CN102165182A - 波浪驱动的泵以及将该泵连接至海床的设备 - Google Patents

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Abstract

为了经济地获得水体表面的波浪的能量并将这种能量转换成水力、该水力可通过管道传送并用于但是优选的用于发电或产生淡水的任意目的，而设计了一种泵装置。为了更好的解释本发明的操作方式，参考附图，首先假设浮子(14)静止，蓄压器(30)被加压至泵四周的环境压力以上，蓄压器(30)装满流体并且泵充满流体。在该状态下，止回阀(10)关闭并且泵送腔室(19)被蓄压器(30)加压。泵送腔室(18)同样经由活塞(2)被同等加压。通过杆或管(3)两端之间的压力差，在杆或管(3)上产生轴向力。通过杆或管(4)两端之间的压力差，在杆或管(4)上产生类似的，但相反的轴向力。杆或管(4)的直径大于杆或管(3)的直径，并且因而杆或管(4)上的力更大。这些力的合成力为可操作连接的浮子上的净向下的力。该力将被浮子(14)的部分浮力平衡以保持系统的平衡。通过这种方式，从浮子至地基的整个泵串保持张紧。如果现在假设上升的波浪作用在浮子(14)上，则将由上升的水的动能和浮子的增加的浮力二者产生向上的力。该力将克服上面提到的向下的力，并且浮子(14)连同可操作连接的活塞(2)将相对于汽缸(1)移动，使得泵送腔室(19)的容积减小，止回阀(9)关闭并且从而流体移动至排放线路(5)。同时，泵送腔室(18)容积增大，使得流体经由止回阀(10)和孔(11)进入该泵送腔室。当浮子到达波浪的顶部并且波浪随后开始下降时，止回阀(9)打开，止回阀(10)关闭，并且上面提到的由于杆或管(3，4)的直径差产生的力使得活塞(2)以与第一冲程相反的方向相对汽缸(1)移动，从而使得泵送腔室(19)扩大以及泵送腔室(18)缩小。从而流体从泵送腔室(18)经由孔(11)，止回阀(9)和孔(12)穿过中空活塞至泵送腔室(19)。泵从而复位并为由下一个上升波浪引起的下一个泵送冲程做准备。

Description

波浪驱动的泵以及将该泵连接至海床的设备
背景技术
本发明涉及一种从例如内海，海洋和湖泊的水体中的波浪运动中产生能量的方法和设备。
本发明的目的为使得能够从世界的海洋和湖泊中获得可更新的波浪能。
为了完成该目的，过去已经提出了许多设备。由于下面的一个或多个原因，极少数设备成为商业化。
1.设备由于过于昂贵，而未能制造，并且从而不能与传统的矿务燃料产生能量的方式竞争。
2.许多设备高度复杂。特别在海洋环境中，部件例如弹簧，活动吊索，滑轮，轴承，变速箱，以及其它旋转设备，电或电气控制都具有有限的使用的寿命。
3.许多设备都试图在海上发电，然后将其输送至岸上。水，特别是海水和电，象水和油一样不能混合。由于故障和腐蚀问题，任何这样的尝试将导致高建设成本以及长时间的不可靠性。
4.许多设备都不能经受暴风雨和大浪。
5.许多设备都未考虑达到工业标准的至少20年的寿命预期所必须的长期适用性和维护要求。
6.许多设备需要使用油，重金属和其他材料，这些材料一旦释放，对环境具有潜在损害。
因而，需要一种从水体中的波浪产生能量的改进的系统和方法，其能够处理上述问题中的一些或全部。
现有技术中描述获得海浪能的设备很多。然而现有技术中与本发明提出的设备紧密相关的仅限于几个例子。最相关的例子如下。
WINDLE，EP0265594揭示了浮子操作的往复泵，其依靠弹簧，或重物或浮子，具有或没有绳索和滑轮来驱动返回冲程。Windle还揭示了将往复泵相对于该浮子和地基安装的多种结构。泵可被倒转，可安装在浮子内或海床内或安装在其他结构中。
JANODY，FR2800423还揭示了驱动返回冲程的弹簧。
BURNS，CA2619100揭示了利用中空活塞的泵但仅提出使用重力驱动返回冲程。
ONO，US4398095揭示了通过利用表面空气和一定深度处水的压力之间的压力差，来驱动返回冲程的液压方法。
WOOD，GB2428747揭示了具有系泊在单个液压缸的浮子的波浪能系统。
类似地，HICKS等，US4326840揭示了具有系泊在海床处的液压缸的浮子的波浪驱动泵。WINDLE，US4883411也揭示了波浪供给动力的泵送装置和方法。
MYUNG，GB2281943和SMITH，GB2445951也揭示了波浪能系统。
发明内容
本发明的目的在于波浪驱动泵既可单独配置，也可优选为多个泵送单元成组或成列配置。这些泵的每个的排放管可连接于水下排放管的系统，这些水下排放管由此与海岸连接，以输送加压水用来任意目的但优选用于发电或海水淡化的目的。这种动力传输方法为公知的，例如伦敦液力公司于1980年在英国伦敦安装了加压水管道系统，用于从多个泵送站将动力输送至工厂或其它使用者。由液力发电和或者产生淡化水对本领域技术人员来说是公知的。
本发明为一种与海床连接的往复泵设备，该设备由伴随水面上的上升波浪的浮子的浮力产生的向上的力操作，上升的波浪使得流体从泵排出至排放管。泵送的流体的一部分储存在与排放管或多个排放管连接的蓄压器中。随着波浪下降，排放管中的一小部分加压流体返回至泵，驱动泵的返回冲程，并且还维持浮子上的向下的力，从而浮子趋于在海床上的连接点上垂直保持其位置。
根据本发明的第一方面，提供一种浮子操作的往复泵，包括：
浮子；
封闭汽缸，其与浮子或海床中的一个连接，并具有流体入口和流体排放口；
活塞；其布置在该汽缸内并在汽缸内可纵向移动，该活塞具有穿过其纵向延伸的通道；
流体止回阀，其布置为通过该活塞与该通道连通；
第一杆或管，其与该活塞连接，并延伸通过该封闭汽缸的一端，并且还与浮子或海床中的另一个连接；
第二杆或管，其具有比第一杆或管更大的直径，并延伸通过该封闭汽缸的另一端。
在一个实施方式中，本发明提供浮子可操作的往复泵装置，其包括与杆或管的一端可操作地连接的浮子，该杆或管布置为可滑动且可密封地通过封闭汽缸的一端，所述杆或管的另一端与可滑动且可密封地布置于所述汽缸内的活塞的一端连接，所述活塞具有在其两端部之间的通道、和布置为与所述通道连通的止回阀，所述活塞的另一端与第二更大直径的杆或管连接，该杆或管设置为可滑动且可密封地通过所述汽缸的另一端，所述汽缸装配有入口装置和排放管，所述汽缸可操作地与海床连接。
在替代的实施方式中，本发明提供一种以上描述的浮子操作的往复泵设备，不同之处在于浮子可操作地与汽缸连接，第一杆或管可操作地与海床连接。
使用中，泵的浮子设置为通过水体中的波浪被作用。该装置可应用在波浪蔓延的包括内海，湖泊，海洋，河流，港湾等的任意水体中。在此引用的“海”和“海床”并不限于并且可理解为所有的其它这种水体。
第二杆或管最好优选为管，提供流体进入并通过其离开汽缸的通道。
在一优选实施方式中，汽缸的入口设置有止回阀，其安装成用于连通所述汽缸的外部和内部之间。该止回阀可位于汽缸壁的任意适当位置，优选位于第二更大直径的杆或管穿过的汽缸端部的内部或与该端部相邻。
在一优选实施方式中，第二更大直径的杆或管为管，并且该汽缸的入口包括安装成与所述管的内部连通的止回阀，其中所述管的内部通过所述管的壁中的孔还与汽缸连通。优选的，该孔位于与管与活塞的连接相邻。
本发明还涉及一种配置和恢复该设备的方法和装置。
本发明还涉及一种在暴风雨期间保护该设备的方法和装置。
本发明还涉及一种浮子的几何形状，其关于不受暴风雨损坏的自我保护和获得最佳波浪能。
在此揭示的本发明克服了前述发明的全部上述缺点，具体如下：
1.在此揭示的本发明可由容易获得的材料和部件构造，并且容易使用大规模生产技术制造，从而其成本得以降低。
2.在此揭示的本发明具有很少的运动部件，复杂度低。
3.在此揭示的本发明不需要海上的发电设备。
4.在此揭示的本发明提供有至少两种保护不受暴风雨和高波浪损坏的设施。
5.在此揭示的本发明适于由通常非常坚固，耐久材料构造，以确保充足的工作寿命。还提出了一种配置和恢复该设备的方法和装置，从而当需要时可对其进行保养和维修。
6.在此揭示的本发明可避免使用已知的对环境有害的材料。
现在参考附图，对本发明的仅作为例子的多个实施例进行描述。
现在涉及附图，附图1，附图2和附图3。
图1是本发明的一个实施例的整个泵组件的视图。
图2是本发明的泵的另一实施例的视图。
图3是将泵连接至其海床上的地基或将泵从其海床上的地基断开连接的机构的一个实施例的放大图。
首先参考图1，现在将详细地描述泵和其操作。
泵的描述
浮子(14)可由任意的有浮力的材料构造，包括包含或不包含气体的容器。浮子的几何形状应为水平尺寸上大而垂直尺寸上相对小。为了在水平方向上对接近浮子的水具有最小的阻力，浮子应具有流线型外形。对于这种形状具有几个原因。大的表面面积将允许浮子从上升的波浪中吸收动能和势能。浮子将以在波浪中的很小的上升来传递其最大的浮力。流线型外形将最小化由波浪动作或由盛行流引起的，或当在暴风雨期间浮子被淹没时的浮子的侧向位移。上面描述的浮子通过连接部件或U形夹或套索钉连接于挠性绳索或链条或杆或管(15)，挠性绳索或链条或杆或管(15)自身以相似的方式连接于杆或管(3)的一端。该杆或管的另一端与活塞(2)的一端刚性连接。活塞(2)为中空的，以允许流体通过安装在活塞(2)内或邻接于活塞(2)的止回阀(9)。另一个杆或管(4)的直径比杆或管(3)的直径大，并与活塞(2)的另一端刚性连接。在本发明的优选实施例中，杆或管(4)为具有安装在其长度范围内或在其端部处的止回阀(10)的管。在下面描述的另一个实施例中，杆或管(4)是没有止回阀的杆或密封管。活塞(2)随同杆或管(3，4)的一部分以及止回阀(9，10)一起被封装入汽缸(1)内。活塞(2)能够在汽缸(1)内自由滑动。汽缸(1)可为任意长度，其两端部处除了允许杆或管(3，4)的通过外为封闭的，并具有附接于一端的浮力挡圈(13)。汽缸的每个封闭端均安装有密封件(7，8)，该密封件可为包括优选的控制间隙型的任意类型的密封件。活塞(2)将该汽缸(1)分为两个泵送腔室(10和18)。开孔或开口(11和12)允许流体经由中空活塞和止回阀(9)在这些腔室之间通过。邻近于杆或管(3)的汽缸(1)的端部具有与排放管(5)连接的开口或开孔。排放管(5)可为全挠性管或部分刚性和部分挠性。排放管(5)的另一端既可直接与岸边连接，也可在优选实施例中将与机构相连，该机构将泵连接至其海床上的地基或将泵从其海床上的地基断开连接。该机构将在下面描述。在该优选实施方式中，排放管(21)与远离海面操作的三通辅助阀(29)连接。蓄压器(30)在沿着排放管或多个排放管(21)的长度的某一点与排放管或多个排放管(21)连接。支撑结构(17)的一端与汽缸(1)刚性连接，而其另一端与挠性接头(16)连接。该支撑结构(17)可向大海开放或可包括附接于其表面的过滤器或滤网。在其它实施例中，支撑结构(17)可为在端部关闭的具有入口(6)的汽缸。该入口可与任意的流体源连接，或可向大海开放或可与任意类型的过滤装置或预处理装置连接。
泵的操作
为了更好的解释本发明的操作方式，首先假设浮子(14)静止，在泵的环境的周围环境压力之上，蓄压器(30)被加压，蓄压器(30)充满流体，该泵充满流体。在该状态下止回阀(10)关闭，并且泵送腔室(19)被蓄压器(30)加压。泵送腔室(18)经由活塞(2)也同样被加压。在杆或管(3)的两端部之间的压力差使得在杆或管(3)上产生轴向力。在杆或管(4)的两端部之间的压力差使得在杆或管(4)上产生类似的、相反的轴向力。杆或管(4)的直径比杆或管(3)大，因此杆或管(4)上的力的数值更大。这些力的合成力为在可操作地连接的浮子(14)上的净向下的力。该力将被浮子(14)的浮力的一部分平衡，以保持系统平衡。通过这种方式，从浮子至地基该整个泵一连串被保持张紧。如果现在我们假设上升的波浪作用于浮子(14)上，将由上升的水的动能和浮子的增大的浮力二者产生向上的力。这些力将克服上述向下的力，并且浮子(14)连同该可操作的连接的活塞(2)一起相对于汽缸(1)移动，使得泵送腔室(19)的容积减少，止回阀(9)关闭，从而使得流体移动至排放管线(5)。同时，泵送腔室(18)的容积将增大，使得流体经止回阀(10)和孔(11)进入。当浮子已经到达波的浪顶部并且然后波浪开始下降时，止回阀(9)打开，止回阀(10)关闭，并且由于杆或管(3和4)的直径差产生的上述力将使活塞(2)相对于汽缸(1)以与第一冲程相反的方向移动，从而使得泵送腔室(19)扩大而泵送腔室(18)收缩。从而流体将经由孔(11)，止回阀(9)和孔(12)从泵送腔室(18)穿过中空活塞至泵送腔室(19)。泵从而重新复位，并为由下一个上升的波浪引起的下一个泵送冲程做好准备。在该下一个泵送冲程开始或结束时活塞(2)可位于汽缸(1)的长度范围内的任意位置。通过这种方式泵将在由例如潮汐引起的水深的任意变化时自调节。三通辅助阀(29)用来将该设备与剩余的排放管或多个排放管(21)隔离开，从而使得其可被收回用于保养或维修。
现在参考图2
泵的描述
该图表示在入口和止回阀的位置有所不同的设备的另一个实施方式。除了以下变化外，该描述与图1中的实施例的描述相同。在该实施例中，入口孔(31)位于汽缸(1)的与排放管(5)相反的端。入口止回阀(32)位于该入口孔内或与该入口孔相邻。杆或管(4)为不具有止回阀的杆或封闭管。孔(31)可与任意的流体源相连或向大海开放或可与任意类型的过滤装置或预处理设备连接。
泵的操作
该泵的操作与图1中的实施例相同，但以下除外，进入的流体现在穿过孔(31)和止回阀(32)直接进入泵送腔室(18)。
其它配置
上面提到的实施例中的任意一个均可配置为泵倒置，浮子可操作地与汽缸连接，而活塞可操作地与海床连接。即，杆或管(3)可与挠性接头(16)连接，而汽缸(1)可与挠性绳索或链条或杆或管(15)连接。该泵的结构和操作可基本上与上面的描述相同。
现在参考图3
将泵附接于海床的机构的描述
图3显示将泵连接于地基或将泵从地基断开连接的机构。
挠性接头(16)可为肘节，U形夹，锁链，绳索，链环或任意类型的挠性部件，挠性接头(16)将泵组件与该机构连接。挠性接头(16)的另一端与销(25)的一端刚性连接。销(25)在其长度的一部分为中空的。排放管(5)与销(25)连接，从而与销(25)的中空部相通。沿着销位于较远处的孔(33)与中空部相通，并且还与销的外部连通。销(25)的另一端具有凹槽，并且该另一端为锥状的并与驱动线(23)连接，该驱动线可以是经由滑轮(22)并经由锁合装置(24)上的导缆器延伸至海面并超出海面之上的绳索或系链或缆线或锁链。容器(26)容纳该销(25)并装有两个密封件(34)。在该两个密封件(34)之间为容器(26)中的环形凹槽(35)，其与排放管(21)相通。锁合装置(24)围绕枢轴水平旋转并成形为与销(25)上的凹槽相接合。导缆器结合在锁合装置(24)中。容器(26)通过支撑结构(28)与地基(27)刚性附接。
图3还显示地基(27)，其可为由混凝土，金属或其它密致材料构造的重力式地基。地基(27)还可为安装在海床下的包括螺钉，桩木以及板的任意型的锚定装置。
将泵附接于海床的机构的操作
图3显示的地基和机构以已知的定位安装在海床上。为了配置该泵，驱动线(23)的上端与摩托艇或其它船连接。摩托艇将张紧力施加于驱动线(23)，从而拉动销(25)并因此可操作地附接的泵向下并且进入容器(26)。摩托艇仍然维持驱动线(23)上的张紧力，并围绕该设备以弧线航行。摩托艇的动作使得驱动线(23)挤压锁合装置(24)的导缆器部，从而使其围绕其枢轴旋转并与销(25)中的凹槽接合。此时驱动线(23)与摩托艇断开连接并与表面上的任意物体附接，为随后的收回做好准备。设备的收回以同样的方式进行，但摩托艇以与用于配置该设备的方向相反的方向的弧线航行除外，使得锁合装置(24)从销(25)中的凹槽脱离，从而从容器(26)释放该设备。图1中的浮力挡圈(13)使得断开连接的泵升至表面。
暴风雨期间泵或多个泵的操作
在沿着排放管或多个排放管(21)的一些点，但在蓄压器(30)外安装有一个或一些阀。该阀或这些阀可被关闭，以防止流体从泵的排放管(5)流出，从而防止活塞(2)在其泵送冲程上的移动。来自于蓄压器的压缩流体将继续驱动该返回冲程，从而使得可操作地与活塞(2)连接的浮子(14)下降至最低的波谷水平。随着波浪升起，浮子将淹没在波浪以下并通过这种方式保护其不受来自于暴风雨引起的波浪的波峰中产生的巨大的力的损坏。还可将弹性止挡安装在汽缸(1)内或与活塞(2)的端部附接，以限制活塞以及从而可操作连接的浮子的运动。

Claims (6)

1.一种浮子操作的往复泵，包括：
浮子；
封闭汽缸，其与浮子或海床中的一个连接，并具有流体入口和流体排放口；
活塞；其布置在汽缸内并在汽缸内纵向地可移动，该活塞具有穿过其纵向延伸的通道；
流体止回阀，其布置为通过该活塞与该通道连通；
第一杆或管，其与该活塞连接，并延伸通过该封闭汽缸的一端，并且还与浮子或海床中的另一个连接；
第二杆或管，其具有比第一杆或管的直径更大的直径，并延伸通过该封闭汽缸的另一端。
2.根据权利要求1所述的泵，其中，该汽缸的入口设置有止回阀，该止回阀被安装成连通所述汽缸的外部和内部之间。
3.根据权利要求2所述的泵，其中，该止回阀位于邻近汽缸端部的位置或位于汽缸端部内的位置，第二更大直径的杆或管穿过该汽缸端部。
4.根据权利要求1所述的泵，其中，第二更大直径的杆或管为管，并且该汽缸的入口包括安装成与所述管的内部连通的止回阀，其中所述管的内部通过所述管的壁中的孔还与汽缸连通。
5.根据权利要求4所述的泵，其中，该孔位于邻近管和活塞的连接处。
6.根据前述任一权利要求所述的泵，其中，与海床的连接包括封闭的中空销，该销的一端与泵组件挠性连接，所述销的另一端与绳索的一端连接，所述绳索穿过用于所述销的容器，所述绳索由此穿过滑轮，所述绳索由此穿过导缆器，所述绳索的另一端延伸至水面，所述滑轮可操作地与海床连接，所述容器连接海床，所述导缆器与可操作地与所述容器连接的锁合装置连接，所述锁合装置设置为其与所述销中的凹槽接合或分离，所述销的中空部与泵排放管连接并相连通，所述销具有在该中空部和其外部之间的孔，所述容器具有在其内部的通道，以与所述销中的所述孔相连通，所述通道与另一个排放管连接并相连通。
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