水力发电系统和方法与流程

水力发电系统和方法
1.本技术要求2019年3月8日提交的序列号为62/815,670的美国临时专利申请和2019年6月25日提交的序列号为62/866,376的美国临时专利申请的优先权权益，这两篇文献的内容通过引用整体合并到本文中。
技术领域
2.本发明涉及一种用于从活水或流动的水产生电力的发电总成。更具体地，本发明涉及一种水动力发电总成，其包括控流器组件(baffle assembly)，所述控流器组件被构造成使水流加速流向或流进水力转换器，所述水力转换器位于控流器组件后面(即，下游)一定间隔处，用于由加速后的水流致动，并且发电机可操作地联结到水力转换器以产生电力。按这种方式构造，所述控流器组件包括控流器板块构件(或者控流器板块构件阵列)，所述控流器板块构件(或者控流器板块构件阵列)安装到支撑结构，并具有一个或多个开口，或者具有相邻控流器板块之间的板块间空隙，以形成该一个或多个开口，用于允许水从中流过，使得抵靠着、围绕着控流器组件流动以及/或者冲击到控流器组件上的水的速度，相对于控流器组件部署地点附近的周围水的速度增大(或加速)，从而能够增加发电机产生的电力。水力转换器可以是涡轮机组件、水轮机组件或者其他装置或组件，所述其他装置或组件能够将流水的能量转换成机械能，该机械能随后可以被用来致动、驱动或者以其他方式给一个或多个发电机提供动力以产生电。所述水力转换器位于(诸)控流器开口/(诸)空隙后面间隔一定距离处，并且可操作地联结到该至少一个发电机。


背景技术：

3.偏远的内陆社区通常很少或根本无法接入电网，在获得电力方面面临重大挑战，尤其是当这些社区处于寒冷气候时。这种离网社区通常附近没有现成可用的电力来源或产生这种电力的手段。这些社区的人口少，通常无法激励公用事业公司将电力线路延长很长距离到达这些社区。此外，由于地形复杂以及需要清除树木和保持电力线长度不会增加过长，建造输电塔和输电线路的成本可能非常高。偏远社区可能也没有良好的道路来运送为发电机提供动力的诸如汽油、煤炭或柴油等燃料。因此，地方政府有时会补贴燃料购买或安排运送燃料，但是，这些行动可能非常费钱、不可靠且对环境不友好。因此，缺乏足够的电力可能往往会限制偏远村庄或城镇的商业发展和投资，并且阻碍居民的生计。
4.尽管原油价格定期大幅下跌(诸如在2014
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2015年期间)，但由于全球石油和天然气储量不断减少，化石燃料价格上涨的长期趋势可能会继续。替代(优选是可再生)的能源生成系统已成为世界各国日益关注的重要话题，特别是化石燃料消耗以及随之而来的排放和环境问题继续有增无减。因此，已经投入了大量的时间、资源和资金来研究和开发替代的电能生成系统，所述替代的电能生成系统利用诸如太阳能、水流、风能等可再生能源，以供应数量日益增大的能源。
5.近来探索了将海洋作为能源生成的来源。从海洋产生电能的潜力通常来自三种类型的能量/动力来源：海洋热能，波浪能和潮汐能。海洋热力发电利用冷的深海水和被太阳
加热的温暖海面水之间的热差；然后使用该热差使热机运行发电。然而，海洋热力发电成本高、效率低，而且可能需要的设备如果位于居民区附近会很难看，甚至可能对环境不友好。此外，海洋热力发电需要非常大的温度梯度或温差才能充分发挥作用。在许多海洋区域中，局部热差不够大，无法产生大量电能以满足需求。
6.波浪发电利用风在海面上作用所产生的波浪。然而，波浪发电高度依赖于波长，因此只适用于海洋中存在大波长的特定位置。波浪能有时不可靠，这是因为波浪质量不规则并且难以预测，从而导致能量的生成不恒定。
7.如果能量生成器位于居民区附近，则波浪和潮汐型能量生成可能会造成噪音或视觉污染。例如，某些潮汐能系统需要建造和放置远远超出水面的诸如液压装置和可动水箱等机器，诸如美国专利第5,426,332号、美国专利第5,872,406号和美国专利申请公布第2013/0134714号中所描述的。在美国专利第4,288,985号中所描述的另一个示例中，潮汐能系统可能需要在陆地上建造大型蓄水池，该蓄水池必须被充填，以便大型管道系统可以捕获水流。这种潮汐能系统需要在水面之上或岸上建造大型结构，从而需要大量的工程和土地成本，并且可能会引起环境问题。
8.wo2016/179048(在此通过引用合并该文献的全文)公开了一种潮汐能生成系统，它包括若干组件，用于使用浮力位移船利用潮汐在竖直方向上的升高和下降或者潮涨潮落捕获能量，并使用安装在位移船上的方向转换器将该能量转化为电能。wo2018/200005(在此通过引用合并该文献的全文)公开了一种潮汐能转换组件，其利用潮汐的潮涨潮落和/或水流产生的漂移/阻力产生能量，并且包括具有阻力板块的位移船，所述阻力板块可操作地连接至发电机。当位移船由于水的流动行进时，发电机产生电力。
9.尽管热能、波浪能和潮汐能可以成为位置靠近海岸的社区的动力来源，但远离水体的城镇和村庄无法获得这些能源。如果条件不适合替代能源，诸如太阳能或风能发电，那么，被隔绝的社区可能不得不依靠卡车运输或空运的非常昂贵的碳氢燃料来维持生计。
10.最近受到越来越多关注的一种相当大程度上未开发的可再生能源是流动的水蕴含的能量，例如河流、溪流、潮汐等不断流动的水流或例如墨西哥湾流或佛罗里达洋流等洋流。许多社区住在整年不断流动的河流或溪流附近，即使河流或溪流表面在冬季结冰。能够利用来自流水的水动力发电将是有利的。
11.水坝已经使用超过了2000年，用于将水动力能量或动能转换为诸如机械能等其他类型的能量，而水坝用于水力发电已经超过100年。水坝的主要目的是在水力发电厂上游的水中建立“压头”。水力学中的“压头”是静态(即不流动)水体中水位的量度，通常以米或英尺表示。水位或压头越高，特定位置的水具有的能量就越多。水坝将运动水体的动能(速度)转换为累积的压头(单位为米或英尺)。然后，该压头对通向涡轮机的压力管道或管路加压。当高压和高速的水被释放经过压力管道并推动涡轮机时能量被捕获，涡轮机旋转并发电。
12.尽管除了水力发电之外，水坝还提供了显著的其他好处，例如蓄水和防洪，但是，水坝也干扰了河流或溪流的自然流动，并可能引发环境问题，例如摧毁了人类定居点和植物、动物和鱼类的栖息地、沉积物沉降、水温变化和河岸侵蚀。因此，水坝通常不被认为是“绿色的”或对自然环境真正有益。
13.作为用于水力发电的水坝的替代方案，可以将涡轮机浸没在诸如河流或溪流等流动的水中，以利用水流中的动能。因为溪流和河流在河槽中具有大体恒定的水流，所以使用
这种水流发电会是有利的。然而，流动缓慢的溪流可能没有足够的速度来产生充分的动力。涡轮机通常具有指定的最小水流动速率以产生额定量的功率；低于此要求的最小流动速率的水速将只能产生额定功率的一小部分。例如，涡轮机可能需要5节(2.5米/秒)的最小水流流动才能产生其额定功率，而3节(1.5米/秒)(最小速度的60％)的流动可能仅产生额定功率的20％或20％以下。因此，为了产生更多的电力，非常需要更快的流动速度，但是增大水速的方法有限，特别是以环境友好的方式。
14.为了增加水的流动，提出了用以将水输送到涡轮机或水轮机入口的漏斗结构。然而，这些漏斗结构(例如锥形漏斗)，诸如那些具有宽入口和尺寸变小的出口的漏斗结构，可能不会如预期的那样增大水速，尤其是在低速的周围水流中。相反，取决于漏斗结构入口和出口的相对尺寸和大小，水在漏斗中变成受到阻塞，不会如预期或理论计算的那样以更高的速度离开漏斗。
15.因此，需要一种替代的、实用的且具有成本效益的系统和方法，用于通过可再生能源技术从流动的水中可靠地产生动力。类似地，需要有效地利用从连续流动的水源产生电力的潜力，这些水源例如为流动缓慢的河流，原本没有本发明时可能不会适合产生电力，或者用来产生电力是不实际的。


技术实现要素：

16.本发明通过提供一种位于河流、海湾、海洋或水通常连续流动的其他区域内的、可靠的水动力发电总成，针对上述需求提供了一种具有成本效益的解决方案。在此描述的发明利用几种流体动力学原理，提供了一种低成本且新颖的系统，用于通过流动的水流中固有的能量生成动力。
17.此处的讨论有时会提到具体类型的能量，例如动能、势能、水静力能、水动力能，以及湍流/湍流动能，这些具体类型的能量可以利用本发明被用来生成动力。这些在流动的水流中存在的能量类型仅仅是示例性的，应当理解，本发明不限于仅仅从这些具体类型的能量中生成动力。因此，本发明旨在增大可以从流动的水流中产生的动力(电或其他形式)的数量，而且任何对具体能量类型的讨论都仅仅是示例性的，不是限制性的，或者不受理论的约束。在不受理论束缚的情况下，可以认为，本发明主要关注环境水流的动能，而较少程度地关注诸如水静力能量和湍流能量等其他类型的能量。
18.此处的讨论也会有时提及诸如节、米、英尺和英寸之类的单位。一般来说对于所有单位都提供了公制和英制等价物，但应当理解，尺寸的换算和所述等价物是示例性的，不是限制性的。在某些情况下，为了便于讨论，在公制和英制单位之间转换时，尺寸进行了圆整。
19.水中的能量可分为两种主要类型：水静力能(或压头)和动能。水静力压头是在本装置的控流器前部建立的势能和压力能，这点在下文进一步讨论。动能是作用在能量转换装置上的运动的水中的速度能和湍流能。速度压头可以使用等式h＝v2/2g用速度进行表示，其中h是水压压头，v是水速，g是重力加速度。在流动的液体中，v2/2g项表示流体由于其整体运动而产生的能量。湍流能量是包含在水中自然紊乱中的能量，在数学上由阻力系数进行说明。真实世界环境中发生的湍流所产生的阻力，比模型或实验室测试中预测的阻力要大大约20
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30％。本发明利用多种方法从每一种这些形式的水力能量中捕获能量用以发电。
20.与现有方法相比，本发明不像水力发电的水坝那样阻挡整个水体的流动。与没有本发明的情况下同等尺寸的独立水力转换器可能产生的电相比，本发明还会产生更多的电。本发明提供了一种用于生成电力的新型设备和方法，其中，水力转换器(例如水轮机或涡轮机)能够运行可以产生的电，比原来不用本发明时这些设备本身可能产生的电更多。在不受理论束缚的情况下，可以认为，本发明关注并捕获的动能以及其他类型的能量，来自于流经控流器组件以产生压力差并由此对水速提供加速的周围水流。由此产生的水流能量密度的增大，可用于以比周围水流自身更高的速率转动例如涡轮机或水轮机等水力转换器，从而生成电力。
21.在本发明的一个实施例中，发电总成包括支撑结构(在具体实施例中，该支撑结构可以是部分具有浮力)和控流器组件，所述控流器组件具有开口(或控流器板块阵列，其间具有(若干)板块间空隙)并安装到支撑结构上，以便定位在部署地点的周围水流中。支撑结构和控流器组件一起形成水加速器组件。水力转换器可以受到来自于支撑结构的支撑、由支撑结构支撑或者支撑在支撑结构上，并且可操作地联结到至少一个发电机上。水力转换器可以位于控流器组件(诸)开口/(诸)空隙的后面(或下游)。穿过控流器组件和/或围绕控流器组件的流水相对于周围水流速度增大，因此相对于部署发电总成的周围水流能够生成更多的动力。
22.在本发明的另一实施例中，用于在周围水流中发电的水动力发电总成包括：支撑结构；安装到支撑结构上并且能够位于水流中的控流器组件，用于增大周围水流的速度，所述控流器组件包括至少一个控流器板块构件，并且具有至少一个开口，用于在将支撑结构部署在周围水中时，使水能够以与周围水的速度相比增大的速度流经控流器组件；水力转换器，其位于控流器组件后方或下游预定距离处，并且位置设定成被以增大的速度流经控流器组件的水致动；以及发电机，其可操作地联结到水力转换器，用于因流动的水致动水力转换器而发电。
23.本发明的支撑结构可以具有浮力或可变浮力，从而漂浮在部署位置处的水体表面处或附近。作为替换方式，支撑结构不是必须有浮力的，而是可以锚定在水体表面以下，例如，在海洋、河流或海湾底部处或附近。在某些情况下，可能要求支撑结构在部署于例如水面以下和/或锚定于水体表面以下时部分具有浮力或具有可变的浮力，以便于将本发明提升到水面以进行维护或修理，以及/或者用于在例如部署地点的水面结冰时进行连续运行。在本发明的任何一个实施例中，即使没有明确说明，(诸)水力转换器、(诸)传动机构、(诸)发电机和/或其他机械、电气或液压设备，都可以位于支撑结构的顶部表面下方，并且/或者包围在支撑结构内，以保持低重心并减少由于例如恶劣的海洋环境造成的质量变差。
24.在本发明的一个实施例中，控流器组件包括两个或多个分开的单个控流器板块，这些控流器板块在相邻板块之间具有板块间空隙，用以形成开口，水流相对于周围水流以增大的速度流经所述开口。作为替换方式，或者作为补充，控流器组件中的所述开口可以位于一个或多个单个控流器板块中，并且水流以相对于周围水流增大的速度流经(诸)控流器板块中的开口，以及/或者绕过(诸)控流器板块或(诸)构件。
25.本发明的另一方面涉及一种用于在水流中发电的水动力发电总成，该发电总成包括：支撑结构；安装至支撑结构的控流器组件；位于控流器组件下游预定距离处的水力转换器；以及可操作地联结到水力转换器上的至少一个发电机。所述控流器组件可以位于水流
中，并且包括至少一个控流器板块构件，并且具有至少一个开口，用于使水能够以相对于部署有支撑结构的周围水流的速度增大的速度流经开口。所述开口可以在控流器板块的顶部或底部。所述水力转换器可位置设定成被以增大的速度流经该至少一个开口的水致动。发电机由于与水力转换器可操作地联结而发电，该水力转换器被流经控流器组件的水致动。在一个实施例中，开口可位于水线下方，使得被加速的水流经在周围水水面以下的控流器组件，或者从控流器组件下方流过。在具体实施例中，(诸)控流器板块的底部边缘可以不像相邻的支撑结构那样在水中延伸那么深，支撑结构可以例如包括两个或多个浮筒，这些浮筒也可以形成流动通路的侧壁，并且可以有助于将被加速的水流导向水力转换器。浮筒面向内的侧面可以限定供水流经控流器组件的水流通道。也可以将一个或多个板件安装到支撑结构上以限定供水流经控流器组件的水流通道的一个或多个侧面。因此，水被输送流经(诸)控流器板块，并且其速度与周围水流相比被加速，用于增加的发电量。
26.水力转换器可以是任何一种能将水流中的动能、水静力能和/或湍流能的任何一种或多种能量转换成诸如机械能或势能等另一种类型能量的结构。在第一实施例中，水力转换器可以是涡轮机。适合与本发明结合使用的普通涡轮机的例子是叶片涡轮机、水涡轮机和螺旋涡轮机，但对可用作水力转换器的涡轮机类型并没有限制。为了使涡轮机产生电能，水撞击在涡轮机叶片(或其他结构部件)上，以便将水中的动能转换成旋转机械能，旋转机械致动发电机以产生电能。涡轮机可以安装至本发明的支撑结构，使其可以完全浸没在从控流器组件流出来的加速水流或加速水区中。
27.在第二实施例中，水力转换器是水轮机，例如包括安装到可旋转轴上的多个桨叶(有时也称为叶片或板件)的水轮机。合适的水轮机的例子是水流喷射水轮机或悬挂水轮机，其安装在本发明的支撑结构上，使得水轮机的桨叶被流经控流器组件的加速水流推动旋转。水轮机可以具有沿任何方位或以任何构造从轴向外径向延伸出来的任意数量的桨叶，诸如安装到轮轴上的单组桨叶，或安装到轮轴上的相邻的两组或多组桨叶。如果水轮机配备有两组或多组桨叶，则各组桨叶可以沿周向相互对齐或相互错开，除其他方面外，这样做用以增强水轮机更均匀的旋转。水轮机桨叶可以固定地安装到轴上，或者它们可以可调节地安装到轴上，以允许调节桨叶的数量和位置。桨叶也可以可调节地安装到轴上，以改变它们从轴径向向外延伸的长度(以及水流作用在其上的桨叶的最终表面积)，这取决于每个桨叶在轴旋转过360
°
时的瞬时位置。水轮机的桨叶可以具有任何特定构造以最大化从水中提取的能量的量。例如，所述桨叶可以具有平坦表面或非平坦表面，非平坦表面例如在旋转期间盛水。
28.诸水轮机桨叶可以在出水时能够各自独立地收回，而在接近/进入以及浸没水中时能够伸展，从而改善水轮机的空气动力学性能，并且减少由空气造成的阻力。例如，桨叶可以具有附接到轴上的固定区段以及能够径向向内和向外运动的可收回区段，使得可收回区段在离开水以及出水的时候收回进固定区段内，而当桨叶进入以及浸没在水中的时候从固定区段向外径向伸展。可收回区段可以沿着诸如开槽轨道等结构滑动，从而在收回构造和伸展构造之间变动。水轮机桨叶可以还具有铰链，或者作为替换方式具有铰链，用于在桨叶出水的部分周期期间桨叶折叠并从而减少桨叶的投影面积。在某些实施例中，桨叶在出水时能够至少部分地收回，以例如通过降低空气阻力和/或降低声响级别而改善性能。水轮机的桨叶也可以，或者作为替换方式，以可枢转方式附接至轴，并在它们离开水时折叠起来
以减少空气阻力或声响级别，或者减少空气阻力和声响级别两者。桨叶还可以设置有止动器或其他结构，用以在重新进入/浸没水中时将桨叶固定在预定的径向伸展构造以便由水流充分接合，或者用以防止桨叶移动超过预定的角度或位置。
29.水轮机可以安装到支撑结构上，使得只有水轮机的下部浸没水中。在某些实施例中，水轮机可以是能反转的，用以捕获诸如潮汐的潮起和潮落两个方向的水流，以及/或者配备轮辋齿轮，用以提供额外的发电或供电能力。例如，支撑结构可以在相对端部处进行系泊或者锚定，控流器组件位于支撑结构的相对端部处。当潮汐退潮时，发电总成和控流器组件的一侧可以面对周围水流的方向，而当潮汐变为大潮时，发电总成另一侧上的另一控流器组件可以面对逆转回来的周围水流的方向。按照这种方式，控流器组件/水加速器组件的其中一个总是面对周围水流。水轮机(或其他水力转换器)可以是能够反转的，从而允许在周围水流的任一方向上发电。水轮机可以包括被构造成包围水轮机的罩，或者发电总成的任何部分都可以具有罩。所述罩可以保护本发明的各种零件免受诸如日晒、雨淋或水溅等因素的影响。所述罩还可以提供消音功能，以减少水轮机产生的噪音。
30.在具体情况下使用的水力转换器类型将取决于诸如部署地点、水速、环境因素、预期成本和能量输出等因素。水力转换器可以位于由控流器组件产生的加速水的区域中。水流入或撞击水力转换器的进水口，例如涡轮机的进水口或水轮机的桨叶，从而生成动力，而水力转换器的出水口可以是水流出该装置而汇合回到周围水流中的地方，诸如涡轮机的流出端或水轮机的尾端。
31.在不受理论束缚的情况下，可以认为，控流器组件可以潜在地起到水流中部分水坝的作用并产生“压头”，使得穿过或者围绕控流器组件流动的水与其他的周围水流相比速度增大了，从而将来自压头的水动力能和势能转化为动能。在装置运行期间，可通过测量在控流器组件前面累积的水的高度(与控流器组件下游的水的高度相比)，来对压头累积进行可视化和监测。在不受理论束缚的情况下，可以认为，控流器组件以及水力转换器的位置，结合具有进水口和出水口的水流通道，通过与周边水流或周围水流相比增大了流经本发明的水流的速度，集中了周围水中的动能。与原来没用本发明时可能会从周边或周围水流中提取的能量相比，本发明的控流器组件增加了可由水力转换器利用的能量数量。如所讨论的那样，本发明的实施例可以没有控流器开口或板块间空隙，而是可以调节控流器板块在水中的深度，使得周围水流通过水围绕控流器板块运动或在控流器板块下方运动而加速，或者，可以根据部署条件实施前述内容的任何组合。
32.下面的表1显示了水速加倍对流体流动中可用动力的潜在影响，以及对本发明的潜在发电量的潜在影响。该表显示，水速加倍将使水中可用的潜在动力呈指数增长。虽然提取的能量数量取决于具体的设备实现和所使用的能量转换方法，但是，很清楚的是，增大水速是合乎期望的。即使水流速度的小幅增大也可以提供数量显著增大的可提取能量。
33.表1：水速增大对潜在动力的影响
[0034][0035]
同样，在不受理论束缚的情况下，控流器装置被认为会导致水倒流，并且迫使水围绕(诸)控流器板块流动以及/或者流经控流器组件的(诸)开口(或(诸)控流器间空隙)，结果，水在到达与控流器组件向后间隔开(位于下游)的水力转换器时被加速。本发明所产生的水流速度增大是意料不到的，并且实际上，与普遍的信念相反：按照优选方式所体现的那样，在控流器开口(或下面描述的针对多板块控流器方法的板块间空隙)和水力转换器之间可以不必有任何结构(诸如管路或流体管道或罩状结构)。相反，控流器板块/阵列与水力转换器入口之间的空隙可以没有任何旨在引导或改变水流的支撑结构中的中间装置。在某些实施例中，流动通道可以由附着于支撑结构的若干结构限定，例如附着到浮筒面向内部的侧面上的板件或其他结构元件。
[0036]
某些现有的水力系统采用文丘里装置或整流罩，试图增大水的速度。为了提供加速效果，这些系统需要一个最小的水流速度。相比之下，本发明可以使可能以甚至相当慢的速度(在本发明的某些实施例中甚至低至0.5节(0.25m/s))运动的水加速，产生的水流速度增大到足以为水力转换器提供动力用来发电，而这种缓慢流动的水过去会被认为不适合用于可再生能量的生成。
[0037]
有利的是，本发明是完全可扩展的，因此对于具体实施而言，可以根据需要大或小，这可能取决于要生成的电量以及通道中水的速度和深度，或者部署地点处的其他条件。这种可扩展能力具有意想不到的优势，例如，它能够使用一个较大型的水力转换器和一个大型发电机；以及/或者使用两个或多个并联配置的较小型水力转换器和小型发电机；以及/或者可操作地联接到同一个水力转换器的多个发电机；或者转换器和发电机的任何组合，例如串联和并联部件的任何组合。在某些实施例中，基于流体动力学的动力转换器允许水在其下方或在其周围流动，或者它的尺寸和构造可以设置为横跨一条水流的大部分或全部，仅允许水流流经控流器中的(诸)开口或流经(诸)控流器板块/(诸)区段之间。如别处所讨论的那样，发电总成的大小和部署位置也可能取决于水流的大小、其固有速度和环境因素。如果需要，本发明的支撑结构可以实现为小船、驳船、浮筒或其他有浮力的船只。控流器板块可以小到宽度为12英寸到24英寸(30厘米到60厘米)，进入水中的深度为6英寸到12英寸(15厘米到30厘米)，并且仍然可以将水速加速到足以生成可用数量的电力。
[0038]
本发明不需要像水力发电的水坝中那样截停整个当前溪流。在大多数情况下，所部署的水力转换器可能只影响整个水流的相当小的百分比，并因此对环境、海洋生物等的负面影响(如果有的话)也是最少的。因为本发明不依赖于横跨整个水体增加水的高度来加
速水流，所以，可能没有必要部署多个装置或环节，这样就可以避免危害环境或减轻对野生动物的损害。例如，本发明不再需要用于允许野生动物向上游运动或以其他方式通过本发明的水力转换器发电总成的鱼梯或其他结构。同样，鱼类和其他物种的迁徙模式没有受到显著影响。本发明不会减慢周围水流而可能会使沉积物开始下沉到通道底部，从而避免沉积，对于放置在任何水流中的任何固定结构来说，沉积都是一个主要问题。本发明在运行过程中也不会向环境排放污染物，因此提供了一种“绿色”的发电方法。
[0039]
水力转换器可以安装在发电总成的“无底”流动通道(或通路)中。即，其中设置有水力转换器的流动通路或通道可以没有底表面或结构，因此流动通道的底部可以通到周围水流。这些实施例与具有封闭的水流通道相比，可以有助于最小化对水生野生动物的潜在有害影响，野生动物可能会被困在封闭的水流通道中，或者在封闭的水流通道中由于本发明的运行而受到伤害。无底流动通道还通过允许加速后的水在流动通路或通道中自由运动，有助于避免对水力转换器的损坏或对水力转换器运行的潜在干扰。在其他实施例中，流动通道可以具有底表面，以便有助于将水引导至水力转换器。为了相同的目的，流动通路可以从上方打开，并且不受可能影响加速后的水自由流动的任何罩或其他结构的限制。
[0040]
在本发明的某些实施例中，水力转换器可以将水流中的动能转换为诸如机械能或旋转能等其他类型的能量，然后将该其他类型的能量转换为电能。例如，水力转换器可以连接到飞轮，飞轮可以存储旋转能量，以用于随后转换成电能。本发明的若干实施例还允许将一种水力转换器类型替换为另一种。例如，涡轮机可以用水轮机、阿基米德螺旋器或其他装置代替，特别是当本发明可以以模块化方式或可扩展方式实现时。在本发明的若干具体实现方式中，可以使用小型水力转换器，例如已经开发出来用于为手机或笔记本电脑充电的个人涡轮机。因此，本发明更小的实施例可以便于携带在现场使用，例如供研究人员、渔民或靠近水流但无法获得电力的其他人在现场使用。
[0041]
水力转换器不一定必须安装在流经加速器(控流器)组件的水速可能最大或达到某个高水平的地方，只要本发明能够将水速加速到大于周围水流通道或周围水流速度的值并足以致动发电机发电即可。
[0042]
如下文进一步描述的那样，控流器组件可以是单个结构元件，诸如控流器板块构件，所述控流器板块构件具有贯穿其中的开口或围绕其的流动通路。作为替换方式，控流器组件可包括两个或多个控流器板块的阵列，这些控流器板块是间隔开的以及/或者以其他方式布置成在其间具有一定距离以供流水穿过。控流器板块还可以提供流动通路或路径，使得水可以围绕控流器组件和/或在控流器组件下方流过。诸如“控流器”、“控流器组件”、“控流器阵列”、“控流器区段”和“控流器板块”之类的术语，无论是单个还是多个，都旨在用来涵盖控流器组件所有结构实施例变型，包括但不限于单个结构元件以及由两个或多个控流器板块或区段组成的阵列，而无论具体构造如何。类似地，诸如“开口”、“控流器开口”、“板块间空隙”和“控流器空隙”等术语，无论是单个还是多个，都旨在用来涵盖以下的所有变型：控流器组件中一个或多个开口或流动通路或路径以及两个或多个控流器区段之间用来使水加速的间隔。术语“流动流道”和“流动通路”应理解为正在流经或已经流经控流器组件的一般加速后的水区。术语“流经”和“经过”应被解释为涵盖以下实施例：水围绕着控流器组件、控流器板块或这些结构任何一种的阵列以及/或者水在控流器组件、控流器板块或这些结构任何一种的阵列下方流动(即使没有明确说明)，用以加速水。本发明具体实施例
中出现的特征可以与其他实施例一起使用(即使没有明确说明)，从而形成新的实施例。
[0043]
在本发明的某些实施例中，为控流器组件或水力转换器提供筛网可能是有用的，以防止由诸如植被、树枝、冰流或垃圾之类的不希望物体所造成的损坏。筛网可以具有任何类型的结构，其将防止不希望的物体从中通过，同时仍然允许周围水流进入用于水流加速的组件中，并且筛网对海洋生物的影响(如果有的话)最小。例如，筛网可以具有平坦表面，或者它可以是“v”字形的，朝着或背离水流流动的方向指向，或者，筛网可以由网格或平行板条形成。筛网中开口的大小将取决于其具体实现方式。控流器组件还可以打开和关闭(这一点本文将进一步讨论)，以防止碎屑进入设备并损坏设备。
[0044]
水力转换器可以在控流器组件后面或下游(当处于其部署状态时)隔开预定距离，使得进入、撞击或作用在水力转换器上的水的速度可以得到增大，并大于部署地点附近的周围水流动的速度。为了调节水流经控流器组件的速度，控流器组件中的开口大小，或者控流器区段之间的板块间距离，可以做得更大些或更小些，或者与本发明一致，控流器组件或各单个控流器板块可以相对于垂直方向或竖直方向或相对于垂直和竖直方向成一定角度。在一个实施例中，发电总成的流动通道可以没有封闭的底部(或顶部)，以最小化对水生野生动物的负面影响，并减少对水力转换器造成损坏的潜在可能性。在其他实施例中，流动通道可以设置有封闭的底表面，以便将流动约束到限定的流动通道。
[0045]
在一个实施例中，当可以部署所述总成时，诸控流器区段垂直于流动方向布置，使得诸控流器区段直接面向水流的“迎面”。在这种布置中，诸控流器区段将大体彼此平行。在某些情况下，例如，当水速很高时，可能需要使诸控流器区段在水平方向、竖直方向或两个方向上，相对于水流方向成一定角度，从而诸控流器区段形成“v”字形或倒“v”字形。还可以移动诸控流器板块靠向一起或分开得更远，以较小程度地加速水流或减少进入控流器组件的水量。还可能期望关闭控流器开口或控流器间空隙，以减少进入流动通道的水流。如果水速非常高，那么，在某些情况下可能期望将控流器区段部分地或全部地或两者之间的任何变型从水流中移除，用以调节水流的增大或减少，或者转动诸控流器区段，使它们从垂直于流动方向变化到平行于流动方向，从而至少一些(或全部)水不受阻碍地直接流经控流器区段，以避免由于高流速而损坏发电总成。可以使用水速计测量控流器组件后面不同点处的水速，以优化水力转换器相对于控流器组件的放置和/或诸控流器板块之间的距离(或开口的尺寸)。为了防止因水流速度过高损坏水力转换器，或者基于其他运行和流动条件或当地状况，可以提供使用马达或其他调节机构或控制机构对控流器位置或角度(竖直或水平，或竖直和水平两者)进行调节的可调节性能，例如控制或调节加速后的水流速度的能力。
[0046]
在某些条件下(下文描述)，围绕控流器组件流动的水可产生类似于机翼的升力，从而在控流器组件或支撑结构上提供向上举升的力。本发明可被构造成使得控流器组件或(诸)单个控流器板块可沿横向或竖向或沿横向和竖向两者移动任意度数以抵消这种升力。例如，诸控流器板块可以通过调节控制机构进行调节，以相对于水流旋转15
°
并相对于水平方向旋转30
°
。可以使用诸如转向机构等控制机构来调节控流器板块的方位或位置，或者可以使用下面将进一步讨论的线束(harness)，其中控流器的每个角部都可以连接至控制索。作为替换方式，控流器组件可永久地或可拆卸地安装在一个或多个轴上，并且可以调节轴或其他结构的位置，以优化控流器板块在水流中的位置。在控流器结构可能产生明显的横向运动升力的情况下，升力可以通过扰流器结构抵消，扰流器结构安装在控流器的前部或
后部(或前部和后部两者)上，或者被合并作为将相邻浮筒结合起来的支撑构件一部分。扰流器可以以任何布置方式安装，诸如竖直地、水平地、或成一定角度地安装。
[0047]
控流器组件还可以构造成使用控制机构旋转或以其他方式将控流器板块完全移出水流，例如，与水平轴线或竖直轴线或水平轴线和竖直轴线两者成0
°
和90
°
之间的任何角度，目的是进行维护或存储。因此，控制机构可以调节(诸)控流器板块围绕水平轴线、竖直轴线或水平轴线和竖直轴线两者的角度，例如，取决于本发明的具体实现方式，在0
°
和360
°
之间调节角度。控制机构可以独立地调节所述多个控流器板块中每一个的角度。也可以有多个控制机构，每个控制机构独立地调节相应控流器板块构件围绕水平轴线、竖直轴线或水平轴线和竖直轴线两者的角度。在某些实施例中，发电总成的任何部件，诸如控流器组件，都可以被制造成模块化的并且可与替换零件互换，例如与替换控流器组件或控流器板块互换。
[0048]
本发明的特定实施例可以使用计算机系统进行计算机控制，以便于任何部件的运行。所述计算机系统可以包括若干部件，诸如显示器、诸如键盘和/或手持式指向设备之类的输入设备、处理器，以及用于存储数据和计算机指令代码以执行本发明的存储器。本发明的发电总成还可以连接到网络，诸如因特网、局域网(lan)或者虚拟私有网(vpn)等，以允许远程操作。本发明的计算机控制可以例如使用专用可重编程集成电路(ic)或可重编程ic设备，实现为软件程序或硬件指令，包括用于执行本发明的功能和步骤的嵌入式硬件指令。所述计算机控制可以使用诸如verilog或vhdl等硬件描述语言或诸如systemc或c/c 等计算机编程语言进行配置。这种计算机配置可以很容易由本领域技术人员准备。
[0049]
计算机系统还可以被配置为对各种部件的位置进行调节，例如控流器组件和水力转换器之间的相对空隙，以作为周围水速的函数优化水加速效果。类似地，计算机系统可以被配置为控制(诸)控流器开口或(诸)空隙的尺寸以及为相同目的控制其他运行设置，例如，如本文第0050、0053、0065、0080、0083、0118、0120、0123
‑
0125、0134、0135、0140段中所讨论的内容。
[0050]
在本发明的某些实施例中，可以部署本领域已知的传感器来监视各种设置，例如水速、水力转换器转速和发电机上的扭矩。这些传感器可以通过有线或无线连接方式连接至所述计算机系统，以提供对运行状态的实时监控。按照这种方式，操作人员获得当前的运行状态，并可以适当地对本发明的运行做出调整。收集的数据也可以保存起来，用以维护运行状态和设置的历史记录。如果运行状态超出预期范围或期望范围，也可以触发针对操作人员的警报。
[0051]
在本发明的一个方面，所述总成包括：支撑结构，所述支撑结构可以以大体不动的方式锚定在流动的水中；控流器组件，所述控流器组件可安装到支撑结构上并在水流中定向，所述控流器组件具有开口或流动通路，用于允许水穿过其中或围绕其流动；以及水力转换器，所述水力转换器可以安装于支撑结构上并且可操作地联接到至少一个发电机用于产生电力。所述水力转换器可以构造成并定位成在加速水的区域中受到致动或被提供能量。控流器组件开口或空隙与水力转换器入口或致动区域之间的空隙，造成作用在水力转换器上的水的速度增大，并且与假设水力转换器浸没在部署地点处的周围水流中的情况相比，该水速增大继而使得转换器能够以更快的速度旋转(或以其他方式生成动力)或者生成更大扭矩，由此能够产生与原来没有使用本发明可能会生成的电力量相比更多的电力量。在
可以使用多于一个开口、流动通路或板块间空隙的情况下，或者如果开口或空隙足够大，则可以使用多于一个的水力转换器。
[0052]
此外，取决于水流加速后的速度，可以可控地调节支撑结构的浮力，以改变水力转换器在水中的深度，例如，取决于例如部署地点的水流加速的程度或其他条件，水轮机桨叶因此可能会有更多或更少的加速后水流作用在上面。在本发明的一个实施例中，支撑结构可以包括一个或多个绞盘，其中的缆索连接到例如锚构件，用于可控地调节支撑结构的俯仰、滚转和/或偏摆。控流器开口可以在控流器组件的任何位置，诸如在中间、偏在一侧、或在控流器板块构件的底部或顶部，以允许水穿过控流器组件流动、围绕控流器组件流动以及/或者在控流器组件下方流过。
[0053]
在一个实施例中，控流器开口比例可以是整个控流器组件的面的宽度的大约30
‑
50％，或者可以有允许加速后的水在控流器组件下方或绕着控流器组件流动的流动通路。在控流器组件包括多个控流器板块而在相邻板块之间具有板块间空隙的实施例中，板块间空隙的总宽度可以是控流器组件整个面的宽度的大约30
‑
50％。在本发明的进一步实施例中，控流器开口的宽度可以是控流器总宽度的大约35
‑
45％，或控流器组件宽度的大约40％。诸控流器区段的宽度可以是控流器组件总宽度的大约50
‑
70％。诸控流器区段可以具有相同的宽度，或者它们可以具有不同的宽度。在一个示例中，10英尺(3m)的控流器组件可以包括2英尺(0.6m)的控流器区段和4英尺(1.2m)的控流器区段，二者由4英尺(1.2m)的控流器开口分开。在另一个示例中，总宽度为100英尺(30.5m)的控流器组件可以由两个控流器区段和一控流器开口组成，每个控流器区段的宽度为大约30英尺(9.1m)，控流器开口可以是大约40英尺(12.2m)宽，深度相同或更小。在另一个实施例中，诸控流器区段在顶部或底部可以具有开口，使得水绕着控流器组件流动以及/或者在控流器组件下方流动以加速周围水流。
[0054]
控流器开口(或控流器阵列的板块间空隙)可具有任何尺寸，该尺寸可引导水经过开口和/或围绕控流器板块。所述控流器组件或其任何部件型式的控流器板块可从支撑结构沿大体向下的方向延伸，使得底部边缘可处于与水力转换器的底部大约相同的深度或略低于水力转换器的底部。作为替换方式，控流器组件可以安装到浮筒或其他支撑结构上，并从支撑结构横向延伸到周围水流中。控流器组件可具有任何尺寸，但典型的高度(从水面外测量)可以略小于开口或相邻控流器板块之间的控流器间空隙的宽度。控流器组件可在水中延伸至与能量转换装置在其运行时浸没在水中的最低部分一样深，或略深于能量转换装置的最低部分。例如，控流器组件延伸的深度可以略深于浸没水下的涡轮机的底部，或者水轮机的底部桨叶，或者阿基米德螺旋器的入口，以便最大化或优化加速后的水流对水力转换器的冲击。流量计可用于确定控流器组件的最佳的(诸)空隙/(诸)开口的大小，以及控流器组件后面(下游)的最佳距离，以实现最大化的水的加速，或用于根据部署地点的条件进行其他调节。在本发明的一个实施例中，控流器组件可以大体垂直于周围水流的方向取向。
[0055]
在替代实施例中，控流器板块构件在水中可以不如相邻的浮筒或其他支撑结构那么深，使得周围水流可以当其在控流器组件下方流动时被加速。本领域技术人员将认识到，控流器组件或部件型式的控流器板块可以具有任何合适的高度，只要它使得水加速经过开口或经过板块间空隙或绕过(诸)控流器板块。控流器组件可以将位置设定成使得(诸)控流器板块的一部分在水线上方延伸，而大部分控流器板块部件可浸没在水中。在一个示例性
实施例中，(诸)控流器板块构件上部的10
‑
40％部分可位于水面上方，而控流器板块构件其余的60
‑
90％可位于水面下方。如前所述，如果控流器组件具有开口或板块间空隙，则(诸)控流器板块的底部边缘在水中可以处于与诸如涡轮机或水轮机等水力转换器的最低部分相同的深度，或者略低于转换器的最低部分。例如，控流器组件的底部边缘可以在水力转换器的最低部分下方延伸0
‑
3英尺(0
‑
1m)，或控流器组件的总长度的0
‑
30％。在其他实施例中，控流器板块在水中的深度可能不如水力转换器的入口在其他部署中的深度，在其他部署中，这种配置增强了加速后的水的最佳冲击。
[0056]
形成控流器组件的控流器板块的厚度被认为不重要，只要它们足够坚固以承受最大的预期加速水流，它们可以例如在0.1到6英寸(0.25厘米到15厘米)之间厚。控流器板块构件也可以比这些尺寸薄，只要控流器具有足够的强度来承受施加在其上的水压。用能够承受预期水压的最薄材料制造控流器组件结构可能是有利的，因为许多加工成本与重量直接相关，如果使用钢，则尤其如此。本领域技术人员将认识到，可以使用任何合适的厚度，并且控流器组件的大小可以根据部署地点的预期水文状况按比例增大或减少。
[0057]
水力转换器的入口与(诸)控流器组件开口、(诸)板块间空隙以及/或者(诸)控流器板块本身之间的距离，将取决于本发明的具体实现方式，以及在部署地点普遍存在或预期存在的状态。例如，诸如周围水流速度和水流通道深度、控流器大小、水力转换器尺寸等因素都会影响加速后水的速度和最大加速出现的点，并因此会影响水力转换器在发电总成中期望位置的确定。周围水流越快，水力转换器相对于控流器组件的位置就可以设定得越往后(下游)，不过可以在不同点测量加速后水的速度以确定水力转换器的最佳放置位置。如别处所讨论的，可以使用水速计来确定控流器后面特定点处的流速，以优化水力转换器的位置设定。在一个示例性实施例中，水力转换器的致动区域(诸如涡轮机的入口)可以被设置在流出的当前水流中、控流器的后面大约10英尺(3m)处，不过致动区域的放置位置将取决于本发明的具体实施例。
[0058]
本发明的发电总成可用于任何种类的流水中，不过它的优点在原来没有本发明时速度不足以实现传统水力发电或潮汐发电的水流中可能最为明显，例如，在缓慢运动的河流中，以及/或者在表面的水可能结冰并因此获取流动水可能会受限的地区中，其优点最为明显。本发明可能在偏远地区特别实用，在这些偏远地区，能量获取，即使是为运行发电机输送燃料，也是非常受限制的。相反，在水流快速的区域，本发明的效率将使其整体尺寸更小，并因此比现有的能量转换装置更经济。
[0059]
由于本发明可以在趋向于持续运行的流动水流中运行，因此本发明为24/7发电提供了可行的解决方案，使其成为“可调度”形式的可再生能源。可调度的能源形式是那些可以根据市场需求按需要打开和关闭的能源，例如水力发电和天然气，因此此类能源可用作基本负载发电机。相比之下，不可调度形式的能量，诸如风能、太阳能、煤炭、核能等，不能由电厂操作人员随意开启和关闭来发电，并且可能需要数小时(在某些情况下为数天)才能轮转关闭然后再次打开。因此，本发明具有的优点是可以用作基本负载动力来源。
[0060]
发电总成可以是能够在相对固定的位置处被拴在水流内任何期望位置运行，因此优点是不需要刚性安装在特定位置。本发明可以锚定到诸如码头、舱壁或系船柱等固定位置，从而允许移动但仍保持在河流或水流中的大体相同位置。由于水流流动不是绝对均匀或遵循精确路径，所以，系绳允许控流器组件随着水流或水位高度的变化而改变位置，例
如，由于潮汐效应或季节性水位变化，或由于干旱、降雨、融雪、风、月球周期、季节、盐度、温度或灌溉等人为因素，水流或水位高度发生变化。此外，通过将发电总成与系泊结构分离，在本发明保持附接到同一系泊结构的同时操纵(或牵引)本发明，或者移动系泊结构本身(如果这样做可以被视为可取的话)，是有可能将发电总成移动到另一位置的。因此，发电总成可以被认为是可动的。然而，发电总成可以永久地安装在不动位置，例如在河底或海床处或附近，或稍微悬置在河底或海床上方，优选的是安装在按照此处描述的原理水流流动足以致动发电总成的位置或深度处。
[0061]
发电总成可以配备声纳或光谱或电子探测器，用以识别或警告操作人员水中存在可能造成损害的大型物体，例如树枝、碎片和冰块，包括那些含有冻结在里面的岩石的冰块。本发明还可包括转向系统，其移动或改变发电机总成的位置，以避免与包括船只在内的物体碰撞。在特定实施例中，控流器组件可以关闭，以避免碎屑进入水力总成中。例如，如果操作人员看见水中有诸如垃圾或树枝之类的物品，则操作人员就可以以任何适当的方式关闭(诸)控流器开口或(诸)板块间空隙，以防止此类不希望的物品流经或绕过发电总成和/或控流器组件的入口并损坏本发明发电系统的任何部件。
[0062]
将发电总成的特定部件放置在不同位置可能是方便的。例如，控流器组件可以设置在水流中，而发电机可以设置在相同或不同的位置。例如，发电机可以位于不动位置(诸如在发电总成的支撑结构中或支撑结构上)，或者位于诸如陆地、码头或水体床等固定位置上，或者位于诸如驳船或水面上其他结构等移动位置上。可以有滑轮或齿轮系统可操作地将水力转换器连接到发电机，或者这些系统可以直接地连接。发电机和其他辅助部件可以位于图24和图25例举的一个或多个浮筒内。
[0063]
发电总成可以使用缆索、绳索或其他合适的锚固方法拴在水流中的固定位置。在某些实施例中，可以使用多点线束或转向机构来调节控流器组件或发电总成在水流中的位置。例如，多点线束可用于使用钢索或其他调节手段将控流器组件取向到固定位置，控流器组件的每个角处有一根缆索。使用多根缆索允许调节控流器组件的位置或其在水流中的角度，使得总成可以捕获更多的能量，或者如果认为可取的话，则可以“溢出”能量。发电总成可以在浅水或深水中运行，并且大小可以设计成在最低速度为大约1节(0.5m/s)的任何运动水流中运行。
[0064]
如前所述，发电总成也可以锚定在某一特定位置。锚的性质和锚的大小大体取决于诸如发电总成的大小、水流速度、扭矩要求、水流通道深度、锚定地点处的底部条件以及环境问题等因素。锚的非限制性示例有：岩石，发电总成可以通过锚缆附接到岩石上；本领域已知的传统犁或平锚；重达数吨或数千吨的非常大的钢筋混凝土块；以及沉船、轨道车等，通常装满混凝土或其他沉重的物质。锚可以由任何惯常的合适材料构成，例如钢或混凝土，并且可以包括锚缆。发电总成也可以固定地安装到码头、海床、河床或其他不可动的结构上。
[0065]
在某些情况下，诸如如图25所示，可能需要减少所捕获能量的量，例如，当周围水流在大雨之后或在月运周期的高峰时可能以高速流动时，为了减少对设备的可能损坏或对诸部件施加过大的应力。控流器组件的角度可以在竖直方向或者水平方向或者竖直方向和水平方向两者上从其通常位置变化，以减少经水加速器/控流器组件所引导的水量(如果这样做由于当地条件而被认为是可取的话)，或者控流器组件可以使用所述控制机构部分地
或大部分从流动的水中升起。作为替换方式或者作为补充，控流器组件中的开口大小可以酌情增大或减小以调节水速。如果将开口安装在滑动件或其他允许(诸)控流器板块酌情靠近或分开的设备上，则开口的尺寸可以容易改变。类似地，如果水力转换器具有最大容量或进口速度，则有必要确保控流器组件不会将水的速度增大到超过该最大值，以避免设施损坏。斜撑杆或其他结构元件可以用来防止控流器组件在水流压力下弯曲。在某些情况下，可能需要完全关闭控流器组件中的所有开口或空隙，以减少汹涌的周围水流对设备的影响。
[0066]
在某些实施例中，发电总成可包括制动器以调节水力转换器的旋转速率，或完全停止其运动。例如，可能需要在维护期间或在恶劣天气条件(例如大浪或暴风雨)期间阻止水力转换器的运动，以最小化设备上的应力。
[0067]
在本发明的一个实施例中，所述总成可以包括布置成阵列的多个控流器板块和/或多个水力转换器。至少一个控流器板块构件具有开口，或者所述多个控流器板块在相邻板块之间具有板块间空隙以形成至少一个开口，或者诸控流器板块可以被构造为允许水绕着控流器组件流动，用于使水以相对于周围水增大的速度流经或绕过控流器组件，其中水力转换器位于控流器组件的每个开口或板块或至少一个板块间空隙的下游。还可以有多个水力转换器位于控流器组件的(诸)开口或(诸)空隙或(诸)板块的下游。按照这种方式，单个支撑结构可支撑串联或者并联或者串联和并联两者的多个水力转换器和发电机，以进一步增大本发明的发电潜力。作为替换方式，所述总成可以包括按任何所需组合形式的部件阵列。
[0068]
如果本发明的一个具体实现方式包括多个水力转换器，则这些转换器可以是相同类型或不同类型。例如，在包括两个水力转换器的一个实施例中，一个水力转换器可以是涡轮机，而另一个水力转换器可以是水轮机。当水力转换器为相同类型时，例如两台涡轮机，它们可以具有相同或不同的动力生成能力。例如，一台涡轮机的额定功率可以为50kw，而另一台涡轮机的额定功率可以为25kw。水力转换器还可以连接到由多个具有不同容量的发电机组成的发电机总成，这些发电机可以根据水流的速度在不同的时间接合。因此，可行的做法是，允许小型发电机运行在其最佳功率范围，然后当水速提供的力足以驱动水力转换器为额外的发电机提供动力时，接合该总成的其他发电机。
[0069]
在本发明的某些实现方式中，水力转换器或发电机可以比其额定容量运行得更快。例如，被配置成标称容量为145kw的涡轮机可以以更高的速度运行以产生大约250kw的功率。由于能量与速度的平方成正比，因此无论使用的发电机大小如何，水速小幅增大都会成比例地导致可用动能大幅增大。某些水力转换器和发电机具有限制器，所述限制器限制装置所捕获的动能、水静力能和湍流能的数量；这种限制器将取决于装置本身和任何相关联功率调节设备的容量。使装置以高于其额定值的速度运行可能会潜在地影响其服务时间表和使用寿命。然而，最近发电机的成本大幅下降，即使发电机或涡轮机需要更频繁地更换，使它们过度工作在经济上也具有成本效益。还可以控制(诸)发电机的电压和/或安培数，以减少发电机上的应变，并由此延长其使用寿命。
[0070]
如前所述，对发电总成或其部件的大小没有限制。然而，由于成本、规模考虑、可获取性因素和部署制约，采用多个小型系统而不是仅一个大型系统在经济上可能是有利的。例如，因为对于某些组件尚未形成规模经济，所以，由于工业供应链中小型发电机组的可获取性更高，建造4个四分之一兆瓦的发电机组而不是仅一个1兆瓦的发电机组的成本通常要
低得多。此外，利用这里描述的附加结构和特征来选择性地接合和脱离单独部件—例如各单个的水力转换器和/或各单个的发电机，本发明的可扩展性在使本发明电力生成总成的整体容量适应于多种运行状态和变量方面，提供了出乎意料的灵活性。
[0071]
水力转换器接受由控流器组件产生的加速水的冲击，其可被设计成以合适的旋转速度运行。水轮机可以有任意数量的各桨叶构件，不过桨叶少的水轮机可能比那些桨叶多的水轮机成本更低。水轮机桨叶也可以具有能快速甩掉水的任何形状，这样，水轮机不举升水，也不会由此降低其产生扭矩的效率。
[0072]
发电机发电所需的转速可以被放置在水力转换器和发电机之间的传动装置调节，例如，将较慢的涡轮机转速提高到供发电机使用的较快的转速。运动速度越慢的水力转换器通常对野生动物的危害越小。作为替换方式，例如可以使用生成扭矩更少的运动更快的水力转换器，假如增速传动装置对于旋转得越快的涡轮机而言就越不复杂的话。
[0073]
水力转换器可以是模块化的，或者它可以临时或永久地安装到发电总成上。作为替换方式，水力转换器可以是可旋转的或可重新定位的，以利用水流的变化。例如，如果水力转换器可以设置在受到潮汐影响的溪流或河流中，则水力转换器可以重新定位，使其可以在适当的潮汐阶段期间转向“面对”水流。例如，潮汐流中的水可能在涨潮时由西向东流动，然后在退潮时由东向西流出。发电总成可以绕其锚旋转(或被旋转)，使得它可以取向为始终面向流动方向。按照这种方式，本发明能够在潮汐周期的两个阶段期间都发电。在潮汐周期(或甚至其他水流流动)发生变化的情况下，支撑结构可以重新定位，于是其例如通过围绕系绳点旋转而面向周围水流的新方向。
[0074]
作为替换方式，发电总成可包括两个或多个面向相反方向的控流器组件和/或水力转换器，这样，如果水流改变方向，或者当水流改变方向时，至少一个水力转换器能生成动力，由此，如果被部署在例如潮汐地区，则能够提供连续的动力。在其他实施例中，单个水力转换器的两侧可以有控流器组件，以随着水流方向交替改变而发电。当水流方向改变，例如从涨潮到退潮时，整个发电总成也可以围绕其锚定点旋转。
[0075]
在支撑结构部署在水体表面上或附近的实施例中，控流器组件和水力转换器可以从支撑结构向下或横向悬置，其中水力转换器位于加速的水流中。如果支撑结构被浸没在水体的表面以下，则控流器组件和水力转换器可以从支撑结构适当地向上或向下突出，或者从联结一对浮筒的支撑构件横向突出，以便在该总成以浸没方式部署并且控流器组件定位成加速水流的时候发电。其他安装布置也是可能符合本发明的。
[0076]
发电总成还可以包括距离调节机构，例如，距离调节机构在控流器组件上，调节水力转换器的入口与控流器组件之间的相对距离，以便例如响应于部署地点处周围水流速度的变化而优化水力转换器产生的动力。所述距离调节机构可以是固定的，以保持控流器组件和水力转换器的入口之间的给定距离，或者所述距离调节机构可以是能实时调节的，以按照为优化性能可能需要的那样修改距离。在具体实施例中，所述距离调节机构可以横向移动水力转换器，例如前后和/或左右移动，以及竖直移动水力转换器，例如上下移动，以调节水力转换器的位置，用于捕获最大能量，或者需要的话，减少捕获的能量数量，这同样取决于部署地点的条件。距离调节机构可以包括诸如轨道(例如带有轮子)、滑动件等结构或者用于制定水力转换器相对于控流器组件位置的类似结构。
[0077]
本发明的发电总成可包括方向转换器，方向转换器转换从水轮机接收的旋转能量
并将旋转能量传递到发电机。方向转换器可以通过传动机构可操作地联结到发电机，传动机构可以具有诸如齿轮箱或链条和链轮装置等结构。这种传动机构可以将来自水力转换器的输出旋转能量转换为给发电机的更快的输入旋转，用于增大发电机产生的电量。于是，传动机构可以以更快的速度转动发电机，由此使得原来没用本发明时可能产生的电量得以增加。在本发明的某些实施例中，传动机构可以包括用于增加由水轮机产生的旋转能量的滚筒组件。
[0078]
一旦达到指定的扭矩水平时，传动机构就可以接合或脱离多个发电机中的一个或多个发电机。例如，为了在加速后水的速度可能相当高时最大化所产生的电量，可以接合尚未运行的额外发电机。同理，为了避免水速较慢时损坏设备，可以使运行中的发电机脱离，以适当地增大剩余发电机的旋转速度，避免“拖累”发电机。
[0079]
本发明可以包括任意数量的方向转换器，例如酌情部署的一个方向转换器、一对方向转换器、或者两个或多个方向转换器。例如，如果水力转换器是水轮机，则可以有一对水力转换器，每个水力转换器设置在(并且可操作地联结于)水轮机轴的各相应端。
[0080]
本发明这个方面的另一实施例涉及一种水动力发电总成，用于通过加速流动的水发电，其包括支撑结构和安装到支撑结构上的控流器组件。所述控流器组件包括：(a)一个或多个控流器板块，至少一个控流器板块构件中具有至少一个开口，或者(b)两个或多个单独的控流器板块，相邻板块之间具有板块间空隙，用以在其间形成所述至少一个开口，或者(c)围绕(诸)控流器板块以及/或者在(诸)控流器板块下方的流动通路。诸开口、空隙或者围绕(诸)控流器板块的流动通路中的每一个都可以被构造为对流经开口或绕过(诸)控流器板块的水的速度进行加速，并且产生加速水流路径或加速水流波。该实施例还包括：水力转换器，该水力转换器安装到支撑结构上并部署在所述至少一个开口的下游的加速水流路径中；以及至少一个发电机，所述发电机可操作地联结到水力转换器，用于从作用在水力转换器上的水流产生电。
[0081]
本发明这个方面的另一实施例涉及一种水动力发电总成，用于从加速后水的流动中产生电力，其包括支撑结构和安装到支撑结构上的两个或多个控流器板块的阵列。控流器板块阵列可取向成与预期的周围水流成一定角度延伸，并且诸控流器板块可在相邻板块之间具有板块间空隙，用以形成至少一个开口。流经板块间空隙或围绕控流器板块的水提供了加速后水的路径，该加速后的水相对于周围水流具有增大的速度。该实施例还包括：水力转换器，水力转换器安装到支撑结构上并部署在控流器组件下游的加速后水的路径中；以及可操作地联结到水力转换器的发电机。水力转换器将来自作用在水力转换器上的加速水流的能量转换为发电机可用于发电的能量形式。该实施例还包括控制机构，所述控制机构调节控流器板块在水中的竖直和/或水平方位，以改变加速后水流的速度。控流器板块阵列可以在水中以任何角度取向。例如，在低速的水中，诸控流器板块(或控流器板块阵列)可以设置成大体正交于水流，而在高速的水中，诸控流器板块或阵列可以设置成相对于水流流动与水成一定角度，例如在0
°
和180
°
之间。控流器板块或控流器板块阵列的角度可以进行调节以优化从加速后的水流“收获”的能量数量。在进一步的实施例中，(诸)控流器板块或控流器板块阵列的角度可以在0
°
和360
°
之间调节。控流器组件或(诸)控流器板块相对于周围水流的角度或取向的调节可以实时或按预定时间表进行。控流器组件相对于水流的角度或取向的调节可以是计算机控制的或人工进行的，例如，使用马达或其他调节机构，或者
控流器组件可以固定地安装到发电总成。
[0082]
本发明的另一方面涉及一种从水流中产生水力发电的方法。该方法可以包括以下步骤：将本发明的发电总成部署在水流中，并使水力转换器在穿过或围绕控流器组件输送的水中进行取向，以加速原来没用本发明时的周围水流，由此使得原来没用本发明时只使用周围水流可能产生的动力数量得到增加。
[0083]
本发明这个方面的另一实施例涉及一种从水流发电的方法。该方法包括：在水流中部署发电总成；对水力转换器在绕过控流器组件或流经控流器组件开口的水中的位置进行取向；使水力转换器运行发电机以发电。所述发电总成可包括：支撑结构；安装在支撑结构上用于加速水的控流器组件；水力转换器；以及产生电力的发电机，所有这些内容都将作进一步描述。
[0084]
本发明的另一方面涉及一种从流动的水中生成电力的方法。该方法包括：在周围水流的路径中提供水加速器组件，用于增大流水流经水加速器组件的速度；在速度增大后的流水路径中、水加速器组件的下游提供水力转换器，从而致动水力转换器以产生机械能；将所述水力转换器可操作地联结到至少一个发电机；以及将机械能转换为给所述至少一个发电机的旋转输入以产生电力。
[0085]
根据本发明，水加速器组件的运行设定可以可控地改变，其中，运行设定是从由以下各项组成的组中选择的一项或多项：控流器组件和水力转换器之间的距离，用以改变施加在水力转换器上的力；支撑结构的浮力，用以改变速度增大后的水流冲击在水力转换器上的深度。在具体实施例中，支撑结构包括一对浮筒，由若干支撑构件联结在一起，用以提供浮筒间通路，其中，水力转换器位置设定成由速度增大后的水流致动。
[0086]
本发明的方法不限于单个发电机，进一步的实施例包括提供可操作地连接至至少一个水力转换器的多个发电机。所述发电机不需要全部同时运行，因此本发明可以包括一个或多个发电机接合机构，所述一个或多个发电机接合机构选择性地接合和脱离相应发电机与水力转换器的操作耦合，用于响应于作用在水力转换器上水流速度的减小和增大而改变由所述多个发电机产生的电量。也就是说，当水速高时，可以经由发电机接合机构接合所述多个发电机中的其他发电机来发电，而水速变慢可能会导致若干发电机脱离，以减少设备上的扭矩或应力，否则可能会减少所生成的电量。发电机接合/脱离机构可包括机械开关、电气开关或机械开关和电气开关两者，用于将一个或多个发电机与水力转换器可操作地联结/断开，并且/或者可以是计算机控制的。
[0087]
控流器组件将流经其或围绕其流动的水速增大了两倍或以上，由此产生的优点是，允许在甚至运动缓慢的水流中或者作为实际问题水速可能不足以通过潮汐/当前水流生成电力的地方产生电。本发明可以增大流动慢至1
‑
2节(0.5
‑
1米/秒)的水的速度，将其速度提高到约2
‑
4节(1
‑
2米/秒)，由此提供的从慢速水域中生成动力的能力增加了。以小于约1节(0.5米/秒)的速度流动的水在其流过狭窄空间时通常没有足够的能量密度或惯性进行加速，它通常将以与周围水流大致相同的速度流经或绕过控流器板块。即使初始流速仅为约1节(0.5米/秒)，本发明的发电总成仍可产生有用数量的电力，所付出的成本可能明显低于将柴油输入到一个被隔离社区的成本。在一些实施例中，以0.5节(0.25米/秒)流动的水仍然可以使用本发明得到加速。对于本发明没有最大速度限制，不过，清楚的一点是，以非常高的速度流动的水将需要越来越坚固而且成本越来越大的锚固和结构部件。发电总成的
特定实施例可以被标记为与一定范围的水速一起使用。例如，本发明可以被标记为“用于1
‑
10节(0.5
‑
5米/秒)的水流中”。
[0088]
当加速后水的速度非常高时，可能需要“溢出”能量，防止水的力量损坏或影响设备。例如，可能被认为是明智的一种作法是，建立一个预定的最大周围水流速度或最大加速后水速值，高于该值，来自流水的能量就被溢出，由此减少水力转换器所捕获的能量数量，用来例如防止潜在的损害。水力转换器捕获能量的这种减少，根据本发明并作为本发明的结果，可以以各种方式发生，例如通过升高或降低控流器组件或控流器板块在水中的高度来调节控流器组件在水中的深度，使得更少的水流经控流器组件中的(诸)开口或(诸)空隙。作为替换方式，可以调节控流器构件相对于周围水流的角度，以减小水对控流器组件的力。
[0089]
作为替换方式，改变水力转换器在水流中的深度也可用于调节由水力转换器捕获的能量数量。例如，将水轮机相对于水位升高可以减小水压在水轮机桨叶上的总力。还有可能调节支撑结构在水流中的浮力。例如，使支撑结构浮力更大可以使支撑结构在水中更高，由此减少了施加在水力转换器上的水的数量和力。如果水力转换器是涡轮机，则涡轮机可以被部分地举升出水，使得加速后的水在桨叶或叶片上的作用力可以减弱。类似地，可能需要使水力转换器(或整个发电总成)下降进入水中更深或者或将其完全浸没，该动作可以例如通过以下方式减少支撑结构的浮力进行：释放被困住的空气，或者将水引入特定的压载舱，或者通过使用相比较而言没有浮力的支撑结构。
[0090]
也可以调节控流器组件中开口的大小或者两个或多个相邻控流器板块之间的板块间空隙，以便降低加速后水的速度，并由此溢出能量。如果控流器板块开口做得比针对最大加速而言最佳的尺寸更大或更小(或者如果控流器组件被完全移除)，则加速后水的速度可能接近周围水流的速度，由此减少了对控流器组件的力。此外，可以调节水力转换器相对于水流的位置，例如，通过升高或降低水力转换器，使得加速后的水对水力转换器的力可以被减弱，从而降低了对发电总成的潜在损坏。
[0091]
本发明的其他用途对本领域技术人员来说将是显而易见的。即使没有明确说明，本文公开的本发明诸实施例的任何特征也都可以与来自其他实施例的其他特征进行组合，以得到本发明的进一步示例。
附图说明
[0092]
结合附图考虑以下详细描述，上述和其他目的和优点将变得显而易见，附图中相同的附图标记始终指代相同的部分，其中：
[0093]
图1示出的是根据本发明的发电总成第一实施例的左上立体图，包括涡轮机形式的水力转换器和控流器组件。
[0094]
图2示出的是图1的发电总成的右上立体图。
[0095]
图3示出的是图1的发电总成的前视图，并且图4示出的是图1的发电总成的后视图。
[0096]
图5示出的是根据本发明的发电总成的第二实施例，其包括水轮机形式的水力转换器和根据本发明一个方面的控流器组件。
[0097]
图6示出的是图5的发电总成的右上立体图。
[0098]
图7示出的是图5和图6所示滑轮装置的俯视立体图。
[0099]
图8示出的是图5
‑
图7所示发电总成实施例的第二实现方式的前视图，包括水轮机和用于加速水的控流器组件。
[0100]
图9示出的是图8实施例的俯视图。
[0101]
图10示出的是图8实施例的后视图。
[0102]
图11示出的是图8实施例的俯视立体图。
[0103]
图12示出的是图8实施例的右侧视图，其中，控流器板块被示出处于收回位置。
[0104]
图13示出的是图5
‑
图7中所示发电总成实施例第三实现方式的前视立体图，其中导流器元件在控流器组件前面延伸，以将水引导至加速器。
[0105]
图14a和图14b示出的是根据本发明的发电总成实施例的前视图和右侧视图，该发电总成包括水加速器组件和水轮机，并且具有罩在水轮机上的罩。
[0106]
图15示出的是根据本发明的发电总成的实施例的俯视图，其包括可操作地连接到水轮机的轴上的多个发电机。
[0107]
图16示出的是方向转换器的实施例的后视立体图，包括用于将旋转能传递到多个发电机的传动机构。
[0108]
图17示出的是传动机构的另一实施例的侧视图，包括链条和链轮装置。
[0109]
图18示出的是水轮机的实施例，其具有带铰链的桨叶，用于减少桨叶出水后的表面积和相关联的噪音。
[0110]
图19示出的是水轮机的一个实施例，其通过若干枢轴点安装到轮轴上并且具有用以将运动约束在特定范围内的止动器。
[0111]
图20示出的是水轮机桨叶，其具有板件部分和可滑动伸展板件。
[0112]
图21a
‑
21c示出的是具有可收回板件的水轮机桨叶。
[0113]
图22示出的是桨叶的一个实施例，其具有用于水轮机的开槽轨道。
[0114]
图23示出的是水动力发电总成，其包括由四个相邻的控流器板块形成的控流器组件，这些控流器板块按直线布置，提供了三个板块间空隙，还包括位于每一个板块间空隙下游的水力转换器。
[0115]
图24示出的是水动力发电总成的一个实施例，其具有平行布置的三个浮筒和两个水轮机，并且控流器组件处于打开构造。
[0116]
图25示出的是图24的实施例，其中控流器组件处于关闭(或部分关闭)构造。
[0117]
图26示出的是水动力发电总成的一个实施例，其具有一对浮筒和单个水轮机，并且控流器组件处于打开构造。
[0118]
图27示出的是图26的实施例，其中控流器组件处于关闭(或部分关闭)构造。
[0119]
图28示出的是水动力发电总成的一个实施例，用于部署在水体床底部。
[0120]
图29示出的是水动力发电总成的一部分，其具有用于使控流器组件在打开构造和关闭构造之间运动的滑动机构。
[0121]
图30示出的是水动力发电总成的第二实施例，其具有单个水轮机。
[0122]
图31示出的是水动力发电总成的一个实施例，其在相对的端部具有控流器组件和水流入口。
具体实施方式
[0123]
本发明从穿过和/或围绕水动力发电总成的水流中捕获动能、水静力能和湍流能，该水动力发电总成在周围水流的速度中产生加速度，以便以更快的速度驱动一个或多个水力转换器，该更快的速度快于原来没用本发明时周围水流可能会允许给一个或多个产生电力的发电机提供能量的速度。
[0124]
发电总成包括支撑结构，支撑结构包括至少一个控流器组件，控流器组件中可具有用于加速周围水流的一个或多个开口或一个或多个空隙。按照上面指出的那样，支撑结构可以是浮力合适的小船、驳船、浮筒或其他船只，其可以位于周围水水面上面或水面处，或者保持在水面以下的所需深度处。控流器组件可包括单个控流器板块构件，其中形成有开口；或者，它可以包括两个或多个控流器板块，其间具有板块间开口或空隙。在其他实施例中，控流器板块没有开口，但可以在结构上构造成使水围绕控流器组件以及/或者在控流器组件下方流动，并由此对水加速。在进一步的实施例中，发电总成可以被取向为大体垂直于预期水流的方向。至少一个水力转换器可以可操作地联结到至少一个发电机，并且也位于距控流器组件(后面或下游)预定距离处，以便在它们之间提供空隙。(诸)控流器板块的(诸)开口或(诸)板块间空隙的构造不是重要的，可以例如是正方形或矩形。
[0125]
控流器组件中开口的宽度或者控流器区段之间的板块间距离可以进行优化，就像可以优化控流器组件和水力转换器之间的距离那样。例如，在本发明的实施例中，控流器组件中开口的宽度可以是控流器总宽度的大约30
‑
40％，不过，具体尺寸将取决于本发明的具体实现方式。在一个示例性实施例中，控流器组件可由两个控流器区段组成，每个控流器区段的宽度为2英尺(0.6m)，其间具有2英尺(0.6m)宽的开口，使得控流器组件的总宽度为6英尺(1.5m)。控流器组件可以基本上或完全浸没在水流中。无论水力转换器的大小如何，例如从8英寸(20cm)微型涡轮机到50英尺(15.2m)直径的水轮机，控流器组件的控流器区段都可以延伸到水柱(water column)中，大约低至(或低于)水力转换器的深度。在替代实施例中，浮筒(或支撑结构的其他浮力部件)可伸入水中至某一具体深度，而控流器区段可伸入水中的深度没有浮筒深，由此在水线下方提供了用于加速周围水的流动通路。
[0126]
已经发现：通过在控流器组件中提供开口并将水力转换器入口或致动区域放置在控流器开口下游的预定距离处(或者，如下文针对间隔开的控流器板块所述，在板间空隙下游间隔预定距离)，优选的是没有任何位于中间的分流结构，进入水力转换器入口的水的速度与周围水速相比可以增大50％至200％倍。也就是说，与周围水流速度相比，控流器组件使流经控流器组件的水速增大了50
‑
200％。在其他实施例中，控流器组件伸入水中没有浮筒那样深，如上面讨论的那样，在控流器组件下方流动的周围水流将被加速。由于水的速度增大，水力转换器以远大于原来可能在周围水流中运动的速度转动、旋转或以其他方式运动。水流速度的这种加速以及由此导致的水力转换器输出的增加，使得来自发电机的电力输出增加。因为能量与速度的平方成比例，所以，即使是水速增大了些许数量，也会在其组合的动能、水静力能和湍流能中产生显著(指数而不是线性)的增大，这些组合能量可以转化为电力。
[0127]
除了考虑水力转换器的旋转速度之外，还需要考虑扭矩。可能存在这样的一些情况：不希望水力转换器超过预定转动速度旋转。尽管转动速度一般可能由环境或感官问题(诸如噪音水平)决定，但对于转动速度还是有运行上限，例如最大尖端速度，以及管控最大
速度的物理特性。例如，水轮机可以按最佳方式转动，使得轮机上的桨叶以水速的三分之一运动，这原本可能会是其设计的默认速度。然而，考虑到各种因素，诸如当地环境和设备的物理特性，水力转换器可以构造为使其以稍慢的速度运行，例如，用以最小化其对环境的影响，并且/或者减少设备上的应力。
[0128]
水动力发电总成可用在淡水、微咸水或盐水中，将会清楚明白的是，用于加工发电总成诸部件的材料将需要承受长时间浸泡或潮湿条件，以避免质量变差。合适的材料包括(但不限于)聚合物(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)、混凝土、水泥、玻璃纤维、不锈钢、无定形金属合金、木材或其他可在潮湿环境中使用的材料，以及上述任意材料的组合。
[0129]
用于支撑结构的高度、宽度和长度的示例性而非限制性的尺寸可以在1m和100m之间变化，体积可以在1m3和1,000,000m3之间变化。本发明可以使用任何合适的制造技术制造或组装，例如注射成型、吹塑成型、铸造、焊接、接合、螺纹紧固件或3d打印。支撑结构可以选择性制造有带波纹的壳体，与没有波纹的壳体(例如平坦表面)相比，带波纹壳体通过对屈曲力提供更大的阻力，可以增大结构强度。
[0130]
在一个实施例中，支撑结构可以有浮力以漂浮在周围水流中，在水面处或附近，并且可以包括诸如聚乙烯泡沫或聚苯乙烯泡沫等材料，以及/或者可以填充空气并密封以保持发电总成在水中的全部或部分浮力。支撑结构还可以具有可调节的浮力，用以调节水力转换器浸没在加速后水的路径中、控流器组件下游的深度以及/或者(诸)控流器板块的深度。此外，水力转换器相对于支撑结构的位置可以是可调的，例如使用线性致动器或齿轮
‑
齿条组合，以改变水力转换器在水流中的深度。在其他实施例中，支撑结构可以设置在水面之下，例如，在水体床处或略高于水体床，或者在水面和水床之间的任何深度处，而周围水流当它运动经过(诸)控流器中或(诸)控流器之间的开口时被加速，以冲击在诸如涡轮机等水力转换器上。
[0131]
为了提供支撑结构在水中的额外灵活性、控制和俯仰，支撑结构的某些区段可以具有与其他区段不同的浮力。例如，支撑结构的头部区段(重心前方的区段)可以比尾部区段具有更大的浮力并且在水面上方升起得更高，反之亦可。可以使用多个浮筒或者若干具有多个腔室(或可充气或可充水的腔室)的浮筒以改变其浮力，并为支撑结构提供所需的浮力(或多余浮力)。这种可调节的浮力特征可以允许例如使用诸如绞盘和/或线束总成之类的控制器，以便根据总成所需俯仰和滚转，控制线束总成的缆索被加长或被缩短。前(或后)腔室的多余浮力可能会允许总成的船头(或船尾)克服该多余浮力被向下拉，使整个机构水平漂浮，或者在需要时船头略微向上或向下，但在任何情况下绞盘或其他装置可以被释放到任何需要的程度，以将船只回复到船头向上的位置。在船头向下或船尾向下可能不利于本发明运行的海洋条件情况中，这种特征将是有利的，特别是假如控流器组件可被设置在船头附近并且水流的力可能导致船头向下“倾斜”甚至淹没在水流中的话。改变支撑结构的俯仰或滚转可以通过使用延伸至中心连接处(例如在锚构件上面)的缆索来执行。作为替换方式，可以使用多根缆绳穿过设置在浮力总成上面和控流器构件自身上面不同点处的导缆器或系绳点，调节支撑结构的俯仰或滚转。
[0132]
额外的浮力可以例如通过在头部或尾部处的额外支撑结构区段或结构酌情提供。例如，如果支撑结构包括两个8英尺宽、8英尺高、40英尺长(2.4m
×
2.4m
×
12.2m)的“主”浮筒，则附加浮力可以由一个或多个宽8英尺、高8英尺、长16英尺(2.4m
×
2.4m
×
4.9m)的附加
浮筒提供，附加浮筒在纵向上附接到主浮筒，开始于浮筒的前部，终止于主浮筒重心前方4英尺(1.2m)处。如果使用线束来控制支撑结构的位置，则连接到线束末端并附接到主锚缆的多根控制缆索(而不是单个控制缆索)可以就船头到船尾、船尾到船头或者从左舷到右舷或者从右舷到左舷或者这些情形任意组合的俯仰给出更好的控制。附加浮力区段可以具有与“主”浮筒相同或不同的结构或浮力。
[0133]
支撑结构可以具有适合保持浮力和/或捕获由诸如潮汐运动等水流引起的阻力的任何形状，诸如箱子、立方体、球体或圆柱体。支撑结构可以由钢、铝、木材或可用于海洋环境的其他材料形成。取决于具体实现方式或部署条件，支撑结构可以是有浮力的、部分有浮力的或没有浮力的。在本发明一个实施例中，支撑结构可以具有充气的孔洞，或者可以包括一个或多个填充有气体或浮力材料的浮筒(如本领域已知的)，浮力材料例如为诸如聚苯乙烯泡沫等挤塑聚合物泡沫。(诸)浮筒可具有可调节的浮力，以改变水力转换器可位于水流中的深度。本领域技术人员由此将认识到，支撑结构可被构造为单个结构或多个结合起来的元件，诸如按照并排、头对尾、尾对尾、头对头或其他布置方式的两个或多个驳船、浮筒、船只或其他结构。支撑结构或任一发电总成部件都可以刷有或涂有杀虫剂或防污剂，以防止生物淤积。
[0134]
形成控流器组件的控流器板块可以具有与将一定流量的水输送至水力转换器的能力相符的任何种类的表面。例如，控流器板块可具有平坦的面向水表面，或包括一个或多个不平坦的面向水或非面向水侧面，这些侧面被构造为捕获、最小化或输送阻力，例如杯状或弯曲形状。在本发明的实施例中，控流器板块具有抛物面形状或凹面形状。控流器板块可以是适合其应用的任何形状，类似地，控流器板块中的开口或相邻板块之间的板块间空隙可以具有任何形状。例如，控流器和开口的形状可以是正方形、矩形、八边形、梯形、圆形或半圆形。
[0135]
在具体实施例中，控流器组件可以大体垂直于水流方向取向，以最大化围绕和经过控流器板块流动的水的速度，并且在其他实施例中(例如图25、27和30)，控流器组件可以相对于水流方向成一定角度，例如在大约0
°
和大约180
°
之间，或者在大约0
°
和大约360
°
之间。在某些实施例中，诸控流器板块可以被安装为使它们的位置在水文条件改变时可实时调节，水文条件改变可能是在诸如退潮或涨潮快速发生期间等潮流流动期间的情况，或者是在可能影响水流的月运周期期间的情况。如果认为合适的话，也可以将控流器板块安装或部署成与水流成一定角度，例如用以减少进入发电总成的水量，如果不这样做会使系统负担过重的话。
[0136]
在本发明的某些实施例中，发电总成可包括在控流器组件上游的导流器，其可有助于将数量增加的水朝向控流器组件引导，由此有助于增大水的加速效果。导流器可以具有任何类型的整体结构，例如锥形或截锥形结构，并且可以位于控流器组件的前面，即上游，或者导流器可以具有非锥形结构，诸如一对板件或板块，它们放置在控流器组件的诸侧面并延伸到控流器之前的水流中，从而将额外的水引导到控流器组件。其他漏斗或导流结构可用于本发明的特定实现方式。
[0137]
发电总成可以完全有浮力以漂浮在水面上，或者发电总成可以完全或部分浸没，这取决于所选择的部署地点和那里的实时条件。影响水面或水下操作的因素包括环境问题、视觉可接受性、通航水域限制、高湍流或大浪等天气条件，以及诸如表面冰、春季解冻或
夏季干旱等季节性考量。发电总成可以被构造成承受恶劣的天气条件或在这样的条件下维持运行。本发明可设计成在即使是最极端的温度和天气条件水仍能保持流动的水深处运行，这样，电子器件要不透水并且能够在大风或强风暴期间承受大浪涌或波浪。
[0138]
如前所述，发电总成或其任一部件都可设置在水体表面处或附近，或者浸没在水面以下。例如，在冬季条件下，发电总成或控流器组件可浸没在表面可能会结冰之处的流水的表面之下，从而可以继续发电，只要控流器组件和水力转换器保持在流水路径(没有冻结)中即可。在严寒条件下，支撑结构有可能被冻结在水面，但只要水力转换器(如涡轮机或水轮机)保持在流水路径中，无论是在诸如穿透表面冰的通道中等表面处，还是沉在水面以下并位于水床底部处或附近，本发明仍可用于发电。在某些设施中，例如为了在冬季运行，发电总成可以选择性地装配有加热元件，以防止总成或诸如水力转换器或任何机械零件等特定部件结冰。也可以使用冷却元件，用于调节某一部件的温度。加热或冷却元件可以使用发电机产生的电提供动力。必要的话，本发明可以被拴在河床或其他位置，例如，使用锚缆或系绳上的夹子或其他装置，使其保持在水体床上方恒定的高度。本发明的表面运行实施例可以构造有顶篷、拱顶或其他结构，遮挡某些或全部支撑结构不受坏天气影响(如果认为这样是可取的)，或者为操作人员提供保护免受日晒雨淋。
[0139]
根据本发明，可以有按串联或并联或串联和并联两者的方式布置成阵列的多个控流器组件或控流器板块，或者可以有按串联或并联或串联和并联两者的方式布置的总成或控流器与水力转换器的多个组合。在本发明的一个说明性实施例中，可以有两个串联的控流器组件，第一加速器将水速从2节增大到3节(1米/秒到1.5米/秒)，第二加速器将水速从3节增大到4节(1.5米/秒到2米/秒)。虽然水速的增大可能不是很大，但水速与动能的指数关系意味着水速增大两倍将提供八倍的动能增加。因此，即使水速的小幅增大也有可能使得从水流流动中获得的动力数量显著增大。
[0140]
在本发明的一个示例性实施例中，控流器组件包括钢板形式的控流器板块部件，其在水中深5英尺(1.5m)、宽13英尺(4m)，并在其中心处具有8英寸宽、深5英尺(1.5m)的开口。本实施例中开口每一侧上的控流器板块分开3英尺(0.9m)。控流器组件焊接到形式为单个浮力腔室的支撑结构上，浮力腔室是一个2英尺(0.6m)高、13英尺(4m)宽、8英尺(2.4m)长的矩形箱子。控流器组件的另一个实施例包括控流器板块构件，该构件由10英尺(3m)深和23英尺(7m)宽的板件构成，并且在其中心处具有8英尺
×
10英尺(2.4m
×
3m)的开口，控流器板块构件悬挂在驳船上，与驳船固定在一起，形成一个工作平台。
[0141]
在另一个实施例中(如图24
‑
27和30所示)，控流器组件可以可枢转地安装到若干可动臂上，诸可动臂在周围水流内在横向上或竖向上打开和关闭，或者，诸可动臂可以是导致水被加速的诸控流器板块本身。例如，在一个示例性实施例中，控流器组件可以安装到一对20英尺(6m)宽和14英尺(4.3m)深的可动鳍状臂(诸如那种弹球机上的臂)上。这些可动臂可以可枢转地安装到浮筒上，并转动到打开构造和关闭构造之间的任何角度，在打开构造，所述臂完全伸展(面向周围水流)以最大限度地产生压头和水速；在关闭构造，阻挡水的流动。例如，所述臂可以在(a)打开构造和(b)关闭构造之间运动：(a)打开构造，其中所述臂相互背离指向，打开水力转换器的入口，并使控流器组件的诸控流器板块正交于水流动方向，由此提供水加速效果；(b)关闭构造，其中所述臂指向彼此，关闭水力转换器的入口，并由此限制周围水自由流经控流器板块。在后一种构造中，入口基本上被阻挡并且没有加速后的
水流经发电总成的流动通道。在第三构造中，承载控流器板块的可动臂可以直接指到周围水流中，使得控流器板块平行于周围水流而不是正交。该第三构造可以用在例如当流动速度高并因此不需要周围水流进一步加速的时候。因此，控流器组件和/或控流器板块可以例如使用马达或其他机构，能够单独地移动到0
°
和180
°
之间或0
°
和360
°
之间的任何角度。发电总成还可包括锁，用以在周围水流中将控流器组件保持在特定构造。
[0142]
在本发明的一个实施例中，发电总成可以包括诸如全球定位系统(gps)接收器等定位系统，以及诸如计算机处理器等关联逻辑模块，其中，所述发电总成能够确定其当前地理位置。所述逻辑模块可以用有关水体内存在强水流位置的数据编程。除了来自gps的位置信息之外，操作人员或发电总成本身还可以使用该信息，以便将总成的位置设定在当前水流内用以产生电力的特定位置。
[0143]
发电总成的发电机可设置在总成内位于水面以下的位置，安装在水域上面的支撑结构或另一结构上，或者设置在陆地上。发电机可以可操作地联结到水力转换器，并在水流经控流器组件而且水的动能、水静力能和湍流能可以转换成驱动发电机的旋转能(或其他类型的能量)时产生电力。发电机可以电连接到电力传输线路，用于将产生的电传输到电网、变电站或一个或多个终端用户。电力传输线路的容量可取决于发电机产生的电量。电力传输线路可以是在陆地或水下/海面下，或者在陆地和水下/海面下两者。电力发电机还可以联结到诸如电池等储电单元，储电单元可以容纳在支撑结构上或支撑结构内，诸如在浮筒内，或者在陆地上或其他地方的位置。所述储电单元可以被构造为存储任何合适数量的功率，例如，1至10mwh。本领域技术人员理解，本发明中电的存储和输送方面可取决于其具体实现方式。储电单元可以被构造为在指定时间或在接收到存储或释放的指令时存储或释放所存储的电能。
[0144]
作为部署在水体表面处或附近的一种替代方案，本发明可以部署在水体表面以下，如图28所示。例如，支撑结构、控流器组件和水力转换器可以在水面下方固定地安装到诸如海底、河床或潮汐床等水体床。在这种实施例中，支撑结构可以在水面下方固定地或可动地安装到水床，并且控流器组件也可以在水面下方安装到支撑结构上。在示例性实施例中，支撑结构可以安装到水床上，使得它设置在水床上方例如1英尺(0.3m)、3英尺(1m)或10英尺(3m)的地方。(诸)控流器板块可以安装到支撑结构上，使得它们朝着水床向下延伸或从支撑结构向水面方向向上延伸。控流器板块也可以安装成相对于水流通道横向移动。发电总成和水床之间的距离或者发电总成和水面之间的距离并不重要，只要水的速度足以按照本文讨论的方式进行加速即可。
[0145]
为了使腐蚀和水对本发明的影响最小化，发电总成的部件最佳方式是用不受水(无论是淡水还是咸水)影响的部件制成，例如铝、不锈钢、锌、塑料和木材。诸如电子设备等特定部件可以密封在水密隔间中，水密隔间可以承受有水或潮湿的条件以防止质量变差。如果相应的防水部件昂贵或不易获得，则使用传统的非防水部件并定期更换此类物品也是可行的。
[0146]
为了对本文描述的系统、装置、组件和方法进行整体理解，将描述某些说明性实施例。为了清楚和说明的目的，这些系统和方法将针对用于从流动的水中产生电能的水动力发电总成进行描述。本领域普通技术人员将理解，本文描述的系统、设备和方法可以酌情进行调整和修改，并且这些系统、设备和方法可以用于其他合适的应用场合，例如用于其他类
型的能量转换装置，而且本领域普通技术人员还将理解，其他此类的补充和修改将不会脱离本发明及其权利要求的范围。当参照附图描述本发明时，相同的附图标记指代相同的元件。
[0147]
图1示出的是根据本发明的发电总成(10)第一实施例的左上立体视图，其具有水加速器组件。发电总成(10)包括漂浮的支撑结构(15)，支撑结构(15)上面安装有作为水力转换器的涡轮机(20)。漂浮的支撑结构包括由三个支柱(30a，30b，30c)连接的一对浮筒(25a，25b)。一对控流器板块(40a，40b)安装在中间支柱(30b)上，控流器板块之间具有板块间开口或空隙(75)，涡轮机(20)安装在后支柱(30c)上。中间和/或后支柱(30b，30c)可以经由设置在浮筒(25a，25b)上的滑动件形式的距离调节机构(35)安装到这两个浮筒(25a，25b)上，并且任一支柱(30)都可以是可动的或具有固定位置。
[0148]
为了优化支柱之间的相对空隙，使水获得最大的加速并且使水力转换器捕获的加速后的水最多，或者为了调节空隙和最终获得的水加速情况，以适应环境或运行条件，任一支柱(30a，30b，30c)都可以具有各自的距离调节机构(35)。距离调节机构(35)允许涡轮机(20)和控流器板块(40a，40b)之间的距离进行改变或调整，以将涡轮机(20)置于控流器板块(40a，40b)之间的板块间开口或空隙(75)后面的加速水区中的最佳位置。涡轮机(20)可操作地连接到发电机(45)，发电机(45)将水流中的能量(例如水流中的动能、水动力能、水静力能和湍流能)转换成电能。系绳和固定构件(总体以50表示)被示出安装到发电总成(10)的前部，用于将发电总成固接于某一固定位置。发电机可经由滑轮装置、传动机构或本领域已知的其他装置可操作地连接到涡轮转子或轴。
[0149]
图2示出的是图1的发电总成的右上立体视图。发电总成(10)包括水加速器组件，水加速器组件包括漂浮支撑结构(15)、安装于漂浮支撑结构(15)上形成控流器组件的一对控流器板块(40a，40b)、以及设置在控流器组件下游的涡轮机。水在控流器板块(40a，40b)之间被输送经过控流器板块之间的板块间开口或空隙(75)，使得加速器组件之后加速水区中的水的速度增大。在图2中，涡轮机(20)可操作地连接到发电机(45)。如前面所讨论的，本领域已知的滑轮装置或传动机构例如可用于连接涡轮机和发电机。涡轮机(20)在控流器组件的控流器板块(40a，40b)后面间隔开预定距离。最终获得的进入涡轮机(20)致动区域的水流与周围水流相比所具有的速度增大了，然后转动涡轮机(20)，产生了与涡轮机假如还是处于周围水流中的情况相比更多的电力。
[0150]
图3示出的是图1的发电总成(10)的前视图，图4示出的是发电总成(10)的后视图。发电总成(10)可以部署在流动的水的表面，或者它可以浸没在水面以下——哪种方式都可用以发电。这对控流器板块(40a，40b)增大了流经控流器板块(40a，40b)之间的板块间开口或空隙(75)并进入涡轮机(20)的致动区域的水的速度(与周围水流相比)，这是为了使涡轮机(20)与如果仅仅浸没在周围水流中的情况相比以更快的速度旋转，并由此提供了与仅仅将涡轮机置于周围水流中的情况相比更多的电量。
[0151]
图5
‑
图7示出的是根据本发明的发电总成(10)的第二实施例。图5
‑
图7的实施例与图1
‑
图4的实施例类似，不同之处是，该实施例中的水力转换器是水轮机(55)而不是涡轮机(20)。具体地说，图5示出的是发电总成(10)的第二实施例的右视立体图。发电总成(10)包括漂浮支撑结构(15)，漂浮支撑结构(15)具有由两个支柱(30a，30c)结合起来的一对浮筒(25a，25b)。一对控流器板块(40a，40b)安装到前支柱(30a)上，在控流器板块(40a，40b)之
间具有板块间开口或空隙(75)。水轮机(55)安装在这对支柱(30a，30c)之间的轮轴(60)上。距离调节机构(未示出但类似于上述机构(35))允许水轮机(55)和控流器板块(40a，40b)之间的距离得到调节，以将水轮机(55)置于控流器组件的控流器板块(40a，40b)下游的加速水流中的最佳位置。水轮机(55)位于加速水区中，并且在该实施例中经由滑轮装置(65)可操作地连接到发电机(45)，发电机(65)将水流中的动能或水动力能转换成电能。系绳(未示出但可以例如类似于上述的系绳和固定构件50)可以安装到发电总成的前部，用于将发电总成的位置设定在某一特定位置。将理解的是，水轮机按照可替换方式可以通过传动总成可操作地联结到发电机，如本文所述。
[0152]
图6示出的是图5的发电总成(10)的右上立体图。发电总成(10)包括水加速器组件，水加速器组件包括漂浮支撑结构(15)和控流器组件，控流器组件包括安装到漂浮支撑结构(15)上的一对控流器板块(40a，40b)。水被输送穿过相邻控流器板块(40a，40b)之间的板块间开口或空隙(75)并围绕控流器板块，使得流经加速器组件到达水轮机(55)的水的速度得以增大。在图6中，水轮机(55)经由滑轮装置(65)可操作地连接到发电机(45)。水轮机(55)的致动区域被设置在这对控流器板块(40a，40b)后面(下游)预定距离处的加速水区中。控流器板块(40a，40b)在水中产生压头，因此与周围水流相比，驱动水轮机(55)的水流具有增大的速度，并且这种增大的流速使水轮机(55)转动以产生电力。再一次，因为这对控流器板块(40a，40b)增大了流经板块间开口或空隙(75)的水速，所以，相比于仅仅将水轮机(55)放在周围水流中的情况，水轮机(55)以更快的速率转动并提供更大量的发电潜力。
[0153]
图7示出的是图5和图6所示滑轮装置(65)的俯视立体图。滑轮装置(65)可操作地连接到水轮机(55)的轴(60)，并且滑轮装置(65)继而使用增速机构驱动发电机(45)生成动力，增速机构用来以比水轮机更快的旋转速度使发电机转动。
[0154]
图8示出的是图5
‑
图7中所示发电总成(10)实施例的第二实现方式的前视图，其包括形式为水轮机(55)的水力转换器和控流器组件。两个控流器板块(40a，40b)在其间具有板块间开口或空隙(75)，位于支撑结构(15)的左右两个端部。浮筒(25a，25b)(在图6和9中更清楚)安装到支撑结构上，使得支撑结构(15)位于水面处。两个控流器板块(40a，40b)导致流经控流器组件的水流的速度增大，从而与周围水流相比允许产生更多数量的电能。控流器板块(40a，40b)之间的板块间开口或空隙(75)引导加速后的水经过发电总成到达水轮机(55)的致动区域。在该实施例中，水轮机(55)包括两组径向延伸的桨叶构件，这些桨叶构件的有利之处是彼此间沿周向错开，以便增强对来自加速水流的能量吸收，以及/或者导致整个水轮机的转动速度更均匀。水轮机(55)可操作地连接到发电机(45)，发电机(45)在水轮机(55)转动时发电。当水轮机(55)绕轴(60)转动时，发电机(45)将水轮机(55)产生的旋转能转换成电能。这些电能然后通过电缆(70)被传输到变电站、电网、电池或直接传输到用户。距离调节机构(35)允许对水轮机(55)的轴的位置进行优化，使得水轮机的致动区域被设置在加速水区中用以产生最大数量的电力的最佳位置。
[0155]
在图8中，两个控流器板块(40a，40b)和开口或板块间空隙(75)各占支撑结构(15)宽度的大约三分之一。根据本发明，取决于本发明的具体实现方式，控流器板块(40a，40b)和板块间开口或空隙(75)可具有相同或不同的宽度。
[0156]
图9示出的是图8的发电总成(10)实施例的俯视图。两个控流器板块(40a，40b)位于支撑结构(15)的相对两端，支撑结构(15)经由一对浮筒(25a，25b)保持在水面。形式为水
轮机(55)的水力转换器设置在两个控流器板块(40a，40b)之间的板块间开口或空隙(75)的后面，使得增大了从中流经的水的速度。与周围水流相比，流经控流器组件的水的速度增大允许产生更大数量的电能。水轮机(55)设置于控流器组件后面的加速水区中，并被经过控流器组件加速后的水流绕轴(60)转动。发电机(45)产生的电力通过电缆(70)传输到电网或其他合适的目的地。
[0157]
图10示出的是图8的发电总成(10)的实施例的后视图。水轮机(55)围绕轴(60)转动并且可操作地联结到发电机(45)，当水轮机(55)通过水流转动时，所述发电机(45)产生电力。发电总成被部署在水流中，并且只要水流中的水至少有大约1节(0.5米/秒)的最小流量，就可以连续地发电。当然，更高速度的水会比流动较慢的水产生更多的电力。
[0158]
在本发明的任何实施例中，包括控流器组件的控流器板块(40a，40b)可以选择性地从部署位置运动到收回位置，在部署位置，控流器板块浸没水中并对从中流过的水进行加速；在收回位置，控流器板块被部分或全部举升出水，以便改变周围水流在其流经控流器组件后作用于水力转换器时被加速的程度。在某些实施例中，控流器板块或控流器组件还可以沿竖直和/或水平轴线运动到0
°
和360
°
之间的任何角度。如果水流很强，则可能需要收回控流器板块(40a，40b)或将它们部署成与水流成一定角度而不是与水流迎面相遇，从而使得要不然会流经控流器板块之间的一些水流部分地偏转，或者防止控流器组件产生“升力”并导致支撑结构(15)或发电总成(10)受到升举的力。出于维护目的，可能还需要允许控流器板块(40a，40b)收回或从支撑结构暂时移除。
[0159]
图11示出的是图8实施例的俯视立体图。水加速器组件包括支撑结构(15)和位于支撑结构(15)前部的控流器组件(未示出)。流经相邻控流器板块之间的板块间空隙的水产生一个加速水区，加速水区与周围水流相比具有增大的速度，并且在水轮机致动区域中的该速度增大的水使水轮机(55)围绕轴(60)转动，从而通过发电机(45)产生比原来没用本发明时从周围流动的水流中所获电力更多的电力。该实施例中的浮筒(25a，25b)将支撑结构(15)保持在水面。
[0160]
图12示出的是图8实施例的左侧视图，其中发电总成处于部分组装状态。控流器板块已拆除以进行维护或存放。水轮机(55)的一个或多个桨叶(55a)已被移除并沿发电总成的前部靠放。在该图中，在支撑结构(15)的左侧显示了一个站立平台(85)。站立平台(85)提供了一个用于维护目的或在本发明运行时供工人在上面站立的地方。可选的站立平台(85)可以具有任何尺寸，但应该清楚，它需要具有足够的强度来支撑个人的重量。可以有一个或多个站立平台，例如环绕式平台，设置在支撑结构上的任何方便或适当的位置。在本发明的大多数实施例中，一些或全部支撑结构都可具有站立能力，以允许工人根据需要在发电总成四周活动。
[0161]
图13示出的是图5
‑
图7中所示发电总成(10)的另一实现方式的前视立体图，其中导流器(80a，80b)在控流器组件前面延伸，以帮助将周围水流导向控流器板块(40a，40b)。浮筒(25a，25b)将支撑结构(15)保持在水面，支柱(30)将浮筒(25a，25b)结合在一起以形成支撑结构(15)。电由发电机(45)产生，发电机(45)由水力转换器转动，在本实施例中水力转换器为水轮机(55)。产生的电通过电缆(70)传输到位于陆地上的目的地，例如当地电网或电池。
[0162]
本实施例中的导流器(80a，80b)可以是平坦的板块，它们被放置在控流器板块
(40a，40b)和控流器板块(40a，40b)之间的板块间开口或空隙(75)之前(或上游)的支撑结构(15)的相对两侧，以便帮助将运动的水流引导到控流器组件的前方，并且导流器(80a，80b)在水面下延伸。导流器(80a，80b)可以具有与帮助将水流朝向控流器组件输送以进行加速的能力相符合的任何具体形状，例如(但不限于)平坦的、弯曲的、锥形的和截头锥形的形状。虽然导流器(80a，80b)显示为位于控流器组件相对两侧的两个板块，但导流器也可设置在支撑结构(15)前方水面以下，而不是沿着支撑结构(15)的外侧。也可以有任意数量的导流器(80a，80b)，诸如一个、两个、三个、四个或更多个，并且单个导流器板块(80a，80b)也可以由数个组成部分构成。导流器(80a，80b)可以沿着控流器组件的一侧、沿着两侧、在加速器前方水线之下、或在任何认为需要的地方进行设置，没有限制。
[0163]
图14a和14b示出的是包括水轮机(55)的发电总成(10)一个实施例的前视图和右侧视图。发电总成(10)由安装有一对浮筒(25)的支撑结构(25)组成，总成(10)经由系绳(如图14b中虚线所示)系在某一固定位置，系绳附接到设置于支撑结构(15)前部的附接点(50)。浮筒(25)为发电总成(10)提供浮力，使其漂浮在水面上。水轮机(55)设置在相邻的浮筒(25a，25b)之间，并且被轮机罩或外壳(90)罩住。轮机罩(90)遮挡水轮机(55)免受坏天气的影响，并防止来自水轮机(55)的任何溅水泼洒在发电总成(10)的表面上，而且还可以降低噪音。可以清楚的一点是，罩(90)所包围的水轮机(55)产生的任何溅水可能最终向下排放到上面漂浮着发电总成(10)的水体中。在本发明的该实施例中，天线(115)用于在发电总成(10)和诸如控制室或中心站等另一个地方(未示出)之间进行无线电通信或数据交换。电气隔室(95)—理想上讲尽可能防水—可用于容纳本发明的任何电子、电气或液压部件，诸如电池，并防止这些部件暴露于坏天气。
[0164]
图15示出的是根据本发明的发电总成(10)一个实施例的俯视图，其包括可操作地连接到水轮机(55)的轴(60)上的多个发电机(45)。发电总成(10)包括在一对浮筒(25)上漂浮的支撑结构(15)，浮筒(25)形成支撑结构(15)的一部分。在本发明的该实施例中，支柱(30)用于固接支撑结构(15)的浮筒(25)。多个系绳附接点(50)安装到支撑结构(15)上，用于将发电总成(10)系到某一固定位置。本领域中已知的负载库(160)设置于支撑结构(15)上，用于复制、证明和验证发电总成(10)的现实需求。可编程逻辑控制器箱(110)也设置于支撑结构(15)上，用作水轮机(55)的高可靠性自动控制，电气隔室(95)容纳了电池和液压零件。支撑结构(15)上可以有一对绞盘(105)，用以调节系到某一固定位置的绳索或系绳的张力。绞盘(105)还可用于向支撑结构(15)或控流器组件提供倾斜能力，例如用以调节支撑结构或控流器组件的一个或多个控流器板件(40)在水中的角度。虽然示出了两个绞盘(105)，但是可以使用任何数量的绞盘(105)，并且它们可以位于若干合适的位置，例如，位于支撑结构(15)的各个角处或在角之间的中点处。电气隔室(95a，95b)可用于容纳本发明的任何电子、电气或液压部件，并防止这些部件暴露于坏天气。
[0165]
在本发明的这个实施例中，水轮机(55)的轴(60)可操作地连接到一对方向转换器(100)，方向转换器(100)对从水轮机(55)接收的旋转能量进行转换并将旋转能量传递给发电机(45)。该实施例中的方向转换器(100)由齿轮箱和锥齿轮箱组成，它们将沿一个方向运动的轴(60)的旋转动能转换为沿两个不同方向的输入旋转以供发电机(45)使用。因此，在该图示中，两个方向转换器(100)中的每一个都驱动两个发电机(45)，因此图15中发电机(45)的总数是四个。方向转换器(100)还可包括具有传动机构的控制机构，传动机构在达到
指定的扭矩水平时与一个或多个发电机(45)接合或脱离。例如，随着加速后的水的速度增大，水轮机(55)从水中捕获的动能数量越来越多，并且可以接合离线的(脱离的)发电机(45)以生成更多的电。当加速后的水的速度降低时，可以使一个或多个发电机(45)脱离接合以防止发电机(45)“拖累”传动系，从而允许传动系以较小阻力旋转。通过选择性地接合和脱离发电机，本发明能在任何可能的情况下最大化动力生成，同时减少发电机的磨损，并且因此能够在基本上任何部署位置和/或任何变化条件下有效运行。
[0166]
图16示出的是方向转换器(100)的一个实施例的后视立体图，方向转换器(100)包括用于将旋转能量传递到多个发电机(45)的传动机构(130)。水轮机(55)(为了便于说明，所示水轮机没带桨叶)驱动方向转换器(100)，方向转换器(100)经由驱动齿轮(125)和传动机构(130)可操作地连接到发电机(45a，45b，45c，45d，45e)。方向转换器(100)类似地还包括用于选择性地接合和脱离该多个发电机(45)中的特定发电机(45)的控制机构。
[0167]
当运行发电时，发电机机械接合并连接到传动系，而且电连接到电网。当发电机不用于发电时，它可以与发电总成机械脱离。当发电机被机械接合而电气脱离时，发电机保持联结到发电总成并且它自由地旋转，因为系统上没有电负载或阻抗。在需要另一台发电机产生额外电的时间点，发电机和电网之间的电气连接通过例如启动开关或其他机构得以重新建立。一旦发电机重新连接到电网(负载)，发电机就接着开始将来自水力转换器的旋转动力转换为电能。在本发明的另一个实施例中，发电机通过诸如离合器系统或可动联结系统等机械开关机械连接到系统，而通过上面讨论过的电气开关电连接到系统。因此，发电机接合机构可包括机械开关或电气开关，或机械开关和电气开关两者。在本发明的另一个实施例中，发电机使用本领域已知的对准后的联结器或其他结构手动或自动地与发电总成连接和断开。
[0168]
图17示出的是方向转换器(100)另一实施例的侧视图，其具有包括链条(135)和链轮(140)装置的传动机构(130)。具有轴(60)的水轮机(55)(为了便于说明，所示水轮机没带桨叶)可操作地连接到第一驱动齿轮(125a)。所述驱动齿轮(125a)经由链条(135)和链轮(140)装置可操作地连接到第二驱动齿轮(125b)。所述第二驱动齿轮(125b)可操作地连接到发电机(45)，所述发电机(45)旋转以发电。虽然只示出了单个发电机(45)，但是可以使用任意数量的发电机来发电，如本文所解释的那样，包括参照图15进行解释的那样。
[0169]
图18示出的是水轮机一个实施例的横截面右侧视图，其具有带铰接点(175)的桨叶(55)，用于减小桨叶出水时的表面积。这种构造降低了与水轮机相关的噪音，并防止或至少减小桨叶对水面的“腹部重砸”或拍击。桨叶(55)包括在铰接点(175)处连接起来的静止区段(165)和折叠区段(170)。桨叶(55)的静止区段(165)安装于水轮机的轴(60)上。在6点钟位置，桨叶(165，170)完全伸展，并能够从水中捕获最多数量的动能。当桨叶从6点钟逆时针旋转时，桨叶(55)开始折叠到自身上，并在3点钟处，桨叶的折叠区段(170)与完全伸展的6点钟位置相比成一定角度。在12点钟位置，桨叶(55)的折叠区段(170)完全或几乎完全折叠在其自身上，使得其半径减半且表面积最小。这种构造减少了在空气中运动引起的阻力数量。随着桨叶(55)从12点钟位置进一步逆时针运动到9点钟位置，桨叶(55)的折叠区段(170)开始展开而变为伸展。在8点钟，桨叶(55)接近完全伸展，并开始以大约90
°
角进入水中。随着桨叶(55)向6点钟位置运动，水的力可能会继续使桨叶(55)变平，从而捕获更多能量，在该位置达到最大阻力。
[0170]
图19示出的是水轮机一个实施例的横截面右侧视图，其具有经由枢轴点(175)安装到轴(60)上的桨叶(55)，并且具有止动器(180)，用以将桨叶的运动限制在一个特定范围内。当水轮机围绕轴(60)旋转时，桨叶(55)在由虚线和实线限定的范围内在水中枢转。即，当桨叶(55)顺时针旋转并进入水中时，水的力使桨叶从虚线(55a)所示的初始位置逆时针运动到由实线(55b)所示的最终位置。止动器(180)设置于轴(60)上，用以防止桨叶(55)运动超出某一特定位置，而且提供结构稳定性以承受水在桨叶(55)上的力。弹簧(未示出)或相当的结构元件可用于偏压桨叶(55)，使得它们在未浸没水中时沿某一特定方向运动。
[0171]
图20示出的是水轮机桨叶(55)的实施例的右侧视图，其具有静止桨叶区段(145)和可滑动伸展区段(150)，当桨叶(55)在水的力的作用下旋转时，可滑动伸展区段(150)在重力影响下在伸展位置和收回位置之间滑动。为清楚起见，仅图示了单个桨叶(55)，而完整的水轮机可能会包括多个桨叶。在12点钟位置(a)，桨叶(55)完全直立，通过重力作用在可滑动伸展区段(150)上，桨叶(55)的伸展区段(150)一直滑入静止桨叶区段(145)中，例如滑入方管区段中。在这种构造中，桨叶的伸展区段(150)完全或几乎完全被桨叶的静止区段(145)包围，因为伸展区段(150)的轮廓(大小和横截面)小于静止区段(145)。结果，由桨叶(55)在空气中运动引起的阻力减小了。因此，当桨叶(55)处于完全收回构造时，内部臂结构(155)和可滑动伸展区段(150)被静止区段(145)完全包围，并且桨叶(55)的半径大约是完全伸展构造的50％。
[0172]
当水轮机顺时针旋转经过2点钟位置(b)并到达4点钟位置(c)时，桨叶(55)的可滑动伸展区段(150)由于重力对其施加拉力而开始伸展。可滑动伸展区段(150)进入水中，在6点钟位置(d)处，它完全伸展并且最大量的板面积暴露于运动的水中。随着水轮机继续顺时针旋转，大约在10点钟位置(e)，重力开始拉动桨叶(55)的伸展区段(150)，并且所述伸展区段(150)开始向下滑到桨叶(55)的更大的静止区段(145)的内部。该动作减小了水轮机的半径以及可滑动伸展区段(150)的暴露的量，从而允许水轮机的每个桨叶(55)都具有较低的轮廓。在12点钟位置，重力将可收回的伸展区段(150)一直向下拉入更大的静止桨叶区段(145)内，将水轮机的半径减小了大约50％。每次轮机旋转过360
°
，桨叶的伸展和收回过程就按照讨论过的方式重复伸展和收回周期。
[0173]
图21a
‑
21c更详细地示出了图20实施例的右侧视图，其中桨叶(55)的可滑动伸展区段(150)在12点钟位置(a)完全收回到了里面，在2点钟位置(b)开始伸展，并在6点钟位置(c)由于重力而完全伸展。应当理解，图20和21不是按比例绘制的。
[0174]
图22示出的是用于水轮机的桨叶(55)的另一个实施例，桨叶(55)具有静止桨叶区段(145)和可滑动伸展桨叶区段(150)，类似于图20和图21，可滑动伸展桨叶区段(150)由于重力的影响而在伸展构造和收回构造之间运动。桨叶(55)安装到水轮机(未示出)的轴(50)上。桨叶(55)的伸展桨叶区段(150)的左侧和右侧被构造成在静止桨叶区段(145)的相应支撑臂(155)的槽中滑动。为此，可滑动伸展区段(150)具有在支撑臂(155)的开槽轨道中滑动的凸出部(185)。当桨叶(55)向下移动时，重力可使可滑动桨叶区段(150)向下滑动成为远离静止桨叶区段(145)的伸展构造，使得桨叶(55)可利用流水的动能，如上面讨论过的那样。当桨叶(55)向上运动时，可滑动桨叶区段(150)可向下滑动，以在收回构造中与静止桨叶区段(145)配合。具有可收回区段和可伸展区段的水轮机桨叶，由于桨叶的表面积变小，所以，所受到的因桨叶推动空气引起的阻力减少了，有利之处是减少了由于摩擦造成的损
耗。
[0175]
图23示出的是水动力发电总成(10)的一个实施例，其包括由四个相邻控流器板块(40)形成的控流器组件，四个相邻控流器板块(40)按直线布置方式，从而在它们之间提供了三个板块间空隙(75)。控流器板块在总成中的这种布置，与周围水的速度相比，增大了水流动的速度，从而可以从水中提取更多量的动能。水轮机(55)形式的水力转换器设置于三个板块间空隙(75)中每一个的下游。每个水轮机(55)围绕轴(60)旋转，轴可操作地连接到形式为传动机构(130)的方向转换器，方向转接器转换水轮机轴(60)的旋转运动并将其传递给发电机(45)产生电力。根据本发明，可以有多个发电机可操作地连接到每个方向转换器/传动机构(130)，并且可选择的发电机可以在例如达到指定的扭矩水平或加速后的水速度等各种条件下(手动或自动地)进行接合或脱离。
[0176]
在本发明的一个示例性实施例中，发电总成包括水加速器组件，水加速器组件包括：(a)约90英尺(27.4m)宽的支撑结构，以及(b)一对在水中约宽30英尺(9.1m)、深15英尺(4.6m)的控流器板块。这对控流器板块之间的开口约为30英尺(9.1m)。形式为直径30英尺(9.1m)的水轮机的水力转换器安装到支撑结构上，并且具有位于控流器组件后面的加速水区中的致动区域。水轮机可操作地连接到发电机。发电总成生成约1兆瓦的电，使用美国工业惯例，它足以为约350个家庭供电。
[0177]
图24和图25示出的是水力发电总成(10)的一个实施例，其具有平行的两个水轮机(55a，55b)。图24和图25这两个图中的水力发电总成(10)的结构是相同的，这两个图的区别仅在于控流器板块(40a，40b)相对于周围水流的位置。这些图中的发电总成(10)包括具有支撑结构(15)的水加速器组件和具有两个控流器板块(40a，40b)的控流器组件，这两个控流器板块(40a，40b)安装到一对可枢转的控流器臂上。所述支撑结构(15)包括三个浮筒(25a，25b，25c)，它们有浮力(或可变浮力)并且将发电总成(10)保持在水面。每个支撑结构(15)都可具有平台(85)，用以出于维护目的或在本发明运行时提供供工人站立的地方。在图24和图25中，平台(85)基本上延伸过浮筒(25a，25b，25c)的整个上表面。这三个浮筒(25a，25b，25c)由形成支撑结构(15)的左舷(左)侧和右舷(右)侧的两个侧浮筒(25a，25b)，以及在两个侧浮筒(25a，25b)之间的较窄的浮筒(25c)组成。水轮机(55a，55b)由长方体罩(90，以虚线显示)围起来，以保护它们免受环境条件的影响，并最小化溅水和噪音。
[0178]
水轮机(55a，55b)安装在轴上(图中看不见)。每个水轮机(55a，55b)可以安装在单独的轴上，或者两个水轮机可以安装在一个公共的轴上。可操作地联结到水轮机的是传动机构(未示出)，其可以被罩(205a，205b)覆盖，以保护它们不会由于溅水或环境条件而质量变差。传动机构可以可操作地连接到方向转换器，方向转换器将来自水轮机轴的输入旋转动能转换为用于供一个或多个发电机使用的输出旋转能。可以在这样的发电总成中使用的传动机构、方向转换器和发电机的示例性实施例在图16和图17中示出。可以使用能够将旋转能转换成电能的其他类型的发电机。
[0179]
图24和图25所示的发电总成(10)在其前缘处具有两个入口(75)，并且在其后部具有相应的出口，控流器板块(40a，40b)设置在入口(75)处，流经总成(10)的水经过出口汇合回到周围水流中。在一个示例性实施例中，总成(10)的前侧和后侧可以具有54英尺(16.5m)的长度，该总成的左侧和右侧可以具有60英尺(18.3m)的长度。在这个示例性实施例中，侧浮筒(25a，25b)每个都可具有10英尺(3m)的宽度，中间浮筒(25c)可具有8英尺(2.5m)的宽
度，并且中间浮筒(25c)和外浮筒(25a，25b)之间的距离可以为13英尺(4m)，但本发明不限于这些具体尺寸。支撑结构(15)可附接到浮筒(25a，25b，25c)的顶部或侧面，如果认为需要将浮筒固接在一起的话。
[0180]
支撑结构(15)可以包括桁架(由220a，220b，220c，220d示意性所示)，桁架使用螺栓、铆钉、焊缝和/或其他连接件，经由桁架端部的固接法兰以及(可选用的)浮筒壁上的加强板直接附接在相邻浮筒(25a，25b，25c)之间。例如，一个桁架可以将一个侧浮筒(25a，25b)的前端与中间浮筒(25c)的前端连接起来，一个分开的桁架可以将同一个侧浮筒(25a，25b)的尾端与中间浮筒(25c)的尾端连接起来；一对相对应的桁架可以用来将另一侧浮筒连接到中间浮筒。桁架可以包括保护性外覆层，并且可以具有容纳结构梁或者机械或电气设备的内部孔洞或空间。至少前桁架(220a，220b)可以具有倾斜的底面，以在可能是波涛汹涌的海中充当扰流器。
[0181]
现在将讨论使用可动的控流器臂来控制相邻控流器板块之间的开口。在图24和图25中，控流器板块(40a，40b)安装至可动臂上的侧浮筒(25a，25b)，可动臂是电动的(未示出)，以根据需要打开和关闭。当可动臂如图24所示伸展而提供打开构造时，按照前面讨论过的方式那样，控流器板块(40a，40b)与周围水流正交，对流经控流器板块开口(即，流经没有被阻挡的入口(75))的水进行加速。当控流器臂移动到如图25所示的关闭位置时，控流器板块(40a，40b)阻挡由臂和控流器板块(40a，40b)形成的控流器组件的控流器开口—即入口(75)，并停止加速后水的流动。这种构造对于降低撞击水轮机(55)或其他水力转换器的水的速度是有用的，例如，用以避免在高速的周围水流动期间在设备上的作用力过大，或者完全停止其运动，以实现对发电总成的维护或修理。用于使控流器板块(40a，40b)在打开构造和关闭构造之间变动的马达可以是可转向马达、方向舵转向系统或强度足以抵抗周围水流操控控流器板块(40a，40b)的位置并将它们保持在所需位置的其他机械或液压机构。还可以将可动控流器臂移动到90
°
位置，在该位置，臂面向周围水流并且因此控流器板块(40a，40b)平行于水流的方向。在这样的构造中，水没有被加速而是以周围速度流经水力转换器。这种90
°
构造是有用的，例如，当周围水流非常快并且不希望水进一步加速的时候。
[0182]
马达可以如图24和图25所示安装到浮筒(25a，25b)上，或者如果认为需要的话，可安装到另一支撑结构上。马达可以如图24和图25所示使控流器板块(40a，40b)在完全打开构造(0
°
)和完全关闭构造(相隔180
°
)之间运动，尽管在其他实施例中，控流器板块(40a，40b)可以移动超过180
°
，诸如大到270
°
并且因此位于入口(75)内，或者在进一步的实施例中可以大到360
°
。在图24和图25中，每个可动臂都具有单个控流器板块(40a，40b)，并且具有的长度足以关闭发电总成(10)的相应水流通道(75)。在其他实施例中，包括一对可动控流器臂的控流器组件可以安装在每个水流通道开口(75)附近。在其他实施例(未示出)中，可动臂可以通过铰链或其他机构连接至支撑元件，所述支撑元件位于水流通道开口(75)的中间。在这种情况下，在参照其他实施例所讨论的打开构造和关闭构造之间，臂可以从水流通道的中间延伸到相应浮筒。控流器组件和可动控流器板块的其他布置落入本发明的范围内。
[0183]
图26和图27示出的是本发明的一个示例性实施例，其中，单个水轮机(55)位于两个浮筒之间以产生电力。图26示出的是一对可动控流器臂(未按比例)，每个控流器臂都承载一控流器板块构件(40a，40b)处于打开构造，以便使流向水力转换器(在此实施例中为水
轮机(55))的水加速，而图27示出的是相同的实施例，但这对可动臂和控流器板块(40a，40b)处于关闭构造。该实施例的特征在其他方面大体相当于图24和图25的特征。
[0184]
图28示出的是用于部署在水体表面以下的发电总成(10)的实施例。该实施例包括支撑结构(15)和在这个实施例中形式为涡轮机(20)的水力转换器。四个支撑梁(210a，210b，210c，210d)用于将发电总成(10)固定地连接至部署了本发明的水体的床。支撑梁的下端可以使用诸如混凝土、缆索、桩等锚或本领域技术人员已知的其他类型连接件固定到水床。一对控流器板块(40a，40b)安装到支柱(30a)上以形成控流器组件，第二支柱(30b)保持支撑结构(15)的结构完整性。支撑结构(15)上的距离调节机构(35a，35b)是用于优化相邻控流器板块(40a，40b)间的开口(75)与涡轮机(20)之间的距离，类似于图1
‑
图4。还可以用另一距离调节机构(未示出)来调节相邻控流器板块之间分开的间隔。虽然控流器板块(40a，40b)和涡轮机(20)被示为从支撑结构(15)向下延伸，但在替代实施例中，控流器板块(40a，40b)和涡轮机(20)可以从支撑结构(15)向上延伸或横向延伸，以便优化从周围水流中捕获能量的能力。发电机(未示出)可以设置于水面下方并且可操作地连接到涡轮机(20)用于发电，或者可以将来自涡轮机(20)的扭矩传递到位于陆地上或位于水面上(例如漂浮)的发电机以用于发电。其他构造也是可行的并且落入本发明的范围内。
[0185]
当涡轮机(20)在控流器组件(75，40a，40b)产生的加速水流中旋转时，发电总成(10)产生电力。电力可以通过电缆(未示出)传输到陆地或诸如电池的电力存储单元以供后续使用。在本实施例中，发电总成(10)在水面下的深度以及总成(10)在水床之上的高度并不重要。然而，可以清楚的是，如前面讨论过的那样，为了使水具有足够的速度进行加速，周围水流应该至少为0.5
‑
1节(0.25
‑
0.5米/秒)。还可以清楚的是，发电总成应该位于水床上面或附近的位置，该位置足够深或以某种方式进行标记以避免被经过的船只损坏。
[0186]
图29示出的是水动力发电总成(10)的一部分，其具有滑动机构(215a，215b)而不是可动控流器臂，用于使控流器组件(40a，40b)在打开构造和关闭构造之间运动，如使用用以标记移动方向的箭头所示的那样，非常像滑动的“谷仓门”。在这样的实施例中，每个控流器板块构件(40a，40b)经由相应的滑动机构(215a，215b)安装到支撑结构(15)上，滑动机构(215a，215b)可以例如是电动轮总成。根据本发明的原理，在图29中，显示控流器板块(40a，40b)处于部分打开构造，其中，它们提供了板块间空隙(75)，使得流经板块间空隙(75)的水的速度得到加速。在完全打开构造中，控流器板块(40a，40b)彼此相背滑动，使得水力转换器的入口完全打开并且对周围水流没有阻挡。在完全关闭构造中，控流器板块(40a，40b)彼此相向滑动，使得它们相邻并且完全阻挡通往水力转换器的入口。在这样的构造中，控流器板块(40a，40b)之间不再有板块间空隙(75)。如前面所讨论的，诸如当控流器板块(40a，40b)直接在浮筒前面时的完全打开构造，可以在例如当周围水流流量非常高并且不需要进一步加速的时候采用，而完全关闭构造可以在例如维护期间采用以用来最小化或停止流向水力转换器的水流。制动器可以与任一实施例一起安装，以减慢或完全阻止水力转换器的运动。
[0187]
虽然这个实施例已经针对包括一对控流器板块的控流器组件进行了说明，但是可以使用任何数量的控流器板块。此外，单个可滑动控流器板块构件可以与诸如浮筒等固定的支撑结构结合使用，以产生用于实现期望的水加速效果的压头。可滑动控流器板块也可以与本发明的水面下实施例一起使用，并且它们的运行原理与本发明的部署在表面的实施
例的原理相同。
[0188]
图30示出的是水动力发电总成(10)的第二实施例，其具有单个如之前图26和图27中所示的水轮机。在图30中，发电总成包括由一对浮筒(25a，25b)形成的支撑结构(15)，这对浮筒(25a，25b)由前、后桁架(220a，220b)结合在一起，前、后桁架(220a，220b)被示意性地示作支柱。桁架(220a，220b)的端部安装到浮筒(25a，25b)的面向内的表面。水轮机(55)形式的水力转换器由支撑结构(15)支撑，发电机可操作地联结至水轮机以产生电力。在图30中，水轮机(55)的轴(未示出)设置于浮筒(25a，25b)的顶面或平台以下，以便保持低重心。(诸)传动机构、(诸)发电机和/或其他设备也可以设置于顶面或平台以下。控流器组件安装到浮筒(25a，25b)的前面，在水轮机(55)的入口之前。控流器组件由一对可动控流器臂(40a，40b)组成，它们可以从打开构造(如图26所示)运动到如图30所示的关闭构造。在打开构造中，控流器臂(40a，40b)与流动方向正交，并导致流经控流器臂(40a，40b)之间的板块间开口(75)的周围水流加速。在图30所示的关闭构造中，控流器臂(40a，40b)阻挡水轮机(55)的入口，例如为了进行维护或者在周围水流速度高的期间，用以减少流经发电总成(10)的流动通道的水量。在第二打开构造(未示出)中，控流器臂(40a，40b)指向周围水流的方向，从而允许未加速的水流直接进入水轮机(55)的入口中。
[0189]
处于关闭位置的可动控流器臂(40a，40b)不一定要与水流方向正交。如图30所示，控流器臂(40a，40b)可在关闭位置形成“v”字形，以引导周围水绕着动力转换总成(10)流动。控流器臂(40a，40b)按铰接方式安装至浮筒(25a，25b)的前缘，并且可以按照之前参照图26和图27讨论的方式在打开构造和关闭构造(0
°
和隔开180
°
)之间运动。可以使用马达(未示出)或其他液压或机械装置，以使控流器臂(40a，40b)在打开构造和关闭构造之间运动。所述控流器臂(40a，40b)可以是单个结构元件，或者可以包括多个结合在一起的元件。
[0190]
图31示出的是水动力发电总成(10)的一个实施例，其具有控流器组件和位于总成的相对端部的水流入口以及可反转的水力转换器(10)。这种实施例可用于例如由于潮汐流动或水流流动使水沿两个方向流动的地方。因此，该实施例不是严格地具有“前”侧和“后”侧，这是因为水沿任一方向流入发电总成(10)用于加速和动力生成。水力转换器(本实施例中为水轮机(55))是可反转的，随着周围水流方向的改变而改变其旋转方向。当周围水流是在一个方向上(例如，在箭头(75)所示的方向上)时，水流经控流器板块(40a，40b)之间的开口(75)并与周围水流相比得到加速。当周围水流方向相反时，水流经相对侧的一对控流器板块(41a；41b，该图中看不见)得以加速。于是，当水沿一个方向流动时的进水口变成了当水沿相反方向流动时的出水口。可以调节水力转换器(10)的位置，以优化控流器组件(40a，40b/41a，41b)和水力转换器(10)的入口之间的距离。
[0191]
在阅读本公开内容后，本领域技术人员将想到诸多变型和修改。在不脱离本文公开的本发明范围的情况下，诸多改变、替换和变更的示例是能够由本领域技术人员想清楚并且可能会被做出来的。本文引用的所有参考文献均通过引用整体并入并成为本技术的一部分。
[0192]
上面描述的各种实施例可以进行组合，以提供进一步的实施例。诸实施例的各方面可以进行修改，以提供更进一步的实施例。所公开的特征可以与本文描述的一个或多个其他特征按照任何组合和附属组合(包括多个从属组合和附属组合)方式实现。上面描述或图示的各种特征，包括其任何部件，可以组合或集成在其他系统中。此外，某些特征可以省
略或不用执行。也可以组合本文提供的任何权利要求以提供附加的实施例，即使没有明确说明这些组合的从属关系。
[0193]
本发明各个方面的其他目的、优点和实施例对于本发明领域技术人员将是显而易见的，并且落入说明书和附图的范围内。例如，但没有限制，按照本发明，可以重新排列结构元件或功能元件，或者重新排序方法步骤。类似地，元件可以包括某一元件的单个实例，或者包括多个元件，这些多个元件起到单个整体部件的功能。在各个实施例中描述的本发明的结构并不意味着将本发明限制于本发明的那些实施例或方面，而是可以实施能够完成类似任务的其他部件。类似地，根据本发明的原理以及体现这些原理的方法和系统可以应用于其他示例，即使这里没有具体详细描述这些其他示例，它们仍然落入本发明的范围内。