CN102084122A - 波浪能量转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种系统，该系统用于从海洋波浪中获取能量、尤其是电能。长形的弹性管(12)漂浮在海平面(20)(或位于海平面下面的潜的深度)上，并且至少部分地平行于波浪传播方向(D)延伸，所述管在波浪经过时弯曲，并且所述管的弯曲拉伸和松弛SSM(可拉伸合成材料)(44，60，62)，所述SSM在其拉伸量改变时产生电力。从管中的动力分导出的电力被电叠加。

Description

波浪能量转换器
背景技术
海洋波浪能量集中在海平面处，海洋波浪能量从海平面随深度沿指数衰减。对于深水波浪，能量衰减成使得在等于波长一半的深度(波浪能量区域的底部)时，余留的波浪能量不超过海平面处能量的5％。开发了一些系统来从海洋波浪中提取尤其是电形式的能量。
最近发展了SSM(可拉伸合成材料)，例如EAP(电活性聚合物、例如PVDF或聚氯乙烯、驻极体等等)，SSM在被拉伸或在拉伸量变化时会产生电力。这种SSM材料在Pelrine的US专利6,768,246和Pel的US专利6,812,624以及Ishido的US专利公开200110029401中公开。利用简单且有效的系统从海洋波浪中产生电能是有价值的。
发明内容
根据本发明的一个实施例，设置有以有效的方式使用SSM(可拉伸合成材料)从海洋波浪中产生电能的系统。在一个系统中，可弯曲管，尤其是由弹性体材料制成的可弯曲管位于海平面处，其中可弯曲管漂浮在海平面上。可弯曲管是长形的并且至少部分地平行于波浪的传播方向延伸。波浪在弹性管中形成凸起部，凸起部沿管的长度传播。SSM材料带围绕管的中心线延伸并且在凸起部经过带时被拉伸并松弛以产生电力。
波浪也使管弯曲。用于将波浪转变成机械和/或电能的多个SSM动力分导(take off)系统(PTO)沿管的长度间隔开。SSM材料片在各PTO之间、平行于管的中心线延伸，各SSM片位于管的顶部和底部。管的弯曲跟随波浪的曲率，从而重复地增大和减小SSM片的拉伸，从而使SSM片产生电力。
具有SSM材料的多个管位于波浪能量提取场。各管由短的电缆连接在一起并且各管被系泊到海床。多个管的输出被输送到电路，该电路产生电压仅和缓地变化的电力。
在另一系统中，弹性管被系泊到位于海洋波谷的深度，以便在大多数时间位于海洋波浪的下面。在波峰下方，增大的海水压力压紧管的相应位置，而未压缩的那些管位于波谷下方。管的横截面的变化用于使SSM材料片拉伸和松弛。
本发明的革新的特征在随附的权利要求书中具体陈述。本发明将结合随附附图从下面的描述中更好地理解。
附图说明
图1是本发明的在波浪中示出的波浪发电系统的侧视图；
图2是图1的管的横截面视图；
图3是图2的管的一部分的详图；
图4是供图1的系统使用的另一横截面形状的管的立体图；
图5是由具有电输出的互连的管构成的管场的立体图；
图6是从图1所示类型的管的一个管中输出的曲线图；
图7是开关电路的简化示意图；
图7A是图1的管的不同动力分导的输出的曲线图；
图7B是示出图7A的输出叠加的曲线图；
图8是本发明另一实施例的波浪发电系统的侧视图，其中管基本上完全浸入海洋中；
图9是图8的管的横截面视图；
图10是具有封闭端部的弹性体制成的管的侧视图；
图11是示出相对于波浪方向的管轴线方向的系统的平面图。
具体实施方式
海洋波浪的高度是变化的，通常的平静状态下的波浪高度在1米以下，波浪周期小于7秒。波浪高度在1-4米，波浪周期在10-15秒的波浪是通常海的状态。高于4米的波浪高度和大于18秒的波浪周期在例如每10年发生一次的暴风雨中发生。平均海的高度为波峰和波谷之间的一半。
图11示出了波浪的方向D和长形管12及其轴线26的方向。管轴线和波浪传播方向D之间的角度B优选地最小(优选地B不大于45°)，但是可以大到(沿相反方向)为80°。
图1示出了用于从海洋波浪中产生电力的系统10，该系统包括转换器93，该转换器包括具有弹性体制成的管壁的长形管12和水平主中心线14。管由延伸到海底18的系泊线16系泊，系泊线允许管至少部分地平行于海洋波浪运动的方向D延伸并且漂浮在海平面20上。当波浪22经过管的长度时，管形成趋于跟随波浪运动的凸起部24。图2示出管被水28填充，管具有敞开的相对端部，并且管具有弹性(杨式弹性模量小于50,000psi)壁29。管构造成通过充有空气的漂浮物34而漂浮在海平面上。管的相对端部30、32可以敞开或封闭。凸起部24使管的横截面扩展大于10％，但是一般小于50％。管壁具有例如如图3所示的结构，图3示出管的由弹性体材料，例如橡胶或聚亚氨酯制成的外绝缘壁层40和内绝缘壁层42，和SSM(可拉伸合成材料)材料制成的中间层44，当施加电压时，该中间层在从拉伸状态被拉伸或松弛时产生电力。一对电极46、48位于中间层的相对两面上。申请人优选使用用于SSM材料的EAP(电活性聚合物)。从SSM材料产生的电力通过导电体55输送到电缆54，电缆具有延伸到海底的部分56和沿海底延伸到发电站的另一部分58。
作为使用仅仅一层SSM材料的替代，申请人可以使用多层SSM材料44、45(在每层SSM的相对侧上具有一对电极)。多层SSM材料可以由卷成螺旋的长层构成。
当凸起部24沿管经过一位置时，SSM层44被拉伸然后松弛并且产生电流。因此，在波浪每次经过管的长度并沿管的中心线形成行进凸起部时，管就产生电流。
当波浪经过管12的长度时，沿管的长度间隔开的各管段50向上和向下运动，以便跟随波浪顶部的正弦曲率。管漂浮在海平面20上，管的顶部位于海平面的上方。在平静的海洋中的海平面将位于52处，管是直的和水平的，管的顶部位于海平面的上方。在海洋波浪中，位于波谷上方的管段在它们自身重力下落入海水中。相反，对于位于波峰下方的管段，由于它们的浮力趋于使管段的顶部位于海平面上方，因而在海水中向上运动。所有这些导致管跟随波浪的曲率。
图2示出了在64处(图1)的PTO(动力分导系统)之间延伸的SSM材料片60、62，这些SSM材料片沿管间隔开。PTO64对支撑SSM材料片的相对端部，并且接收由片产生的电力。各片的端部位于与管的中心线14间隔开的位置处。当管弯曲以跟随海洋波浪的曲率时，各片60、62之一被拉伸，并且如果另一片被预拉伸，在该另一片经历减小的拉伸时，该另一片松弛。因此，各片产生电流。除了(或代替)使用缠绕管的中心线并且在凸起部经过管时产生电流的SSM材料层44以外，还可以使用片60、62。
申请人设计的管12具有1米的直径和20米的长度。
图4示出了管70，该管有些床垫的形状，该管具有是其高度74多倍的水平宽度72。在波浪的方向基本不变的位置，管可以由多条线系泊，在波浪的方向改变的位置，单条线80可以系泊管。管弯曲成使得管的所有部分在经过管的波浪上方延伸一小距离。
图5示出了管场90的一部分，该管场包括多个能量转换器或转换装置93，每个能量转换器或转换装置包括通过单独的线94锚固到海底的管92。所有转换器都位于相同区域(在相邻管的100米的范围内，并且优选在相邻管的50米的范围内)。可以提供单独的电缆54，以输送在每个管中由SSM材料产生的电力，但是会增加安装的成本。然而，申请人提供了多条短的连接电缆100，每条电缆在WEC(波浪能量转换器)管之间延伸，并且大体上不沿海底延伸。仅仅多个管的其中一个管通过沿通向发电站的海底延伸的电缆54连接到发电站。
在本发明中，一个WEC(波浪能量转换器)在沿本体的长度(或宽度)的不同位置处安装有多个PTO(64，图1)。可拉伸合成材料PTO(动力分导)布置成使得它们由来临的海洋波浪一个接一个地致动，从而形成多相电信号。在海洋波浪的作用下，第一可拉伸合成材料PTO被拉伸。当第一可拉伸合成材料PTO已经到达其最大拉伸时，它在偏压(Vb)下充电，如图6所示。在海洋波浪进一步向下运动以便致动下一个PTO之后，第一PTO松弛，然后电压通过将弹性势能转换成电势能而升高至最大电压(V最大)。相同的机理被顺序地复制到每个PTO。当电荷从PTO去除时，电压以公知的放电持续时间(与电路的RC常数相关)从V最大降低为零。通过具有足够的PTO，有可能使得连续的PTO之间的转换比放电持续时间更快。然后，主输出电压将仅在V最大周围并且可控制在非常小的范围内波动。
在一个实施例中，各PTO沿可变形的WEC(波浪能量转换器)的长度、沿波浪的传播方向(通过关注的一段波长)有规律地间隔开。在该情况下，转换顺序从位于WEC的上波浪侧上的第一PTO开始递增到位于下波浪侧上的最后PTO。结果，电压的“电波”沿WEC长度以与真实海洋波浪的速度相同的速度传播。即使可拉伸合成材料PTO被从任何方向来临的不规则海洋波浪随机地致动，也可以应用相同的原理。使用功率电子学来优化每个PTO的充电和放电顺序，以便维持几乎不变的输出电压。
也可以将致动的PTO放入另一未致动的PTO内，以便逐渐地增大电压。该过程可以被重复，直到电压足够接近V最大。这就允许WEC系统产生接近V最大的电压，即使在海洋波浪较小时。图7是开关电路的简化示意图，该开关电路包括电控开关102，如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。图7A示出代表不同时间下的不同PTO输出的曲线104，而图7B的曲线106代表在给定高度上方的输出被叠加的总曲线图104。当从PTO去除电荷时，电压在公知的放电持续时间期间从V最大降低至V最小。通过具有足够的PTO，输出电压在限制值内波动，如曲线106所示。
因此，本发明提供了一种通过使用SSM(可拉伸合成材料)吸收能量来产生电力的系统，其中SSM材料在被拉伸时产生电能。本发明提供了一种用于产生连续的和基本上恒定的输出电压的系统，其中恒定的输出电压接近在海洋处于平静状态下的系统产生的最大电压。
图8和图9示出了具有中心线111和顶部113的管110，该管位于平静的海平面112下面，顶部优选地位于设置系统的海洋区域中最普遍使用的波浪高度的波谷114的大致高度处。管被正向浮起并通过一对系泊线120、122维持在其位于海底上方的高度处。申请人还示出了附接到旋转体125的系泊线123，该旋转体允许管改变其取向，以便总是平行于海流延伸。管的相对端部124、126封闭并且管被大部分地注有水128，尽管管可以至少部分地注有具有稍微低比重的流体，例如石油。当波峰130位于管段132上方时，管段处增加的外部海水压力导致管段直径压缩至直径134。当波谷136位于管段140上方时，管段直径被扩大至直径142。申请人可以将管注有水和有限量的加压空气146，如图9所示。该加压空气不仅使管被正向浮起，还通过对管壁施加预应力和对抵靠管壁的SSM材料144施加预应力而增大管的初始直径。管具有图3所示的结构。因此，当波峰130运动至管段上方的位置并且管段的直径缩小时，SSM材料144在管中的张力减小。
在管154的端部150、152被封闭(图10)的实施例中，管将不在传播的波浪模式中作用(在管端部被打开时管将在传播的波浪模式中作用)，但是处于标准波浪模式中。这种行为尤其适于沿管的长度具有分布的可拉伸合成材料PTO156的管。这可能仅仅是由于选择了例如EAP材料的大应变性能的SSM材料。在标准的波浪模式中，可以激励共振模式，因此获得从波浪到管(弹簧质量系统)的非常高的能量传递。在该实施例中，波浪在WEC极限上反弹，因此，在管的长度上往返，从而产生驻波。
因此，申请人提供了简单并且可靠的系统，该系统通过使用具有弹性体制成的管壁的浮力管而从海洋波浪中产生电力，浮力管被系泊至位于海平面上，因此，管在海洋波浪经过时或在其上经过时变化。一个管漂浮，管的顶部位于平静的海平面上方，使得管弯曲以便跟随经过管的长度的波浪的形状。管还形成沿管的长度运动的凸起部。另一管的大部分时间位于海平面下方，并且在波浪经过管的长度时，另一管的直径变化。对于这些管来说，在这些管经历拉伸变化时产生电力的SSM材料被连接到管壁，并且用于产生电力。
虽然在此已经描述并示出了本发明的具体实施例，但是可以认识到，本领域技术人员可以容易地进行变化和改进，因此，希望随附的权利要求书用来解释为覆盖这些变化及其等同物。

Claims (12)

1.一种波浪能量转换器(93)，该波浪能量转换器用于从沿海洋中的波浪传播方向运动的海洋波浪中产生电力，其中海洋具有海平面(20)、海底(18)和波浪能量区，所述波浪能量区位于海平面下方的所述海洋波浪的一半波长内，所述波浪能量转换器包括：
长形的管(12)，所述管沿管的中心线(14)延伸并且可弯曲，从而使得沿所述管的中心线间隔开的所述管的不同段(50)能够从一直线沿不同的竖直方向和以不同的量偏离，所述管具有基本上水平地间隔开的相对端部(30，32)，并且所述管在所述海中漂浮；
一定量的SSM(可拉伸合成材料)材料(40，60，62)，所述可拉伸合成材料在被拉伸不同的量时产生电力，所述SSM材料连接到所述管的壁上，从而所述管的弯曲产生电力，并且所述SSM材料包括连接到所述SSM材料以便输送电力的导电体(55)。
2.如权利要求1所述的波浪能量转换器，其特征在于，所述管具有弹性体制成的管壁，所述SSM材料为围绕所述管的中心线延伸并且抵靠所述管壁的片的形式，从而所述管壁通过海洋波浪局部临时突出、拉伸和松弛所述SSM材料。
3.如权利要求2所述的波浪能量转换器，其特征在于，所述管具有大致圆形的横截面，所述SSM材料为沿多个位于彼此内、位于所述管内的圆延伸的片的形式。
4.如权利要求1所述的波浪能量转换器，其特征在于，所述SSM材料为长形部分(60，62)的形式，所述长形部分在所述管中的分导位置(64)对之间延伸，所述管沿所述管的中心线间隔开。
5.如权利要求1所述的波浪能量转换器，其特征在于，所述管主要被注有水(28)，并且所述管包含在大于大气压力的压力下的空气(146)，以对所述SSM材料施加预应力。
6.如权利要求1所述的波浪能量转换器，包括：
多个动力分导系统，所述动力分导系统沿所述管的长度间隔开，每个动力分导系统包括所述导电体之一；
所述一定量的SSM材料包括多个SSM材料，所述SSM材料在被拉伸不同量时产生电力，所述SSM材料沿所述管的长度间隔开，每个SSM材料连接到所述动力分导系统的至少一个，并且包括：
连接到所述动力分导系统，以便叠加各个分导的输出的连接装置。
7.如权利要求1所述的波浪能量转换器，包括：
多个连续放置的EAP(电活性聚合物)动力分导系统，所述电活性聚合物动力分导系统被连接成使得所述波浪能量转换器的输出电压连续地接近每个单独的动力分导系统的最大电压升高。
8.如权利要求1所述的波浪能量转换器，包括：
至少一条系泊线(16)，其具有连接到海底的下端和连接到所述管的上端；
所述系泊线和所述管构成为保持所述管，从而所述管仅仅部分地浸入海洋中，使得在平静的海洋中，所述管的位于所述中心线上方的上端位于所述海平面上方。
9.如权利要求1所述的波浪能量转换器，包括：
至少一条系泊线(120，122，123)，其具有连接到海底的下端和连接到所述管的上端，所述系泊线保持所述管完全浸入平静的海洋中。
10.如权利要求1所述的波浪能量转换器，其特征在于，
所述管(70)为床垫形状，所述管具有垂直于长度的沿水平方向的宽度(72)和沿竖直方向的高度(74)；
所述宽度(72)是所述高度(74)的多倍。
11.一种波浪能量转换器，所述波浪能量转换器用来从沿海洋中的波浪传播方向(D)运动的海洋波浪中产生电力，其中海洋具有海平面和海底，所述波浪能量转换器包括：
长形的管(110)，其沿管的中心线延伸并且可弯曲，以便从直线沿不同的竖直方向和以不同的量偏离，所述管具有基本上水平地间隔开的相对端部(124，126)；
一定量的SSM(可拉伸合成材料)材料，其在以不同的量被拉伸时产生电力，所述SSM材料连接到所述管的壁上，从而所述管的弯曲产生电力，并且所述SSM材料包括连接到所述SSM材料的至少一个导电体；
所述管被正向浮起，并且包括一对系泊线(120，122，123)，所述一对系泊线从水下位置、沿主要向上的方向延伸到所述管的相对端部，并且将所述管保持在平静的海平面(112)的下方。
12.如权利要求11所述的波浪能量转换器，其特征在于，所述长形的管具有由弹性体材料制成的管壁，使得所述管能够扩张和收缩，并且所述SSM材料连接到所述管壁，以便在所述管扩张和收缩时拉伸和松弛所述SSM材料。
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