CN1253610A - 用于转换波浪能量的系统 - Google Patents

Abstract

一种系统,其用于转换一个带有水底的水域中的波浪能量,该系统包含:一个固定元件(9)刚性安装在水域的水底上;浮性装置(13);连接装置用于将浮性装置通过铰链连接在固定元件上,其中,浮性装置可以在一个竖直平面内绕着固定元件(9)中的一个中心轴旋转;至少一个活塞装置(49)用于在活塞装置收缩和伸出时分别压缩和抽吸液压工作液,活塞装置在一端铰接在固定元件或水底上,并在另一端铰接在浮性装置或连接装置上;一个液压马达(53)机械式连接着一个发电机或其它合适的装置;以及一个管道系统(57)用于将活塞装置中的液压工作液连通到液压马达中。

Description

用于转换波浪能量的系统

技术领域

本发明涉及海浪和水流中的能量利用，特别是用于将海浪和水流中的能量转换为可消耗能量的设备。

现有技术背景

现在已经提出了各种方法以利用海浪涨落所产生的能量。已经提出的设备中包含有飘浮着或固定在海底的机器，以将波浪能量转换为可储存的形式；或者使用漂浮的浮标或气球，其在波浪产生的力的作用下在竖直方向振荡。

在一些装置中通常建议采用飘浮部件，以利用波浪起落引起的重力；而在另一些装置中则建议采用固定装置，以将水的水平流动转换为电能。因此，每个装置只能采集海浪涨落和流动所产生能量中的一种形式。

还有一些尝试是通过齿轮旋转带动一个液压泵，以将飘浮气球的起落产生的波浪力转换为电能。这些齿轮连接着飘浮气球和一个液压泵，液压泵将液体排入一个蓄能器中，之后，蓄能器又将液体输送到一个发电站。

在这种设备中因飘浮部件产生的一个缺点是，被该部件吸收的海浪能量的量值取决于该部件相对于海潮液位所处的位置，高潮和低潮之间的液位差别可达几米。此外，一些装置中的元件必须安装在海底、海岸或一个平台上，因此制造或保养费用极其昂贵，或只能局限于浅海或邻近海岸处。

现已提出了各种解决办法，其中包括利用连接着计算机的波浪传感器，以精确控制飘浮部件的运动。这些解决办法的缺点是需要复杂的电子装置，而这样的电子装置可能会断开、失效，而且安装和保养费用高。远离海岸的设备需要有昂贵的装置以转换波浪能量并传输到岸上。

因此，现在已经广泛认识到，需要有一种高效和低成本的方法以将海浪产生的能量转换为可消耗能量，例如电能，同时又能够克服上述缺点，而这样的方法也是非常有益的。

下面将解释本发明是如何实现上述以及其它目的的。

本发明公开

根据本发明，提供了一种系统，其用于转换一个带有水底的水域中的波浪能量，该系统包含：一个固定元件刚性安装在水域的水底上；浮性装置；连接装置用于将浮性装置通过铰链连接在固定元件上，其中，浮性装置可以在一个竖直平面内绕着固定元件中的一个中心轴旋转；至少一个活塞装置用于在活塞装置收缩和伸出时分别压缩和抽吸液压工作液，活塞装置在一端铰接在固定元件或水底上，并在另一端铰接在浮性装置或连接装置上；一个液压马达机械式连接着一个发电机或其它合适的装置；以及一个管道系统用于将活塞装置中的液压工作液连通到液压马达中。

在一个优选实施例中，浮性装置中包含一个飘浮部分和一个波浪能量收集装置，该收集装置中包含一个空腔，该空腔上带有一个面对着迎面波浪前进方向的开口。优选的结构是，连接装置中包含至少两个平行支撑臂，每个支撑臂铰接在固定元件和浮性装置上，其中，每个支撑臂可以分别在一个竖直平面内绕着固定元件和浮性装置旋转，对于所有相应支撑臂，每个支撑臂在其铰链之间的长度均相等，而且其中，浮性装置可以在一个竖直平面内相对于固定元件沿着一个圆自由移动，而同时飘浮部分则被保持在收集装置上方。进一步优选的结构是，开口是倾斜的，从而使其上缘距迎面波浪比其下缘近，而且浮性装置中包含一个波浪导流表面，其在开口的上方伸向迎面波浪。可选择的结构是，至少一个支撑臂包含一个平衡配重，其从中心轴向着与浮性装置相反的一侧伸展。

根据一个优选实施例的另一个方面，管道系统中包含一个压力罐，而且管道系统将活塞装置中的液压工作液连通到压力罐，并将压力罐中的液压工作液连通到液压马达。

优选的结构是，管道系统中包含两个导管，它们将液压工作液从至少一个活塞装置引入压力罐，所述导管中的第一个导管用于在活塞装置收缩时将液压工作液引入压力罐，而第二个导管用于在活塞装置伸出时将液压工作液引入压力罐。

进一步优选的结构是，管道系统中还包含一个液压工作液储存罐，其用于向活塞装置供应液压工作液，并从液压马达收集液压工作液和从压力罐收集多余液压工作液。

管道系统中还包含一组单向卸压或压差控制阀，用以控制液压工作液流向所需方向，而且压力罐和/或液压马达上安装着卸压阀，以将多余液体从系统中排出。

优选的结构是，压力罐中容纳着气体，该气体被高压压缩，用以基本上平稳地将压力从压力罐施加到液压马达。

通过下面的说明，可以使本发明的其它特征和优点更加清楚，该说明只以示例的方式给出。附图说明

通过下面的详细说明以及图1中的附图，可以使本发明被进一步理解和领会，图1中显示了根据本发明的一个优选实施例的用于将波浪能量转换为可消耗能量的系统的示意图。

实施本发明的优选实施例

请参考图1，图中简要显示了波浪能量转换系统中的主要组成部件，该系统总体上以代号1表示。理论上讲，系统1可以安装在任何带有水底5和水位7的水域3中。但是，系统1主要面向开发大洋、海和大湖中自然出现的大浪。系统1中包含一个固定元件9，其通过，例如，混凝土块11固定安装在水底5上。可以理解，为了清楚显示，系统1中的所有元件所占比例均被扩大，特别是固定元件9，它们的实际比例可能有很大差别。例如，当系统1安装在海水较高或洋底较深处时，固定元件9的高度和宽度会大得多。系统1通过设计飘浮在水上的浮性装置13收集波浪能量。优选的结构是，浮性装置13中包含漂浮部分15和一个波浪能量收集部分17。波浪能量收集部分17包括一个空腔19，空腔19是带有一个开口21，开口21面对着以箭头23表示的迎面波浪的前进方向。

浮性装置13通过一个连接装置24铰接在固定元件9上，连接装置24可以简单地以一个普通杆构成，这样，浮性装置13可以在一个竖直平面内绕着固定元件9上的一个轴旋转。

图1中的优选实施例显示了一个更加复杂的连接装置24。连接装置24中包含至少两个平行支撑臂，例如支撑臂25和27，它们分布铰接在固定元件9和浮性装置13上。支撑臂25在铰链29处铰接在固定元件9上，并在铰链31处铰接在浮性装置13上。支撑臂27在铰链33处铰接在固定元件9上，并在铰链35处铰接在浮性装置13上。每个支撑臂分别在一个竖直平面内绕着它在固定元件9和浮性装置13上的铰链旋转。所有支撑臂在它们的两个铰链之间的长度均相等。因此，每一对这样的支撑臂上的四个铰链，例如轴29、31、33和35，总是构成一个虚拟的平行四边形。从上面的说明可以看出，如果所有的支撑臂，例如支撑臂25和27，均允许移动而不带附加限制，则它们在浮性装置13上的铰链，即31和35，会分别沿着一个圆形轨迹37和39移动。因此，浮性装置可以在固定元件9所在的一个竖直平面内沿着一个圆(其中心位于轴29和31之间的中央处)或这个圆的一部分移动，而飘浮部分15被保持在收集装置17上方。浮性装置13与支撑臂之间的轴承可以设计成这样的结构，即能够限制支撑臂相对于固定元件9的运动，从而将浮性装置13的运动限制在圆形轨迹的一部分上。对于系统1的特定结构设计，要考虑到诸如结构强度、平均浪高与圆半径之间的比例等问题。

当一个波浪遇到浮性装置13后，由于浮性装置13本身重量较小，因此它会飘浮并上升。它的下部收集装置19或者已经浸入水中，或者正在通过波浪中的水从开口21注入空腔19中而被填充。当波浪经过系统1之后，水位会急剧下降，在这个阶段，空腔19中容纳的水的额外重量将产生一个显著的重力，该重力可以持续地将浮性装置13向下拉动。

此外，波浪中沿方向23撞击浮性装置13的能量被分解为两个彼此呈直角的矢量力：一个竖直上升的矢量力和一个沿方向23的水平力。在浮性装置13的圆形轨迹的一侧41与轨迹底部(邻近于固定元件9)之间的一个位置上，两个矢量力可以构成一个将浮性装置13向着一侧41推动的上升力，同时又将水填充进空腔19中以增加空腔19中聚集的势能。当波浪经过后，这种额外的势能将释放出来，如前所述。为了提高浮性装置13的能量吸收能力，其面向迎面波浪的壁43可以是倾斜的，以构成一个在开口21上方伸向迎面波浪的波浪导流表面，如图1所示。开口21的倾斜还使得其上缘距迎面波浪比其下缘近，如图1所示。开口21的这种结构还使得，当波浪撞击到浮性装置13时能吸收和聚集更多的水，而当波浪经过之后，能够释放出更多的水。

作为可选择的结构，至少一个支撑臂，例如图1中的壁25，可以包含一个平衡配重45，该配重从中心轴29向着与浮性装置13相反的一侧伸展。

可以理解，由于浮性装置13沿着一个圆形轨迹移动，而波浪升降所提供的竖直矢量力较多，因此使得装置13在圆形轨迹的侧面41或47附近的移动要多于在圆形轨迹顶部或底部处。因此，系统1可以设计成这样的结构，即如果水域是多浪的，则浮性装置13在大部分时间内位于圆形轨迹的侧面41或47附近，而如果水域以下流层变化为主，则浮性装置13在大部分时间内位于圆形轨迹的底部或顶部附近。

此外，如果迎面波浪改变了其前进方向，则系统1可以容易地改变其方位，以真正的面对迎面波浪前进方向。这可以通过下面的方式实现，例如，使固定元件9或其上部能够绕着一个轴线自由旋转，从而带动一个“尖头形”浮性装置13(甚至也带着配重45)旋转，就象风向标那样。

为了将波浪能量转换为可消耗能量，系统1中包含至少一个活塞装置，例如活塞装置49，当活塞收缩或伸出时，可以分别压缩或抽吸液压工作液。活塞装置49在一端，例如图1中的铰链51处铰接在一个支撑臂，例如图1中的臂25上。活塞装置49在另一端，例如图1中的铰链52处铰接在固定元件9上，或者也可以直接铰接在水底5上。系统1中还包含一个液压马达53，其机械式连接着一个发电机或任何其它合适的装置。最后，系统1中还包含一个管道系统57，其将活塞装置49中的液压工作液连通到液压马达53。作为一个可选择的特征，管道系统57中可以包含一个压力罐59。在这种情况下，管道系统57将活塞装置49中的液压工作液连通到压力罐59，再从压力罐59连通到液压马达53。

在一个优选实施例中，管道系统57中包含两个导管61和63，用以将液压工作液从活塞装置49连通到压力罐59。管道系统57中的第一个导管61用于在活塞装置49收缩时将液压工作液引入压力罐59中，而第二个导管63用于在活塞装置49伸出时将液压工作液引入压力罐59中。

管道系统57中可以装有一个简单的封闭回路，以将活塞装置49直接连通液压马达53。然而，管道系统57中优选包含一个液压工作液储存罐65，用以向活塞装置49供应液压工作液并从液压马达53收集液压工作液。当压力罐59构成管道系统57一部分的情况下，液压工作液储存罐65用于向活塞装置49供应液压工作液并收集来自液压马达53的液压工作液和来自压力罐59的多余液压工作液。

优选的结构是，管道系统57中还包含一组单向卸压或压差控制阀，用于控制液压工作液流向所需方向。例如，液压工作液压力罐59上可以安装一个卸压阀67，以排泄来自罐59的多余液压工作液。图1中显示了单向阀的一种可行安置方式。阀69和71分别安置在导管61和63中，并只允许液压工作液向着压力罐59(或液压马达53，如果它是由导管61和63直接供工作液的话)单向流动。当活塞装置49向导管61和63中任何一个施加吸力时，阀73只允许向着导管61和63单向流动。包含着机械或电器控制的阀的相同的结构可以用于实现相似的目的。压力罐59是一个中间过渡装置，以调节活塞49产生的突变压力，这种突变压力是由于汹涌或风暴中的波浪而引起的并可导致浮性装置13的突变运动。压力罐59中容纳着处于高压，例如，几百个大气压下的气体，还容纳着一个液压工作液池79。随着活塞装置49源源不断地将液压工作液输送到压力罐59中，压力罐59内的压力会建立起来。这种气体优选相对于液压工作液是“惰性”的，并可以将压力从压力罐59中释放到液压马达53，以使液压马达平稳运转。如果采用液压油作为液压工作液，可以在压力罐59中使用氮气，因为氮气成本很低且不会与液压油起反应。当压力罐59中的压力达到一个预定值或通过外部控制打开一个阀81时，阀81允许液压工作液从压力罐59单向流入液压马达53。

对于本技术领域的专用人员来说，可以理解，本发明并不仅仅局限于上面通过示例所作的显示和描述。相反，本发明只受下面附属的权利要求的限制。

Claims (14)

1.一种系统，其用于转换一个带有水底的水域中的波浪能量，该系统包含：

(a)一个固定元件，其刚性安装在水域的水底上；

(b)浮性装置；

(c)连接装置，其用于将上述浮性装置通过铰链连接在上述固定元件上，其中，上述浮性装置可以在一个竖直平面内绕着上述固定元件中的一个中心轴旋转；

(d)至少一个活塞装置，其用于在上述活塞装置收缩和伸出时分别压缩和抽吸液压工作液，上述活塞装置在一端铰接在上述固定元件或上述水底上，并在另一端铰接在上述浮性装置或上述连接装置上；

(e)一个液压马达，其机械式连接着一个发电机或其它合适的装置；以及

(f)一个管道系统，其用于将上述活塞装置中的上述液压工作液连通到上述液压马达中。

2.根据权利要求1的系统，其特征在于，其中上述浮性装置中包含一个飘浮部分和一个波浪能量收集装置，该收集装置中包含一个空腔，空腔上带有一个面对着迎面波浪前进方向的开口。

3.根据权利要求2的系统，其特征在于，其中上述连接装置中包含至少两个平行支撑臂，每个支撑臂铰接在上述固定元件和上述浮性装置上，其中，每个支撑臂可以分别在一个竖直平面内绕着上述固定元件和上述浮性装置旋转，对于所有相应支撑臂，每个支撑臂在其铰链之间的相应长度均相等，而且其中，上述浮性装置可以在一个竖直平面内相对于上述固定元件沿着一个圆或一个圆的一部分自由移动，而同时上述飘浮部分则被保持在上述收集装置上方。

4.根据权利要求1的系统，其特征在于，其中上述开口是倾斜的，从而使其上缘距上述迎面波浪比其下缘近。

5.根据权利要求2的系统，其特征在于，其中上述浮性装置中包含一个波浪导流表面，其在上述开口的上方伸向上述迎面波浪。

6.根据权利要求3的系统，其特征在于，其中至少一个上述支撑臂包含一个平衡配重，其从上述中心轴向着与上述浮性装置相反的一侧伸展。

7.根据权利要求1的系统，其特征在于，其中上述管道系统中包含一个压力罐，而且上述管道系统将上述活塞装置中的上述液压工作液连通到上述压力罐，并将上述压力罐中的上述液压工作液连通到上述液压马达。

8.根据权利要求1的系统，其特征在于，其中上述管道系统中包含两个导管，它们将液压工作液从上述至少一个活塞装置引入上述压力罐，所述导管中的第一个导管用于在上述活塞装置收缩时将液压工作液引入上述压力罐，而第二个导管用于在上述活塞装置伸出时将液压工作液引入上述压力罐。

9.根据权利要求1的系统，其特征在于，其中上述管道系统中还包含一个液压工作液储存罐，其用于向上述活塞装置供应液压工作液，并从上述液压马达收集液压工作液。

10.根据权利要求7的系统，其特征在于，其中上述管道系统中还包含一个液压工作液储存罐，其用于向上述活塞装置供应液压工作液，并从上述液压马达收集液压工作液和从上述压力罐收集多余液压工作液。

11.根据权利要求7的系统，其特征在于，其中上述管道系统中还包含一组单向卸压或压差控制阀，用以控制液压工作液流向所需方向。

12.根据权利要求7的系统，其特征在于，其中上述压力罐和/或上述液压马达上安装着卸压阀，以将多余液体从系统中排出。

13.根据权利要求7的系统，其特征在于，其中上述压力罐中容纳着气体，该气体被高压压缩，用以基本上平稳地将压力从上述压力罐施加到上述液压马达。

14.一种用于转换波浪能量的系统，其大致包含上面以及附图中所描述、提及、例证、图解、显示的任何一个或所有的新颖特征。