CN101680416B - 波浪发电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使用可偏转材料、尤其是EAP(电活化聚合物)型SSM(可拉伸合成材料)而从海浪获得电能的系统，该材料在静电荷被施加到该聚合物上并且该聚合物被拉伸时发电。在一个系统(10)中，漂浮部件(12)具有通过一定量(36)的SSM连接的上部和下部部分(14，22)，其中该下部部分被锚定在海底(24)之上的固定高度处，并且该上部部分可竖直移动以在海浪通过时拉伸和放松SSM。在另一个系统(50)中，浮子是刚性的，但是通过至少一个线缆(60)锚定在海底上，该线缆(60)至少包括或者至少连接到一定长度(64)的SSM材料上。浮子优选地放置成它们体积的至少80％位于平均海面之下。

Description

波浪发电机系统

背景技术

波浪能集中于海面上，例如海面的25米内。波浪能随着在海面下的深度增加而减小。在接近海面处，水剧烈地上下以及水平移动，并且当波峰移动通过一位置时水压力反复增加，并且当波谷通过该位置时水压力反复减小。例如在Carroll的美国专利6,229,225中已经提出了若干用于将波浪能转换成电能的系统，其中保持浮子的系泊缆操作深水下的液压泵和发电机。位于水下的任何发电设备应该尽可能简单。

最近已经开发了诸如EPA(电活化聚合物)的SSM(可拉伸合成材料)，其在其相对侧包含相反的静电荷时并且在当被拉伸其端部之间的距离改变时发电。Pelrine的美国专利6,768,246；Pei的美国专利6,812,624；Goldenberg的美国专利7,038,357以及Ishido的美国公开2001/0029401中描述了这种可拉伸合成材料。申请人提供了利用拉伸和/或放松被用作导体的这些可拉伸合成材料从波浪能发电的系统。

发明内容

根据本发明，提供了用于使用简单的可拉伸合成材料以高效的方式由波浪能生产电力的系统。在一个系统中，提供了这样一个部件，该部件包括被锚定在海底上方的固定高度处的下部部分和邻近海面下方并且相对于下部部分可竖直移动的上部部分。一定量的被静电充电的SSM(可拉伸合成材料)置于上部部分和下部部分之间，并且当上部部分在波谷下向上移动和/或上部部分在波峰下向下移动时发电。在这种类型的系统的一个示例中，该部件的上部和下部部分形成室的上壁和下壁，室容纳偏压上壁和下壁使之分开的加压空气。该SSM在该上壁和下壁之间延伸。当波谷通过所述部件上方时，该上壁向上移动并且拉伸该可拉伸合成材料以发电。

在另一个系统中，漂浮部件是简单的浮子，并且，将浮子锚定到海底的锚定线缆包括一定长度的SSM，当所述浮子在波浪中上下移动时该SSM拉伸和放松。可提供多锚定系统，其中具有被宽地间隔开的下端部的多条被系住的锚定线缆被用于系泊浮子以限制其的水平移动以及其竖直移动。每条锚定线缆具有或者连接到SSM以发电。多个这样的多锚定系统可通过也包括SSM的基本水平的稳定线缆连接到一起。

当SSM材料从波浪中抽取能量时，其还抑制波浪。波浪的这种抑制可用于保护近海结构。

浮子被锚定，使得锚定线缆总是被张紧。可提供这样一种系统，该系统可缩短和拉长锚定线缆，尤其在巨大的暴风雨中使浮子向下移动并且允许浮子上升以对其进行维护。在被使用以发电或者平息波浪期间，浮子优选地被保持为其体积的至少80％置于平均海面下，并且其大部分位于海面25米内。

所附权利要求中特别地阐述了本发明的新颖特征。结合附图阅读下文的描述可最好地理解本发明。

附图说明

图1是示出当波谷越过漂浮部件时的本发明的波浪发电系统的侧视图。

图2是类似于图1的示出当波峰越过漂浮部件时的视图。

图3是图1的系统的漂浮部件的截面图。

图4是本发明的另一个实施例的波浪发电系统的侧视图，其中在锚定线缆中使用SSM(可拉伸合成材料)，并且浮子被多个锚定线缆保持。

图5是本发明的另一个实施例的波浪发电系统的侧视图，其中SSM材料制成的基本水平的线缆连接图4中所示类型的两个系统的两个浮子。

图6是本发明的另一个实施例的波浪发电系统的侧视图，其中浮子的水平矩阵中的每一个通过基本竖直的线缆锚定在海底上并且通过基本水平的线缆连接到一起，该竖直和水平线均包括SSM。

图7是图6的系统的平面图。

图8是包括一连串串联连接的刚性浮子的波浪发电系统的侧视图，浮子在海面上浮动以随着波浪起伏，并且SSM材料置于浮子之间以在浮子相对于彼此枢转时发电。

图9是本发明的另一个实施例的浮体的局部截面等距视图，其使用SSM材料以支承重量，并产发电能和抑制波浪。

图10是图1-8中所示类型的SSM线缆的一部分的截面图。

图11是根据波浪的高度改变浮子的高度的系统的局部截面图。

图12是其中漂浮模块相对于固定浮体移动的波浪发电系统的侧视图。

图13是其中浮子相对于大的静止物移动的波浪发电系统的侧视图。

具体实施方式

图1示出波浪发电系统或发电机10，该发电机10包括表现为浮子形式的漂浮部件12，其放置在海中，并且具有邻近地放置在海洋波浪20的波谷16下方的上部部分14。部件10具有通过普通的(例如，钢缆)拴系线缆或锚定线缆26锚定在海底24上的下部部分22。浮子12具有如图3所示的构造，其中轻微加压的空气30位于在上部和下部部分14、22之间以及波纹管的侧壁34内形成的室32中。当波谷16移动到在浮子上方的位置时，邻近波谷下方的海中的水压力减小。浮子上部部分14然后在室中的加压空气的向上弹簧偏压下向上移动至图1的位置。当波峰34(图2)移动到在浮子上方的位置时，在水移动到在浮子上方以及周围的区域中的同时，邻近波峰下方的海中的水压力增加。浮子上部部分14然后向下移动到图2的位置，同时压缩浮子中的空气。压力的精确改变以及水的移动还未被详细分析，但是上文描述了波浪中发生的一般变化。

图3示出包含一定量36的SSM(可拉伸合成材料)的浮子，该SSM在上部和下部部分14、22之间或者在它们之间的距离的至少一部分之间延伸。每当浮子的高度增加时，SSM被拉伸和扩展，而每当浮子的高度减小时，SSM收缩。在36的SSM当其长度发生改变时(可由于表面的改变而实现)发电。在此描述中，假设SSM或其他可偏转(deflect)的发电材料被静电充电。图1示出从浮子延伸到海底的电缆40，该电缆然后延伸到用电的设施(岸上或者离岸)。图3示出防止水平的波纹管折叠的刚性环42，以及使得倾斜最小的活塞和汽缸44、46。可使用一些大的套筒形的SSM来替代波纹管形成室的侧壁。

海洋中的波浪高度改变，1米下的波浪高度以及小于7秒的波浪周期被认为是非常平静的状况。1-4米的波浪高度和10-15秒的波浪周期被认为是正常的。高于4米的波浪高度和大于18秒的波浪周期是暴风雨，例如10年一见的暴风雨。平均海洋高度是在平静状况时的波浪的波峰和波谷之间的中部。

图4示出本发明的另一个系统50，其中浮体或浮子52被保持邻近海面之下，并且更特别地，其体积的主体位于正常波浪(1-4米的浪高)的波谷54的高度之下，从而浮子总是被向上偏压。浮子被至少一条锚定线缆锚定，并且示出多条锚定线缆60、62。每条锚定线缆至少连接到或者包括或者以其他方式连接到SSM材料的区段64(可表现为辊的形式)，该材料在该区段的长度改变时发电。浮子和锚定线缆共同被认为是部件66。锚定线缆具有连接到浮子的上端部70、72，并且具有在比它们的上端部更宽地间隔开的位置处连接到海底的下端部74、76。结果，每条系泊线缆与竖直方向成倾角A延伸。倾角A优选地与竖直方向成至少20°，并且更优选地成30°-60°，从而可偏转的发电材料在具有很大水平分量的情况下延伸。线缆78传送电能。在图4中，浮子52被示出为处于静止位置，当不存在波浪或者水流时浮子处于该静止位置。

当波浪越过浮子52时，不仅水上下移动并且水压改变，而且水以如80所指示的准圆形的图形移动，其使得浮子沿圆圈移动。由于SSM材料64在具有水平分量的情况下延伸，因此当浮子水平移动时，SSM材料伸长和收缩以发电。图4A示出浮子52为圆柱形，并且被四条锚定线缆锚定。

通常，SSM必须在海中与水隔离。图10示出这可通过将SSM材料64放置在由高弹性防水材料制成的软管或套管82中来实现。软管或套管82优选地由弹性材料(杨氏弹性模量小于50,000psi)制成。

图5示出另一个系统90，该系统90包括多个图4所示类型的系统50，但是系统的相邻浮子52A、52B通过基本水平的连接线缆92连接到一起。每条连接线缆包括一定长度94的SSM材料。水平长度的SSM材料不仅发电，而且其防止浮子相互撞击，从而它们可紧密地放置在一起。大量的系统50可连接到一起形成阵列，以产生大量电能。当该系统发电时，它们还降低波浪的能量，从而系统50的集合占据的面积以及相邻的海洋面积经受能量较小的海浪。从而，该系统为浮体或船只形成庇护区域。

图6示出另一个系统110，该系统110包括浮子阵列112，其中相邻的浮子对通过基本水平的线缆114连接到一起，并且每个浮子被张紧的锚定线缆116锚定，该锚定线缆116的下端部117连接到海底上。至少一些120、122SSM材料沿每条水平线和沿每条锚定线缆放置。浮子112和线缆114、116可被认为是部件118。图7示出浮子被布置成如图7的平面图中可见的二维阵列。在图6中，每个浮子的顶部130置于平均海洋高度处，并且每个浮子的底部132被持续浸没在海洋中。波浪的高度改变，并且图6所示的高度是普通情况。

申请人优选地将图1-6(以及12)的浮子安置成通过拉紧的锚定线缆被保持，从而浮子的体积的至少80％浸没在海中、在平静的海中。因此，在图12中，平静的海的高度由210指示，并且位于波峰212和波谷214之间的中部。这样确保除了在十年一见的暴风雨中可能发生之外，拉紧的锚定线缆216将不会被放松或者可能由于被损坏而放松。通过将全部浮子体积定位在海浪波谷之下来实现最大竖直力。但是，希望使得浮子的存在清楚以避免与船只碰撞。例如在海面上漂浮的小的浮子或者突出到海面之上的细杆(相对于浮子细)的警告装置可实现此效果。

图11示出系统134，该系统134调节浮子137的顶部135的高度，以使得尽管存在使波浪高度发生很大改变的不同的天气，浮子顶部总是位于非常接近波浪的波谷136的高度处。将浮子拴到海底上的锚定线缆140包括具有缠绕在绞盘144上的上端部的上部部分142，该绞盘144通过小的齿轮减速电动机供给能量。传感器146感测在波谷136之下的浮子的顶部的高度。传感器包括线缆150、152以及在它们的上端部的小浮子154、156。只要线缆150在整个波浪周期中保持张紧，尽管较高的线缆152有时变得柔软，浮子的顶部135也能处于希望的高度。如果线缆150、152都在至少一个完整的波浪周期中保持张紧，那么浮子过低，并且，绞盘144被操作以升高浮子。如果较低的线缆在波浪周期中变得柔软，则浮子过高并且被降低。多种传感器可被用于感测浮子相对于波谷的高度。为了确保在波浪越过浮子时浮子将被相当大的力上下推动，浮子应邻近波浪下方，即，浮子的顶部应位于在波谷之下不超过4米处，并且更优选地在不超过2米处。该系统可被用于在大的暴风雨正在逼近的情况下降低浮子(这通常自动进行)，并且可被用于将浮子升高到海面以便进行维修和养护。

图8示出另一个系统160，该系统160包括在海面上漂浮的并且通过SSM(可拉伸合成材料)串联连接的一连串刚性浮子162。该一连串浮子的一端被锚定线缆164锚定在海底上。SSM材料166连接相邻浮子的上端部170，并且SSM材料172连接相邻浮子的下端部174。浮子当在波浪中漂浮时相对于彼此枢转。该枢转导致SSM材料166、172拉伸和放松，并且产生电力，该电力通过电缆176被运送。

图9示出系统180，该系统180包括具有顶部184的浮子182，该顶部184接近或者位于海面186之下，并且被以悬链曲线形式延伸的四条锚定线缆188锚定到海底上。浮子预期在波浪中上下移动。一对重物190、192安装在轴194上，轴194继而安装到一对SSM(可拉伸合成材料)块202的中间部分200上，该SSM块202的外部部分204安装到浮子的外壁206上。当随着波峰逼近浮子加速向上时，SSM材料的下部部分(在中间部分200之下)被压缩并且上部部分被拉伸。这样产生电力。系统180不仅用于产生电力，而且用于通过从波浪中抽取能量来抑制波浪。

在图12的系统218中，可移动漂浮构件220在波浪中上下移动，而静止构件222被拉紧的锚定线缆216保持为抵抗竖直移动。SSM材料224连接这两个构件，并且在漂浮构件上下移动时被交替地拉伸和放松，以产生在电缆226上传递的电力。构件220、222形成部件228。

在图13的系统229中，可竖直移动的漂浮构件230被放松的悬链线缆232锚定，从而漂浮构件230在波浪中上下移动。制动器234置于水下深达波浪区的25米的高度的大于一半的位置处，从而制动器趋向于保持静止。结果，连接到可移动漂浮构件230以及静止制动器234的一定量240的SSM材料被交替拉伸和放松，并且发电。构件230、234形成部件236。图12和13的系统可以是表面浮动或浸没的系统。

因此，本发明提供了用于使用被加载SSM(可拉伸合成材料)由波浪发电(和/或减小波浪对海中的结构的影响)的系统，该SSM在拉伸和放松时吸收能量并且将能量转换成电力。该系统包括在波浪作用区域中邻近海面放置的浮子或漂浮体，在该波浪作用区域中，由于波浪，水的移动和/或压力的变化最大。在一个系统中，相对于该浮子的静止底部部分的浮子的可位移顶部部分的移动被用于反复拉伸和放松连接了部件的SSM(常常与非SSM材料的线缆串联)。在另一个系统中，包含SSM材料的一条或多条线缆将浮子锚定到海底上，并且每次由于波峰越过浮子而浮子升高和/或存在水平移动时，SSM材料拉伸。在另一个系统中，一连串浮子漂浮在海面上，并且在它们的上端部和下端部通过带电荷的SSM材料串联连接，该SSM材料在浮子由于遵循波浪中的起伏而相对于彼此枢转时拉伸和放松。提供了一种当波浪的高度减小和增加时以及处于其它目的来升高和降低浮子的装置。

尽管文中已经描述和说明了本发明的特定实施例，但是应认识到，本领域的那些技术人员可容易地想到许多修改和变形，从而预期权利要求应被理解为包含这样的修改和等同。

Claims (7)

1.一种用于由波浪产生电能的波浪发电机系统(10，50，110，218，229)，其包括：

位于海中的部件(12，66，118，228，236)，所述部件具有被锚定在海底上方的恒定高度处的下部部分(22，74，76，228，236)和主要位于海面下并且相对于所述下部部分可移动的上部部分(14，52，112，206，220，230)；

多个能发电的可拉伸合成材料(36，64，94，120，122，224，246)，所述能发电的可拉伸合成材料的相对端分别连接到所述下部部分和所述上部部分，在所述下部部分和所述上部部分之间的距离被改变时，所述多个能发电的可拉伸合成材料发电；

所述部件的所述上部部分被一力朝海面向上偏压，当在所述上部部分处的海浪的高度减小和增加时，所述力减小和增大；

所述部件的所述上部部分为浮子(52，52A，32B，112，222，230)，并且所述多个能发电的可拉伸合成材料连接到线缆(60，62，116，224，240)，所述线缆向上延伸的距离是从所述部件的所述下部部分到所述部件的所述上部部分的距离的至少一部分，并且通过保持所述部件的所述上部部分的体积的至少80％位于海面之下来保持所述线缆张紧；

所述部件的所述下部部分(140)在长度上可调节，以升高和降低所述上部部分的在海底之上的高度；

用于感测波浪高度的装置(146)，其用于调整所述下部部分的长度，以将所述上部部分保持在接近但是在波谷(136)的高度之下的水平面处。

2.根据权利要求1所述的发电机系统，其中：

所述部件的所述下部部分包括多条锚定线缆(60，62，216)，所述多条锚定线缆的每条在间隔开数米的不同位置处锚定到海底上；

所述锚定线缆沿向上会聚的路径延伸到所述浮子。

3.根据权利要求1所述的发电机系统，其中：

所述浮子是多个浮子(52A，52B，112)中的一个，所述多个浮子(52A，52B，112)中的每一个分别通过连接到多个能发电的可拉伸合成材料的至少一条锚定线缆被系泊；

至少一条基本水平的连接线缆(94，114)在多对所述浮子之间延伸，并且包括一定长度的所述能发电的可拉伸合成材料。

4.一种波浪发电机，包括：

浮体(52，52A，52B)；

多条系泊缆(60，62)，所述系泊缆的上端部均连接到所述浮体，并且所述系泊缆的下端部在间隔开的位置处锚定在海底上，所述位置被选择为使得系泊缆在向下方向上发散，每条所述系泊缆均连接到多个能发电的可拉伸合成材料(64，94)，所述多个能发电的可拉伸合成材料在其拉伸和收缩时发电，并且被定位成当所述浮体在波浪中移动时拉伸和收缩；

所述浮体通过所述多条系泊缆被保持，从而浮体的体积的至少80％浸没在平静的海中，

其中，所述多条系泊缆在长度上可调节，以升高和降低所述浮体的在海底之上的高度；

所述波浪发电机还包括用于感测波浪高度的装置，所述用于感测波浪高度的装置用于调整所述多条系泊缆的长度，以将所述浮体保持在接近但是在波谷的高度之下的水平面处。

5.根据权利要求4所述的波浪发电机，其中：所述系泊缆的至少第一系泊缆以与竖直方向成至少20°的角度(A)延伸，从而所述第一系泊缆被所述浮体的水平移动张紧。

6.根据权利要求5所述的波浪发电机，其中：所述第一系泊缆以与竖直方向成在30°到60°范围内的角度延伸。

7.根据权利要求4所述的波浪发电机，包括：

连接一对所述浮体的至少一条基本水平的连接线缆(92)，所述至少一条连接线缆连接到所述能发电的可拉伸合成材料(94)。