能。

[0008] 因此，在这些类型的发电厂中，关注以上讨论的对产生动力的贡献的不均匀分配的结果更为重要。

[0009] 本发明的目的是在考虑涡轮机中对动力产生的贡献的不均匀分配得情况下，优化水力发电厂中水涡轮机的输出。

发明内容

[0010] 根据本发明的第一方面，本发明的目的由于一种初始指定类型的水力发电厂而实现，该发电厂包括特定特征：栅栏被布置为引导水流中的水流动，使得所述栅栏与水涡轮机之间的水的速度变得不均匀。

[0011] 本发明特别地但不排他地用于具有垂直于水流动的主方向的轴线的水涡轮机且用于水的速度相对较低的应用中。

[0012] 当然，在涡轮机上游的任何栅栏理论上将对水流的速度剖面具有一定程度的作用。栅栏的杆可能导致局部地影响沿主流动方向的速度的湍流。由此，在微观水平上，在水岸线的速度剖面中可能存在微小的波动。然而，本申请的不均匀速度在与上文提及的微小的波动相比的宏观水平上被限定。

[0013] 由于外部条件，诸如水道的形状或与底部的距离，也可能出现从严格均匀速度剖面的偏离。作为这种外部条件的结果的偏离不代表本申请意义上的不均匀速度。

[0014] 通过布置所述栅栏，使得它以这种方式引导水流：水能够被引导，使得它在涡轮机的对动力产生的贡献较大的那些部分具有较高的速度，并使得水在涡轮机的贡献较小或甚至为负的那些部分具有较低的速度。因此，所述涡轮机的总输出将增加，并且由此发电厂的总的效率将相应地较高。

[0015] 为了朝向涡轮机引导水流，需要元件以执行该任务。这增加了发电厂的总投资成本。然而，通过使用用于该目的的栅栏，额外的成本将是可忽略不计的，这是因为在大多数情况下，栅栏需要为其普通目的而存在。由此，因为栅栏满足了两种不同功能，根据本发明的发电厂是节省成本的。

[0016] 根据所发明的水力发电厂的优选实施方式，水涡轮机的轴线具有大体上垂直于水流的方向，由此限定水涡轮机的顺水旋转的第一半部和逆水旋转的第二半部。

[0017] 由于这种类型的涡轮机具有对动力产生作负贡献的部分，因此影响速度分布的作用对于这些类型特别地重要。

[0018] 根据进一步的优选实施方式，所述栅栏被布置为使得到达所述第一半部的水的平均速度比到达所述第二半部的水的平均速度大。

[0019] 由此，所述涡轮机的积极的半部，即顺水旋转的所述半部将具有增加的动力产生，而所述第二半部的消极作用被减小。

[0020] 根据进一步的优选实施方式，所述栅栏被布置为使得到达水涡轮机的水的速度剖面在切向到达所述第一半部的水中具有最大值且在切向到达所述第二半部的水中具有最小值。

[0021] 切向到达所述涡轮机的所述第一半部的水，即横向最外面的部分对动力产生具有最大贡献。因此，在该区域中具有最大速度是特别有利的。相应地，在所述涡轮机的相反的横向侧部具有尽可能低的速度是特别有利的，这是因为这使得在该侧部上的破坏作用最小化。

[0022] 根据进一步的优选实施方式，所述栅栏包括彼此之间形成缝隙的多个杆，所述杆的垂直于其纵向延伸部的横截面具有被限定前端点与后端点之间的距离的长度，所述水流在所述前端点处到达所述杆(8)，所述水流在所述后端点处离开所述杆(8)，所述横截面具有垂直于所述长度测量的杆宽度，并具有被限定为所述长度方向的引导方向，其中所述栅栏相对于所述长度、所述宽度、所述引导方向、所述横截面的面积和/或所述横截面的轮廓这些参数中的至少一个参数变化，使得对于至少一些杆所述至少一个参数从一个杆到另一个杆变化，和/或使得所述至少一个参数沿一个杆的延伸部变化。

[0023] 采用多个杆形式的栅栏相对于它作为为涡轮机抵挡物体的护罩的功能以及引导水流的功能是有利的，特别是当所需要的引导是一维的时(通常为这种情况)。

[0024] 因此，通过考虑到所述栅栏的设计而采取的各种措施能够实现这种引导。在很多情况下，通过改变这些参数中的仅仅一个参数实现该引导作用，而在其他情况下，多于一个变量是合适的。当选择将被改变的参数和参数被改变到何种程度时，涡轮机的尺寸、水流的大致速度、发电厂的位置和其他条件以及成本因素将被考虑。在大多数应用中，改变引导方向以使得不同杆的引导方向不同是有效且有利的。

[0025] 根据进一步的优选实施方式，所述栅栏包括彼此之间形成缝隙的多个杆，每个缝隙形成缝隙宽度，且其中对于至少一些缝隙所述缝隙宽度从一个缝隙到另一个缝隙变化，和/或沿一个缝隙的延伸部变化。

[0026] 在这些方式中的任一个或两个中，改变所述缝隙也是可供选择的，使得能够将水流有效地引导至期望的速度剖面。

[0027] 根据进一步的优选实施方式，所述栅栏包括多个杆，其中所述杆的至少一些与穿过所述水涡轮机的轴线的平面的距离不同于其他杆与该平面的距离，所述平面垂直于所述水流，使得中心定位的杆与所述平面的距离大于侧向定位的杆与所述平面的距离。因此，从涡轮机轴线看，形成了栅栏的大致凹入的形状。因此，由于所述涡轮机被更好的封装，所述栅栏的保护作用被提高。不同杆之间的距离的差也是可被用于影响水流的速度剖面的参数。

[0028] 根据进一步的优选实施方式，所述杆的所述纵向延伸部基本平行于所述水涡轮机的轴线。

[0029] 由于杆的这种方位，所述栅栏将适于沿特定方向执行该引导，该特定方向与有利于不均匀速度剖面使动力产生最优化的方向相对应。

[0030] 根据进一步的优选实施方式，所述栅栏具有第一组杆和第二组杆，所述第一组杆和所述第二组杆被布置为使得所述第一组杆与所述第二组杆交叉。

[0031] 该实施方式适合于期望在二维中得到不均匀速度分布的这种情况。这种栅栏也将更好地相对于薄的但是细长的物体保护涡轮机，否则这种物体可能通过栅栏。

[0032] 根据进一步的优选实施方式，所述栅栏相对于其引导性质是可调节的。

[0033] 虽然这种实施方式变得更复杂且因此更加昂贵，但是对于某些应用，它将是有用的且通过所述涡轮机效率的增加补偿了成本的增加。这可以是例如当涡轮机位于外部条件经历改变(诸如水流的大致速度的改变)的位置时的情况。

[0034] 根据进一步的优选实施方式，所述水涡轮机的轴是竖直的。

[0035] 这提供了坚固的发电厂，且涡轮机将易于安装。竖直布置同样在大多数情况下也适合于与引导栅栏协作，使得能以简单的方式实现期望的速度剖面。

[0036] 根据进一步的优选实施方式，所述轴由水道的基底上的底座支撑，所述栅栏与所述轴由相同的底座支撑。

[0037] 将涡轮机安装在底部处的基底上导致安全的、刚性的且简单的构造。通过对栅栏使用相同的底座，后者同样将被牢固地安装，并且所述涡轮机与所述栅栏之间的关系被坚固地保持。

[0038] 根据进一步的优选实施方式，所述水涡轮机被布置为在0.5到50rpm的范围内旋转。

[0039] 由于速度分布这方面对于相对较慢旋转的涡轮机更为重要，因此本发明对于在该旋转范围内的涡轮机特别有用。在大多数情况下，旋转将在2到20rpm的范围内。

[0040] 根据进一步的优选实施方式，所述发电厂包括多个水涡轮机，每个涡轮机具有单独的栅栏。由此，对于每个涡轮机，速度分布可被最优化，导致所述发电厂整体的最优效率。通过这种布置，考虑涡轮机的相对位置和相应的涡轮机的尺寸，每个栅栏可为相应的涡轮机而被单独设计。

[0041] 根据进一步的优选实施方式，所述发电厂包括多个水涡轮机，至少一些所述水涡轮机的栅栏共用。

[0042] 在一些应用中，对于具有用于多个涡轮机的单个栅栏的多个涡轮机，可实现充分的速度分布。这简化了发电厂并降低了栅栏的安装成本。

[0043] 本发明的水力发电厂的上述优选实施方式在从属于权利要求1的权利要求中陈述。

[0044] 在本发明的第二方面中，目的为本发明的水力发电厂被用于产生电能以供应到电网。

[0045] 在本发明的第三方面中，目的为一种用于操作初始指定类型的水力发电厂的方法，包括特定措施：所述栅栏被布置为使得所述栅栏影响所述栅栏与所述水涡轮机之间的水的速度，以使该速度变得不均匀。

[0046] 根据本发明的方法的优选实施方式，其结合根据本发明、特别是根据其任一优选实时方式的水力发电厂被执行。

[0047] 通过本发明的用途和本发明的方法获得的优点对应于通过本发明的水力发电厂及其优选实施方式获得的已经在上文中描述的那些优点。

[0048] 将参考附图通过下文对本发明示例的详细描述进一步阐释本发明。

附图说明

[0049] 图1为从上看的根据本发明第一示例的水力发电厂的视图；

[0050] 图2为图1所示发电厂的侧视图；

[0051] 图3为从上看的图1的细部视图；

[0052] 图4-7为与图3类似的示出图3中的细部的可替换示例的视图；

[0053] 图8为从上看的根据本发明的进一步示例的水力发电厂的视图；

[0054] 图9为图8的细部侧视图；

[0055] 图10-12为从上看的根据本发明的再进一步示例的水力发电厂的视图；

[0056] 图13为根据再进一步示例的栅栏中的杆的侧视图；

[0057] 图14和图15为根据再进一步示例的栅栏中的杆的图例说明。

具体实施方式

[0058] 图1为从上看的示意性地示出水力发电厂的视图。该发电厂可由如图中所示的一个单独的水涡轮机1或多个水涡轮机组成。涡轮机1被布置在由箭头W表示的水流中。涡轮机具有大体上垂直于水流的轴线并在图示示例中被竖直地安装。涡轮机具有沿平行于涡轮机轴线延伸的三个叶片2，所述叶片2经由臂3被连接到涡轮机轴4。轴4的底端被连接到发电机5。涡轮机1的上游被提供有具有竖直杆8的栅栏6，以防止顺水流动的物体到达涡轮机。作为叶片2的形状结果，涡轮机沿如箭头所示的逆时针方向旋转。

[0059] 栅栏6被设计为朝向产生扭矩的涡轮机的半部，即图的左侧，引导水流过所述栅栏6。这导致在该部分中较高的水的速度速V1和在涡轮机的另一半部中，即图的右侧，的较低的水的速V2。在下文中，这些侧将被分别称为供给侧和消耗侧。

[0060] 在叶片上产生的扭矩随着增加的速度而增加。由于速度V1高于在具有均匀速度的普通发电厂中出现的速度V0，因而产生在供给侧的扭矩将增加。相应地，由于速度V2低于速度V0，消耗侧上的破坏性扭矩与传统的发电厂相比将减少。这两个作用合计达到由涡轮机产生的更高的电力。

[0061] 图2从侧部示出图1所示的发电厂，可以看到竖直安装的涡轮机1由水道的基底上的底座7支撑。栅栏6被安装在相同的底座7上。

[0062] 图1和图2中示出的涡轮机1主要适合于慢的转动，典型地为约10rpm。其适合于位于河中或海流中。涡轮机的尺寸可以非常大，并由此具有数十米的直径。

[0063] 在图1中，栅栏仅被示意性地示出。能够以不同方式布置栅栏6以实现栅栏与涡轮机之间的特定速度分布。图3至图7示出一些替换方式。

[0064] 在图3中，栅栏6中的每个杆8具有基本相同的横截面。每个杆具有细长的适合动态流动的形状，并限定表示横截面剖面的长度且还表示杆剖面的方向的弦。

[0065] 引导作用被这样实现，每个杆8朝向在栅栏前的流动方向W的角度被改变。在左侧的杆中，弦平行于流动方向W。另外在右侧的杆中，弦形成相对于流动方向W的角度，该角度随着离杆定位的图中的右侧越远而增加。由此，对应于图1中所示，栅栏下游的水的速度在左侧处将较大，在对右侧处将较小。

[0066] 图4示出用于在栅栏下游实现不一致的水速的栅栏设计的可替换的示例。在该示例中，杆的弦长度改变，而宽度、角度及杆之间的缝隙为恒量。

[0067] 在图5中，杆的宽度改变，而弦长度和角度为恒量。

[0068] 在图6中，杆的拱高改变，使得每个杆在剖面中具有不同的不对称度。弦长度和角度为恒量。

[0069] 在图7中，杆之间的缝隙变化，而所有杆的横截面基本相同。

[0070] 将理解的是，图3至图7中所示的用于实现不均匀速度分布的示例可以彼此组合。

[0071] 虽然本发明特别关注于具有垂直于水流的轴线的涡轮机，但是它也可以被应用于其他种类的涡轮机。图8示出其轴线与水流W平行的轴流式涡轮机。栅栏6由彼此交叉的两组杆6a、6b组成。每组杆引导水流，使得在侧部为较大的速度V1，在中间为较小的速度V2。每个叶片12的外部将由此产生增加的扭矩，内部将产生减小的扭矩。然而，涡轮机上的总扭矩增加。

[0072] 图9示出沿流动方向看的栅栏。杆不必须以垂直角度彼此交叉。当然，在这种情况下，栅栏也可由仅仅一组杆组成，然而其将减小扭矩增加作用。

[0073] 如图8和图9中的示例所示的具有两组杆的栅栏也可与图1和图2中所示类型的涡轮机结合使用。例如，这对于在河流中水速随着与底部的距离而变化的应用中可能是受关注的。在那种情况下，一组杆可被用于抵消速度差，以便产生更均匀的速度差，从而在竖直维度上产生更均匀的速度分布。另一组杆被用于在如图1中所示的水平维度上产生不均匀的速度分布。

[0074] 图10示出当涡轮机位于有潮水的海中时的示例，使得当潮汐流分别为涨潮WF和退潮WE时沿相反的方向。为此，栅栏6c、6d被提供在涡轮机1的相反侧。在涨潮处，栅栏6c起作用并朝向对应于结合图1所解释的速度分布引导水流。在退潮处，栅栏6d起作用并引导水流，使得在右侧(现在为供给侧)速度最大。

[0075] 图11示出水力发电厂具有多个涡轮机1的示例。在该情况下，每个涡轮机1具有其自身的单独的栅栏6。

[0076] 图12示出水力发电厂中两个涡轮机1具有共用的栅栏6的示例。在该情况下，左涡轮机顺时针旋转，右涡轮机逆时针旋转。栅栏6被布置为引导水，使得速度在中部为较大的V1，在每个涡轮机1的外侧为较小的V2。由此，每个涡轮机将在其供给侧具有较高的速度，在其消耗侧具有较低的速度。

[0077] 图13示出栅栏的一个杆8，所述杆8在底座7中被可转动地支撑。由此，该杆可围绕其纵向轴线转动并因而其相对于水流方向的角度可被调节。

[0078] 图14示出被扭曲的杆8，使得在其一端的剖面A具有与在相反端的剖面B不同的另一方向。

[0079] 图15示出具有变化的横截面面积的杆8，使得在一端的横截面C大于在相反端的横截面D。

[0080] 通过如图14和图15中所示的布置，沿杆的方向可实现不均匀的速度分布，即垂直于由与图3至图7相关的示例所实现的速度分布。

[0081] 通过将根据图3至图7中任意一个的布置与根据图14或图15的布置组合，可实现二维速度分布。