[發明專利]流體動力能量轉換系統

有效

• 申請號: 201080051317.8
• 申請日: 2010-11-12
• 公開（公告）號: CN102612596A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 尼馬爾·穆利;什里克里什納·薩內;維賈伊·舒克拉;奧薩南·L·巴羅斯內托;維納亞克·曼邁德卡爾
• 申請（專利權）人: 秘方能源私人有限公司
• 主分類號: F03B17/06
• 分類號: F03B17/06;F03B13/26;F03B3/12;F03B11/00
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

相關申請的交叉參考

該申請要求2009年11月12日提交的美國臨時專利申請號61/281,034的優先權，該申請的全部內容通過引用結合于此。

技術領域

本發明通常涉及從水流或潮汐中獲得能量（比如產生電力）。

背景技術

本發明涉及新型流體動力（潮汐或河流或運河）能量轉換系統（HKECS），該系統開發海洋潮汐或河流/運河水流中過剩能量的使用，用來發電或為機械載荷提供動力，比如抽水。

清潔的可再生能源，比如太陽能、風力、海浪和潮汐或水流變得尤其具有重大意義，并且作為化石燃料的替換物已經成為日益增長的研發的主題。人們日漸意識到，有害的溫室氣體排放以及煤和核能有害的危險垃圾造成全球氣溫變化，并且如無必要，人們希望不再依靠消耗化石燃料儲量，這就使得清潔的可再生能源在經濟上和環境上有吸引力。

然而，這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為全球可用的。不同的地理位置和變化的氣候條件使得清潔能源不一致或不可預測。而且，其能量密度有很大不同。比如，太陽能為大約0.15-1kW/m²，接近赤道具有更高的值；風能大約為0.2-1.0kW/m²；海浪大約為10-50kW/m；并且對于每年平均水流速度范圍為1.0到3.5m/s的潮汐流來說可提供0.5-20kW/m²。

與風能或太陽能相比，更可預測潮汐和河流能量。由太陽、月球和地球之間可預測的且規則的引力驅動潮汐，而風能和太陽能受太陽輻射以及大氣、海洋、拓撲以及地球旋轉的相互作用控制，這經常造成不均勻的和不可預測的分布。天然河流系統和人工運河系統在降水位置與海洋之間的坡度上運行，該坡度通常超過維持標稱流態所需要的值并且造成土壤侵蝕（soil?erosion）。可有利地使用這種過剩的動能，會帶來額外的利益，比如泥土保持或回收。比如，據估計，印度每年接收大約400,000,000公頃-m的降雨，如果這發生在平均海拔為500m處，那么會擁有2×10¹⁹J或5.5×10⁹MWhr的能量，其為印度每年的全部水流發電的5倍。

潮汐能量以循環的方式隨著組合的日-月活動周期變化，每天具有四個周期，具有大約50分鐘的可預測相移。潮汐能量的大小取決于潮汐的強度，而該強度由月亮和太陽的位置改變、地球旋轉的作用以及海床和海岸線的局部形狀而確定。尤其地，眾所周知，逆著涌浪流動的水流會增大波高，而當在相同的方向具有兩種現象時會減弱該波高。也需要考慮季節變化和地理潮汐位置。雖然如果已知局部潮汐流是能夠預測給定位置上的潮汐能的，但是潮汐池（tidal?basin）形狀和其他因素影響潮汐能，并且可為重要的設計因素。對于潮汐能系統具有吸引力的地區在具有快速水流的地區，其中自然水流集中在受限的沿海結構中，比如在海灣和河流的入口處、巖石點和海角周圍、島嶼之間以及受限的或淺水深度區域內。這些因素的組合導致在定位和設計潮汐動力能量系統時必須考慮復雜動力學。

河流，尤其是那些由雨水和融化的冰川形成的河流，也是豐富的可預測的能源。河流能量的大小取決于河流的流速和容量，流速由坡度和河道的粗糙度和形狀確定，容量由流域盆地的尺寸、植被、氣候以及底巖的滲透率確定。這些因素的組合導致在定位和設計河流動力能量系統時必須考慮復雜動力學。

水比空氣具有更高的密度（832倍），因此，與風流（wind?current，氣流）相比，單個潮汐或河流發電機在低潮汐或河流流速下就可提供很大的動力。而且，由于與空氣相比，水具有更小的動力粘度值（幾乎為1∶20），與在空氣中相比，以高雷諾數操作的小型葉片（100-200mm的翼弦）在水中會大大提高空氣（流體）動力性能。設計為以相似的雷諾數進行操作的風力機需要的葉片比翼弦大10倍，以便在低速下有效。

從現有的風力渦輪機技術中取用現有技術中的水力渦輪機設計，并且該設計自然與風力渦輪機的設計相似：螺旋槳式水平軸風力渦輪機（“HAWT”）、或豎直軸風力渦輪機（“VAWT”），包括戴瑞斯型（Darrieus-type）和螺旋葉片Gorlov式渦輪機。用于潮汐源和風源的傳統能量轉換裝置具有公知的基于傳統1-D模型的空氣動力（或流體動力）能量提取限制，即所謂的16/27“Betz限制”(59.3%)，并且在較高的葉尖速度比值（5-8）下具有峰值性能，由功率系數值C_p表示。同樣，轉子速度的變化非常大，并且切出風速低，由絕對的葉尖速度所限制。