CN108603482A - 用于将波动能转化成电能的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将波动能转化成电能的装置(10)包括滑动块(12)、用于所述滑动块的导轨(11)、设置有转子的发电机(16)、与所述转子一体的轴、第一机构和第二机构，所述第一机构用于将所述滑动块连接至转子轴并且可以将所述滑动块在所述导轨上的运动转化成所述转子轴的旋转运动，所述第二机构插设在所述第一机构与所述转子轴之间以向所述转子提供单向旋转运动，而不管所述滑动块的运动方向如何。一种浮动设备包括所述装置(10)。

Description

用于将波动能转化成电能的装置
本申请要求于2016年2月11日提交的西班牙专利申请No.P201630164的优先权。
本公开涉及一种用于将波动能转化成电能的装置，还涉及一种设置有所述装置的浮动设备。
背景技术
用于将波动能转化成电能的系统是已知的。例如，JPH07293420公开了一种用于将储存在波中的动能转化成电能形式的浮动体。浮动体的一端保持被锚固而另一端能自由运动，随着波上升或下降。在浮动体内有运动块，该运动块因浮动体的向上或向下运动而在轨道上进行往复运动。所述往复运动借助链和带轮机构的作用而被转化成旋转，并且所述旋转运动被传递至发电机的转子。
但是，当波涛到达低高度时，运动块以低速运动因此转子速度也较低，从而所生成的电电压较低且功率较低，不适于用在诸如为灯具供电或给电池充电的实际应用中。另外，运动块具有往复运动这一事实意味着速度改变符号并经过零值，该零值意味着发电机的死点(实际上是该死点周围的范围，是发电机的停机期)，在此时生成的电能为零。此外，在经过零速之前和之后(其分别对应于制动和启动发电机)的时间段内，启动发电机经历了脱离其最佳旋转机制的显著的速度变化，使得在这些显著速度变化的时间段内发电机的能量效率显著降低(即，发电机从机械能转化成电能的转化率明显降低)。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服了至少一些上述缺陷的用于将波动能转化成电能的装置。
根据第一方面，这种装置包括滑动块(sliding mass)、用于所述滑动块的导轨、设置有转子的发电机、与所述转子一体的轴、第一机构和第二机构，所述第一机构用于将所述滑动块连接至转子轴并且可以将所述滑动块在所述导轨上的运动转化成所述转子轴的旋转运动，所述第二机构插设在所述第一机构与所述转子轴之间以向所述转子提供单向旋转运动(即，具有单个且固定的旋转方向的旋转，顺时针或逆时针)，而不管所述滑动块的运动方向如何。
由于第二机构，尽管可能存在转子速度降低的情况，但发电机的停机期缩短并且其输出功率增加，这提高了所述装置的能量效率。所述装置可以被设计成使组件(转子、轴、带轮、齿轮)的惯性能在滑动块的速度相对较低时的期间维持转子的最小(但是足够的)旋转。
在一些实施例中，所述装置可以包括连接至所述转子轴的飞轮，以较长时间地保持所述转子以接近最佳速度旋转，这将导致进一步提高发电机的能量效率。
另一方面，如果滑动块遵循往复运动，则在导轨的端部上可以有一个或多个弹性元件，所述弹性元件收集往复(运动反向)中涉及的制动和加速能量。
已经提及的是，如果发电机将机械能转化成电能的速率增加(即，如果发电机以更高效的机制进行操作)，则其产量增加，但是如果能较好利用组件(块、飞轮、转子、带轮、齿轮等)的动能则发电机的产量也会增加，并且实际上飞轮可以对该改进做出显著的贡献，这是由于飞轮聚集了否则会(在导轨是段而不必是直的并且滑动块的运动是往复运动的情况下)在滑动块与导轨的止动部碰撞时消散的动能，尽管也可能有上述弹性元件。实际上，这些弹性元件将在碰撞中消散的一部分能量返回至滑动块，而飞轮将其聚集的一部分能量直接递送至发电机的转子。
但是应注意的是，并不总是较高的惯性力矩意味着装置的能量效率的提高。是否有提高取决于多个因素，例如飞轮的惯性力矩的具体值、发电机的阻尼系数、导轨的长度及其相对于波的取向以及波的周期等等。甚至有可能发生的是最佳惯性力矩比组件(转子、轴、齿轮)的低。
飞轮可以是可变的以更好地适合所采用的发电机的阻尼系数。在这点上，在一些实施例中，飞轮可以包括诸如螺旋弹簧的主弹簧，以为飞轮提供可变惯性力矩，从而在低速下飞轮的惯性力矩较低并为滑动块的初始运动提供较小的阻力，使得借助于具有主弹簧的飞轮所述装置会比不具有主弹簧的情况(如具有传统的不可变飞轮的情况)对波涛(即，波动作用)更敏感。替代或附加地，所述装置可以包括不包含在飞轮中的主弹簧。
在一些实施例中，飞轮可以位于与滑动块基本相同的位置处，以增加总的运动块，从而使所述装置的能量密度更高。
所述导轨可以遵循各种几何形状，例如圆形形状或大体上闭合曲线。圆形的导轨可以对一定的波涛或波，例如由具有不同传播方向的各种部件形成的波涛或波表现出更大的敏感度。另外，由于闭合导轨将不具有限位开关，因此滑动块可以运动较长时间，从而所述装置将实际上更长时间地产生电能。
在圆形导轨的情况下，转子可以与导轨同轴，即转子可以位于圆心或同样地沿导轨在其路径中位于滑动块的旋转轴线上。
替代的是，所述导轨可以呈笔直段的形式，在这种情况下所述飞轮可以定位在转子轴线上。
在一些实施例中，直的导轨可以安装在具有旋转自由度的旋转平台上，由此允许滑动块在波的近似方向上取向以更好地利用其推力。可以通过垂直于入射波前取向的直的导轨实现对波涛的最大敏感度。
为了防止旋转平台具有非常宽的角振荡(一些角振荡将偏离波动方向)，所述装置可以包括用于阻尼所述平台旋转的角阻尼器。所述阻尼器可以是流体动力学类型，但是其也可以是诸如磁的其它类型。
在一些实施例中，所述第一机构可以包括两个带轮以及在所述带轮之间延伸的闭合带或链，以使所述带轮(在链的情况下为链轮)中的一个带轮联接至所述转子轴并且所述带或链固定于所述滑动块。所述第一机构还可以包括布置在所述转子轴与联接至所述转子轴的所述带轮之间的齿轮系，以增加所述转子的速度，由于在弱波涛的情况下，块速度仅可以独自地生成相对较低的转子速度，导致较差的发电效率。齿轮系可以将转子速度提高至导致较高电压和发电功率的水平，由此拓宽了发电机的实际应用。
在一些实施例中，所述第二机构可以类似于所述第一机构，以使各机构的相应带轮彼此一体并且滑动块连接至所述带或链之一的上段并连接至另一带或链的下段，所述第二机构包括两个倒转棘轮，其中一个倒转棘轮布置在属于所述第一机构的带轮与所述转子轴之间，另一个倒转棘轮布置在所述第二机构的相应带轮与所述转子轴之间，从而以单向旋转驱动发电机转子。
在一些实施例中，所述第二机构可以包括设置有第一有齿轮、第二有齿轮和第三有齿轮的机械整流器，所述第一有齿轮具有第一自由小齿轮，所述第二有齿轮连接至所述第一有齿轮但旋转方向与所述第一有齿轮的旋转方向相反，并且所述第二有齿轮具有第二自由小齿轮，所述第二自由小齿轮(至与之结合的轮)的啮合方向与所述第一自由小齿轮的啮合方向相反，所述第三有齿轮与两个自由小齿轮啮合并连接至所述发电机的转子，同时所述第一有齿轮或所述第二有齿轮连接至所述第一机构(即，连接至所述滑动块的运动)，从而以单向旋转驱动发电机转子。
浮动设备(例如船或浮标)可以包括根据上述解释所述的装置。所述装置可以旨在为浮动设备的电气部件或者是为它们供电的电池提供电力，并且可以按比例缩放从而以各种数量级产生电能。
对于本领域技术人员来说从下面描述将明了或者可以通过本发明的实践而获知本发明的实施例或实施方式中的其它目的、优点和特征。
附图说明
下面将参照附图以非限制性实施例的方式描述本公开的具体实施方式，其中：
图1是将直线运动转换成旋转运动的机构的示意性正视图；
图2是具有直导轨的装置的正视图；
图3是图2中所示的装置的立体图；
图4是具有圆形导轨的装置的立体图；
图5是双链机构的示意图；
图6是双链机构的立体图；
图7A和7B是机械整流器的(处于两种位置)示意图；以及
图8A和8B是机械整流器的(处于两种位置)俯视图。
具体实施方式
参照图1，块2与闭合带(或链)4一体，闭合带4连接至相应的带轮(或在链的情况下为链轮)5和5’。块2可以借助于连接器3在直导轨1上滑动，连接器3也将块2连接至带4。带轮5’与发电机6的转子(未示出)一体。在整个该描述中，术语“带”也可以解释为“链”(反之亦然)，并且术语“带轮”也可以解释为(用于链的)“链轮”，反之亦然。
块2在导轨1上的直线运动沿着带轮5和5’拉动带4，这又驱动带轮5和5’旋转，由此导致发电机6的转子旋转，因而发电。
参照图2和图3，用于将波动能转化成电能的装置10包括直导轨11和块12，块12借助于直线球轴承13在导轨11上滑动并且与闭合带14一体，闭合带14在两个带轮之间平行于导轨11延伸，两个带轮中的一个带轮(附图标记15’)机械连接至发电机16的转子(未示出)，而另一个带轮(附图标记15)布置在带14的另一端中。所述装置还包括将带轮15’和发电机转子相连的齿轮系(或传动装置)17以及也机械连接至发电机转子的飞轮18。在图3中示出了第二飞轮18’。
总而言之，装置10包括用于将块11的直线运动转化成发电机16的转子的旋转运动的、与1中类似的机构，但其呈现出飞轮18(和18’，当存在时)这一重要区别。
当转子轴因为块12减速而开始降低其速度时，飞轮18(和18’)向转子轴提供了呈旋转运动形式的动能。
图2示出了布置在导轨11的端部处以及端部上的弹簧19和19’，所述弹簧的作用是减弱滑动块12对所述端部的冲击以及使在这些冲击中消散的一部分能量作为沿相反方向作用的动量返回。块12自身也可以结合有类似的弹簧。
上述元件被安装在紧固并固定组件的框架20上。
装置10可以通过与其一体的板30(图2)而放在浮动体(未示出)中，在浮动体中，波动作用导致导轨11接连且变化的倾斜，这致使块12在导轨上滑动，因而导致发电机16的转子旋转。
框架20安装在相对于板30可旋转的平台21上。如图2所示，平台21可以绕轴22旋转，以使装置10在其所安设的浮动体中在板30上、更确切地在平行于板30的水平面中具有旋转自由度。该构造允许平台21因而装置10在主波的方向即在垂直于入射波前的方向上取向，以使波动能最大化。
通过角阻尼器23(图2)阻尼平台21的旋转以防止该旋转过多加速并使平台从最佳或几乎最佳取向偏斜。角阻尼器23可以是流体动力学类型或磁类型。
通过类似于图5和图6所示的双链机构，发电机(6或16)的转子必须遵循单旋转方向(或者换言之单向旋转)，而不管块(2或12)沿一个方向还是沿相反方向运动。这也可以通过图7和图8的机械整流器实现。这种类型的机构(为转子提供单向旋转)使得转子速度始终大于或等于如果没有该机构则转子将(借助滑动块的运动)具有的速度。更具体的说，当滑动块正加速或保持恒定速度时没有该速度差，但是在滑动块正减速时可能会出现该速度差(在这种情况下，是否出现速度差取决于由发发电机提供的阻尼以及组件(转子、转子轴、齿轮系、飞轮、带轮等)的惯性力矩)。
图5示出了位于两个带轮5和5’之间的第一链4以及位于两个带轮5”和5”’之间的第二链。带轮5’和5”’连接至发电机6的转子。滑动块2与链4和4’成一体，并且滑动块2借助连接器3而连接至链4和4’。连接器3具有两个腿3a和3b；腿3a附接至链4的下段，腿3b附接至链4’的上段。通过该构造，带轮5和5’的旋转与带轮5”和5”’的旋转相反。借助于倒转棘轮(未示出)，可能的是，带轮5’和5”’中的仅一者在任何给定时刻向发电机的转子传递转矩并且所述传递在两种情况下均具有相同(单)旋转方向。
图6的机构与图5的机构类似，但是显示得更加详细。所述机构包括位于两个带轮15和15’之间的第一链14、位于两个带轮15”和15”’之间的第二链14’以及可以在导轨11上滑动的块12，导轨11安设在框架20中。块12借助于腿26a附接至链14的上段，而且也借助于腿26b附接至链14’的下段。腿26a和26b属于穿过形成于框架20中并位于块12上方的狭缝25的连接器26。传动装置27包括与前面段落所述相似的两个倒转棘轮(未示出)。飞轮18布置在传动装置27与发电机16的转子之间。
图7A和7B示意性地示出了机械整流器，该机械整流器在两幅图中相同只是示出了不同的情况。第一有齿轮51具有第一自由小齿轮52，并且第二有齿轮51’具有第二自由小齿轮52’。轮51和51’相啮合，但是第一自由小齿轮52和第二自由小齿轮52’与它们相应的轮(分别为51和51’)的啮合方向相反。第三有齿轮53与两个自由小齿轮52和52’相啮合。待传递的扭矩来自于与第一有齿轮51啮合的输入轮50。
当输入轮50逆时针旋转时(图7A)，第一轮51顺时针旋转，第一自由小齿轮52由于其啮合方向也顺时针旋转并且与第三轮53啮合，第三轮53于是逆时针旋转并(与其啮合方向相反)顺时针驱动第二自由小齿轮52’，从而第二自由小齿轮52’自由旋转而不会成为第二轮51’根据其与第一轮51的啮合方向进行逆时针旋转的阻碍。
当输入轮50顺时针旋转时(图7B)，第一轮51逆时针旋转，第二轮51’顺时针旋转。第二自由小齿轮52’也顺时针旋转并逆时针驱动第三轮53。由此，第三轮始终逆时针旋转并且可以连接至发电机转子。
图8A和8B示出了从上方看时类似但具有不同几何形状的构造。第一有齿轮151结合有第一自由小齿轮152，第二有齿轮151’结合有第二自由小齿轮152’。第一自由小齿轮152和第二自由小齿轮152’与它们相应的轮(分别为151和151’)的啮合方向相反。齿轮155(即，至少两个啮合齿轮的组件)确保了轮151’的旋转方向与轮151的旋转方向相反。齿轮155可以采取适于使轮151和151’沿相反方向旋转的任何布置。图7A和7B的轮53这里被分为两个一体的轮153和153’，这两个轮分别与小齿轮152和152’啮合。
带14代表机构的入口(类似于图8A和8B中的附图标记50)。当各种运动方向为图8A中箭头所示的方向时，轮153被小齿轮152驱动并且小齿轮152’被轮153’驱动而怠速旋转。当各种运动方向为图8B中箭头所示的方向时，轮153’被小齿轮152’驱动并且小齿轮152被轮153驱动而怠速旋转。因而，轮153和轮153’的组件始终沿相同方向旋转并且可以连接至发电机转子。
现在参照图4，在另一实施方式中，装置100包括圆形导轨111、借助连接器113在导轨111上滑动的块112、设置有转子(未示出)的发电机116、与转子一体的轴(未示出)以及连接至所述转子轴的飞轮118。块112与连接至两个带轮(未示出)的闭合带114一体。传动装置117布置在其中一个带轮与发电机转子之间；传动装置117可以包括用于发电机转子的倍数机构和/或单向机构。飞轮118位于与滑动块112相同的位置，以增加滑动块的总重量。发电机116位于圆111的中心处并且借助加强件124而附接至组件。
尽管这里仅公开了数个实施例，但其其它替代、修改、使用和/或等价物也是可行的。另外，也涵盖所述实施例的所有可能组合。由此，本公开的范围不应受到具体实施例的限制，而应该仅通过合理阅读了后面的权利要求来确定。

Claims (15)

1.一种用于将波动能转化成电能的装置(10)，该装置包括：
滑动块(2；12；112)；
用于所述滑动块的导轨(1；11；111)；
设置有转子的发电机(6；16)；
与所述转子一体的轴；
其特征在于，所述装置进一步包括：
第一机构，该第一机构用于将所述滑动块连接至转子轴并且能够将所述滑动块在所述导轨上的运动转化成所述转子轴的旋转运动；以及
第二机构，该第二机构插设在所述第一机构与所述转子轴之间以向所述转子提供单向旋转运动，而不管所述滑动块的运动方向如何。
2.根据权利要求1所述的装置，该装置包括连接至所述转子轴的飞轮(18,18’；118)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，该装置包括连接至所述转子轴的主弹簧。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述飞轮(18,18’；118)包括主弹簧。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中所述飞轮(118)位于所述滑动块(2；12；112)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述导轨(1；11；111)具有圆形形状。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中所述转子与所述导轨(1；11；111)同轴。
8.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中所述导轨(1；11；111)是笔直段，并且所述飞轮(18,18’)定位在转子轴线上。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述导轨(1；11)安装在旋转平台(21)上。
10.根据权利要求9所述的装置，该装置包括用于阻尼所述平台(21)的旋转的角阻尼器(23)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述阻尼器(23)是流体动力学类型或磁类型。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第一机构包括两个带轮(5,5’；15；15’)以及在所述带轮之间延伸的闭合带或链(4；14；114)，以使所述带轮(5’；15’)中的一个带轮联接至所述转子轴并且所述带或链固定于所述滑动块，所述第一机构还包括布置在所述转子轴与联接至所述转子轴的所述带轮之间的齿轮系(17；117)，以增加所述转子的速度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第二机构包括设置有第一有齿轮(51；151)、第二有齿轮(51’；151’)和第三有齿轮(53；153)的机械整流器，所述第一有齿轮具有第一自由小齿轮(52；152)，所述第二有齿轮连接至所述第一有齿轮但旋转方向与所述第一有齿轮的旋转方向相反，并且所述第二有齿轮具有第二自由小齿轮(52’；152’)，所述第二自由小齿轮的啮合方向与所述第一自由小齿轮的啮合方向相反，所述第三有齿轮与两个所述自由小齿轮啮合并连接至所述发电机的所述转子，同时所述第一有齿轮或所述第二有齿轮连接至所述第一机构。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二机构类似于所述第一机构，以使各机构的相应带轮彼此一体并且所述滑动块(2；12)连接至所述带或链(4’；14)之一的上段并连接至另一带或链(4；14’)的下段，所述第二机构包括两个倒转棘轮(27)，其中一个倒转棘轮布置在属于所述第一机构的带轮(15’)与所述转子轴之间，另一个倒转棘轮布置在所述第二机构的相应带轮(15”’)与所述转子轴之间。
15.一种浮动设备，该浮动设备包括根据权利要求1至14中任一项所述的装置(10)。
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