CN101529087A - 用于将海浪能转换为电的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于利用与海浪相关的动力并将该动力转换为电的方法和装置。该装置是容纳垂直定向的中心轴、摆以及发电机的浮筒。当该浮筒在海浪的影响下相对垂直方向倾斜时，摆绕中心轴加速并旋转。在中心放置的发电机机械地耦合到旋转的摆，并由旋转的摆驱动，使得摆的动能被转化为电。电被存储在浮筒处或浮筒附近，或被传输到远处的设施。此外，沿浮筒的底部放置的鳍状物排列用作反力矩机构，并提供了电产生的工作效率。该方法涉及采用在中心设置的发电机和鳍状物排列的使用，以有效利用波浪动力。

Description

用于将海浪能转换为电的方法和装置

技术领域

本发明涉及电力的产生。更具体地，本发明涉及将海浪能转换为电的方法和装置及其实施。

背景技术

利用海浪动力的想法已经引起人们的注意很久了。因而已经有若干针对将波浪动能转换为电能的发明。然而到目前为止，这种发明大部分是无效的。美国3231749号专利中公布的一项这种发明提供一种具有浮筒的“浪力发电机”，其中浮筒具有在中心安装的垂直轴和可旋转地安装到轴上的摆。该‘749专利还包括安装在摆外端的重物以及安装在重物外侧的发电机。

该‘749专利需要将发电机机构沿摆臂外围放置并且使用外行星齿轮发电。实际上，诸如生产复杂性、机械应力和热膨胀的因素会使得所公开的发明的维护过于昂贵并且使用效率低。例如，如果没有昂贵的支撑物，外行星齿轮不太可能保持很好的环形。如在本领域已知的，随着外齿轮直径增加，在工作应力下维持摆的运动的环状所需要的结构支撑体的质量以大于一比一的比例增加。在外行星齿轮变成偏心的这种可能的情况下，摆机构会变得受约束或被卡住，使得此系统效率降低或不可操作。为避免偏心的问题，最好沿摆放置某种弹簧承载(Spring-loaded)设备或其它悬挂机构以允许摆自由地移动。这种机构也会过于昂贵、复杂并难以维护。而且，摆的工作效率会由于悬挂机构吸收了摆的一部份动能而减小。

从另一个角度说，将发电机机构远离旋转中心放置也使得转矩(torque moment)远离旋转中心。当转矩距中心太远时，旋转摆的任何偏心将被放大。

该‘749专利是不适当的还有其它原因。例如，公布的发明没有解决如何处理由摆施加在浮筒上的力矩。在没有有效的“反力矩”机构的情况下，发电机的机械阻力会导致当摆在浮筒中摆动时浮筒随摆旋转。因为发电机本身是安装到浮筒的，发电机在其自身参照系中将看不到旋转。这导致浮筒仅仅在海里旋转，因此对于产生电能完全无效。

发明内容

本发明是用于将波浪能转换为可用动力的设备。所述设备包括：摆，设置为在波浪运动影响下关于枢轴点旋转。支撑体，用于所述枢轴点。此外，该设备的特征在于，鳍状物，用于啮合所述波浪形成于其中的介质，从而允许所述摆和所述枢轴点相对于支撑体旋转。发电机机构，被布置为基于所述枢轴点的旋转来工作。

本发明还是一种用于发电的方法。所述方法包括：允许水波浪关于枢轴点旋转摆；为所述枢轴点提供支撑体；以及对所述支撑体施加反方向旋转力，从而允许所述摆和所述枢轴点关于所述支撑体旋转。

此外，本发明是用于将波浪能转换为电能的系统。所述系统包括：浮力构件，其包括配置为在波浪运动的影响下旋转的摆，以及用于通过转换与所述旋转摆相关的能量来产生电的发电装置；传输装置，用于传输所述产生的电；以及处理设施，用于处理所述传输的电。

最后，本发明是用于将波浪能转换为电的装置。所述装置包括：摆，配置为在波浪运动的影响下关于中心轴旋转；发电机，与所述中心轴对齐，以集中施加在所述装置上的扭转力；以及从所述装置延伸的多个鳍状物，所述多个鳍状物配置为保持所述装置相对于所述摆基本旋转静止。

前述内容已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便于更好理解本发明的以下详细描述。本发明的附加特征和优点将在下文中描述，其形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该理解，可以容易地将所公开的构思和特定实施例用作对用于实现与本发明相同目的的其它结构进行修改或设计的基础。本领域技术人员还应认识到，这种等同构造没有脱离如所附权利要求书中提出的本发明的精神和范围。在结合附图考虑时，根据下面的描述，将更好地理解与操作的组织和方法都相关的被认为是本发明特性的新颖的特征，以及更多的目的和优点。然而，应该清楚地理解，每个附图只是用于说明和描述的目的，并不旨在作为本发明范围的限定。

附图说明

为了更加透彻地理解本发明，现在结合附图，参考下面的描述，其中：

图1示出根据本发明的浮筒的一个实施例；

图2示出根据本发明一方面的浮筒壳体部件的一个实施例；

图3示出根据本发明一方面的浮筒鳍状物排列部件的一个实施例；

图4示出根据本发明一方面的浮筒停泊系统；

图5示出根据本发明一方面的浮筒排列；

图6示出根据本发明一方面的电力生产系统。

具体实施方式

装置10是容纳有助于利用海浪动能并将该能量转换为电能的部件的浮筒。如将进一步讨论的，浮筒10中的部件包括当浮筒10在波浪运动影响下倾斜时绕浮筒10内的垂直方向的轴14旋转的摆12。旋转的摆12驱动位于中心的发电机机构16。然后产生的能量可以被储存在浮筒10或由导体60传输到远程存储设备62。此外，预想了通过线缆网50采用浮筒10阵列的实施例。

如图2中可以看出，浮筒10的特征为下壳体部件20和相应的上壳体部件(未示出)。下壳体部件20和上壳体部件优选地为半球形并具有相同的尺寸，其中每个可以同另一个结合以形成具有扁球形的闭合体(enclosure)。优选地，壳体部件由具有相对高强度的浮力材料组成。例如，预想了壳体部件包括诸如玻璃纤维或碳纤维的合成材料的实施例。然而，其它适合的材料对于本领域技术人员将是明显的。下壳体部件20和上壳体部件的某些部分可填充诸如泡沫的材料，以增强适航性并降低成本。

浮筒10内的区域可以被附上并填充压载，或通过对浮筒10划分隔舱并将那些隔舱中的一个或多个对海洋开口被设置到中间浮力。这种设置被认为是为浮筒10提供一致的浮力，使得浮筒10在静止位置下不具有倾斜的趋势。

优选地，浮筒10在静水中的倾斜，或静态角，相对水平面不超过三到五度。为检查摆的动作，当摆12基本位于上死点(top of dead center)时，必须首先将静态角从引起摆运动的波浪的基本呈楔形的截面减去。举例来说，对于普通的具有1比5的高长比或峰谷比的波浪，该波浪的平均角度大约为11.3度。在浮筒10的“后倾”大约为三度的情况下，摆12必须用8.3度的总倾斜来对轴14形成足够的力矩以克服初始摩擦。当摆12绕轴14旋转时，浮筒10随摆12一起倾斜该3度的距离，该3度将被加在波浪的角中，而非从波浪的角中减去。因此，对于给定的波浪，在摆动的底部，浮筒10(和摆12)的角度将是11.3度与三度之和，或者说是14.3度。显然，摆12的力矩在整个工作行程中增加。

优选地，壳体部件结合以形成具有三比一或更大的长高比的扁球。这种长高比允许与该装置相关的浮力充分地沿其长度分配，从而抵消摆质量施加的向下的力。摆12的重心优选位置距离轴14的距离不远于轴14与浮筒10边缘之间径向距离的一半。这种配置允许足够的浮力以抵消摆的质量，从而浮筒10不会在倾斜的位置下被锁死。此外，这种可精确重复的尺寸可以提高生产和组装的效率。三比一或更大长高比是可取的，因为凭借其产生的配置，结合的壳体部件的曲率允许浮筒10在波浪的“拍打”下适度地移动。最后，当浮筒10为具有直径高度比大约为三比一的扁球时，浮筒10具有足够大的表面积-排水量比。

在示例实施例中，浮筒10的直径、摆12的质量、摆12的臂长、以及外侧浮力的力心是彼此相关的。然而，通常优选的是浮筒10的浮力与工作质量的比值大约在七比一到十比一之间。即，浮筒10所排流体的质量为摆12质量的七到十倍。本发明人已发现当满足该条件时，达到了对波动提供充足的浮筒响应的排水量-压载比。

下壳体部件20具有沿其外圆周的凸缘22。同样地，上壳体部件会有沿其外圆周延伸的相配的凸缘。可以通过插入紧固装置，诸如穿过各凸缘中对齐的孔的一组螺栓或螺钉，将下壳体部件20固定到上壳体部件。此外，优选地在凸缘之间具有垫圈以加强壳体部件之间形成的密封。其它用来相互连接壳体部件的方法对本领域技术人员是明显的。例如，预想有用焊接方法或加紧装置连接壳体部件的实施例。

如前所述，摆12容纳在浮筒10内。在工作期间，摆12绕延伸在每个壳体部件中心点间的中心轴14旋转。当浮筒10在波浪运动的影响下移动时，其相对于水平面倾斜。因此，摆12由重力向着浮筒10中具有最低势能的点加速。当以这种方式加速时，摆12被约束在垂直于中心轴14的平面内绕中心轴14旋转。如可以容易想象的，波浪的升降运动将导致浮筒10从一侧到另一侧倾斜，从而改变浮筒10内的最低势能点。在这种情况下，摆12将被从浮筒10内的一点到另一点加速，一直在这些点之间旋转。

重要的是，本发明人理解波浪运动的半随机性不利于允许摆12沿恒定的方向旋转，即顺时针或逆时针。同样地，实施例被配置为允许摆12自由地沿顺时针或逆时针旋转。如将进一步讨论的，在每种情况下，摆12的动能可以由发电机16捕获。

再次参照图1，发电机机构16与摆12和中心轴14机械地连接，使得摆12和中心轴14的旋转引起发电机16旋转。优选地，发电机16包括与位于轴14上的齿轮啮合的齿轮。在轴14旋转时，它的齿轮驱动发电机16上的齿轮。可以预想发电机16与轴14用其它本领域已知的方法连接的其它有用的实施例。例如，发电机16和轴14可以经由带或链机构进行机械连接。

根据优选实施例，发电机16具有紧临轴14的旋转轴的旋转轴。这种设置允许发电机16的转矩贴近轴14的转矩。因此，在浮筒10感受到的总力矩被基本上集中起来。总的来说，这提高了浮筒10的机械效率，就是说，这种配置提供处理施加在浮筒10和其它部件上的扭力负荷的提高的灵活性，并且允许探究各种传动比和电力传输选择。

浮筒10的有用的实施例包括多个发电机16，每个绕轴14相等地隔开。这提供从摆12到发电机16特别有效的动力传输机制。根据这种设置，发电机16是冗余的。此外，每个发电机绕轴14的对称设置允许单个发电机16的转矩被另一个发电机16的转矩抵消。

在旋转期间，摆12由沿摆12外围放置的基脚支撑。这些基脚绕每个壳体部件的外壳延伸。在壳体部件内，这种设置提供了有效的操作，降低了摩擦并且不用诸如齿轮的活动零件来支撑摆12。

上面所述的配置提供浮筒10的有效装配。就是说，在装配期间，当壳体部件的纵梁与摆12的基脚啮合时，摆12可以例如使用夹具保持就位。优选地，摆12的基脚包括槽形钢或某些相似材料。一旦接触上，可以将夹具撤出并且沿壳体部件的各凸缘将壳体部件互相紧固。因此，在浮筒10内安装摆12不需要紧固物。代替地，摆12被由壳体部件的接合产生的预加载压力保持相对于其旋转轴固定。

这里公开的实施例对处理摆12施加在浮筒10上的力矩尤其有效。使用期间，摆12施加在浮筒10上的力矩将有两个分量：绕垂直轴施加的力矩和绕水平轴施加的力矩。绕垂直轴施加的力矩产生于摆12绕轴14的旋转。如前面讨论的，发电机16将相关机械能转换为电能。绕水平轴的力矩产生于摆12自身的重量。然而，下壳体部件20和上壳体部件之间的机械耦合允许该力矩有效地散布于整个浮筒10。就是说，壳体部件彼此连接以有效地分配绕水平轴的力矩。

如所提到的，摆12在浮筒10内旋转从而转动发电机16。然而，发电机16以及用于该问题的容纳于浮筒10内的其它机械部件，机械地抵抗旋转。就是说，发电机16“抵制”摆12。因此，如果浮筒10不装备克服这种机械阻力的机构，浮筒10将仅仅随摆12旋转。

参照图3，鳍状物30从下壳体部件20延伸。在优选实施例中，鳍状物30共同形成鳍状物排列，其作为“反力矩”机构提供足够的阻力以克服发电机16和其它部件的机械阻力。具体地，鳍状物30共同作用，拖带大量水，足够当摆12在浮筒10内旋转时保持浮筒10旋转静止。鳍状物30应具有足够的尺寸以有效抑制浮筒10的旋转，使得摆12可以进行针对发电机16的工作。因此，鳍状物30可以具有足够的尺寸使其可拖带多于摆12质量几倍的水。

如图3，鳍状物30通过耦合到凸缘22装附到浮筒10。可以利用本领域已知的方法通过将鳍状物30螺钉连接或螺栓连接到凸缘22来完成鳍状物30到凸缘22的耦合。有许多种将鳍状物排列30装附到浮筒10的机制。然而，优选将鳍状物30用这样的方式直接耦合到凸缘22，因为这允许每个鳍状物30容易地装附到浮筒10或从浮筒10拆下。因此，鳍状物排列的每个鳍状物30优选地为当发生损坏或因其它情况需要更换时可更换的独立的、非整体的部件。因为每个鳍状物30是外部部件，可以根据浮筒10的尺寸、主要的海洋状况等使用不同的尺寸。

再次参照图3，每个鳍状物30从下壳体部件20的中心部分径向延伸。然而，可以看出，鳍状物30并不在中心点互相会合。代替地，鳍状物30通过承托环32彼此耦合。优选使用承托环32因其使鳍状物排列30具有相对高的强度。根据特定实施例，鳍状物30可以用螺钉或螺栓固定到承托环32。因此，可以通过从凸缘22和环32给个别鳍状物取下螺栓来去除该鳍状物，并在其位置插入替换的鳍状物。

参照图4，示出停泊线40穿过限制环44延伸于浮筒10和平衡物42之间。在优选实施例中，停泊线40从浮筒10的中心点延伸，例如下壳体部件20的中心点，使得浮筒10沿水面保持平衡。根据优选实施例，停泊线40与浮筒10被配置为允许浮筒10自由旋转而不会造成停泊线40扭转。具体地，装附到停泊线40下端的平衡物42允许浮筒10根据波浪运动沿波浪表面上下移动。平衡物42还用作下中心压载和用来将浮筒10拉回到与限制环44垂直对齐的装置。重要地，停泊线40在限制环44中自由地垂直和旋转运动，并且被平衡物42限制在限制环44内。这种设置被认为特别有益于使浮筒10和停泊线40可以旋转而不会扭转或损坏停泊线40。

如图5，多个浮筒10可以彼此相对接近地设置以形成浮筒阵列。如图所示，许多限制环44被置于线缆50的网格内。线缆50，结合环44，形成浮筒阵列的锚泊基础(Anchoring base)。每个浮筒10与其自己的停泊线40、平衡物42和限制环44相关联。于是，每个浮筒10被提供一定范围的垂直和横向运动，使得波浪导致的运动最大化而又避免相邻浮筒的接触。

参照图6，示出了延伸在浮筒10和电力存储单元62之间的电力传送装置60。优选地，电力传送装置60为在浮筒10和诸如电力存储单元62的远处位置之间传输电流的导体。如图所示，电力传送装置60被在停泊线40顶部或接近顶部的位置装附到浮筒10。另外，如本领域已知的，电力传送装置60被使用密封滑动环64装附到停泊线40。优选使用密封滑动环因其能够使每个浮筒10和停泊线40自由地旋转，而不会导致传送装置60卷绕停泊线40。因此，避免了因不适当旋转造成传送装置60上约束或拉紧的现象。在电产生后，电力传送装置60可以从浮筒10传递到电力单元62输电，或者可以将电存储在浮筒10上并且在稍后传输。

虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是，应该理解，可以在此进行各种变化、置换和改变而不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。而且，不是要将本申请的范围限于本说明书中所述的处理、加工、制造、物质的组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如同本领域技术人员从本发明的公开中容易理解的那样，目前已有的或者以后将要开发的、与这里所述对应的实施例执行基本上相同的功能或者获得基本上相同的结果的处理、加工、制造、物质的组成、装置、方法或步骤可以根据本发明加以利用。因此，所附权利要求书旨在将这种处理、加工、制造、物质的组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (29)

1.一种用于将波浪能转换为可用动力的设备，所述设备包括：

摆，设置为关于枢轴点旋转，所述旋转由波浪作用引起；

支撑体，用于所述枢轴点；

鳍状物，用于啮合所述波浪形成于其中的介质，从而允许所述摆和所述枢轴点相对于所述支撑体旋转；以及

发电机机构，被布置为基于所述枢轴点的旋转来工作。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述介质是水。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述枢轴点是基本垂直于所述摆的旋转平面延伸的细长轴。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述摆的旋转是通过相对于水平面倾斜所述摆引起的。

5.根据权利要求1所述的设备，还包括：

在所述介质的宽阔区域上分开放置的多个所述设备；以及

用于从所述多个所述设备的至少一个收集所产生能量的装置。

6.根据权利要求1所述的设备，还包括：

用于将所述设备束缚在所述介质附近的装置。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述用于束缚的装置允许所述设备在波浪运动的影响下垂直移动。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述发电机机构被进一步布置以减小施加在所述设备上的力矩不平衡。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述发电机机构包括多个发电机，每个发电机抵消施加在所述设备上的扭力负荷。

10.一种用于产生电力的方法，所述方法包括：

允许水波浪关于枢轴点旋转摆；

为所述枢轴点提供支撑体；以及

对所述支撑体施加反方向旋转力，从而允许所述摆和所述枢轴点关于所述支撑体旋转。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述施加包括：

用充分的阻力啮合大量水，以施加所述反方向旋转力。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，通过相对水平面倾斜所述摆来完成所述允许。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括：

通过转换与所述旋转摆相关的能量来生成电能。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述产生还包括：集中与所述转换相关的扭转力。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述产生还包括：抵消与所述转换相关的扭转负荷。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括：

将所述支撑体束缚在所述水的附近。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述束缚包括：允许所述支撑体在波浪运动的影响下垂直移动。

18.一种用于将波浪能转换为电能的系统，包括：

浮力构件，包括：

摆，配置为在波浪运动的影响下旋转；

发电装置，用于通过转换与所述旋转摆相关的能量来产生电；

传输装置，用于传输所述产生的电；以及

处理设施，用于处理所述传输的电。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述产生装置与所述摆的旋转轴中心对齐。

20.根据权利要求18所述的系统，还包括：反方向旋转装置，配置为允许所述摆相对于所述浮力构件旋转。

21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述产生装置被布置为减少施加在所述浮力构件上的力矩不平衡。

22.一种用于将波浪能转换为电的装置，所述装置包括：

摆，配置为在波浪运动的影响下关于中心轴旋转；

发电机，与所述中心轴对齐，以集中施加在所述装置上的扭转力；以及

从所述装置延伸的多个鳍状物，所述多个鳍状物配置为保持所述装置相对于所述摆基本旋转静止。

23.根据权利要求22所述的装置，还包括停泊机构，所述停泊机构包括：

在所述装置和平衡物之间延伸的停泊线；

具有充足尺寸的环形物，以允许所述停泊线横向移动并在所述环形物内旋转，并防止所述平衡物从所述环形物穿过。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述环形物是多个环形物中的一个，各环形物位于网格内。

25.根据权利要求22所述的装置，还包括电力传输机构，所述电力传输机构包括配置为从所述壳体到远处传输电力的导体。

26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述壳体构件还包括滑环密封，从而允许所述壳体相对于所述导体自由地旋转。

27.根据权利要求22所述的装置，其中，所述发电机机构包括多个发电机，每个发电机布置为至少部分地抵消施加在所述装置上的扭转负荷。

28.根据权利要求22所述的装置，其中，所述鳍状物可逆地装附到所述壳体。

29.根据权利要求28所述的装置，其中，每个所述鳍状物从位于所述壳体中心点的中心环状物径向延伸。

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