CN102171444A - 海浪能转化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种利用波浪运动的水平分量的装置，其中，该装置的装机功率和初置成本之比具有优势。根据本发明，所述目的的实现在于该装置包括至少一个长形的支撑结构和三个或更多的可独立运动的阻抗构件。

Description

海浪能转化装置
技术领域
本发明涉及一种用于获取波浪能的装置的新设计，通过该装置，波浪中所含有的机械能可被转化为可利用的能量形式。
更具体地说，本发明涉及一种装置，借由该装置，可以利用沿着固定漂浮结构的多个点上的波浪运动的水平振荡分量而获取波浪能。由于本装置的特别设计，其建设和初置成本很低，从而可以十分划算地获取波浪能。
由于初置成本很低，此处所述的该类型装置甚至可被使用到海岸附近的区域和内陆水域，而在这些地方的波浪形式和大小和通常情况下并不允许安装商业上可以维持的波浪能发电机。此处所述的装置的另一个用途是可用于海岸保护。由于本装置耗尽了波浪的动能，当波浪到达海岸时，此类装置的安装对波浪具有阻力作用。
此处所述的装置的另一个优点在于，它很少或根本不会可视地暴露在其所运行的环境中。其原因在于该装置运行时完全或部分地潜入水中，从而保持其可视轮廓位置很低。
此处所述的装置的另一个优点在于，它由多个独立工作的小单元组成，从而如果有些部件出了问题，其在功能上并不要紧。即使有部件出了问题，该设备仍然会工作，只是其效果会有轻微的降低。而这些有问题的部件可在适当的时候逐个地给予维修或替换。
背景技术
多年来，有很多的装置和方法被提出，以从波浪获取动能或势能并将该能量转化为可用的形式，如机械能、电能或热能。
在从表面观察波浪时，很容易产生错觉，认为波浪是水柱体在垂直方向振荡而不存在水平方向的运动。
然而，如果将波浪运动投影到垂直波浪的传播方向的垂直方向上，可发现波浪运动不是一维而是二维运动。这可以比如通过观察漂浮在具有波浪的水面上的物体的运动模式而看出。如果将漂浮物体的运动记录下来，很明显其记载的是循环运动，垂直于水的表面并与波浪的传播方向平行。
如果对波浪在与其传播方向垂直的垂直方向上的运动能进行测量，将发现在这个方向的平均动能等同于因为波浪的波峰和波谷之间的差距而产生的波浪势能。
因此，在波浪运动中存在着动能和势能之间的恒定的转换，非常类似于存在于钟摆振荡运动中的动能和势能之间的转换。
文献中记载了众多不同的波浪发电装置方案。
在文献中，最常见的装置类型安装有系留浮子，该浮子用于利用波峰和波谷之间的高度差。可以将美国专利US870706作为此类装置的例子，在该装置中，众多的浮子在水表面高度变化的驱动下上下运动。
有一种与上述的运行模式相当的装置被运用于欧洲专利申请EP1045138A2中，其中，波浪能被用于对管子加压，并且被加压的水流从该管子中被排出。
美国专利US5347186记载了一种利用点状浮子直接获取电能的方法。该专利涉及利用具有可移动磁体的线性发电机产生电能。如果发电机沿着磁体的运动方向加速，上述磁体将在发电机内部移动，从而可被用于产生电能。如果将一个或多个此类发电机安放到浮子上，这些发电机将因为浮子的连续运动而持续地产生电能。虽然可以很容易地将这类发电机安装到现有的浮子上并用作发电机的能量来源，这类发电机发的电并不能够回收浮子的安装费用。
所有上述装置的重要问题是它们的净发电量与初置成本相比很低。效率低下的原因是这些发电机只能获取与浮子区域相应的区域的能量。由于所利用的浮子比一般的波长要小得多，从而明显限制了每个浮子的最大理论输出量，因为浮子仅仅影响小部分的波浪区域。
虽然装有可垂直移动的浮子的波浪发电系统在直观上易于理解，文献中还记载了利用波浪能的水平分量而非垂直分量的系统。
此类装置的一个最早的例子可见与美国专利US875950，其中，众多水下阻抗构件因为循环的波浪运动的水平分量而被迫来回往复。US875950中的阻抗构件并不自由振荡，因为其运动受到一个或多个泵单元的抑制，所述泵单元由于阻抗构件的受迫运动而迫使海水在压力下进入到收集管中。所述收集管通往涡轮站，在此处，被增压的海水被用于驱动涡轮机。
与美国专利US875950所述原理相关的问题在于，阻抗构件像直立的铰接门一样被悬挂起来。在实践中，这意味着只有一小部分阻抗构件以最佳的速度相对驱动波浪移动，因为靠近旋转中心的部分将相对波浪的水平运动移动太慢，而阻抗构件离铰接点最远的部分将相对波浪的水平运动移动太快。
另外一个使得美国专利US875950所述的装置在实践中无法使用的情形是，波浪运动的水平分量随深度而减小。因此，波浪运动的水平分量在接近阻抗构件所处位置的底部处几乎为零。
一种类似但更为有效的利用波浪的水平分量的方法记载于WO9817911中。与US875950所记载的方法不同，此处的阻抗构件与海底的铰链锚固在一起，这意味着波浪的运动和阻抗构件的运动之间没有太多的不一致。而且，该发明的优点还在于，其不包含需要对于水的相对运动保持不动的大量静止构件，这可以减少水对装置的应力。
上述用于利用波浪能的方法所具有的共同的问题是，初置成本与设备容量相比太高。该现象的原因在于现有的利用波浪能的方法以局部锚固的点状阻抗构件为基础。这些局部锚固点的尺寸必定严重过大，因为他们必须能够抵抗发生风暴时结构上所承受的力量负荷。
由于建设和锚固成本占据了初置总成本的大部分，因此系统可能产生的能量和建设系统的初置成本之间存有一个大概的比例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用振荡波动的水平分量的装置，该发明可以使得整个装置的总体力负荷得到明显减少，并因此可大大地减少装置的初置成本。
所述及其他优点的取得在于将该装置设计成伸长的、漂浮的结构，其不会因为波浪的水平振荡运动而明显移动，还在于在该结构上安装由多个阻抗构件，这些构件可在波浪的作用下被迫发生与延伸的漂浮结构平行的振荡运动。通过将三个或更多的所述阻抗构件设置成它们的振荡运动相互异相，装置的总体应力得到了减少。
在一个优选的设计中，该装置被构建成大到横跨一个以上的波长。当把多个阻抗构件安装到该装置上时，由于它们之间的相互相移，所有这些阻抗构件的总体振荡负荷要远低于每个阻抗构件的单个负荷的算数和。
在一个优选的设计中，该装置通过一个或多个锚固点而设置成与波浪的传播方向平行。
为了方便该装置的建设和维护，优选采用子构件进行建设，每个子构件的长度相当于两个阻抗构件之间的平均距离。在一个优选的设计中，该装置因而由众多模块构成，每个模块的长度比该装置的总体长度要短。
一种利用通过阻抗构件沿着伸长的漂浮结构的受迫运动而获得的能量的利用方法，其在于将能量转化成液压。该液压或者可以在封闭的液压系统中进行传递，或者可通过将海水泵入到一个或多个管道中而建立起来，所述管道包含在所述伸长的漂浮结构中。这样就可以实现多个阻抗构件的能量的集中收集和获取。
在一个优选的设计中，阻抗构件相对固定结构的运动导致水压的产生，并可从该水压中获得可利用的能量。
如果漂浮结构的目的是获取电能，在特定的情形下，优选将线性发电机的一部分安装到伸长的漂浮结构上，并将发电机的另一部分安装到阻抗构件上。这样，阻抗构件相对伸长的结构的运动将导致电能的产生。
在一个优选的设计中，阻抗构件相对固定结构的运动意味着电能的产生。
附图说明
图1描述了如何将波浪运动看成多个旋转运动的叠加。
图2示意性地示出了安装在固定结构上的阻抗构件。
图3为建立在同一支撑结构上阻抗构件。
图4为阻抗构件的具体设计，其中安装在阻抗构件上的盘由拉线支撑，从而具有很高的结构刚性。
图5中一个或多个阻抗构件可在最终的建设过程中被组装成模块，将组装起来的装置分成模块可方便安装和维护。
图6为根据本发明的在海岸附近水域利用波量能的体系。
图7为用于波浪方向会发生重大变化或因为水流而必须收集横向力的水域中的波浪能利用系统。
图8为一种可能的机械方案的具体设计，当阻抗构件相对固定结构移动时导致水压的产生。
图9为众多装置展开至靠近海岸的区域上。
具体实施方式
尽管波浪是渐进式的，任意水量的真实运动是在垂直面和水平面上的振荡运动。本发明的目的在于利用振荡的波浪运动的水平部分获取能量。本发明的另一个目的在于提供一种利用波浪运动的水平分量的装置，其中阻抗构件数和初置成本之间不成比例。另外，本发明的目的是提供一种用于所述装置的锚固方法，其可以获得相当低的初置成本。
这些及其他附加的优点的取得在于所设计的装置包括至少一个长形的固定结构，所述固定结构上安装有众多可独立移动的阻抗构件。所述阻抗构件的特征在于，在给定的长度间距内，它们能够沿着固定结构移动。当受到波浪运动的水平分量的影响时，这些阻抗构件将作相对固定结构的运动。所述两种部件之间的相对运动可用于获取能量。
图2示意性地示出了所谓安装在固定结构(1)上的阻抗构件。在固定结构上安装有一个或多个障碍体(2)，所述障碍体可限制阻抗部件(3)作与固定结构的水平轴平行方向的自由运动。图8还示出了障碍体如何与端部止动体(4a，4b)共同限制阻抗构件(3)的行程长度。图2和8中端点止动体的位置仅为示例而非穷尽，还可依照本发明引入其他形式的限制构件。在另外一个优选性的设计中，阻抗构件(3)的行程受到两个障碍体的限制，即阻抗构件行程的每个端部。阻抗构件(3)的可行行程最好选择为不超过计划使用该装置的水域的普通波长。
根据本发明的波浪发电设备的最重要优点在于固定结构上的所有阻抗构件不会同时受到同方向的影响。图3示出了一个设想的例子，其中三个阻抗构件(3a，3b，3c)位于同一个固定结构(1)上。所述三个阻抗构件(3a，3b，3c)下的箭头表示波浪影响三个构件的方向，其条件是波浪的传播方向为从左至右。值得注意的是固定构件上的合力比单个部件的力的数值的总和要小，因为一个或多个影响固定结构(1)的力方向相反。实践中并不会把阻抗构件(3a，3b，3c)安排得如图3那么近，而是将它们分开成横跨一个或两个波长距离。其效果将是，锚固点的净合作用力将比单个阻抗构件的作用力的数值总和要低，因为不同的阻抗构件之间的驱动力将相互抵消。
图4和5示出了具有较大阻抗构件的可能设计，必须想到其中的合力和尺寸将会很大。因此，图4示出了如何可以通过安装外部柱子来增加阻抗构件的刚度。图5示出了如何使伸长的固定结构由一系列更小的模块构成。图5中的部分所具有的长度能够安装3个阻抗构件。应当注意到，图5中的部分安装有与保持盘(2)连接的纵向拉线(1)。这些拉线的目的在于加固该结构，从而防止其因为阻抗构件(3)的作用而发生扭曲。在图5中，还应当注意到，该结构的远端的纵向拉线通往同一个点，然而该结构的近端的拉线终止于保持盘。在远端，拉线将把其力传递至锚固绳索或另一个锚固构件，然而，近端的拉线可通过锚固盘与另一个模块连接。
由于多个阻抗构件在不同的方向受到作用力而发生抵消效果，甚至可以针对很长的固定结构只使用一个或两个锚固点。图6示出了一种典型的靠近海岸的结构，其支撑绳的锚固在两个点上，一个点靠近海岸，另一个点离海岸具有很远的一段距离。因为只需要两个锚固点，该类型装置的初置成本十分低。该特定的方法的另一个优点在于，可以使用该装置在海岸上获取能量，从而极大地减少该系统的持续维护的成本。
如果系统是建设在波浪方向多变或水流很强的水域中，将有必要沿着固定结构按照图7所示的方式设立锚固点。尽管这些锚固点会增加装置的成本，其初置成本并不会与锚固点的数量成比例地增加，因为与端部的两个主要锚固点比起来，这些额外的锚固点只需要较小的强度。
图8示出了安装在固定结构上的阻抗构件的截面图，该阻抗构件在波浪能转化为水压的方案中同时也用作力的传递部件。在该方案中，固定结构(1)被构造成加强管道，同时还提供机会以将被增压的水传送至涡轮发电站。在固定结构(1)中安装有障碍体(2)，该障碍体(2)被设计成单向阀以只允许流体进入构成固定结构(1)的管道内。在固定结构(1)上安装有阻抗构件(3)，该阻抗构件(3)主要由端部安装有端部止动体(4a，4b)的管状体构成。所述端部止动体也充作单向阀，其只允许水从周围区域流向由固定结构(1)的外部和管状体(5)的外部构成的环形体。在固定结构(1)保持不动时，管状体的移动将会导致在环形体部件内产生与其运动方向相反的压力，同时，水将会被吸入到位于运动方向上的环形体部分内。如果管状体(5)相对固定结构移动，水将从周围区域被泵入到由固定结构的内部构成的内部容积中。
为了将力从周围的波浪传递至管状体(5)，管状体(5)上安装有鳍板(6)。
专业人士很明白，上述的水压传递方法是根据上述发明的众多可用于存储波浪能的方法之一。
另外一个相关的方法是可以这样设计管状体(5)和围绕管状体的固定结构部件，使所述部件构成线性发电机，其可以直接将管状体的运动转化为电能。
另一个相关方法是利用固定结构和阻抗构件之间的相对运动泵送闭路结构中的液压流体。
由于用于获取波浪能的单个装置是串列式的，可以很简单地将很多串列结合起来以获取大面积上的波浪能。在图9中，其示出了如何将6串列构建成在很大的面积上获取波浪能的平面式装置。从图9中可明显看出，可以将众多串列在其一端连接起来，这会是一大优势。例如，如果图9中的串列将水泵送到海岸，单个涡轮站即可以处理来自所有串列的能量，这可额外地减少初置成本。
专业人士明白，上述设计属于示例，从而不对发明的范围构成限制。因此，本发明的范围包括了由下述权利要求所描述的发明的精神所涵盖的全部可以想到的变形和等同方式。

Claims (8)

1.用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其包括至少一个大致被设置成与波浪的传播方向平行的连续固定结构，以及至少三个安装在所述固定结构上的阻抗构件，所述阻抗构件能够平行于固定结构移动并以此将可利用的能量传递至该装置，其特征在于，每个阻抗构件被限制于在沿着固定结构的一段明确限定的距离内移动，两个最远的阻抗构件之间的最短距离大于所述装置所处水域的平均波长的一半。
2.根据权利要求1所述的用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其特征在于，该装置相对波浪的位置由一个或多个锚固点给予确定。
3.根据权利要求1所述的用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其特征在于，所述连续的固定结构由一系列可连接的子构件构成。
4.根据权利要求1所述的用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其特征在于，所述连续的固定结构包括圆筒容腔。
5.根据权利要求4所述的用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其特征在于，所述一个或多个阻抗构件相对固定结构的运动将受压的水泵入所述的圆筒容腔。
6.根据权利要求1所述的用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其特征在于，阻抗构件相对固定结构的运动被用于对闭路系统中的液压流体增压。
7.根据权利要求1所述的用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其特征在于，或者一个或多个构件，或者所述固定结构包括有能够将磁通量的变化转变成电能的设备。
8.根据权利要求1所述的用于收集振荡的水波动中的动能的水平分量的长漂浮装置，其特征在于，或者一个或多个阻抗构件，或者所述固定结构包含有磁体。
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