CN102132033B - 一种波浪发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有浮体(1)的波浪发电设备，所述浮体通过挠性连接装置(3)与在直线发电机(2)中往复运动的平移件(6)连接。所述浮体(1)被设置为漂浮在海面上并且发电机的定子(8)被设置为锚固在海床上。根据本发明，所述连接装置通过导向装置(9)导向通过下部和上部开口。所述连接装置(3)的暂时处于导向装置(9)内的一部分由此被导向成与靠近下部开口的平移件运动对准并且允许在靠近上部开口处是倾斜的。本发明还涉及本发明的波浪发电站的使用和产生电能的方法。

Description

一种波浪发电设备
技术领域
本发明在第一方面中涉及用于产生电力的波浪发电设备，所述波浪发电设备包括设置成漂浮在海上的浮体和具有定子和沿中心轴线往复运动的平移件(translator)的直线发电机，所述定子设置成锚固在海床中并且所述平移件通过挠性连接装置与浮体相连。所述连接装置是挠性的，意味着它可以被弯曲。这并不一定表示在其纵向方向中是弹性的。
在第二方面中，本发明涉及这种波浪发电设备的使用。
在第三方面中，本发明涉及产生电力的方法，该方法包括提供漂浮在海上的浮体、提供具有定子和直线往复运动的平移件的直线发电机、将定子锚固在海床中并且通过挠性连接装置将平移件连接至所述浮体。
在本申请中，术语“径向的”和“轴向的”参照由平移件中心的往复运动定义的轴线。术语“上部”和“下部”参照竖直方向并涉及当所述波浪发电设备在工作中时相关部件的位置。
背景技术
海洋和大型内陆湖中的波浪运动构成目前极少开发利用的潜在能源。不过已经做出了各种将海洋的竖直运动用于在发动机中产生电力的建议。因为海面上的一点进行往复的竖直运动，这适合使用直线发电机产生电力。
WO 03/058055披露了这种波浪发电设备，其中发动机的运动部件，即，对应于旋转发电机中的转子的部件并且在本申请中称为平移件，相对于发电机的定子往复运动。在上述文献中定子被锚固在海床中。所述平移件通过线，钢索或锁链与漂浮在海上的浮体相连。
理想的，浮体竖直地位于发电机上方，在上述文献的图1中所示的平移件的轴线上。不过，所述浮体还承受来自波浪和风产生的横向力。因此所述浮体可能漂离理想位置并通常将被定位在距所述理想位置一定距离的位置。因此连接所述平移件和浮体的缆线将不与平移件的轴线对齐。这可能对平移件产生侧向力，从而导致它将不是位于中心或/和它变成倾斜的，这将影响发电机的工作。
这在很大程度上可以通过在定子中牵引(journaling)平移件避免。不过，当缆线倾斜时这种情形中的侧向力将在轴颈上产生高负荷并影响工作。
本发明的目标在于解决上面提到的问题并借此提供一种波浪发电设备，其中发电机将不受浮体的相对横向位置影响而正常工作。
发明内容
通过本发明实现上面提到的目标，介绍的这种特殊的波浪发电设备包括具体特征：所述波浪发电设备包括导向装置，连接装置被设置成通过导向装置的下部开口和上部开口，所述连接装置的暂时位于所述开口之间的部分被定义为被导向部分，下部开口被设置成使靠近下部开口的被导向部分与中心轴线对齐并且上部开口被设置成允许靠近上部开口的被导向部分与中心轴线形成一角度。
通过该导向装置，发电机内的平移件将被保持在正确的位置而不受浮体的相对的横向位置影响。如果通过相同的轴颈引导定子中的平移件运动，将不存在影响轴颈的侧向力。因此定义轴颈的尺寸标注远小于其它的尺寸标注并且适于仅根据引导平移件的往复运动的需要。
根据优选实施例，所述导向装置刚性地连接至发电机的外壳。
由此，所述定向装置以简单的方式相对于定子单独设置并因此与平移件运动对齐。
根据另一个优选实施例，导向装置被设置成允许在通过中心轴线的任意径向平面中形成所述角度。
尽管在某些情况中且在某些位置中可以预见浮体相对于发电机的横向位移将在某个方向中，但通常的情况是位移可能发生在任何方向中。对于该实施例，导向装置在这方面上是挠性的并且很好地适于应对所有方向中的位移。
根据另一个优选实施例，导向装置包括具有所述上部开口和下部开口的中空体，上部开口大于下部开口。
这是一种实现导向装置的简单和可靠的方法，由此较大的开口使它容易接纳倾斜的连接装置并且当从下部开口出来时在对准的方向上将它引向平移件。
根据另一个优选实施例，中空体的内表面围绕中心轴线旋转对称。
所述旋转对称的表面提供获得适用于在任何方向中倾斜的导向装置的合适方法。
根据另一个优选实施例，在通过中空体的轴线的轴向截面中，至少内表面的轮廓的上部距离轴线具有一距离，该距离随着距离下部开口的距离增大而连续增大。
由于连接装置连续往复通过导向装置，在连接装置和导向装置之间将产生磨损。为了使连接装置的使用寿命尽可能长，优选地几年，最小化该磨损是非常重要的。中空体的连续发散的内表面将所述磨损保持在低水平。
根据另一个优选实施例，轮廓的上部与轴线构成锐角，所述锐角随着距离下部开口的距离的增大而连续增大并且在上部的下端处为0。
通过内表面的这种几何形状，通过与连接装置上的相当的部分接触的表面使连接装置从倾斜的方向导向与平移件的方向对齐的方向，并且在连接装置的方向中不存在陡边或急剧的变化。所有的这些进一步促进减小连接装置上的磨损。
根据另一个优选实施例，至少轮廓的上部的一部分是抛物线函数或圆函数。
因此连接装置和内表面之间的接触力将沿着大部分的接触面积是相对均匀的。这进一步有助于低磨损。
根据另一个优选实施例，在距离上部的下端的一距离处，所述锐角在10°-30°的范围内，所述距离至少是上部的下端处的内表面直径的四倍。
在这些尺寸中，导向装置内的连接装置的方向改变将被限制并且在一定距离中发生，使得它的弯曲度是均匀的。从而进一步限制磨损。
根据另一个优选实施例，所述锐角在17°-24°的范围内并且距离在5-10倍的范围内。
这些尺寸代表上面提到方面的最佳选择，同时将导向装置限制在合理的长度。
根据另一个优选实施例，轮廓的下部与中心轴线平行，所述下部与上部接合。
由此，连接装置将被非常清楚地引导至平移件运动的方向，因为在导向装置内，连接装置在一定距离将在平移件运动的方向上受力。
根据另一个优选实施例，内表面的最小直径在连接装置的宽度的100％至120％的范围内。
具有最小直径的部分用于迫使连接装置与平移件运动对齐。因此图中几何点间隙实际上应当是0。不过为了不挤压连接装置和增加摩擦，一定程度的间隙是需要的。这将产生摩擦损失同时增加磨损。在规定的范围内，获得这两个方面的可接受的折中。在101％至105％的范围内，该折中可能是最佳的。
根据另一个优选实施例，导向装置包括中空插入件，该中空插入件同心地位于中空体内并弹性安装至中空体，使得至少插入件的上部可垂直于轴线移动。
从而所述插入件能够相对于中空体倾斜并适应它相对于连接装置的倾斜的定向。这提供连接装置的更软的弯曲度并且减小摩擦损耗。当连接装置的倾斜度改变时，这是非常有利的。
根据另一个优选实施例，中空体由不锈钢制成。
因此导向装置将是坚固耐用的、结实的并适于海中的腐蚀性环境。
根据另一个优选实施例，所述内表面是抛光的。
这限制连接装置上的磨损。
根据另一个优选实施例，所述内表面具有涂层。
通过适用于涂层的合适材料，该具体实施例提供限制连接装置上的磨损的可替换方式。
根据另一个优选实施例，中空体在其外表面上设置有径向延伸的凸缘。
这针对来自连接装置的径向力加固中空体，并且由于所述凸缘，中空体的壁厚度可以比其它方式的较薄并因此节省材料且减轻重量。
根据另一个优选实施例，中空体在其外表面上设置有径向延伸的盘形元件，所述盘形元件包括用于将导向装置附接至发动机的外壳的附接装置。
由此，导向装置可以简单的方式固定至外壳。
根据另一个优选实施例，所述盘形元件近似地轴向定位于中空体的轴向延伸部分的中部位置中。
根据另一个优选实施例，所述连接装置是具有涂层的。
由此，连接装置的表面在低摩擦和高耐磨性方面最佳化。
根据另一个优选实施例，所述连接装置是缆线并且所述涂层是碳基聚合物。
缆线由于其挠性与强度特性的接合，一般是连接装置中最有用的一种。所述类型的涂层很好的适于满足低摩擦和高耐磨性的要求。优选地，所述涂层被挤压的缆线上。
因此，在导向装置和外壳之间的连接上，由连接装置产生的动态的力大部分将被抵消，这产生安全连接。近似地是指距离中心的在中空体长度的±15％的距离内。
上述的发明的波浪发电设备的优选实施例被详细记入权利要求书中。
本发明还涉及包括多个根据本发明的波浪发电设备的波浪发电站。
根据本发明的第二个方面，波浪发电设备用于产生电能。
与发明的波浪发电站和发明的应用对应的优点通过那些在上面已经披露的所发明的波浪发电设备及其优选实施例获得。
根据本发明的第三个方面，发明的方法包括通过使连接装置通过导向装置的下部开口和上部开口对连接装置进行导向的具体办法，使得连接装置的暂时位于所述开口之间的部分被定义为被导向部分，从而靠近下部开口的被导向部分被导向成与中心轴线对齐并且允许靠近上部开口的被导向部分与中心轴线形成一角度。
根据本发明方法的优选实施例，使用根据本发明的波浪发电设备，特别是其任何的优选实施例实施所述发明的方法。
与发明的方法及其优选实施例对应的优点通过那些在上面已经披露的发明的波浪发电设备获得。
本发明通过后面的示例的详细描述并参照相应的附图进一步解释。
关于内表面指的是中空体的内表面，或者如果提供中空插入件，是插入件的内表面。
附图说明
图1是根据本发明的整个波浪发电设备的示意截面图。
图2是图1中的局部放大图。
图3用截面图描绘了与图2的部分对应的可替换示例。
图4示意性描绘了根据本发明的波浪发电站。
具体实施方式
图1是根据本发明的在海中处于工作中的波浪发电设备的示意性侧视图。浮体1漂浮在海面上并且通过连接装置3(例如钢索，缆线，绳索，锁链或类似物)与锚固于海床的直线发电机2相连。在所述图中，发电机被固定于海床。不过，应当理解所述发电机可以位于海床上方并且使用一些其它方法锚固。
直线发电机2具有带有线圈的定子5和带有磁体的平移件(translator)6。所述平移件6能够在定子5内往复上升和下降从而在定子线圈中产生电流，所述电流通过电缆11传输至电网。
平移件6包括与缆线3连接的拉杆7。当浮体1由于海面的波浪运动被迫向上移动时，浮体将拉动下面的平移件6向上。此后当浮体向下移动时，平移件6将通过重力向下移动。可选择地但优选地，作用于平移件6上的弹簧(未示出)或类似的装置提供向下的附加力。
因为发电机2被锚固在海床中并且浮体1自由漂浮在水面上，所以浮体相对于发电机2的横向运动是自由的。因此连接装置3将变得倾斜。
在连接装置3进入发电机2的外壳4的入口处提供导向装置9，所述导向装置9引导连接装置在导向装置9以下竖直运动，而允许导向装置以上的连接装置3以倾斜的状态运动。导向装置9固定于与发电机的外壳4刚性连接的圆锥形框架8。
当连接装置3通过导向装置9时，导向装置9允许连接装置3逐步改变其方向，从而使连接装置的磨损受到限制。
在图2中更详细的示出了导向装置，图2是通过所述导向装置的轴向截面图。在该示例中导向装置9包括整体模铸的中空体12。中空体12的内表面是围绕轴线C旋转对称的，轴线C与平移件6的中心的往复运动的轴线是同一个轴线。中空体12具有下部开口17和上部开口18，连接装置3通过所述开口。
在图2中可以看到轴向截面中的内表面的轮廓。该内表面的下部13是圆柱形的并且因此具有与中心轴线C平行的轮廓。内表面的上部14具有连续增大的直径，从而该部分的轮廓与中心轴线形成锐角。所述锐角从上部14的下端15开始连续增大，这意味着所述轮廓呈曲线。优选地，该曲线的主要部分是抛物线或圆函数(parabolic or circular function)。
靠近上部开口的上部14的一小部分16具有比上部的其余部分上更快增大的锐角，使得角度在上端处达到90°。
在接合下部13的上部14的下端15处，轮廓的角度是0。
在该图中所示的示例中，连接装置3是塑料的绳索，因此基本上是圆形的。内表面的下部13的直径略大于绳索的直径。
在工作中，绳索向上和向下移动通过中空体12。如图中所示，绳索一般在导向装置9和浮体之间是倾斜的。由于中空体12的内表面形状，当通过其中时绳索改变其方向，使得当绳索通过下部开口17时是竖直的。从上文可以知道，绳索将在上部14上的某处与内表面切向接触。该接触点的轴向位置取决于绳索倾斜的程度。从接触点开始，绳索将沿着其全部延伸与内表面接触并且从接触点开始向下到下部13与上部14彼此相接的位置15之间连续改变其角度。
中空体12由不锈钢制成并且其内表面是抛光的或具有涂层。
中空体12外部在下部开口17处具有径向凸缘19。在上部开口18处存在对应的凸缘20，所述凸缘20是由于在该端处的内表面轮廓自然形成的。另外，外部径向凸缘21、22沿着中空体12设置。所述凸缘加固中空体。
在中空体12的轴向中间区域中提供具有螺栓孔24的盘形元件23，所述螺栓孔24用于将元件23固定至位于框架8上端的凸缘25。
图3示出了中空体插入件26设置在中空体12内的可替换示例。插入件26的形状大体上与中空体12的形状对应。所述插入件，例如，通过两个橡胶垫圈27的装置弹性安装在中空体内。当然可以将其它种类的弹簧用于该目的。附加地或可替换地，可以通过例如使用弹性材料制作所述插入件和/或通过在插入件的上部和/或下部提供轴向狭槽，使插入件自身具有弹性，来获得所述弹性。
图4根据上述内容示意性示出了具有多个图1和图2中披露的这种波浪发电设备的波浪发电站。这些设备的发动机2全部都与连接电网的水下开关装置30相连。

Claims (24)

1.一种用于产生电力的波浪发电设备，并且所述波浪发电设备包括：浮体（1），所述浮体被设置成漂浮在海上；和直线发电机（2），具有定子（5）和沿中心轴线往复运动的平移件（6），所述定子（5）被设置成锚固在海床中并且所述平移件（6）通过挠性连接装置（3）与所述浮体（1）连接，其特征在于，所述波浪发电设备包括导向装置（9），所述连接装置（3）被设置成通过所述导向装置的下部开口（17）和上部开口（18），所述连接装置的暂时位于所述开口之间的部分被限定为被导向部分，所述下部开口（17）被设置成使得靠近所述下部开口的被导向部分与所述中心轴线对齐，并且所述上部开口（18）被设置成允许靠近所述上部开口的被导向部分与中心轴线形成一角度，其中所述导向装置（9）包括具有所述下部开口（17）和所述上部开口（18）的中空体（12），所述上部开口（18）大于所述下部开口（17）。 
2.根据权利要求1所述的波浪发电设备，其特征在于，所述导向装置（3）刚性地连接至所述发电机的外壳（4）。 
3.根据权利要求1或2所述的波浪发电设备，其特征在于，所述导向装置（3）被设置成允许在通过所述中心轴线的任意径向平面中形成所述角度。 
4.根据权利要求1所述的波浪发电设备，其特征在于，所述中空体（12）的内表面（13，14）相对于所述中心轴线旋转对称。 
5.根据权利要求4所述的波浪发电设备，其特征在于，在通过所述中空体（12）的轴线的轴向截面中，所述内表面的轮廓的至少上部（14） 距离所述轴线具有这样的一距离，所述距离随着距离所述下部开口（17）的距离增大而连续增大。 
6.根据权利要求5所述的波浪发电设备，其特征在于，所述轮廓的上部（14）与所述轴线构成锐角，所述锐角随着距离所述下部开口（17）的距离的增大而连续增大并且在所述上部（14）的下端（15）处为0。 
7.根据权利要求6所述的波浪发电设备，其特征在于，所述轮廓的上部（14）的至少一部分是抛物线函数或圆函数。 
8.根据权利要求6或7所述的波浪发电设备，其特征在于，在距离所述上部（14）的所述下端（15）一距离处，所述锐角在10-30°的范围内，该距离至少是所述内表面在所述上部（14）的所述下端（15）处的直径的四倍。 
9.根据权利要求8所述的波浪发电设备，其特征在于，所述锐角在17-24°的范围内并且所述距离在5-10倍的范围内。 
10.根据权利要求6所述的波浪发电设备，其特征在于，所述轮廓的下部（13）与所述中心轴线平行，所述下部（13）与所述上部（14）接合。 
11.根据权利要求4所述的波浪发电设备，其特征在于，所述内表面的最小直径在所述连接装置（3）的宽度的100%至120%的范围内。 
12.根据权利要求1所述的波浪发电设备，其特征在于，所述导向装置（3）包括中空插入件（26），所述中空插入件同心地位于所述中空体（12）内并被弹性地安装至所述中空体，使得所述插入件（26）的至少上部能够垂直于所述轴线移动。
13.根据权利要求4所述的波浪发电设备，其特征在于，所述中空体（12）由不锈钢制成。 
14.根据权利要求13所述的波浪发电设备，其特征在于，所述内表面是抛光的。 
15.根据权利要求13所述的波浪发电设备，其特征在于，所述内表面具有涂层。 
16.根据权利要求4所述的波浪发电设备，其特征在于，所述中空体（12）在其外表面上设置有径向延伸的凸缘（19-22）。
17.根据权利要求4所述的波浪发电设备，其特征在于，所述中空体（12）在其外表面上设置有径向延伸的盘形元件（23），所述盘形元件（23）包括用于将所述导向装置附接至所述发电机的外壳（4）的附接装置（24）。 
18.根据权利要求17所述的波浪发电设备，其特征在于，所述盘形元件（23）近似位于所述中空体（12）的轴向延伸部分的中部位置中。 
19.根据权利要求1所述的波浪发电设备，其特征在于，所述连接装置（3）是具有涂层的。 
20.根据权利要求19所述的波浪发电设备，其特征在于，所述连接装置（3）是缆线并且所述涂层是碳基聚合物。 
21.一种波浪发电站，其特征在于，所述波浪发电站包括多个根据权利要求1至20中任一项所述的波浪发电设备。 
22.一种将根据权利要求1至20中任一项所述的波浪发电设备用于产生电力的用途。 
23.一种产生电力的方法，所述方法通过提供漂浮在海上的浮体、提供具有定子和沿中心轴线往复运动的平移件的直线发电机、将定子锚固在海床中并且通过挠性连接装置将所述平移件连接至所述浮体来产生电力，其特征在于，所述方法还包括通过使所述连接装置通过 导向装置的下部开口和上部开口对连接装置进行导向，使得所述连接装置的暂时位于所述开口之间的部分被定义为被导向部分，从而靠近所述下部开口的被导向部分被导向成与中心轴线对齐并且允许靠近所述上部开口的被导向部分与所述中心轴线形成一角度，其中所述导向装置（9）包括具有所述下部开口（17）和所述上部开口（18）的中空体（12），所述上部开口（18）大于所述下部开口（17）。 
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法通过使用根据权利要求1至20中任一项所述的波浪发电设备来实施。 
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