CN101283180B - 用于海波浪能量转换设备的浮标 - Google Patents

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Abstract

一种用于从波浪中获取能量的浮标，所述浮标包括：一提供浮力的中心主体，所述浮标进一步包括：一引导部，其具有一引导面，用于所述浮标，所述引导面从水平面向上倾斜，以使所述引导面的顶部相比于所述引导面的底部从所述中心主体更加凸出；和/或一牵引部，用于所述浮标，所述牵引部从所述中心主体向下延伸，呈现一牵引面，所述牵引面从水平面向下倾斜，以使所述牵引面的顶部，在水平面的方向上，相比于所述牵引面的底部更靠近所述主体。

Description

用于海波浪能量转换设备的浮标
技术领域
下述发明涉及获取海波浪能量的浮标及其设计的改进。 
为了能减少当前对矿物燃料的依赖，以及它们对气候改变的影响，清洁能源的重要性正在增加。目前，风力被很好地确立为一来源，但是目前为止可开发的最大的再生能源来自海洋。很多用于开发这一能源的计划在调查研究中，但是它们的资金成本和由它们产生的电能的成本仍然是相当可观的。 
某些类型的转换设备使用浮标或浮力浮桥作为它们获取海波浪能量的装置。这些浮标，被设置在海洋中，随着波浪起伏。由浮标获取到的机械能量被提供为电能转换装置中机械能的一些形式。从表面可知的是，浮标在获取可获得的波浪能量方面的执行力越好，能被提供给转换机构的机械能就越多。反之，这导致电能输出的增加。 
此处公开的作为本发明的背景信息，解释了包含在典型海洋波浪之中的能量分量。这可以被分隔成两个主要的分量。它们是公知的起伏和膨胀。较熟悉的起伏分量负责举起和落下放置在波浪中的浮力物品，同时膨胀是更隐蔽的分量，它与波浪自身中水流的椭圆运动有关。(后者的分量使入浴者站在海床中时，身体往复的摇摆。)可用的能量在起伏和膨胀之间被大致均等的划分。 
到目前为止，已接受的教导声明：一浮标理论上能获取的最大能量限制为与波浪起伏能量有关的分量的50％。若它能够清楚地获得至少一些膨胀能量，浮标的执行力将被改进。 
US2003/0019207公开了一种用于通过垂直运动从波浪中获取能量的浮标，该浮标包括一提供浮力的中心主体。 
GB2,325,708公开了一种波浪能量转换器，其中一波浪跟随器沿弧线围绕一支点旋转。 
WO88/00297公开了一种可旋转安装主体，用于在水流或溪流中旋转，从而将来自于水流或溪流的机械能转换为电能。 
本发明提供了一种用于从波浪中获取能量的浮标，所述浮标包括：一提供浮力的中心主体，所述浮标进一步包括：一引导部，其具有一引导面，用于所述浮标，所述引导面从水平面向上倾斜，以使所述引导面的顶部相比于所述引导面的底部从所述中心主体更加凸出；和/或一牵引部，用于所述浮标，所述牵引部从所述中心主体向下延伸，呈现一牵引面，所述牵引面从水平面向下倾斜，以使所述牵引面的顶部，在水平面的方向上，相比于所述牵引面的底部更靠近所述主体。 
根据本发明的一种浮标，用于从海波浪中获取其能量，包括：作为一第一部件，具有足够浮力的一中心主体部分，a)支持自身重量和任何作用于其上的垂直重量，从而驱动一能量转换系统，以及b)为所述能量转换系统提供驱动力；作为一第二部件，相对于所述主体为向上倾斜表面(面向且接合临近波)形式的一前向延伸部；以及作为一第三部件，向下倾斜表面形式的一后向延伸部。(用于接合浮标尾部之下或朝向浮标尾部的波浪运动。)在使用中，第二部件接合临界波以增加举升力，第三部件接合浮标尾部之下或朝向浮标尾部的波浪运动，以相似的方式去增加通过其提供的举升力。 
优选地，还可进一步包括一机械衰减装置，以衰减所述浮标相对于所述标杆的转动。 
优选地，该前向延伸部的形式为附着于或一体成型于浮标的主体上的一鳍状物，形成向上倾斜表面，以及后向延伸部是相似的鳍状物，形成向下的倾斜表面。 
优选地，考虑到所述浮标运转于其中的本地主波浪条件，前向鳍状物位于相对于所述浮标的中心主体的高度，以相对于所述条件最佳化能量获取。在一个例子中，适用于一个特殊海洋波浪的类型或外形，该鳍状物可以被布设以致于在平静的条件下，鳍状物全部或大体上全部的操作表面均在水平面以上。在另一个例子中，适用于另一种海洋波浪类型或外形的鳍状物，可以从它最低的水平位开始，由中心主体延伸。该后向鳍状物优选地被设置成向下依靠浮标下侧的尾部。 
该浮标的操作方法如下。浮标的中心主体部分，由于它的浮力，在作用于其上的波浪中，以众所周知的方式服务于获取能量的起伏分量。因此，该浮标尝试随着作用于其上的水体的升起而升起。包括波浪的前斜坡的大部分水积极的作用于前向鳍状物倾斜的下侧。推力的垂直分量导致增加了浮标自然浮力提供的推力。因为后向延伸部的存在，波浪下方的膨胀不能不受阻碍的滑动穿过浮标的下侧。假若这样，再次源于该膨胀分量，这导致一个进一步向上的推力的分量。前向延伸部和后向延伸部结合的已测效果能增加浮标提供的垂直作用推力达50％，甚至70％，在此之上，其将出自于独立浮标的浮力。 
试验表明：前表面和后表面用于能量获取的理想角度，在一定程度上依赖于波浪的频率。然而在实践中，依赖于水平面，前表面的理想角度已经被发现是位于10～50°之间，优选地是20～40°之间，且对于后表面，是在50～85°之间，优选地是在60～80°之间。 
值得赞赏的是，作为波浪前部分打击前向鳍状物下侧的结果，一定程度的扭矩将被施加到浮标的主体上，这通过浮标的前向边缘相对于其中心被升起的趋势而得到证明。相似地，由于波浪作用于后向延伸部的作用，一定程度的扭矩也将被经历。在这种情况下，该扭矩将是相反方向的。 
在本发明一优选实施例中，浮标的长度表示浮标在波浪传播方向上的尺寸，该长度是结合前向和后向鳍状物各自的表面面积和角度来选择的，以使作用在浮标上的全部扭矩保持为一最小值。 
在一进一步优选的实施例中，浮标的前向和后向鳍状物以及中心主体部分从一单一片状结构中制造而得，例如可以从单一部件模型或类似物中获得。 
能够被强气候中的海洋波浪施加的力能够是强大的。在浮标结构的一优选形式中，一内部加强元件被嵌入于浮标之中，延伸到前向延伸部之上和之中，且类似的延伸到后向延伸部之下和之中。该元件可以被刚性地连接到延伸到该浮标的杆体上，用于通过它将所受的向上推力传递给一安装于浮标之 上或之下的能量转换机构。 
值得赞赏的是，在一波浪能量转换场的安装之中，临近波主方向需要给予细致的考虑。不言自明的是，这是要确保在向前的波浪和它们作用于其上的浮标之间，能够获得最佳的作用力。特别地是，就此处所公开的浮标来说，这个定位是要确保波浪以最大的效果作用到前表面和后表面上。清楚的是，在这个情况下，如果波浪从该侧前进，将不会通过这些表面贡献向上的推力。 
尽管在海洋中有这样的位置存在，在这些位置波浪的主方向是一致的，但这是罕见的情况，相对于标准+-30°的变化是典型的。 
根据本发明的一特征，提供回旋装置以使该浮标转向波浪的主方向。这个装置可以包括一轴承座圈构造，合并于该浮标的主体之中，使它相对于标杆回旋，该标杆传输它的推力给能量转换装置，或者该回旋装置可以设置在能量转换机构的标杆本身之中。在这些情况的任一情况中，试验表明，浮标能恰好转动到主波浪方向中，以自身得到最佳能量获取和转换。 
机械衰减装置可以被建立在回旋机构之中以克服任何过度活跃的响应。 
平的前面向的浮标的缺点是前进波浪施加到它们之上的实质上侧向的压力。这些压力是破坏性的，且引起实质上的弯矩作用到连接在其上的标杆上。 
根据本发明进一步的特征，浮标的前向面以此方式画出轮廓以减小波浪作用于其上的压力，而不至于使得海浪作用于浮标向上倾斜的前表面的那部分的材料损伤到增加举升力的程度。该轮廓也被布设以辅助从浮标下穿流而过的波浪不明显导致前表面向上的升力。该后者部分借此被引向后向的向下倾斜的表面，以增加借此提供的举升力。在实践中，必须在减小作用在平面上的侧向推力和取决于举升力的任一随之产生的材料减少的效果之间寻找一折中方案。浮标前表面和后表面的操作依赖于作用在前进波前上的逆转程度。 
附图说明
本发明将结合如下附图进行描述： 
图1所示为海波浪之中包含的主要能量分量； 
图2所示为本发明的浮标； 
图3a-3c所示为作用于浮标各个表面的波浪作用； 
图4所示为作用于前向和后向浮标延伸部的扭矩力； 
图5所示为合并有内部加强元件的浮标； 
图6所示为合并有回旋装置的浮标； 
图7所示为设计用于减小前向波浪作用力的浮标； 
具体实施方式
参见图1，所示海波浪在10处从左至右传播穿过该页面。波浪中负责举升放置在其内的浮力物体的起伏分量，如垂直箭头11所示。隐藏的膨胀分量如箭头12所示。储存在波浪中的机械能量，在两个分量之间被大致划分为50/50。 
从波浪中可得到的浮力通常被理解为负责放置在波浪上的浮力物体的升起和落下。当考虑波浪作用于在其路径上固定不动的物体上的机械作用时，从膨胀力中可得到的能量能够被最佳地理解。这些力是相当可观的，解释了长期发生在海滩、防浪堤和类似物上的损坏。 
图2以13示出了本发明浮标的侧视图。该浮标包括一中心主体部分14，其按计划以14a示出了其垂直横截面图。该主体可以形成自适当的碰撞泡沫或类似物，且封装入一玻璃纤维室中。该浮标连接在一标杆15上，该标杆被用于驱动坐落在浮标之上或之下的一能量转换机构。该标杆由一辊轴(图中未示)导引，借此驱使浮标作纯垂直运动。 
伸出自浮标的前表面16，即面向临近波浪的表面，是一倾斜前向延伸鳍状物17。应该注意的是，鳍状物在靠近浮标底面的一点从前表面延伸而出，这对于能量获取通常是优选位置。向下伸出自浮标尾部的是一进一步的倾斜后向延伸鳍状物18。该鳍状物从浮标和它的表面延伸而出的精确的优选点，是根据其中设有浮标在运转的波浪的主要特性来确定的。相对于水平面典型 的角度，对于前向鳍状物来说是向上+30°，对于后向鳍状物来说是向下60°。浮标的作用将结合图3来加以解释。 
考虑一临近波浪作用于浮标的单一情况。图3a示出了影响浮标前表面16和向上倾斜鳍状物17的波浪前向斜坡19。该鳍状物限制了该前部，该前部导致了来自该作用的推力的向上分量，如21处所示的矢量图解。如图3b所示，作为环绕浮标的波浪的主要部分，浮标的自身浮力引起其上升，保证前进的前部继续受鳍状物17所限制。这确保了垂直推力的大部分分量能够从波浪的所述前向部分中被提取。 
该浮标从图3b所示的其浮力中被提供垂直推力以继续上升，到目前为止大体上被水所围绕。然而，由于向下倾斜鳍状物18所提供的阻挡作用，波浪的内部膨胀分量(如图1中12处所示)无法快速从浮标的下侧通过。这导致了作用于浮标下侧的一推力的向上分量，如矢量分解图21a所示(注意，这里存在推力的一相似的向下分量，该推力作用于碰撞下方的水主体)。 
因此，该浮标可以享受源自前向延伸部和后向延伸部的附加举升力，以实质上产生全体力，该全体力可用于机械驱动连接在其上的能量转换系统。这个效果当然是因为该鳍状物存在于被使用的具有零垂直浮力的平表面处，如先前试验所证实的那样。 
可以被发现的是，向上推力可以被提升差不多50％，甚至70％，因此利用一实质边缘，能够增加从普通的大约具有相同移动的浮标中能获得的推力。 
从图3a-3c所示的矢量分解图中可以明显得出，扭矩力将发生以尝试使浮标的主体绕一虚构中心线25转动。然而，由此可见，每个扭矩力以相反的方向作用，前向扭矩力尝试使浮标以顺时针的方向转动，后向力尝试使浮标绕逆时针方向转动。通过正确选择鳍状物17和18的表面面积，和它们相对于浮标中心主体的夹角，这些扭矩能够被实质上排列为能相互抵消。 
影响任一使用浮标的波浪能量转换器的耐久性的关键争论点是它们的生存能力。参考图5，本发明的浮标示于26处，其中嵌入有一内部加强元件27。这可以由碳纤维材质或甚至钢板制得。该元件如图所示向上延伸进入前向鳍状物17中，通过中心主体28，向下延伸进入后向鳍状物18中。一标杆29将推力从浮标传递到波浪能量转换机构中，该机构安装在浮标之上或之下，该标杆在所示的附加装置30处刚性连接到加强元件上。通过这个方式，该加强元件不仅服务于保持浮标结构的刚性，还辅助于将借此经受的向上推力施加给标杆29。 
参考图6，本发明的一浮标31被示出通过一轴套33连接到一推力标杆32上。在轴套中设有一支乘轴颈34，其内部部分通过一刚性元件35被固定到该浮标的主体上，且其外部部分被固定到该轴套33上。该构造的操作过程如下。如果一波浪的序列远离浮标中心线36时，波浪与向上和向下倾斜表面的相互作用是这样的，以致于引起浮标回旋和直接朝向主波的方向旋转。通过这个方式，维持了波浪作用到表面上的最佳作用力。衰减装置，图中未示，可以被合并于回旋机构之中以限制浮标响应的速率，且借此使机械磨损和振动最小化。该回旋点不需要合并于轴套自身之中，如图所示，但是应建立于标杆自身之中，或者建立于能量转换机构之中。 
一种减小作用于浮标的波浪前向压力的方法，参考图7所示。波浪的压力对放置于海洋中的物体的影响是巨大的，这一点是普遍所知的。如图7所示浮标以此种方式被画轮廓，以这种方式来将波浪分割为两个分量，一用于作用到前表面38的上部分量37，一用于作用到下部表面40的下部分量39。轮廓的影响是使波浪的下部分量在浮标下侧快速通过，且借此使波浪作用于一纯粹平面的破坏性撞击影响最小化。然而，因为没有依靠前表面被消散掉，所以这个分量的能量可便利的用于作用在下部表面上。轮廓的细致选择确保了浮标整体上受到较小的冲击力，但是，在材料程度上，没有危害由此体验到的整体举升力。 
在前表面相对于主要的主体的倾斜度和起始位置方面，该轮廓可以根据本地波浪条件预先选择以最佳化能量获取，这对于后表面是类似的。 
[0043] 许多变形对于本领域技术人员来说是明显的。 

Claims (22)

1.一种用于通过纯垂直运动从波浪中获取能量的浮标(13，26，31)，所述浮标包括：
一提供浮力的中心主体(14，28)，其特征在于所述浮标进一步包括：
一引导部(17)，其具有一引导面(16，38)，用于所述浮标，所述引导面从水平面向上倾斜，以使所述引导面的顶部相比于所述引导面的底部从所述中心主体更加凸出；
和
一牵引部(18)，用于所述浮标，所述牵引部从所述中心主体向下延伸，呈现一牵引面(40)，所述牵引面(40)从水平面向下倾斜，以使所述牵引面的顶部，在水平面的方向上，相比于所述牵引面的底部更靠近所述中心主体。
2.根据权利要求1所述的浮标，其中所述引导面(16，38)以一在水平面向上10～50°之间的角度倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述牵引面(40)从水平面向下在50～85°之间倾斜。
4.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述引导面(16，38)一体成型为所述中心主体(14，28)的一部分。
5.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述引导部(17)由一延伸自所述中心主体(14，28)的凸部形成，且在所述引导面的所述底部与所述中心主体连接。
6.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述引导面(16，38)的所述顶部延伸在所述中心主体(14，28)的顶部之上。
7.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述牵引部(18)与所述中心主体(14，28)一体成型。
8.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述牵引面(40)的所述顶部在所述中心主体(14，28)的底部之下。
9.根据权利要求1或2所述的浮标，进一步包括：
一内部加强元件(27)，在所述中心主体(14，28)中，且在所述引导部(17)和/或所述牵引部(18)中延伸。
10.根据权利要求9所述浮标，其中所述加强元件与所述中心主体的一附加装置(30)一体成型或直接固定在所述中心主体的一附加装置上，使一标杆附加到那里，用于将所述浮标的上/下运动转移成为能量转换系统的一分量。
11.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述引导面(16，38)从所述中心主体的中间或低于所述中心主体延伸，和/或所述牵引面(40)大体上从所述中心主体的底部延伸。
12.根据权利要求1或2所述的浮标，其中所述浮标有一附加装置(30，35)，使一标杆附加到那里，用于将所述浮标的上/下运动转移成为能量转换系统的一分量。
13.根据权利要求12所述的浮标，其中所述附加装置包括一构造，通过所述构造，所述浮标围绕所述标杆转动。
14.根据权利要求13所述的浮标，其中所述附加装置包括一机械衰减装置，以衰减所述浮标相对于所述标杆的转动。
15.一种包括权利要求1或2所述浮标的第一装置，所述第一装置还包括一附着于所述浮标一个端部的标杆(15，29，32)，所述标杆用于将所述浮标的上/下运动转移成为能量转换系统的一分量。
16.根据权利要求15所述的第一装置，其中所述浮标和标杆转动地连接。
17.根据权利要求16所述的第一装置，其中所述标杆包括转动装置(34)。
18.根据权利要求16或17所述的第一装置，进一步包括一机械衰减装置以衰减所述浮标相对于所述标杆的转动。
19.一种包括权利要求15所述第一装置的第二装置，该第二装置还包括一能量转换系统，所述能量转换系统用于将所述标杆的所述被转移的上/下运动转换成为电能。
20.根据权利要求19所述的第二装置，其中所述标杆相对于所述能量转换系统转动。
21.根据权利要求20所述的第二装置，进一步包括一机械衰减装置以衰减所述转动。
22.一种从波浪中产生能量的方法，所述方法包括放置权利要求1-14任一所述的浮标，或权利要求15-18任一所述第一装置到波浪中，并使用一能量转换系统以将所述浮标的运动转换为电能。
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