專利名稱：集潮汐發電和洋流發電于一身的綜合電力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及集潮汐發電和洋流發電于一身的綜合電力系統，更具體地涉及集潮汐 發電站和洋流發電場于一身的綜合電力系統，該系統能增加電力設備的工作速率并利用通 過潮汐電站的渦輪發電機進入湖的輸入海水或通過潮汐能水壩的間門排至海洋側的海水 的快速流動高效地產生電能，并且該系統專門連接于潮汐發電站，以利用由漲潮和退潮造 成的海水間的勢能差來發電。
背景技術：
本發明涉及海洋能源的潮汐發電和潮汐流發電。潮汐發電是通過使用存在于因潮 汐移動的海水之間的勢能差發電的手段，并根據由堰包圍的湖或瀉湖的數量分為單瀉湖和 多瀉湖；根據流動方向分為單流動式和雙流動式；以及根據當發電時使用的潮汐分為漲潮 式和退潮式。部署在南韓西海岸線的Siwha湖的潮汐發電站采用漲潮式發電方法，因為基于堰 的外海側水位基于管理水位高度隨時間向上和向下改變若干米，當發電時在外海側保持高 水位并在湖側保持低水位，相反瀉湖的水位必須保持低于管理水位高度。從潮汐發電獲得的電力輸出正比于渦輪發電機的效率、海水通過的橫截面積以及 由漲潮和退潮引發的海平面和湖平面之間的落差的3/2次冪，因此高效渦輪發電機、具有 大葉片的發電機以及因漲潮和退潮海平面之間的大落差帶來高的經濟效益。作為另一種接近海洋能資源中商用化的發電方法的潮汐流發電是一種發電方法， 該方法將渦輪發電機安裝在潮汐流快速流動的地點，并從洋流的動能中獲取電力。使用潮 汐流的的潮汐流發電廣義上說涉及洋流發電并根據渦輪發電機的類型分為螺旋式、HAT(水 平軸線渦輪)式和VAT (垂直軸向和渦輪)式；并根據渦輪發電機的安裝方法分為浮動式和 底部附連式。潮汐能發電人為地形成堰并使用堰內側和外側的海水落差發電。然而，洋流發電 則通過將渦輪發電機安裝在自然流動的洋流退路(corner)上而發電。洋流發電的理論原 理類似于風力發電，但不同于風力發電的是通過流動的洋流使渦輪轉動，而不是風。在洋 流發電的情形下，其強度(電力/面積)大約比風力發電高4倍，因為海水的密度相比空氣 密度高出大約840倍。因此，在相同設備容量中，洋流發電機遠小于風力發電機。從洋流發電獲得的電力輸出正比于渦輪發電機的效率、洋流通過的橫截面積以及 洋流速度的3次冪。因此，高洋流速度對洋流發電來說是絕對有利的。潮汐能和洋流能具有優勢，例如能量是無窮大的，源自太陽、月亮和地球之間萬 有引力的潔凈能量只要太陽系存在就會繼續；由于漲潮和退潮的周期性，這些能量不受氣 候和季節的影響；發電輸出的長期預測變得可能；可在某個時間段內連續提供電力；并且 容易接入到電網中。另一方面，其缺點包括不定時發電以及如果電站遠離陸地由于輸電線 的構造而龐大的初期投資。直到最近，還在考慮如果在島嶼和陸地之間的狹窄地帶的平均洋流速度很快——即在高洋流周期內典型為至少2米/秒——洋流發電的適用性。然而，盡管若干潮汐發電站 已在實踐中投入使用，然而大規模洋流發電的例子在世界上仍屬罕見。其原因是不容易找 到安裝渦輪發電機的合適地點，因為很少有自然海域的海水流動快到足以用洋流發電。此 外，即使平均洋流速度令人滿意，但難以取得渦輪發電機的結構穩定性并且如果根據洋流 電站安裝區域的海床地形而使速度分布不均而難以取得發電量的可靠控制。一般來說，洋流發電的自然洋流的平均速度必須是2. 0-2. 5米/秒，其很大程度地 受海床地形和流動方向頻繁變化的影響。然而，可從潮汐發電站獲得的洋流包括更均勻的 動能，它比自然洋流狀態具有更高的利用價值。在采用單流漲潮式并在高潮時以6. 0米落 差發電的Sihwa湖潮汐發電站的情形下，觀察到在經過渦輪發電機排至湖區的水的平均速 度為至少3. 0米/秒并且通過水閘渠道排至海洋的海水的平均速度為至少6. 0米/秒。
發明內容
技術問題相比利用海水自然流動的洋流發電流過潮汐發電站的渦輪發電機和潮汐能水壩 的閘門的海水是以可預測速度沿固定方向流動的高質量海水，并且容易控制發電量。具體 地說，如果潮汐發電站同時建造有洋流發電場，則可節約建造成本并獲得比單獨建造更高 的經濟效益。因此，考慮到上述情形，本發明已作出并且本發明的目的是提供一種集潮汐發電 和洋流發電于一身的綜合發電系統，它能夠增加發電設施的工作速率并利用通過潮汐發電 站的渦輪發電機進入湖的輸入海水或通過潮汐能水壩的間門排至海洋側的海水的快速流 動高效地產生電能。本發明的又一目的是部署洋流發電機以增大單位面積的能量密度，將 經過潮汐發電站的渦輪發電機以及潮汐發電水壩的水閘渠道的洋流特征作為考量。技術方案為了實現上述目的，本發明的特征在于跨海地構造堰以構成湖或瀉湖；安裝潮 汐發電站的渦輪結構和潮汐發電水壩的水閘結構，通過使用堰間由漲潮和退潮造成的海水 勢能差來發電；在渦輪結構中安裝渦輪發電機以通過利用當漲潮時從海側進入湖側的輸入 海水的流動旋轉渦輪葉片而發電；在水閘結構中安裝閘門，以在漲潮和退潮時關閉和開啟 水閘渠道；通過在潮汐發電站的渦輪結構的后湖側安裝多個洋流發電機以通過使用經由渦 輪發電機排出的海水流動來發電，從而在湖側形成洋流發電場；并在潮汐發電水壩的水閘 結構的后海側通過安裝多個洋流發電機，以通過使用經過閘門快速排入海中的海水的流動 發電，從而在海側形成洋流發電場。安裝在潮汐發電站的渦輪結構的后湖側以及潮汐發電水壩的水閘結構的后海側 的多個洋流發電機設置成在行間具有預定間距的交錯(cross)形狀，以使偶數行和奇數行 的發電機彼此交錯。安裝在潮汐發電站的渦輪結構的后湖側以及潮汐發電水壩的水閘結構的后海側 的多個洋流發電機分別安裝在海床上的單縱列(mono file)上。潮汐發電站的渦輪結構和潮汐發電水壩的水閘結構通過兩者間的連接結構或連 接堰彼此連接。至少一種或多種潮汐發電站的渦輪結構和潮汐發電水壩的水閘結構分別彼此相連。發明效果本發明的集潮汐發電和洋流發電于一身的綜合發電系統可通過使用經由渦輪發 電機進入湖區的輸入海水以及經由水間排入海區的海水的快速流動而增加發電設施的工 作速率。此外，經過潮汐發電站或渦輪發電機或潮汐發電水壩的閘門的洋流產生比自然洋 流狀態具有更高利用價值的動能，并因此洋流發電機能產生更多的電能。經過潮汐發電站的渦輪發電機或潮汐發電水壩的閘門的洋流是以可預測速度沿 固定方向流動的高質量海水，并易于控制發電量。特別地，如果潮汐發電系統同時構造有洋流發電場，則可節約建造成本并相比僅 建造洋流發電場能夠取得更高的經濟效益。此外，通過洋流發電機從經過潮汐發電站的渦輪發電機或潮汐發電水壩的閘門的 高速洋流的動能獲取減慢了洋流的速度，并能減輕因潮汐發電對海洋生態系統和自然環境 的很大部分的不利影響。因此，連接有潮汐發電的洋流發電可產生能彌補潮汐發電的缺陷 的更為環境友好的綜合發電系統。
附圖示出了本發明的示例性實施例。然而，示例性實施例可以不同方式體現并且 不應當認為局限于附圖中展示的實施例。圖1是示出根據本發明一個實施例的集潮汐發電站、潮汐發電水壩和兩個洋流發 電場為一身的綜合發電系統的平面圖；圖2是示出根據本發明一個實施例的位于湖側的潮汐發電站和洋流發電場的渦 輪結構的側視圖；圖3是示出根據本發明一個實施例的位于海側的潮汐發電水壩和洋流發電場的 水閘結構的側視圖。實現本發明的最佳方式 下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的實施例。圖1是示出根據本發明一個實施例的集潮汐發電站、潮汐發電水壩和兩個洋流發 電場為一身的綜合發電系統的平面圖；圖2是示出根據本發明一個實施例的位于湖側的潮 汐發電站和洋流發電場的渦輪結構的側視圖；圖3是示出根據本發明一個實施例的位于海 側的潮汐發電水壩和洋流發電場的水閘結構的側視圖。如圖1所示，根據本發明的集潮汐發電站、潮汐發電水壩和兩個洋流發電場為一 身的綜合發電系統需要在漲潮和退潮之間發生大落差的地點構造堰10。在如上所述構造堰10后，如圖1所示形成湖12。在堰10中，安裝潮汐發電水壩 200并架設橫跨湖側12和海側14之間的潮汐發電站100。較佳地，潮汐發電站100和潮汐發電水壩200通過兩者間的連接結構300或連接 堰彼此相連。連接結構300或連接堰可根據地形特征建立幾百或幾千米長。如圖2所示，具有通過輸入海水流入湖側12而轉動的渦輪葉片112的渦輪發電機110被安裝在構成潮汐發電站100的渦輪結構102中。構成潮汐發電站100的渦輪結構102如圖1所示為一個單元體內的十個渦輪結構 彼此連接。然而并非局限于此并且其安裝數量可根據地形特征或發電量的計劃而改變。使用通過渦輪發電機110排出的海水流動來發電的多個洋流發電機120被安裝在 潮汐發電站100的渦輪結構102的后側，即湖側12，由此在湖側12中形成洋流發電場。多個洋流發電場120以交錯形狀配置，在行間具有與圖1和圖2所示的洋流發電 機120的渦輪葉片的直徑一樣大的預定間距，并且在偶數行的洋流發電機120A和在奇數行 的洋流發電機120B彼此交錯地設置。此外，當洋流發電機120設置在湖側12中時，洋流發電機120的單位面積安裝數 目可通過沿與海水流動方向垂直的方向縮短安裝間距而增加，就如洋流速度變快那樣。具 體地說，在本發明的情況下，在從潮汐發電站100的渦輪結構102排出的洋流的速度為3. 0 米/秒或更大并且海水流動良好的情形下，湖側12中的洋流發電機120可以比渦輪葉片的 直徑更窄的間距來設置。同時，關于湖側12中的洋流發電機120，較佳地，首先設置在位奇數行的洋流發電 機120A和渦輪結構102之間的距離大約為渦輪結構102出口的尺寸。為此，當海水經過渦 輪發電機110并流入湖時，海水變成紊流并因此將首先設置在位奇數行的洋流發電機120A 設置在海水流動由于紊流減少而變得穩定的地點。結果，洋流發電機120A的結構穩定性得 以保證并且發電得以穩定地進行。閘門212安裝在水閘結構210中，這形成如圖3所示的潮汐發電水壩200。當漲潮 時，閘門212通過卷揚裝置214下降，由此防止海側14中的海水流至湖側12并當退潮時， 閘門上升，由此將湖側12的海水通過水閘渠道216排至海側14。構成潮汐發電水壩200的水閘結構210如圖1所示在一個單元體內配有八個水閘 結構210，但不局限于此并且其安裝數量可根據洋流發電場的地形特征或發電量的計劃而改變。使用通過閘門212排至海洋的快速海水發電的洋流發電機220沿潮汐發電水壩 200的水閘結構210的閘門212的背面方向安裝，即圖1和圖3所示的海側14。多個洋流 發電機220安裝在海側14，由此在海側形成洋流發電場。較佳地，多個洋流發電機220以交錯形狀配置，在行間具有與洋流發電機的渦輪 葉片的直徑一樣大的預定間距，并且在偶數行的洋流發電機220A和在奇數行的洋流發電 機220B彼此交錯地設置。此外，當洋流發電機220設置在湖側12時，洋流速度越快，洋流發電機120的單位 面積安裝數目可通過根據洋流的速度變快沿與海水流動方向的垂直方向縮短安裝間距而 增加得越多。具體地說，在本發明的情況下，在通過閘門212排出的洋流的速度為6. 0米/ 秒或更大并且海水流動良好的情形下，洋流發電機可以比渦輪葉片的直徑約窄1/2以上的 間距來設置。這里，湖側的洋流發電機120和海側的洋流發電機220分別支承并安裝在聳立在 海床上的單縱列(F)上。此外，湖側的洋流發電機120和海側14的洋流發電機220包括推進器，該推進器 通過洋流流動以及發電機旋轉和驅動，該發電機以及具有連接于推進器的旋轉軸的轉子。
潮汐發電站100中的至少一個或多個渦輪結構102和潮汐發電水壩200的水閘結 構210各自相連，如圖1所示那樣。同時，關于海側14中的洋流發電機220，較佳地，首先設置在位奇數行的洋流發電 機220A和水閘結構210之間的距離大約為水閘結構210出口的尺寸。在該示例性實施例中，當洋流發電場根據潮汐發電站100和潮汐發電水壩200的 地形特征和發電量計劃而由洋流發電機120、220構成時，集潮汐發電和洋流發電于一身的 綜合發電系統可通過如下步驟形成僅在潮汐發電站100的湖側12安裝多個洋流發電機 120,220 ；僅在潮汐發電水壩200的海側14安裝多個洋流發電機120、220 ；并在潮汐發電站 100的湖側12以及潮汐發電水壩200的海側14均安裝多個洋流發電機120、220，分別如圖 1所示那樣。下面將闡述上述示例性實施例的效果。當海水從海側14流入湖側12的漲潮時，安裝在潮汐發電水壩的水閘結構210中 的閘門212關閉。因此，海側14的海水沿圖2箭頭方向流入湖側12。因此，安裝在潮汐發電站100的渦輪結構102中的渦輪發電機110的渦輪葉片112 通過洋流的流動而旋轉，渦輪發電機Iio進而發電。在經過渦輪發電機110后進入湖側12 的輸入海水流過湖側的多個洋流發電機120。此時，海水的平均速度為3. 0米/秒或更大。 因此，洋流發電通過間距小于湖側的洋流發電機120的渦輪葉片直徑的交錯形狀配置的多 個洋流發電機120完成。洋流發電繼續，直到湖水的水位達到管理水位高度為止，另外當湖 水的水位達到管理水位高度時潮汐發電站100的渦輪發電機110停止發電，并且這種停止 狀態保持到海側的水位因退潮而低于湖側水位為止。同時，當海側14的水位因漲潮后的退潮而變得低于湖側水位時，潮汐發電水壩的 水閘結構210中的閘門212如圖3所示地開啟，且湖側12的海水通過水閘渠道216沿箭頭 方向排至海側14。此時，通過閘門212排出的海水的平均速度為6. 0米/秒或更大，并且遍 及潮汐發電水壩200并安裝在海側14的多個洋流發電機220被驅動，由此發電。根據本發明的集潮汐發電和洋流發電于一身的綜合發電系統使用從海側14進入 湖側12的輸入海水和從湖側12排至海側14的海水來發電，并因此就發電設備的工作效率 而言比僅當海水從海側流入湖側時發電的單流漲潮式的潮汐發電更為優越。為了將來自湖側的洋流發電機120和海側的洋流發電機220的電力輸送至變電 站，可通過海底電纜將電力傳輸至潮汐發電站100中的變電站或在陸地上直接傳輸至變電 站。當根據本發明的潮汐發電站100的渦輪發電機110發電時，湖側12中的洋流發電 機120發電。較佳地在容量增加后將在湖側的洋流發電機120的洋流發電場側產生的電力 送至潮汐發電站100內的變電站。此外，如果海側的洋流發電機120形成在等于湖側的洋流發電機120和潮汐發電 站100產生電量的總和的發電容量內，在海側的洋流發電機220的洋流發電場處產生的大 量電力可直接連接于安裝在潮汐發電站100中的變電站而無需安裝額外的變電站。其原因 是當海側14中的洋流發電機在退潮中發電時潮汐發電站100和湖側12的洋流發電機120 不發電，并且潮汐發電站100內的變電站中可接受潮汐發電站100和洋流發電機120、200 的全部發電容量。
根據本發明的經過潮汐發電水壩200和潮汐發電站100的渦輪發電機110的閘門 212的洋流具有比自然洋流條件更高的利用價值，因此，在湖側和海側的洋流發電機120、 220能更高效地發電。也就是說，經過潮汐發電站100的渦輪發電機110和潮汐發電水壩200的閘門212
的海水是高質量海水，它以可預測速度沿固定方向流動并容易控制發電量。尤其是如果潮 汐發電站同時建造有洋流發電場，就能比單獨建造的情形更為節約建造成本并獲得更高的 經濟效益。此外，經過潮汐發電站的渦輪發電機和潮汐發電水壩的閘門的快速洋流通過洋流 發電機的動能提取使洋流速度減慢，并能減輕因潮汐發電對海洋生態系統和自然環境的很 大部分的不利影響。因此，連接有潮汐發電的洋流發電場可產生能彌補潮汐發電的缺陷的 更為環境友好的綜合發電系統。一般來說，為了保存和管理洋流發電機，可將洋流發電機及其輔助設備牽引至海 中并由小船聯系，同時由于洋流的流動狀態因存在堰而比使用自然潮汐流的潮汐流電站更 為柔和，所以根據本發明的綜合發電系統在不發電或海水不排出的情形下具有能使用潛水 或ROV(遙控車)保存和管理洋流發電機的優勢。已在上文中聯系附圖所示的若干示例性實施例對本發明進行了說明，然而不應當 認為本發明局限于這些實施例。相反，本領域內技術人員應當理解可不脫離本發明范圍地 對這些實施例的細節作出許多變化。
權利要求
一種集潮汐發電和洋流發電于一體的綜合發電系統，包括跨海地構造堰10以構成湖12；安裝潮汐發電站100的渦輪結構102和潮汐發電水壩200的水閘結構210，以通過使用堰10間由漲潮和退潮造成的海水間的勢能差來發電；在所述渦輪結構102中安裝渦輪發電機，以通過利用當漲潮時從海側14進入湖側12的輸入海水的流動來轉動渦輪葉片而發電；在所述水閘結構中安裝閘門212，以在漲潮和退潮時關閉和開啟水閘渠道214；以及通過在所述潮汐發電站110的渦輪結構102的后湖側12安裝多個洋流發電機120，以利用通過渦輪發電機110排出的海水流動來發電，從而在湖側12形成洋流發電場。
2.一種集潮汐發電和洋流發電于一體的綜合發電系統，包括 跨海地構造堰10以構成湖12 ；安裝潮汐發電站100的渦輪結構102和潮汐發電水壩200的水閘結構210，以通過使用 堰10間由漲潮和退潮造成的海水間的勢能差來發電；在所述渦輪結構102中安裝渦輪發電機，以通過利用當漲潮時從海側14進入湖側12 的輸入海水的流動來轉動渦輪葉片而發電；在所述水閘結構中安裝閘門212，以在漲潮和退潮時關閉和開啟水閘渠道；以及 通過在所述潮汐發電水壩200的水閘結構210的后海側安裝洋流發電機220，以通過利 用通過閘門212快速排入海中的海水流動來發電，從而在海側14形成洋流發電場。
3.一種集潮汐發電和洋流發電于一體的綜合發電系統，包括 跨海地構造堰10以構成湖12 ；安裝潮汐發電站100的渦輪結構102和潮汐發電水壩200的水閘結構210，以通過使用 堰10間由漲潮和退潮造成的海水間的勢能差來發電；在所述渦輪結構102中安裝渦輪發電機，以通過利用當漲潮時從海側14進入湖側12 的輸入海水的流動來轉動渦輪葉片而發電；在所述水閘結構中安裝閘門212，以在漲潮和退潮時關閉和開啟水閘渠道214 ；以及 通過在所述潮汐發電站110的渦輪結構102的后湖側12安裝多個洋流發電機120，以 利用通過渦輪發電機110排出的海水流動來發電，從而在湖側12形成洋流發電場，并通過 在潮汐發電水壩200的水閘結構210的后海側安裝洋流發電機220，所述洋流發電機利用通 過閘門212快速排入海中的海水流動來發電，從而在海側14形成洋流發電場。
4.如權利要求1或3所述的綜合發電系統，其特征在于，安裝在所述潮汐發電站100的 所述渦輪結構102的后湖側12中的所述多個洋流發電機120設置成在行間具有預定間隔 的交錯形狀，并且奇數行和偶數行中的所述洋流發電機被設置成彼此交錯。
5.如權利要求2或3所述的綜合發電系統，其特征在于，安裝在所述潮汐發電站200的 所述水閘結構210的后海側14中的所述多個洋流發電機220設置成在行間具有預定間隔 的交錯形狀，并且奇數行和偶數行中的所述洋流發電機被設置成彼此交錯。
6.如權利要求1或3所述的綜合發電系統，其特征在于，安裝在所述潮汐發電站100的 所述渦輪結構102的后湖側12中的所述多個洋流發電機120被分別安裝在海床上的單縱 列上。
7.如權利要求2或3所述的綜合發電系統，其特征在于，安裝在所述潮汐發電水壩200的所述水閘結構210的后海側14中的所述多個洋流發電機220被分別安裝在海床上的單 縱列上。
8.如權利要求1-3中任何一項所述的綜合發電系統，其特征在于，所述潮汐發電站100 的渦輪結構102和所述潮汐發電水壩200的水閘結構210通過兩者間的連接結構300彼此相連。
9.如權利要求1-3中任何一項所述的綜合發電系統，其特征在于，所述潮汐發電站100 的渦輪結構102和所述潮汐發電水壩200的水閘結構210通過兩者間的連接堰彼此相連。
10.如權利要求1-3中任何一項所述的綜合發電系統，其特征在于，所述潮汐發電站 100的至少一個或多個渦輪結構102和所述潮汐發電水壩200的水閘結構210各自彼此相連。
全文摘要
一種集潮汐發電和洋流發電于一體的綜合發電系統，包括跨海地構造堰以構成湖；安裝潮汐發電站的渦輪結構和潮汐發電水壩的水閘結構，通過使用堰間由漲潮和退潮造成的海水間勢能差來發電；通過在潮汐發電站的渦輪結構的后湖側安裝多個洋流發電機在湖側形成洋流發電場，從而通過使用經由渦輪發電機排出的海水流動來發電；并在潮汐發電水壩的水閘結構的后海側通過安裝洋流發電機在海側形成洋流發電場，從而通過使用經過閘門快速排入海中的海水發電。
文檔編號F03B13/26GK101925737SQ200880126083
公開日2010年12月22日 申請日期2008年3月12日 優先權日2008年1月30日
發明者張宰源, 張慶秀, 張成源, 李姃恩 申請人:張慶秀