CN1867767A - 包括设置成以相互相移枢转的多个臂的波力发电设备 - Google Patents

Abstract

一种波力发电设备包括多个旋转支承的臂，每个臂在其自由端承载一个浮子(124)，以便由波浪所引起的浮子平移运动造成臂的旋转。所述设备包括用于把波浪传送到臂上的能量转换成电力的能量转换装置，比如液压系统，在所述液压系统中通过臂的运动使液压流体移动，以便驱动一个或多个液压马达。多个臂这样设置成一排，以便通过臂排的波浪使各臂依次用相互的相移枢转。因而，可以达到均匀的电力输出，并可以减少或消除对变频器的需要。优选地，每个臂都连接到液压系统的液压缸上，因而多个臂通过共用的液压管道把液压介质输入一个或多个马达。

Description

包括设置成以相互相移枢转的多个臂的波力发电设备

技术领域

本发明涉及一种波力发电设备，所述波力发电设备用于把大海或海洋的波浪能转换成有用的能量如电力。按照本发明所述的设备具体目的是提供一种系统，在所述系统中可以得到均匀的电力输出。

背景技术

众所周知，海浪似乎构成几乎无限的能量资源，所述能量资源如果有效地开发利用，也许能解决相当大一部分的世界能源问题。然而，尽管作了许多努力来开发利用海浪能，但迄今为止还没有设计出商业上成功的系统用于把海浪能转换成电能。

一般，在先有技术中，已经提出三种不同类型的波力发电设备。一种这样的设备在美国专利US 6,476,511中公开，设备包括多个有浮力的圆筒体构件，所述多个圆筒体构件在其端部连接在一起，以便形成铰接的链状结构。每对相邻的圆筒形构件都通过联接件相互连接，上述联接件允许圆筒形构件绕一横向轴线相对旋转运动。相邻的联接件可以绕相互正交的横向轴线相对旋转运动。每个联接件具有若干元件，如一组液压柱塞，上述若干元件抵抗和提取圆筒体构件相对旋转运动中的能量。设备自由地浮在海面上并固定到海底上。

第二种类型波力发电设备包括一个或多个海面浮子和一个基准构件，上述海面浮子能在海浪作用下沿着海洋表面移动，而上述基准构件完全淹没在海中一定深度处，并且基本上不受海浪影响，参见例如美国专利US 4,453,894。浮子在海洋表面上的运动造成液压系统中的液压流体移动，所述液压系统包括使一个海面浮子或多个海面浮子与基准构件互连的液压装置，因而可以从液压系统中提取出有用的能量。应该理解，这种设备也固定到海底上。

最后，第三种类型波力发电设备是一种具有一个或多个由支承结构支承的臂的波力发电设备，上述一个或多个臂承载一个或多个浮子，上述浮子通过波浪产生移动。移动的波浪能量传送到臂上，并可以输送到液压系统中，如在美国专利US 4,013,382的系统中那样，或者输送到轴的机械系统中，上述轴的机械系统通过机械传动系统驱动一个或多个发电机，用于产生电力，如WO 01/92644的系统中地样。

本发明大体上涉及上述第三种类型波力发电设备。本发明一些优选实施例的目的是提供一种设备，所述设备可用于设备能量转换装置的均匀电力输出，亦即随时间基本上恒定的电力输出。优选实施例的另一目的是提供一种系统，所述系统减少或消除对变频器的需求。优选实施例的另一目的是提供一种波力发电设备，所述波力发电设备可以方便地停止运行，比如以便防止在运行期间在设备的各种部件上结冰。本发明优选实施例还有另一个目的是提供一种设备，所述设备可用于接近臂和浮子进行方便的维修，最优选可用来接近在包括多个臂的系统中的各个臂和浮子进行维修，上述多个臂的每个臂都具有浮子。优选实施例还有另一个目的是提供一种设备，所述设备可以方便地从岸上的生产工厂输送到公海处的工作现场。

发明概述

本发明提供一种波力发电设备，所述波力发电设备包括多个臂，每个臂在一端由轴旋转地支承，其中每个臂都在其另一端承载一个浮子，所述另一端与支承端相对，从而由波浪所引起的浮子平移运动造成臂绕轴旋转，所述设备包括能量转换装置，所述能量转换装置用来把波浪传送到臂上的能量转换成电力，多个臂这样设置成一排，以便通过臂排的波浪使臂依次绕轴枢转，各臂设置在相互的间隔一定距离处，以便波浪的推移使臂以相互的相移枢转。

各臂优选设置相互间隔一定距离处，使得总是至少有两个臂同时把能量份额输送到能量转换装置。能量转换装置优选包括与每个臂有关的液压执行装置，液压执行装置通过共用的液压管道把液压介质输入至少一个液压马达中。因此，可以得到能量转换装置的均匀电力输出。这尤其是在设备包括多个比如60个臂、浮子和执行装置的实施例中的情况，因为各个执行装置能量份额的总和是随时间变化基本上恒定的。液压马达压力侧上的可能压力波动基本上可以通过一种本身已知的波峰抑制装置消除，所述波峰抑制装置设置成与共用液压管道流体连通。优选的是，所有能量份额的总和在某一波浪气候亦即波高和波频下基本上恒定。液压马达优选每转具有可变排量的液压马达。波浪气候的变化可以通过控制电路补偿，所述控制电路控制马达的每转排量，以便保持马达rpm(转/分)基本上恒定。为了在不用变频器情况下产生规定频率下的交流电流，马达的rpm应可控制在+/-0.1-0.2％之内。在采用不同类型马达情况下或是在不能精确控制rpm的情况下，可以应用变频器来细调所产生的AC(交流)电流的频率。

在一些优选实施例中，本发明的设备包括至少5个臂，如至少20臂，优选至少40个臂，优选50-80个臂，如55-65个臂，例如60个臂。所述设备的臂优选这样分配，以便每个海浪波长设置至少5个臂，优选至少10个臂。在公海，海浪的波长通常是50-300m，如50-200m。在受保护的水中，海浪的波长通常是5-50m。

在一些优选实施例中，所述设备横跨至少两个波长。这样使得有可能将臂和浮子排设置成相对于波浪方向成一个相对较大的角度，比如+/-60°，因为伸出到浮子排取向上的波长横跨至少2×cos(60°)的波长，亦即至少一个波长，因而保证总是输送能量份额。

多个臂优选设置成一排或多排，比如成星形，V形或如在WO01/92644中所公开的六边形。为了有效地开发波浪能，臂排优选这样相对于波浪方向取向，以使臂排与波浪方向形成一个在+/-60°内的角度。

现已发现，按照本发明所述的设备效率随着浮子在其干重方面的浮力增加而增加。因此，在本发明的一些优选实施例中，浮子的浮力是其干重的至少10倍，如至少20、30或50倍，优选的是20-40倍。例如，浮子的干重通常是每立方米浮力100kg或更少，盐水的浮力通常大约是1050kg/m³。浮子通常是用硬质重量轻的泡沫塑料材料或者轻木制成，上述泡沫塑料材料或轻木涂覆一种复合材料，如增强玻璃纤维复合材料或者玻璃纤维和碳纤维复合材料的组合。可供选择地，浮子可以用增强纤维材料的夹层制成，同时硬质泡沫塑料设置在夹层中间和浮子的底部及顶部处，同时泡沫塑料层被增强纤维材料的蜂窝状结构隔开。

效率还随着浮子的直径与其高度比的增加而增加。优选的是，浮子的直径至少是其高度的5倍，如至少7倍，如至少10部，或5-20倍。在优选实施例中，浮子具有基本上是圆形的横截面，并且为了改善浮子的流体动力学性能，它可以具有圆形边缘部分，所述圆形边缘部分起流线型作用。

能量转换装置优选包括具有液压传动马达的液压驱动系统。例如，每个臂都可以通过至少一个执行装置连接到液压驱动系统上，上述执行装置使液压驱动系统的液压介质排入液压马达中，执行装置设置成经由液压管道将液压介质排到马达上。在多个臂和多个执行装置的情况下，液压介质优选经由共用液压管道排到马达上。换句话说，多个液压执行装置可以经由液压管道共用的系统把液压介质输入一个液压马达中。最优选的是，液压介质不积蓄在液压储箱中，所述液压储箱用于在压力下积蓄液压介质，压力从液压储箱中释放到马达。因此，执行装置直接把液压介质输入马达。然而，如下所述，有利的是可以将液压蓄能器组用于完全不同的用途，亦即用来迫使浮子在波谷附近进入波浪中。如在优选实施例中那样，多个执行装置同时把电力传送到马达，不需要有液压储箱，因为马达能在基本上恒定的速度下和基本上恒定的能量输入下运转，这是由于在共用的液压系统中一次从多个执行装置中输送能量。

应该理解，可以预见设有多于一个液压马达。优选的是，可以在共用液压管道的端部并联设置两个、三个或多个马达。因此，通过共用液压管道输送的能量可以驱动多个马达。例如，如果液压驱动系统产生4MW，则可以在共用液压管道处并联联接八个各输送500KW的马达。马达可以输送相同的额定功率输出，或者它们可以输送不同的额定功率输出。例如，一个电机可以输送400KW，一个可以输送500KW等。

所有液压马达还可以通过同一贯穿轴连接，所述贯穿轴驱动至少一个共用发电机，或者所有液压马达可以驱动一个嵌齿轮，所述嵌齿轮驱动至少一个共用发电机。

为了使液压系统能迫使一个或多个臂和浮子朝向任何所希望的方向，每个执行装置都可以包括一个双动缸，所述双动缸可以用来把臂中能量提取到液压系统中，并且把液压系统中的能量输入臂中，比如在波谷附近迫使浮子进入到波浪中，如下面关于液压蓄能器详细的说明。

在优选实施例中，所述设备包括在波谷处迫使一个或多个浮子进入波浪中的装置，以便增加浮子行进的垂直距离，以增加一个波浪周期中的能量输出。这种装置可以比如包括一个或多个液压蓄能器，用于间歇式储存液压驱动系统中的能量。有利的是，液压蓄能器中储存的能量可以从当浮子被提出波峰的水面时释放位能得到。换句话说，当浮子从波峰附近的波浪中淹没的位置移动到水面上方的位置时，释放位能。这种能量可以积蓄在液压蓄能器中或者积蓄在液压蓄能器组中，其中不同的液压蓄能器可以在不同的压力下比如在按照液压蓄能器数的压力级下充料。在包括这些液压蓄能器的实施例中，当波谷通过浮子时，液压驱动系统是可控制的，以释放储存在液压蓄能器中的能量，以便迫使臂所承载的浮子进入到波浪中。为了改善液压蓄能器系统的效率，可以采用多个液压蓄能器，如至少2个，如3-20个，如通常6-12个，上述液压蓄能器优选在不同的压力级下储存液压介质。在优选实施例中，在波谷附近迫使浮子进入波浪中一定距离，随后允许浮子在波浪中向上移动，但仍淹没在波浪中，并在波峰处释放浮子，亦即让浮子移出水面。如上所述，利用浮子在波峰处释放的能量充入一个或多个液压蓄能器中，在所述液压蓄能器处储存能量用于迫使浮子进入波浪中。因此，当浮子在波峰附近移出波浪时所释放的位能不损失。相反，在波谷处利用上述释放的位能迫使浮子进入波浪中，因而浮子行进的总垂直距离增加。因此，一个波浪周期的能量输出增加。可以估计，在1.5m的波高下，浮子行进的垂直距离可以从大约0.75m增加到大约1.5m，因此使能量输出加倍。用来在波谷处迫使浮子进入波浪中的能量基本上在驱动系统中没有损失，因为能量由在波峰处释放的浮子提供。

为了能准确控制系统，每个液压缸，或者至少选定的一个液压缸可以设有传感器，所述传感器用来确定液压缸活塞的位置和/或运动速率，传感器设置用于将信号传送到液压缸和相关阀的控制单元，以便可响应于显示各个液压缸活塞位置和/或运动速率的信号单独控制从各个液压缸中到液压驱动系统的其余部件的能量传送。因此，液压缸可单独控制，并且可将一个液压缸从操作中拉出用于维修，而同时其余液压缸仍保持工作，以便整个系统基本上不因拉出一个液压缸而受影响。优选还利用传感器来控制将浮子压入水中，亦即控制液压蓄能器组的压力的释放。还可以利用传感器给蓄液压蓄能器充料，亦即确定波峰的推移。另外，传感器对控制浮子在波峰处释放，亦即防止浮子像弹射一样冒出是有用的。传感器还可以用来监测液压驱动系统中每个执行装置的能量输出，以便各个执行装置和整个设备的能量输出可以如此优化。

尽管某些先有技术系统依靠淹没的基准件来支承那些将海浪能量转换成有用的能量的装置或是依靠岸上支承件，但现已发现，在公海上开发波浪能最有效。因此，本发明的设备优选包括固定到海底的支承结构。在目前优选实施例中，支承结构是通过吸力锚，或是可供选择地通过重力基础固定到海底上，或是用短柱固定到岩石海床上。有利的是支承结构可以包括桁架结构，同时把吸力锚设置在结构的第一节点处。设备的至少一个臂和优选所有臂支承在桁架结构的第二节点处，最优选支承在桁架结构三角形子结构的顶点处。三角形子结构可以通过用于在每个角处把结构固定到海底的装置，将两个顶点限定在海底。优选的是，用于固定的装置至少部分地埋入到海底中，比如通过重力基础或吸力锚。当用于固定的装置设置在桁架结构的节点上时，可以有效地抵消由浮子浮力所引起的在桁架结构中垂直力。如上所述的桁架结构保证系统的最大程度的稳定，而同时考虑总重量轻的支承结构。

现已发现，在先有技术系统中一个普遍的问题是防止在风暴和飓风期间发生的极大冲击损坏浮子、臂和波力发电设备的其它部件。因此本发明的实施例具有使波力发电设备能承受极端海浪状况的特征。这个实施例包括液压提升系统，所述液压提升系统用于将浮子提升出海面，并用于将浮子锁紧在海面上方的上部位置。

液压提升系统优选的是包括一个或多个泵，所述一个或多个泵用于将液压介质泵送到液压缸中，来将它们提升出海面。

由于液压提升系统，所以可以在比如风暴发生时或者在发生结冰之前，将浮子从海面中拉出并保持在海面上方的锁紧位置上。因此，当把浮子从海面中拉出时对浮子的唯一影响是风的影响，所述风力显著地小于波浪力。在一个实施例中，臂可以通过在液压提升系统中产生液压压力提升出水面，上述情况可以使臂移出海面，并通过合适地关闭阀，优选通过圆锥形的锁紧销，以便保持提升压力。液压提升系统可以从远处岸上位置控制，或是通过构成波力发电机部件的控制系统控制，并响应于指示风暴状况的信号起作用，比如响应于用于连续测定风速的电子装置的信号起作用。控制系统可以编程序，以便在预定的波高下从水中拉出浮子和臂。例如，这个波高可以涉及设备工作现场最大的预报波浪即所谓的“百年一遇的波浪”的一定比例，比如30％。在20m的海洋深度，这个高度大约是18m，因此控制系统在大约6m的波浪高度时把浮子和臂拉出海面。波高可以用机械、光学、电磁或者声学系统测定，比如具有设置在海底上的压力传感器的压力传感系统，设置在浮子处的回声探测系统，设置在所述设备的固定结构上并向上指向波浪表面或在空中操作向下朝向水面的回声探测系统，或者具有设置在浮子上和/或固定支承结构上的光发射或光接收装置的传感器系统，这种光比如是激光。可供选择地，可以在所述结构上设置一个雷达系统。提升系统中液压介质的压力可以由形成液压提升系统一部分的泵产生。可供选择地，压力可以通过从液压蓄能器中释放加压的液压介质产生。液压蓄能器可以比如由一液压驱动系统充料，在本发明的一个实施例中，上述液压驱动系统包括在能量转换装置中。例如，用于传输液压提升压力的液压蓄能器可以是一个液压蓄能器或者是成所谓液压蓄能器组的多个液压蓄能器，上述液压蓄能器用于在波谷处迫使浮子进入波浪中，如以下详细说明。

液压提升系统优选适合于单独地将每个浮子提升出海面。例如，提升系统可以包括多个液压回路，每个液压回路与一个臂有关，并且每个液压回路包括用于给用来将臂和浮子提升出海面的液压回路加压的阀和/或泵装置。在一个实施例中，液压提升系统包括比回路少的泵，因此所述泵或每个泵连接到多个回路上，每个具有相关阀的回路指定给一个臂。在本发明的优选实施例中，能量转换装置和臂这样设置，以使保持处于海洋中的那些臂可以将能量输送到能量转换装置，而使一个或多个其它的臂保持提升出海面。因而包括在本文中作为参考文献的WO 01/92644的能量转换装置的实施例可供绕能量转换装置的驱动轴自由转动，把臂的驱动轴提升出海面。一些依靠液压能量转换装置的实施例可以包括用于使那些能量转换装置停止工作的装置，比如与已经提升出海面的臂有关的那些液压执行装置，其中臂的运动在液压驱动系统中产生压力。在目前的优选实施例中，可以通过臂的执行装置比如双动液压缸提升出海面，并锁紧在升高的位置上，上述臂的执行装置可以用来提升并锁紧臂。

本发明的一些优选实施例还对设置一个或多个臂的稳定旋转支承件的问题提供一种解决方案，所述稳定的旋转支承件对水平力分量有较小的影响。现已发现，美国专利US 40 13 382的结构由于波浪所产生的水平力分量而很可能变得不稳定。更具体地说，连杆的轴承由简单的销构成，并且这些轴承中任何轻微的松动可能造成对连杆及其支承件无可挽救的损坏。因此美国专利US 40 13 382的设备不适合安装在公海处，亦即不适合安装在相对较大波浪力处。WO 01/02644中所公开的结构还有下述缺点，即甚至单向轴承(one-way bearing)中最轻微的松动也可能损轴承，上述单向轴承支承摇臂并且连接摇臂管和力轴。另外，WO 01/02644的设备要求非常坚固的力轴，其中用一个力轴支承总数为40多个摇臂，上述非常坚固的力轴由于为了供它能传送所需能量所要求的尺寸因为它的大尺寸所造成的重量而难以实现，这样大的尺寸由于从臂到力轴的动量传送而是必要的。按照本发明所述设备的优选实施例提供一种臂的改进支承件，所述改进的臂的支承件使所述设备对水平力分量有影响较小。因此，在优选实施例中，本发明的设备包括一对受预应力的和基本上无松动的轴承。这样各轴承能有效地抵消径向力和轴向力，并因此能承受由波浪所提供的水平力分量。术语“无松动的轴承”应理解为包括任何在水平和轴向方向上都无松动的轴承。例如，轴承对可以包括两个它们的圆锥面彼此相对的圆锥形轴承。在一个实施例中，轴承是压力润滑式轴承。

在另一个实施例中，轴承包括内环和外环或圆筒体，内环固定到臂的旋转轴上，而外环固定到固定支承上，轴承还包括在内环和外环之间的挠性材料。在运行期间，内环相对于外环旋转，因而使挠性材料扭转。为了调节挠性材料的刚度，可以在材料中设置至少一个空腔或穿孔。挠性材料可以比如包括弹簧构件如扁簧。通过穿孔合适的定位或者通过弹簧构件合适的设计，可以把轴承支承件设计成在一个方向上比在另一个方向上有更大的承载力的能力。

臂优选的是由轴承在两个安装点上支承，所述两个安装点偏离臂的中心轴线，轴承的中心轴线与臂的旋转轴线一致。因为每个臂都连接到单个轴承上并且由所述单个轴承支承，所以可以实现对臂的稳定旋转支承。尤其是，因为两个轴承优选沿着臂的旋转轴线以相互的距离设置，可以抵消在浮子上由水平力分量所造成的在轴线上的影响。

因此，应该理解，本发明的结构比先有技术装置的结构更稳定。因为本设备主要是打算作为离岸建筑物，所以由于在离岸现场的维修费用，稳定性是主要考虑的问题。在离岸现场的维修费用通常是比在岸上现场的维修费用高10倍。

附图说明

现在将参照附图进一步说明本发明的一些优选实施例，其中：

图1和2是按照本发明所述波力发电设备的剖视图；

图3-5示出按照本发明所述波力发电设备实施例的桁架结构三个实施例；

图6示出浮子的蜂窝状结构；

图7示出用于图1和2设备的臂的支承结构；

图8-13示出用于设备的臂的各种轴承组件；

图14-17示出按照本发明所述设备实施例的液压驱动系统图；

图18示出用于将浮子提升出海面的液压提升系统图；

图19示出具有横跨两个波峰的浮子阵列的波力发电设备；

图20分别示出在先有技术波力发电设备液压驱动系统供给管路中和按照本发明所述设备实施例中作为时间的函数的液压压力；

图21示出浮子跨越波浪的两种不同行进路径；

图22示出一具有多个用于在波谷处迫使浮子进入波浪中的蓄能器的液压驱动系统图；

图23示出在液压储存系统中能量的多级积蓄；

图24和25是波浪和浮子运动的示意图。

具体实施方式

下面的附图说明公开包括在按照本发明所述的波力发电设备各种实施例中的各种不同特征和选择。本发明最广方面的工作原理最好从图1和14-20的实施例说明中理解。

图1和2示出波力发电设备102的剖视图，所述波力发电设备102包括桁架结构104，该桁架结构104可以比如具有所谓的空间桁架结构。也在图3-5中示出的桁架结构包括基本上是三角形的下面部分和基本上是矩形的上面部分111，上述三角形的下面部分具有第一、第二和第三力构件106、108、110。所述矩形的上面部分可以用来容纳液压和电气设备，其中包括液压驱动和提升系统，并且它还可以用作维修人员用的狭窄人行道或者步行桥。如图3-5中所示，矩形上面部分垂直于图1和2的平面延伸一段距离，而同时设置多个明显更低的三角形下面部分。桁架结构限定第一、第二、第三、第四、第五和第六节点112、114、116、117、118和120。优选的是，各力构件基本上是刚性的，以便它们可以经受住拉伸和压缩，第一和第二节点112、114设置在海底处，并通过比如图3-5中所示出的吸力锚121保持在海底处。可供选择地，第一和第二节点112、114可以由海底处的混凝土基础支承。承载浮子124的臂122旋转地支承在第三和第四节点116、117处或它们附近。图3-5示出用于在结构任一侧上支承多个臂的桁架结构透视图。应该理解，图3-5的桁架结构可以具有比图3-5中实际示出的更宽的宽度，以便它包括比如二十或三十个三角形分段，因而臂可以在每个节点116、117处延伸离开桁架结构。多个如图3-5中那些桁架结构，如三个、六个或更多的桁架结构，可以设置成星形、V形或六角形结构，以便增加设施中所包括的臂和浮子总数，上述设施包括本发明的设备或多个按照本发明所述的设备。

第三、第四、第五和第六节点116、117、118、120设置在海面上方一个高度处，所述高度足以保证当在风暴状态下波浪高时，它们还在海面的上方。例如，节点116、117、118和120可以在大海平静时设置在海面上方20米处。为了将波浪能转换成水力能，波力发电设备102包括多个臂122，每个臂122都在一端处包括一个浮子124，而在相对端处连接到轴126上。各臂适合于绕轴126旋转。每个臂122都附接到一个液压执行装置上，如包括活塞130的液压缸128。液压缸128枢转地连接到第一附接点132中的臂上和连接到第二附接点134中的桁架结构104上。第二附接点优选的是位于一个节点处，亦即沿着一设置在桁架结构三角形主结构的顶部上的基本上矩形结构的边缘部分。浮子124受波浪运动影响上下移动臂。当臂上下移动时，使活塞130移动，因此把波浪能变成水力能，所述水力能可以转换成有用的电能，如下面关于图14-18和22所述。

如图2所示，液压缸128适合于将臂122锁紧在升高的位置中，在所述升高位置中波浪不能达到臂122和浮子124，所述臂122通过液压缸128拉到它的升高位置。因而能在风暴期间保护臂122和浮子124，或者当环境温度接近或低于海水的冰点时冒着遭受在浮子上结冰的危险。液压缸128连接到液压提升系统上，用于将液压缸锁紧在升高的位置中，液压提升系统在下面关于图18更详细地论述。浮子124可枢转地连接到臂122上。因此，当臂在风暴期间升高时，浮子可以旋转到一个它们基本上与风向平行的位置。因而限制风作用于其上的表面，并因此减少作用在浮子124上的力和减少通过臂122转移到桁架结构104上的力矩。而且把浮子设计成具有带圆形边缘(未示出)的空气动力学形状，以便减少设备上的风力。

如图3-5所示，桁架结构104可以包括对角的力构件113、115(在图1和2中未示出)，用于在节点116、117处提供另外的支承。

在图4和5中，桁架结构装载一向下作用的重量，以便减少在锚固点121处向上的力。重量由一个纵向延伸的重量如一个水箱123(图4)或者由多个不同的重量如多个水箱125(图5)产生。

图6示出基本上空心浮子124的结构，上述空心浮子124包括蜂窝状结构127，所述蜂窝状结构127支承浮子的外壁。

图7示出臂122的其中之一，所述臂122枢转地附接到浮子124上，并适合于绕轴126旋转。该臂在第一和第二附接点136、138处连接到轴上，上述第一和第二附接点136、138偏离臂的中心轴线140。轴126由一固定支承结构142旋转式支承，上述固定支承结构142包括两个设置用于抵消径向力和轴向力的轴承144。

为了提供用于臂122的旋转的基本上免维护的轴承支承，本发明人提出如图8-13所示的那些轴承。图8-13的轴承在图7所示的轴承结构中可以合并成轴承144，并且尤其适合于支承轴，所述轴的旋转辐度在正常运行期间为等于或小于30°亦即等于或小于±15°，如等于或小于20°亦即等于或小于±10°。当臂枢转到图2的紧固位置时，可以将外环147的固定装置松开，以便允许更大的旋转幅度，比如±40°。传统的滚柱轴承或滚珠轴承在这种小旋转幅度下具有一短的使用寿命，因为它们的润滑介质仅仅在比臂122提供的旋转速度更高的旋转速度下连续旋转时才使它的用途达到所希望的程度。图8的轴承包括内环或圆筒体145和外环或圆筒体147，在它们之间设置挠性材料149，比如橡胶材料。内环145固定到旋转轴上，而外环147固定到轴的固定支承上。由于挠性材料149的弹性，所以内环可以相对于外环旋转，以便使支承的轴能相对于它的支承件旋转。因为外环147由一固定结构支承或者装配到该固定结构中比如沿着它的外圆周挤压装配，设置轴的轴向和径向支承。挠性材料149的刚度可以通过在材料中设置空腔151，如钻孔或穿孔进行调节。轴承可支承的最大载荷可以通过增加轴承的长度(亦即，横过图8的平面)来增加。空腔151的数量和尺寸可以选定，以便适合特定的用途，比如使缺口灵敏度最小和使轴承所抵消的力最大。同样的轴承344在图9中示出，所述轴承344具有较少的空腔151，以便增加轴承朝一个方向承载力的能力。

在图10、11和12中分别示出类似的扭转轴承(wriggle bearing)346、348和354。这些轴承包括内环和外环145、147，同时在内环和外环之间插入一个或多个扁簧。在图10中，设置两个扁簧147，每个扁簧147都成形为数字3的形状。箭头345和347表明，承载力的能力在垂直方向上(箭头345)比在水平方向上(箭头347)更大。在图11的轴承348中，设置一扁簧元件352，所述扁簧元件352限定多个空腔353。箭头349和350表示，轴承承载力的能力在垂直方向和水平方向上比在非水平方向和非垂直方向上(箭头350)更大。图12的轴承354包括两个H形扁簧元件362，每个扁簧元件362都限定外面部分和里面部分364和365及互连部分368。轴承的刚度可以通过适当地选择弹簧元件362的几何形状选定。例如，互连部分368可以成形为S形。箭头355和357表示，承载力的能力在垂直方向上比在水平方向上大。

图8-12的内环和外环145、147可以用钢材或者用碳纤维材料制成。扁簧342、352和362同样可以用钢材或碳纤维材料制成。

图8-12的轴承原理也可以用来为液压缸128提供支承。

图13示出用于臂122的轴承支承件，所述支承件包括两个扁簧372和374。第一扁簧372增加抗扭刚度及轴承的横向刚度。扁簧可以用碳纤维材料制成。

在图14的液压图中，示出多个具有各自活塞130的液压缸128，各活塞130随着122和浮子124在波浪中移动可上下移动，参见上述图1的说明。尽管在图14的图中示出三个液压缸，但应该理解，按照本发明所述的设备通常包括较大数量的液压缸，比如，60个液压缸。液压缸128示出为双动液压缸，在它们上端处连接到系统液压介质用的供给管道176上。在每个供给管道176中，设置一个压力阀178。各供给管道176都汇合到共用主管道180中，所述主管道180以每转可变容积排量流入液压马达182中。在供给管道176和共用主管道180中，保持工作压力p₀。压力p₀有利地也可以是阀178的临界压力，在所述临界压力下，所述阀在它的打开和关闭状态之间转换。液压马达驱动发电机184，并在液压马达的出口处，把液压介质导引到容器186中。从容器186开始，液压介质通过共用返回管道188和分支返回管道190流回到液压缸128中。

在每个液压缸128中，活塞130将液压缸分成上腔和下腔192、194，所述上腔和下腔192、194通过管道196和198互连。在每个管道196中，设置两通阀200，而在管道198中，与两通阀200并联设置压力阀202和串联的流量控制阀204。最后，每个液压缸都装备有一个控制元件206，用于确定液压缸128活塞130的位置和/或运动速率。

当两通阀200打开时，活塞130可以在臂122(见图1)在波浪中移动时自由地移动。当控制元件206确定活塞130的某一位置和/或运动速率时，把控制信号传到阀200，使阀200关闭。当压力阀178关闭时，活塞130将锁紧，而波浪继续升高至浮子的浮力足够大，以致能克服供给管道和主管道176、180中的工作压力p₀，从而将压力阀178打开。因此应该理解，当阀178打开时(也参见下面图21的论述)，浮子124(见图1)至少部分地淹没在波浪中。一旦压力阀178打开，就把液压介质送到马达182。当浮子通过波峰时，浮子仍然被淹没，但液压缸128上面部分192中的压力下降，并且压力阀178关闭。随后，随着浮子在波浪向下从波峰移至波谷，两通阀200打开，并且液压介质从下面液压缸部分194排到上面液压缸部分192中。

很显然，由于大量的液压缸128，所以不论什么时候都保证它们中至少两个优选数个液压缸把液压介质流输送到马达182。因而，可以保证发电机184均匀的电力输出，而优选无需要任何变频器。

上述图14的说明也适用于图15，然而，在图15的实施例中，设置多个液压马达182、208、210。每个液压马达182、208、210都连接到各自的发电机184、212、214上。在图15的实施例中，只设置三个马达和发电机，但在其它实施例中，波力发电设备包括更大数量的马达和发电机。例如可以设置五个，十个或二十个马达和发电机。各液压马达及其相应发电机的容量可以如此选定，以使它能产生不同的能量级。在一个例子中，三个发电机可以分别能产生0.5MW，0.5MW和2MW。因此，为了产生1MW，可以将两个0.5MW发电机的液压马达连接到共用主管道180上，而第三个发电机将与主管道180分开。在波浪能总是基本上恒定的地方，各发电机及其相应的电机容量每个都可以选定为其最大可能的等级，以便减少液压马达和发电机的总数。在波高和波频有很大波动的地方，发电机的容量可以根据二进制原理(binary principle)选定，比如1MW、2MW和4MW。通过根据二进制原理选择发电机，能够用下面的模式将发电机接入和接出，以便最佳利用波浪能。

发电机1(1MW)	发电机2(2MW)	发电机3(4MW)	总输出(MW)
				接通	断开	断开	1
断开	接通	断开	2
				接通	接通	断开	3
断开	断开	接通	4
				接通	断开	接通	5
接通	接通	接通	6

图16的系统与图15的系统类似，然而在图16的系统中，只设置一个单独的发电机184，所述发电机184通过齿轮箱185用液压马达182、208和210驱动。各液压马达可以比如驱动行星齿轮带齿的轮缘。可供选择地，如图17中所示，液压马达182、208和210可以通过一个共用的贯穿的轴187驱动一个共用的发电机184。

图18示出液压提升系统，所述液压提升系统用于将浮子124提升出海面，并将它们保持在波浪不能到达浮子的升高位置中。图18还包括液压驱动系统，所述液压驱动系统与上述图14-17中描述的驱动系统类似。如果在图18所示的驱动系统中包括与图14-17中所示的那些元件相同或类似的元件，图6的附图标记在图8中使用，并参照上述图14-17的说明来说明这些元件及它们的功能。图18的液压提升系统适合于单独地将一个或多个浮子124提升出水面，并将提升起的浮子液压缸与液压驱动系统分开。图18的系统除了包括共用的返回管道188之外，还包括管道266，所述管道266把容器186连接到由电机270驱动的泵268上。管道272将泵268的下游侧连接到多个单向阀274上，单向阀274的数量等于浮子和液压缸128的数量。管道276把阀274相应的下游侧连接到相应的两通阀278和单向阀280上，管道276在上述单向阀280的下游汇合到共用管道282中。管道276经由管道284与下面的液压缸腔194和管道198相通。另外，管道276经由管道196与上面的液压缸腔192和供给管道176相通。最后，在分支返回管道190中设置两通阀286，而在管道198中设置两通阀288。

当把臂提升出水面时，阀278、阀286和阀288关闭。阀274和280打开，而泵268可以迫使液压介质进入下面的液压缸腔194，并将与上述液压缸有关的臂升高。通过阀280把上面液压缸腔192中的液压介质导引到容器186中。控制元件206检测臂，并通过臂使活塞130达到它所希望的位置比如它的最上面位置，并将信号传送到阀274和280，使它们关闭。随后将活塞130锁紧，并将臂紧固到一个浮子124被提升出水面的位置上。臂122可以另外由接合臂的棘爪(未示出)支承。

图19是示出多个浮子124和164的示意图，所述多个浮子124和164通过如上述图14-18中描述的液压缸联接到液压驱动系统。在图19中，那些位于波峰146、148处的浮子用附图标记164表示，而所有其它浮子用附图标记124表示。然而，在浮子124和浮子164之间没有结构上的差别。第一、第二和第三波峰146、148、150在图19中用双线表示，而第一和第二波谷152、154在图19中用单线表示。波前运动的方向用第一箭头156表示，波长用第二箭头158表示，以及波浪的上升和下降部分分别用第三和第四箭头160、162表示。如图19所示，在波峰146和148处的那些浮子164具有刚结束的它们的由波浪引起的向上运动。在第一波峰146和第一波谷152之间的那些浮子124在波浪中处在它们向上的过程中上，而在第二波峰148和第一波谷152之间的那些浮子沿着波浪的下游侧向下移动。因为浮子124、164阵列横跨整个波长，所以许多浮子在任何时刻在波浪中处在其向上的过程上，因而保证多个浮子在任何时候输送能量份额到液压驱动系统。参照图14-17如以上所述，每个浮子都驱动液压缸，并在主管道180(参见图14-17)中产生液压压力。由于多个浮子同时向上移动，多个液压缸同时提供液压压力。因此，由于共用主管道180连接到多个具有相应浮子的液压缸的构造，和由于浮子阵列的长度越过至少一个完整的波长，所以在共用管道180中的压力波动和在液压马达182或马达182、208、210入口处的压力波动可以保持很低。因为液压马达182、208和210是具有每转可变排量的马达，所以各马达的rpm可以保持基本上恒定。这也具有由发电机184或发电机184、212和214所产生的交流(AC)电流频率基本上恒定的效果，因而实现在本发明的优选实施例中，可以在不需要变频器的情况下产生AC电流。

在图19中，波浪方向限定一个相对于浮子排的角度θ。当θ＝0°时，波浪方向与浮子排平行。应该理解，角度θ越大直至0°，则浮子排必须越长，以便保证在任何规定的时刻至少有一个浮子被波浪向上移动，在液压驱动系统的共用主管道180(参见图14-17)中输送压力分配。

在设计系统时，应考虑有代表性的波长和位置的方向，以便保证系统中基本上恒定的液压压力。在本发明的优选实施例中，在波浪方向(角度θ)和波力发电设备的长度之间亦即在浮子124、164所横跨的长度之间的关系可以由以下公式确定：

图20示出在共用主管道180(参见图14-17)中作为时间240的函数的液压压力。第一曲线244在典型的先有技术波力发电设备供给管路中的液压压力，上述先有技术波力发电设备具有用液压马达供给一个蓄能器的液压缸。如图20中所示，液压压力随着波浪周期246波动。在本发明的波力发电设备实施例中，液压压力248以较低的幅度波动，上述本发明的波力发电设备包括多个臂，浮子和液压缸，并且没有蓄能器。

图21示出浮子横跨波浪的两个不同行进路径，上述波浪朝箭头171的方向移动。图21的上面部分示出一种流动路径，在该流动路径上没有采取措施来在波浪通过浮子时增加浮子124的垂直行进距离。图21的下面部分示出的流动路径，其中在该流动路径上通过在波谷152处主动迫使浮子124进入水中来增加浮子的行进距离。

在图21的上面部分中，在位置172a处，浮子124随波浪向下移动，直至浮子在位置172b处到达波谷152。在这点处，由于压力阀178关闭(参见图14-17)，两通阀200也关闭，而将液压缸锁紧，并因此浮子水平地移入波浪中经由位置172c到位置172d。随着波浪升起，在液压缸128上腔192中和压力阀178(参见图14-17)的管道上游中产生压力。在位置172d处，压力足以克服压力阀178的临界压力，所述压力阀178打开，因而浮子124能在波浪中向上移动经由位置172e到位置172f。在这种运动期间，浮子124的液压缸128将液压介质输入共用的液压管道180中，因而把能量份额输送到液压马达182或马达182、208、210。在位置172f处，当通过的波浪即将下落时，供给管道176中的压力下降到低于压力阀178的关闭临界，上述压力阀178关闭。一旦压力阀178关闭和两通阀200打开，浮子124就与共用的液压管道180分开，而浮子124的浮力使它能基本上垂直地移出水面到位置172g。随着波浪下落，浮子124随着波浪向下移动到位置172h，并且浮子在下一个波浪中开始新的循环。浮子124行进一个垂直距离168。从上述图21的说明，应该理解，每个单独浮子124和相关液压缸128的能量份额在浮子的垂直运动期间赋予液压驱动系统。

为了增加波力发电设备的电力输出，因此希望增加浮子124的垂直行进距离。图21的下面部分示出可供选择的浮子124横跨波浪的行进路径，其中采取措施来增加浮子124行进的垂直距离。在位置174a处，浮子124下降到波浪的下游侧处。在位置174b处，浮子124到达波谷152。在这点处，迫使浮子向下在水下达到位置174c，并且压力阀178和两通阀200关闭(参见图14-17)。当压力阀178上游的压力超过压力阀的临界关闭压力时，阀178打开，并且浮子124经由位置174d、174e和174f移动到位置174g。在位置174f处，压力阀178关闭和两通阀202打开，并且浮子124的浮力使浮子基本上垂直地移出水面到达位置174h，从位置174h浮子在波浪的下游侧下降到位置174i，并重复上述循环。由于在波峰152处迫使浮子进入水中，亦即从位置174b到位置174c，所以浮子行进的垂直距离170显著地大于在一个浮子在波谷处或在波谷附近不被迫使向下进入波浪中的实施例中行进的垂直距离168，参见图21的上面部分。因此浮子124的液压缸128的能量份额在图21下面部分的路径比图21上面部分的路径也显著地更大。

明显地，只有当在波谷152处用来迫使浮子124进入波浪的能量不从设备的电力输出中扣除时，波力发电设备总电力输出的净增益才增加。图22示出图14液压驱动系统修改的实施例，所述修改的实施例可以积蓄当浮子124在波峰处或波峰附近垂直地移出水面，亦即在图21的下面部分中从位置174g移动到174h时所释放的位能。这个能量在图14-17的实施例中损失掉，利用这个能量来迫使浮子124进入波浪中。

更具体地说，图22示出具有第一、第二、第三和第四液压蓄能器216、218、220、222的液压图，上述液压蓄能器216、218、220、222用来在波谷处迫使浮子向下位于波浪之下。除了图14的系统之外，图22的液压系统包括液压蓄能器216、218、220、222，它们设置在液压蓄能器管道224、226、228、230的一端，所述液压蓄能器管道224、226、228、230通过第一、第二、第三和第四两通阀232、234、236、238连接到供给管道176上。一旦浮子通过波峰，压力阀178就如上关于图14所述关闭，并且浮子124从它淹没在波浪中的位置移出波浪。因而从液压缸上面部分192移出的液压介质通过阀232、234、236、238和液压蓄能器管道224、226、228、230导入液压蓄能器216、218、220、222。在一个实施例中，阀232、234、236、238这样设置和控制，以便第一阀232在第一压力p1下关闭，所述p1低于主管道180中的工作压力p0。第二阀234在第一压力p1下打开，而在较低的第二压力p2下再次关闭。第三阀236在第二压力p2下打开，而在较低的第三压力p3下关闭。第四阀238在第三压力p3下打开，而在较低的第四压力p4下再次关闭。在还更低的压力p5下，两通阀200打开。

在波谷处，阀200打开，第四两通阀238打开，并利用第四液压蓄能器222中的压力来迫使浮子位于水下。随着第四两通阀238关闭，第三两通阀236打开，并利用第三液压蓄能器220中的压力来迫使浮子进一步位于水下。此后第三两通阀236关闭，而第二两通阀234打开，并利用第二蓄能器218中的压力来迫使浮子进一步位于水下。随后，第二两通阀234关闭，和第一两通阀232这样打开，以便利用第一蓄能器216中的压力来迫使浮子进一步位于水面下。最后，第一两通阀232关闭，和压力阀178打开。

应该理解，当浮子124从位置174g移动到位置174h时(参见图21的下面部分)垂直地从波浪移出来，可以利用所释放的位能的至少一部分来迫使浮子在波谷152处进入水中，以便增加波力发电设备的电力输出。因此，通过用上述方式迫使浮子向下可以认为是利用在波峰处释放的位能的一种方法，否则，上述位能将损失掉。

可以设置多于四个的液压蓄能器216、218、220、222。例如，可以设置六个、八个、十个、十二个、二十个或更多的液压蓄能器。

图23大体地示出在N级中亦即在N个相当于图22液压蓄能器216、218、220和222的液压蓄能器中能量积蓄的图解表示。第一轴线表示浮子在水中的垂直位移d₀250，而第二轴线表示力F₀252。覆盖图23中图形一半的阴影三角形面积表示理想的可利用的最大能量。然而，为了利用这个能量，系统应包括不定数量的级，亦即包括不定数量的液压蓄能器。换句话说，两级之间的压差越大，则每一级的能量损失就越大。在图23中，能量损失用阴影三角形254表示。每个三角形都表示浮子移动一个垂直距离Δd。每个小三角形的面积是高度乘以长度的一半。因此，在每一级的损失可以用以下公式确定：

式中：

F₀是迫使浮子在水下的距离为d₀时的偏移力，

Δd＝d₀/N，以及

N是级数。

能量的总损失，亦即小三角形之和由以下公式限定：

因此，级数N越大，则能量总损失越小。

上述图22和23中液压蓄能器的效果在图24中示出，其中曲线256示出浮子在波浪中作为时间的函数的运动，而作为时间的函数的曲线258波浪的形状。在波浪下游亦即在下降侧，曲线256和258一部分叠加。在260处，两通阀200关闭(参见图22)，而同时压力阀178也关闭，并将浮子锁紧。在262处，浮子离开波浪，并把能量输送到液压蓄能器216、218、220和222。在图25中，曲线264示出浮子在波浪中的实际的下降量。

Claims (29)

1.一种波力发电设备，包括多个臂，每个臂在一端由一个轴旋转地支承，并且其中每个臂在其另一端承载一个浮子，上述另一端与支承端相对，从而由波浪所引起的浮子平移运动导致臂绕所述轴旋转，上述波力发电设备包括：能量转换装置，所述能量转换装置用于把从波浪传送到臂的能量转换成电力；所述多个臂这样设置成一排，以使通过上述臂排的波浪造成各臂依次地绕轴枢转，各臂相互间隔一定距离设置，以使波浪的推移造成臂以相互的相移枢转。

2.按照权利要求1所述的波力发电设备，其中臂排这样相对于波浪方向取向，以使所述臂排相对于波浪方向形成一个在+/-60°之内的角度。

3.按照权利要求1或2所述的波力发电设备，其中当波浪通过臂的浮子时，每个臂间歇性地把能量传送到能量转换装置，各臂和浮子设置成具有这样的相互距离，使得总是有至少两个臂和浮子同时把能量份额输送到能量转换装置。

4.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，其中浮子的浮力是其干重的至少10倍。

5.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，其中浮子的直径是其高度的至少5倍。

6.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，其中所述多个臂包括每个波浪的波长至少5个臂。

7.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，其中所述多个臂包括横跨总长度为50-200m的至少5个臂。

8.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，其中臂和浮子用密度至多为1000kg/m³的材料制造。

9.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，其中能量转换装置包括具有液压传动马达的液压驱动系统。

10.按照权利要求9所述的波力发电设备，其中每个臂都通过至少一个执行装置连接到液压驱动系统上，上述至少一个执行装置使液压驱动系统的液压介质排入所述马达中，执行装置设置成通过共用液压管道将液压介质排到马达。

11.按照权利要求10所述的波力发电设备，其中每个臂的至少一个执行装置包括双动缸。

12.按照权利要求11所述的波力发电设备，其中液压驱动系统包括至少一个液压蓄能器，用于间歇性地储存液压驱动系统中的能量，并且其中液压驱动系统是可控制的，以便当波谷通过浮子时，释放储存在蓄能器中的能量，从而迫使臂所承载的浮子进入波浪中。

13.按照权利要求10和12所述的波力发电设备，其中液压介质经由共用的液压管道输入供给液压蓄能器。

14.按照权利要求11-13其中之一所述的波力发电设备，其中每个液压缸设有用于测定液压缸活塞位置和/或运动速率的传感器，所述传感器设置成将信号传送给液压缸和相关阀的控制单元，以便可响应于表示各个液压缸活塞位置和运动速度的信号单独控制从各个液压缸到液压系统其余部件的能量传送。

15.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，其中轴和能量转换装置由支承结构支承，所述支承结构通过吸力锚或重力支承锚固到海底上。

16.按照权利要求15所述的波力发电设备，其中支承结构包括桁架结构，并且其中吸力锚设置在桁架结构的第一节点上。

17.按照权利要求16所述的波力发电设备，其中至少一个臂由桁架结构支承在其第二节点上。

18.按照权利要求17所述的波力发电设备，其中所述第二节点设置在桁架结构三角形子结构的最高点处，并且其中三角形子结构以在每个角中的锚将两个顶点限定在海底处。

19.按照权利要求18所述的波力发电设备，其中桁架结构包括设置在三角形子结构上方的多边形子结构，优选矩形子结构。

20.按照权利要求15-19其中之一所述的波力发电设备，其中支承结构包括用于在支承结构上提供向下的力的压载物，该压载物设置在海平面上方。

21.按照权利要求20所述的波力发电设备，其中所述压载物包括至少一个压载箱或压载容器。

22.按照权利要求15-21其中之一所述的波力发电设备，其中臂在沿着轴的至少两个点处连接到轴上，上述两个点偏离臂的中心轴线，并且其中轴由一固定支承结构可旋转地支承，上述固定支承结构包括两个设置用于抵消径向力和轴向力的轴承。

23.按照权利要求22所述的波力发电设备，其中轴承在轴向方向上受预应力。

24.按照权利要求22或23所述的波力发电设备，包括多个臂和多个轴，以便每个臂由它自己的轴支承，每个臂在沿着轴的至少两个点处连接到它自己的轴上，上述至少两个点偏离臂的中心轴线，其中每个轴通过两个设置用于抵消径向力和轴向力的轴承用固定支承结构可旋转地支承。

25.按照权利要求22-24其中之一所述的波力发电设备，其中每个轴承都包括内环和外环或圆筒体，内环固定到臂的旋转轴上，而外环固定到固定支承上，轴承还包括在内环和外环之间的挠性材料。

26.按照权利要求25的所述的波力发电设备，其中挠性材料包括至少一个空腔或穿孔。

27.按照权利要求25或26所述的波力发电设备，其中挠性材料包括至少一个弹簧件，如扁簧。

28.按照上述权利要求其中之一所述的波力发电设备，还包括液压提升系统，所述液压提升系统用于将浮子提升出海面，并用于将浮子锁紧在海洋平面上方的上部位置中。

29.按照权利要求11和28所述的波力发电设备，其中双动缸构成液压提升系统的一部分，因此液压缸是可控制的，以便将浮子提升出海面。

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