CN102549257B - 用于从波浪运动产生电能或机械能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从水池中的波浪运动产生功率、特别是电能的装置。该装置包括至少一个操作单元，该操作单元包括传动装置，该传动装置设置成用于响应于易于进行源自波浪运动的交替线性运动的控制单元的运动而单向旋转并且连续操作至少一个发电机。每个操作单元均包括牢固地承载与所述线性控制元件(15，15b)接合并且以可旋转方式布置的驱动轮(13，14；13b)的至少一个主轴或驱动轴(11，12；11b)和由主轴通过单向驱动机构(20，20b)操作并且均可连接到至少一个发电机的至少两个从动轴(21，22；21b，22b)。

Description

用于从波浪运动产生电能或机械能的装置
技术领域
本发明涉及一种由用于将自然或人为的线性或交替的波浪运动转换成单向旋转运动、特别是用于产生电能或机械能的机械部件组成的系统。
背景技术
用于将交替的运动转换成一般可同化的类型的单向旋转运动并且通常简称为自由轮的机械装置是众所周知的。当在来源处的运动是交替的或不连续的时候，它们还被用作用于将单向旋转运动传输到任何联接器或旋转系统的操作系统。
在此提出的系统构造且运行成利用借助于至少一个浮动体或浮子的波浪运动特别是从可再生来源直接生成电能，并且因此重新进入用于在没有CO2和/或其它污染排放物的情况下产生功率/动力的装置之间。
在此技术领域中，已知从波浪运动起动的用于产生能量的系统，然而，即使通常得到优先，它们在安装和性能方面也有限制，特别是由于它们的高成本和长摊销周期，以及实际生产能力。具体而言，如果认为本文所考虑的类型的系统变得更加有效，则其摊销周期越短，使用寿命越长，生产越经济，致动越简单，在一段时间(通常为一年)产生的能量的量越大，并且维护的必要性越低。
迄今为止用于从波浪运动或潮汐能产生能量的一些方法存在至少与它们的效率有关的问题。事实上，波浪运动的利用仅为其开发或能力的50％，因为它通常局限于波浪的下降或上升运动。
例如，在一种名为的系统的情形中，置于水中的浮子的顶部封闭通过容纳在被浸没的支腿中的泵操作的涡轮。此系统利用波浪运动来压缩海水，被引导到水轮机的叶片上的海水使其旋转，从而引发与其连接的发电机的操作，并因此产生电能。该系统在所谓的“海洋”环境中——也就是说在存在相当高的波浪的情况下——似以乎是有利的，但它对于小型应用不能够具有高产量，因为从接以水轮机的泵经过时发生显著的负荷损失，和因此带来的功率损失。
另一个方面，一种名为“Pelamis”的系统使用并利用能够设置在浮动箱体的接合点中的一些液力模块，所述浮动箱体以格栅的尺寸相当大地确定为150延米的量级的方式连接。该系统仅在波浪之间的距离很长的情形中能够应用并且可保证合理的产量；事实上，相反，在存在一系列小而短暂的波浪的情况下，存在始终处于无效位置的风险。因此，此系统也必须一定在海洋环境中操作以便可有效地工作，或者在存在相关的波浪运动的任何情形中操作。事实上，在受限的背景下，它将是昂贵的并且能量产量低。一种名为“Manchester”的系统具有与离岸钻机的尺寸相当的尺寸，如还能够从WO2006/109024得出的系统。具有相当大的尺寸的浮子系统与其连接并且被固定在带有实心钢索的支承结构上。连接到其端部和固定束缚器(constraint)中的一者并且在相对端连接到浮子的输送带与齿轮接合，所述齿轮与轴成整体。依靠其运动，浮子引起输送带的交替滑动，这引发轴的旋转。此系统具有交替操作相，因为浮子依靠自由轮允许所述机构仅沿一个方向移动。因此，波浪的可能的轮廓产量(profile yield)的50％被损失，因为上升被用于重新装载系统，从而使否则趋于减慢的发电机重新加速。
多个浮子能够补偿它们之间的各种不活动相，但单个发生器连接到利用旋转惯性的单个浮子，所述旋转惯性在所述通过浮子在上升相期间重新装载所述缆索的不活动相期间能够维持使系统充分旋转。跟随波浪的下降运动的浮子的重量恢复发电机的正旋转。
另一个方面，一种名为的系统使用利用波浪运动来直接生成能量的具有高效钕永磁体、稀土等的线性系统。然而，在此系统中，缓和的运动限制了系统的能力。事实上，通过波浪形成的很低的线速度对应于很低的能量转换产量。
另一种名为的系统使用沿竖直方向操作的用于产生能量的系统。此外，在此情形中，行程变成大幅限制性能的因素。事实上，在存在高于活塞杆长度的波浪的情况下，它们未被充足地利用以用于能量产生。此外，存在的油压或机械延迟(deferment)引起摩擦和大量容量损失。
文献GB 1 116 689也指出了该技术的状态。该文献涉及一种用于从海洋波浪获得有用能量的系统，该系统包括浮在波浪上的箱体、一端附接到浮动箱体上且另一端固定在平衡重上的直线柔性系统、一对齿形啮合轮——每个啮合轮均由插入了自由轮机构的两个平行轴中的一个支承，其中所述轴中的每一个均还保持与柔性系统配合的另一个轮以便响应于柔性系统的交替运动而引起轴的沿一个方向的旋转。
然而，由于其构造，无法使此系统不透水以便直接置于水中，这样一来只能将它脱离水安装在陆地上。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于将波浪的往复运动转化为电能或机械能的装置，该装置能够避免公知技术的缺陷并且不仅可安装在陆地上，而且可有利地直接安装在水中，浮起和半淹没或淹没均可。
本发明的另一个目的是创造用于既在上升时又在下落时完全利用波浪全部轮廓的条件，从而以此方式并且有效地提高转换系统在海洋或具有有限波浪运动的水池中产生的功率方面的性能和产量。
本发明的又一个目的是提供一种用于从相对简单和经济的往复运动或波浪运动产生电能或机械能的系统，该系统具有缩小的规格，因此具有有限的尺寸和低环境影响。
这些目的通过根据权利要求1的前序部分的用于从水池中的波浪运动产生功率/动力、特别是电能的装置而达到，并且其中至少一个操作单元包括牢固地支承与线性控制元件接合且布置成旋转的驱动带轮的至少一个主轴或驱动轴，和至少两个从动轴，所述从动轴为由至少一个主轴或驱动轴借助于单向拉动机构操作的传动装置，或者自由轮，并且均可连接到至少一个发电机。
本发明的装置能够由二者之间相互作用的并排的两个平行单元或成一行布置的两个单元构成。在第一情形中，该装置具有两个主轴或驱动轴，二者均由线性控制元件并行操作，并且对于每一个主轴，至少一个输出轴由主轴通过自由轮机构操作。在第二种情形中，该装置包括由线性控制元件驱动的单个主轴，和在主轴的相对端处的两个从动轴，每个从动轴均由主轴借助于自由轮机构操作。
这种可延展并且多功能的装置使得能够从可再生来源例如大洋或海洋中的自然波浪运动或者人工池中人为创造的波浪运动以高效率、低经济成本和有限的维护需求获得能量，然而不排除诸如升降机、缆索轨道等机械来源。
此外，本发明的装置可调节，它能够被置于具有任何幅度、高度和季节的波浪运动的环境中，因为它们具有明显优于迄今为止公知的系统的产量。另外，所述装置自动调平，也就是说能自动使其自身适应海洋或它们的水位的变化并且在特定极限内跟随波浪长度而不损失效率。
附图说明
然而，将在参考所附仅作为指示而非限制的示范性的示意图所提供的描述中更详细地说明本发明，在附图中：
图1以透视方式示出了根据一个示例的本发明的系统的总体视图；
图2示出了图1中的系统的侧视图；
图3示出了在其构造之一下的系统从上方的前缩视图；
图4示出了该系统的局部视图，其中进行了分割以突出显示单向拖曳机构；
图5示出了图1中的系统的两个操作单元的截面图；
图6示出了在图5中圈出的细节的放大视图；
图7示出了根据另一个示例的本发明的系统的零件的分解视图；
图8示出了图7中的系统在组装好时的透视图；
图9示出了图8中的系统在一个水平面上的视图；
图10示出了通过发电机而完整的图7-9中的系统的整体；和
图11、12、13和14示出了使用根据本发明的系统的多个不同安装形式。
具体实施方式
在图1-5中示出并且总体以10表示的本发明的装置基本上包括并联的两个操作单元A和B，其设计成用于均借助于一个或多个发电机C产生电能，所述发电机从交替的线性运动或者更具体地从大洋、海洋和湖泊中的水面的运动而起动。
该装置包括两个主轴或驱动轴11、12，每个操作单元A和B一个轴，所述轴平行并且以旋转方式被支承在由曲柄箱或箱体10′承载的相应轴承11′、12′上。
在所示示例中，第一操作单元A被固定在主轴11上，并且因此驱动轮13随主轴11旋转，该驱动轮13与对应的驱动轮14对应定位(也就是共平面)，驱动轮14被固定在另一个操作单元B的主轴12上。两个驱动轮13、14能够由齿轮或驱动带轮组成，但它们却径向相距一定距离，使得当转动时它们不互相干涉。
以此方式布置的两个驱动轮13、14同时与进行基本上直线的交替运动的线性控制元件15接合。如果驱动轮13、14为齿轮，则线性控制元件15能够由齿形带、齿条、链条或类似物组成；如果驱动轮为带轮，则线性控制元件15能够由“V”形带、缆索或绳索组成。
然而，控制元件15借助于惰轮16同时与两个驱动轮13、14相关联并接合。
控制元件15从所述驱动轮的相对部分以两个分支15′、15″延伸使得它们的交替运动对应于所述两个驱动轮的旋转，并且两个操作单元A和B的主轴11、12连同它们一起沿相同方向(交替地沿相对方向、即顺时针方向和逆时针方向)旋转。通过对其分支中的一个和/或另一个交替地施力而引起控制元件15的交替运动，所述力能够是源自浮动体的运动的力，所述浮动体连接到所述控制元件15的分支15′或15″中的一个，且其跟随水池中的波浪的轮廓，与阻力或附接到同一控制元件的另一个分支上的平衡重相对。
至少一个或者优选两个齿形从动轮18和19分别如图中所示还轴向地与主轴11、12相关联或者相当于与每个操作单元A和B的驱动轮13、14相关联。当两个齿形从动轮18和19与每个轴11、12相关联时，它们优选地从驱动轮13、14的相对部分对称地定位。与操作单元A的轴11相关联的一个或每个齿形从动轮18定制尺寸成与相关的齿轮19——其与另一个操作单元B的另一个轴12相关联——恒定地啮合，也就是说始终接合。
然而，每个齿形从动轮18和19未直接受相应的主轴11、12约束，而是在单向驱动机构20的干涉下受到约束以便使齿形从动轮仅随相应驱动轮和相关的主轴沿一个方向的旋转而正旋转并且在驱动轮和相关的主轴沿相对方向旋转期间与其分离，从而使其惰转。这种驱动机构20能够由单向轴承或自由轮组成并且能够同心地安装在主轴与每个齿形从动轮之间，或者作为替换，安装在齿形驱动轮或带轮与每个共轴的齿形从动轮之间。然而，单向驱动机构将具有驱动部和从动部，该驱动部通常视情形而定在内部连接在主轴上或者齿形驱动轮或带轮上，该从动部通常在外部与齿形从动轮连接以仅沿一个方向移动。然而，应理解，用于与第一主轴11一起工作的每个齿形从动轮的单向驱动机构20必须在用于每个共轴的齿形从动轮的单向驱动机构方面与另一个主轴12相对。因此，除交替地移动的控制元件15引起驱动轮13、14的旋转方向有时为顺时针方向且有时为逆时针方向之外，与操作单元A的主轴11一起工作的齿形从动轮18始终沿相同的方向转动，而与另一个操作单元B的主轴12一起工作的齿形驱动轮19也始终沿一个方向转动，但沿与它们连续与其联接的第一操作单元的主轴相对的方向转动。
每个齿形从动轮18和19均受到约束并且分别随其本身的充当传动轴的从动轴21、22旋转，依靠所述传动轴，每个操作单元A和B的齿形从动轮(如果为单个)或者齿形从动轮中的至少一个(如果存在两个)能够依靠联轴器和/或转数倍增器23连接并操作特别是用于产生待供应给蓄电装置和/或任何使用装置的电能的至少一个发电机C。
在图7-10所示的示例中，此处与以上关于图1-5所述的装置相同或等同的零件通过相同的参考标记加上字母“b”来表示，装置10b包括承载驱动轮13b的单个主轴或驱动轴11b。所述主轴由轴承11′b支承并且驱动轮13b借助于可能的惰轮16b与控制元件15b(图9)接合。此外，在此情形中，控制元件15b将在一部分上连接到浮动体而在另一部分上连接到平衡/张紧力或平衡重并且易于交替进行线性运动以便使主轴旋转。
此主轴11b与齿形从动轮18b、19b一起工作，其每一端一个齿形从动轮，每一个齿形从动轮均在相应的传动轴21b、22b被约束，所述传动轴由至少一个轴承支承并且可连接到发电机，特别是发电机Cb。
每一个从动轮18b、19b均借助于单向驱动机构或自由轮20b连接到主轴11b，使得控制元件15b引起的主轴的旋转对应于从动轮18b、19b各者随相应传动轴21b、22b的旋转。这样，尽管被提供了交替的线性运动的控制元件15b引起驱动轮13b和因此主轴11b的交替的顺时针和逆时针旋转，但每个传动轴21b、22b均始终沿相同的方向转动，在所示示例中，两个齿形从动轮18b、19b具有螺旋齿并且二者均与被适当支承的冠状齿轮50啮合。
当然，本发明的装置的一种或另一种构造方式能够进行变型或细节方面的变更而不脱离本发明的范围，主要目的是从往复运动、特别是从波浪运动获得可用功率，充分利用波浪的上升和下降轮廓，以导致特别是用于产生电能的一个或多个发电机单向旋转。
关于使用，本发明的每个装置均能够被封装而且密封在曲柄箱或防护箱体中，从而允许易于交替进行线性运动的可移动控制元件的两个分支通过。然后，可获得在水池的环境和存在波浪运动的环境内的不同安装方式。
事实上，装置10或10b能够以至少脱离水、浮动、半淹没或淹没的方式安装和使用。
脱离水的安装能够用于底部难以到达的区域以及港口、悬崖附近等。如图11中的示例中示意性地示出，该装置定位在地面上，并且下降到水面25上以跟随波浪运动的浮动体24连接到线性控制元件15或15b的分支15′，而能够被引导到井27内的平衡重26则连接到所述控制元件15或15b的另一个分支15″。因此，一方面浮动体17必须跟随波浪的轮廓，另一方面连同平衡重26一起导致控制元件15交替移动，并且藉此该装置的传动装置的操作相当于如前文所述连接到该装置本身的发电机的控制。线性控制系统15或15b的两个分支15′、15″中的一个和另一个二者均能够不同地延迟并与相应引导结构28、29上的需求一致。
对于其浮动安装，装置10或10b如例如图6中所示随带(on board)安装在跟随波浪运动31的浮动体或浮子30上。在此情形中，线性控制元件15或15b的分支15′的端部能够连接到水池底部上的锚固块32并且平衡重33将连接到所述控制元件的另一个分支15″的端部。因此，该装置与浮动体或浮子30成一体跟随水的表面运动，使得控制元件借助于平衡重33沿相对方向交替地滑动，从而引起装置的传动装置的驱动，并且藉此使连接的发电机单向并连续旋转。
在例如图13所示的半淹没安装中，装置10或10b能够被随带安置在通过锚固索35连接到水池底部上的压块(ballast block)36的深水浮子34上。线性控制元件的分支15′的端部连接到水池的起伏表面上的浮动体或浮子37，而所述控制元件的另一个分支15″的端部则连接到平衡重38。因此，一方面装置随带的深水浮子34将被保持在几乎恒定的高度处，而另一方面跟随波浪的轮廓的浮动体或浮子37则结合平衡重38引起线性控制元件15的交替滑动，并且藉此驱动装置的传动装置并因此单向和连续地操作连接到从动轴的发电机。
在例如图14所示的淹没安装中，装置10或10b能够被固定在安置在水池底部上的静止块39上，线性控制元件的分支15′的端部连接到浮动体或浮子40，而所述控制元件的另一个分支15″的端部则连接到淹没的张紧浮子41。此外，在此情形中，跟随波浪运动42的浮动体或水面浮子40结合淹没的张紧浮子41的动作引起控制元件15或15b的交替滑动并因此驱动装置本身的传动装置以及发电机的连续和单向控制。
即使未示出，本发明的装置此外也可存在更多的使用方式。例如，它可以结合所谓的浮动立标使用。此外，它可以单个地使用，或者所有成组装置的元件15或15b的群组能够与设计成跟随波浪运动的单个浮动体连接并因此一起操作所有装置以使能量产生最大化。
该装置还能够根据波浪运动的特点和待产生的能量的数量而具有不同的形状和规格。该装置还能够是可运输的，例如使用背包，以便在需要适量的来自波浪运动的能量的地方就地安装，甚至短暂安装。
所述装置能够设置有GPS或声纳信号装置以便即使在它们与保持系统分离的情况下也被探测到或回收。它们还可设置有探测系统和数据记忆(装置)，例如波浪高度、水温、所产生的能量的记录等。

Claims (10)

1.一种用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，所述用于从水池中的波浪运动生成动力的装置包括至少一个操作单元，所述操作单元包括传动装置，所述传动装置设置成用于响应于易于进行线性的交替运动的线性控制元件的运动而单向旋转并且连续操作至少一个发电机，其中所述线性控制元件一方面连接到搁置在水面上的至少一个浮动体或浮子且另一个方面连接到使所述浮动体或浮子跟随波浪的轮廓的平衡/张紧部件，其特征在于，至少一个操作单元(10b)包括至少一个主轴或驱动轴、至少两个从动轴或传动轴(21b，22b)、位于所述主轴的相对端的两个齿形从动轮(18b，19b)、以及与所述齿形从动轮(18b，19b)啮合的冠状齿轮(50)，其中，所述主轴或驱动轴牢固地承载与所述线性控制元件(15b)接合并且通过所述线性控制元件(15b)而旋转的驱动轮(13b)，所述从动或传动轴由所述至少一个主轴或驱动轴通过单向驱动机构(20b)操作并且均连接到至少一个发电机，每个齿形从动轮均连接到相应的从动轴(21b，22b)，所述单向驱动机构(20b)将每个从动轮(18b，19b)连接到所述主轴，使得由所述线性控制元件(15b)引起的所述主轴的旋转对应于所述齿形从动轮(18b，19b)的旋转。
2.根据权利要求1所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，其中所述动力是电能。
3.根据权利要求1所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，其特征在于，每个操作单元的驱动轮(13b)是齿形轮或带轮并且所述线性控制元件是齿形带、链条、绳索或缆索。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，其特征在于，所述单向驱动机构(20b)定位在所述主轴与每一个连接到所述主轴的齿形从动轮(18b，19b)之间。
5.根据权利要求4所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，其特征在于，所述单向驱动机构是单向轴承或自由轮。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，所述用于从水池中的波浪运动生成动力的装置被封装在密封的曲柄箱或箱体中。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，所述用于从水池中的波浪运动生成动力的装置设置成用于安装在大陆上，其中至少一个从上方下降到水中以跟随波浪运动的浮动体连接到所述线性控制元件的一个分支，而被引导到井内的平衡重被固定在所述线性控制元件的另一个分支上。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，所述用于从水池中的波浪运动生成动力的装置设置成用于随带安装在被置于水中以跟随波浪运动的浮动体上，其中所述线性控制元件的一个分支附接到固定块上，而所述线性控制元件的另一个分支连接到平衡/张紧部件上。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，所述用于从水池中的波浪运动生成动力的装置设置成用于随带安装在锚固在固定块上的深水浮子上，其中所述线性控制元件的一个分支连接到放置在水面上以跟随波浪运动的浮动体，而所述线性控制元件的另一个分支的端部则连接到平衡/张紧部件。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的用于从水池中的波浪运动生成动力的装置，所述用于从水池中的波浪运动生成动力的装置设置成用于安装在淹没的固定块上，其中所述线性控制元件的一个分支连接到在水面上跟随波浪运动的箱体，而所述线性控制元件的另一个分支连接到深水平衡浮子。
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