CN101970858B - 用于将波能转换成电能的能量转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量转换装置，其特别是用于将机械能转换成液压能并且将液压能转换成电能，该能量转换装置使用控制流体作为能量传输介质，所述控制流体在两个不同的控制回路中被引导，这两个控制回路为了能量转移而经由耦合装置(32)彼此处于作用连接，并且其中一个控制回路(28)用于能量输入、特别是机械能形式的能量输入，并且另外一个回路用于转换成的能量、特别是电能的能量输出。

Description

用于将波能转换成电能的能量转换装置
技术领域
本发明涉及一种能量转换装置，其特别是用于将机械能转换成液压能并且将液压能转换成电能。
背景技术
这种类型的能量转换装置由DE19745747或CN1190161A已知。这种能量转换装置是一种用于在液压能和电能之间双向转换的功率换能系统，其中利用双向变换在运输工具内选择地提供电能或液压能。功率换能系统由一个液压和一个电力分系统构成，两者经由传动装置或轴以机械旋转方式彼此连接。液压分系统具有一个用作液压机的可调节的液压挤压机构成，优选由一带有整合的可调斜盘的轴向柱塞机构成，其活塞排量可以通过控制和调节器进行影响。液压机在接收机械轴功率时在功能上用作液压泵或者在接收液压的驱动功率时用作液压马达。
可再生能源也包括海浪的能量，其势能估计能够覆盖世界能量需求的大致15％。海浪本身而言在时间和空间上不太规律，但是与例如已知的潮差相比是一种在富含能量方面并不逊色的海运动。
用于由此产生的内能的技术转换在此可以基于不同的原理。可能的转换原理基于在水中悬浮的双质量系统，其中两个应用的质量基于彼此明显不同的固有频率具有由波运动引起的不同的相对运动。相应的质量的彼此相对运动能够转换成工作缸例如液压缸中的泵送运动，以便而后例如经由发电机获得电能，其将通过波浪运动形式的机械能引起的工作缸的液压能转换成可利用的电。
通过DE60115509T2已知一种相应的所谓的点吸收的波能转换装置用于从液体表面上的波运动获得能量，并且具有相对于当前的波的波长较小的尺寸。这种已知的方案具有两个可彼此相对运动的装置(形式为两个可运动的单个质量)，其中第一装置具有一个浮子并且第二装置具有一个在液体表面下方被浸没的体。此外在这个两个质量-装置之间设置液压的工作缸，其基于通过波浪运动引起的各单个质量的彼此相对运动实施一种往复运动，以将机械能转换成电能。
在水中悬浮的双质量系统中，通常在波的运动和双质量系统的其中至少一个质量的后续的运动之间存在时间偏差，这导致这样的后果，即质量运动可能被停止或至少被减速，这例如是这种情况，即在波的振幅在经过波谷之后业已重新升高时，两个质量中的至少一个仍然在时间上错后地在朝向波谷的下降运动中并且其运动通过业已正在上升的波减缓或甚至停止。由于这种“延迟瞬间”不利地影响或甚至停止所述的能量转换。为了弥补这种不足，在PCT-WO2005／069824A2中描述一种能量转换装置，其允许在包含相应的传感器的情况下将通过波浪运动发电的发电机和相应的(齿条传动装置形式的)机械转换路径如此在短时间内切换到马达运动，使得之前获得的能量的至少一部分重新被用于驱动由于波浪运动而趋于停止的质量，使得越过所述及的死点阶段。根据波浪运动的实际情况，能量转换装置或者用作处于发电模式的发电机或者在马达运行中作为用于驱动能量转换装置的相应的质量的控制力，以便确保基础运动状况，由此出发质量能够被波浪轻易地移动，与它们在被减缓的状态或甚至静止状态相比。尽管这种获得的改善的能量获取效率，然而为了控制质量离开相应的波-死点区域，在装置的马达运行中重新损失了能量，这在总体上减小了可能的能量效率。
波浪运动的大小、高度和频率是非常善变的和因此被其激励的、被运动的单个质量形式的体的运动大小的绝对值以及相应的相对值也是非常善变的。由于波浪运动的可变的特性，在实践中已经证实的是，与之相关联的机械能向电能的转换存在问题，即不能达到均匀的电输出和／或由于反馈过程(feedback process)，“机械的波浪机器”被停止，即相应的工作缸的运动停止或至少被显著减缓。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种能量转换装置，其能够几乎无反馈地且以良好的效率将不同的能量彼此进行转换，其中运动、特别是波运动的内能应当被尽可能最佳地利用。
这种目的通过根据本发明的用于能量设备的能量转换装置实现，其用于将机械能转换成液压能且将液压能转换成电能，该能量转换装置使用控制流体作为能量传输介质，所述控制流体在两个不同的控制回路中被引导，这两个控制回路为了能量转移而经由耦合装置彼此处于作用连接，并且其中一个控制回路用于机械能形式的能量输入，并且另外一个控制回路用于转换成的电能形式的能量输出；耦合装置包含液压马达，该液压马达在连接在所述一个控制回路中时驱动具有可变的工作容积的液压泵，该液压泵连接在所述另外一个控制回路中；将机械能转换成液压能的第一转换单元用于将能量输入到所述一个控制回路中并且该第一转换单元具有排挤装置；在将所述一个控制回路的以及一个机械的参照系统的控制参数包括在内时，该参照系统将机械能提供给第一转换单元，一个第一调节单元用于控制所述另外一个控制回路的液压泵的可变的工作容积。根据本发明规定，控制流体能够借助于排挤装置在相反的方向上被供入所述一个控制回路的两个部分回路中，并且第一调节单元具有设有一个饱和曲线的调节器以利用一个可预定的额定值来校准实际值，其中实际值由第一控制回路的各部分回路中的压力的压差获得，并且额定值由两个质量的相对运动的产生的不断变化的速度差得出。
根据本发明的能量转换装置使用一种控制流体作为能量传输介质，其在两个不同的控制回路中被引导，所述两个控制回路经由耦合装置彼此处于作用连接以转移能量，其中一个控制回路用于特别是机械能形式的能量输入，并且另外一个控制回路用于转换成的能量特别是电能的能量输出。通过划分成两个不同的控制回路，在它们之间布置的耦合装置能够如此运行，使得在一个控制回路中的能量输入与另外一个回路中的能量输出至少在如此程度上彼此分离，使得它们在工作过程中不相互干扰，使得可靠地避免不利的反馈效应、特别是朝向转换装置的能量输入方向的反馈效应。
对于能量转换领域的普通技术人员来说意想不到的是，尽管应用了耦合装置(其自身的运行需要一部分待转换的能量)，然而导致转换时的改善的能量转换效果。特别是实现向所连接的蓄电池形式的负载的改善的均匀的电能输出。此外转换装置的各元件能够便宜地实现并且功能可靠地使用。
根据本发明的能量转换装置不限于应用在波能设备中，而是可以考虑许多应用可能性，例如在风力发电设备的领域中，其中在将机械的转子运动转换成电能时也存在上述的问题。能量转换链也能够反向实现，即利用作为中间媒介的液压能无反馈地将基础电能转换成机械能。
在根据本发明的能量转换装置中规定，耦合装置具有液压马达，其在连接在一个控制回路中时经由具有可预定的传动比(其也可以是1：1)的传动连接装置驱动一个具有可变的工作容积的第一液压泵，该第一液压泵连接在另外的控制回路中。由于所述的液压泵的可改变的工作容积，其经由液压马达仅仅在如此程度上被驱动，即通过波能，控制流体作为能量传输介质在这种情况下也能够输出能量，即输出能量的控制回路根据波-质量模式调节输出功率特性。以相应的方式在一个优选的实施方式中第二控制回路中的能量输出经由具有可控制的可变的工作容积的液压马达调节。
本发明的能量转换装置的其它的有利的构造是其它的从属权利要求的内容。
附图说明
接下来根据本发明的能量转换装置借助于根据附图的实施例详细阐述。在此以原理性的且未按照尺寸比例的视图示出：
图1用于将机械的波能转换成液压能的转换单元的基础构造；
图2以工作图表的形式以力-位移图表示出根据图1的转换单元的相应的工作能力；
图3和4以液压线路图的形式示出包含根据图1的转换单元的能量转换装置的整体设计，其沿着虚拟的分割线S-S划分成两个具有不同的比例尺的分图。
具体实施方式
在图1中总体上以10表示的转换单元构造成浮标的形式并且除了所谓的桩浮子12之外还具有一个环面形或环形浮子14。由于不同的固有频率，这两个体根据激励而实施相对运动。伴随着不同的波运动的不同的质量运动被传递给一个由各单个液压工作缸19构成的排挤装置18，所述工作缸在其活塞侧上与桩浮子12连接并且在其活塞杆侧与环形浮子14连接。相应的总体上利用10表示的转换单元在控制线路图形式的图3中作为具有相应的缓冲元件的弹簧-质量-振动器示例性示出，其中波导入示例地按照位移(X波)和速度(V波)作为总体输入信号在象征性示出的线路图20中获得。
由于桩浮子12相对于环形浮子14的不同的运动，在排挤装置18中导致各单个液压工作缸19的泵送运动，并且由此获得的液压能能够原则上被输送给液压马达，其于是直接能够驱动发电机进行发电，这然而导致上述业已阐述的反馈及稳定性问题。原则上在此适用下面的方程式：
能量：W＝∫F·ds
功率：dW／dt＝F·v
      dW／dt=p·A·v
一方面液压工作缸19的力F与作用在其活塞面上的压力p成比例，该压力p通过在桩浮子12和环形浮子14之间的反向的相对运动产生的负载形成，并且另外一方面源自波能的经由质量M1和M2可获得的力与不同的因素相关，特别是与所参与的各部分的内能相关，并且决定性的因素在此通过所选择的质量和获得速度给出。如果例如各单个液压工作缸19的操作活塞被近乎无力地被泵送，那么根据图2的视图虽然产生了最大的行程，但是所产生的压力和因此功率和可获得的能量在此近乎为零。相应的曲线分布在图2中利用22表示。通过非常高的或极高的力虽然获得了最大的压力，然而液压工作缸本身的运动被阻止了，即所期望的相对运动变为零并且同样可产生的能量为零。相应的情形在根据图2的图表中定性地以曲线分布24表示。
最大可能的能量获得在这两个极端之间，即有一个平均力作用在缸19的活塞上时，其允许足够大的相对行程，其中如果期望将波的内能尽可能最佳地利用时，那么所述仅仅适度地减缓运动的平均力不是恒定的，而是作为相对速度的函数。这导致这样的后果，即该力如相对速度一样在行程期间必然改变，其中相应的最佳的能量曲线26作为极限曲线22和24的平均值产生(见图2)。由于实际的波浪模式，除了发电机之外利用直接与控制回路连接的液压马达几乎不能获得合理的电能形式的能量输出，并且能够以反馈或反作用的形式导致转换单元10形式的波能接受装置的停止。接下来仍要详细阐述的调节装置应当基本上确保在转换装置的运行中的相应最优化的能量曲线26。
接下来借助于根据图3和图4的示意线路图详细阐述能量转换装置。图3和4示出沿着分割线S-S和两个节点组合成整体的转换装置，并且分离成两个具有不同比例尺的附图是出于使附图清楚的缘故。如上所述，在本实施例中的能量转换装置用于将机械能转换成液压能并且将液压能转换成电能。使用控制流体、特别是控制油或液压油形式的控制流体作为能量传输介质。相应的控制流体在两个不同的控制回路28、30中被引导，其中图3基本上用于示出控制回路28并且图4用于示出控制回路30。
两个控制回路28、30特别是经由用于能量转移的耦合装置32彼此处于作用连接。其中一个控制回路28用于特别是机械的波能形式的能量输入，并且另外一个控制回路30用于由液压能获得的电能形式的能量输出。耦合装置32具有一个液压马达34，其在第一控制回路28中接通成引导流体，并且如在图3中所示，液压马达34相对于转换单元10布置在控制回路34的对置侧上。液压马达34此外经由一个通常的具有可预定的传动比的传动连接装置36连接在一个第一液压泵38上，其如图3所示具有可调节的可变的工作容积。传动连接装置36对于根据本发明的方案的功能然而不是强制必要的。相应的液压泵38在另外的控制回路38中被接通成引导流体的并且将第二控制回路30的控制流体循环泵送。
如业已示出，其中一个第一转换单元10用于将能量输入到一个第一控制回路28中，所述第一转换单元将机械的波能转换成液压能，即第一转换单元10操纵具有各单个液压工作缸19的排挤装置18，其中相应的液压工作缸19根据运动方向将流体在相反的方向上在控制回路28中来回泵送。第一控制回路28的控制流体借助于排挤装置18被反向地输入第一控制回路28的部分回路40、42中。就在此所述的部分回路40、42而言，它们也是接下来示出的Graetz线路(Schaltung)44上游的相应的部分流体引导线路。相应的工作缸19的被排挤的容积类似于电子技术借助于作为矫正器线路(Gleichrichterschaltung)的Graetz线路44进行整流，其中Graetz线路借助于根据图3的四个受弹簧负载的止回阀46实现。
此外朝向附图3看，为上部的部分回路40设置一个通常的液压蓄能器47，其用于补偿泄露和／或气穴现象并且如同Graetz线路44经由限压阀48相对于下部的部分回路42得到保护。鉴于Graetz线路44，总是确保液压马达34仅仅在一个方向上被驱动，其经由传动装置36能够将液压功率从第一控制回路28输出到第二控制回路30。总体上传动装置36以静液压传动装置的形式构成，以便调节到液压泵38的0至100％的输送容积量，使用一个第一调节装置50，其用于由第一转换单元10的波能的最佳的功率输出。
在此所应用的调节器52设有一个饱和曲线并且利用一个可预定的△psoll(额定)值校准△pist(实际)值，其中△pist值由第一控制回路28中的部分回路40、42中的压力的压差获得并且△psoll值由一个△v值得出，其表示桩浮子12和环形浮子14的质量M1和M2之间的相对运动的不断变化的速度差。将转换单元10的其它的通过传感器测定的特征值如位移x或作用力F等等包含到所述调节中在此是可能的。利用示出的调节，总是最佳地将相应存在的机械的波能转换成用于第二控制回路30的液压的驱动能量。由于环境条件，在此优选应用封闭的系统，其中在所谓的敞开的系统中仅仅液压的第一控制回路28的一个压力传感器P就足以相应地作为用于第一调节装置50的输入参数。
一个在图4中整体上利用54表示的第二转换单元用于由另外的第二控制回路30中输出能量，该转换单元将液压能转换成电能。为此第二转换单元54具有形式为液压马达56的其它的排挤装置，其驱动一个发电机58发电。为了相应的从液压能向电能的能量转换，一个第二调节装置60用于最佳地向电网输出功率，该第二调节装置以转差率调节(Schlupfregelung)的类型构成。特别是第二调节装置60的输出端与液压马达56如此连接，使得其工作容积以可控制的方式变化。一个所谓的PID调节器(其具有附设的饱和曲线)用作第二调节装置60的调节器62。为了实现所述的转差率调节，此外发电机58的转矩T(扭矩)以及其轴转速w用作参比量。利用所述的转差率调节可以将发电机58的电输出功率保持在最佳的输出点，与具有可变的工作容积的液压泵38的输出功率的实际的功率输入量无关。通常一个斜置的控制盘用于实现液压泵38和液压马达56的可变的工作容积，控制盘的有效的倾斜度可由相应的调节装置预定。
在一个特别优选的实施方式中，根据图4的转差率调节被可液压提供的功率的所谓的前馈调节64叠加，其借助于两个压力传感器P获取在第二控制回路30的部分回路中的在两个调节方向上作用的液压泵56的上游和下游的压差作为输入参数。所述压差用作第二控制回路30上包含的液压能量的指示。液压马达56和发电机58构造成用于规定的最大的流率，其最终通过第一排挤装置18的液压工作缸19预定。此外对于两个回路而言敞开构成的系统是可能的。
如果流率例如由于在第一转换单元10上的较小的波浪运动而降低，那么在第二控制回路30中的控制压力也降低。用于液压马达56的驱动压力能够如此降低到较低的值，使得导致形成气穴，其可能以反作用导致整个能量转换装置的停止。为了克服这个问题，所述的转差率调节被所述的前馈调节64叠加，使得一旦流率降低时如此控制液压马达56，使得它也仅仅需要一个较小的流率，从而带来的结果是虽然发电机58的输出功率降低了，但是不会导致整个转换装置的停止。在这种情况下调节装置60、64允许，相对于第一转换单元10形式的输入侧上的极其不同的波浪振幅，设定发电机58的电输出功率。
第二控制回路30也可以设有相应的液压蓄能器66用于存储液压能并且此外第二控制回路30也经由一个限压阀68得到保护，并且第二回路的示出的止回阀70用于确保不会出现液压回路的振荡或用于第二回路30的控制流体的不期望的在错误方向上的回流。
根据本发明的方案不限于应用在波能设备中，而是也可以例如用于其它的能量设备如风力发电设备等等中。例如未详细示出的液压工作泵将风力发电设备的输出轴的机械能相应转换成第一控制回路28的液压能并且在这种情况下代替所描述的液压工作缸19。也存在这样的可能性，即与根据图4的视图相反的方向上从第二电转换单元54出发在相反的方向上尽可能无损失地在第一转换单元10上提供机械能。
上面描述的能量转换装置的实施例在根本没有Graetz线路的情况下实施。在这种的情况下，所应用的液压泵必须能够在两个方向上偏转，它承接了矫正任务并且去除了调节器中的数据记录(Betragsbildung)。替代相对速度的传感器信息，能够以类似的方式也使用控制回路28中的体积流传感器或液压马达34的旋转速度(测速发电机)。这具有优点，即不会有传感器暴露在恶劣的环境条件下。
如业已所述，在图3和4中出于简化视图的原因，仅仅示出敞开的具有油箱的系统。如果油箱通过另外的存储器替代(未示出)，能够构成一个封闭的系统，这特别是在恶劣的环境条件下是有利的。在此在图3中在附图标记44的区域内替代所示出的油箱，在第二部分回路42中连接一个存储器，并且在附图4中替代在止回阀70和限压阀68之间的油箱，使用相应的液压存储器。

Claims (10)

1.一种用于能量设备的能量转换装置，用于将机械能转换成液压能且将液压能转换成电能，
该能量转换装置使用控制流体作为能量传输介质，所述控制流体在两个不同的控制回路(28，30)中被引导，这两个控制回路为了能量转移而经由耦合装置(32)彼此处于作用连接，并且其中一个控制回路(28)用于机械能形式的能量输入，并且另外一个控制回路(30)用于转换成的电能形式的能量输出；
耦合装置(32)包含液压马达(34)，该液压马达在连接在所述一个控制回路(28)中时驱动具有可变的工作容积的液压泵(38)，该液压泵连接在所述另外一个控制回路(30)中；
将机械能转换成液压能的第一转换单元(10)用于将能量输入到所述一个控制回路(28)中并且该第一转换单元具有排挤装置(18)；
在将所述一个控制回路(28)的以及一个机械的参照系统(v)的控制参数(Δpist)包括在内时，该参照系统将机械能提供给第一转换单元(10)，一个第一调节单元(50)用于控制所述另外一个控制回路(30)的液压泵(38)的可变的工作容积，其特征在于，
控制流体能够借助于排挤装置(18)在相反的方向上被供入所述一个控制回路(28)的两个部分回路(40，42)中，并且
第一调节单元(50)具有设有一个饱和曲线的调节器(52)以利用一个可预定的额定值(Δpsoll)来校准实际值(Δpist)，其中实际值(Δpist)由所述一个控制回路(28)的两个部分回路(40，42)中的压力的压差获得，并且额定值(Δpsoll)由两个质量(M1，M2)的相对运动的产生的不断变化的速度差得出。
2.按权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于：一矫正器线路用于对在所述一个控制回路(28)中经由所述一个控制回路的两个部分回路(40，42)借助于排挤装置(18)被反向输入的控制流体进行矫正。
3.按权利要求1或2所述的能量转换装置，其特征在于：该排挤装置(18)是至少一个可被驱动的工作泵或至少一个可被操纵的液压工作缸(19)。
4.按权利要求1或2所述的能量转换装置，其特征在于：一个将液压能转换成电能的第二转换单元(54)用于由所述另外一个控制回路(30)中输出能量。
5.按权利要求4所述的能量转换装置，其特征在于：第二转换单元(54)具有另外的排挤装置。
6.按权利要求5所述的能量转换装置，其特征在于：所述另外的排挤装置是至少一个液压马达(56)，该液压马达驱动发电机(58)发电。
7.按权利要求6所述的能量转换装置，其特征在于：在将所述另外一个控制回路(30)的以及一个电的参照系统(T，w)的控制参数(Δpist)包括在内时，该参照系统作为第二转换单元(54)的一部分从第二转换单元(54)中输出电能，一个第二调节单元(60)用于控制在所述另外一个控制回路(30)中的液压马达(56)的可变的工作容积。
8.按权利要求2所述的能量转换装置，其特征在于：该矫正器线路是借助于多个止回阀(46)实现的Graetz线路(44)。
9.按权利要求7所述的能量转换装置，其特征在于：第二调节单元(60)具有带有附设的饱和曲线的PID调节器用作调节器(62)，并且该第二调节单元以转差率调节的类型构成，其中发电机(58)的转矩(T)以及其轴转速(w)用作参比量。
10.按权利要求9所述的能量转换装置，其特征在于：转差率调节被可液压提供的功率的前馈调节(64)叠加，其借助于两个压力传感器(P)获取在所述另外一个控制回路(30)的部分回路中的在两个调节方向上作用的液压马达(56)的上游和下游的压差(Δp)作为输入参数。
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