CN1615400A - 波能装置及发电用波能装置的应用、发电方法及制造波能装置的线性发电机的组件系统 - Google Patents

波能装置及发电用波能装置的应用、发电方法及制造波能装置的线性发电机的组件系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有通过连接装置(4)连接到线性发电机(5)的转子(7)的浮动体(3)的波能装置。定子(6)固定在海底(1)。根据本发明，转子(7)是永磁的，定子(6)包括形成多个分布在转子运动方向中的电极的绕组。本发明还涉及一种由多个根据本发明的波能装置组成的波能发电设备。本发明还涉及波能装置的应用、发电方法、用于制造根据本发明的波能装置的线性发电机的组件系统、以及制造这种线性发电机的方法。

Description

波能装置及发电用波能装置的应用、发电方法 及制造波能装置的线性发电机的组件系统
技术领域
本发明的第一方面涉及一种用于产生电能的波能装置，包括浮动体以及线性发电机，该线性发电机的转子通过连接装置与浮动体相连，而其定子被抛锚(固定)到海洋/湖泊的底部。
本发明的另一方面涉及一种由多个根据本发明的波能装置组成的波能发电设备。
本发明的第三方面涉及用于发电的波能装置的应用。
本发明的第四方面涉及一种通过将浮动体与线性发电机的转子连接并将该发电机的定子抛锚于海洋或湖泊的底部产生电能的方法。
本发明的第五方面涉及一种用于制造根据本发明的波能装置的线性发电机的组件系统。
最后，本发明的第六方面涉及一种制造根据本发明的波能发电设备的线性发电机的方法。
在本发明中，术语“转子”用作线性发电机的运动部件。因此，应该理解：术语“转子”不是涉及旋转体而是涉及进行线性往返的本体。因此，“转子的运动方向”指的是其线性运动方向。转子的“中心线”指的是经过该转子的任意一个横断面中心并沿运动方向的直线，“横断面”是指转子运动方向的横向断面。
根据本发明的波能装置主要用于但不局限于最高500kW的应用。
背景技术
海洋及大型内陆湖中的波浪运动是一种至今几乎没有被开发的潜在能源。可利用的波能依赖于波浪的高度，波能在不同的地方自然会有所不同。一年期间平均的波能取决于各种风力条件，它们受到所处位置离最近的海岸的距离的极大影响。例如，对北海(NorthSea)进行了测量。在丹麦的日德兰半岛海岸以西大约100km的一个测量点处，这个地方深度约为50米，得出了对波浪高度的长期测量结果并计算了可用的能量。具体数据如下表所示：
  浪高(m) 浪周期(sec) 输出(kW/m)   小时/年
  ＜0.5 - -   966
  1 4 2   4103
  2 5 12   1982
  3 6 32   944
  4 7 66   445
  5 8 115   211
  ＞5.5 ＞145   119
因此，在略少于一半的时期内，波浪高度约为1米，产生的输出为2kW/m。然而，考虑到随着浪高的增加输出会极大地增加，从2米至5米的浪高范围内可以获得最大的能量。
目前，已提出了多种使用海洋中波浪运动能量发电的波能装置。然而，它们与传统的发电装置相比并不成功。至今实现的波能发电设备主要是实验设备，或仅用于给当地的导航浮标供电。如果实现了商业发电，那么就可以利用海洋波浪运动中的大量能量，这不仅需要将该装置放置到合适的地点，也要求该装置能可靠、高效地运行，并且其制造和运行成本也不能太高。
在将波能转移为电能的适用原理中，线性发电机可最大程度地满足这些要求。
因此，波浪运动导致浮动体的垂直运动可以被直接转换为发电机转子的来回运动(往复运动)。线性发电机能够制造得非常坚固和简单，而且由于它被抛锚到海底，它应该很稳定且不会受到水流的影响。发电机中唯一运动的部件就是来回运动的转子。基本上没有考虑贮能问题。由于其极少的运动部件和简单的结构，该装置的操作将非常可靠。
例如，专利号为6,020,653的美国专利公开了一种基于已知线性发电机原理的波能装置。该专利描述了一种抛锚到海底利用海面波浪运动产生电能的发电机。发电机线圈与浮动体相连，这样线圈就随波浪的运动而上下运动。磁场作用于运动的线圈，从而在其中产生电磁力。这种磁场是这样的：它产生简单磁性方向沿线圈的整个行程长度的均强场。该发电机包括一个位于海底的用于支撑磁心(线圈在其中运动)的基板。
专利号为4 539 485的美国专利也公开了一种配置有线性发电机的波能装置。其转子包括许多永磁体，而发电机绕组设置在周围的定子中。该专利的一大缺点是这种定子绕组包括单个线圈。因此它没有电极。这就意味着：由于转子的线性运动很慢，感应电流将具有极低的频率。
本发明的目的在于提供一种能更大程度地满足可靠运行、简单化和成本高效要求的相关类型的波能装置。
发明内容
根据本发明的第一方面，已实现了设定的目标，因为在权利要求1的前序部分描述的波能装置包括的特定特性有：转子为永磁体；定子包括一个形成有多个分布在转子运动方向中的电极的绕组。通过将绕组装配在定子内和使转子为永磁体，使得该装置的运动部件具有最简单的结构，从而降低了成本以及干扰的危险。当将绕组设置在定子中时，也可以使绕组和传送电流的设计更简单。考虑到来回运动的频率很低，借助于一个接一个地排列的许多电极，就可以提高感应电流的频率，这是一个重要的优点。因此，所提出的波能装置实现了一种在经济上具有竞争力的利用波浪发电的方法。定子可以设置在转子的外侧或内侧。在多数情况中，它优选地在其外部。这些变化形式的组合也包含在本发明的范围内。
根据该波能装置的一个优选实施例，转子垂直定向。
虽然转子也可以水平定向或倾斜定向，但在多数情况中垂直定向最实用。
根据本发明的另一个优选实施例，转子包括许多分布在转子运动方向中的永磁体。
这样设计的转子最能适合其中定子是根据本发明设计的线性发电机。
根据本发明的又一个优选实施例，电极之间的距离小于50mm，优选小于10mm。
电极距离越小则获得的频率就越高。如果波浪为1m高，则转子的平均线性速度将约为0.5米/秒(m/s)；而如果波浪为2m高，则转子的平均线性速度将约为0.8米/秒。使用间距为50mm的电极，则对于1米至2米高的波浪，可以获得10-15Hz级的频率。使用间距为10mm的电极，频率将高出5倍。实际适合的电极间距大约为8mm。
根据本发明的另一个优选实施例，定子包括多个均匀分布在转子周围的分层体。
这样这可以将磁场的最大的可能部分用于感应电流。
根据本发明的又一个优选实施例，转子形状设计为规则多边形，且分层体的数量等于该多边形的边数。
利用这种实施例，就可以实现利用磁场感应电流的结构简单化。
根据本发明的再一个优选实施例，每个分层体包括在转子的运动方向中一个接一个设置的多个模块。
由于这种模块结构，该线性发电机的定子就可以方便调节长度以适应特定场合的条件。因此也可以使用标准部件构造不同尺寸的装置。这可以进一步减小制造成本。这也能使现有发电设备容易进行改造。每个模块可以包括一个或多个电极。
根据本发明的另一个实施例，该转子包括环绕其周围分布的许多永磁体，其中设置方式为：在转子的任意横断面中，每个永磁体都面对着一个分层体。设置永磁体面对与永磁体配合的分层体处的每个方向，可以进一步提高感应电流的运动的利用率。
根据本发明的另一个实施例，该转子包括一个其上装配有永磁体的转子体。
由于永磁体由统一的标准部件构成，这样就可以将可选数量的标准部件沿着和环绕该转子分布，同样的标准部件可以用于不同长度和横断面的转子，因此这一实施例就可以实现简单价格低廉的转子。
根据本发明的再一个优选实施例，转子的长度和定子的长度不同，存在两倍或更多倍的关系。
这就有利于在转子的整个行程长度最大限度地产生感应电流。
根据本发明的另一个优选实施例，该转子比该定子长。
这通常是利用转子整个行程长度的最适合的方式。
根据本发明的另一个优选实施例，设置了一个或多个导向元件以用于控制该转子。这种控制使用相对简单的装置就可保证取得容许的转子的精确运动路径。它可以使空间间隙很小，约为毫米级，这样损耗就可以最小。
根据进一步有利的实施例，至少连接装置的一个部件是具有弹性的。
这避免了作用于浮动体的横向波浪力全部被传输到发电机的转子上。因此，由于偏转力适中，对其控制就相对较弱。
根据本发明的另一优选实施例，连接装置包括线缆、金属丝或链条。
因此，就可以简便而结构简单地实现连接装置的弹性(柔性)。线缆、金属丝或链条可以从浮动体一路扩展到转子，或它可以仅是连接装置的一个部件。作为选择，弹性可以通过为刚性但配备有通用接头的连接装置实现。
根据本发明的再一个优选实施例，该装置包括以向该转子施加垂直力而设置的弹簧装置。这可以确保以对应于水面下降的速度的全速实现转子的向下行程。如果转子相对较轻，那么线缆上就可能出现松弛，所以这一装置很重要。虽然弹簧装置最重要的任务是影响向下的力，在某种情况中，也可将它方便地设置为同时作用于向上的力。
根据本发明的另一优选实施例，弹簧装置的弹簧刚度是可调节的。
通过改变弹簧刚度，可以将其调节到波浪运动的频率，从而实现共振。如果弹簧装置由几个弹簧部件组成，则“弹簧刚度”是指合成常数。通常，将弹簧刚度设置为与预期绝大多数时期出现的波浪的共振频率对应的值。
根据本发明的另一优选实施例，连接装置的长度是可调节的。
例如，它可以根据潮水的情况而调节至海洋/湖泊的不同水面水平。
根据本发明的另一优选实施例，该装置包括一个在浮动体运动与转子运动间产生某一传动比的传动机构。
由于传动机构的存在，转子速度就可以比浮动体速度高几倍。这样就为提高感应电流的频率(这在多相发电机情形下尤其需要)提供了可选或辅助的机会。
从设计方面看，将传动机构设置在连接装置连接转子的位置处是实用的。这就构成了本发明的另一有利的实施例。
根据本发明的另一个优选实施例，该线性电机固定在设置为位于海洋/湖泊底部的基板上。
由于线性发电机本身可被抛锚，以便其远高于海面，所以本实施例无疑可以非常简单地实现。也实现了高度的稳定性。
根据本发明的另一个优选实施例，该定子由支架支撑，其中该支架是这样设计的：其形成有一个横断面空间足够允许转子进入其中的中间自由空间(free space)，所述空间至少与该转子长度同样高。
当前实施例允许转子运动连续穿过整个定子，这样定子的全长就能用于感应电流。
根据本发明的另一优选实施例，线性发电机装在水密外壳中。
这种封闭作用可以防止发电机受到盐水或水中活的有机体(如藤壶)的影响。与耐盐水的要求相比，可以较低的质量要求设计这些部件，从而可以以更低的成本制造这些部件。
根据本发明的另一优选实施例，外壳充满某种液体。
如果发电机设置在相当深的水中时，由于压力差很难保证外壳一点也不漏水，所以当前实施例就尤其重要。如果外壳充满侵蚀性比盐水差的某种液体时，即使在外壳上采用相当简单的套管，也可以充分地消除盐水渗入的危险。该发电机也可被该液体冷却。该液体应该适合具有与周围相同的压力。
根据本发明的另一优选实施例，基板、支架和/或外壳主要由混凝土制成。混凝土是能够用于本发明的最便宜的可能材料。此外，在许多情况中，为该装置提供大的压载重量很重要，这样材料成本就相当可观。
根据本发明的另一优选实施例，定子至少有一部分嵌入于固体材料，和/或转子至少有一部分嵌入于固体材料中。这种材料优选为混凝土。
这就意味着：嵌入的部件可以有效地防止周围盐水的侵蚀。在特定情况中，当前实施例可作为在外壳中封闭整个发电机的适合的选择，这样就基本上消除了密封问题。
根据本发明的另一优选实施例，转子是中空的，它配置有向外和向内的永磁体，而转子的外侧和内侧均设置有分层体。
由于也利用了方向向内的磁场，所以当前实施例可最大限度地利用定子感应电流的能力。
根据本发明的另一优选实施例，浮动体通过连接装置与多个线性发电机相连。
在某些情况中，这种在发电机侧设置两个或多个发电机可以实现一个总体而言更经济的装置，并提高根据模块设计原理的可行性，这是由于每个线性发电机可以是一个完全标准的单元，根据其位置，可以将适量的线性发电机连接到同一浮动体上。
根据本发明的另一优选实施例，定子绕组与整流器连接。该整流器适合设置在水下的线性发电机附近。
根据本发明的另一优选实施例，设置的发电机可以产生不同频率的电压。这是由于经过整流后，输出信号为双极性DC电压。
因此，发电机就与转子(由波浪运动产生的)的运动方式匹配，而速度根据波浪循环中浮动体随波浪表面的重叠运动而变化。
上述波能装置的有利实施例在根据权利要求1的权利要求中作了定义。
该波能装置极适合于几个相似装置组合以构成一个波能发电设备。因此，本发明的第二方面涉及这样一种发电设备，其中每个波能装置的定子绕组通过整流器与多个波能装置共用的变换器(inverter)连接，其中设置变换器以向电网供电。
该波能发电设备提供了一种实际可实现的使用该装置从而利用其优点产生更大量的电流的系统方案，其中到DC然后到AC的转换产生有利的传输条件。
根据该波能发电设备的优选实施例，至少有一个电开关站(electric switchgear station)与波能装置相连，该开关站包括一个装有开关部件的水密容器，该水密容器被抛锚在海底。
为了使位于海上的发电机装置利用波浪运动经济地发电，不仅需要对发电机单元，还要对从能量来源到送电和配电电网传送电能所需的整个系统进行技术优化。这里，重要的一方面是波能发电设备离岸有一定距离，该距离有时相当重要。
由于其与开关站的连接是如此设计的，它就能设置在发电机装置附近。这就可以将损耗最小化，而使来自多个波能装置的能量经一条共用电缆连接到陆地上的供电电网。这就提供了一种波能装置和开关站都能作为使用标准部件的标准模块构造的综合解决方案。除具有构造和运行的经济性外，由于无需在敏感的沿海区域建造配电建筑，所以根据本发明的发电设备也具有环境方面的优点。
根据本发明的另一优选实施例，该系统包括多个连接到许多波能装置的开关站。如果单元数量较大，这种实施例有时是有利的。
根据本发明的另一优选实施例，每个开关站都连接到设置在陆地上的接收站。
根据本发明的另一优选实施例，至少一个开关站(通常是所有的开关站)包括一个升压变压器。作为选择，或另外，升压变压器设置在中间站中。以升高的电压电平传输能量在技术方面以及经济方面获得更有利的传输。
根据本发明的另一优选实施例，开关站和/或中间站包括一个变流器。这样电压就可以作为AC进行有利的传输。
根据本发明的另一优选实施例，开关站与/或中间站包括贮存电能的装置。这样，该系统就能根据可用能量和要求的能量变化容易地调整电力供应。
根据本发明的另一优选实施例，开关站和/或中间站包括过滤输出和/或输入电流和电压的滤波装置。在许多情况中，此处讨论的此类发电机单元供给的电压不稳定，或频率和幅度可能会变化，以及包括外差式频率。设置滤波装置可以消除这些缺点或至少减小这些缺点，而无扰动地向电网传送清洁的电压。
根据本发明的另一优选实施例，开关站与/或中间站充有无腐蚀性的缓冲液体。这可以防止腐蚀性的盐水渗入，而保护配电和中间站中的部件。
根据本发明的另一优选实施例，在变换器后设置了一个滤波器和/或变压器。这可以保证供应清洁、理想的电压，而它可以再以合适的升高电压传送到输电或配电网。
根据本发明的另一优选实施例，滤波器和/或变压器设置在陆地上。
对于发电设备(plant)和操作方面而言，这种方案比将这些部件设置在海中更适合。
根据本发明的另一优选实施例，每个波能装置通过设置在海洋/湖泊底部或附近的电缆连接到变换器。
由于电缆设置在海底附近，就可以减轻对环境的破坏或被破坏的危险。
上面描述的波能发电设备的优选实施例在根据权利要求32的从属权利要求中限定。
在本发明的第三方面中，通过使用该波能装置或波能发电设备发电实现设置的目标，因此可以获得上述类型的优点。
在本发明的第四方面实现了设置的目标，其中权利要求45的前序部分描述的方法包括特殊措施：使转子为永磁体；为该定子配置一个形成有多个分布在转子运动方向中的电极的绕组。
根据一个优选实施例，该方法在使用该波能装置及其优选实施例时使用。
因此，所得到的优点与波能装置及其优选实施例的所述优点相同。
根据本发明的另一优选实施例，定子被直接设置在海洋/湖泊底部或海底的基板上，并在发电机中心下的海底中挖了一个凹槽，所述凹槽深度对应于转子的长度。
通过基板直接将定子放置在海底上，可以为单元提高最好的稳定性，同时也容易对其定位。由于海底中的中央凹槽，转子的运动可以经过定子的全程，这样就可以转换和利用所有可用的动能。
根据本发明的另一优选实施例，产生的电能被传送到开关站，该开关站的部件设置在水密性容器中，该容器抛锚在海底。
上面描述方法的优选实施例在根据权利要求45的从属权利要求中限定。
根据本发明的第五方面可以实现了设置的目标，其中根据本发明的用于制造波能装置的线性发电机的部件系统包括如下特性：该部件包括许多标准、统一类型的定子模块，其中定子模块适合以可选的数量环绕该转子的中心线并排分布。
借助于该系统，使用同一种基本部件就可以构造不同高度和不同横断面尺寸的线性发电机。因此，系统基于的模块构造原理可极大地提高建设具有经济竞争力的波能发电设备的可能性。由于模块解决方法可以实现简单地装配，所以就不需要根据不同波能发电设备的不同条件，制定针对每种情况的解决方法。
根据该系统的一个优选实施例，该部件包括多个标准的、统一类型的永磁体，其中该永磁体适合在转子的运动方向中以可选数量一个接一个地附于转子体上，和/或适合以可选数量环绕该转子中心线并排固定在该转子体上，其中该永磁体与该定子模块匹配。
由于转子也能够由标准部件构造，所以当前实施例进一步深化了该系统表示的模块化概念。因此，所述实施例进一步突出了这种系统的优点。
上面描述的系统的优选实施例在根据权利要求54的从属权利要求中限定。
最后，根据本发明的第六方面可以实现设置的目标，其中根据本发明制造波能装置的线性发电机的方法包括：由标准的、统一类型的定子模块制成定子的特定方法，由多个围绕该转子中心线均匀地并排分布的分层体构成定子的特定方法，其中每个分层体包括一个或多个在该转子的运动方向中一个接一个地成直线排列的定子模块。
该制造方法利用了该系统提供的基于模块制造的可能性，并具有相应的优点。在装配前，每个模块应进行检测。
根据制造方法的一个优选实施例，该转子由标准类型的永磁体制成，其中许多永磁体附着于转子体，均匀地围绕转子的中心线并排分布，且其中的一个或多个在转子运动方向中一个接一个地成直线被固定。
该制造方法的实施例更进一步地利用了模块制造原理，并强化由此获得的优点。
上面描述的制造方法的优选实施例在根据权利要求56的从属权利要求中限定。
参照附图，以下通过对本发明有利实例的详细描述对本发明做出更详尽的描述。
附图说明
图1为根据本发明的波能装置的侧面示意图；
图2为沿图1中直线II-II的截面图；
图3为可选实施例的与图2中的截面等效的截面；
图4为根据本发明的分层体模块的立体图；
图5为一个与图2中截面等效的截面，示出了定子绕组的一个实例；
图6为根据本发明的一个可选实施例的一个分层体模块的侧视图；
图7为一个与图2截面相类似的截面，示出了本发明的一个细节；
图8显示了一个与图7所示细节等效的细节的可选实例；
图9为根据一个可选实施例的发电机的示意性侧视图；
图10为显示根据本发明的多个装置连接在一起形成波能设备的图示；
图11为本发明的一个实施例中的转子的立体图；
图12为根据一个实施例的装置的细节的侧视图；
图13显示了另一个细节的基本设计草图；
图14至16为根据本发明的线性发电机的可选实施例的侧视图；
图17为线性发电机的一个可选实施例的对应于图1的截面II-II的一个截面；
图18为根据本发明的装置的另一可选实施例的侧视图；
图19显示了根据本发明的部件系统；
图20显示了波能装置形成波能设备的方式以及其与供电网连接的方式；
图21显示了连接到一个开关站的波能装置的侧视图；
图22显示了将波能装置连接到供电网的另一可选方法；
图23至26为显示在根据本发明的发电设备中转换电压的各种实例图；以及
图27显示了一个可选整流实例。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的波能装置原理。将浮动体3设置为浮动在海洋表面2上。波浪使浮动体3往复垂直运动。线性发电机5通过固定在底部的基板8抛锚在海底。底板可以由混凝土制成。线性发电机的定子6a、6c固定在基板8上。该定子包括四个垂直的柱状分层体，图中只能看到其中的两个。发电机的转子7设置在分层体之间，并通过线缆4与浮动体3连接。转子7由永磁材料制成。
基板8具有一个设置在中心的孔10，在海底做了一个与其同心的底部凹槽9。该凹槽9优选成直线状。拉伸弹簧11被固定在凹槽9的下端，且弹簧另一端与转子7的下端连接。基板8中的孔10与凹槽9的直径允许转子7可自由地穿过它们。
每个分层体6a、6c由许多模块组成。在所示实例中，对分层体6a作了标记，表示它被分成三个垂直设置的模块61、62、63。
当海洋表面2中波浪的运动导致浮动体3上下运动时，这种运动经线缆4传递到转子7，从而转子7在分层体之间实现了等同的来回运动。这样就在定子绕组中产生了电流。该凹槽9使得转子向下的运动中经过整个定子。拉伸弹簧11增加了向下运动的力，这样就可以一直保持线缆4拉紧。
该弹簧也可以设计为在特定情况中也可以施加向上的力。该弹簧的弹簧刚度可以由控制装置28进行控制，这样就可以在尽可能多的时间内获得共振。
该定子完全或部分被灌注有VPI或硅，这样它就能经得住盐水的浸蚀。
图2为沿图1中直线II-II的断面图。在该实例中，转子7具有方形截面，且分层体6a-6d设置在转子7的每个边处。12a-12d表示各个分层体的绕组。从图中可以清楚地看出每个分层体中金属板的方向。该转子与相邻分层体之间的空气缝隙为几毫米级。
在对应的断面中，图3示出了一个可选实施例，其中转子7的截面为八边形，因此分层体的个数也为8。
可以理解：转子的截面形状可以是具有任意边数的多边形。该多边形优选地(但不必)为规则的。该转子甚至可以是圆形。通过面向环绕转子的所有不同方向设置分层体，就可尽可能多地利用磁场感应电流。
图4显示了分层体的一个模块61的立体图。该模块包括一堆金属板13，该金属板13由螺钉14固定在一起，且设置有用于绕组12的槽15。所述电极间距a(即绕组各层之间的距离)应该尽可能地小，以便对特定定子的长度获得尽可能多的电极，从而得到高频的感应电流。实践中适合的电极间距约为8mm，槽宽约为4mm，因此金属板齿宽也为4mm。
分层体可以包括一个或多个这种模块。如图4所示，每个模块通常具有多个电极。然而，在每个模块中只有一个电极的模块也是一种选择。
如图5所示，各个分层体6a-6d可以共用定子绕组12。
图6显示了一个可选方案，其中每个分层体具有一个单独的绕组。该图显示了一个具有两个电极的模块。
该绕组的绝缘层包括耐盐水层，它可以经受高达6kV的电压。该层可以是如PVC或相类似物的聚合体。作为选择，可以使用漆包线。导体由铝或铜组成。
空气间隙要尽可能地小，这对于精细控制转子7的运动非常重要。图7为横穿该线性发电机的示意性横断面，显示了其简单而可靠的实现方式。在这种情况中，转子具有带有斜角的方形横断面。导轨16a-16d设置在每个角处。每个导轨下端固定在基板8上(参见图1)并垂直向上延伸，与分层体6a-6d平行。四个导轨可精确地确保对转子运动的中心控制。
图8显示了一个可选实施例。在这种情况中，转子7具有一个纵向穿过它的中央方孔，其中设置有一个中央导轨16。
图1中所述的发电机具有一个长度约为转子两倍的定子部件。图9显示了一个可选实施例，其中转子7的长度约为定子6的两倍。
根据本发明的波能设备包括两个或多个上述类型的单元。图10显示了它们连接在一起向供电网供电的方式。实例中显示的发电设备包括用符号20a-20c表示的三个单元。如图所示，每个单元通过断路器或接触器21和整流器22与变换器23的两极连接。其中仅画出单元20a的电路图。可以理解：其它单元20b、20c是以相应的方式连接的。该变换器23可以经变压器24和/或滤波器向供电网25供应三相电流。整流器可以是受控二级管，可以是IGBT，GTO或晶闸管，包括受控双极部件或不受控的部件。
DC侧的电压可以并联或串联，或并串联的组合。
立体图11所示的转子7设置了多个在转子体27的每一侧上成行的永磁体26。在此实例中，转子具有四个面以配合四个分层体。
对于各种转子的结构(如不同长度以及周围不同边数)，永磁体26适合具有同样的设计。然后，将永磁体附着在转子体27上。该转子体也可以具有标准的设计，或根据转子的边数进行单独调节。
图12显示了线缆4设置有对线缆作用长度(即浮动体3与转子7之间的距离)进行控制的控制装置的方式。在这种情况中，控制装置包括一个附着在浮动体上的圆柱体29，其上可以缠绕部分线缆。该控制装置也可以其它方式设计，并且可选地，可设置在线缆与转子的连接处或线缆中间的某一位置。该控制装置允许根据不同的潮水状况对线缆长度进行调节。它也可用于将浮动体刚好定位于水面以下。如果连接装置不是线缆，例如金属丝、链条、或连接杆，则应该使用适合其的控制装置。
图13显示了线缆经传动机构与转子连接的实施例。在所示实例中，传动机构包括：固定在线缆上、在装满液体的容器32中密封地上下运动的活塞30；以及与转子7连接的、在容器32中以相似方式上下运动的活塞32。连接到线缆4上的活塞30和配合使用的容器部件32的直径要比连接到转子7上的活塞31和配合使用的容器部件32的直径大。该容器的位置适合被固定。这种设置可在线缆垂直运动与转子垂直运动之间产生一个比例，它对应于活塞之间的面积比。传动装置可选地采用连杆系统、齿轮传动、或借助于具有不同螺距的螺钉的形式。也可以将传动装置设计为允许调节传送比。
在图14所示的实施例中，每个分层体6a、6c位于支架部件33a、33c上。每个支架部件被固定在位于海底1上的基板8上。支架部件33a、33c的高度至少与转子7的长度相同，这样就能通过整个定子6。该基板8和该支架部件33a、33c适合嵌入混凝土中，其质量应该为数十吨。
在图15中所示的实施例中，整个线性发电机被封闭在由外壳34和基板8形成的混凝土壳体内。
在图16所示的实例中，每个分层体6a、6c嵌入到混凝土壳体35a、35c中。转子7也被封闭在混凝土壳体36中。
图17显示了穿过线性发电机的可选实施例的横断面。在这种情况中，转子7为八边形且是中空的，它具有与每个分层体6a、6b等配合的方向向外的永磁体26，以及与位于转子7中心的八边形分层体配合的方向向内的永磁体26a。
图18显示了两个不同发电机的转子7a、7b共用一个浮动体3的实例。该线缆4与水平杆38连接，水平杆38通过线缆4a、4b与每个转子7a、7b相连。
图19显示了具有多个相同的定子模块6以及多个相同的永磁体26的组件系统。可以使用这些部件组装成一个具有任意长度和截面的线性发电机。每个模块适合被设计为使得它能作为单独的部件被测试。
图20显示了具有几个连接在一起的发电机20、20b、20c的波能发电设备。每个发电机均配置有整流器，DC电流经设置在海底的电缆39被传送到配置有变换器(inverter)23、变压器24、以及滤波器41的地面站，从这里将电力供应到配电或传输网。
图21为显示本发明另一个优选实施例的基本设计简图。将开关站(switchgear station)设置为位于海底B上。开关站101包括一个由外壳102和底板103(例如可以是混凝土制成的)形成的水密性容器。该开关站101被抛锚在海底B。具有多个波能装置的发电机104-109与开关站相连。
每个发电机单元104-109通过电缆110-115与开关站101电连接，电缆110-115经通过外壳102的导入线连接到该开关站内的部件。每个单元以低压直流或交流电压形式供应电压。
开关站101中的部件为传统类型部件，在图中未示出。这些部件可以包括半导体、变流器、断路器、测量设备、中继保护、浪涌分流器以及其它过压保护设备、接地装置、负载耦合器或去耦合器，以及变压器。
该开关站通过输出电缆116供应输出直流或交流电压，优选是高压。交流电压为低频，它可以是三相或多相电。可以使用标准频率，如50Hz或60Hz。
在开关站中，输入的低压经变压器转换为输出的高压。当需要变流器DC-AC或相反转换时，使用开关站中的变流器(converter)或变换器。
将电压供应到位于陆地的接收站，可能通过中间站，以便被馈送到供电电网。
图22显示了根据本发明的系统实例，当系统中包括大量发电机单元时该系统是有利的。该图为鸟瞰的系统符号表示图，在图的左边显示了海洋区域H，而在右边为陆地区域L。图左侧部件的一部分在水面以下，另一部分在水面以上。
该系统包括第一组发电机单元104a-106a、第二组发电机单元104b-106b以及第三组104c-106c发电机单元。第一组中的发电机单元104a-106a通过水下线缆与位于水下的第一开关站111a连接。相似地，其它两组发电机104b-106b和104c-106c分别连接到第二开关站111b和第三开关站111c。每个开关站101a-101c通过水下电缆116a-116c与同样位于水面以下的中间站117连接。经水下电缆118，电压以低频三相交流形式从中间站117传递到位于陆地上的接收站119。电压在接收站被转换为标准频率，如50Hz或60Hz。
发电机单元与中间站之间的距离可以是从约1千米到几十千米。当如图22所示构造该系统时，可以将一侧的开关站与中间站与另一侧的中间站和接收器之间的距离进行优化。
可以通过多种电压转换以多种方式实现从发电机单元到陆地上的接收站的传送。图23到26示意性地显示了这样的一些实例。在每个实施例中，图中发电机单元设置在左侧，而陆地L上的接收站设置在右侧。121代表变流器/变换器，122代表升压变压器。在图23和24中，发电机单元均供应直流电压，其中在图23中它是作为交流电压被传输到陆地，而在图24中是作为直流被传输到陆地。
在图25和26中，发电机单元供应待转换为直流电压的交流电。在图25中，作为交流电压被传输到陆地，而在图26中作为直流电压被传输到陆地。
在本发明的范围内，可以应用多种其它的可选方式。例如可以使用图27中所示类型的全波整流器。
电能存贮器和滤波器也可以位于每个开关站101，和/或中间站117中。电能存贮器例如可以包括电池、电容器、SMES型、储能轮、或其结合。滤波器包括与变流器相似的有源部件。也可以使用无源LC滤波器和电机械部件，例如储能轮变流器或同步电容器等。

Claims (57)

1.一种用于产生电力的波能装置，包括：浮动体(3)；以及线性发电机(5)，其转子(7)通过连接装置连接至所述浮动体(3)，其定子(6)被设置为抛锚在海洋/湖泊的底部(1)；其特征在于：所述转子(7)是永磁的，所述定子(6)包括形成多个在所述转子(7)的运动方向中分布的电极的绕组。
2.根据权利要求1所述的波能装置，其特征在于：所述转子垂直定向。
3.根据权利要求1或2所述的波能装置，其特征在于：所述转子包括多个在所述转子的运动方向中分布的永磁体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的波能装置，其特征在于：在所述转子(7)的运动方向中见到的电极之间的距离小于50mm，优选地小于10mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述定子(6)包括多个均匀分布在所述转子周围的分层体(6a-6d)。
6.根据权利要求5所述的波能装置，其特征在于：所述转子(7)的形状设计为规则多边形，且分层体(6a-6d)的数量等于所述多边形的边数。
7.根据权利要求5或6所述的波能装置，其特征在于：每个分层体(6a-6d)包括在所述转子(7)的运动方向中一个接一个设置的多个模块。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述转子包括多个环绕其圆周分布的永磁体，其中设置方式为：在所述转子的任意横断面中，每个永磁体都面对着一个分层体。
9.根据权利要求8所述的波能装置，其特征在于：所述转子包括其上装配有永磁体的转子体。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述转子(7)的长度与所述定子(6)的长度彼此不同。
11.根据权利要求10所述的波能装置，其特征在于：所述转子比所述定子长。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的波能装置，其特征在于：设置了一个或多个导向元件(16)以控制所述转子(7)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述连接装置(4)的至少一部分是柔性的。
14.根据权利要求13所述的波能装置，其特征在于：所述连接装置包括线缆、金属丝、或链条。
15.根据权利要求13或14所述的波能装置，其特征在于：所述波能装置包括弹簧装置(11)，用于向所述转子施力。
16.根据权利要求15所述的波能装置，其特征在于：所述弹簧装置的弹簧刚度是可调节的。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述连接装置的长度是可调节的。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述波能装置包括传动机构，用于在所述浮动体运动与所述转子运动之间产生传动比。
19.根据权利要求18所述的波能装置，其特征在于：所述传送机构设置在所述连接装置与所述转子的连接处。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述线性发电机固定在基板上，所述基板设置为位于海洋/湖泊的底部。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述定子由固定在所述基板上的支架支撑，其中所述支架是这样设计的：其形成有一个中央自由空间，所述空间的横断面尺寸足以允许转子进入其中，所述空间至少具有与所述转子长度同样的高度。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述线性发电机封闭在一个水密性外壳中。
23.根据权利要求22所述的波能装置，其特征在于：所述连接装置延伸进入所述外壳中，且其中引入部分设置有密封件或波纹管。
24.根据权利要求22所述的波能装置，其特征在于：所述外壳填充有液体。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述基板、支架、和/或外壳主要由混凝土制成。
26.根据权利要求1至20中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述定子至少部分嵌入固体材料中，和/或所述转子至少部分嵌入固体材料中，所述材料优选为混凝土。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述转子是中空的，且它配置有向外和向内的永磁体，其中在所述转子的外侧和内侧上均设置有分层体。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述浮动体通过所述连接装置连接到多个线性发电机的每个的转子上。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述定子绕组连接至整流器，所述整流器优选设置在位于水面以下的所述线性发电机附近，如果适合的话，优选在所述外壳内。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述发电机被设置以产生改变的频率的电压。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的波能装置，其特征在于：所述发电机被设置以供应多相电流。
32.一种包括多个根据权利要求1至31中任一项所述的波能装置(20a-20g)的波能发电设备，其特征在于：每个波能装置的定子绕组经由整流器(22)连接至多个波能装置(20a-20g)共用的变换器(23)，其中为了向供电网(25)供电而设置变换器。
33.根据权利要求32所述的波能发电设备，其特征在于：至少一个电开关站连接至所述波能装置，其中开关站包括装有开关部件的水密容器，其中所述水密容器被抛锚在海底。
34.根据权利要求33所述的波能发电设备，其特征在于：多个开关站连接至所述波能装置，每个开关站都连接至多个波能装置。
35.根据权利要求33或34所述的波能发电设备，其特征在于：每个开关站都连接至设置在陆地上的接收站。
36.根据权利要求33至35中任一项所述的波能发电设备，其特征在于：所述开关站的至少一个包括升压变压器和/或中间站，所述中间站包括升压变压器。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的波能发电设备，其特征在于：所述开关站的至少一个和/或所述中间站包括变流器。
38.根据权利要求33至37中任一项所述的波能发电设备，其特征在于：所述开关站的至少一个和/或所述中间站包括用于贮能的装置。
39.根据权利要求33至38中任一项所述的波能发电设备，其特征在于：所述开关站的至少一个和/或中间站包括用于过滤输出和/或输入电流和电压的滤波装置。
40.根据权利要求33至39中任一项所述的波能发电设备，其特征在于：所述开关站的至少一个和/或所述中间站充有无腐蚀性的缓冲液体。
41.根据权利要求32至40中任一项所述的波能发电设备，其特征在于：滤波器和/或变压器设置在所述变流器之后。
42.根据权利要求41所述的波能发电设备，其特征在于：所述变换器、滤波器、和/或变压器设置在陆地上。
43.根据权利要求32至42中任一项所述的波能发电设备，其特征在于：每个波能装置通过设置在海洋/湖泊底部或附近的电缆连接至所述变换器。
44.利用根据权利要求1至31中任一项所述的波能装置或权利要求32至43中任一项所述的波能发电设备发电的方法。
45.一种通过将浮动体与线性发电机的转子连接并将所述发电机的定子抛锚于海洋或湖泊底部产生电力的方法，其特征在于：所述转子是永磁的，且所述定子配置有形成多个分布在所述转子的运动方向中的电极的绕组。
46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于：所述方法在利用如权利要求1至31中任一项所述的波能装置时被使用。
47.根据权利要求45至46中任一项所述的方法，其特征在于：所述定子被直接设置在海洋或湖泊底部或所述底部的基板上，且在发电机中心以下的海底中形成一个凹槽，所述凹槽的深度对应于所述转子的长度。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，其特征在于：所述产生的电能被传送到开关站，其中所述开关站的部件被设置在水密性容器中，其中所述容器被抛锚在海底。
49.根据权利要求48所述的方法，其特征在于：所述开关站封闭在设置在陆地上的接收站中。
50.根据权利要求49所述的方法，其特征在于：多个开关站连接至共用的中间站，其中所述中间站连接至所述接收站。
51.根据权利要求48至50中任一项所述的方法，其特征在于：所述开关站的至少一个和/或所述中间站被设置在水面以下，优选靠近所述海底。
52.根据权利要求48至51中任一项所述的方法，其特征在于：所产生的电压在所述开关站的至少一个和/或所述中间站中被升压转换。
53.根据权利要求48至52中任一项所述的方法，其特征在于：来自所述开关站的至少一个和/或来自所述中间站的输出电压为交流电压。
54.一种用于制造权利要求1至31中任一项所述的波能装置的线性发电机的组件系统，其特征在于：所述部件包括多个标准的、统一类型的定子模块，其中所述定子模块适合在所述转子的运动方向中以可选数量一个接一个地成直线排列，和/或适合以可选数量环绕所述转子的中心线并排设置。
55.根据权利要求54所述的系统，其特征在于：所述部件包括多个标准的、统一类型的永磁体，其中所述永磁体适合在所述转子的运动方向中以可选数量一个接一个地附着至转子体，和/或适合以可选数量环绕所述转子中心线并排固定在所述转子体上，其中所述永磁体与所述定子模块匹配。
56.一种制造权利要求1至31中任一项所述的波能装置的线性发电机的方法，其特征在于：所述定子由标准的、统一类型的定子模块制成，其中所述定子由多个围绕所述转子的中心线均匀地并排分布的分层体构成，其中每个分层体由在所述转子的运动方向中一个接一个地成直线排列的一个或多个定子模块组成。
57.根据权利要求56所述的方法，其特征在于：所述转子由标准的、统一类型的永磁体制成，其中多个永磁体均匀地围绕转子的中心线并排地附着至转子体，且其中一个或多个永磁体在所述转子运动方向中一个接一个地成直线排列固定。
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