CN115427676A - 用于能量收集的浮式船 - Google Patents

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CN115427676A CN202180028715.6A CN202180028715A CN115427676A CN 115427676 A CN115427676 A CN 115427676A CN 202180028715 A CN202180028715 A CN 202180028715A CN 115427676 A CN115427676 A CN 115427676A
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Abstract

本发明涉及一种用于能量收集的浮式船(1)，该浮式船包括船体(2)和波浪发电设备(10)。波浪发电设备包括：被布置成对水的波浪进行接纳的入口部(11)，所述入口部(11)通向输送通道(12)，该输送通道被布置成呈一角度，以对进入入口部(11)的水进行输送和提升，所述输送通道(12)通向被升高的盆状件(13)，该被升高的盆状件被布置成对水进行接纳，并且所述盆状件(13)具有通向位于所述盆状件(13)下方的涡轮机(14T)的出口部，所述涡轮机(14T)使发电机(14G)运行，以将水的势能转换为电能。

Description

用于能量收集的浮式船
技术领域
本发明涉及用于能量收集的浮式船以及用于收集能量的方法。
技术背景
提供足够的清洁可再生能源是社会在未来几十年内面临的最大挑战之一。随着可再生能源生产的增加，出现了新的挑战。尤其是，在陆地上放置大型风力涡轮机是有争议的，无论是放置在住宅区域附近还是放置在乡郊区域中，这是因为大型风力涡轮机被一些人认为是视觉污染并且对鸟类种群有害。因此及由于更稳定更高的风力条件，人们期望将风力涡轮机移出到海上的浮式船上。
为了在深水上收集风能，需要浮式风力涡轮机，但是存在一些挑战。为了使浮式风力涡轮机的使用在经济上可行，这些浮式风力涡轮机需要是大型的。浮式风力涡轮机的尺寸给生产、安装和维护带来了挑战。需要较大的面积以用于对浮式风力涡轮机进行生产和储存，并且由于通常需要大型浮式起重机，安装和维护是昂贵的。
大型浮式风力涡轮机的转子直径达150米并且变得越来越大。这种大型转子的挑战是，转子叶片的梢部速度变得非常高，并且最终在大风中限制了风力涡轮机。超过一定的风速时，风力涡轮机就无法利用风中的全部能量潜力。
对经济性和碳足迹两者都产生影响的另一方面是浮式发电机中所需的材料数量。由于浮式发电机的尺寸和所承受的力，所以需要大量的钢材、纤维增强塑料和混凝土。
收集可再生能源的另一种方式是将波浪能转换为另一形式的能量。已经尝试了多种设计，但已经证明的是，难以找到用于波浪发电设备的在经济上可行的解决方案。
期望的是，从构建中所使用的每吨建造材料、钢材或其他类型的材料中获得尽可能高的功率输出。因此，将浮式风力涡轮机与波浪发电结合可以被视为一种是使发电设备所用的每吨建造材料的功率输出提高的可能性。问题是，大多数已知的海上波浪发电设备是基于某种漂浮物被波浪竖向振荡的原理来建造的。另一方面，浮式风力发电机的基础被设计成在海浪中尽可能少地移动，以避免对风力发电机的部件产生有害的应力。因此，到目前为止，已经证明的是，难以在一个海上浮式结构中将对波浪能和风能的收集相结合。
另一个使海上的浮式风力机/风力发电机和波浪发电设备两者的成本增加以及灵活性降低的方面是锚定。为了在具有恶劣天气条件的区域中保持这种大型设施的位置，需要锚定。需要多个大且重的锚和较长的锚线。这极大地增加了成本并且降低了灵活性。另一方面，使用电机的动态定位来保持这种浮式发电设备的位置将消耗大量的能量，使得能量的净输出将会较低。
发明目的
本发明的目的是提供一种用于收集能量的浮式船。
本发明的另一目的是提供一种用于收集能量的浮式船，该浮式船可以在无需系泊的情况下保持船相对于海床的位置，并且能量消耗较少。
本发明的另一目的是提供一种用于收集能量的浮式船，该浮式船通过使用帆或翼状部来利用风中的能量以保持该浮式船相对于海床的位置。
本发明的另一目的是提供一种用于收集能量的浮式船，该浮式船通过使用帆或翼状部来利用风中的能量以进行操纵和移动。
本发明的又一目的是提供一种可以收集风能和波浪能两者的船。
本发明的又一目的是提供一种船，该船可以收集风能和波浪能两者并且同时还能在没有系泊线的情况下保持该船的位置。
又一目的是提供一种用于收集能量的浮式船，与现有的用于收集能量的浮式船相比，本发明的浮式船中所使用的每吨材料可以收集更多的能量
发明内容
在一个方面中，本发明提供了用于收集能量的浮式船。该浮式船包括：船体；以及波浪发电设备。波浪发电设备包括位于船体中的进口，该入口部被布置成对水波浪进行接纳。所述入口部通向输送通道，该输送通道被布置成呈角度以对进入该入口部的水进行输送和提升。
所述输送通道通向被布置成对水进行接纳的被升高的盆状件，并且所述盆状件具有通向位于所述盆状件下方的涡轮机的出口部。所述涡轮机使发电机运行，以将水的势能转换为电能。
浮式船还可以包括位于所述入口部处的保护装置，该保护装置用于保护波浪发电设备免受到来的波浪的影响，其中，所述装置包括被布置成在打开位置与关闭位置之间移动的门。
浮式船还可以包括安装在所述船体上的至少一个波浪箔，所述波浪箔被布置成通过相对于水的竖向运动而产生向前的推力。
浮式船还可以包括至少一个舵。
浮式船还可以包括从该浮式船向上突出的至少一个翼型件形状本体，并且该翼型件形状本体被布置成通过风而产生用于推进浮式船的推力。
翼型件可以是翼状部或帆。
在另一方面中，本发明涉及用于从波浪中收集能量的方法。该方法包括以下步骤：
提供所述浮式船，以及
将所述入口部引导成朝向到来的海洋波浪，以允许所述波浪将水经由所述输送通道向上输送至被升高的所述盆状件，并且将所述水经由所述出口部向下引导至所述涡轮机以使所述发电机运行，从而将所述盆状件中的水的势能转换成电能。
该方法还可以包括将具有门的保护装置关闭的步骤，该保护装置位于所述入口部处用于保护波浪发电设备免受到来的波浪影响，该步骤包括在波浪超过所述发电设备的设计范围的情况下将该门关闭。
该方法还可以包括：利用所述船体上的至少一个波浪箔来通过所述箔相对于水的竖向运动而产生向前的推力。
该方法还可以包括以下步骤：对至少一个舵进行操纵以及对从浮式船向上突出的至少一个翼型件形状本体进行操纵，从而通过风而产生用于推进浮式船的推力，使得船被定向成经由入口部对波浪进行接纳。
该方法还可以包括以下步骤：利用所述推力来保持所述浮式船相对于海床的位置。
该方法还可以包括以下步骤：将翼型件定向成使得浮式船朝向波浪的方向移动，从而使进入入口部的水量增加。
在另一方面中，本发明涉及一种用于产生推力并收集风能的翼型件。
该翼型件包括：
穿过该翼型件的至少一个横向孔，所述横向孔被布置成用于将空气从所述翼型件的较高压力面输送至所述翼型件的较低压力面，以及
风力涡轮机，该风力涡轮机包括布置在每个孔中的涡轮机转子和发电机。
翼型件还可以包括覆盖件，该覆盖件被布置成延伸以对翼型件的至少一个面进行覆盖，从而完全地或部分地阻挡气流穿过一个或更多个孔。
覆盖件可以是织物片材，该织物片材被布置成进行移位以打开和关闭，以将翼型件覆盖或露出。
覆盖件可以包括固体材料部分，该固体材料部分被布置成滑动以将翼型件覆盖或露出。
附图说明
参照以下附图，现在将仅以示例的方式对本发明的实施方式进行描述，其中：
图1从原理上示出了本发明的实施方式。该简图以截面的方式部分地示出了内部部件中的一些部件。
图2以立体图的方式示出了本发明的实施方式。
图3以立体图的方式示出了本发明的实施方式。
图4以立体图的方式示出了本发明的实施方式。
图5以截面图的方式示出了多转子风力发电机。
Figure BDA0003890538290000051
Figure BDA0003890538290000061
具体实施方式
本发明涉及浮式船1，该浮式船1用于在海上或其他水域诸如湖泊处从风和波浪中收集能量。在一种可能的实施方式中(参见图1)，浮式船1包括波浪发电设备10、多转子风力机/风力发电机20、波浪箔30、以及一个或更多个发电螺旋桨40。
在一种实施方式中，波浪发电设备10包括入口部11、输送通道12、被升高的贮存器/盆状件13、和涡轮机14T。波浪发电设备10还可以包括发电机14G，该发电机14G连接至涡轮机14T以用于产生电力。
多转子风力发电机20包括具有发电机22G的多个涡轮机转子22，该涡轮机转子22被包括在翼型件形状本体21诸如翼状部21中。
在一种实施方式中，浮式船1可以被成形为类似于图2至图4中可见的船。当浮式船1在收集能量时，艏被引导至到来的波浪的方向。浮式船1可以具有隔离装置诸如门，该隔离装置优选地为艏端口或艏门3，该隔离装置在打开时露出入口部11。用于隔离的装置不一定需要位于艏处(如果该船被成形为如图2至图4中的船)，因为入口部可以被布置成从例如船1的侧部对波浪进行接纳。
当波浪高度超过浮式船1和/或发电设备10的设计范围时，艏门3可以被布置成关闭并且将波浪发电设备10与到来的波浪隔离。
在艏门3打开的情况下，波浪将被入口部11收集并且被引导至输送通道12中，该输送通道12被布置为成一角度，因此该输送通道12将水从海平面提升并且进入到被升高的贮存器或盆状件13中。被升高的盆状件13通过一个或更多个管状件或管道15被向下排出至与发电机(附图中未示出)连接的涡轮机14T。涡轮机14T被放置成尽可能靠近于水线，以使涡轮机14T上方具有尽可能多的水位差。水在经过涡轮机14T后可以进入到周围的海洋或湖泊中。
可以使用不止一个涡轮机14T和不止一个发电机14G，从而可以对波浪发电设备10的容量进行调节。在任何给定时间处于使用中的涡轮机14T的数量可以根据被提升到被升高的盆状件13中的水量来进行调节。
为了针对不同的波浪高度和条件而对波浪发电设备10进行优化，可以对被升高的盆状件13的高度进行调节，并且同样地，可以对输送通道12的角度进行调节。输送通道12可以另外设置有用于使沿着输送通道12向下流动的水转向的设备。这是为了避免通过在入口部方向上沿着输送通道12向下流动的水而使来自到来的波浪的水减速。在一种可能的实施方式中，该设备可以是位于输送通道12的底部中的翻板。当来自波浪的水向上流动到被升高的盆状件13中时，该翻板被置于与输送通道12的底部齐平，以及当水沿着输送通道12向下流动时，该翻板向上翻转成与输送通道12的底部成一角度。经转向的水可以被引导到涡轮机中来发电。
浮式船1可以设置有螺旋桨40，以利用浮式船相对于周围水体的运动来发电。螺旋桨40可以从船体2突出到海洋中，如图1中可见。螺旋桨40在不使用时可以回缩到船体2中。
由浮式船1收集的能量可以被储存在船上或者可以经由浮式船在其位置处所连接的基础设施进行传输。
在对能量进行储存的情况下，则该能量可以如所述的通过发电机被转换为电能并且被储存在电池中。另一种可能性是通过在电解器中利用电流来生成储存在罐中的氢气而对能量进行储存。
对于没有系泊线的浮式船1而言，为了使收集能量在经济上是可行的，浮式船1不应依赖于供给的能量来进行定位或推进。因此，理念是利用作用在浮式船上的力来进行定位或推进。
浮式船可以包括多个装置，该多个装置用于利用作用在浮式船1上的自然力来进行推进或保持在相对于海床的位置处。这种装置可以是一个或更多个翼型件21诸如帆或翼状部21、一个或更多个波浪箔30以及一个或更多个舵4。
在航行中，术语“停航”或“被停航”是指用于使航行中船的向前运动减速的技术。在应用该技术时，作用在船上的力被设置成互相抵消，因此力的总和等于零或接近于零，从而使船处于静止或接近于静止。换言之，当来自一个或更多个帆的驱动作用与来自一个或更多个其他帆的驱动大致平衡时，船被“停航”。
“停航”技术背后的原理可以被用于收集能量的浮式船1的位置进行保持。浮式船可以配备有翼型件21，该翼型件既可以用于在收集能量时保持位置，也可以用于在浮式船1需要移动时使该浮式船1航行。
可以使用帆或翼状部21，甚至可以使用帆与翼状部21的组合。翼状部21可以是较硬且较刚性的结构，并且翼状部21可以类似于被布置成从浮式船的顶部甲板竖向地向上突出的飞行器机翼，如图1至图4中可见。在图5中示出了翼型件/翼状部21的截面。图5中的翼型件21设置有内部风力涡轮机22、22G，并且翼型件21可以被视为多转子风力涡轮机20。这种翼型件21不一定需要设置有风力涡轮机和孔23。浮式船1上的一些翼型件21可以仅是普通的翼型件21，而一些翼型件21可以配备有风力涡轮机22、22G。这将尤其地取决于产生足够的推力所需的面积。翼型件21和多转子风力发电机20将在下文中进行较详细地讨论。
除了翼型件21外，可以利用波浪箔30来进行定位和推力。波浪箔30可以连接至浮式船1的船体2，并且波浪箔30将与浮式船1一起在水中上下移动。
波浪箔背后的原理对于本领域技术人员而言是已知的。浮式船1将由于波浪而在水中上下移动，以及一个或更多个波浪箔30将上下移动中的一些上下移动转换为向前的推力。波浪箔被成形为使得：当波浪箔在水中上下移动时，波浪箔产生升力，并且该升力的向前推力分量比阻力大，从而产生用于浮式船1的向前推进力。
除了产生向前的推力外，波浪箔30还具有期望的效果，那就是使浮式船1稳定。为了将尽可能多的水提升到被升高的盆状件13中，浮式船1应尽可能地穿过波浪前进，而不是在波浪的顶部上航行。波浪箔30将对起伏和俯仰进行限制，并且因此使更多的水进入到入口部11中。同时，由于波浪箔30使竖向运动减少，波浪箔30将在进入波浪的方向上产生向前的推力。这有助于保持浮式船1的位置，并且使每时间单位进入入口部11的水量增加。波浪箔30还可以是可调节的和/或可旋转的，使得推力的方向可以被调节，以用于保持浮式船1的位置、对船1进行定向、或者用于使浮式船1移动。
在一种可能的实施方式中，浮式船1使用动态定位系统来保持它的位置，该动态定位系统向翼型件21、舵4以及一个或更多个波浪箔30发送控制信号。另外，浮式船1可以配备有与马达连接的备用推进螺旋桨5作为备用。例如，在紧急情况下可以使用备用推进螺旋桨5和马达。该马达可以是电动马达，并且可以使用储存在船上的能量。
翼状部/翼型件21的一般原理是，由于空气在一个侧部上的行进距离较长，所以在翼型件21上会出现压力差。同样的一般原理也适用于飞行器机翼、以及用于航行和多种其他应用的帆。
图5以截面图的方式示出了多转子风力发电机20的可能实施方式，该多转子风力发电机20还可以用于在所需的方向上产生推力。多转子风力发电机20包括翼型件21。翼型件21包括一个或更多个孔23，该孔23被布置成大致垂直于翼型件的轴线，该轴线从翼型件21的前缘24延伸至翼型件21的后缘25。从而使空气从翼型件21的较高压力面27流动至翼型件21的较低压力面26。孔23或通道不必与翼型件21的纵向轴线或者从前缘24延伸至后缘25的轴线相垂直，但是孔可以垂直于这些轴线中的一个轴线或两个轴线。
在适当的条件下，空气通过孔23的速度将大于风速。证实穿过翼状部(在孔23中)的风速高于周围环境中的一般风速的示例是帆船的示例。在风从后面直接进入帆的情况下(随风行进)，帆船不会达到最高的航行速度。当帆船通过帆来利用翼状部/翼型件的原理时(例如在迎风航行、顺风航行或正横风航行时，而不是随风行进时)，帆船达到较高的速度。
在一种可能的实施方式中，一个或更多个多转子发电机20可以如帆船上所使用的帆一样使用。每个孔23可以配备有覆盖件，以防止气流穿过孔。通过打开和关闭孔，可以对来自翼型件21的推力进行调节。覆盖件可以是帆，该帆可以从一侧至另一侧逐渐展开在翼型件21上，或者覆盖件可以是滑动覆盖件，该滑动覆盖件滑动跨过孔23或通道。当风大于推力或推进力所需的风时，这种多转子发电机20可以被调节成通过对在较高压力面27与较低压力面26之间跨涡轮机转子22的流动面积进行调节来产生较少的推力/推进力以及收集较多的风能。
与大型转子相比，风力涡轮机22、22G上的小型涡轮机转子22具有一个明显的优点。该优点是，小型转子不像大型转子那样受限于梢部速度。直径可以达150米的传统的大型风力涡轮机将具有极大的梢部速度，即使在低转速下也是如此。因此，传统的大型风力涡轮机不能利用大风条件，因为梢部速度会损坏转子的梢部。通过使用许多小型转子来覆盖一定的区域，而不是使用一个大型转子来覆盖相同的区域，可以较好地利用大风条件来发电/收集，同时，小型转子和发电机对移动不那么敏感。
对于以收集可再生能源为目的浮式船1而言，为了在经济上可行，该浮式船1需要在所有条件下都收集尽可能多的能量。在风暴期间，浮式船1可能无法使用波浪发电设备10。
这时可以通过将艏门3关闭来使波浪发电设备10隔离。即使艏门3被关闭以保护浮式船1，多转子风力发电机20和螺旋桨40也可以收集能量。多转子发电机20并不受限于转子的梢部速度，并且因为艏门3被关闭而产生较多的竖向运动，螺旋桨40将产生较多的能量。
波浪箔可以帮助优化浮式船的行为，从而既在艏门打开时将尽可能多的水提升到被升高的盆状件13中，又在将波浪发电设备10与波浪隔离时对螺旋桨40的发电进行优化。
向波浪发电设备、多转子发电机20、螺旋桨40和波浪箔30等发送控制信号的控制系统需要在任何给定时间对浮式船进行安全性、定位和电力收集方面的优化。
术语能量收集和收集能量是指将能量被从一种形式转换为另一种形式。比如，将来自风或波浪的能量转换为可以较容易储存和利用的能量形式，例如电力。
在替代性实施方式中，弗莱特纳(Flettner)转子被用作风力涡轮机以收集风能，并且同时，弗拉特纳转子的马格纳斯(Magnus)效应被用于定位目的和/或推进。竖向的弗莱特纳转子将产生与风向垂直的力分量。该力分量可以用于保持浮式船1的位置或者用作对推进力的贡献。
弗拉特纳转子可以用来代替前述浮式船1上的翼状部或帆，或者可以与前述浮式船1上的翼状部或帆一起使用。

Claims (16)

1.一种用于能量收集的浮式船(1)，所述浮式船(1)包括：
船体(2)，以及
波浪发电设备(10)，所述波浪发电设备(10)包括：
入口部(11)，所述入口部(11)被布置成对水的波浪进行接纳，
所述入口部(11)通向输送通道(12)，所述输送通道(12)被布置成呈一角度，以对进入所述入口部(11)的水进行输送和提升，
所述输送通道(12)通向被升高的盆状件(13)，所述盆状件(13)被布置成对水进行接纳，以及
所述盆状件(13)具有通向位于所述盆状件(13)下方的涡轮机(14T)的出口部，所述涡轮机(14T)使发电机(14G)运行，以将水的势能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的浮式船(1)，所述浮式船还包括位于所述入口部(11)处的保护装置(3)，所述保护装置(3)用于保护所述波浪发电设备(10)免受到来的波浪的影响，其中，所述装置包括门(3)，所述门(3)被布置成在打开位置与关闭位置之间移动。
3.根据任一前述权利要求所述的浮式船(1)，所述浮式船还包括安装在所述船体(2)上的至少一个波浪箔(30)，所述波浪箔(30)被布置成通过相对于水的竖向运动而产生向前的推力。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的浮式船(1)，所述浮式船还包括至少一个舵(4)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的浮式船(1)，所述浮式船还包括从所述浮式船(1)向上突出的至少一个翼型件形状本体(21)，并且所述翼型件形状本体(21)被布置成通过风而产生用于推进所述浮式船(1)的推力。
6.根据权利要求6所述的浮式船(1)，其中，所述翼型件(21)是翼状部(21)或帆。
7.一种用于通过波浪收集能量的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供权利要求1的浮式船(1)，
-将所述入口部(11)引导成朝向到来的海洋波浪，以允许所述波浪将水经由所述输送通道(12)向上输送至被升高的所述盆状件(13)，并且将所述水经由所述出口部向下引导至所述涡轮机(14T)，以使所述电力生成器(14G)运行，从而将所述盆状件(13)中的水的势能转换成电能。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括将具有门(3)的保护装置(3)关闭，所述保护装置(3)位于所述入口部(11)处且用于保护所述波浪发电设备(10)免受到来的波浪影响，所述方法包括在波浪超过所述发电设备(10)的设计范围的情况下将所述门(3)关闭。
9.根据权利要求7或8中的任一项所述的方法，所述方法还包括：利用所述船体(2)上的至少一个波浪箔(30)，通过所述箔(30)相对于水的竖向运动而产生向前的推力。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：对至少一个舵(4)进行操纵以及对至少一个翼型件形状本体(21)进行操纵，以将所述船(1)定向成经由所述入口部(11)对波浪进行接纳，所述翼型件形状本体(21)从所述浮式船(1)向上突出，从而通过风产生用于推进所述浮式船(1)的推力。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括利用所述推力来保持所述浮式船(1)相对于海床的位置。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括：将所述翼型件(21)定向成使得所述浮式船(1)朝向波浪方向移动，从而使进入所述入口部(11)的水量增加。
13.一种用于产生推力并且收集风能的翼型件(21)，其中，所述翼型件(21)包括：
-穿过所述翼型件(21)的至少一个横向孔(23)，所述横向孔(23)被布置成用于将空气从所述翼型件(21)的较高压力面(27)输送至所述翼型件(21)的较低压力面(26)，以及
-风力涡轮机，所述风力涡轮机包括在每个孔(23)中布置的涡轮机转子(22)和发电机(22G)。
14.根据权利要求13所述的翼型件(21)，其中，所述翼型件(21)还包括覆盖件，所述覆盖件被布置成延伸以对所述翼型件(21)的至少一个面(26、27)进行覆盖，从而完全地或部分地阻挡气流穿过一个或更多个所述孔(23)。
15.根据权利要求14所述的翼型件(21)，其中，所述覆盖件是织物片材，所述织物片材被布置成进行移位而被打开及关闭，以将所述翼型件(21)覆盖或露出。
16.根据权利要求14所述的翼型件(21)，其中，所述覆盖件包括固体材料部分，所述固体材料部分被布置成滑动以将所述翼型件(21)覆盖或露出。
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