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CN103328815B - 用于从流体的流动水流中产生电能的系统和方法 - Google Patents

用于从流体的流动水流中产生电能的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了螺旋状涡轮可操作地连接到至少一台发电机的用于产生电能的系统。通过控制涡轮的纵向轴和水流流动方向之间的可操作的角度和通过控制涡轮的螺距比，使得系统性能最优化。每对涡轮布置成V型，自中心线在可操作的角度的每一个提供对称性并抵消反作用转矩。对于风的操作，V型在风中自由旋转。对于单向潮汐的操作，V型是浮力的结构的一部分，定位在水流中并锚定至底部。该结构配合控制面以确保系统定向。在单向的水流中，一个或多个涡轮能够以可操作的角度向下成一定角度地进入水流中保持确保角度的升降舵。

Description

用于从流体的流动水流中产生电能的系统和方法
技术领域
本发明涉及从具有在一个方向流动水流的流体中产生电能。具体地说，本发明涉及具有在流动水流中定位的螺旋状涡轮和相对于流动水流的方向成一定角度定向的系统。
背景技术
从机械能中产生电能是一种替代能源的类型，其通常在能够从诸如水或空气的流动流体的水流中产生电能的位置发现。这样的例子包括由水电大坝和风力涡轮产生电力。
通常，用于从流动的流体中产生电力的系统具有涡轮，该涡轮通过可转动轴或者柔性电缆可操作地连接到发电机。该涡轮通常放置在例如水或风的流动流体的水流中，并当水流流过或经过涡轮时，使涡轮发生旋转。涡轮的旋转运动通过可转动轴或者柔性电缆机械地传递至由机械能转换成电能的发电机。
然后产生的电能可以传递到商业电网，可以直接传递到电力驱动设备，或者可以储存在蓄电池中，以备将来使用。
众所周知，具有多个涡轮可操作地连接到单个的发电机或者具有多个涡轮可操作地连接到它自己的发电机，以用于产生电力。
水电发电机通常具有潜入式或半潜式涡轮例如螺旋桨，其放置在流动的水体中，并通常定向为直接与水或水流的流动方向一致的方向。即涡轮的旋转轴基本上与水流的流动方向是平行和一致的。
业已知道，具有螺旋形表面的转子用于从水的流动中产生电力。Antz的美国专利US 1,371,836公开了一种定位在流中的转子，呈现一种相对于的流动方向倾斜的位置。该转子具有多个沿轴彼此间隔开的轮叶或叶片，以提供在它们彼此之间用于允祖水在旋转轴的周围流动的多个通道。Eielsen(Eielsen‘957)的国际公开专利申请WO 2004/067957A1公开了一种具有绕中心轴线旋转的单头螺旋叶片的螺旋涡轮装置。Eielsen‘957教导了在相对于中心轴线(或者涡轮的旋转轴线)的水流的流动方向之间的角度必须近似等于涡轮的螺距角，螺距角为螺旋叶片的外缘相对于中心轴线的角度。
Bowie的国际公开专利申请WO 2006/059094A1公开了一种用于从流动的流体(例如从水或风)中发电的装置。Bowie的装置具有一个或多个螺旋叶片部分，其通过电缆或其他锚定装置保持在水流中并且以诸如在螺旋叶片的旋转轴线与流体的流动方向之间的夹角，优选地保持在小于30度的角度定向。Eielsen(Eielsen‘909)的国际公开专利申请WO2009/093909A1教导了Eielsen‘957的涡轮螺杆装置，除了具有用于改善流水利用率的彼此相邻的两个螺旋络杆。
同样地，风车通常具有涡轮，该涡轮响应在其附近吹来或经过的风，围绕纵向轴线(或旋转轴线)旋转。涡轮的旋转运动通过可转动的轴，机械地传递到发电机用于产生电能。某些现有技术的风车具有机舱，以容纳转子、可转动的轴和放置在其中的发电机。其他现有技术的风车具有加长的可转动的轴，其可操作地连接到与发电机隔开的涡轮上。
通常，风车根据涡轮的旋转轴的方向分类。具有水平旋转轴的风车通常被称为HAWT(水平轴风力涡轮)，而具有垂直旋转轴的风车通常被称为VAWT(垂直轴风力涡轮)。HAWT通常以旋转轴或纵向轴与风向平行或一致的定向为特征，而VAWT通常以涡轮的纵向轴与风向垂直的定向为特征的。
VAWT可以进一步分成两种类型：1)Darrieus型风车(通常为称为打蛋器涡轮)，其包括具有两个或更多弯曲转子叶片的中央垂直塔；和2)Savonius型风车，为牵引型风力涡轮，其具有从中央垂直塔径向延伸的两个或更多的收集器，例如在风速计中使用的。Griomill是Darrieus风车的子类型，其具有代替弯曲叶片的直平面的转子叶片，螺旋状Savonius风车是一种改良的Savonius风车，其具有代替较小的收集器的长的螺旋状的收集器。
Burgdorf的英国专利申请GB 2,057,584公开了一种螺旋状Savonius风车的变体，其具有至少一个双头螺旋状涡轮。Burgdorf教导了螺旋状涡轮的旋转轴与风成45度角，涡轮的螺距角为约45度是重要的。Burgdorf教导了相对于中心轴，水流的流动方向必须近似等于涡轮的螺距角，其正如Eielsen‘957教导的。然而，Burgdorf特别教导了角度是45度。
显然，存在对于转子涡轮的更高效率利用的空间，并且需要一个能够在潮汐、风和单向流环境中使用的系统。
发明内容
本发明提供了一个用于从水流中产生电能的系统，并具有至少一个螺旋状涡轮，其与水流以可操作的角度定向，并通过例如可转动轴或者柔性电缆与发电机可操作地连接。螺旋状涡轮放置在流动水流中，产生的旋转运动被机械地传递到用于将流体的能量转化为电能的发电机。
在潮汐系统的实施例中，浮力结构在水流中均衡，所述浮力结构具有一个或多个以可操作的角度固定的螺旋状涡轮。一对涡轮布置在基本水平的平面并呈V型，每一个涡轮在从中立的中心线在可操作的角度提供对称性和抵消反作用转矩。例如龙骨、升降舵和副翼的控制面保持结构在一个水平面中。锚从龙骨延伸保持结构在适当的位置而不会不利地影响在水平面中的定位。在另一个实施例中，锚可以用于升高或降低结构。例如缆绳的锚索可以在水体底部上在锚装置之间延伸，其通过沿着龙骨导向延伸至结构顶上的绞盘。锚索的配置能够将系统提高至表面，并且重绕锚索将向下拖动浮力结构至水流中。多个系统，每一个系统具有多对涡轮，可以布置在农场或阵列布置，如果可能位于共享底部的定位点。
在基本上单向海洋水流环境的实施例中，一对涡轮可以从在浮动平台或驳船上支撑的发电机向下悬挂。一对涡轮在结构中并肩支撑，包括例如升降舵的控制面。当水流变化时，升降舵抵消涡轮运动以保持涡轮在可操作的角度。
在风的实施例中，浮力和锚不是因素，而风向的变化是一个更大的因素。支撑涡轮的机构是可旋转的，并且能够自由的旋转以使得涡轮以可操作的角度定向。在具有一对螺旋涡轮的实施例中，该对螺旋涡轮以V型布置在自由旋转的基座上，形状以可操作的角度固定地定向涡轮。风向改变的反应可以使用方向舵或风向标来辅助。
然后，通过发电机产生的电能可以传递到或连接到商用电网或通过一般的输电线路传递或连接到存储设施。
在本发明的一个广义的方面，本发明提供了一个用于从流体中产生电能的系统，所述流体具有在在一个方向流动水流，所述系统包括至少一个绕纵向轴旋转的螺旋状涡轮；至少一台发电机，所述发电机可操作地连接到螺旋状涡轮以使涡轮的旋转转换成电能；一结构，所述结构支撑至少一个螺旋状涡轮以保持在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度。在一个实施例中，所述结构包括一对在发电机处汇合的以V型布置的涡轮。
在风的实施例中，V型布置在基座上可自由旋转，以用于在风的水流中定向。在水体的潮汐布置中，所述结构基本上是水平的和V型的，包括与涡轮连接的稳定构件和包括沿着水流方向的龙骨的支撑控制面。升降舵和副翼保持所述结构在水平平面内。在水体的单向水流的实施例中，两个或多个基本平行的涡轮支撑在浮动平台上，并在平台处与发电机连接。涡轮以可操作的角度延伸至水流中。控制面沿着涡轮布置，以保持系统在可操作的角度。
在另一个广义的方面，本发明提供了一个用于从流体中产生电能的系统，所述流体具有在一个方向流动水流，所述系统包括至少一个绕纵向轴旋转的螺旋状涡轮。至少一台发电机，所述发电机可操作地连接到至少一个螺旋状涡轮，用于将涡轮的旋转转换成电能；一结构，所述结构支撑至少一个螺旋状涡轮在保持纵向轴和水流方向之间的约29度到约32度的优化的和可操作的角度。另外，所述涡轮具有沿着其长度延伸的叶片，并具有约0.5到约0.7范围的优化的螺距比。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的示意图，其示出了单头螺旋转子通过一个可转动的轴可操作地连接到一台发电机，螺旋转子相对于流动的流体的方向成一定角度的定向；
图2A为螺旋状涡轮的示意图，所述螺旋状涡轮具有与流动水流的方向一致或平行的旋转轴，在螺旋状涡轮上水施加能量以转动涡轮；
图2B为螺旋状涡轮的示意图，所述螺旋状涡轮具有与流动水流的方向垂直的旋转轴，在螺旋状涡轮上，水施加能量以转动涡轮；
图2C为本发明的一个实施例的示意图，其示出了相对于流动水流的方向成一定角度定向的螺旋状涡轮以及在螺旋状涡轮上，水施加能量以转动涡轮；
图3为本发明应用于河流环境的实施例的平面示意图，其示出了螺旋状涡轮相对于流动的河流的方向成一定角度的定向，螺旋状涡轮通过可转动的轴可操作地连接到发电机表面；
图4为本发明根据图3的实施例的侧面示意图，其示出了用于将实施例锚定到河床的支撑物；
图5为应用于河流环境的本发明的实施例的侧面示意图，其示出了支撑在铺设于河床上的框架上的螺旋状涡轮和潜入式的发电机，该实施例通过常规的电传输线连接到电网；
图6A为潮汐实施例的平面示意图，其示出了发电机壳体，该发电机壳体具有从其中延伸的一对螺旋状涡轮，每一个涡轮通过可转动的轴可操作地连接容纳在发电机壳体中的发电机，从壳体向外延伸的一龙骨，以及一个或多个横向延伸的稳定部件，稳定部件以可操作的角度将两个螺旋状涡轮彼此连接；
图6B为图6A的潮汐实施例的一对涡轮的农场或阵列的平面示意图。
图7A为本发明根据图6A的实施例的侧面示意图，其示出了延着龙骨延伸的两根缆绳，用于锚定和定位在水流中的系统和本实施例的两个相对端的水上飞机。
图7B和图7C为图7A的在潮汐结构上的副翼的端视图，其具有在水平平面用于保持结构的垂直传感器(图7B)和从水平平面的正确的方差的反应(图7C)；
图8为应用于海洋环境的本发明的实施例的平面示意图，其示出了具有用于支撑两个螺旋状涡轮的两个浮筒的浮动驳船，每个螺旋状涡轮通过可转动的轴可操作地连接至发电机，水上飞机在两个螺旋状涡轮间延伸；
图9为根据图8的实施例的侧面示意图；
图10为应用于风环境的本发明的实施例的平面示意图，其示出了用于支撑至少两个螺旋状涡轮的可旋转基座，所述螺旋状涡轮可操作地连接至发电机壳体中的至少一个发电机和方向舵；
图11为根据图10的实施例的侧面示意图，其示出了支撑物，该支撑物用于定位螺旋状涡轮，和至少一台发电机，该发电机在风水流中并在可旋转的基座上；
图12A为具有外缘的螺旋状叶片的透视示意图；
图12B为根据图12A的具有弧形翼的螺旋状叶片的外缘，沿I-I线的剖视图；以及
图13A至图13E为旋转速度与直径为9英寸(23厘米)涡轮的可操作角度相比的测试结果的图表，其中9英寸(23厘米)涡轮分别具有3，4.25，5.5，6.75和8英寸(8，11，14，17和20.5厘米)的螺距；
图13F为旋转速度与不同螺距比相比的测试结果的图表。
具体实施方式
本发明公开了一种系统，该系统使用一个或多个螺旋状涡轮，从流体(例如水或空气)中的水流产生电能或电流。涡轮的旋转将流动的流体的动能转化为电流的电能。在一个实施例中，该系统可以包括可操作地连接到发电机的涡轮，例如直接连接、轴连接或柔性电缆连接。涡轮置于流动水流内并通过流体的流动引起旋转。
如图1所示，提供了用于从流动水流C(例如水或空气)产生电能的涡轮系统10的实施例。系统10包括至少一个螺旋状涡轮20，例如螺旋杆或螺旋钻，其置于或定位于水流C中并可操作地连接至发电机30。涡轮20被定位成使得涡轮20的旋转轴或纵向轴40与流动水流C的方向以一定角度偏移或不平行地定向。也就是说，在流动水流C的方向和螺旋状涡轮20的纵向轴40之间的可操作夹角α的取值范围在0度和90度之间(例如0＜α＜90)。
流经涡轮20的水流的流动引起螺旋状涡轮20的旋转运动。在一个实施例中，螺旋状涡轮20的旋转运动能够机械地传递至发电机30，例如通过柔性电缆或可转动的轴50。
申请人认为，螺旋状涡轮的成功的、最佳的性能依赖的因素包括可用表面面积，该可用表面面积向流经其附近的水流暴露、可操作的角度以及螺距比。
涉及用于暴露的可用表面面积的要素可以包括涡轮的长度、涡轮的外径、涡轮的内径、螺旋叶片的螺距以及螺旋叶片的匝数或捻数。
申请人认为暴露于水流C的涡轮的表面面积的增加量，影响了作用于其上的、用于使螺旋状涡轮围绕其纵向轴旋转的力。表面面积的数量可以通过改变涡轮的螺距来变化。
参考图2A至图2C，螺旋状涡轮20可以包括长度为L的轴55，其具有沿着轴55整个长度延伸的至少一个螺旋叶片60。该至少一个螺旋叶片60定义了外径OD和螺距P、螺旋叶片60的一个完整的螺旋或旋转长度。螺旋叶片60的每个螺旋或旋转表示用于暴露在水流C的表面面积70。螺距比PR和外径OD的关系可以定义为螺距比PR，其中PR＝P/OD。
图2A和图2B示出了螺旋状涡轮的非最佳布置。在图2A中，具有与水流C的方向一致或基本平行定位的纵向轴40的螺旋状涡轮20，导致螺旋叶片60的第一螺旋60A具有暴露于水流C的最大表面面积70A，而随后旋转到的后续螺旋60B、60B时具有所暴露的表面面积70B、70B的较小的范围。因此，螺旋叶片60的可用表面的最大总数量并不能被充分地利用以旋转涡轮20。在图2B中，具有与水流C的方向基本垂直的纵向轴40的螺旋状涡轮20引起水流C流过或经过涡轮60中的任意一个，抵消了提供在螺旋状涡轮20上以绕其纵向轴旋转的很小的推动力而产生的力。
如图2C所示，申请人认为，螺旋状涡轮20旋转的最高速度可通过暴露于水流C的螺旋叶片60的表面面积70的最佳数量产生。当涡轮20相对于水流C的方向以一定角度偏移定向时便可以实现。也就是说，当纵向轴40和水流C的方向之间夹角α大于0度但小于90度时，暴露于水流C的表面面积70的数量大于相对于当纵向轴40和水流C的方向之间的夹角α为0度或者90度的时候。
例如，申请人使用了多种不同的螺旋状涡轮进行了多次实验。每一种螺旋状涡轮具有基本相同的长度L(约6英尺(1.8米))，基本相同的外径OD(约9英寸(22.9厘米))，仅仅是螺距P不同。第一个螺旋状涡轮具有约3英寸(8厘米)的螺距，对应的螺距比约为0.33。第二个涡轮具有大约英寸(11厘米)的螺距，对应的螺距比大约为0.47。第三个涡轮具有大约英寸(14厘米)的螺距和大约为0.61的螺距比。第四个螺旋状涡轮具有大约英寸(17厘米)的螺距和大约为0.75的螺距比。第五个和最后一个螺旋状涡轮具有大约8英寸(20.5厘米)的螺距和大约为0.89的螺距比。
每一个螺旋状涡轮可操作地连接至用于测量其旋转转速的设备，例如DT 6234BRPM流速计(从中国Hanada得到)，并置于具有水的水流和足够深度为大约18英寸(46厘米)深的流过其中的一个具体的灌溉渠中。每一个螺旋状涡轮定位在流动水流中并以纵向轴40和水流的方向间之间的夹角α大于0度但小于90度定向。每一个螺旋状涡轮的旋转速度以不同的角度记载并呈现在下文的表1和图13A至图13E中。整个测试过程中流经灌溉渠的水流的流动速度基本保持不变。
如图13A所示并参照表1，对于长度为6英尺(1.8米)的螺旋状涡轮，其具有大约9英寸(23厘米)的外径和大约3英寸(8厘米)的螺距(PR0.33)，观察到涡轮旋转的最高速度为大约125rpm。当纵向轴40和水流C的方向之间的夹角α的取值范围在约30°～35°时，出现了次优的旋转速度。
如图13B所示并参照表1，对于长度为6英尺(1.8米)的螺旋状涡轮，其具有大约9英寸(23厘米)的外径和大约英寸(11厘米)的螺距(PR 0.47)，观察到涡轮旋转的最高速度约为143rpm，其出现在当纵向轴40和水流C的方向之间的夹角α的取值范围在约30°～32°时候。
如图13C所示并参照表1，对于长度为6英尺(1.8米)的螺旋状涡轮，其具有大约9英寸(23厘米)的外径和大约英寸(14厘米)的螺距(PR 0.61)，观察到涡轮旋转的最高速度为约159rpm，其出现在当纵向轴40和水流C的方向之间的夹角α约为31°的时候，当角度约为29°～32°范围时，平均旋转速度约为158rpm。
如图13D所示并参照表1，对于长度为6英尺(1.8米)的螺旋状涡轮，其具有约9英寸(23厘米)的外径和约英寸(17厘米)的螺距(PR 0.75)，观察到涡轮旋转的最高速度约为151rpm，其出现在当纵向轴40和水流C的方向之间的夹角α约为31°的时候，当角度约为30°～32°范围时，平均旋转速度约为150rpm。
如图13E所示并参照表1，对于长度为6英尺(1.8米)的螺旋状涡轮，其具有约9英寸(23厘米)的外径和约8英寸(20.5厘米)的螺距(PR 0.89)，当纵向轴40和水流C的方向之间的夹角α约为29°时，观察到涡轮旋转的最高速度次优为135rpm。当角度约为28°～30°的范围时，平均旋转速度约为134rpm。
参照表1、图13A至图13E，不考虑螺距，在约29°到约32°的范围下螺旋状涡轮的旋转速度显示为最高。用于提供最高旋转速度的最佳角度约为29°～32°。
申请人还认为，给定一个恒定长度L的螺旋状涡轮，当螺旋叶片的匝数或捻数增加(即减少螺距P)时，暴露于水流的螺旋叶片的总表面面积增加，从而提供更高效率的旋转。
图13F示出了放置在约31°的可操作角度，如上述相同的5个螺旋状涡轮的旋转速度。如图所示，具有螺距比约为0.6的螺旋状涡轮，观察到最高的旋转速度约为158rpm。其旋转速度均高于具有螺距比在约0.5～0.75范围的涡轮的约140rpm的旋转速度。
河流环境
参考图3和图4，其示出了用于在河流环境中应用的本发明的实施例。如图所示，螺旋状涡轮20具有支撑物80，用于将涡轮20在河流水流CR中定位并使涡轮20的纵向轴40相对于水流CR的方向成一定角度偏移的定向。涡轮20可操作地连接至可转动轴50的第一端90，同时可转动轴的第二端100可操作地连接至位于岸上的发电机30。
当河流的流动方向沿着河岸在一个特定的位置基本不变时，纵向轴40的定向角度将不太可能变化，因此不需要定期对齐涡轮20。因此，支撑物80可以从涡轮20处向外延伸并永久直接锚定至河床。
如图5所示，在河流应用的另一个实施例中，螺旋状涡轮20、可转动轴50和发电机可以被支撑在框架110中，框架110可以定位在依靠河床B上。框架110可以被定向为使得纵向轴40相对于水流CR的方向成一定角度的定向。本领域的普通技术人员了解，发电机为能够潜入至水下的发电机，例如潜入式发电机120。典型的电传输线130可以将潜入式发电机120连接至陆上电网(未示出)和/或其他储存设施或设备(未示出)。
海洋或潮汐环境
参考图6A和图7A，本发明的实施例可应用于近海海洋环境，其既具有单一流还具有双向潮汐水流，例如沿着海岸线的小海湾、水湾、海湾，或者是具有洋流的海洋环境，例如墨西哥湾暖流。如图所示，应用于海洋环境的实施例与那些在河流中应用的实施例相似。这些实施例具有第一螺旋状涡轮20A和第二螺旋状涡轮20B，它们可操作地连接至至少一台发电机或对于每一个涡轮20，20的发电机120，120，即第一发电机120A和第二发电机120B。
申请人注意到，单一的螺旋状涡轮20绕其纵向轴40的旋转运动，具有关联的反作用转矩，其作用在发电机20和支撑发电机120或发电机120、120的结构上，该结构在其上放置一旋转负载。因此，本发明的实施例包括以第一方向绕其纵向轴40A旋转的第一螺旋状涡轮20A和以与第一方向相反的第二方向，绕其纵向轴40B旋转的第二螺旋状涡轮20B。第二螺旋状涡轮20B的相反的旋转创造了一平衡转矩，用于基本抵消第一螺旋状涡轮20A的反作用转矩。
在海洋环境中，需要考虑的因素包括整个系统的浮力，和用于保持系统在适当的位置的方法。提供结构用于支撑至少一个螺旋状涡轮20和保持纵向轴40和水流C的方向之间的可操作的角度。
参考图6A，系统10的潜入式的实施例具有两个螺旋状涡轮20A和20B，它们布置在具有V型的机构中，每一个涡轮相对于水流C的方向以可操作的角度定位在水流C内，该角度为纵向轴40A、40B与水流方向的夹角。每个螺旋状涡轮可操作地连接至支撑在发电机壳体130中的潜入式发电机120。潜入式发电机采用对于海洋技术人员熟知的合适的水润滑密封技术。结构包括在发电机壳体130处汇合的螺旋状涡轮20a、20b，一个或多个在螺旋状涡轮20A、20B之间延伸的稳定构件180。在发电机壳体130处提供浮力并平衡结构中的其他地方的浮力，或在螺旋状涡轮20A、20B处，或在螺旋状涡轮20A、20B的相邻的末端处。如果没有锚定，提供一个正浮力，使得系统10浮出水体的表面。
本发明提供的控制面用于与水流C接合，并保持结构和至少一个螺旋状涡轮20在水流中定向以保持可操作的角度。控制面可以包括一个或多个龙骨、升降舵和副翼。控制面设置成用于保持在纵向轴40，40和水流C方向之间的可操作的角度，以及系统10在水体C中的深度。控制面可以从结构支撑，例如邻近发电机壳体130、稳定构件180，或沿着螺旋状涡轮20A、20B设置。需要注意的是，当适当时，稳定构件180和控制面能够使涡轮相对其旋转，例如通过轴承环或类似物。
如图6A和图7A所示，用于保持在纵向轴40，40和水流方向之间的可操作的角度的控制面为舵或龙骨170。龙骨170在两个螺旋状涡轮20A、20B之间是等距的，自发电机壳体130处向外延伸并相对于螺旋状涡轮20A、20B的纵向轴40、40以固定的可操作角度定位。龙骨170能够在沿着或在螺旋状涡轮之间部分或完全的延伸。
系统10可以通过至少一个缆绳锚定或拴住至海底。如图所示，一对锚索，例如缆绳220、220每一根都在定位点A、A处使用锚定装置连接至水体的底部。参考图6B，提供了系统10，10的农场或阵列，其为了方便共享定位点。缆绳220，220从龙骨的基座处延伸，锚定并稳定系统10。龙骨可以沿着其基座加重，以用于额外的稳定性。
缆绳220，220分别连接至支撑在龙骨顶侧的绞盘230，230，用于升高和降低系统10。缆绳能够通过管道240，240延伸以通过或接近龙骨170。绞盘230，230增加或减少缆绳220，220的长度，用于允许系统10的用于修复或保持在表面的升高，或用于操作的降低或潜入水体中。缆绳开口或管道240，240分别锚定缆绳220，220，并沿着龙骨170纵向间隔开。
当水流C流过或经过龙骨171时，龙骨170与水流c保持成一直线。因此，当龙骨170相对于纵向轴40，40固定定位时，纵向轴40，40相对于水流C的方向也保持一角度。在一个实施例中，龙骨170和涡轮20，20的纵向轴40，40之间的固定角与纵向轴和水流C的方向的角度基本相同。
在图6A和图7A中，如水上飞机或升降舵的控制面协助保持结构在基本的水平面。在潮汐的实施例中，水流C流动改变其方向，在龙骨170的船头和船尾提供升降舵200。如图所示，升降舵200能够控制或被动地旋转，以提供各自交替的船头和船尾行为，船头升降舵向上倾斜以阻止潜水和船尾升降舵失衡。在这些实施例中，升降舵200能够被支撑在发电机壳体130上或其附近，和支撑在两个螺旋状涡轮20A，20B中每一个的远端210，210处，用于进一步控制系统10的任何可能的潜水动作。
参考图7B和图7C，控制面进一步包括控制辊，其包括能够安装至结构的至少两个副翼190，190，例如在两个螺旋状涡轮20，20间延伸的稳定构件180处。副翼190，190相对地设置以使得流体保持系统10在基本一致的水平面中。如在图7B中示意性示出的，简单的系统示出有浮力装置，如气球192。图7C中系统10的旋转动作产生副翼的抵消的操作(以一种夸张的运动显示)。
单向水流
参考图8和图9，应用至海洋环境的系统10的浮动实施例可以包括支撑在浮动平台上的至少一个螺旋状涡轮20，浮动在水体表面上的驳船或浮桥290。浮桥290能够支撑水体表面上的至少一个发电机并支撑水面以下的至少一个螺旋状涡轮。
可以在涡轮对20A，20B提供螺旋状涡轮的反相旋转，以再次协助抵抗反作用转矩。当示出一对时，可以提供沿着扩展结构，如驳船或浮动平台间的结构的大量的螺旋状涡轮20，20。
浮动平台的浮桥290定位在流动的海洋水流上，用于在水流内放置至少一个螺旋状涡轮。浮动平台通常是停泊着，以提供用于将螺旋状涡轮定向为与水流C方向一致的结构。如图所示，一对发电机30，30和一对螺旋状涡轮20，20支撑在水体表面处或表面上，螺旋状涡轮20，20彼此平行，从浮动平台向下成角，并以可操作的角度进入水流。可以沿着两个平行的螺旋状涡轮20，20设置一个或更多个升降舵200，200。升降舵200抵消螺旋状涡轮20，20上的水流的上升作用。进一步地，升降舵200还可以在螺旋状涡轮20，20之间延伸，以作为系统结构的一部分并保持它们之间的平行关系。升降舵200可以被动地或主动地用于保持螺旋状涡轮20，20的纵向轴40，40与水流C的方向之间的可操作的角度。
参考图10和图11，其示出了在风环境中应用的本发明的实施例。系统10包括具有自由旋转的基座310的结构，其用于支撑至少一个螺旋状涡轮20、在壳体130中的发电机和控制在风CW中的至少一个螺旋状涡轮。
如图所示，两个以V型布置的螺旋状涡轮20，20由刚性支撑物80支撑，用于提升两个螺旋状涡轮20，20至旋转基座310上的足够的高度，以将涡轮20，20放置于空气流或风CW中。螺旋状涡轮20，20相对于风CW的方向以可操作的角度对称布置。具有窄的前端的V型和自由旋转的基座预期是自定向的。可选择地，舵320在基座310上支撑，并相对于涡轮20，20以固定的角度定位。当风CW吹在V型或舵320上时，系统10与风CW保持一条直线。因此，当舵320相对于纵向轴40，40以固定的角度定位时，纵向轴40，40相对于风CW的方向也保持一可操作的角度。
在实施例中并参考图12A和图12B，在实施例中，螺旋叶片60可以具有外缘330，其具有至少一个弧形翼340，类似于在当前飞机机翼技术的在前端的直立的、拖拽减小翼。申请人认为，弧形翼340提高了螺旋叶片的效力，提高了螺旋状涡轮20的旋转速度。在应用于具有双向潮汐水流的海洋环境的实施例中，螺旋叶片60的外缘330可以具有以相反的方向延伸的两个弧形翼340。
本发明的实施例还可以具有浮力装置，用于实现或改变系统的浮力，以足以保持系统在合适的深度，对于一特定的水流，用于将系统定位在自地面气象观测安全和最佳的深度。浮力装置可以是工业上已知的任何类型，包括浮力气囊和/或水上飞机。

Claims (25)

1.一种用于从具有在一个方向流动水流的流体的动能转化为旋转运动的系统，所述系统包括：
至少一个螺旋状涡轮，所述螺旋状涡轮围绕纵向轴旋转；
至少一个发电机，所述发电机可操作地连接到所述至少一个螺旋状涡轮，用于将所述至少一个螺旋状涡轮的旋转转换成电能；
一个结构，所述结构用于支撑所述至少一个螺旋状涡轮，并保持在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度，在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度的取值范围为27°～39°；以及
所述至少一个螺旋状涡轮还包括至少一个螺旋叶片，所述至少一个螺旋叶片沿其长度延伸，并具有0.33～0.89范围的螺距比。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个螺旋状涡轮包括一对或多对螺旋状涡轮，每对螺旋状涡轮具有：
第一螺旋状涡轮，所述第一螺旋状涡轮由所述结构支撑，并围绕其纵向轴以第一方向旋转；和
第二螺旋状涡轮，所述第二螺旋状涡轮由所述结构支撑，并围绕其纵向轴以与所述第一方向相反的第二方向旋转。
3.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括控制面，所述控制面用于与水流接合，并保持所述结构和所述至少一个螺旋状涡轮在水流中定向，以保持可操作的角度。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述第一螺旋状涡轮和所述第二螺旋状涡轮是水平并横向成可操作的角度，从所述结构布置成V型。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述流体为水，所述结构是有浮力的。
6.如权利要求5所述的系统，所述系统还包括龙骨，所述龙骨从所述结构处支撑，用于将所述结构基本对准水流的方向，以保持所述第一螺旋状涡轮与所述第二螺旋状涡轮在可操作的角度。
7.如权利要求6所述的系统，所述系统还包括两条锚索，所述锚索自所述龙骨的基座延伸，并沿着所述龙骨的基座纵向间隔开。
8.如权利要求7所述的系统，其中，每个锚定装置包括：
锚和锚索，所述锚索从锚延伸至所述龙骨；
锚索管道，所述锚索管道沿着所述龙骨至所述结构；以及
绞盘，所述绞盘配置所述锚索以使浮力的结构能够上升至水体表面，并重绕所述锚索以将浮力的结构降低进入水流中。
9.如权利要求5所述的系统，所述系统还包括升降舵，所述升降舵用于与水流接合，并保持所述第一螺旋状涡轮和所述第二螺旋状涡轮在水流内沿着基本水平的平面。
10.如权利要求9所述的系统，所述系统还包括副翼，所述副翼用于与水流接合，并保持所述第一螺旋状涡轮和所述第二螺旋状涡轮在水流内沿着基本水平的平面。
11.如权利要求5所述的系统，其中，所述结构还包括控制面，所述控制面用于与水流接合，并保持所述结构和所述至少一个螺旋状涡轮在水流中定向，以保持可操作的角度，所述控制面还包括：
龙骨，所述龙骨从所述结构支撑，用于将所述结构基本对准水流的方向，以保持所述第一螺旋状涡轮与所述第二螺旋状涡轮在可操作的角度；
两个锚定装置，所述两个锚定装置从所述龙骨的基座处延伸并沿着所述龙骨的基座间隔开，每个所述锚定装置包括锚和锚索，所述锚索从所述锚延伸至所述龙骨，锚索管道，所述锚索管道沿着所述龙骨至所述结构，以及绞盘，所述绞盘发放所述锚索以使浮力的结构能够上升至水体表面，和重绕所述锚索用于将浮力的结构降低进入水流中；
升降舵，所述升降舵自船头至船尾，用于与水流接合，并保持所述第一螺旋状涡轮和所述第二螺旋状涡轮在水流内沿着基本水平的平面；以及
副翼，所述副翼用于与水流接合，并保持所述第一螺旋状涡轮和所述第二螺旋状涡轮在水流内沿着基本水平的平面。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个螺旋状涡轮包括一对或多对螺旋状涡轮，每对螺旋状涡轮具有：
第一螺旋状涡轮，所述第一螺旋状涡轮由所述结构支撑，并围绕其纵向轴以第一方向旋转，并可操作地连接到至少一台发电机的第一发电机；
第二螺旋状涡轮，所述第二螺旋状涡轮由所述结构支撑，并围绕其纵向轴以与所述第一方向相反的方向旋转，并可操作地连接到至少一台发电机的第二发电机；
其中，所述第一发电机和所述第二发电机由所述结构支撑，第二螺旋状涡轮产生的反作用转矩抵消第一螺旋状涡轮产生的反作用转矩。
13.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括浮动平台，所述浮动平台用于支撑流体表面上的至少一台发电机，并且其中
所述至少一个螺旋状涡轮从所述浮动平台向下成一定角度，并以可操作的角度进入水流。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个螺旋状涡轮包括一对或多对螺旋状涡轮，每对螺旋状涡轮具有：
第一螺旋状涡轮，所述第一螺旋状涡轮由所述结构支撑，并围绕其纵向轴以第一方向旋转，并可操作地连接到至少一台发电机的第一发电机；
第二螺旋状涡轮，所述第二螺旋状涡轮由所述结构支撑，并围绕其纵向轴以与所述第一方向相反的方向旋转，并可操作地连接到至少一台发电机的第二发电机。
15.如权利要求14所述的系统，所述系统还包括一个或多个升降舵，所述升降舵沿着所述第一螺旋状涡轮和所述第二螺旋状涡轮布置，用于与水流接合，并保持所述第一螺旋状涡轮和所述第二螺旋状涡轮沿着可操作的角度。
16.如权利要求12所述的系统，其中，所述至少一台发电机是对于所述至少一个螺旋状涡轮中的每一个的发电机。
17.如权利要求1～16中任一所述的系统，在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度的取值范围为30°～35°。
18.如权利要求1～16中任一所述的系统，其中，在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度的取值范围为28°～34°。
19.如权利要求18所述的系统，其中，在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度的取值范围为29°～32°。
20.如权利要求19所述的系统，其中，在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度为30°。
21.如权利要求19所述的系统，其中，在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度为31°。
22.如权利要求1～16中任一所述的系统，其中，在纵向轴和水流方向之间的可操作的角度的取值范围为30°～32°。
23.如权利要求1～16中任一所述的系统，其中，所述螺旋叶片还包括0.5～0.75范围的螺距比。
24.如权利要求23所述的系统，其中，所述螺旋叶片还包括0.6的螺距比。
25.如权利要求1～16中任一所述的系统，其中，所述至少一个螺旋叶片还包括外缘，所述外缘具有至少一个沿着它的弧形翼。
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