CN111512042B

CN111512042B - 用于利用来自流冰的能量的方法和系统

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Publication number: CN111512042B
Application number: CN201880071300.5A
Authority: CN
Inventors: 亚科·海诺宁; 卡利·科拉里; 拉塞·马科宁; 玛丽亚·蒂坎迈基
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2038-10-18
Also published as: FI127454B; CN111512042A; FI20175971A; US11261840B2; EP3704373A1; WO2019086753A1; EP3704373B1; US20200284238A1

Abstract

根据本发明的示例方面，提供了一种用于利用来自流冰(3)的能量的系统(1)，所述系统(1)包括第一部分和第二部分，所述第一部分构造成在由流冰(3)引起的压力下沿第一方向移动，直至至少达到冰压缩强度并且随后沿第二方向移动，所述第二部分构造成将第一部分的循环运动的动能转换为电能。

Description

用于利用来自流冰的能量的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于利用来自流冰的能量的系统。此外，本发明涉及一种用于利用来自流冰的能量的方法。此外，本发明涉及一种计算机可读存储器。另外，本发明涉及一种计算机程序。

背景技术

利用来自近海波浪、风和潮汐的能量是实现清洁未来的有前途的方式，并且已经被广泛使用。然而，一种重要的能源尚未被大规模利用。由于海流和风的作用，冰处于漂移状态中。在布满冰的水域中，流冰层提供了额外巨大的动能能源。为了利用流冰中的能量，需要解决重大的技术挑战。在冰-结构相互作用过程中，破碎(fraction)和摩擦起着重要作用。

例如，文献SU 1641698 A1描述了一种浮动式发电厂。浮动式发电厂所具有的壳体具有水线以上的部分和水线以下的部分。浮动式发电厂借助于导索以直立方式固定在海底。壳体沿竖直轴线向下逐渐变细。流冰场与壳体的螺旋体的相互作用导致壳体绕竖直轴线旋转。该旋转用于通过钝齿轮、齿轮单元和发电机进行发电。电力是在恒定的流冰场的地区中产生的。

其他方法试图从冰层下方和上方的温差中受益。例如，文献US 8393553 B2公开了一种用于极地的基于浮冰层的更新热能收集系统。该系统可以从基本上处于水的冰点温度的浮冰层下方的液态水与浮冰层上方的较冷空气之间的自然产生的温差中收集能量。

鉴于前述内容，提供一种用于利用冰中能量的方法和系统将是有益的。该系统应能够以工业规模制造。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了用于利用来自流冰的能量的系统，所述系统包括第一部分，其构造成在由流冰引起的压力下沿第一方向移动，直到至少达到冰压缩强度，然后沿第二方向移动，以及第二部分，其构造成将所述第一部分的循环运动的动能转换为电能。

第一个方面的各种实施例可包括以下项目符号列表中的至少一个特征：

·第一部分包括构造成在缸中行进的至少一个活塞

·第二部分包括蓄压器、液压马达和发电机

·第一部分的至少一部分布置在具有外表面的物体的外部

·第二部分布置在该物体的内部

·该物体包括灯塔、风力发电厂、波浪发电厂、码头、浮标、平台、钻井平台、桥梁结构或提供延伸穿过水面的外表面的任何其他结构

·布置在所述物体外部的第一部分的至少一部分构造成沿着物体的外表面移动

·第一部分的至少一部分构造成漂浮在水面上

·第一部分的至少一部分构造成被加热

·所述系统构造成通过所述第一部分的循环运动来减小所述物体上的负载

·所述系统包括配置为控制所述第一部分的循环运动的计算机设备

·所述系统包括至少一个力传感器，其能够测量所述第一部分上的力

·所述系统构造成调节液压缸的刚度

根据本发明的第二个方面，提供了用于利用来自流冰的能量的方法，所述方法包括使系统的第一部分在由流冰引起的压力下沿第一方向移动，直到至少达到冰压缩强度，然后使所述系统的第一部分沿第二方向移动，并且将所述第一部分的循环运动的动能转换为电能。

第二个方面的各种实施例可以包括以下项目符号列表中的至少一个特征：

·至少一个活塞在缸中进行循环运动

·使用蓄压器、液压马达和发电机作为所述系统的第二部分，使所述第一部分的循环运动的动能转换为电能

·所述方法还包括将第一部分的至少一部分布置在具有外表面的物体的外部

·将第二部分布置在物体的内部

·所述方法还包括将布置在物体外部的所述第一部分的至少一部分沿着物体的外表面移动

·对所述第一部分的至少一部分进行加热。

·通过循环性地移动所述第一部分而减小所述物体上的负载。

·所述第一方向与所述第二方向相反。

根据本发明的第三个方面，提供了非暂时性计算机可读介质，在其上存储了一组计算机可读指令，当由至少一个处理器执行时，该组计算机可读指令使系统至少使所述系统的第一部分在由流冰引起的压力下沿第一方向移动，直到至少达到冰压缩强度，然后在达到冰压缩强度之后使所述系统的第一部分沿第二方向移动，并且将所述第一部分的循环运动的动能转换为电能。

第三方面的各种实施例可以包括至少一个特征，该至少一个特征与结合第二方面而布置的来自先前项目符号列表的特征相对应。

根据本发明的第四个方面，提供了计算机程序，其被配置为使得根据权利要求13至20中至少一项所述的方法被执行。

通过本发明的某些实施例获得了明显的优点。提供了用于利用来自流冰的能量的方法和系统。在布满冰的水域中，流冰层提供了巨大的动能能源。根据本发明的某些实施例，流冰的动能可以被转换为电能。计算表明，例如，对10m宽的结构，30厘米厚的冰破碎的破碎功率约为1000kW。因此，根据本发明的至少一些实施例，可以通过循环性地移动系统的一部分并将动能转换为电能来提供清洁、绿色和可再生的能量。

此外，根据本发明的至少一些实施例的系统可以与出于其他目的而计划的其他近海结构(特别是风力涡轮机)集成。在这种情况下，通过使用该系统，不仅可以产生能量，而且可以减少任何支撑结构上的由冰导致的负载。研究表明，通过将根据本发明的某些实施例的系统与例如波浪发电厂或近海风力发电厂相结合，可以多利用约30％的能量。另外，本发明的至少一些实施例还通过充当阻尼器来保护物体或近海结构免于流冰冲击，从而减少损毁和/或振动。

特别地，根据本发明的某些实施例的系统与风力发电单元的组合是有益的，因为电网通常已经可用，所以根据至少一些实施例可以使额定功率增加30％，并且所述系统保护风力发电单元免受流冰冲击。这种风力发电单元存在于布满冰的水域，例如波罗的海、伊利湖和渤海湾。

附图说明

为了更完整地理解本发明的特定实施例及其优点，现在结合附图参考以下描述。在附图中：

图1示出了根据本发明的至少一些实施例的用于利用来自流冰的能量的系统的示意图，

图2示出了时间-力的关系图，

图3示出了时间-位移的关系图，

图4示出了根据本发明的至少一些实施例的用于利用来自流冰的能量的另一系统的示意图，

图5示出了根据本发明的至少一些实施例的用于利用来自流冰的能量的又一系统的示意图，

图6示出了风速-冰速的关系图，

图7示出了风速-可用功率的关系图，

图8示出了冰速-动能的关系图，

图9示出了冰厚度-天数的关系图的示例，

图10示出了2001-2003年在诺斯特伦斯格伦德

灯塔测得的冰漂移速度的表格，以及

图11示出了根据本发明的至少一些实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的至少一些实施例的用于利用来自流冰3的能量的系统1的示意图。冰3以特定速度朝着系统1移动，如箭头A所示。系统1包括第一部分，该第一部分构造成在由冰3抵靠系统1的第一部分的接触表面10移动引起的压力下沿第一方向移动。第一部分例如可以包括布置在液压缸4中的活塞13。接触表面10构造成与漂浮在水面11上的冰3接触。所述第一方向通常朝向物体9定向。所述第一部分构造成沿所述第一方向移动，直至达到冰压缩强度为止。冰3在冰压缩强度下破裂。由于冰块中的局部应力而形成裂纹，进一步导致冰块破碎成块。在本文中，冰仅在称为“压缩区”8的局部区域中破碎。冰3的单轴压缩强度范围可在2-25MPa之间，尤其是在例如5-10MPa之间。冰3的压缩强度取决于各种参数，例如温度、应变率、体积和冰粒尺寸。通常，冰3的压缩强度随着温度降低而增加。冰3的压缩强度对应变率是敏感的。已经观察到在低应变率和中等应变率下表现为韧性，但在较高应变率下表现为脆性。通常，破裂迅速发生并且接触表面10上的压力减小。换句话说，由于冰3抵靠接触表面10漂移，第一部分朝着物体9沿第一方向移动。冰3推动缸体活塞13，直到达到冰的压缩强度，并且冰破碎。

第一部分还构造成在达到冰压缩强度之后沿第二方向移动。第二方向与第一方向相反。冰的破碎释放活塞13，并且接触表面11因此回到其初始位置以用于下个相互作用循环。

可移动的第一部分的至少一部分布置在具有外表面12的物体9的外部。物体9可以是例如灯塔、风力发电厂、波浪发电厂、码头、浮标、平台、钻井平台、桥梁结构或提供延伸穿过水面10的外表面12的任何其他结构。

可移动的第一部分的布置在物体9外部的至少一部分可以构造成沿着物体9的外表面12在垂直方向上移动，以便根据水位调整第一部分的接触表面10的高度。例如，可移动的第一部分的至少一部分可以构造成漂浮在水面10上或沿着联接至物体9的外表面12的轨道(未示出)移动。

系统1的第二部分构造成将第一部分的循环运动的动能转换为电能。通常，第二部分布置在物体9内。活塞13的交替运动通过动力输出系统被转换为电力。动力输出系统例如包括蓄压器5、液压马达6和发电机7。蓄压器可以构造成在几个相互作用循环内存储能量。因此，可以消除后续循环的破碎压力的不规则性。蓄压器5连接到驱动发电机7的液压马达6。

由于系统1与另一个物体9(例如风力涡轮机的结构)集成在一起，因此不仅可以产生能量，而且可以减少在支撑结构上由冰引起的负载。系统1还通过充当阻尼器而将物体9与流冰3隔离。因此，例如由于系统1的第一部分的循环运动，包括外表面12的外壁的材料强度可能降低。

根据某些实施例，第一部分的至少一部分构造成被加热，以使对应部分脱离由于冰冻条件而产生的卡住位置。

在图2中，示出了时间-力的关系图。已经测量了流冰3在联接到缸体活塞13的接触表面10上的力F。可以看出，在第一部分沿第一方向移动时，在力F开始急剧减小之前，力F随着时间t从最小力值增加到最大力值。在最大力值时，达到冰的压缩强度，并且冰3在压缩区8中局部破碎。随后，力值急剧减小到新的最小力值，并且第一部分沿第二方向移动。然后，新的流冰3已经到达接触表面10，并且在下一个循环中，力F在开始再次急剧减小之前，力F随着时间t再次从最小力值增加到最大力值。

在图3中，示出了时间-位移的关系图。如图2所示，由于流冰3在接触表面10上施加力，已经测量了联接至缸体活塞13的该接触表面10的位移u。可以看出，在第一部分沿第一方向移动时，在位移开始急剧减小之前，位移u随着时间t从最小位移值增加到最大位移值。在最大位移值处，达到冰的压缩强度，并且冰3在压缩区8中局部破碎。随后，位移值急剧减小至新的最小位移值，并且第一部分沿第二方向移动。然后，完整的流冰3已经到达接触表面10，并且在下一个循环中，位移u在开始再次急剧减小之前，位移u随着时间t从最小位移值再次增加到最大位移值。

在图4中，示出了根据本发明的至少一些实施例的用于利用来自流冰3的能量的另一系统1的示意图。冰3以特定速度朝着系统1移动，如箭头A所示。系统1包括第一部分，其构造成在由冰3抵靠系统1的第一部分的接触表面10移动而引起的压力下沿第一方向移动。第一部分还构造成在达到冰压缩强度之后沿第二方向移动。第二方向与第一方向相反，如箭头C所示。第一部分例如可以包括联接至板状结构的多个液压缸。板状结构包括接触表面10。接触表面10构造成与浮冰3接触。系统1的第一部分布置在物体9的外部。系统1的第二部分(未示出)构造成将第一部分的循环运动的动能转换为电能。通常，第二部分布置在物体9内。液压缸的交替运动通过动力输出系统(未示出)被转换为电力。

系统1进一步包括计算机设备14，该计算机设备14包括其上存储有一组计算机可读指令的非暂时性计算机可读介质，该组计算机可读指令在由至少一个处理器执行时使系统1的第一部分在由流冰3引起的压力作用下至少沿第一方向移动，直到达到冰的压缩强度，在达到冰的压缩强度之后，将系统1的第一部分沿第二方向移动，并且将第一部分的循环运动的动能转换为电能。

根据某些实施例，系统1包括至少一个力传感器，其能够测量在第一部分(特别是接触表面10)上的力。系统1还包括配置成控制第一部分的循环运动的计算机设备14。液压缸的刚度例如可以是可调节的。换句话说，可以对液压缸的刚度进行连续或逐步地配置。即，可以基于测量到的作用在接触表面10上的力来改变液压缸的刚度。力信号可以用作计算机设备14的输入信号，以控制液压缸的循环运动。因此，可以在变化的冰条件(即，取决于变化的冰厚度、漂移速度等的条件)下使用系统1。

在冰-结构相互作用期间，可以基于冰压力的经验知识来估算输入功率。例如，接触表面10的宽度可以是10m，冰厚度可以是0.3m，冰3的漂移速度可以是0.175m/s，并且平均破碎压力可以是2MPa。因此，理论输入功率如下：

在图5中，示出了根据本发明的至少一些实施例的用于利用来自流冰3的能量的又一系统1的示意图。物体9的一部分被多个利用(harnessing)活塞13覆盖。物体9至少部分环形地形成，并且例如可以是风力发电厂的支撑结构。每个利用活塞13的中心轴线基本上平行于水面布置，即，每个利用活塞13的中心轴线水平地定向。每个利用活塞13的中心轴线还被布置成基本垂直于物体9的中心轴线，即，物体9的中心轴线竖直地定向。

通过采用多个利用活塞13覆盖物体9的大表面，可以考虑在不同局部区域中的各个活塞13的接触表面10上不同的力。例如，每个液压缸的刚度可以独立控制。此外，通过采用多个利用活塞13覆盖物体9的足够的外表面，可以考虑水位的变化。因此，不论是否有潮汐，都可以使多个利用活塞13中的至少一些与冰3接触。

在图6中，示出了风速-冰速的关系图。显示了基于自由漂移假设的浮冰速度与风速的关系。可以根据勒潘塔(

(1981))使用动力学方程来估算冰速。通过忽略冰的形变、科里奥利(Coriolis)力、冰的转动惯量、海面倾斜，并假设浮冰与风和水流的运动方向相同，可以将动力学方程简化为

ma＝F_a+F_w

其中m是浮冰的质量，a是加速度，Fa是风的驱动力，Fw是海流的驱动力。针对统一的冰表面积，之前的方程可以写成

其中τ_a和τ_w是由于风的驱动力和海流的驱动力引起的剪切应力。剪切应力定义为

τ_a＝ρ_ac_a|w-v|(w-v)

τ_w＝ρ_wc_w|w_w-v|(w_w-v)

其中ρ_a和ρ_w是空气和水的密度，而c_a和c_w分别是冰表面的粗糙度系数，w是风速，w_w是海流速度。例如在波斯尼亚海湾，海流通常很小，可以忽略不计。因此，冰速是风速的线性函数，如图6所示。

在图7中，示出了风速-可用功率的关系图。波斯尼亚海湾的总面积约为36800km²，据估计其中约一半为流冰区。因此，可以计算出从风到流冰的合力。根据本发明的至少一些实施例，如果这种力的仅10％可以被系统用于利用来自冰的能量，则可用功率将如图7所示。

图8示出了冰速-动能的关系图。示出了直径为1[km]，厚度为30[cm]的单个自由漂移的浮冰的动能与冰速的函数关系。如果浮冰的直径乘以10，则动能将乘以100，即E～d²。

在图9中，示出了冰厚度-天数的关系图的示例。显示了2007-2015年诺斯特伦斯格伦德

地区每年出现某些冰厚度的平均天数。诺斯特伦斯格伦德地区位于吕勒奥

约60公里处。该值表示每个冬季结冰的平均天数。可以看出，冰厚度大部分在10cm至20cm的范围之间。最大冰厚度在60cm至70cm的范围之间。

在图10中，示出了2001-2003年在诺斯特伦斯格伦德灯塔测得的冰漂移速度的表格。在这些年份中，结冰季节的长度每年大约为4到5个月，每年平均为134天。从表格中可以看出，在2001-2002年的结冰季节中，在波斯尼亚海湾中结冰的时间最多达到62％，通过根据本发明的至少几个实施例的系统可将来自浮冰的动能转换为电能。

在图11中，示出了根据本发明的至少一些实施例的方法的流程图。该方法包括在由流冰3引起的压力下将系统1的第一部分沿第一方向移动直到达到冰压缩强度。在这时，冰块破碎。该方法还包括在达到冰压缩强度之后将系统1的第一部分沿第二方向移动。第二运动可以例如通过使用液压缸来执行。然后，来自第一部分的循环运动的动能可以转换为电能。

应当理解，本发明公开的实施例不限于本文所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展到如相关领域的普通技术人员将认识到的等同物。还应理解，本文采用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，而不旨在进行限制。

在说明书通篇中对一个实施例或一种实施例的引用意味着，结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在说明书通篇中多处出现的短语“在一个实施例中”或“在一种实施例中”并不一定都指同一实施例。在使用诸如大约或基本上这样的术语来参考数值的情况下，也公开了确切的数值。

如本文所使用的，出于方便，可以在共同的列表中呈现多个项目、结构要素、部件要素和/或材料。然而，这些列表应该被理解为列表中的每个构件都被单独标识为一个单独的、唯一的构件。因此，仅基于它们在同一组中的呈现而没有相反的指示，该列表的任何单个部件都不应被解释为相同列表的任何其他部件的事实上的等同物。另外，本文可以参考本发明的各种实施例和示例以及用于其各种组件的替代方案。应该理解的是，这些实施例、示例和替换方案不应被理解为彼此的实际上等同，而是应被认为是本发明的独立和自主的呈现。

此外，在一个或多个实施例中，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者在利用其他方法、部件、材料等的情况下实践本发明。在其他情况下，为了避免混淆本发明的各个方面，未对公知的结构、材料或操作进行示出或描述。

尽管前述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，在不需要运用发明能力并且在不背离本发明的原理和概念的情况下，可以在形式、使用和实施细节上进行多种修改。因此，除了由下面提出的权利要求限定之外，并不旨在限制本发明。

动词“包含”和“包括”在本文中用作开放的限制，其既不排除也不要求还存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解，在本文通篇中使用“一”或“一种”，即单数形式，其并不排除多个。

工业适用性

本发明的至少一些实施例在利用能量方面找到工业应用。

附图标记列表

1 系统

2 水

3 冰

4 缸

5 蓄压系统

6 液压马达

7 发电机

8 压缩区

9 物体

10 接触表面

11 水面

12 外表面

13 活塞

14 计算机设备

A 流冰方向

C 循环运动

引文清单

专利文献

SU 1641698 A1

US 8393553 B2

Claims

1.用于利用来自流冰(3)的能量的系统(1)，所述系统(1)包括：

-第一部分，其构造成在流冰(3)的作用下移动，以及

-第二部分，其构造成将所述第一部分的循环运动的动能转换为电能，

其特征在于，所述第一部分构造成在由流冰(3)引起的压力下沿第一方向移动，直到至少达到冰压缩强度，然后沿第二方向移动。

2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述第一部分包括构造成在缸(4)中行进的至少一个活塞(13)。

3.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述第二部分包括蓄压器(5)、液压马达(6)和发电机(7)。

4.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述第一部分的至少一部分布置在具有外表面(12)的物体(9)的外部，并且所述第二部分布置在所述物体(9)的内部。

5.根据权利要求4所述的系统(1)，其中，所述物体(9)包括灯塔、风力发电厂、波浪发电厂、码头、浮标、平台、桥梁结构或提供延伸穿过水面(11)的外表面(12)的任何其他结构。

6.根据权利要求5所述的系统(1)，所述平台为钻井平台。

7.根据权利要求4所述的系统(1)，其中，布置在所述物体(9)外部的所述第一部分的至少一部分构造成沿着所述物体(9)的外表面移动。

8.根据权利要求4所述的系统(1)，其中，所述第一部分的至少一部分构造成漂浮在水面上。

9.根据权利要求4所述的系统(1)，其中，所述第一部分的至少一部分构造成被加热。

10.根据权利要求4所述的系统(1)，其中，所述系统(1)构造成通过所述第一部分的循环运动来减小所述物体(9)上的负载。

11.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述系统(1)包括配置为控制所述第一部分的循环运动的计算机设备(14)。

12.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述系统(1)包括至少一个力传感器，其能够测量所述第一部分上的力。

13.根据权利要求2所述的系统(1)，其中，所述系统(1)构造成调节液压缸的刚度。

14.用于利用来自流冰(3)的能量的方法，所述方法包括：

-使系统(1)的第一部分在流冰(3)的作用下移动，

以及

-将所述第一部分的循环运动的动能转换为电能，

其特征在于，使所述系统(1)的第一部分在由流冰(3)引起的压力下沿第一方向移动，直到至少达到冰压缩强度，然后使所述系统(1)的第一部分沿第二方向移动。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，至少一个活塞在缸(4)中进行循环运动。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，使用蓄压器(5)、液压马达(6)和发电机(7)作为所述系统(1)的第二部分，使所述第一部分的循环运动的动能转换为电能。

17.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：

-将第一部分的至少一部分布置在具有外表面(12)的物体(9)的外部，并将第二部分布置在物体(9)的内部。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

-将布置在物体(9)外部的所述第一部分的至少一部分沿着物体(9)的外表面移动。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，对所述第一部分的至少一部分进行加热。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，通过循环性地移动所述第一部分而减小所述物体(9)上的负载。

21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一方向与所述第二方向相反。

22.非暂时性计算机可读介质，在其上存储了一组计算机可读指令，当由至少一个处理器执行时，该组计算机可读指令使系统(1)至少：

-使所述系统(1)的第一部分在由流冰(3)引起的压力下沿第一方向移动，直到至少达到冰压缩强度，

-然后使所述系统(1)的第一部分沿第二方向移动，以及

-将所述第一部分的循环运动的动能转换为电能。

23.计算机程序，其存储在非暂时性计算机可读介质上，被配置为使得根据权利要求14所述的方法被执行。