CN102713259B - 波浪流装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于设置在水下的水流发电装置(10)，其包括：若干帆或翼部(12)，所述若干帆或翼部紧固到旋转的环链(14)上，所述环链在相应的面对的转动盘(24)之间运动，所述环链(14)通过在周围的水的影响下所述翼部(12)的推力而被迫进行环行运动；以及至少一个发电机(60)，所述至少一个发电机用于产生电能，并且与所述环链(14)连接。所述转动盘(24)安装在能够被锚固的相应的框架(16、18)中，并且所述环链(14)在所述框架(16、18)之间围绕所述转动盘(24)自由地运动，所述转动盘中的至少一个连接有传动机构(28)，所述传动机构连接至万向联接装置(50)，所述发电机(60)连接到所述万向联接装置(50)。

Description

波浪流装置及其方法
技术领域
本发明涉及待放到水下的水流发电装置，其包括若干帆或翼部和至少一个发电机，该若干帆或翼部紧固到转动的环链，该环链在面对的相应的转动盘之间运动，环链在周围的水的影响下被翼部驱动而被迫向下，该至少一个发电机用于产生电能，并且与环链连接。本发明还涉及用于操作水流发电装置的方法。
背景技术
“绿色可再生能量”的需求日益增长。大的洋流和潮汐被认为是现存的最大可再生能源之一。关于应当如何利用这些资源已经有了许多提议。这些提议中的大多数都涉及使用不同构造的水力涡轮机。
除了别的以外，NO20035448中还公开了使用水下帆以利用水作为能源的概念。
JP410061598示出了帆或翼部的环状系统，该帆或翼部绕着两个转动盘被驱动，其中通过翼部的升角、旋转数、翼部的面积等来调节性能。US6,081,043也涉及帆或翼部的环状系统，但是用在风力发电机中，并且其中可以调节翼部相对于驱动线缆的定向。
还参考US1,847,855A1和US4,350,474A，它们均涉及用于发电的潮汐发电装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种水力发电装置，其能够下降到水中至期望深度，并且能够吸收和接纳来自流动水的应变以连续地发电。
通过独立权利要求1中限定的水力发电装置来实现上述目的，其中转动盘安装在能够被锚固的相应的框架中，并且环链在框架之间围绕转动盘自由地运动，转动盘中的至少一个连接有传动机构，传动机构连接至万向联接装置，所述发电机连接到万向联接装置。
从属权利要求2-14表征了水流发电装置的可供选择的实施方案。
环链可以包括两个环状线缆，其中所述帆或翼部布置在线缆之间，每个线缆越过且围绕相应的转动盘进行运动，使得帆或翼部在相应的成对的转动盘之间旋转。
万向联接装置能够调节线缆相对于彼此的速度，由此调节帆或翼部相对于水流的角度。万向联接装置还可以连接到传动机构，该传动机构连接到相应的框架中的每个转动盘。
此外，所述框架优选地锚固成使得它们能够旋转以调节线缆的角度，从而使得线缆中的张力垂直于转动盘的旋转轴。
传动机构可以包括第一带轮，第一带轮紧固到与转动盘共同的旋转轴，第一带轮经由带或链连接到第二带轮，第二带轮紧固到万向联接装置的轴。或者，传动机构可以是轴操作。
成对的转动盘可以布置成彼此独立地旋转并且由万向联接装置控制。
在一个实施例中，万向联接装置可以由齿轮箱构成，齿轮箱包括至少两个行星齿轮传动装置，万向联接装置的相应的轴连接到行星齿轮传动装置的行星轮的轴，在行星齿轮传动装置的环轮之间设置有第一锥形齿轮和第二锥形齿轮，第一锥形齿轮经由轴连接到发电机，第二锥形齿轮经由轴连接到伺服马达。连接到发电机的轴优选地布置成在发电机运行时控制线缆的共同运动，连接到伺服马达的轴优选地布置成与共同运动独立地控制线缆的差动运动，由此调节线缆之间的翼部的角度。
万向联接装置和发电机可以保持在不透水的壳体中。
此外，转动盘可以布置成沿着所述旋转轴相互位移，由此根据翼部的角度改变成对的转动盘之间的距离。
在优选的实施例中，翼部可以至少形成有部分弧形机翼形状，该弧形形状布置成为翼部提供在水中的平衡，并且通过作用在翼部上的力抵消与平衡位置的偏离。
所述帆或翼部可以借助夹紧联接装置紧固到相应的线缆，其中所述夹紧联接装置包括锁定机构，并且被布置成当翼部运动越过转动盘时使翼部进行受限的运动，否则就将翼部保持在期望位置。此外，夹紧联接装置可以布置成调节翼部在水中的角度。
转动盘能够在其相应的框架中轴向地位移。
还通过独立权利要求18中限定的方法来实现所述目的，该方法通过：将转动盘成对地紧固在能够被锚固的相应的框架中，并且使环链在框架之间围绕转动盘自由地运动，以及将万向联接装置连接到传动机构与转动盘中的至少一个之间，其中万向联接装置在发电机运行时控制环链的线缆的共同运动，并且与所述共同运动独立地控制线缆的差动运动，以用于通过调节线缆相对于彼此的速度而调节线缆之间的翼部的角度。
根据方法的可供选择的实施方案，传动机构可以连接在万向联接装置和转动盘之间，并且可以通过产生被传递到线缆的推力和提升力而驱动环链进行环行运动，翼部可以相对于水流倾斜。
翼部可以配合在线缆(例如线材、绳索、钢丝绳等)上，并且可以利用对水流的俯仰角而进行调节，使得它们在沿穿过水流的路径中运行的线缆上施加力。通过拖曳(推力)和提升在翼部上产生力，这是用于机翼的原理。可以将水中的某些动能转换为电能。所有翼部的总数提供了较大的面积，水流作用在该较大的面积上。该设备尤其适于海峡和海湾，在这些地方的地形可能具有天然的颈缩，这提供了较高的潮汐流速度。该系统也可以用在河流中。
该系统可以设置在一定深度处(例如20米的深度处)，以防止干扰船只和人员。该系统易于按比例增大，并且可以通过改变以下因素而适于各个位置：
-翼部的尺寸
-翼部的数量/伸展上的长度
-攻击的俯仰/角度(可以在操作期间执行)
翼部初始永久地紧固到具有两个柔性区段的线缆上，并且跟随围绕转动盘的线缆。
用于线缆上的翼部的紧固点的相对位移限定了翼部上相对于水流方向的俯仰。
通过转动盘之间的距离改变与线缆之间的纵向位移，可以相对于水流的方向改变翼部的角度。翼部还具有竖直地旋转的受限可能性。水流将在很大程度上影响翼部的竖直角度。
因为翼部的形状，所以具有提供平衡位置的一个角度。翼部优选地是自稳定的。从该角度的任何偏离都将被作用在翼部上的力抵消。当来自翼部的推力沿着线缆(其向发电机提供动力)并且横跨线缆起作用时，环链的外形将为弧形形状。
从而，线缆不会被拉出转动盘的凹槽，盘紧固在水平旋转的框架中，以适应于线缆的角度。这意味着，线缆中的张力总是垂直于该轴。
线缆驱动转动盘，转动盘又经由传动机构驱动发电机。传动机构适于使其相对于线缆的速度为发电机提供最佳旋转。
附图说明
现在将借助附图中所示的实施例更详细地解释本发明，其中：
图1示出了根据本发明的水流发电装置的实施例的透视图。
图2示出了为本发明的一部分的环链的透视图。
图3示出了处于水流影响下的水流发电装置的透视图。
图4示出了图3，但是更多地从上方看。
图5示出了图1所示的水流发电装置的一端。
图6示出了图5，但是没有框架和不透水壳体。
图7示出了用在根据本发明的水流发电装置中的万向联接装置的轮廓。
图8示出了为图7中的万向联接装置的一部分的行星齿轮传动装置。
图9示出了根据本发明的翼部锁。
图10示出了图9所示的分解的翼部锁。
具体实施方式
如图所示，本水流发电装置10的实施例包括环链14，该环链14包括至少两个线缆20。在这些线缆20之间，借助夹紧联接装置22布置有若干帆或翼部12，优选地使得帆或翼部固定在中间，并且处于平衡状态，但是根据还可以将它们固定的环境而偏离它们的平衡位置。线缆20在相应的转动盘24上运动，该转动盘24优选成对地设置在面对的框架16、18中，使得在转动盘24之间形成空间，当帆或翼部12在转动盘24转动时帆或翼部12可以在该空间之间运动。
帆或翼部12形成为使得水流推动翼部(拖曳)，同时水流在翼部后的表面后方流动得较快(提升)。这给出的合成功率贡献对线缆提供了额外的效果，并且由此增大了功率输出。因此，帆或翼部12的形状可以选择为具有弧形机翼形式。或者，翼部12的两侧可以是平的和/或不是弧形的，但是这将导致较差的效果。
所述框架16、18可以锚固到河流的底部、堤岸，也可以锚固到水中或海中的其它设备，使得它们不会干扰船运或他人。优选地，框架16、18水平地旋转，并且用作用于水流发电装置10的环链14、传动机构28和其它设备的座架。如图3和4所示，环链14通常将受到来自水流的力的影响并且在操作期间形成弧形形状，这意味着需要框架能够旋转，以使得线缆不会被拉出转动盘24中的凹槽。
如所述，转动盘24成对地布置在每个框架16、18中，并且优选地在相同的旋转轴上旋转。成对的转动盘24布置成彼此独立地旋转并且由万向联接装置50控制。传动机构28连接到同一个旋转轴上，为第一带轮32的形式，该第一带轮32连接到万向联接装置50的轴40上的第二带轮。第一和第二带轮经由带或链34以通常公知的方式连接，使得转动盘24的旋转以及由此第一带轮32的旋转驱动第二带轮36，该第二带轮36又驱动万向联接装置50的轴40。每个框架中可以设置有一个或两个这样的驱动单元28，但是优选的是具有两个驱动单元28，它们布置在相应的转动盘24的外侧，使得它们不会干扰翼部在转动盘24处的通过。第一带轮32可以布置到与转动盘24相同的旋转轴上，并且具有相同的旋转方向。可替代的是，传动机构28可以用轴操作来代替如上所述的带或链操作。
此外，转动盘24布置成使得它们能够沿着旋转轴轴向地位移，从而可以随着翼部12的间距的变化而改变转动盘之间的距离。
所述万向联接装置50布置在一个或两个框架16、18中，其中万向联接装置连接到发电机60以产生电能。万向联接装置50和发电机60可以保持在不透水的壳体26中。图5和6示出了水流发电装置10的一个端部，分别为具有框架16和壳体26以及没有框架16和壳体26。可以看到，传动机构28连接到万向联接装置50的相应的轴40上，以用于操作发电机60。
在可替代的实施例(未示出)中，发电机60可以设置在水面之外。在这种情况下，发电机60可以以对应的方式连接到万向联接装置50，并且可以采用刚性或非刚性连接进行连接。这种方案的一个优点在于，首先发电机易于维护。
除了发电机的操作之外，万向联接装置50布置成单独地调节环链14中每个线缆20的速度，以用于调节翼部12在水中的角度。这可以在水流发电装置10的操作期间执行，其中所述万向联接装置50可以例如由具有两个行星齿轮传动装置42的齿轮箱构成。行星齿轮传动装置的构造被认为对于本领域技术人员而言是已知的，并且因此将不再更详细地进行解释。行星齿轮传动装置是有齿的齿轮的一种变型。其包括一组齿轮：最内侧的太阳轮，接下来的行星轮以及具有齿的最外侧环轮。良好的质量为行星齿轮传动装置提供长的使用寿命，并且其还能够传递高的转矩。
从驱动单元28施加到万向联接装置的轴40上的转矩传递到行星轮46，接着传递到太阳轮44和环轮48。如果环轮48保持静止，则所有的运动都传递至太阳轮44。两个行星齿轮传动装置42布置成彼此面对，使得环链14中的线缆20的共同运动引起行星齿轮传动装置的共同角度运动。环轮48配有倾斜的齿，该倾斜的齿彼此面对并且它们之间设置有第一锥形齿轮56和第二锥形齿轮58，第一锥形齿轮56经由轴54连接到发电机60，第二锥形齿轮58经由轴52连接到伺服马达(未示出)。连接到发电机60上的轴54在发电机运转时控制线缆20的共同运动，连接到伺服马达上的轴52与所述共同运动独立地控制线缆20的差动运动，以调节线缆20之间的翼部12的角度。
因此，在该系统中能够将共同和差动力矩机械地分开到不同的轴。改变翼部12的角度的差动力矩被传递到伺服马达，代表系统能量的共同运动被传递到发电机60。
可替代的是，从驱动单元28施加到万向联接装置的轴40上的力矩被传递至太阳轮44，但是这将导致不同的齿轮传动。
当具有俯仰的翼部12将通过转动盘24时，翼部可以相对于夹紧联接装置22弯曲。因此，夹紧联接装置应当是柔性的。然而，柔性的锁可能不会在长的伸展(在该处可能期望具有局部紊流)上提供足够的刚性来确保翼部不会扭转和卡住。
如图9和10所示，可以通过具有允许受限运动的夹紧联接装置来解决这个问题。于是，夹紧联接装置必须确保绕转动盘具有足够的柔性，但是同时要足够小，以将翼部保持在可接受的角度内。此外，夹紧联接装置22可以具有弹簧机构(即，为“自调节”的)。在这种夹紧联接装置中满意的锁定特征的实例将会是：当翼部处于长的伸展时为翼部提供足够的支撑；足够柔性以围绕轮，允许改变翼部的俯仰，在海水中不会腐蚀/损坏；以及允许联接装置绕轮进行一定的缩短。
用于夹紧联接装置的锁定功能的一个重要功能是让翼部围绕转动盘进行环行运动。因为两个联接装置不是直接设置成在线缆上彼此相对，所以一个锁可以在另一个锁之前开始绕转动盘运动。这可能导致稍稍翼部扭转并且联接装置应当足够柔性以使得该运动不会引起大的张紧。在其实践中允许一定程度的旋转的另一个原因在于，可能存在不均匀的水流，使得翼部的顶侧和底侧上的力短时间内变得较大。然后，翼部可以一定程度地旋转，但是由于翼部的形状而将会取得力的平衡，从而翼部回到其中立位置。即使对于稳定的水流，当翼部扭转时翼部的上部部分上的力也变得大于下部部分上的力，使得上部部分更加垂直。这确保了翼部可以绕其中心轴线旋转，并且如果其旋转的太远，则翼部的下部部分将会出现对应的情况。
该设计的原理在于，当圆筒70旋转时，翼部76的倾斜表面将靠着冠部72中的倾斜表面78滑移，并且冠部在壳体80的凹槽中被迫向下。在这里，弹簧74压靠壳体的后壁。当圆筒沿一个方向旋转一定角度例如15°时，翼部76撞击冠部72的壁，于是不能再进一步旋转。如果继续和试图旋转圆筒70，翼部和冠部的壁之间的力将会抵消这种运动。冠部72在其处于壳体80的凹槽中时不能旋转。当力矩终止时，被压缩的弹簧74将返回到其中立位置，于是再次向上推冠部72。这将使得冠部72中的倾斜表面78将翼部76的倾斜表面推到侧面，并且使得圆筒70旋转回到其初始位置。
壳体80在其底部处具有用于紧固线缆20的联接装置82，同时圆筒70包括用于紧固到翼部12上的紧固点84。
对于该装置而言还希望安装点的补偿结构。当该装置操作时，线缆对20可以处于弧形。这在较大程度上补偿工位(即框架16、18)旋转，但是因为最外侧线缆必须比最内侧线缆稍长，所以可能出现线缆没有完美地进入转动盘24上的凹槽中的情形。假定的是，可以通过在相应的框架中移动该安装点(使其偏离中心)来补偿这个问题。在实施过程中，这可以通过借助液压沿着轴平行地推盘24来实施。

Claims (19)

1.一种用于设置在水下的水流发电装置(10)，其包括：若干帆或翼部(12)，所述若干帆或翼部紧固到旋转的环链(14)上，所述环链在相应的面对的转动盘(24)之间运动，所述环链(14)通过在周围的水的影响下来自所述翼部(12)的推力而被迫进行环行运动；以及至少一个发电机(60)，所述至少一个发电机用于产生电能，并且与所述环链(14)连接，
其特征在于
-所述转动盘(24)安装在被旋转地锚固的相应的框架(16、18)中，并且所述环链(14)包括至少两个线缆(20)且在所述框架(16、18)之间围绕所述转动盘(24)自由地运动，以及
-所述转动盘中的每一个连接有传动机构(28)，所述传动机构连接至万向联接装置(50)，所述发电机(60)连接到所述万向联接装置(50)，以及
所述万向联接装置(50)布置成相对于彼此独立地调节所述转动盘(24)的速度，以相对于彼此独立地调节所述线缆(20)的速度，由此调节所述帆或翼部(12)相对于水流的角度。
2.根据权利要求1所述的水流发电装置(10)，
其特征在于，所述环链(14)包括两个环状线缆(20)，其中所述帆或翼部(12)布置在所述线缆(20)之间，每个线缆(20)越过且围绕相应的转动盘(24)进行运动，使得所述帆或翼部(12)在相应的成对的转动盘(24)之间旋转。
3.根据权利要求1所述的水流发电装置(10)，
其特征在于，所述框架(16、18)旋转地安装，使得它们能够适应于所述线缆的角度，使得所述线缆(20)中的张力垂直于所述转动盘(24)的旋转轴。
4.根据权利要求1所述的水流发电装置(10)，
其特征在于，所述万向联接装置(50)连接到传动机构(28)，所述传动机构连接到相应的框架(16、18)中的每个转动盘(24)。
5.根据权利要求4所述的水流发电装置，
其特征在于，所述传动机构(28)包括第一带轮(32)，所述第一带轮紧固到与转动盘(24)共同的旋转轴，所述第一带轮经由带或链(34)连接到第二带轮(36)，所述第二带轮紧固到所述万向联接装置(50)的轴(40)。
6.根据权利要求5所述的水流发电装置，
其特征在于，成对的转动盘(24)布置成彼此独立地旋转，并且通过所述万向联接装置(50)进行控制。
7.根据前述权利要求中任一项所述的水流发电装置，其特征在于，所述万向联接装置(50)由齿轮箱构成，所述齿轮箱包括至少两个行星齿轮传动装置(42)，所述万向联接装置的相应的轴(40)连接到所述行星齿轮传动装置的行星轮(46)的轴，在所述行星齿轮传动装置的环轮(48)之间设置有第一锥形齿轮(56)和第二锥形齿轮(58)，所述第一锥形齿轮经由轴(54)连接到所述发电机(60)，所述第二锥形齿轮经由轴(52)连接到伺服马达。
8.根据权利要求7所述的水流发电装置，
其特征在于，连接到所述发电机(60)的轴(54)布置成在所述发电机运行时控制所述线缆(20)的共同运动，连接到所述伺服马达的轴(52)布置成与所述共同运动独立地控制所述线缆(20)的差动运动，由此调节所述线缆(20)之间的所述翼部(12)的角度。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的水流发电装置，其特征在于，所述万向联接装置(50)和所述发电机(60)保持在不透水的壳体(26)中。
10.根据权利要求4所述的水流发电装置，
其特征在于，所述转动盘(24)布置成沿着旋转轴相互位移，由此根据所述翼部(12)的角度改变成对的转动盘(24)之间的距离。
11.根据权利要求1所述的水流发电装置，其特征在于，所述传动机构(28)适于轴操作。
12.根据权利要求1-6和10-11中任一项所述的水流发电装置，其特征在于，所述翼部(12)形成为至少部分弧形机翼形状。
13.根据权利要求12所述的水流发电装置，
其特征在于，所述弧形形状布置成为所述翼部(12)提供在水中的平衡，并且通过作用在所述翼部上的力抵消与平衡位置的偏离。
14.根据权利要求2所述的水流发电装置(10)，
其特征在于，所述帆或翼部(12)借助夹紧联接装置(22)紧固到相应的线缆(20)，其中所述夹紧联接装置(22)包括锁定机构，并且被布置成当所述翼部运动越过所述转动盘(24)时使所述翼部进行受限的运动，否则就将所述翼部保持在期望位置。
15.根据权利要求14所述的水流发电装置(10)，
其特征在于，所述夹紧联接装置(22)布置成调节所述翼部在水中的角度。
16.根据权利要求1所述的水流发电装置(10)，
其特征在于，所述转动盘(24)能够在其相应的框架(16、18)中轴向地位移。
17.一种用于操作将设置在水下的水流发电装置(10)的方法，所述水流发电装置包括：若干帆或翼部(12)，所述若干帆或翼部紧固到旋转的环链(14)上，所述环链在相应的面对的转动盘(24)之间运动，所述环链(14)通过在周围的水的影响下来自所述翼部(12)的推力而被驱动以进行环行运动；所述水流发电装置借助至少一个发电机(60)产生电能，所述至少一个发电机与所述环链(14)连接，其特征在于
-将所述转动盘(24)成对地紧固在相应的框架(16、18)中，所述框架被旋转地锚固，并且使所述环链(14)的至少两个线缆(20)在所述框架(16、18)之间而围绕在所述转动盘(24)之间自由地运动，以及
-将万向联接装置(50)经由传动机构(28)连接到成对的转动盘(24)中的至少一个，其中所述万向联接装置在所述发电机(60)运行时控制所述环链(14)的线缆(20)的共同运动，并且与所述共同运动独立地控制所述线缆(20)的差动运动，以用于通过调节所述线缆(20)相对于彼此的速度而调节所述线缆(20)之间的所述翼部(12)的角度。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述传动机构(28)连接在所述万向联接装置(50)与每个所述转动盘(24)之间。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，为了通过产生被传递到所述线缆(20)的推力和提升力而驱动所述环链(14)进行环行运动，使所述翼部(12)相对于水流倾斜。
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