專利名稱：用于從水流中提取動(dòng)力的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于控制水力渦輪機(jī)(water turbine)的操作的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
從水流產(chǎn)生動(dòng)力(power)是公知的。然而，許多用于從水流產(chǎn)生動(dòng)力的公知系統(tǒng) 不易于被控制或者不容許被控制。為了連接到電網(wǎng)，具有可預(yù)測(cè)的并且可控制的動(dòng)力輸出 是有益的。此外，水環(huán)境包括無法預(yù)測(cè)的成分，例如大、小海洋生物、污垢、淤泥、生長(zhǎng)物以及 其它復(fù)雜的因素。迄今為止，控制系統(tǒng)還不能處理這些種類的輸出風(fēng)險(xiǎn)因素。本發(fā)明試圖改善一個(gè)或者多個(gè)上面提到的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方案中，本發(fā)明提供一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的系統(tǒng)，包括渦輪機(jī)；用于測(cè)量影響渦輪機(jī)操作的行為的裝置；用于更改渦輪機(jī)的操作的裝置；以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括中央處理器(CPU)、可操作為連接到CPU的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器包 含適于由CPU執(zhí)行的程序，其中CPU和存儲(chǔ)器可操作為適于從測(cè)量裝置接收信息并且對(duì)更 改裝置執(zhí)行指令以更改渦輪機(jī)的操作。優(yōu)選地，該系統(tǒng)控制渦輪機(jī)以使給定的水的流動(dòng)速率下的動(dòng)力產(chǎn)生最優(yōu)化。典型 地，流動(dòng)速率約小于10節(jié)、約小于8節(jié)、約小于6節(jié)或者介于約1節(jié)到5節(jié)之間。水的流動(dòng) 速率可以是潮汐、河流、流出物或者大洋或大海中的水流。本發(fā)明特別適用于控制被安裝在 約小于5節(jié)的低流動(dòng)速率環(huán)境中的水力渦輪機(jī)，以提供最優(yōu)的動(dòng)力或者電力的產(chǎn)生。該系 統(tǒng)可用于控制高達(dá)約8節(jié)的渦輪機(jī)。渦輪機(jī)可以從任何適合的渦輪機(jī)(例如軸流式渦輪機(jī)、基于軌道的渦輪機(jī)和回轉(zhuǎn) 環(huán)形渦輪機(jī)等)中進(jìn)行選擇。優(yōu)選地，該渦輪機(jī)為例如在W02005/028857、W02005/119052 以及W02007/070935(亞特蘭蒂斯資源私人有限公司(Atlantis Resources Corporation Pte Limited))中所描述的基于軌道的渦輪機(jī)。渦輪機(jī)可以具有使一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)動(dòng)力輸出裝置，或者使多個(gè)發(fā)電 機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的多個(gè)動(dòng)力輸出裝置。優(yōu)選地，影響渦輪機(jī)輸出的行為是從水流速度(速率)、水流方向、相對(duì)于水流的 位置、負(fù)荷、扭矩、水中的高度或位置、轉(zhuǎn)子葉片或旋翼(foil)的速度、轉(zhuǎn)子葉片或旋翼的 升力、轉(zhuǎn)子葉片或旋翼的阻力(drag)、扭矩、動(dòng)力輸出、產(chǎn)生的電力、動(dòng)力負(fù)荷等等中選擇 的。優(yōu)選地，該渦輪機(jī)通過一次或多次相對(duì)于水流方向進(jìn)行的定位、高度或深度的調(diào) 整、定向、轉(zhuǎn)子葉片或旋翼的速度的更改、動(dòng)力負(fù)荷的更改、扭矩的更改、動(dòng)力的傳遞等等而 被更改。
優(yōu)選地，利用與渦輪機(jī)或系統(tǒng)關(guān)聯(lián)定位的變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)更改動(dòng)力負(fù)荷。在一 個(gè)優(yōu)選布置中，VSD位于動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)的電纜塔(pylon)或安裝結(jié)構(gòu)上。VSD優(yōu)選為控制或 監(jiān)控發(fā)電機(jī)的動(dòng)力以影響負(fù)荷或扭矩。存在這樣一些情形，其中可以使用外部動(dòng)力使轉(zhuǎn)子以最低或期望的速度開始或繼 續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而保證最優(yōu)動(dòng)力產(chǎn)生。由于渦輪機(jī)系統(tǒng)連結(jié)到電網(wǎng)，因此如果需要，控制系統(tǒng)可 以開始從電網(wǎng)中取得動(dòng)力從而為渦輪機(jī)上電。優(yōu)選地，用于測(cè)量行為的裝置為下述元件中的一個(gè)或者多個(gè)，并且還可以是下述 元件彼此之間的組合用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物(obstruction)的聲納裝置；用于測(cè)量 行為的流速剖面儀形式的裝置；用于測(cè)量周圍空氣或者周圍水的溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、 或者液壓油的溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī)的偏航角或線性定位有關(guān)的角度或高度測(cè) 量結(jié)果的傳感器(transducer)；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的一個(gè)或多個(gè)水下或水上攝 像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的一個(gè)或多個(gè)傳感 器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器(relay)校驗(yàn)程序；及上述元件的組合。在優(yōu)選實(shí)施例中，用于更改所述渦輪機(jī)操作的裝置可以是下述元件中的一個(gè)或者 多個(gè)用于改變海底水位上方的渦輪機(jī)的偏航角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所 述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的發(fā)電機(jī)或逆變器；警報(bào)器；及上述元件的組合。在第二方案中，本發(fā)明提供一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的系統(tǒng)，包括渦輪機(jī)；用于測(cè)量水流速度(流動(dòng)速率)的裝置；用于測(cè)量水流方向的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)的負(fù)荷或輸出的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)的葉片或旋翼的迎角的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)的高度的裝置；以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括中央處理器(CPU)、可操作為連接到所述CPU的存儲(chǔ)器，所述 存儲(chǔ)器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，其中所述CPU和存儲(chǔ)器可操作為適于從水流速度 (速率)測(cè)量裝置、水流方向測(cè)量裝置、渦輪機(jī)負(fù)荷或輸出測(cè)量裝置、渦輪機(jī)速度測(cè)量裝置、 所述渦輪機(jī)的高度、所述渦輪機(jī)的定向接收信息，并且執(zhí)行指令以控制所述渦輪機(jī)的操作。優(yōu)選地，指令從增加扭矩、減少扭矩、更改渦輪機(jī)的方向、更改渦輪機(jī)的高度、更改 渦輪機(jī)的定向、更改葉片或旋翼的角度、更改迎角、更改VSD的行為、使發(fā)電機(jī)耦合或去耦 合、從電網(wǎng)中取得動(dòng)力、將動(dòng)力發(fā)送到電網(wǎng)等等中選擇。在第三方案中，本發(fā)明提供一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包 括中央處理器(CPU)；存儲(chǔ)器，可操作為連接到所述CPU，存儲(chǔ)器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，其中 所述CPU和存儲(chǔ)器可操作為適于接收影響渦輪機(jī)的操作的行為的信息并且發(fā)送指令以更 改所述渦輪機(jī)的操作。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備還存儲(chǔ)接收到的影響渦輪機(jī)的操作的行為的信息、接 收到的信息和/或渦輪機(jī)的輸出或者操作的信息。
優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理單元為可編程邏輯控制器(PLC)。優(yōu)選地，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息為下述元件中的一個(gè)或者多個(gè)用于檢測(cè) 潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量周圍空氣或者周圍水的溫度或者發(fā) 動(dòng)機(jī)的溫度、或者液壓油的溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī)的偏航角或線性定位有關(guān)的 角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的一個(gè)或多個(gè)水下或水上攝像 機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的一個(gè)或多個(gè)傳感器； 潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海底水位上方的渦輪機(jī)的偏航角或 高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的發(fā)電機(jī)或逆變器； 警報(bào)器；及上述元件的組合。在第四方案中，本發(fā)明提供一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包 括中央控制器，包括中央處理器(CPU)和可操作為連接到所述CPU的存儲(chǔ)器；至少一個(gè)終端，適于與所述中央控制器進(jìn)行通信，以傳輸關(guān)于水力渦輪機(jī)的行為 的信息；所述中央控制器中的存儲(chǔ)器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，用于接收影響渦輪 機(jī)操作的行為的信息，并且將指令發(fā)送到所述終端以更改所述渦輪機(jī)的操作。優(yōu)選地，所述設(shè)備包含多個(gè)終端，每個(gè)終端都與單個(gè)渦輪機(jī)或者多個(gè)渦輪機(jī)的組 合進(jìn)行通信。優(yōu)選地，所述中央控制器還存儲(chǔ)接收到的關(guān)于多個(gè)渦輪機(jī)的操作的信息。中央控制器可以被硬連接到終端，或通過電話、無線電等進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。在第五方案中，本發(fā)明提供一種用于借助計(jì)算機(jī)來控制水力渦輪機(jī)的操作的方 法，包括接收影響渦輪機(jī)操作的行為的信息；分析接收到的信息；以及基于接收到的信息發(fā)送指令以更改所述渦輪機(jī)的操作。優(yōu)選地，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息可以為下述元件中的一個(gè)或者多個(gè)用于 檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量周圍空氣或者周圍水的溫度或 者發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、或者液壓油的溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī)的偏航角或線性定位有 關(guān)的角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的一個(gè)或多個(gè)水下或水上 攝像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的一個(gè)或多個(gè)傳 感器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海底水位上方的渦輪機(jī)的偏航 角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的發(fā)電機(jī)或逆變 器；警報(bào)器；及上述元件的組合。在第六方案中，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，用表示可編程器件的數(shù)據(jù)進(jìn) 行編碼，包括用于接收影響渦輪機(jī)操作的行為的信息的裝置；用于分析接收到的信息的裝置；以及用于基于接收到的信息發(fā)送指令以更改所述渦輪機(jī)的操作的裝置。優(yōu)選地，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息為下述元件中的一個(gè)或者多個(gè)用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量周圍空氣或者周圍水的溫度或者發(fā) 動(dòng)機(jī)的溫度、或者液壓油的溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī)的偏航角或線性定位有關(guān)的 角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的一個(gè)或多個(gè)水下或水上攝像 機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的一個(gè)或多個(gè)傳感器； 潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海底水位上方的渦輪機(jī)的偏航角或 高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的發(fā)電機(jī)或逆變器； 警報(bào)器；及上述元件的組合。在第七方案中，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)程序單元，包括計(jì)算機(jī)程序代碼以制作可 編程器件接收影響水力渦輪機(jī)操作的行為的信息；分析接收到的信息；以及基于接收到的信息發(fā)送指令以更改所述渦輪機(jī)的操作。在第八方案中，本發(fā)明提供一種用于從水流中產(chǎn)生動(dòng)力的方法，包括在具有流水的區(qū)域中安裝根據(jù)本發(fā)明第一或第二方案的動(dòng)力系統(tǒng)；允許水流轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪機(jī)；以及利用所述系統(tǒng)更改所述水力渦輪機(jī)的動(dòng)力輸出以產(chǎn)生電力。該說明書自始至終，除非上下文需要，否則詞語“包括”或者其變化例如“包含”或 “含有”可以被理解為暗示內(nèi)含一規(guī)定的元件、整體或步驟、或多個(gè)元件、整體或步驟的組 合，但是并不排除任何其他的一元件、整體或步驟，或者多個(gè)元件、整體或步驟的組合。為了提供用于本發(fā)明的內(nèi)容的目的，對(duì)于已經(jīng)被包括在本發(fā)明中的文件、行為、材 料、器件、物品等進(jìn)行的任何討論都是獨(dú)有的。其不是用于作為承認(rèn)任何或所有這些內(nèi)容形 成現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的一部分或者是與本發(fā)明相關(guān)的本領(lǐng)域中的公知常識(shí)的陳述，因?yàn)槠湓谠?說明書中公開的本發(fā)明的優(yōu)先權(quán)日之前就在澳大利亞存在了。為了更加清楚的理解本發(fā)明，將參照下述附圖和實(shí)例描述優(yōu)選實(shí)施例。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的用于水力渦輪機(jī)的控制系統(tǒng)的示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于水力渦輪機(jī)的另一種控制系統(tǒng)的示意圖；圖3是示出本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的控制系統(tǒng)的元件的示意圖；圖4是示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的控制系統(tǒng)的元件的示意圖；以及圖5是示出處理系統(tǒng)的元件的示意圖。
具體實(shí)施例方式水下動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)典型地包含具有許多葉片或旋翼的渦輪機(jī)。該系統(tǒng)包括動(dòng)力提 取裝置(power extraction device)或吊具(lift)，其中該動(dòng)力提取裝置(例如為發(fā)電機(jī) 或泵)用于在水壓的影響之下產(chǎn)生動(dòng)力以及葉片或旋翼的旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)，該吊具使將要產(chǎn)生 的動(dòng)力通過該動(dòng)力提取裝置。在其最簡(jiǎn)化的形式中，渦輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)速率或旋轉(zhuǎn)速率與通過 或經(jīng)過渦輪機(jī)的水的運(yùn)動(dòng)或流動(dòng)速率成正比。如果流動(dòng)速率太低，則渦輪機(jī)不運(yùn)行并且不 會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力。類似地，如果流動(dòng)速率不規(guī)律或不一致，則動(dòng)力產(chǎn)生率也將會(huì)不規(guī)律或不一
根據(jù)本發(fā)明的用于控制水力渦輪機(jī)操作的系統(tǒng)的實(shí)例在圖1中展示。渦輪機(jī)40被 連接到電網(wǎng)70，且渦輪機(jī)40能夠產(chǎn)生電力并經(jīng)由鏈路60將電力傳遞到電網(wǎng)70。渦輪機(jī)40 可以為能夠在水的運(yùn)動(dòng)影響之下運(yùn)行的任何適合的裝置。實(shí)例包括但不限于與風(fēng)力渦輪機(jī) (例如在W000/50768(海流渦輪機(jī)有限公司(Marine Current Turbines Limited))中所描 述的)類似的軸流式渦輪機(jī)、基于軌道的渦輪機(jī)(例如在W02005/028857、W02005/119052 和 W02007/070935 (Atlantis Resources Corporation Pte Limited)中所描述的)、回轉(zhuǎn)環(huán) 形渦輪機(jī)(例如在EP1430220(清潔電流功率系統(tǒng)法人公司(CleanCurrent Power Systems Incorporated))中所描述的)。本發(fā)明已經(jīng)用基于軌道的渦輪機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)并且特別適合 于這種系統(tǒng)。渦輪機(jī)40的操作通過控制系統(tǒng)30實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)30接收并處理來自于多個(gè)測(cè)量 裝置22、24、26和28的信息。測(cè)量裝置22、24、26和28的實(shí)例可以測(cè)量水流速度、流動(dòng)速 率、水流方向、渦輪機(jī)的負(fù)荷或輸出、渦輪機(jī)速度、渦輪機(jī)葉片或旋翼的迎角等等。用于進(jìn)行 測(cè)量的特定設(shè)備可以被放置在渦輪機(jī)40的當(dāng)前環(huán)境中并且將那些測(cè)量結(jié)果或信息傳遞給 控制系統(tǒng)。將來自于測(cè)量裝置22、24、26和28的信息饋送到控制系統(tǒng)30，并且基于所處理 的信息來控制渦輪機(jī)40的輸出。已經(jīng)開發(fā)了特定的軟件，該軟件允許在給定環(huán)境中處理信 息并且將信號(hào)或指令發(fā)送給渦輪機(jī)40以使其輸出最優(yōu)化。在一個(gè)實(shí)例中，控制系統(tǒng)30具有可編程邏輯控制器(PLC)并且與包括變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD)的渦輪機(jī)40相關(guān)聯(lián)，該變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)適于控制渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，以便于提供最 優(yōu)的動(dòng)力輸出。PLC適于利用VSD調(diào)節(jié)渦輪機(jī)40的操作速度和扭矩，從而對(duì)于給定的水流 動(dòng)速率保持最優(yōu)的動(dòng)力輸出。該系統(tǒng)還可以包括起動(dòng)(kick start)功能，以在流動(dòng)速率低時(shí)發(fā)動(dòng)或增加渦輪機(jī) 的旋轉(zhuǎn)，或者克服阻力以使渦輪機(jī)在高或低輸入情形之下旋轉(zhuǎn)。圖2示出與圖1的系統(tǒng)相似的布置，但是渦輪機(jī)40進(jìn)一步包括有外部更改裝置 52、54。更改裝置52、54的實(shí)例包括相對(duì)于水流方向定位渦輪機(jī)40，調(diào)整渦輪機(jī)40的高 度或深度，更改渦輪機(jī)40的轉(zhuǎn)子葉片或旋翼的速度，更改施加到渦輪機(jī)40的動(dòng)力負(fù)荷或扭 矩。變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)可用于將反扭矩施加到渦輪機(jī)40以保持期望的運(yùn)動(dòng)，從而使動(dòng)力的 產(chǎn)生最優(yōu)化。對(duì)于需要關(guān)于水流方向的特定定位的渦輪機(jī)，例如基于軌道的系統(tǒng)，更改裝置可 以為快速定向裝置(slewing arrangement)，以相對(duì)于水流方向聚焦或瞄準(zhǔn)渦輪機(jī)40。該系統(tǒng)還可以包括起動(dòng)功能，以在流動(dòng)速率低時(shí)發(fā)動(dòng)或增加渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)，或者 克服阻力以使渦輪機(jī)在高或低輸入情形之下旋轉(zhuǎn)。就這一點(diǎn)而言，應(yīng)當(dāng)通過布置發(fā)動(dòng)機(jī)從 電網(wǎng)70中取得動(dòng)力以使渦輪機(jī)40轉(zhuǎn)動(dòng)。有些形式的發(fā)電機(jī)可以經(jīng)由渦輪機(jī)40的旋轉(zhuǎn)產(chǎn) 生動(dòng)力，但是也可以被用作發(fā)動(dòng)機(jī)，以使渦輪機(jī)40經(jīng)由從電網(wǎng)70接收的動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)?？?制系統(tǒng)30可以根據(jù)需要控制供應(yīng)到發(fā)電機(jī)的電力或從發(fā)電機(jī)供應(yīng)的電力。控制系統(tǒng)30可以被放置為非常接近系統(tǒng)10，并且被硬連接到測(cè)量裝置22、24、26 和28、更改裝置52、54以及渦輪機(jī)40?？商娲?，控制系統(tǒng)30可為遠(yuǎn)程的并且通過無線電 網(wǎng)絡(luò)或其它通信網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng))進(jìn)行通信。在水力渦輪機(jī)場(chǎng)(farm)中，控制系統(tǒng)30 可以控制單個(gè)渦輪機(jī)或者操作一系列渦輪機(jī)。
控制系統(tǒng)30包括處理系統(tǒng)50，處理系統(tǒng)50包括分布式架構(gòu)，后者的實(shí)例如圖3所 示。在該實(shí)例中，基站1經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)2(例如因特網(wǎng)和/或無線或無線電網(wǎng)絡(luò))和/或經(jīng) 由通信網(wǎng)絡(luò)4(例如局域網(wǎng)(LAN)4)耦合到多個(gè)終端站3、5。因而，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到LAN 4可以 在特定位置形成因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在使用中，處理系統(tǒng)50適于至少?gòu)臏y(cè)量裝置22-26和/或其它裝置(例如網(wǎng)站或 控制輸入)接收信息，并且將該信息以用戶或者控制器終端的形式供應(yīng)給終端站3、5。終端 站5或者各個(gè)終端站5適于將信息提供回到基站1。因此，可以使用任何形式的適合的處理系統(tǒng)50。在圖5中示出一實(shí)例。如圖所示， 在該實(shí)例中，處理系統(tǒng)50至少包括經(jīng)由總線11耦合在一起的處理器6、存儲(chǔ)器7、輸入/輸 出裝置8 (例如鍵盤和顯示器)以及外部接口 9。因此，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，可以由任何適合的處理系統(tǒng)形成處理系統(tǒng)50，例如適當(dāng)編程的 PC、PLC、因特網(wǎng)終端、微型計(jì)算機(jī)、手持PC等，典型地，處理系統(tǒng)50操作應(yīng)用軟件，以進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳遞并且在某些情況下進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)瀏覽。類似地，終端站3或者各個(gè)終端站3必須適于與位于基站1處的處理系統(tǒng)50進(jìn)行 通信。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這樣允許使用多種不同形式的終端站3。測(cè)量裝置或輸入裝置22、24、26和28可以包括攝像機(jī)或其它檢測(cè)裝置(例如聲 納)和那些在本說明書所描述的輸入裝置?？梢岳寐暭{和水下、水上攝像機(jī)，并且可以通 過通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)它們的輸出進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。按此方式，能以一些適當(dāng)?shù)姆绞竭h(yuǎn)程停止渦輪機(jī) 或更改渦輪機(jī)性能的操作者或者計(jì)算機(jī)可以檢測(cè)某些類型的障礙物。檢測(cè)裝置、聲納或者 攝像機(jī)也可以被連接到警報(bào)器和緊急自動(dòng)停止裝置。也可以利用軟件(例如形狀識(shí)別軟 件)使得潛在的障礙物可以被自動(dòng)檢測(cè)，從而作為響應(yīng)，控制系統(tǒng)30可以自動(dòng)致動(dòng)某些其 它裝置。在特定環(huán)境中，響應(yīng)于特定的潛在危險(xiǎn)，可以由控制系統(tǒng)30采取行動(dòng)，例如致動(dòng)警 報(bào)器或者改變渦輪機(jī)40的操作速度或角度或高度，直到潛在的或者實(shí)際的障礙物已經(jīng)被 移除或自身移除為止。那時(shí)，障礙物的消失也可以通過攝像機(jī)或聲納或其它檢測(cè)裝置而被 檢測(cè)，并且可以自動(dòng)致動(dòng)渦輪機(jī)40以重新開始產(chǎn)生動(dòng)力。此外，可以由存儲(chǔ)器記錄來自攝像機(jī)的膠片(footage)或來自聲納的事件。為了 提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率，可以從存儲(chǔ)器刪除沒有事件發(fā)生的其它時(shí)間段，但是在障礙物事件 之前和之后的所選擇的時(shí)間段可以被保留在存儲(chǔ)器中，以便于之后回顧。輸入裝置22、24、26和28還可以包括呈聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)形式的流 速剖面儀，其向控制系統(tǒng)30報(bào)告如下信息10級(jí)層流水層(10 laminar water layers)的水流速度10級(jí)層流水層的水流方向平均水流速度平均水流方向潮汐深度(tidedepth)上述信息被記入到SQL服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。ADCP被整合到PLC控制系統(tǒng)中，并且ADCP的輸出可以被用在處理器中，從而使得 其通過致動(dòng)信號(hào)使諸如液壓發(fā)動(dòng)機(jī)之類的元件致動(dòng)，從而使得渦輪機(jī)30的高度或者偏航 角可以被改變以最優(yōu)化輸出。如果潮汐反向，則控制系統(tǒng)進(jìn)行所謂的主運(yùn)動(dòng)(180度旋轉(zhuǎn))，如果潮汐的方向改變很小的角度，則控制系統(tǒng)進(jìn)行所謂的輔助運(yùn)動(dòng)，從而使動(dòng)力輸出最優(yōu) 化?？刂葡到y(tǒng)也保持對(duì)所有輸出的安全訪問。訪問控制系統(tǒng)受密碼保護(hù)，這在優(yōu)選實(shí) 施例中是有益的，因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)便于從設(shè)置有因特網(wǎng)或其它能夠進(jìn)行衛(wèi)星通信的裝置的任 何地方進(jìn)行訪問?？刂葡到y(tǒng)30監(jiān)控并且控制各種級(jí)別的動(dòng)力，包括PLC，其鏈接到用于各種器件、保 險(xiǎn)絲和開關(guān)的繼電器，并且控制系統(tǒng)30還控制和監(jiān)控高壓輸出，以控制進(jìn)入電網(wǎng)70的動(dòng)力 的相位角度和量級(jí)。為了提高可靠性，優(yōu)選地，在計(jì)算電路、UPS、傳感器和I/O控制器中使用24V電路。 此外，在控制系統(tǒng)30中安裝冗余電源。每個(gè)電源均被連接到二極管模塊，如果一個(gè)電源停 止或者出現(xiàn)故障，則該故障狀況可被抑制在二極管模塊之后以允許其它電源繼續(xù)操作。每 個(gè)電源均具有用導(dǎo)線連接到PLC的I/O的故障信號(hào)觸點(diǎn)，從而可以檢測(cè)到故障通知并且修
復(fù)該故障。可以通過PLC輸出遠(yuǎn)程重置保險(xiǎn)絲。在優(yōu)選實(shí)施例中這是有益的，因?yàn)樗鼈兺ǔ?位于在電纜塔上的遠(yuǎn)岸位置(remote location offshore)處的機(jī)柜中。以電池的形式提供電源，所述電池可以通過太陽能電池板或其它方法(例如接通 來自于渦輪機(jī)40的潮汐動(dòng)力等)被再充電。控制系統(tǒng)還可以基于與潮汐流、潮汐角、產(chǎn)生的動(dòng)力、事件日志等有關(guān)的請(qǐng)求來產(chǎn) 生報(bào)告。連接到PLC的其它測(cè)量裝置包括水淹發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室檢測(cè)器(floodedmotor chamber detector)；用于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的熱電偶；用于空氣溫度的熱電偶；用于渦輪機(jī)的流 速計(jì)；用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、頻率、電壓、安培、功率、RPM的器件。PLC還被連接到液壓發(fā) 動(dòng)機(jī)，該液壓發(fā)動(dòng)機(jī)沿著電纜塔并且圍繞該電纜塔移動(dòng)渦輪機(jī)。還連接定位測(cè)量裝置，從而 可以得到準(zhǔn)確的讀數(shù)和位置。軟件提供圖形界面，從而向位于世界范圍內(nèi)的任何用戶或控制器提供如下信息和 性能動(dòng)力產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；扭矩設(shè)定的手動(dòng)超馳(manual override)；渦輪機(jī)40的高度和角度 的手動(dòng)超馳；實(shí)時(shí)動(dòng)力產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)的視圖；動(dòng)力產(chǎn)生之前的時(shí)間段的視圖；攝像機(jī)圖像的視 圖；潮汐表的視圖；實(shí)時(shí)潮汐層的視圖；警報(bào)日志。本發(fā)明已經(jīng)詳盡地模擬了水力渦輪機(jī)的動(dòng)力輸出，并且基于該信息已經(jīng)開發(fā)了適 合的控制系統(tǒng)10。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使水流動(dòng)速率很低，環(huán)境因素的微妙的或敏感的操縱也能夠 產(chǎn)生最優(yōu)動(dòng)力。可以為給定流動(dòng)速率和類型的渦輪機(jī)計(jì)算設(shè)置點(diǎn)(set point)，使得控制系 統(tǒng)10可以被編程以保持渦輪機(jī)的速度，從而使該流動(dòng)速率中的輸出最大化。本發(fā)明已經(jīng)被申請(qǐng)人使用以成功地控制并且最優(yōu)化連接到電網(wǎng)的基于軌道的水 力渦輪機(jī)的動(dòng)力產(chǎn)生。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，在不脫離廣泛描述的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍內(nèi)，可以 對(duì)如具體實(shí)施方式
中所示的本發(fā)明進(jìn)行許多變化和/或改進(jìn)。因此，無論從哪方面來說，本 發(fā)明的實(shí)施例均是示例性的而非限制性的。
權(quán)利要求
一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的系統(tǒng)，包括渦輪機(jī)；用于測(cè)量影響所述渦輪機(jī)的操作的行為的裝置；用于更改所述渦輪機(jī)的操作的裝置；以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括中央處理器(CPU)、可操作為連接到所述CPU的存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，其中所述CPU和所述存儲(chǔ)器可操作為適于從測(cè)量裝置接收信息并且對(duì)更改裝置執(zhí)行指令以更改所述渦輪機(jī)的操作。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中用于測(cè)量行為的裝置選自由下述元件組成的組用 于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；用于測(cè)量行為的流速剖面儀形式的裝置；用于測(cè)量 周圍空氣或者周圍水的溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、或者液壓油溫度的熱電偶；接收與所述渦輪 機(jī)的偏航角或線性定位有關(guān)的角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物 的一個(gè)或多個(gè)水下或水上攝像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生 的相位的一個(gè)或多個(gè)傳感器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；及上述元件的組I=I O
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，用于更改所述渦輪機(jī)的操作的裝置選自由下述 元件組成的組用于改變海底水位上方的渦輪機(jī)的偏航角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變 輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的發(fā)電機(jī)或逆變器；警報(bào)器；及上述元件的組合。
4.一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的系統(tǒng)，包括 渦輪機(jī)；用于測(cè)量水流速度(流動(dòng)速率)的裝置；用于測(cè)量水流方向的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)負(fù)荷或輸出的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)速度的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)葉片或旋翼的迎角的裝置；用于測(cè)量渦輪機(jī)高度的裝置；以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括中央處理器(CPU)、可操作為連接到所述CPU的存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ) 器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，其中所述CPU和存儲(chǔ)器可操作為適于從水流速度(速 率)測(cè)量裝置、水流方向測(cè)量裝置、渦輪機(jī)負(fù)荷或輸出測(cè)量裝置、渦輪機(jī)速度測(cè)量裝置、渦 輪機(jī)高度、渦輪機(jī)的定向接收信息，并且執(zhí)行指令以控制所述渦輪機(jī)的操作。
5.一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括 中央處理器(CPU)；以及存儲(chǔ)器，可操作為連接到所述CPU，所述存儲(chǔ)器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，其中 所述CPU和所述存儲(chǔ)器可操作為適于接收影響渦輪機(jī)操作的行為的信息并且發(fā)送指令以 更改所述渦輪機(jī)的操作。
6.如權(quán)利要求5所述的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其中，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息選自由下 述元件組成的組用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量周圍空 氣或者周圍水的溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、或者液壓油溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī)的偏 航角或線性定位有關(guān)的角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的一個(gè) 或多個(gè)水下或水上攝像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的一個(gè)或多個(gè)傳感器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海底水位上方的 渦輪機(jī)的偏航角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的 發(fā)電機(jī)或逆變器；警報(bào)器；及上述元件的組合。
7.一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括中央控制器，包括中央處理器(CPU)和可操作為連接到所述CPU的存儲(chǔ)器；至少一個(gè)終端，適于與所述中央控制器進(jìn)行通信，以傳輸關(guān)于水力渦輪機(jī)的行為的信息；其中，所述中央控制器中的存儲(chǔ)器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，用于接收影響渦 輪機(jī)操作的行為的信息并且將指令發(fā)送到所述終端以更改所述渦輪機(jī)的操作。
8.如權(quán)利要求7所述的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其中，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息選自由下 述元件組成的組用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量周圍空 氣或者周圍水的溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、或者液壓油溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī)的偏 航角或線性定位有關(guān)的角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的一個(gè) 或多個(gè)水下或水上攝像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的 一個(gè)或多個(gè)傳感器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海底水位上方的 渦輪機(jī)的偏航角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的 發(fā)電機(jī)或逆變器；警報(bào)器；及上述元件的組合。
9.一種用于借助計(jì)算機(jī)來控制水力渦輪機(jī)的操作的方法，包括接收影響渦輪機(jī)操作的行為的信息；分析所接收的信息；以及基于所接收的信息發(fā)送指令以更改所述渦輪機(jī)的操作。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息選自由下述元件組 成的組用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量周圍空氣或者周 圍水的溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、或者液壓油的溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī)的偏航角 或線性定位有關(guān)的角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的一個(gè)或多 個(gè)水下或水上攝像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的一 個(gè)或多個(gè)傳感器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海底水位上方的渦 輪機(jī)的偏航角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速度的發(fā) 電機(jī)或逆變器；警報(bào)器；及上述元件的組合。
11.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，用表示用于水力渦輪機(jī)的操作的可編程器件的數(shù)據(jù)進(jìn)行 編碼，包括用于接收影響渦輪機(jī)操作的行為的信息的裝置；用于分析所接收的信息的裝置；以及用于基于所接收的信息發(fā)送指令以更改所述渦輪機(jī)的操作的裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，其中，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息選 自由下述元件組成的組用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量 周圍空氣或者周圍水的溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、或者液壓油的溫度的熱電偶；接收與所述 渦輪機(jī)的偏航角或線性定位有關(guān)的角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障 礙物的一個(gè)或多個(gè)水下或水上攝像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相位的一個(gè)或多個(gè)傳感器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海 底水位上方的渦輪機(jī)的偏航角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以 影響其速度的發(fā)電機(jī)或逆變器；警報(bào)器；及上述元件的組合。
13.一種計(jì)算機(jī)程序單元，包括計(jì)算機(jī)程序代碼，以制作可編程器件 接收影響水力渦輪機(jī)操作的行為的信息；分析所接收的信息；以及基于所接收的信息發(fā)送指令以更改所述渦輪機(jī)的操作。
14.如權(quán)利要求13所述的計(jì)算機(jī)程序單元，其中，影響渦輪機(jī)操作的行為的信息選自 由下述元件組成的組用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的聲納裝置；流速剖面儀；用于測(cè)量周 圍空氣或者周圍水的溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、或者液壓油溫度的熱電偶；接收與所述渦輪機(jī) 的偏航角或線性定位有關(guān)的角度或高度測(cè)量結(jié)果的傳感器；用于檢測(cè)潛在或?qū)嶋H障礙物的 一個(gè)或多個(gè)水下或水上攝像機(jī)；用于測(cè)量渦輪機(jī)速度或產(chǎn)生的動(dòng)力、產(chǎn)生的電壓、產(chǎn)生的相 位的一個(gè)或多個(gè)傳感器；潮汐信息；保險(xiǎn)絲、線路或繼電器校驗(yàn)程序；用于改變海底水位上 方的渦輪機(jī)的偏航角或高度的液壓發(fā)動(dòng)機(jī)；用于改變輸入到所述渦輪機(jī)的扭矩以影響其速 度的發(fā)電機(jī)或逆變器；警報(bào)器；及上述元件的組合。
15.一種從水流中產(chǎn)生動(dòng)力的方法，包括 在具有流水的區(qū)域中安裝水力渦輪機(jī)；為所述水力渦輪機(jī)提供根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于控制水力渦輪機(jī)的操作的系統(tǒng)；允許水流動(dòng)以轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪機(jī)；以及利用控制系統(tǒng)更改所述水力渦輪機(jī)的動(dòng)力輸出，以從所述水力渦輪機(jī)中生產(chǎn)電力。
16.一種實(shí)質(zhì)上如上文參照實(shí)例所述的用于控制水力渦輪機(jī)操作的系統(tǒng)。
17.一種實(shí)質(zhì)上如上文參照實(shí)例所述的用于控制水力渦輪機(jī)操作的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
18.一種實(shí)質(zhì)上如上文參照實(shí)例所述的用于借助計(jì)算機(jī)來控制水力渦輪機(jī)操作的方法。
19.一種實(shí)質(zhì)上如上文參照實(shí)例所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器。
20.一種實(shí)質(zhì)上如上文參照實(shí)例所述的計(jì)算機(jī)程序單元。
全文摘要
描述了一種用于控制水力渦輪機(jī)的操作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括渦輪機(jī)；用于測(cè)量影響所述渦輪機(jī)的操作的行為的裝置；用于更改所述渦輪機(jī)的操作的裝置；以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括中央處理器(CPU)、可操作為連接到所述CPU的存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器包含適于由所述CPU執(zhí)行的程序，其中所述CPU和所述存儲(chǔ)器可操作為適于從測(cè)量裝置接收信息并且對(duì)更改裝置執(zhí)行指令以更改所述渦輪機(jī)的操作。還描述了用于控制渦輪機(jī)的操作的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)程序單元及方法。
文檔編號(hào)F03B15/00GK101932824SQ200880117406
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者克里斯·度尼, 康拉德·塞芬斯特 申請(qǐng)人:亞特蘭蒂斯能源有限公司