CN102865181A - 利用惯性实现海浪能量转化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种利用惯性实现海浪能量转化的方法及装置，属于海浪能量利用的技术领域。本发明要解决的主要技术问题在于：更加经济地将海浪能转化成其它便于使用的能量形式。本发明的基本特征在于：在海上设置漂浮的承载容器，且在该承载容器中设置惯性体；将海浪的推动作用产生的惯性体与承载容器之间的、随机的、难以直接利用的力和位移转化成能够被直接利用的力和位移；再利用能量转化装置将所述的能够被直接利用的力和位移转化成液压能或电能。本发明适用于海浪能开发利用的技术领域，特别是用于海浪发电。

Description

利用惯性实现海浪能量转化的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用惯性实现海浪能量转化的方法及装置，属于海浪能量利用的技术领域。

背景技术

海浪，是一种绿色的可再生能源。在许多国家，利用海浪发电已经进入商业运作阶段。

现有的海浪发电技术，主要是利用海浪造成的水面起伏引发设置在水面上方的罩壳内空气容积变化所形成的气流，再通过空气涡轮机进行单向或双向发电。

现有技术存在的主要问题在于：

1.基础设施庞大，且由于是在海中作业，其建造成本较高。

2.发电设施需要与海水的潮位相匹配，又增加了其结构和控制的复杂性，并导致其投资的进一步提高。

3.在海浪能量较为集中的区域，例如，在海浪与岩壁的冲击区，由于岩壁陡峭且海水较深，现有技术难以得以实施；又例如，在西风带的洋面上，常年风急浪高，虽然海浪蕴藏着巨大的能量，现有技术也难以得以实施等等。

4.由于空气相对于海水的密度很小，在体积变化量相同的条件下，对海浪能量的利用很不充分。

5.与风力发电相比，尽管海浪的能量密度大，理论上应当有利于对它的开发利用，但是，由于将海浪的能量转化成可控能量的难度大，因此，对海浪能量的利用远比对风能利用的水平低。

发明内容

本发明的目的，是要提供一种利用惯性实现海浪能量转化的方法及装置，以解决现有技术存在的问题。

本发明的基本构思是：参照机械式全自动手表取得能量的基本思路，利用力和位移的转化机构将海浪的推动作用产生的所述的惯性体与所述的承载容器之间的、随机的、难以直接利用的力和位移转化成能够被直接利用的力和位移；再利用转化得来的所述的能够被直接利用的力和位移，采用能量转化装置将海浪的能量转化成液压能或电能。

本发明要解决的技术问题是：充分利用海浪这种绿色的可再生能源，更加经济地转化出便于利用的其它能量形式的能源产品。

本发明的基本技术方案之一是：一种利用惯性实现海浪能量转化的方法，其特征在于：

(1)在海上设置漂浮的承载容器，且在该承载容器中设置惯性体；

(2)利用力和位移的转化机构将海浪的推动作用产生的所述的惯性体与所述的承载容器之间的、随机的、难以直接利用的力和位移转化成能够被直接利用的力和位移；

(3)利用转化得来的所述的能够被直接利用的力和位移，再利用能量转化装置将海浪的能量转化成液压能或电能。

本发明的基本技术方案之二是：一种实现本发明所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法的装置，其特征在于：

(1)在海上设置着漂浮的承载容器，且在该承载容器中设置着惯性体；

(2)设置着将海浪的推动作用产生的所述的惯性体与所述的承载容器之间的、随机的、难以直接利用的力和位移转化成能够被直接利用的力和位移的转化机构；

(3)设置着将转化得来的所述的能够被直接利用的力和位移转化成液压能或电能的装置。

上述的“漂浮”，可以是在海面上的漂浮，也可以是在海水中的漂浮，即在海水中的悬浮。

上述的“惯性体”，可以采用均质的实体材料制作，例如采用铸铁或岩石制作；也可以采用组合材料制作，例如采用强度足够的材料(如钢板或工程塑料)制成外壳，内部充填以矿砂、特别是粘结成块的矿砂等。

上述的“在该承载容器上设置惯性体”，可以采用不同的“设置”方案：采用承托式的方法或装置和/或采用悬挂式的方法或装置。所谓承托式的方法或装置是指：将所述的惯性体安装在与所述的承载容器至少具有一个运动自由度的构件上，且所述的惯性体由该构件承托；该构件可以是刚性构件，也可以是柔性构件，还可以是弹性构件等；例如，可以将所述的惯性体安装在可以作水平滑动的梁上，或者将所述的惯性体安装在可以作水平运动的小车上，甚至可以将所述的惯性体安装在可以作二维运动的、具有双层结构的水平运动的小车上等等。所谓悬挂式的方法或装置是指：将所述的惯性体悬挂在所述的承载容器中。所述的悬挂，既可以采用带有铰接接头，例如球铰，的刚性杆的悬挂方法和装置，也可以采用柔性索的悬挂方法和装置。所述的柔性索既可以是长度为刚性的柔性索，例如环链、钢丝绳或其它绳索等，也可以是弹性的柔性索，例如采用橡胶索、弹簧(包括金属的和非金属的)等。

所述的“在该承载容器上设置惯性体”，还可以有另外的思路：除了在一个承载容器中设置一个惯性体之外，还可以在一个承载容器中设置多个惯性体或一组惯性体或惯性体的阵列等。

当采用悬挂的技术方案时，为了充分挖掘和利用惯性体与承载容器之间可能的发生的力和位移，建议惯性体的悬挂至少使用一个弹性元件，或者说所述的悬挂的方法至少使用一个弹簧或者所述的悬挂装置中至少包括一个弹簧等；换言之就是：至少使用一个弹性元件来悬挂惯性体。所述的弹性元件，最常见的便是弹簧，包括：金属弹簧和非金属弹簧(例如橡胶弹簧)；非线性弹簧和组合弹簧(注：一组组合弹簧也应算作一件)等等。需要特别指出的是，当采用悬挂的技术方案时，建议本发明所述的方法或装置包括3个中心线不共面的弹簧：便于实现全弹性悬挂；简化结构；降低成本等等。

上述的“力和位移的转化机构”的基本功能是：“将海浪的推动作用产生的所述的惯性体与所述的承载容器之间的、随机的、难以直接利用的力和位移转化成能够被直接利用的力和位移”。这里所述的“力”，也包括“力矩”；这里所述的“位移”，也包括“角位移”等。由于实现其基本功能的方法和结构几乎不可穷尽，只在以下的实施例中列举其中的部分案例。

此处的特别建议是：由于轴、套组合件具有结构简单、制造容易且成本较低的特点，因此，建议在所述的力和位移的转化机构中至少包括一个轴、套组合件。需要特别指出的是，还建议本发明所述的方法或装置包括3个中心线不共面的轴、套组合件：便于实现全方位的能量吸收和转化；简化结构；降低成本等等。

特别是，建议本发明所述的3个中心线不共面的弹簧和3个中心线不共面的轴、套组合件进行联合使用，即：所述的方法和装置包括3个中心线不共面的弹簧和3个中心线不共面的轴、套组合件(的使用)；以充分发挥本发明的优点。

上述的“能量转化装置”的基本功能是：“利用转化得来的所述的能够被直接利用的力和位移，转化成液压能或电能或其它可供利用的能量”。所述的“能量转化装置”具有难以穷尽的多样性。例如：当目标能量的形式是液压能时，它可以是液压缸(此时用作活塞泵或柱塞泵)、液压泵(包括齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等)或者其它的形式等。又例如：当目标能量的形式是电能时，它可以是发电机，包括磁流发电机、直线移动式发电机、普通旋转发电机等等。

有必要指出的是，所述的“力和位移的转化机构”和所述的“能量转化装置”可以采取一体化的结构形式，以便简化结构和降低成本。

为了便于到远离海岸的深海区域进行发电作业，还议将所述的承载容器制成船只的形式，使之成为发电船，特别是远洋发电船。

为了便于应用到海浪与岩壁的冲击区域，建议将所述的承载容器制成密封容器，便于防水。为了提高所述的密封容器的抗冲击能力，特别是为了提高其与岩壁的碰撞能力，还建议将所述的密封容器由柔性材料(例如橡胶或带有编制物夹芯的橡胶)制成，且其中充装有压缩气体，例如压缩空气；必要时，还可以在所述的由刚性材料制成的承载容器或者密封容器的外部敷设弹性层，来提高其抗冲击的能力。为了防止所述的承载容器或者说密封容器漂离指定的区域，建议使用缆绳对其极限位移进行限制。

特别是，利用本发明所述的方法和装置构成的小系统，还可以作为更大系统的一个元素，以构成大的阵列或集群，以便获取规模效益。

本发明产生的主要有益效果在于：

1.不需要基础设施，建造成本较低。

2.能够与海水的潮位自动匹配，其结构简单，且无须加以控制，可以使其投资进一步降低。

3.特别便于在海浪能量较为集中的区域实施。例如，当采用承载容器制成密封容器的方案、特别是当所述的密封容器由柔性材料制成，且其中充装有压缩气体时，将特别适用于海浪与岩壁的冲击区域；又例如，当将所述的承载容器制成船只的形式时，将特别适用于像西风带这样的浪高海深的区域，以充分利用海浪具有的强大的能量等等。

4.对海浪的能量利用相对充分，能够获得结构紧凑，体积较小，单位产能的成本较低的性能。

附图说明

本发明有附图12页，共17幅。其中：

图1～图5是用于说明实施例1的。其中：图2是图1的A-A的局部视图，主要用于观察轮盘5的结构和球铰7、8以及轴、套组合件9的布置情况；图3是图1的B-B的局部剖视图的放大图，主要用于观察与球铰的功能相似的万向铰接机构的具体结构；图4是图1的C部放大图，主要用于观察C部的细节。图5是图1的E部放大图，以便看清轴、套组合件9的内部结构；同时，也为理解轴、套组合件9同时兼做“能量转化装置”提供方便，以表现所谓的“所述的‘力和位移的转化机构’和所述的‘能量转化装置’可以采取一体化的结构形式”的基本特征。

图6～图8是用于说明实施例2的。其中：图7是图6的F部的放大图；为了便于观察其内部构造，还将其绘制成剖面图的形式。图8是图6的D-D剖面图，以便看清图6在D-D剖面处的空间结构。

图9是用于说明实施例3的。

图10～图12是用于说明实施例4的。其中：图10是实施例4主视图的示意图；图11是图10的M-M的剖视图的示意图；图12是图10的N-N的剖视图的示意图。

图13～图17是用于说明实施例5的。其中：图13是实施例5主视图的示意图；图14是图13的P向视图的示意图，请注意的是，在图14中，略去了图13中的垂直中心线左侧的轴、套组合件21和图13中的垂直中心线右侧的弹簧20的投影；图15是图13的Q向视图的示意图。图16则表示一个4脚钉的4只脚的空间结构状态，用以帮助理解本实施例中轴、套组合件(或弹簧)的空间分布状态。图17则表示一个倒置的4脚钉的4只脚的空间结构状态，用以帮助理解本实施例中弹簧(或轴、套组合件)的空间分布状态。

具体实施方式

本发明的具体实施方式将结合实施例及附图进行说明。

由于本发明所述的方法及装置联系紧密，我们将对该方法及其装置进行合并说明。

实施例1，如图1～图5所示。

在图1中，1表示承载容器；具体来说，它被制成密封容器。2表示惯性体；具体来说，它被制成一种球形的重锤。惯性体2通过弹簧3被悬挂在轴、套组合件4的套筒4-1上；同时，轴、套组合件4的轴4-2也与惯性体2相连接。当承载容器1在海浪的作用下作上、下颠簸时，套筒4-1与轴4-2之间就存在相对位移(此时的弹簧3也被拉伸或压缩)。为了便于看清其结构，特将图1中的C部的放大图绘制在图4中。在本实施例中，还使用了4只弹簧19来对重锤2进行辅助定位(注：由于遮挡关系，图中只画出了两只)。

轴、套组合件4的套筒4-1又通过与球铰的功能相似的万向铰接机构悬挂在轮盘5上。轮盘5又通过过渡件6安装在承载容器1上。轮盘5和轴、套组合件4的套筒4-1的上部分别设置着球铰7和8；在球铰7和8之间安装着轴、套组合件9。球铰7和8以及轴、套组合件9在互相垂直的方向上各安装着两组，共4组，如图2所示。

为了看清与球铰的功能相似的万向铰接机构的具体结构，特将图1的B-B处的局部剖视图的放大示意图绘制在图3中。在图3中，10是设置在套筒4-1上的耳轴，它装配在过渡环11上的孔内。12是设置在过渡环11上的耳轴，它装配在轮盘5上的孔内。这样，就允许缸筒4-1进行除去自转之外的其余二维的转动，并引起轴、套组合件9的套筒9-1和轴9-2之间的相对运动(参见图1、图2和图5)，从而实现惯性体2的无序运动的规则化，为进一步利用提供了条件。

在本实施例中，在承载容器1的下部还设有配重室13，设置配重室13的目的之一是自动保持承载容器1的立式姿态；它可以独立设置重物以实现所述的目的。在本实施例中，在配重室13内设置了液压马达14、发电机15、液压马达14和发电机15的联轴器16和悬挂式油箱17等。悬挂式油箱17的上部采用球铰式悬挂机构，例如球铰、柔索、双链环等机构，以使得油箱能够保持正确的工作姿态。在本实施例中，在配重室13的下部还设有用于系缆绳的挂架18以及缆绳(图中未示出)，以防止所述的承载容器1或者说密封容器漂离指定的区域。

在本实施例中，惯性体或者说重锤2在承载容器1内是采用了悬挂的方法或装置，具体的悬挂机构是弹簧3和弹簧19以及与球铰的功能相似的万向铰接机构；本实施例中的“力和位移的转化机构”包括轴、套组合件4、轴、套组合件9和与球铰的功能相似的万向铰接机构；本实施例中的“能量转化装置”是由轴、套组合件4、轴、套组合件9所形成的柱塞缸来实现将海浪的能量转化成液压能。需要进一步明确的是，本实施例还体现了所述的“力和位移的转化机构”和所述的“能量转化装置”可以采取一体化的结构的形式的特点。

本实施例的大致工作过程是：在海浪的作用(包括颠簸、横移、翻滚和与岩壁的碰撞等等)下，当惯性体或者说重锤2在承载容器1内作上、下运动时，轴、套组合件4上部的容积就发生了变化，足以获得柱塞泵的效果，就能够将源于海浪的能量转化成液压能。当然，如果在轴、套组合件4的上部嵌入一个活塞缸，当惯性体或者说重锤2在承载容器1内作上、下运动时，则可以实现其双向做功。在海浪的作用(包括颠簸、横移、翻滚和与岩壁的碰撞等等)下，当惯性体或者说重锤2在承载容器1内作前、后、左、右摆动时，轴、套组合件9的套筒9-1和轴9-2之间也必然会产生相对运动，与轴、套组合件4同理，也能够将源于海浪的能量转化成液压能。

然后通过液压系统，包括蓄能器、控制系统以及其它压附件的设置，使压力油驱动液压马达14并带动发电机15发电，把转化得来的液压能转化成电能并输出。

当然，在本实施例中，只设置了一个惯性体2，当然，在承载容器或者说密封容器1上，也可以设置多个惯性体或惯性体的阵列等。由于在本实施例以及下述实施例的启示下，做到多个惯性体的设置已经可以由普通技术人员来完成，就不作赘述了。

实施例2，如图6～图8所示。

本实施例是在实施例1的基础上进行了部分的变化：

1.惯性体2采用弹簧20进行全悬挂；惯性体2除了采用图6、图8所示的球体之外，也可以采用正方体或其它形状。

2.轴、套组合件21上附加了将相对移动转化成相对转动的转化机构。具体说来就是：在轴、套组合件21的轴21-2上制有环形的齿条段21-2-1；在轴、套组合件21的套筒21-1上安装了与环形的齿条段21-2-1相啮合的齿轮22；然后通过增速器23放大齿轮22的转动量，再通过发电机24发电，以完成将源于海浪的能量转化成电能。最后，将各个发电点发出的电汇集，便可以通过电缆输出了。有必要指出的是，包括发电机24在内的轴、套组合件21的数量不一定采用图示的6组，理论上采用互相垂直的3组便可以全方位吸收惯性体2与承载容器1之间的力和位移；如果在特定方向上惯性体2与承载容器1之间的力和位移的量较小时，则包括发电机24在内的轴、套组合件21的数量还可以减少；当然，至少应保留1组，否则，本发明或本实施例便失去了存在的价值。

另外，如果将发电机24置换成油泵，例如齿轮泵、柱塞泵或叶片泵等，便可以将源于海浪的能量转化成液压能了；因此，所述的“能量转化装置”可以具有多变的不同形式。

3.在本实施例中，还采用了独立的平衡重物25，以保持承载容器1的姿态。

其余，可参见实施例1以及本说明书的其它有关说明。

实施例3，如图9所示。

本实施例最显著的特点在于，它具有发电船的形态。图9中的船壳26便相当于上述实施例中的承载容器1。船上，或者说船壳26上，安装着多个惯性体2(注：图中仅画出了一个)。利用发电船的自配的驱动系统或配用拖船，将发电船送至指定的海域并抛锚固定，便可以进行发电作业了。

惯性体2在发电船上的设置方法和装置、力和位移的转化方法和装置以及能量转化方法和装置的选用，除了可以采用实施例1和实施例2所述的方法和装置外，也可以采用其它的形式，就不在此赘述了。

当所述的发电船进行远洋作业时，由于能量传输比较困难，建议在该船上就地消化转化所得的能量。例如，可以用于淡水的生产、制碱、制氢、制氧、制氯等。

其余，可参见实施例1、实施例2以及本说明书的其它有关说明。

实施例4，如图10～图12所示。

本实施例是在实施例2的基础上进行了部分的变化，列举本实施例的主要目的在于展现另一种轴、套组合件21和弹簧20的空间布置方式。本实施例的主要特点在于：

1.惯性体2采用了3个中心线不共面的弹簧20进行悬挂；同时，在本实施例中，这3个弹簧20还具有中心线互相垂直的附加特征。

2.所述的轴、套组合件是采用了3个中心线不共面的轴、套组合件21；同时，在本实施例中，这3个轴、套组合件21还具有中心线互相垂直的附加特征。

3.所述的轴、套组合件21和弹簧20各1件为一组，同轴安装在惯性体2的两侧。

通过图10～图12不难看出，如果以惯性体2中心点为原点建立3维的笛卡尔坐标系，若3个弹簧20的中心线分别与X轴、Y轴和Z轴的正值段相重合，则3个轴、套组合件21的中心线分别与X轴、Y轴和Z轴的负值段相重合。通过上述说明，可以便于对图10～图12的解读。

另外，在图10～图12中，箭头27所示的方向，表示本实施例所述的装置在使用中最好保持的铅垂向下的方向，以保证惯性体2处于稳定悬挂的状态；箭头的箭杆(或箭身)部分，是由3个轴、套组合件21的中心线(或3个弹簧20的中心线)两两构成的平面的平分面的交线所构成；换句话说，就是X0Y平面与X0Z平面的平分面与X0Y平面与Y0Z平面的平分面的交线。当然，也可以是X0Y平面与X0Z平面的平分面与X0Z平面与Y0Z平面的平分面的交线等。至于配重室的设置等，就不加赘述了。

本实施例可以体现出：在能够满足实用性的条件下，实现结构的最简化。

其余，可参见实施例2以及本说明书的其它有关说明。

实施例5，如图13～图17所示。

本实施例是在实施例2和实施例4的基础上进行了部分的变化，列举本实施例的主要目的也在于展现另一种轴、套组合件21和弹簧20的空间布置方式。本实施例的主要特点在于：

1.惯性体2采用了4个不共面的弹簧20进行全方位悬挂，且其中的任意3个弹簧20的中心线具有不共面的特征；同时，在本实施例中，这4个弹簧20的中心线还具有布置在如图17所示的、如同倒置的4脚钉的4只脚的位置上的附加特征。(注：在图17中，28表示虚拟的惯性体2)

2.所述的轴、套组合件是采用了4个不共面的轴、套组合件21，且其中的任意3个轴、套组合件的中心线具有不共面的特征；同时，在本实施例中，这4个轴、套组合件21的中心线还具有布置在如图16所示的、如同正置的4脚钉的4只脚的位置上的附加特征。(注：在图16中，28表示虚拟的惯性体2)

3.所述的轴、套组合件21和弹簧20在空间上是交叉(和/或空间对称)安装的。

本实施例可以体现出：在保证对惯性体2进行全方位稳定悬挂的前提下，实现结构的最简化。

其余，可参见实施例2、实施例4以及本说明书的其它有关说明。

综上所述不难看出，本发明的技术方案、特别是本发明的具体实施方式是难以穷尽的：

例如，承载容器1的形状除了可以采用球形以外，还可以采用近似的球形、圆柱形、梭形、多面体形等等。

又例如，即使是在实施例2、4、5的方案背景下，还可以采用单弹簧悬挂与单轴、套组合件的组合、多弹簧(例如3～7个弹簧、特别是如实施例4所述的4个弹簧)悬挂与单轴、套组合件的组合、其它形式的多弹簧悬挂与其它形式的多轴、套组合件的组合等等；特别是采用如实施例4所述的4弹簧悬挂，再辅之以与单轴、套组合件的组合，将更具有良好的使用效果，特别是在经济性方面。如果前提条件不是在实施例2、4、5的方案背景下，其可能的变化就更加丰富了；因此，在本具体实施方式中，既不可能、也没有必要加以一一赘述。

Claims (10)

1.一种利用惯性实现海浪能量转化的方法，其特征在于：

(1)在海上设置漂浮的承载容器，且在该承载容器中设置惯性体；

(2)利用力和位移的转化机构将海浪的推动作用产生的所述的惯性体与所述的承载容器之间的、随机的、难以直接利用的力和位移转化成能够被直接利用的力和位移；

(3)利用转化得来的所述的能够被直接利用的力和位移，再利用能量转化装置将海浪的能量转化成液压能或电能。

2.如权利要求1所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法，其特征在于：所述的设置惯性体采用的是悬挂的方法。

3.如权利要求2所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法，其特征在于：所述的悬挂的方法至少使用一个弹簧。

4.如权利要求1所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法，其特征在于：所述的力和位移的转化机构中至少包括一个轴、套组合件。

5.如权利要求1、2、3或4所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法，其特征在于：所述的方法包括3个中心线不共面的弹簧和3个中心线不共面的轴、套组合件的使用。

6.一种实现如权利要求1、2、3、4或5所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法的装置，其特征在于：

(1)在海上设置着漂浮的承载容器，且在该承载容器中设置着惯性体；

(2)设置将海浪的推动作用产生的所述的惯性体与所述的承载容器之间的、随机的、难以直接利用的力和位移转化成能够被直接利用的力和位移的转化机构；

(3)设置着将转化得来的所述的能够被直接利用的力和位移转化成液压能或电能的装置。

7.如权利要求6所述的实现如权利要求1、2、3、4或5所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法的装置，其特征在于：所述的设置惯性体采用的是悬挂装置。

8.如权利要求7所述的实现如权利要求1、2、3、4或5所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法的装置，其特征在于：所述的悬挂装置中至少包括一个弹簧。

9.如权利要求6所述的实现如权利要求1、2、3、4或5所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法的装置，其特征在于：所述的力和位移的转化机构中至少包括一个轴、套组合件。

10.如权利要求6、7、8或9所述的实现如权利要求1、2、3、4或5所述的利用惯性实现海浪能量转化的方法的装置，其特征在于：所述的装置包括3个中心线不共面的弹簧和3个中心线不共面的轴、套组合件。

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