CN111699314B - 用于从海洋的波动产生电能的系统 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种用于从海洋的波动产生电能的系统，该系统设置有电能产生装置，该电能产生装置用于利用海洋的波动来产生电能。该系统的特征在于，其浮动主体设置有设计成调节该系统的共振峰的频率的设备。

Description

用于从海洋的波动产生电能的系统

技术领域

本发明涉及一种用于从海洋的波动产生电能的系统。

特别地，本文所述的系统具有如下类型，其包括：

- 浮动主体；以及

- 电能产生装置，其被设置在所述浮动主体上，并且包括：主体，该主体被构造成由于所述浮动主体绕所述主轴线的振荡而移动；以及发电装置（electric-generatingmeans），该发电装置构造成由于所述主体的移动而产生电能。

背景技术

所讨论类型的系统利用海洋的振荡运动将其动能传递给电能产生装置，并且随后，通过发电装置将其转换成电能。

一些已知的这种类型的系统具有设置有陀螺仪结构的电能产生装置。

本申请人过去已提出了这种类型的系统的不同解决方案，其设想了陀螺仪结构和与之相关联的发电装置的特定构造，以使在陀螺仪结构中累积的动能尽可能高效地转换成电能。

在这方面，意大利专利号IT1386755描述了一种用于所讨论类型的系统的具有两个自由度的陀螺仪结构，与该陀螺仪结构相关联的是线性类型的发电装置，该发电装置接合该结构的各种振荡框架并且由它们直接移动。

以本申请人之一的名义提交的欧洲专利号EP2438293替代地描述了一种陀螺仪结构，该陀螺仪结构以完全整合的方式在其上承载发电装置。特别地，该结构在其主振荡平面中包括成对的圆形形状、相对于彼此同心且可呈旋转移动的框架，布置在该框架上的是构成系统的发电装置的绕组和磁性体。

同样，也以本申请人之一的名义提交的文件号EP2764236描述了一种用于从海洋的波动产生电能的系统，该系统配备有具有一个自由度的陀螺仪结构，并且设想了一种类型的控制，由此，在操作中，该结构的其上承载有转子的框架执行连续的旋转移动而不是振荡移动。

所讨论类型的其他已知系统具有设置有摆状结构或旋转结构的电能产生装置。

本发明的目的

一般而言，在本领域中已知的是，可以根据海洋状况来调节发电系统的参数，但基本上是为了仅在外部状况使得能够实现系统的处于平均效率的操作时激活电能的产生；例如，已知的是，当波动呈现出幅度低于给定阈值的振荡时，中断发电装置与存储电能的电网的连接。

相反，迄今为止，从提高产生电能的系统的总体能力的角度来看，已知的系统并未设想任何调节。

在这种背景下，本发明的目的在于提供一种系统，该系统能够在彼此之间甚至相差甚远的各种海洋状况下高效地操作。

发明内容

上述目的通过根据本发明的用于从海洋的波动产生电能的系统来实现。

各实施方案形成关于本发明本文所提供的技术教导的组成部分。

如将在下文中详细地看到的，本文所述的系统的特征在于其能够使其自身的振荡行为适应海洋状况。

特别地，在本文所述的系统中，浮动主体包括如下设备，即：该设备构造成用于相对于该浮动主体绕其振荡主轴线所进行的振荡运动来改变该系统的共振峰的频率，并且此外，该系统还包括控制单元，该控制单元构造成用于控制上述设备，以便将该共振峰的频率朝向基本上对应于海洋的波动的振荡频率的值调节，或者将该共振峰的频率调节到该值上。

如已知的，强制振动系统的共振频率，也称为“固有频率”，是惯性动力系统的典型值，该惯性动力系统一旦被具有该特定频率的振荡促动（oscillatory forcing）激发，就显示出最大的响应幅度。在共振频率以Hz为单位测量时，共振周期为共振频率的倒数，并且其以秒为单位来测量。

因此，可以理解的是，由于上面提到的特性，由此基本上使得系统的共振频率与波动的振荡频率相对应，本文所述的系统可被保持在如下状况下，即：它能够表示以一定振幅为特征的振荡运动，该振幅等于或在任何情况下接近可从存在的波动得到的最大振幅，这适用于在系统的操作期间可能存在的所有各种海洋状况。

附图说明

参考附图，通过后续的描述，本发明的另外的特性和优点将清楚地呈现出来，附图仅作为非限制性示例提供，并且在附图中：

- 图1以透视图图示了本文所述的系统的一个实施例；

- 图2是本文所述的系统的一个优选实施例的陀螺仪结构的示意图；

- 图3呈现了一示图，其图示了针对系统的两种不同操作模式的系统根据外部促动的动态响应；

- 图4是系统的一个优选实施例的浮动主体的平面图；

- 图5是根据图4中呈现的剖面V-V的平面的浮动主体的剖视图；

- 图6是本文所述的系统的操作模式的示意图；以及

- 图7呈现了本文所述的系统的安装模式的一个示例。

具体实施方式

在后续描述中，说明了各种具体细节，这些具体细节旨在提供对实施例的深入理解。这些实施例可在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实施，或者可利用其他方法、部件或材料等来实施。在其他情况下，已知的结构、材料或操作未被详细地图示或描述，使得将不会模糊实施例的各个方面。

本文所用的引用仅为方便而提供，并且因此，不限定保护范围或实施例的范围。

如上面提到的，本文所述的系统是用于从海洋的波动产生电能的系统，该系统设置有电能产生装置，该电能产生装置用于利用海洋的波动来产生电能。

总体上，在附图中作为整体由附图标记10标示的本文所述的系统包括：

- 浮动主体2；以及

- 电能产生装置，其被设置在所述浮动主体上，并且包括：主体，该主体被构造成由于所述浮动主体绕所述主轴线的振荡而移动；以及发电装置，该发电装置构造成由于所述主体的移动而产生电能。

在优选实施例中，该电能产生装置设有设置在主体2上的陀螺仪结构4，该陀螺仪结构4包括可旋转地安装在该浮动主体上的框架41，使得它可绕第一旋转轴线I旋转并承载转子R，该转子R又可绕第二旋转轴线II旋转。

连接到该框架41的是发电装置G，该发电装置G设计成由于该框架的旋转而产生电能。

在各种优选实施例中，如在所示的优选实施例中那样，浮动主体2被特别地预先布置成用于绕振荡主轴线振荡，该振荡主轴线在所示实施例中由轴线P表示。

这意味着，在操作中，主体2将相对于波前呈现优先定向，其将借助于锚固系统来保持在该优先定向上，所述锚固系统例如图7中所示的锚固系统，这将在下文中描述。应当注意的是，浮动主体2既可在水面水平处的浮动状态下操作，又可在淹没状态下操作。

主体2配备有壳体（hull），该壳体以形状、尺寸和重量分布为特征，这些特征特意地设计成用于使得其特别地构造成用于绕前述的振荡主轴线P振荡。从这个角度来看，用于设计壳体的一般原理本身在本领域中是已知的，并且因此，本文中将不会详细地描述，以免过度地详述当前描述，而是立即强调解决方案的创新方面。参考附图（参见图4）中所示的实施例，这里应简单地指出，主体2可呈现出适当的腔室21，该腔室21设计成填充有压舱物，例如水、沙等，用于调整所安装的系统的浮动部分以及其总质量，以便在其上赋予期望的惯性。

如上面提到的，在本文所述的系统中，浮动主体2包括如下设备，即：该设备设计成改变系统的共振峰的频率，特别是相对于主体2绕主轴线P的振荡运动来改变系统的共振峰的频率。

在各种优选实施例中，如在所示的优选实施例中那样，所讨论的设备特别是包括第一腔室52和第二腔室54，它们相应地位于主体2上的头部处和尾部处，即位于振荡轴线P的相对侧处，该第一腔室52和第二腔室54液压地连接到彼此，并且被设计成接收给定量的液体，例如海水。

由于主体2的振荡，这两个腔室之间的液压连接引起从一个腔室到另一个腔室的具有往复运动的液体流动。

该设备还包括如下装置，即：该装置设计成控制上述流动，从而中断它或改变其速率。

现在应当注意的是，所讨论的设备所允许的系统的共振峰的频率变化通过腔室52和54之间的流动速率的变化来获得，如将在下文中参考图3说明的。

图3图示了根据振荡周期的系统的振荡幅度的两条不同曲线，这两条不同曲线表示如下特性：系统的操作状态之一，在该操作状态下，所提到的液体流量为零（曲线A1）；以及另一种操作状态，在该操作状态下，相反该流量存在并且等于非零的一般值（曲线A2）。

如可以看到的，每条曲线分别标识了一个或多个特定的共振周期（或频率），其对应于曲线的单个峰值或多个峰值；特别地，可以注意到，曲线A2标识了两个不同的共振周期。因此，根据所示的示例，当流量等于零时，系统将呈现曲线A1的共振周期，而在存在流量的情况下，系统将呈现曲线A2的两个共振周期。

现在，根据由于海洋的波动引起的促动载荷（forcing load）的振荡周期是多少，本文所述的系统因此可提供控制，该控制通过所述的调节设备执行，以便假定共振周期等于或在任何情况下尽可能接近波动的促动周期（forcing period）。

鉴于上面所述的内容，显然相对于波前的幅度，这将使得系统能够使响应的振荡幅度最大化。

作为示例，参考图3的具体示例，在促动波载荷具有7s的振荡周期的状况下，此示例的系统因此将提供如下控制，即：其中，该设备的两个腔室之间的流动被阻塞，以便根据特性曲线A1来操作，该曲线A1限定了7s处的共振峰周期。替代地，在波动的振荡周期为10s的状况下，系统将调节两个腔室之间的流动，以便根据曲线A2来操作，该曲线A2的共振峰正好处于10s处。

再次参考图3，现在总体上可以注意到，除了该图中所呈现的特定值之外，两个腔室之间的平均流率增加得越多，曲线A2的两个峰就远离彼此移动得越多，并且相反，流率减少得越多，这两个峰就越接近彼此，直到当流量变为等于零时它们在曲线A1中重合。

本申请人已发现，通过控制所讨论的压载流体的流率，可以将共振周期、即频率的倒数改变大约几秒的值。

设计成调节两个腔室52和54之间的液体流动的上面提到的装置可由直接位于用于连接在这两个腔室之间的管道上的阀构成，所述阀例如为分段阀，该分段阀设计成将其流动剖面（section of flow）从零值改为最大值。在替代实施例中，上述装置可替代地由阀表示，该阀直接与每个腔室相关联，优选地设置在其顶部部分中，并控制腔室与外部大气压的连通；该阀阻塞所讨论的流动，从而将相应的腔室设置在负压状态下。

此外，针对每个腔室或仅针对这两个腔室中的一个，所讨论的设备可包括如下装置，该装置设计成通过从外部获取液体或者在外侧上排空容纳在其中的液体来改变这两个腔室内的液体液位。此外，对系统的状态的这种修改也具有产生系统共振频率的变化的效果，并且因此，上述装置也可介入，以进行上述调节。

此外，所讨论的设备可包括主动装置，例如放置在连接两个腔室的管道中的一个或多个液压泵，或者处于每个腔室的顶部上的一个或多个压缩机，该主动装置在被激活的情况下能够增大或减小连通腔室之间的流率。

调节设备的刚刚描述的构造代表了针对该设备的优选构造。如已经看到的，连接在一起的两个腔室52和54实际上呈现出在存在两个腔室之间的流动的情况下确定两个共振频率的特殊性，并且这提供了如下优点，即：增加了系统适应不同海洋状况的能力。

但是，应当注意的是，本文所述的设备然而也可呈现不同的构造；例如，对于多方向系统，可设想三个或四个腔室。

现在参考系统的陀螺仪结构4，首先应注意的是，这优选地仅具有一个自由度。此外，它根据一定定向位于主体2上，使得旋转轴线I正交于主体2的振荡轴线P。这提供了如下优点，即：在这种情况下，陀螺转矩可施加其所有作用，以便提供绕前述轴线的进动运动。在这方面，图2图示了进动运动期间的陀螺仪结构的静止图，并且其中还显示了表示该结构的动力学的一些量的矢量。可以注意到，陀螺转矩的矢量T完全沿与进动运动的速度的矢量E的方向相同的方向表示，并且因此，以其整个模数影响前述进动运动的速度的矢量。

在优选实施例中，如在所示的优选实施例中一样，框架41承载集中质量43，该集中质量43优选地被布置在转子R下方，并且具有限制进动运动的范围的功能，从而特别是将转子保持在如下进动角内，即：使得在运动反转时，陀螺转矩仍然足够大，以使得能够准备好并且立即重新开始该运动。

以本身已知的方式，陀螺仪结构的转子R由电动马达M（参见图2）控制旋转，即用于产生引起绕轴线I的进动运动的陀螺力。在本文所述的系统的各种优选实施例中，该系统设想了转子的旋转速度根据具体的海洋状况而变化，特别是在这种情况下，也根据波动的振荡频率而变化。

在这方面，实际上应当注意的是，这种类型的调节使得能够修改系统的共振频率，就像上述设备所进行的调节一样，尽管是在更有限的程度上进行修改。

本申请人已发现，通过控制转子的速度，可以显著地改变共振峰的频率。作为参考，应当注意的是，在一些实验应用中，所获得的变化为大约一秒的变化，即，相对于通过上述调节设备可获得的变化小于一半。

因此，鉴于前述内容，在本文所述的系统中，可以对系统的共振频率提供控制，以使其尽可能接近波动的振荡频率（如果不达到等于该振荡频率的值），一方面，这是通过设置在浮动主体中的调节设备所进行的双重干预，并且另一方面，是通过对转子旋转的控制。该设备使得能够实现共振频率的变化，以实现大的差异，而对转子速度的控制使得能够实现精细调节。

本文所述的系统显然包括控制单元，该控制单元构造成用于控制上面提到的系统的各种装置和致动器，以便进行上面提到的调节。

参考关于波动的振荡频率的信息，该信息对同步系统而言是必要的，这可由控制单元自身基于数据来获得，该数据通过布置在浮动主体上的一个或多个加速度计收集，否则其可通过与系统相关联的特意设置的外部仪器来传输到控制单元，所述外部仪器例如设置在系统附近的波表。可能的是，在设想实施如下控制策略的情况下，控制单元还可使用天气预报中心发送的信息，即：在该控制策略中，系统最初将自身设置在针对天气预报中心所指示的海洋的波动状态预先建立的条件下，并且随后，根据来自加速度计或者来自与系统相关联的波表的更新数据来修改上述条件。

在各种优选实施例中，如在所示的优选实施例中那样，系统10作为整体具有多个陀螺仪结构4，其位于主体2的中央区域中，并且相对于该主体的两个主轴线P和L以对称的方式布置（参见图1）。关于这些陀螺仪结构相对于纵向轴线L的对称布置，要指出的是，优选使设置在轴线L的相对侧处的结构呈完全反相地操作（参见图6），使得施加在浮动主体上的相应反作用力相互抵消。为了获得该操作模式，对控制单元而言控制相应的转子R沿相反方向的旋转就足够了。

最后，如上面所预期的，图7图示了用于锚固发电系统10的系统的示例，该系统可使得后者能够相对于波前自动地定向自身。所讨论的锚固系统具有浸没的主体61，其经由例如链的单连接线62来锚固到海床，并且该主体61替代地通过两个连接线64向上连接到主体2，这两个连接线64在该主体2的尾部区域的两个对称点上约束于主体2。该系统使得主体2在波前的推力下基本上自由地绕海床上的约束点转动，并且由于其壳体的形状，将其自身设置成使得振荡主轴线P正交于波前的前进方向。

当然，在对本发明的原理没有偏见的情况下，相对于本文仅借助于非限制性示例所说明的，构造和实施例的细节可以变化，甚至显著地变化，而不会由此脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。例如，所述系统的电能产生装置可设置有摆状结构或旋转结构，而不是上面说明的陀螺仪结构。

Claims (11)

1.一种用于从海洋的波动产生电能的系统，包括：

- 浮动主体（2），其设计成绕振荡主轴线（P）振荡；以及

- 电能产生装置（4），其被设置在所述浮动主体上，并且包括：主体，所述电能产生装置（4）的所述主体被构造成由于所述浮动主体绕所述主轴线的振荡而移动；以及发电装置，所述发电装置构造成由于所述电能产生装置（4）的所述主体的移动而产生电能；

其中：

- 所述浮动主体（2）包括设置有至少一个腔室的设备，所述至少一个腔室包含受调节装置控制的可变量的液体材料，以便相对于所述浮动主体绕所述主轴线（P）的振荡运动来改变所述系统的共振峰的频率；以及

- 所述系统包括控制单元，所述控制单元构造成用于控制所述调节装置，以便将所述共振峰的所述频率朝向基本上与所述波动的振荡频率相对应的值调节，或者将所述共振峰的所述频率调节到基本上与所述波动的振荡频率相对应的值上，

所述系统的特征在于：

- 所述设备包括第一腔室（52）和第二腔室（54），所述第一腔室（52）和所述第二腔室（54）包含所述液体材料并且被液压地连接在一起，使得由于绕所述主轴线（P）的所述振荡运动，所述液体材料至少部分地从所述第一腔室移位到所述第二腔室，并且反之亦然；以及

- 所述调节装置被构造成用于调节所述液体材料从所述第一腔室到所述第二腔室的流动，并且反之亦然，

其中，所述控制单元被构造成用于根据所述波动的所述振荡频率来控制所述调节装置，并且

其中，所述系统包括至少一个加速度传感器，并且所述控制单元被构造成用于基于由所述加速度传感器发送的加速度信号来控制所述调节装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元被构造成用于从外部装置或从天气预报中心接收指示所述波动的所述振荡频率的信号。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电能产生装置为陀螺仪结构，所述陀螺仪结构包括框架，所述框架可旋转地安装在所述浮动主体上，使得它能够绕第一旋转轴线旋转，并且承载转子，所述转子又可绕第二旋转轴线旋转。

4.根据权利要求3所述的系统，包括电动马达（M），所述电动马达（M）设计成驱动所述转子（R）旋转，其中，所述控制单元被构造成用于根据所述波动的所述振荡频率来控制所述电动马达（M），以便将所述系统的共振峰的频率的值朝向基本上与所述波动的所述振荡频率相对应的值调节，或者将所述系统的共振峰的频率的值调节到基本上与所述波动的振荡频率相对应的值上。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，对于所述第一腔室和所述第二腔室中的每个腔室，所述设备包括设计成改变所述每个腔室内的所述液体材料的液位的液位改变装置，并且其中，所述控制单元被构造成用于根据所述波动的所述振荡频率来控制所述液位改变装置，以便将所述系统的共振峰的频率的值朝向基本上与所述波动的所述振荡频率相对应的值调节，或者将所述系统的共振峰的频率的值调节到基本上与所述波动的振荡频率相对应的值上。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节装置由沿用于连接所述第一腔室和所述第二腔室的管道设置的阀构成。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述调节装置由阀构成，所述阀设计成控制所述第一腔室和所述第二腔室与外部大气压的连通。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述调节装置由主动装置构成，所述主动装置相应地放置在所述管道中或放置在所述第一腔室或所述第二腔室的顶部上，设计成增加所述第一腔室和所述第二腔室之间的液体材料的流率。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述陀螺仪结构（4）仅具有一个自由度。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述框架（51）承载位于所述转子（R）上方或下方的集中质量（43）。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主动装置为泵或压缩机。

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