CN102918261A - 用于水下使用的线性发电机及产生电能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种供水下使用的线性发电机。其具有附接至连接装置（3，7）的线性往复式转换器（6），该连接装置布置为将转换器（6）连接至海面上的浮体（1）。发电机具有形成防水室的密封壳体（4），转换器（6）位于该壳体中。连接装置布置为穿过壳体（4）的壁部（18）中的带有密封件（12）的开口。根据本发明，在工作时，至少在转换器（6）的部分移动期间，具有带有密封件（12）的开口的壁部（18）位于转换器（6）的上端的高度下方的高度处。本发明还涉及发电机的使用，并且涉及一种产生电能的方法。

Description

用于水下使用的线性发电机及产生电能的方法
技术领域
本发明在第一方面中涉及一种用于海中水下使用的线性发电机（lineargenerator），并且该线性发电机具有定子和线性往复式转换器（translator），转换器附接至连接装置，该连接装置布置为将转换器连接至海面上的浮体（floating body），发电机具有形成防水室的密封壳体，转换器位于该密封壳体中，该连接装置布置为穿过壳体的壁部中的带有密封件的开口。
在第二方面中本发明涉及设置有这种线性发电机的波浪发电单元（wave power unit）的使用。
在第三方面中本发明涉及一种通过以下步骤产生电能的方法：提供具有往复式转换器的水下线性发电机，将发电机封装在防水壳体中，将线性发电机锚定于海底，提供漂浮在海面上的至少一个浮体，通过连接装置将至少一个浮体连接至转换器，在壳体的壁部中布置带有密封件的开口，并且将连接装置布置为穿过开口。
在本申请中术语“径向的”、“轴向的”、“横向的”等指代通过转换器的中心的往复移动（即，除非另有明确说明，否则就是中心轴线）限定的轴线的方向。术语“上部的”和“下部的”指代竖直方向并涉及所讨论的部件在波浪发电单元工作时的位置。
背景技术
海中和大的内陆湖中的波浪运动构成了迄今为止几乎没有被利用的潜在能量源。然而，已提出多种建议，以使用海浪的竖直运动在发电机中产生电能。由于海面上的点进行往复竖直运动，因此使用线性发电机产生电能是适当的。
WO 03/058055公开了这样一种波浪发电单元：其中，发电机的移动部件（即，与旋转发电机中的转子相对应的且在本申请中被称作转换器的部件）相对于发电机的定子往复运动。在该公开中，定子锚定在海床中。转换器通过柔性连接装置（诸如缆线、缆绳或链条）连接至漂浮在海上的本体。
在这种已知的波浪发电单元中，线性发电机封装在形成水下站的一部分的防水壳体中。缆线在其上端处经由穿过壳体中的带有密封件的开口的杆连接至转换器。将缆线经由杆连接至转换器对于获得良好的密封来说是重要的，并且为了提供与转换器移动的最大对准。通过作用在浮体上的波浪运动，由于通过缆线和杆传送的运动使转换器上下往复。杆因此对应地往复。这意味着该站需要具有高于发电机的防水壳体的足够高度，以允许杆的往复。在上端处，需要某种装置，以调节通常倾斜的缆线适应杆的线性往复运动。这意味着该站需要高于发电机的相当高的建造高度。这导致整个水下站的很大高度，使得其将是塔状的。
由于浮体通过缆线等连接至发电机，因此浮体具有一定自由度，以相对于水下站横向地漂移。来自缆线的横向力将由此作用在水下站的上端上。这导致塔状构造上的弯曲力促使塔倾斜。水下站的位于发电机上方的部分由此有助于增加倾斜力的动量。高的倾斜力可能干扰发电机的性能。因此需要应对倾斜动量的措施。水下站的位于发电机上方的部分还增加了所需要的总构造材料。
发明内容
本发明的目的是减少与波浪发电单元的水下站的大构造高度相关的缺点。
根据本发明的第一方面，该目的通过介绍性地说明的这种类型的线性发电机来实现，该线性发电机包括以下特定特征：在工作时，至少在转换器的部分移动期间，具有所述带有密封件的开口的壁部位于转换器的上端的高度下方的高度处。
发电机的移动被限定为允许转换器在上端与下端位置之间进行的最大移动。应该理解的是，在工作时，线性发电机关于转换器竖直地往复运动所沿的中心轴线而定位。
传统地，带有密封件的开口已位于防水壳体的顶壁处，即，位于整个发电机上方。因此，在转换器的任何轴向位置中，带有密封件的开口位于转换器的上端上方。通过将带有密封件的开口布置得较低，使得至少在转换器的部分移动期间，带有密封件的开口位于转换器的上端下方，连接装置的必须线性地引导的部分将位于较低的高度处并在轴向方向上至少部分地与发电机重叠。
将所发明的线性发电机利用于波浪发电单元因此使得其可以具有发电机上方的减小的或甚至消除的建造构造高度，从而消除或减小了如上所述的缺点。就此而论，使用根据本发明的线性发电机从而将导致较低的建造成本和更好的性能。
根据本发明的一个优选实施方式，在转换器的大部分移动期间，具有带有密封件的开口的壁部位于转换器的上端下方。
这代表连接装置的导向部分的线性地移动在较大程度上与发电机的轴向延伸重叠的实施方式。从而上述优点变得更突出，因为这意味着发电机上方的构造的高度的极大减小。
根据另一个优选实施方式，在转换器的整个移动期间，具有带有密封件的开口的壁部位于转换器的上端下方。
通过此实施方式，在它们的最大程度上获得了优点。该实施方式完全消除了对发电机上方的导向构造的需要。
根据另一个优选实施方式，连接装置包括布置为穿过所述带有密封件的开口的刚性杆。
在大部分情形中，方便的是，连接装置的主要部分是柔性连接装置，诸如缆线。原则上可能的是，连接装置的穿过带有密封件的开口的部分也是缆线。然而，通过将这部分制造成杆，更容易获得开口处的有效密封。杆还提供了更好地适应转换器的线性移动。
根据另一个优选实施方式，转换器在转换器的下半部处附接至连接装置。
这是一种根据本发明提供该附接使得带有密封件的开口可以位于低位置处的有利且简单的方式。
根据另一个优选实施方式，转换器在转换器的下端处附接至连接装置。
这便于将带有密封件的开口布置得尽可能低，如上所述的，这使减小或消除水下站的位于发电机上方的结构的可能性最优化。
根据另一个优选实施方式，连接装置通过附接装置附接至转换器，该附接装置包括附接至转换器的底端表面的板状件。
该附接从而将是可靠且简单的。在向上移动中，板状件将向上推动转换器，即，这些单元被压在一起，实际上没有损坏的风险。在向下移动期间，当转换器通过其重量向下推动板状件时，发生类似的可靠力传递。因此，原则上，转换器可以简单地搁置在板状件上。这允许对由此将板状件紧固至转换器的端表面的装置的较少要求，并且这可以因此以简单的方式完成。
根据另一个优选实施方式，转换器具有中心轴向孔，并且至少在转换器的部分移动期间，具有带有密封件的开口的壁部位于该孔内。
这是一种对带有密封件的开口的低位置的想法的实际且有利的实现。居中的布置导致动态力的对称分布，并且仅必须将一个连接装置附接至转换器。
根据另一个优选实施方式，壳体具有外周向壁、底端壁、顶端壁、内周向壁以及所述壁部，内周向壁从所述顶端壁中的孔向下延伸，并具有通过所述壁部形成的底部。当转换器位于定子的内侧上（这在大多数应用中是优选的）时，该实施方式也是特别适合的。
壳体的此形状有利地适于提供带有密封件的开口的低定位。
根据另一个优选实施方式，外周向壁和内周向壁都是圆柱形的，并与转换器的移动的中心轴线共轴。
这进一步有助于获得具有力的最佳平衡的对称布置。
根据另一个优选实施方式，转换器的轴向延伸大于定子的轴向延伸。
由于转换器相对于定子往复运动，因此转换器和定子的相等长度将导致，在转换器冲程的大部分期间，仅是定子的一部分轴向地位于转换器的区域中。从而仅是定子的该部分被致动。当转换器比定子长时，在每个冲程的更大部分期间，定子将被致动。带有密封件的开口的低定位的位置使得可以具有相对较长的转换器，并且没有增大发电机上方的构建构造的高度的缺点。当增加整个定子被致动的时间时，在定子绕组中感生的电能的量增加，使得来自发电机的输出提高。
根据另一个优选实施方式，转换器的轴向延伸至少与定子的轴向延伸和转换器的最大冲程长度的总和一样大。
通过这样的长度的转换器，定子将始终轴向地完全位于转换器周围，只要定子轴向地位于中间，即，转换器的轴向中间位置。来自发电机的输出因此将处于最大。当波浪运动处于与发电机设计为允许的相对应的高度处时，通过最大冲程长度来表示转换器从一端位置到另一端位置的移动的长度。这通过壳体中的限定用于转换器的端部止动件的装置来确定。
本发明还涉及一种波浪发电单元，该波浪发电单元包括至少一个浮体以及具有定子和转换器的水下线性发电机，并且该波浪发电单元还包括将至少一个浮体连接至转换器的连接装置，该连接装置包括柔性连接装置，从而线性发电机是根据本发明的且特别是根据本发明的优选实施方式中的任一个的线性发电机。通过柔性来表示连接装置是线性发电机是可弯曲的，诸如链条、缆线、绳索等。并非一定意味着连接装置在纵向方向上是柔性的。
本发明还涉及一种波浪发电设备，该波浪发电设备包括多个根据本发明的波浪发电单元。此外，本发明还涉及一种电网络，该电网络包括与至少一个根据本发明的波浪发电单元的连接件（connection）。
在本发明的第二方面中，所发明的波浪发电单元用于产生电力并将电力提供至电网络。
在本发明的第三方面中，该目的通过介绍性地说明的这种类型的方法来实现，该方法包括以下特定措施：至少在转换器的部分移动期间，将带有密封件的开口布置在转换器的上端的高度下方的高度处。
根据所发明的方法的优选实施方式，提供了根据本发明的且特别是本发明的优选实施方式中的任一个的线性发电机。
所发明的波浪发电单元、所发明的波浪发电设备、所发明的电网络、所发明的使用以及所发明的方法全都具有与所发明的定子框架及其优选实施方式的那些优点相对应的优点，并且上面已描述了这些优点。
本发明的上述优选实施方式在从属权利要求中说明。应该理解的是，其它优选实施方式当然可以通过上述优选实施方式的任何可能组合以及通过这些和在下面对实例的描述中提到的特征的任何可能组合构成。
将通过以下参照附图对本发明的实例的详细描述来进一步说明本发明。
附图说明
图1是根据现有技术的波浪发电单元的侧视图。
图2是穿过图1的细节的剖面。
图3和图4是与图2的剖面相似的剖面，但示出了根据本发明的实例。
图5-图7是图4中的实例的更详细剖面，并示出了转换器的三个不同位置。
图8是穿过图4-图8的细节的剖面。
图9是图8中示出的细节的可替代实例。
图10是可替代实例的细节的示意图。
图11是根据本发明的设备的示意图。
具体实施方式
图1是在海中工作的根据现有技术的波浪发电单元的侧视图。浮体101漂浮在海面上，并通过连接装置103（诸如缆绳、缆线、绳索、链条等）连接至锚定于海床的线性发电机102。在该图中发电机附接至海床。然而，应该理解的是，发电机可以位于海床上方，并以一些其它方式锚定。
线性发电机102具有带有绕组的定子105以及带有磁体的转换器106。转换器106能够在定子105内上下往复，从而在定子绕组中产生电流，该电流通过电缆111传送至电网络。
转换器106经由杆107通过接头114附接至缆线103。当浮体101由于海面的波浪运动而被迫向上移动时，浮体将向上拉动转换器106。当浮体此后向下移动时，转换器106将由于重力向下移动。可选地但是优选地，作用在转换器106上的弹簧（未示出）等提供了向下的额外力。
定子105和转换器106封装在防水壳体104中，该壳体具有周向圆柱形壁115、上端壁113和下端壁116。具有密封件112的开口设置在上端壁113中，以允许杆107到达壳体的内部中，并穿过带有密封件的开口往复运动。
由于发电机102锚定在海床中并且浮体101自由地漂浮在水面上，因此浮体相对于发电机102自由地横向移动。从而连接装置103将变得倾斜。
在防水壳体104的上方提供有导向装置109，该导向装置引导缆线103在导向装置109下方竖直地移动，同时允许导向装置109上方的缆线3在倾斜的位置中移动。导向装置109附接至防水壳体104的顶部上的圆锥形构造108。
导向装置109允许缆线在穿过导向装置109时逐渐地改变其方向，使得连接装置的磨损变得有限。
上述现有技术的实例在其原理上与本发明的大致相似。如将关于图2-图3进一步说明的区别主要在于，密封件112的位置以及高度或者甚至是防水壳体104上方的圆锥形构造的存在。
图2也描绘了结合图1描述的这种类型的根据现有技术的线性发电机，并用于与图3和图4中示出的根据本发明的线性发电机的两个实例进行例证性比较。在全部三幅图中，转换器处于其中间位置中。
在图3的实例中，上端壁13不具有如同图2的现有技术实例那样的带有密封件的开口。可替代地，居中布置的管道从上端壁13向下延伸。管道通过内周向壁17形成，该内周向壁与外周向壁15共轴，并在管道的底部处终止在壁部18中。在壁部18中，在管道的底部处具有带有密封件12的开口，将转换器6连接至缆线3的杆7穿过该开口延伸。杆7通过接头14连接至缆线3。
杆7的下端在其中心腔19的底部处连接至转换器。腔19具有比周向壁17的直径大的直径。并且腔19的长度至少与管道的长度一样大。从图中示出的中间位置，转换器上下往复运动，并且在最上端位置中，管道将几乎完全地延伸到腔中。
由于与图2中的带有密封件的开口112相比，带有密封件的开口12处于较低的相对位置中，因此杆7在其最高位置中没有达到与图2中的杆107在相应位置中一样高。导向装置9因此相应地位于低于图2中的导向装置。防水壳体4上方的结构8因此短于图2中的相应结构108，这导致单元的总高度减小。
图4示出了根据本发明的另一个实例。图4的装置4与图3的装置在大多数方面相似，但是具有带有密封件12的底壁18的管道较长，并具有与转换器6的长度相等的长度。此外，杆7附接至转换器6的下端。在上端位置处，转换器6从而完全地重叠在管道的壁17周围。并且在该位置中，缆线3与杆7之间的接头14处于与防水壳体4的上端大约相同的高度处。这使得导向装置9位于更进一步较低的相对位置处。在该实例中，用于安装导向装置的防水壳体4上方的构造是多余的。导向装置可以直接安装在防水壳体4的上端壁13处。因此，单元的总高度更进一步减小，并仅与防水壳体4的高度相对应。
图4的实例由此将本发明的原理应用于其整个范围，然而图3的实例代表可以用在出于其它考虑而包含的情形中的折衷。应该理解的是，壁18的相对位置可以是示出的位置之间的任何地方。
图5、图6和图7是图4中示出的装置的略微更详细的图示，并示出了转换器6的三个不同位置（下端位置（图5）、中间位置（图6）和上端位置（图7））中的装置。在这些纵向剖面中，定子5在转换器6的侧面时是不可见的，但是在图5和图7中，定子在转换器后面。转换器6的运动通过以两个竖直列布置的轮子19的系统引导，每列轮子19安装在框架20中。框架20附接至壳体的壁15，并且转换器6在轮子19上滚动。在转换器6的上端处安装有阻尼弹簧21，并且在转换器6的下端处还设置有阻尼件23。
杆7通过板22附接至转换器22的下端。在图5-图7中，省去在接头14处连接至杆7的缆线。
如在图中可以看到的，当转换器处于其上端位置中时，带有密封件12的底壁18位于转换器6的上端下方的一小距离处，当转换器处于其中间位置中时，该底壁位于转换器6的中间，并且当转换器处于其下端位置中时，该底壁位于转换器6的下端上方的一短距离处。在全部三个位置中，接头14位于防水壳体的上端壁13下方。
图8以放大的剖面示出了带有密封件的开口。密封件12具有与壁17的直径相对应的外径并且因此直接安装在该壁中。密封件的底端表面18由此在管道的底部处构成壁部18。在图9的实例中，密封件具有较小的直径并在管道的底部处安装在壁部18中。
在图10中示出了转换器6比定子长的实例。示出了转换器处于上端位置（实线）中以及处于下端位置（虚线）中。如可以看到的，转换器的长度与定子长度与转换器的冲程长度的总和相对应。
图11是从上方示意性示出了具有带有上述类型的发电机的多个波浪发电单元的波浪发电设备的视图。这些单元的发电机2全部连接至与电网络40连接的水下开关装置30。

Claims (18)

1.一种用于海中水下使用的线性发电机，并且所述线性发电机具有定子（5）和线性往复式转换器（6），所述转换器附接至连接装置（3，7），所述连接装置布置为将所述转换器（6）连接至海面上的浮体（1），所述发电机具有形成防水室的密封壳体，所述转换器（6）位于所述壳体中，所述连接装置（3，7）布置为穿过所述壳体的壁部（18）中的带有密封件（12）的开口，其特征在于，在工作时，至少在所述转换器（6）的移动的一部分期间，具有所述带有密封件（12）的开口的所述壁部（18）位于所述转换器（6）的上端的高度下方的高度处。
2.根据权利要求1所述的线性发电机，其特征在于，在所述转换器（6）的移动的大部分期间，具有所述带有密封件（12）的开口的所述壁部（18）位于所述转换器（6）的上端下方。
3.根据权利要求2所述的线性发电机，其特征在于，在所述转换器（6）的整个移动期间，具有所述带有密封件（12）的开口的所述壁部（18）位于所述转换器（6）的上端下方。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述连接装置（3，7）包括布置为穿过所述带有密封件（12）的开口的刚性杆（7）。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述转换器（6）在所述转换器（6）的下半部处附接至所述连接装置（3，7）。
6.根据权利要求5所述的线性发电机，其特征在于，所述转换器（6）在所述转换器（6）的下端处附接至所述连接装置（3，7）。
7.根据权利要求6所述的线性发电机，其特征在于，所述连接装置（3，7）通过附接装置附接至所述转换器（6），所述附接装置包括附接至所述转换器（6）的底端表面的板状件（23）。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述转换器（6）具有中心轴向通孔，并且至少在所述转换器的移动的一部分期间，具有所述带有密封件（12）的开口的所述壁部（18）位于所述通孔内。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述壳体具有外周向壁（15）、底端壁（16）、顶端壁（13）、内周向壁（17）以及所述壁部（18），所述内周向壁（17）从所述顶端壁（13）中的孔向下延伸，并具有通过所述壁部（18）形成的底部。
10.根据权利要求9所述的线性发电机，其特征在于，所述外周向壁（15）和所述内周向壁（17）都是圆柱形的，并与所述转换器（6）的移动的中心轴线共轴。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的线性发电机，其特征在于，所述转换器（6）的轴向延伸大于所述定子（5）的轴向延伸。
12.根据权利要求11所述的线性发电机，其特征在于，所述转换器（6）的轴向延伸大于所述定子（5）的轴向延伸与所述转换器（6）的最大冲程长度的一半的总和。
13.一种波浪发电单元，所述波浪发电单元包括至少一个浮体（1）以及具有定子（5）和转换器（6）的水下线性发电机，并且所述波浪发电单元还包括将所述至少一个浮体（1）连接至所述转换器（6）的连接装置（3，7），所述连接装置（3，7）包括柔性连接装置（3），其特征在于，所述线性发电机是根据权利要求1-12中任一项所述的线性发电机。
14.一种波浪发电设备，其特征在于，所述波浪发电设备包括多个根据权利要求13所述的波浪发电单元（2）。
15.一种电网络，其特征在于，所述网络（40）包括与至少一个根据权利要求13所述的波浪发电单元（2）的连接件。
16.根据权利要求13所述的波浪发电单元（2）的使用，用于产生电力并将所述电力供应至电网络（40）。
17.一种通过以下步骤产生电能的方法：提供具有往复式转换器（6）的水下线性发电机，将所述发电机封装在防水壳体（4）中，将所述线性发电机锚定于海底，提供漂浮在海面上的至少一个浮体（1），通过连接装置（3，7）将所述至少一个浮体（1）连接至所述转换器（6），在所述壳体（4）的壁部（18）中布置带有密封件（12）的开口，并且将所述连接装置（3，7）布置为穿过所述开口，其特征在于，至少在所述转换器（6）的移动的一部分期间，将所述开口布置在所述转换器（6）的上端的高度下方的高度处。
18.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所提供的所述线性发电机是根据权利要求1-12中任一项所述的线性发电机。
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