提取能量的缆约束往复运动叶片系统 本发明总的来说涉及发电，特别涉及为了从水运动体中提取能量的便于向电能转换的一种缆约束往复运动叶片系统。
自从电气化时代起，水力发电工业就以直接连接发电机的旋转涡轮这一原理为基础。由于这一原理的简单性和可得到大量的适当的坝址极大地促使这一原理得到广泛采用。
然而，这个原理的广泛采用要高额投资建设很多坝、安装涡系统和建设长途输电网，并带来环境的不利影响。需要一些压力储蓄装置，如水坝和在旋转涡轮上的高压水的通道。水坝可占一具体工程开发投资的80％。
由于大坝引起的环境的不利影响包括：增加捕捞、温度效应、生物环境的破坏和阻滞回游性鱼的发展。这些环境的不利影响主要是水坝高水头高度所造成的。造成对鱼类的机械损坏的旋转涡轮系统引起的地不利影响包括：压力效应、叶轮的机械打击、水的剪切和捕食者集中。
利用常规的水力产生电力，若可以降低投资并消除或者至少是缓和大多数环境影响的一种替代方案，是极为理想的。一个替代方案是将往复运动机构用到能量转换。迄今，这种方案已经有基于风力能量转换的开发形式，利用风能的往复运动机构还没有证明是不可行的。据认为，不能生产风能是由于这种流体密度低且速度低。
因此，仍需要另一种往复运动能量转换方案，它能克服与常规的水力发电相伴问题，并可避免风往复能量转换的不可行性。
本发明提供一种能满足上述要求的缆约束往复运动叶片系统。这种往复运动叶片系统提供一种从运动水体中提取能量而便于向电能转换的方案，而将投资和对环境影响减到最小。该系统主要利用缆和叶片作为基本的元件，将水力能量转换为可利用的机械能。
该往复运动叶片系统不需要大水坝，允许该系统建在现存的水工设施上，并可使长途输送线路减至最小。与常规的涡轮相比该系统可建成大型规模，能够经济的利用大量的慢速运动的流场。因为该系统是一种速度头装置，它不用坝可以应用，可位于现存的低水坝、突堤等水道自然变窄和流速提高的地点。该系统极适合于从低水头源中提取能量，如就速度头所呈现的那样。这种广泛适应性的原因是使用缆(主要处于张紧中的件)。缆的形状使在水中的磨擦减到最小的刚性件。对于人工结构已然存在某些地点，该选位的灵活性会导致很低的投资。而且，该系统完全可以浮动在一个河流中从而便使支撑结构的投资最节省。浮动装置是下设的缆、负载装置和控制装置。仅涡轮发电机组位于岸上。而且，低水头动力生产的广泛经济潜力是很大的。在很多情况中最大的河流也是大量人口的居住地。
另外，这个往复运动叶片系统可以低投资地建造，而生产的电力可以比常规水电更高的价出售。由于除静压头外还利用速度头，这个系统的土建费用比常规的涡轮低得多。因为不需要坝，该系统可接近都市中心，这将电力输送费减至最低。而且，因为该系统使用一个中间的液压步骤，高峰动力可被附加到同一地点而不需要多余的发电机或大型蓄能水库。在美国，由该系统来的电力现在售价为现有水电的两倍。因此，该系统提供双重利益，既增加收入又减小基建投资。提供高峰动力的能力还允许建设比一个地点仅包括水力发电更大的电厂，从而使电厂的大小达到最大，并且每地点的收入最高。给定地点的较高发电容量能使单位电力输出的基建投资降低。
由于该系统对使用坝有最低的要求，往复运动叶片系统大体上避免了由于建水坝引起的生态影响。该系统可以靠近都市中心，由此避免了修建输送线路对环境的影响。缓慢的冲程(低的剪切率)和开放的渠道(没有压力变化)设计会造成很低的鱼类死亡率。
因此，本发明总的目的是一种从运动水体中提取能量便于将其转换成另一种形式的能如电能的往复运动叶片系统。该往复运动叶片系统包括：(a)至少一个叶片，它布置在沿给定流动方向流动的运动水体中，该叶片具有一水翼轮廓，它能改变相对于给定的流动方向的一个迎角，使叶片随着与运动水体的接触而进行横向运动；(b)控制装置，它连接到相对于给定的流动方向的上游端，用于向叶片的上游端施加一个张紧状态；(c)动力装置，它连接到相对于给定流动方向的叶片下游端，并在给定流动方向大致横向和从叶片出发的相对方向延伸；(d)负载装置，它连接到动力装置上，并能交替的向动力装置施加张紧和松驰状态，依据叶片相对于给可随着所述负载装置通过所述工作循环的运行而进行一个能量转换循环运行，从而使所述叶片的横向运动使所述负载装置与所述能量转换机构一起将所述提取的能量转换成另外形式的能。
13.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述负载装置连接着所述控制装置，将在所述控制装置中的张紧状态作为所述叶片沿其摆动路径的位置的函数加以控制。
14.根据权利要求13所述系统，具特征在于，还包括：至少一个滑轮，它们安装在所述叶片和所述负载装置之间的静止位置上，各个滑轮均将一条动力缆至少局部容纳其中并将其由此输送到所负载装置。
15.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述负载装置还连接着所述动力装置，将所述动力装置中的张紧状态作为所述叶片沿其摆动路径的位置的函数来控制。
16.一种从运动水体中提取能量的往复运动叶片系统，所述系统包括：
(a)至少一个叶片，布置在沿给定流动方向流动的运动水体中，所述叶片具有一水翼轮廓，能相对于给定的流动方向改变迎角，使所述叶片随着与运动水体的接触而进行横向运动；
(b)一个长的控制缆，其第一端装接在所述叶片相对于给定流动方向的上游端上；
(c)一个从所述叶片向上游间隔开的一静止结构，所述控制缆在与所述第一端相对的第二端处装接在所述静止结构上并由此延伸到所述叶片的所述上游端，而通过所述控制缆由所述静止结构将张紧状态施加到所述叶片的所述叶片的上游端；
(d)一对长的动力缆，用于传送张紧和松驰状态，所述一对动力缆中每一个具有一装接到所述叶片的下游端上的第一端，且在给定流动方向的大致横向和从所述叶片出发的相对方向延伸到与所述动力缆的第一端相对的第二端；
(e)负载装置，它连接到所述动力缆的所述第二端上，并能交替地通过所述动力缆向所述叶片施加张紧和松驰状态，依据所述叶片与给定流动方向的迎角位向，使所述叶片受运动水体的作用沿一摆动路径在一段时间通沿一对相对方向之一作横向运动，所述摆动路径是大致在相对于给定流动方向的横向延伸，从而从水运动体中提取能量；并当所述叶片到达所在下文中把本发明称为往复运动叶片系统10。
基本上说，往复叶片系统10包括：至少一个叶片12，它位于在给定方向D流动的运动水体W中；控制装置14，它相对于给定流动方向D装在叶片12的上游端12A；动力装置16，它相对于给定流动方向D装在叶片的下游端；和负载装置18，它与动力装置16连接，并可选择地与控制装置14连接。系统10的叶片12具有水翼的轮廓，可相对于给定的流动方向D设定迎角，以使叶片随着与运动水体W的接触进行横向运动。
系统10的控制装置14将一张紧状态施加到叶片12的上游端12A。系统10的动力装置16沿大致垂直于给定流动方向D和从叶片12出发的相对方向延伸。负载装置18可用于向该动力装置施加张紧和松驰状态，使叶片12依据叶片12相对于给定流动方向口的迎角受运动水体W的作用沿着在给定流动方向D的大致横向延伸的摆动路径P(见图9)，向一对相反方向R和L(见图9)之一进行横向运动，从而由运动水体W中提取能量。负载装置18也可用于使叶片12在到达摆动路径P的各个相对端时逆转叶片12相对于给定流动方向的迎角，然后叶片受运动水体W的作用开始沿摆动路径在反向运动。如图2所示，可以选择为使负载装置18也与控制装置14连接，将在控制装置中的张紧状态作为叶片沿摆动路径P的位置的函数来控制。
而且，负载装置18可随着叶片12通过它的摆动路径P的横向运动通过一工作循环运行。负载装置18可耦接到一个外部的能量转换机构22，如一涡轮发电机组，它可随着负载装置通过一工作循环的运行而其本身也通过一已知的能量转换循环运行。负载装置18也可做其它有用的工作，如泵送水、碳氢化合物、空气或一些其它流体。就能量转换机构22来说，叶片12的横向运动使得负载装置18与能量转换机构22一起将提取的能量转换成一种比较有用的能量形式，如电能，在此应用场合外部能量转换机构22是涡轮发电机组。
在图1所示的往复运动叶片系统10的简化形式中，系统10使用一单个叶片12。控制装置14是一单根长控制缆24，它的第一端24A装在叶片12的上游端12A上，并由此相对于给定的流动方向向上游延伸。控制缆24可以是一非弹性的可弯曲件。而且，缆24可以是一部分的或整体的刚性件，不同于一可弯曲的圆缆，它具有的形状使磨擦阻力最小。控制装置14也可由一可弯曲然而基本上是刚性的材料构成，如尼龙、在塑料基体上的碳纤维等。因此，控制装置14可以是基本上在紧张状态的一刚性的或可弯曲的件。该张紧对机构的结构要求减至最小，并因此是本发明的关键特征。
在一些应用中，控制装置14还包括从叶片12向上游间隔开的一静止结构26，控制缆24的与第一端24A相对的第二端24B连接在静止结构上。因此，控制缆24由静止结构26延伸到叶片的上游端12A，并将张紧状态通过控制缆24由静止结构加到叶片12的上游端12A。
系统10的动力装置包括一对长的非弹性可弯曲动力缆28，用于传送张紧和松驰状态，这一对动力缆28中每一个具有第一端28A，后者连接到叶片12的下游端12B上，而且该动力装置在给定流动方向D的大致横向和沿从叶片12出发的相对方向延伸到与第一端28A相对的第二端28B，该第二端28B连接到负载装置18上。动力装置16也可包括一对滑轮30，该对滑轮30安装在从叶片12出发的相对方向而间隔开的和在叶片12和负载装置18之间的静止位置(如岸边或流动水体W中的静止结构)上。每个滑轮30至少局部缠绕式地容纳和输送各自的一个动力缆28，且该动力缆由滑轮向负载装置18延伸。
系统10的负载装置18包括至少一个液压回路32，后者具自一对回路部分32A、32B。一个回路部分32A形成一个输出，由回路32向外部能量转换机构22如涡轮发电机组供给一股加压流体，同时另一回路部分32B形成一个输入，由外部能量转换机构22将加压的流体返回到回路32。负载装置18还包括一个可通过一工作循环往复运动的液压致动器34，后者连接着液压回路32。液压致动器34的相对端34A、34B连接着动力缆28的第二端28B。作为叶片12沿它的摆动路径P横向运动的结果，当液压致动器34也通过它的工作循环往复运动时，液压致动器34运行而交替地向各动力缆28施加张紧和松驰状态，而这些状态又由此传递给叶片12。
负载装置18也可连接到控制装置14，将控制装置14的张紧状态作为叶片12沿它摆动路径的位置的函数加以控制。特别是如图2所示，一个液压致动器31连接到控制缆24的端部24B。在液压致动器31中的压力通过自动控制装置(未示出)由一个控制阀33控制，将控制缆24中的张紧状态作为叶片沿它摆动路径的位置的函数来控制。
在图1所示往复运动叶片系统的简化形式和图2所示的较复杂的形式之间的主要不同是，后者使用多个叶片12，和多个负载装置18彼此并行连接在一起并串联到涡轮发电机组22上。而且，在图2中系统10的每个负载装置18包括一个由一刚性轴37连接到液压致动器34上的可变面积的活塞35。通过在它的冲程中产生可变面积，可变面积活塞35给予动力缆28一可变张紧力，该张紧力是叶片2的在摆动路径中的位置函数。而且，液压致动器34的压力可通过自动控制装置(未示出)由一个控制阀39控制，以便把动力缆28中的张紧状态作为叶片12沿它的摆动路径的位置的函数来控制。在很多的其它方面，往复运动叶片系统10的这两种形式进行的相应操作是基本相同的。
参见图3和图4，在此示出系统10的叶片12的结构的一例。所示叶片12包括一个直立延伸的叶片件36，它有相应的上下部分36A和36B。上下部分36A和36B的每一个具有相对于一个竖直参考基准相反倾斜的上下部分。这个倾斜使得叶片12能够稳定地运行。因为随着时间的变化，水平面可能从盖住一部分叶片变到盖住全部叶片，使叶片的形成的这个整体的倾斜用以平衡随水位改变而变化的浮力。另外，每个上下部分36A、36B具有与飞机机翼相似的V形后掠结构，使叶片12在运行中稳定。
叶片12也包括一个或者多个舵件38，每个舵件安装到叶片件36的相应的上下部分36A和36B上面并由此向下游延伸，每个舵件在从叶片件36的中点36C出发的相对方向上(与中点)间隔基本相等的上下位置上，中点36C离叶片件36相对的上下端距离相等。舵件38也为运行提供稳定。
控制装置可以是两个或多个长的非弹性可弯曲的控制缆24，而不是一单个控制缆24，它们的第一端部24A装接到与舵件38相对的叶片件36上的上下位置上。而且，控制装置14也可包括若干保护套42，每个保护套沿控制缆24相对侧延伸，并包围控制缆24中之一。
参见图5至图7，作为一个例子，控制和动力缆14、16是通过一附件安装到叶片12的相应的上下游端12A和12B，其中每个缆14和16的各自端部锚固在一内槽44中，并通过一外V形槽46延伸，槽46允许在缆14，16和叶片12相应的端部之间的平滑铰接转动。
参见图8A-8F，在此示出一系列图，表示当叶片在它的摆动路径P的相对端E之一处逆转运动方向后叶片12的位置顺序。图9中箭头显示沿摆动路径P叶片12的空气动力学中心的轨迹。图8A表示在一工作冲程中向接近冲程的端部的失速点运动的叶片12。图8B表示向图8A所示的同一工作冲程的端部继续运动的叶片12。图8C表示在控制缆28X和28Y之间张紧和松驰状态的逆转而使叶片已停止向失速点运动，而由于在控制缆28X的张紧正围绕C点旋转。图8D表示叶片12继续围绕C点旋转，准备逆转它的迎角。图8E表示已完全围绕C点旋转的叶片12，它的迎角完全逆转过来，并且向摆动路径的图8A所示端的另一端附近的失速点移动。图8F表示叶片12在一逆转的工作冲程中向相反的失速点运动。
最后，图10A-10E示出本发明往复运动叶片系统10中的叶片12与控制缆24及动力缆28的不同安装方案。图10A和10B示出在河流流动中用的为了仅在一个方向从水流中转换能量的安装方案。图10C-10E示出在潮夕流中用的为了从相反两方向的水流中转换能量的安装方案。
从上述介绍可明了本发明及其优点，上面所介绍的形式仅是优选的或典型的实施例，显然不偏离本发明的精神和范围或抛弃重要优点可以作出种种改变。