CN104105871B - 能量站及能量站的部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用由于如波浪、潮汐或水流等引起的水运动的水下能量站。本发明还涉及到这种能量站的部件，即用于捕获波浪能量的水下翼(9、10、11)、用于将机械能转换为电能的设备(12)，以及用于传输电能的连接器(46)。在本发明的某些实施例中，由于水流导致翼(9、10、11)产生绕铰接轴线的力矩，并且具有独立的发电机或链接的铰链式发电机以及基于能量感应传输的能够水下附接的高功率电连接器(46)。

Description

能量站及能量站的部件
技术领域
本发明涉及利用如波浪、潮汐或水流的水运动的水下能量站(energy plant，能量站)。本发明还涉及这种能量站的部件，即用于捕获水运动能量的水下翼、用于将机械能转换为电能的设备，以及用于传输电能的连接器。
背景技术
在文献WO2004/097212中披露了用于提供波浪能量站的现有技术解决方案。所述波浪能量站具有两个或多个生产单元并且水域(water basin)的水体适于致动生产单元或致动淹没在水域底部的生产单元部件。生产单元用于将水体的动能转化成其它形式的能量，如电能、机械能或中间介质的压力。
某些问题涉及现有技术的波浪能量站。由于流面侧面上增大的压力以及在另一侧上减小的压力(抽吸)，流面的任何轮廓产生力。抽吸更为重要，通常引起高达压力的2/3。在WO2004/097212A1中的水下襟翼利用抵靠着板状体的停滞压力。它生成对板的前侧/流侧的过压，但因为没有沿相对的表面的增大的流速，在相对侧上更重要的抽吸不能有效地形成。此外，在侧边缘周围的流(参见附图2中的4)引起扰动，并且更进一步地降低了小的背面抽吸。当板从竖直位置向下转动时，流动方向远离表面的法线，从而更进一步地减少了压力差形成。同样当流的迎角在板的轴线上不直的情况下，前缘周围的流进一步降低了效率。
当水运动的能量被捕获到诸如平面或翼的移动表面，或像浮标的漂浮体积时，存在速度非常缓慢但力却很大的问题。因此由于需要磁饱和以及增加速度，直接驱动发电机将是极其大的机器。这通常设置有单独的液压传动装置。在水的底部或中间的当前液压传动系统具有带有柔性管和多个连接器及阀门的长管道线。这将引起以下的问题：
-流动阻力加热液压流体，该液压流体需要在单独的冷却器或冷却管线中冷却，所述冷却管线反过来又对系统添加更多的流动阻力。
-增加的流动阻力削减了系统反作用于瞬时能量峰值并捕获瞬时能量峰值的能力。根据这些峰值的测量将使系统对于平均使用来说尺寸太大并且其中平均工作测量压力需要用限压阀释放从而损失所提供的能量。
-所有部件和管线同样增加了空间需求和尺寸，从而增加了成本。
-长管线使得液压蓄能器的有效使用很困难。
-发电机系统随着波浪定期地停止和重新启动导致对主干网络的有害峰值，降低了整个能量站的可用性。
用来自干燥环境已知的技术进行水下电连接，因此这些电连接在水下环境中是不切实际的。这些电连接在发电机运行同时也无法连接/断开连接。在潮湿环境中由潜水员进行高功率的连接，远程操作的水下交通工具或其它远程设备也风险太大，因为可能漏电和短路。因此替代非功能性单元非常昂贵，并且需要关闭整个能量站。
因此，系统很难如优选的在现场维护。
发明内容
本发明的目的是为提供一种利用水运动的能量站和能量站的部件提供新的解决方案，使用该解决方案能够避免或减少现有技术能量站的问题。
根据本发明的一个方面，通过用来将来自水运动的能量捕获到水下翼的往复运动的能量站来实现本发明的目的，其中，所述翼具有非平面的轮廓。所述翼轮廓优选地具有这种形状，该形状实现了低摩擦的高提升。
根据本发明的另一方面，用一种利用水运动在能量站中用于将机械能转化为电能的转换器来实现本发明的目的，其中，所述转换器为包括盖部以及在所述盖部内的轴的铰链式转换器，所述轴和盖部可彼此相对旋转，所述转换器进一步包括：
-用于增加相对的旋转速度的机械传动器或液压传动器；以及
-由所述旋转驱动的发电机。
根据本发明的又一方面，用一种用于在水下环境中传输电能的连接器来实现本发明的目的，其中，所述连接器包括利用电磁感应在所述连接器的两个半部之间传输电能的设备，其中，所述连接器具有分为两部分的铁磁芯体，在每个连接器半部上有一个，所述两部分至少部分地封闭在水密封壳体中。
根据本发明的进一步方面，用一种利用由水波浪、潮汐或水流所引起的水运动以提供电能的能量站来实现所述目的，所述能量站包括至少一个能量生产单元，所述能量生产单元包括用于将来自水运动的机械能捕获到所述翼的往复运动的水下翼，以及当所述水下翼施加旋转力到转换器时用于将机械能转化成电能的能量转换器，其中，所述生产单元包括以下之中的至少一个：
-根据本发明的水下翼；
-根据本发明的铰链式能量转换器；以及
-根据本发明的感应连接器。
在从属权利要求中描述了本发明的一些优选实施例。
根据本发明的一个实施例，所述水下翼的轮廓形状是对称或不对称的。根据又一实施例，所述不对称翼轮廓具有两个镜像的前缘，由于所述结构优选地使用在流动具有往复方向的波浪能量站中。对称翼轮廓优选地用于潮汐或河流中，其中流动方向在很长时间内恒定并且通过调节翼的迎角，例如通过使所述翼绕其支撑轴线转动，实现所述翼的往复运动。
所述翼优选地具有根据反作用原理流动引起力的形状，如从反作用涡轮机，这是已知的。这种翼具有流水会引起比作用力更大的反作用力的轮廓，如已知的来自冲击式涡轮机的翼。更具体地，所述能量站的翼轮廓优选地具有这种形状并且处于以下的位置，在所述翼轮廓上由水流所引起的在水流的方向上的力分量小于在垂直于水流方向的方向上的力分量。换句话说，由水流所引起的升力高于由停滞压力所引起的力。优选地优化所述翼的形状和位置，使得升力提供了来自水流的带有最小阻力的最大能量。在本发明的另一实施例中，所述翼的表面迎角通过使翼绕支撑轴线旋转是能够调节的。
所述翼优选地被布置成用于在更接近垂直于水流的平面的方向上提供往复运动，而不是在水流方向上提供往复运动。因此，所述翼的旋转轴线具有更接近水流方向的方向，而不是垂直于水流的平面。最优选地，所述翼在垂直于水流方向的平面内移动并且旋转轴线具有水流的方向。
在本发明的一个实施例中，所述转换器具有旋转地固定的盖部或轴，以及旋转的其他部件。在另一实施例中，所述转换器具有用于水下翼的连接，所述水下翼使用水运动引起对铰链式转换器的旋转力。在又一实施例中，转换器具有用于将翼旋转到优选位置的设备。
根据一个实施例，所述转换器具有液压传动器，所述液压传动器包括高压蓄能器而没有建造到轴内的管路以能够接收高能峰值并调节电力生产。根据另一个实施例，瞬时转换器具有液压传动器，所述液压传动器包括保持系统中的正压的低压蓄能器。
在一个实施例中，所述转换器具有机械传动器，所述机械传动器包括一个或多个行星齿轮级。在又一实施例中，所述转换器是独立的并具有舱底泵、密封冲洗泵和/或液压流体返回泵。在另一个实施例中，所述转换器被链接(tethered，系链)并具有带有过滤和泄漏移除的外液压流循环。
在本发明的一个实施例中，所述转换器为远程控制的。
根据一个实施例，所述感应连接器半部的外壳在耦接的连接器中被固定在一起。在又一实施例中，所述连接器被额定为比电源频率(mains frequency，干线频率)更高的频率。
在本发明的一个实施例中，所述能量站包括几个相邻的生产单元，所述生产单元具有不对称轮廓的水下翼，其中所述轮廓相对于水流方向安装于右手边或左手边，并且两个连续的生产单元的水下翼是位于相反手边的。
在又一实施例中，所述生产单元的转换器在底部、水面以下或以上被连接到支撑转换器的静态部分的非旋转的基础部。
在本发明的一个实施例中，通过使致动器表面绕支撑轴线旋转，致动器表面迎角是能够调节的。在又一实施例中，所述翼轮廓处于这样的位置中，在该位置中翼轮廓力由在轮廓的不同侧上的流速差所导致的压力差引起。从过来的水流方向来观察，流速在所述翼的背侧优选地高于翼的前侧。
在本发明的一个实施例中，所述致动器在两个位置之间绕其支撑轴线旋转，第一位置用于移动致动器到第一方向以及第二位置用于移动致动器到第二相对的方向，因此可以利用在恒定方向流动的水流的能量。这样，本发明的解决方案可用在例如潮汐和河流中。
附图清单
以下，借助于附图描述了本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的示例性能量站；
图2示出了现有技术的水下板，以及根据本发明的两个示例性水下翼；
图3示出了包括机械齿轮的根据本发明的示例性铰链式能量转换器的透视图；
图4示出了包括机械齿轮的根据本发明的示例性铰链式能量转换器的透视图；
图5示出了根据本发明的转换器的示例性发电机的端视图；
图6示出了根据本发明的示例性电连接器对的透视图。
图7示出了根据本发明的示例性电连接器对的剖视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的能量站的示例性实施例。所述能量站具有能量生产单元的矩阵，每个生产单元都包括水下翼9、10、11，铰链式能量转换器12以及用缆线连接到所述转换器的发电机的感应连接器46。使用远程控制，水下翼或板可转动到优选位置。水流的方向用箭头8标记。所述翼优选地移动，使得它们的位置在竖直位置的两侧交替。效率在所述翼的竖直位置处是最高的，并且当所述翼变得更加远离竖直位置时变得更低。这是例如因为水流在底部附近较小。
图2示出了现有技术的水下板3，以及根据本发明的水下翼5、7的两个示例性实施例。现有技术的板具有平面形状的表面，但根据本发明的翼具有非平面形状的表面。根据本发明的翼的形状可以是翼轮廓，例如在螺旋桨中使用的翼轮廓。流在吸力侧行进更长的距离，引起压力减少以及有效的抽吸，因此速度在前侧处减少，导致过压。所述翼因此具有水流主要导致根据反作用原理的力的形状，如已知的反作用涡轮机，而不是如来自已知的例如冲力式涡轮机的作用/停滞力。
根据本发明实施例的翼包括更有效的致动器表面。它是大约沿由如波浪2、潮汐或河流所引起的流1转动的轮廓，以在轮廓的不同侧上产生过压力和抽吸力。迎角优选地是能够调节的，参见图2中的6和图1中的11，以适于流体的不同方向而效率没有显著地下降。
众所周知，大部分压力感应力在任何轮廓的前半部形成。因此，根据本发明一个轮廓的实施例具有两个镜像的前缘。
所述翼轮廓可以是对称的，侧部彼此互为镜像，如在轮廓7中的一样。相对的端部根据在每个方向内的流动条件可具有不同的形状。当通过调节在两个位置之间的迎角来引起摆动时，所述解决方案优选的用于从相同方向的恒定或长期流动：第一位置用于提供所述翼在第一方向内的运动，并且第二位置用于提供所述翼在第二、相对的方向内的运动。这样可在例如潮汐和河流发电机中使用本发明的解决方案。
翼轮廓也可以是不对称的，在左侧和右侧上具有不同的形状，如在轮廓5中的一样。相对的端部根据在每个方向内的流动条件可具有不同的形状。所述解决方案优选地用于像波浪的自然脉动流(oscillating flow)。翼也可包含一组肋部而不是一个相同部件。
迎角也能够调节以使铰链上的旋转力矩最大化，优化在不同的流速度和不同的流动方向变化上的能量捕获。在使用非对称轮廓的情况下，在图1中流8的下游，交替地使用右手边轮廓9和左手边轮廓10以增加来自相邻翼行的输出功率是有利的。
在这两种轮廓上，需要指出的是，由于沿轮廓的流速差，迎角和轮廓可沿着所述翼改变。由于水流的较小速度，所述翼的迎角优选地靠近转换器比在转换器的远端更高。这可以布置在所述翼的永久形状中，或动态控制。迎角的动态调节因此可以通过旋转整个轮廓或轮廓的部分来完成。
在平均流(恒定的或往复的)具有接近恒定方向的区域上，单元可固定地安装。在流动方向可以像由于在春天和秋天暴风雨中的不同天气条件来临的海浪那样而显著地变化时，所述单元可安装在能够封闭的回转式基础部上。它们的定向是能够根据主预期的流动方向调节的。
如果平均流方向未知，它可用外部传感器和输入到所述单元中的方向数据测量或用在所述翼或铰链基础上的局部压力传感器或流量传感器测量。测量不是必须，所述单元可通过寻找导致所述翼保持在竖直位置的迎角来感测平均流。
在如波浪的往复流中，调节翼能够调节成恒定的迎角。但是有利于在旋转过程中对迎角做轻微的调节，以使铰链转矩最大化。这能够根据规定的角数据或通过搜索在迎角内具有小的临时变化的最大力矩来完成。用在铰链的固定部件上的应变仪和/或在液压流体上的压力传感器从剪切变形测量转矩。
在几乎静态的流体中，调节迎角至中性角的两侧，导致翼处在竖直位置。在这种情况下，迎角在每个运动末端必须改变以使旋转反向。在旋转过程中对迎角的小调节是有益的并能够如在往复情况中完成。
图3至5示出了根据本发明的铰链式能量转换器的示例性实施例。图3中的转换器具有机械齿轮，图4的转换器具有液压齿轮。所述铰链式转换器包括增加旋转速度的传动器以驱动发电机转子13。传动器可用单个齿轮级或多个齿轮级14来完成，或使用如图4所示的液压传动器来完成。行星级由于其长寿命和力平衡是优选的。转子附接到最快的旋转级，在示出的布置中是附接到第二级太阳齿轮15。定子16被连接到铰链的静态部分，在示出的布置中是盖部17。应该指出的是，轴或盖部可被布置成静态的，而另一个是旋转部件。电转换为直流电，然后用逆变器转化至正确电压和频率。图3的舱底泵19和图4的舱底泵43可机械地或电动地驱动。冲洗泵20吸收水通过过滤器21以形成到最外层密封的冲洗流。
在液压铰链式转换器中，图4的轴22包括带有形成液压蓄能器的气囊24的高压流体容积23，从而能使高压侧暂时地从腔室26通过进气阀25接收高流量峰值。不需要管路或软管，从而从根本上减少高压流体摩擦。
根据布置结构，低压容积可布置到轴27内或在其周围。在轴内，液压流直接地通过阀28进给到膨胀室34。低压容积还包括气囊29以补偿体积变化从而保持围绕水的正压力。应所述指出的是，轴或盖部可以是静态部件，并且另一个是旋转部件。
在旋转盖部的布置中，运行发电机转子31的液压马达或涡轮30可以或者在靠近高压容积的轴的内侧，或如图所示在轴和盖部之间。在静态盖部的布置中，发电机优选地位于轴和盖部之间，尽管其它位置，如在轴内侧也是可能的。发电机定子32附接到铰链的静态部分。
轴、盖部、传动器和发电机优选地同轴地布置在转换器中以便于组件的集成。
铰链的可能的额外用处是用在使用过滤功率峰值的本地蓄能器生产到外部产生单元的加压液压流中，从而调节流量。压力蓄能器用在功能压力和功能温度下煮沸的流体加压，因此保持蓄压器压力恒定。一种这样的流体是二氧化碳。
液压流体在图5的轴和盖部26之间的可变容积室内被加压。存在由叶片33分隔的1个或多个腔室对，每隔一个附接到所述轴并且其它腔室对附接到盖部。为寻求长期和可靠的功能，这种布置是对称的，具有两个或多个腔室对。液压流体通过盖部壁冷却。
舱底泵和密封冲洗装置布置有如图3的通道、泵和管道。液压流体泄漏用泵通过通道和管道35馈回到系统。
用发电机产生的电力转换为直流电，然后用逆变器转换成适合电压和频率以进一步传输。外部连接(电力线、遥感和控制)附接到铰链的静态部分。
图6和7示出了根据本发明的感应连接器的示例性实施例。使用感应连接器46，单元能够在运行时安全地连接到电站馈电网络以及与电站馈电网络分离。生产单元的电缆来到水密封渗透器44并且生产能量收集点的电缆从水密封渗透器45离开。连接器优选地配备有快速固定夹41。连接器包含两部分，每个部分都包括铁磁芯体36的一个半部，该铁磁芯体具有用于生产单元37和电站收集电缆38的绕组。芯体被封装在水密封壳体39和40内。有可能的是芯体或其涂层是由耐水材料制成的。在这种情况下，芯体的端表面可以在水密封壳体外侧，因此连接器的芯体表面可朝彼此放置并且芯体之间具有最小间隙。转移电能的这种方式是有效的。在固定快速固定夹后，连接器之间的气隙用在柔性套管41的内部吹的空气或其它气体干燥。
所述转换器的逆变器单元感测网络频率和相位，相应地同步输出。
所述设备也可反向，从而运行发电机作为产生液压动力的电机。使用该功能时，流捕获表面当需要时可远程地向下转动到底部，而不是让它们空转。
必须指出的是，以上已经描述了根据本发明的解决方案的仅一些实施例。本发明的原理可在由专利权利要求所确定的保护范围内自然地修改，比如实施细节和使用区域的修改。
也需要指出的是，水下翼、铰链式转换器设备和感应连接器可分别和独立地应用在不同类型的波浪发电站中。
进一步应指出的是，根据本发明的能量站优选地利用波浪引起的水运动，但它可能可选地或者另外利用由潮汐、河流等引起的水运动。

Claims (22)

1.一种能量站的水下翼，所述水下翼用于将水运动的能量捕获到所述水下翼的往复运动中，其特征在于，所述水下翼具有非平面轮廓，所述水下翼用于在更接近垂直于水流的平面的方向上提供往复运动，而不是在所述水流的方向上提供往复运动；
其中，所述水下翼的轮廓形状是不对称的，不对称的所述轮廓相对于水流方向安装于右手边或左手边，并且
其中，所述水下翼的轮廓具有镜像的两个前缘。
2.根据权利要求1所述的水下翼，其特征在于，所述水下翼具有附接装置，所述附接装置允许通过使所述水下翼绕支撑轴线转动而能够调节翼表面迎角。
3.根据权利要求1所述的水下翼，其特征在于，所述水下翼具有这样的轮廓，在所述轮廓中流水引起比作用力更大的反作用力。
4.一种利用由水波浪或水流所引起的水运动而提供电能的能量站，所述能量站包括至少一个能量生产单元，所述生产单元包括水下致动器以及能量转换器，所述致动器用于将来自所述水运动的机械能捕获到所述致动器的往复运动中，所述能量转换器当所述水下致动器施加旋转力到所述转换器时用于将所述机械能转化成电能，其特征在于，所述生产单元包括：
根据权利要求1至3中任一项所述的水下翼作为致动器。
5.根据权利要求4所述的能量站，其特征在于，所述能量站包括多个相邻的生产单元，所述生产单元具有不对称轮廓的水下翼，其中，
并且两个连续生产单元的所述水下翼是位于相反手边的。
6.根据权利要求4或5所述的能量站，其特征在于，所述生产单元的所述转换器在底部、水面以下或水面以上附接到支撑铰链单元的静态部分的非旋转基础部。
7.根据权利要求4或5所述的能量站，其特征在于，致动器表面迎角能够通过使所述致动器绕支撑轴线转动而调节。
8.根据权利要求4或5所述的能量站，其特征在于，所述能量站的翼轮廓处于这样的位置中，所述位置使得由在该翼轮廓的不同侧上的流速差所导致的压力差而引起翼轮廓力。
9.根据权利要求4或5所述的能量站，其特征在于，所述能量站的翼轮廓具有这种形状并且处于这种位置中，所述形状和所述位置使得由在所述翼轮廓上的水流所引起的在水流方向上的力分量小于在垂直于所述水流方向的方向上的力分量。
10.根据权利要求4所述的能量站，所述生产单元还包括用于将往复运动的机械能转化为电能的所述转换器，其特征在于，所述转换器为铰链式转换器，所述转换器包括盖部和位于所述盖部内的轴，其中所述轴和所述盖部能够相对彼此旋转，所述转换器进一步包括：
-用于增加相对的旋转速度的机械传动器或液压传动器；以及
-由所述旋转驱动的发电机。
11.根据权利要求10所述的能量站，其特征在于，所述转换器具有固定的盖部或轴，并且所述盖部和所述轴中的另一个旋转。
12.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器具有用于水下翼的连接，所述水下翼使用水运动引起对所述铰链式转换器的旋转力。
13.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器具有用于使水下翼转动到优选位置的装置。
14.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器具有包括高压蓄能器的液压传动器而没有建造到所述轴内的管路，以便能够接收高能峰值并且以便调节电力生产。
15.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器具有液压传动器，所述液压传动器包括保持系统中的正压的低压蓄能器。
16.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器具有包括一个或多个行星齿轮级的机械传动器。
17.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器是独立的并具有舱底泵、密封冲洗泵和/或液压流体返回泵。
18.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器被链接，并具有带有过滤和泄漏移除的外液压流体循环。
19.根据权利要求10或11所述的能量站，其特征在于，所述转换器被远程控制。
20.根据权利要求4或10所述的能量站，所述生产单元还包括用于在水下环境中传输电能的连接器，其特征在于，所述连接器包括用于使用电磁感应在所述连接器的两个半部之间传输电能的装置，其中，所述连接器具有铁磁芯体，所述铁磁芯体分为两个部分，所述两个部分在每个连接器的半部中有一个，所述两个部分至少部分地封闭在水密封壳体内。
21.根据权利要求20所述的能量站，其特征在于，所述壳体在耦接的所述连接器中固定在一起。
22.根据权利要求20所述的能量站，其特征在于，所述连接器被额定为比电源频率更高的频率。
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