用于机械动力传输和转换的水力发电系统和方法与流程

本公开总体上涉及水力发电系统和方法，更特别地涉及在此类系统中传输机械能并且将机械能转换成电能的机构。

背景技术：

1、本文中所使用的章节标题仅用于组织目的，不应当被解释为以任何方式限制所描述的主题。

2、水力发电系统可以利用水力发电涡轮机从流动的水体(例如，江河水流或海洋水流)或其它流体源中的水流生成电力。例如，潮汐发电利用由潮汐水流引起的水的运动，或者利用由于潮汐引起的海平面的上升和下降。随着水位上升并且接着下降，生成流动或流动流。来自其它水体(例如来自江河)的单方向的流动也产生可以用来生成电力的水流。其它形式的压差(例如由坝产生的压差)也可以使水流动，并且产生的水速足以使与水的流动相关联的水平动能能够被转换成其它有用形式的能量。

3、依靠流动的水流的自然运动(比如在流体主体(例如，水体)中发生的那些)的水电能被分类为可再生能源。然而，与比如风能和太阳能的其它可再生能源不同，水电能为能够被可靠预测的。水流是一种清洁的、可靠的、且可提前数年预测的可再生动力源，因此有利于与现有的能源网整合。另外，由于水(包含例如海水)的基本物理特性，即其密度(其可以为空气的密度的832倍)以及其不可压缩性，与用于生成可再生能量的其它可再生能源相比，这种介质具有独特的“超高能量密度”潜力。一旦考虑到世界范围内的许多沿海地区和/或可用地区的体积和流速，这种潜力被放大。

4、因此，水力发电能源可以提供无污染的电力、氢气生产、和/或其它有用形式的能量的高效的、长期的源，这可以帮助减少目前世界对石油、天然气、以及煤炭的依赖。减少化石燃料资源的消耗继而可以有助于减少排放至全球大气中的温室气体。

5、使用水力发电涡轮机(其将来自流动的水流的动能转换成旋转的机械能)的电力生成是众所周知的。例如，在以下文献中描述这样的涡轮机的示例：标题为“system forgenerating electricity from fluid currents”的美国专利第7,453,166b2号；标题为“energy conversion systems and methods”的美国专利第9,359,991b2号；标题为“hydroelectric turbines,anchoring structures,and related methods of assembly”的美国专利第10,389,209b2号；标题为“hydroelectric energy systems,and relatedcomponents and methods”的美国专利第10,544,775b2号；以及标题为“hydroelectricenergy systems and methods”的美国专利申请公开第2021-0190032a1号，所述文献通过引用并入本文中。这样的涡轮机可以像水下风车一样工作，并且具有相对低的成本和生态影响。例如，在各种水力发电涡轮机中，流体流与围绕轴线旋转的叶片相互作用，并且利用所述旋转(亦即，旋转的机械能)来产生电力或其它形式的能量。

6、然而，水力发电系统通常相对复杂并且需要定制的构件和部件，所述定制的构件和部件的生产和维护成本可能较高。一旦涡轮机被浸没和安装于例如流动的水体中，为了修理和维护而接近涡轮机也可能带来额外的挑战。考虑到其中部属有水力发电系统的环境的激流性质，比如单方向的(亦即，单向的)江河流或与潮汐水流相关联的波动，这可能产生不稳定的输入/输出并且可能加速涡轮机构件的腐蚀和疲劳问题，在设计和实施水力发电系统时出现各种挑战。此外，可能出现与保护这样的涡轮机和水力发电系统的各种构件免受漂浮碎片的影响有关的额外的挑战，这些漂浮碎片可能被携带于其中部署有所述涡轮机和各种构件的流体主体中。此外，水体是液体并且在某些情况下具有高矿物质含量或高盐含量可能进一步加剧水力发电系统的部件的腐蚀和/或磨损。

7、因此，期望提供一种水力发电系统，所述水力发电系统的设计有利于更容易接近其构件，以满足修理和维护要求。进一步期望提供一种水力发电系统，所述水力发电系统的设计降低了该系统的关键构件被腐蚀和损坏的风险。

技术实现思路

1、本公开的示例性实施例可以展示一个或多个上述期望的特征。根据下面的描述，其它特征和/或优点将变得显而易见。

2、另外的目的和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将通过所述描述变得明显，或者可以通过实践本教导而学习到。借助于在所附权利要求中特别指出的元件和组合，可以实现和获得本公开的至少一些目的和优点。

3、根据本公开的各种示例性实施例，一种水力发电系统包含涡轮机，所述涡轮机包括定子和转子。所述转子设置于所述定子的径向外侧，并且能够围绕旋转轴线围绕所述定子旋转。所述系统还可以包含机械动力转换组件，所述机械动力转换组件包含可操作地联接至发电机的齿轮。所述系统进一步包含将所述转子可操作地联接至所述齿轮的机械动力传输组件。所述转子包含多个叶片，所述多个叶片被构造成响应于与所述多个叶片相互作用的流体流而旋转。所述机械动力转换组件位于与所述旋转轴线相间隔大于所述叶片的径向扫掠的距离的位置处。所述机械动力传输组件被构造成将所述转子的旋转传输至所述齿轮。

4、根据本公开的各种额外的示例性实施例，一种收集水电能的方法包含将涡轮机支撑于浸没在包括流体流的流体主体内的位置中。所述涡轮机包括设置于定子的径向外侧的转子，并且所述转子包括径向向外延伸的叶片。所述方法还包含经由与所述叶片相互作用的流体流使所述转子围绕旋转轴线围绕所述定子旋转。所述方法进一步包含将所述转子的旋转传输至被支撑于所述流体主体上方的齿轮。所述齿轮操作地联接至被支撑于所述流体主体上方的发电机。

5、应当理解，前面的一般描述以及下面的详细描述仅仅是示例性和解释说明性的，并且不限制本公开和权利要求，包含等同物。应当理解，本公开和权利要求在其最广泛的意义上可以在不具有这些示例性方面和实施例的一个或多个特征的情况下实施。例如，本领域普通技术人员将理解，以下关于水力发电系统和方法的详细描述仅仅是示例性的，并且所公开的系统和方法可以具有各种构件，其利用各种水力发电涡轮机、机械能传输构件、齿轮组件、以及发电机来收集、传输机械能并且将机械能转换成电能。

技术特征：

1.一种水力发电系统，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机械动力传输组件包括可操作地联接所述转子和所述齿轮的恒速轴。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述恒速轴以大约45度或更小的角度在所述转子与齿轮之间延伸。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述恒速轴以大约20度或更小的角度在所述转子与齿轮之间延伸。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述机械动力传输组件进一步包括至少一个恒速接头，所述恒速接头将所述恒速轴联接至所述齿轮或所述转子中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述机械动力传输组件包括将所述恒速轴联接至所述转子的第一恒速接头和将所述恒速轴联接至所述齿轮的第二恒速接头。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机械动力传输组件包括可操作地联接所述转子和所述齿轮的带。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述机械动力传输组件还包括成型轮，所述成型轮安装至所述转子并且被构造成与所述带啮合。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述机械动力传输组件进一步包括包围所述带的一个或多个部分的防护装置。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述带由金属、塑料、碳纤维、和/或复合材料形成。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括漂浮结构，所述漂浮结构被构造成将所述涡轮机支撑于生成所述流体流的流体主体中的浸没位置中，其中在所述涡轮机的所述浸没位置中，所述机械动力转换组件的位置在所述流体主体上方。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述漂浮结构被构造成将所述机械动力转换组件支撑于所述流体主体上方的位置处。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述漂浮结构包括双体船。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括联接至所述双体船的液压升降组件，所述液压升降组件被构造成支撑所述涡轮机并且能够运动以在浸没于所述流体主体中的位置与提升于所述流体主体上方的位置之间定位所述涡轮机。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机械动力转换组件位于与所述旋转轴线相间隔一距离的位置处，所述距离足以使所述涡轮机能够被浸没于包括所述流体流的流体主体中，同时所述机械动力转换组件位于所述流体主体的表面上方。

16.一种收集水电能的方法，所述方法包括：

17.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述涡轮机支撑于浸没在所述流体主体内的位置中包括将所述涡轮机悬挂于漂浮结构。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将所述齿轮和发电机支撑于所述漂浮结构上。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述转子的旋转传输至所述齿轮包括经由恒速轴将旋转机械能从所述转子传输至所述齿轮。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述转子的旋转传输至所述齿轮包括经由带将旋转机械能从所述转子传输至所述齿轮。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括经由所述发电机将来自所述齿轮的旋转机械能转换成电能。

技术总结
一种水力发电系统包含涡轮机，所述涡轮机包含定子和转子。所述转子设置于所述定子的径向外侧并且可绕旋转轴线围绕所述定子旋转。所述系统还包含机械动力转换组件，所述机械动力转换组件包含可操作地联接至发电机的齿轮。所述系统进一步包含将所述转子可操作地联接至所述齿轮的机械动力传输组件。所述转子包含多个叶片，所述多个叶片被构造成响应于与所述多个叶片相互作用的流体流而旋转。所述机械动力转换组件位于与所述旋转轴线相间隔一距离的位置处，所述距离大于所述叶片的径向扫掠。所述机械动力传输组件被构造成将所述转子的旋转传输至所述齿轮。

技术研发人员：D·E·鲍尔三世
受保护的技术使用者：海洋能源公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13