用於控制水下發電站的操作的方法與流程

2023-11-01 03:52:14 4

一種用於控制水下發電站的操作的方法，該水下發電站包括結構和運載工具，該運載工具包括至少一個翼部，該運載工具布置成通過至少一個繫繩固定到所述結構；該運載工具布置成通過經過運載工具的流體流而在預定的軌跡中移動。

背景技術：

水下發電站在本領域中是已知的。一種類型的水下發電站使用包括翼部的運載工具。該運載工具布置成通過繫繩固定到結構，並且布置成通過經過運載工具的流體流而在預定的軌跡中移動。運載工具的控制取決於來自提供關於控制運載工具所需的各種參數的信息的傳感器的輸入。這在EP1816345中描述。

水下發電站的一個應用是通過允許例如通過放置在運載工具上的渦輪機和發電機將諸如潮汐流的流體流的能量轉換為電能而從流體流中產生電力。

使用潮汐流來產生電力導致了許多情況，其中，運載工具需要被控制以便能夠在正常操作期間啟動和停止運載工具，並且能夠控制運載工具的啟動和停止以避免損壞運載工具。此外，期望的是在正常操作期間優化發電站的功率輸出。

因此，存在一種在各種運載工具狀態下用於控制水下發電站的操作的改進的方法和發電站的需求。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提供一種用於控制水下發電站的操作的方法以及一種水下發電站，其中至少部分地避免了先前提到的問題。這個目的通過權利要求1和8的特徵部分的特徵來實現。在所附從屬權利要求中描述了本發明的變型。

水下發電站包括結構和運載工具。運載工具包括至少一個翼部。運載工具布置成通過至少一個繫繩固定到結構。運載工具布置成通過經過運載工具的流體流而在一預定軌跡中移動。

本發明的特徵為，運載工具布置成改變至少一個翼部的迎角，並且該方法包括：

I：確定經過運載工具的流體的速度是否高於一預定值，

-如果經過運載工具的流體的速度高於預定值，

Ia：通過調節所述至少一個翼部的迎角來啟動運載工具，以達到運載工具的操作深度，並且開始運載工具在開始發電的預定軌跡中的移動，或者；

Ib：在發電期間，通過調節至少一個翼部的迎角來控制運載工具的速度，以優化電力輸出，或者；

Ic：通過調節至少一個翼部的迎角來停止運載工具，使得經過運載工具的流體施加在翼部上的升力基本為零

或者

II：確定經過運載工具的流體的速度是否低於預定值，

-如果通過運載工具的流體的速度低於預定值，

IIa：調節至少一個翼部的迎角，以在經過運載工具的流體的速度被確定為高於預定值時，將運載工具移動到能使運載工具啟動的位置和/或將運載工具保持在能使運載工具啟動的位置。

通過這樣，該方法允許響應於經過翼部的流體的速度是高於還是低於預定值來調節迎角，從而可以對於多種不同情況控制水下發電站的運載工具。

例如，期望的是能夠啟動運載工具並且開始在從水面到開始電力生產的預定軌跡中的移動。這種情況例如在運載工具的安裝期間或運載工具服役之後發生。

還期望的是能夠啟動運載工具並且開始從水面下方的位置到開始電力生產的預定軌跡中的移動。如果運載工具在水面下方時由於任何原因而已停止，並且當運載工具停止的原因不要求運載工具停止操作時，則這種情況會發生。

升力基本為零意味著升力小於或等於影響運載工具的拖曳力。還期望的是當運載工具在其預定軌跡上移動期間操作時能夠控制運載工具的速度。對於運載工具在其在預定軌跡上的運動期間的迎角可以被優化，以便使來自渦輪機和發電機的功率輸出增加。這是通過增加運載工具在預定軌跡上的平均速度來完成的。還期望的是在操作期間如果發生將危及運載工具或水下發電站的其它部件的故障，則將停止運載工具。

當經過翼部的流體的速度低於預定值時，翼部的升力不夠高，而不能允許運載工具的操作。在這種情況下，期望的是，能夠通過改變迎角來當經過運載工具的流體的速度被確定為高於預定值時將運載工具移動到能夠使運載工具啟動的位置，並且只要流體的速度低就能將其保持在那裡。如果運載工具已經處於合適的位置，則期望的是將運載工具保持在該位置。位置是指運載工具的平均深度和方向。

流體的速度可以通過使用物理性質與經過翼部的流體的速度之間的直接或間接關聯來測量該物理性質而確定。例如，可以測量的物理性質是在遠離運載工具的位置處或在運載工具上的位置處的流體本身的速度、繫繩負載、渦輪速度、用於確定在預定的軌跡中的運載工具高度的變化的壓力或者用於測量繫繩和/或箏帆件(kite)本身的角速度的角度傳感器。這些物理性質允許通過以下方式計算風箏件的速度並由此計算流體的速度：控制單元利用物理性質與運載工具的速度之間的數學關係來編程或者利用查表、資料庫或類似的測量值(這些值可以用於從測量值計算運載工具的速度)來編程。優選地，一旦運載工具已在預定軌跡中開始移動，運載工具的速度就用於優化功率輸出。

為了確定經過運載工具的流體的速度和運載工具的位置，可以使用許多不同類型的傳感器。

如果經過運載工具的流體的速度高於預定值並且運載工具在一預定軌跡中移動，則該方法還可以包括：

III：確定運載工具是否處於與穿過預定軌跡的物體碰撞的危險中，

-如果運載工具被確定為處於與穿過預定軌跡的物體碰撞的危險中，

IIIa：通過調節至少一個翼部的迎角來停止運載工具，使得由經過運載工具的流體施加的升力基本上為零，

IIIb：確定穿過預定軌跡的物體已離開預定軌跡，

IIIc：基於確定穿過預定軌跡的物體已離開預定軌跡，調節至少一個翼部的迎角，以開始運載工具在開始發電的預定軌跡中的移動。

如果物體或動物進入預定軌跡的路徑中，重要的是不發生可能損壞運載工具、物體或動物的碰撞。通過調節迎角使得由流體在翼部上施加的升力基本上為零，該方法允許將這種危險最小化或完全避免。例如，接近運載工具正在移動的預定軌跡的物體的存在由聲納、視覺檢測裝置(諸如連接到圖像檢測系統的相機)或接近傳感器完成。當停止時，迎角可以被調節為將運載工具移動到當穿過預定軌跡的物體被確定已離開預定軌跡時能使運載工具啟動的位置和/或將運載工具保持在當穿過預定軌跡的物體被確定已離開預定軌跡時能使運載工具啟動的位置。當經過運載工具的流體的速度被確定為高於預定值時，運載工具可以啟動並且恢復發電。

如果經過運載工具的流體的速度高於預定值，則該方法還可以包括：

IV：確定運載工具是否已失去動力，

-如果運載工具已失去動力，

IVa：通過調節至少一個翼部的迎角來停止運載工具，使得由經過運載工具的流體施加的升力基本上為零，

IVb：確定運載工具已經恢復動力，

IVc：基於確定運載工具已經恢復動力，調節至少一個翼部的迎角，以開始運載工具在開始發電的預定軌跡中的移動。

在運載工具失去動力的情況下，必須確保運載工具不被損壞、不會撞擊任何其他物體或進入大海、湖泊或海洋的底部。為了避免這些，當運載工具失去動力時，電-機械故障安全確保迎角改變成使得運載工具在失去動力時立即經受沒有升力，並由此在水中保持靜止。在動力恢復之後，運載工具可以通過改變迎角來重新開始其移動，使得由翼部經受的升力啟動運載工具的移動。如果動力失去之後的位置不適合啟動運載工具，則運載工具還能夠移動到使得運載工具能夠啟動的位置。

根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，當在發電期間控制運載工具的速度時，通過調節至少一個翼部的迎角來控制繫繩負載。當優化功率輸出時，必要的是在高速流期間控制繫繩負載，以確保繫繩不會斷裂。這通過改變迎角使得升力減小來完成。繫繩負載可以通過附接到繫繩的傳感器來測量。

該方法可以以多種方式執行。

在本發明的一個實施方式中，通過設置為使運載工具的後支柱伸出或縮回的螺距控制系統來改變運載工具的迎角。螺距控制系統附接到後支柱，該後支柱進而附接到繫繩。這個實施方式中的螺距控制系統包括電動機，其中，電動機還包括制動器和包括至少一個齒輪的變速器。螺旋形鼓附接到離合器所附接的軸。當離合器與變速器接合時，離合器將動力傳遞到軸，並且使得鼓能夠與變速器脫離，導致當迎角需要快速改變時，鼓可以自由地旋轉。在鼓上纏繞有柔韌的連接裝置，該連接裝置進而連接到後支柱。

在本發明的一個實施方式中，通過布置成沿著附接到翼部的機艙的長度或翼部的長度改變支柱的附接位置的螺距控制系統來改變運載工具的迎角。這個實施方式中的螺距控制系統包括用於後支柱的可移動附接裝置。

在本發明的一個實施方式中，通過螺距控制系統改變運載工具的迎角，其中，螺距控制系統包括升降舵。

本發明還涉及一種包括結構和運載工具的水下發電站。運載工具包括至少一個翼部。運載工具布置成通過至少一個繫繩固定到結構。運載工具布置成通過經過運載工具的流體流而在一預定的軌跡中移動。發電站還包括控制單元和至少一個傳感器單元。運載工具布置成改變至少一個翼部的迎角。至少一個翼部的迎角布置成基於來自至少一個傳感器單元的輸入而通過控制單元來改變。控制單元布置成基於來自至少一個傳感器單元的輸入而確定經過運載工具的流體的速度是高於還是低於一預定值。

根據本發明的水下發電站允許執行如上所述的方法。水下發電站配備有向控制單元提供傳感器輸入的至少一個傳感器。基於來自傳感器的輸入，控制單元確定經過運載工具的流體的速度是高於還是低於一預定值，並且根據運載工具所處的情況改變迎角。

在本發明的一個實施方式中，通過設置成使運載工具的後支柱伸出或縮回的螺距控制系統來改變運載工具的迎角。後支柱附接到繫繩和螺距控制系統。

在本發明的一個實施方式中，運載工具包括機艙，該機艙包括螺距控制系統。機艙附接到翼部和後支柱，其中，後支柱布置成附接到機艙中的螺距控制系統，使得後支柱能通過螺距控制系統伸出和縮回。

在本發明的一個實施方式中，螺距控制系統整體形成在翼部中。後支柱布置成附接到翼部中的螺距控制系統，使得後支柱能通過螺距控制系統伸出和縮回。

在螺距控制系統整體形成在機艙或翼部中的實施方式中，後支柱可通過柔韌的連接裝置附接到螺距控制系統。優選地，柔韌的連接裝置是繩索、電纜、繩線、細繩或絲中的一種。優選地，柔韌的連接裝置在應力下具有小伸長或零伸長。柔韌的連接裝置優選地由迪尼瑪製成，雖然其他材料在應力下表現出小伸長或零伸長的也是可以想到的。

後支柱可以是剛性的或柔韌的並且具有流體動力橫截面。後支柱中的力構件優選地由迪尼瑪製成。

在機艙包括螺距控制系統或者螺距控制系統整體形成在翼部中的實施方式中，螺距控制系統包括離合器、變速器、電動機和制動器。此外，螺距控制系統可包括用於存儲柔韌的連接裝置的螺旋形鼓以及在柔韌的連接裝置的伸出和縮回期間用於引導柔韌的連接裝置的引導裝置。

在機艙包括螺距控制系統或者螺距控制系統整體形成在翼部中的實施方式中，螺距控制系統在操作狀態下被供以動力。當螺距控制系統失去動力時，後支柱自動地完全伸出。這具有運載工具在失去動力時停止的優點。

在本發明的一個實施方式中，通過布置成沿著附接到翼部的機艙的長度或翼部的長度改變支柱的附接位置的螺距控制系統來改變運載工具的迎角。

在本發明的另一個實施方式中，通過螺距控制系統改變運載工具的迎角，其中，螺距控制系統包括升降舵。將升降舵與上述螺距控制系統的另一個組合是可能的。

傳感器單元是以下中的一個或多個：用於直接測量流體速度的速度傳感器、繫繩負載傳感器、渦輪速度傳感器、壓力傳感器或角度傳感器。例如，迎角由用於測量柔韌的連接裝置的伸出長度的傳感器或用於直接測量安裝在前支柱上的迎角的傳感器測量。

本發明還涉及一種與水下發電站一起使用的計算機可讀介質，該計算機可讀介質具有用於執行如上所述的方法的計算機可執行指令。

附圖說明

圖1示意性地示出了根據本發明的水下發電站的立體圖，

圖2示意性地示出了根據本發明的水下發電站的側視圖，

圖3a-3b示意性地描述了根據本發明的螺距控制系統，

圖4a-4d示意性地描述了改變運載工具的迎角的應用的第一示例，

圖5示意性地描述了改變運載工具的迎角的應用的第二示例，

圖6a-6b示意性地描述了改變運載工具的迎角的應用的第三示例，

圖7示意性地示出了改變運載工具的迎角的應用的第四示例。

具體實施方式

圖1示意性地描述了根據本發明的水下發電站1。發電站1包括結構2和運載工具3。運載工具3包括至少一個翼部4。運載工具3布置成通過至少一個繫繩(tether，系纜)5固定到結構2。運載工具3布置成通過經過運載工具3的流體流而在預定軌跡中移動。運載工具3還包括前支柱6和後支柱7。運載工具3可以包括附接到翼部4的機艙8。機艙8可定位在翼部4的下方或上方並且通過掛架9附接到翼部4。運載工具3還包括豎直舵10形式的控制表面。前支柱6附接到翼部4，並且後支柱7附接到機艙8。

圖2示意性地示出了根據本發明的水下發電站的運載工具3的側視圖。機艙8包括螺距控制系統(未示出)，後支柱7附接到該螺距控制系統。後支柱7經由柔韌的連接裝置18(諸如繩索、纜線、繩線、細繩或絲)連接到螺距控制系統。可替換地，柔韌的連接裝置18是後支柱7本身的端部。柔韌的連接裝置18經由機艙8中的開口(未示出)進入機艙。圖2中的柔韌的連接裝置18的長度僅用於說明的目的。

圖3a和3b示意性地描述了根據本發明的螺距控制系統11。圖3a是機艙8的沿著圖2的線A-A的截面圖。螺距控制系統11優選地位於機艙8的後半部中，螺距控制系統11的精確位置是一個設計因素。在該圖中，螺距控制系統11偏離機艙8的豎直中心線的中心。螺距控制系統的位置使得柔韌的連接裝置進入機艙8的開口位於機艙底部並沿著機艙的縱向中心線。這使得後支柱能夠沿著機艙的縱向中心線附接。這確保了運載工具保持穩定。

圖3b示意性地示出了機艙和螺距控制系統11的沿著圖3a的線B-B截取的截面。螺距控制系統11包括電動機12，其中，電動機12還包括制動器以及包括至少一個齒輪的變速器13。螺旋形鼓15附接到軸16，離合器17附接到該軸。離合器17在與變速器13接合時將動力傳遞到軸16，並且使得鼓15與變速器脫離，導致當迎角需要快速改變時，鼓15可以自由地旋轉。在鼓15上纏繞有柔韌的連接裝置18，該柔韌的連接裝置進而連接到後支柱7。可替換地，後支柱7的端部包括柔韌的連接裝置18。引導裝置19有助於使柔韌的連接裝置18均勻地纏繞在鼓15上。電動機12通過控制系統來控制。

圖4a-7全部示意性地示出了改變水下發電站1的運載工具3的迎角的應用的示例。圖中的箭頭示出了潮汐流的方向。發電站安裝的深度僅是說明性的，而不旨在是限制性的。

圖4a-4d示意性地描述了改變運載工具3的迎角的應用的第一示例。在圖4a中，運載工具3位於水面處。例如，這種情況例如在運載工具3第一次投入使用或者在服役後投入使用時發生。使用螺距控制系統，運載工具3被放置在水面處(其中發現了直立、穩定的位置)，其中，運載工具3的前部面向流方向(在圖中由箭頭表示)。處於直立、穩定的位置意味著運載工具3以機艙8上方的翼部3定向的位置。在可替換的配置中，直立、穩定的位置是運載工具3以機艙8下方的翼部3定向的位置。在後一種情況下，螺距控制系統優選地整體形成在翼部3中。

在圖4b中，後支柱7完全伸出，以便運載工具3改變翼部4的迎角並開始下降。

在圖4c中，運載工具3已經下降到所期望的深度。翼部4的升力基本為零。前支柱6能夠旋轉到一預定程度。螺距控制系統控制迎角，該迎角確定運載工具3將下降的深度，使得運載工具3能夠在經過運載工具3的流體的速度被確定為高於預定值時啟動。

在圖4d中，後支柱7縮回並且迎角改變，以便運載工具3開始移動。當運載工具3面向流方向時，運載工具3將開始向上移動並且可以轉向到其預定軌跡中。

圖5示意性地描述了改變運載工具3的迎角的應用的第二示例。在圖5中，運載工具3沿著其產生電力的預定軌跡移動。後支柱7的長度可以改變，以便改變迎角，並從而在預定軌跡的長度上改變速度。在沿著預定軌跡的第一位置中(其中迎角小於第一位置的最佳迎角)，後支柱7縮回。在沿著預定軌跡的第二位置中(其中迎角大於第二位置的最佳迎角)，後支柱7伸出。

圖6a-6b示意性地描述了改變運載工具3的迎角的應用的第三示例。在圖6a中，運載工具3沿著其產生電力的預定軌跡移動。在電力產生期間，確定的是運載工具3處於與穿過預定軌跡的物體碰撞的危險中或者運載工具3已經失去動力。

響應於這些情況中的任一種，後支柱7完全伸出以便改變迎角，這樣使得由經過運載工具3的流體施加的升力基本上為零，有效地阻止運載工具3繼續沿著預定的軌跡移動。這在圖6b中示出。在物體被確定為遠離預定軌跡或者動力已經恢復之後，後支柱7縮回，正如結合圖4d所描述的。

圖7示意性地示出了改變運載工具3的迎角的應用的第四示例。在圖6中，確定的是經過翼部4的流體的速度小於預定值。較低的速度由圖中較短的箭頭表示。一旦確定這個，後支柱7就完全伸出，並且運載工具3通過螺距控制保持在一定深度。如果需要的話，可以進行迎角的小改變，以便運載工具3改變其深度，使得在經過運載工具3的流體的速度被確定為高於預定值時避免偏離使運載工具3能夠啟動的位置。

在上述描述中，機艙8定位在翼部4下方，並且後支柱7附接到機艙8。機艙8還能夠定位在翼部4上方。在這種情況下，後支柱7連接到機艙8或者連接到運載工具3的翼部。在後支柱7附接到翼部的情況下，螺距控制系統位於翼部中。此外，圖4a-7中的運載工具3的迎角僅是說明性的，而不旨在是限制性的。

權利要求中提及的參考標記不應被視為限制由權利要求保護的內容的範圍，並且它們的唯一功能是使權利要求更容易理解。

正如將要認識到的，本發明能夠在各種明顯的方面進行修改，而不背離所附權利要求的範圍。因此，附圖及其描述本質上被認為是說明性的，而不是限制性的。