TWI276741B - Electric device and method - Google Patents

Description

1276741 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明的第一態樣與發電的波浪-動力單元有關，包 括一浮體及直線型發電機，發電機的轉子經由連接裝置連 接於浮體，發電機的靜子錨定於海/湖床。 本發明的另一態樣與波浪-電力發電廠有關，其包括 複數個按照本發明的波浪-動力單元。 本發明的第三態樣與使用申請專利的波浪-動力單元 · 產生電流有關。 本發明的第四態樣與經由將浮體連接於直線型發電機 的轉子與錨定於海/湖床之發電機之靜子發電的方法有關 〇 本發明的第五態樣與製造用於本發明之波浪-動力單 元的直線型發電機之組件的系統有關。 最後，本發明的第六態樣與按照本發明製造用於波 浪-電力發電廠之直線型發電機的方法有關。 · 在本申請案中，所謂“轉子”（rotor)是指直線型發電機 中可活動的部分。須瞭解，雖是使用“轉子”一詞，但並不 表示它是一旋轉體，而是直線往復移動的物體。因此，“ 轉子的移動方向”指的是移動的直線方向。轉子的“中心線 ”指的是通過所選擇之橫斷面之中心的直線，通過轉子沿 著移動的方向。“橫斷面”指的是橫過轉子移動方向的斷面 〇 按照本發明的波浪-動力單元，意欲的應用（不限於） -6- (2) 1276741 達5 00千瓦。 【先前技術】 在海中及內陸大湖中之波浪的移動是一潛在的能源， 至今仍未被利用。可用的波浪能量視波浪的高度而定，自 然隨著位置的不同而有差異。一年中的平均波浪能量視各 種風的條件而疋’與離開沿岸之距離有極密切的關係。例 如，曾在北海進行過測量。測量點是在丹麥Jylland海岸 西方大約1 0 0公里處，該處的深度大約5 0公尺，經過一 段長時間測量波浪高度並計算可用的能量，得到以下的表 波浪高度（公尺） 波浪周期（秒） 輸出（千瓦/公尺） 小時/年 <0.5 966 1 4 2 4 103 2 5 12 1982 3 6 32 944 4 7 66 445 5 8 115 2 11 >5.5 >145 119

因此，從表中可知，將近一半的時間，波浪高度大約 1公尺，所產生的輸出爲2千瓦/公尺。不過絕大部分的能 量得自高度範圍在2到5公尺的浪，隨著浪高增加，輸出 -7- (3) (3)1276741 大幅增加。 曾提出過各種利用海中波浪移動的能量產生電力的波 浪-動力單元。但都無法與傳統產生電力的方法競爭。至 今所貫現的波浪-動力發電廠主要都是實驗性的電廠，或 僅是用來供應當地導航浮筒使用的電力。如果要使波浪發 電商業化，即是要開發海浪移動所蘊含的巨大能量，不僅 要將發電單元放置在適當的點，還要它能可靠地操作，效 率高且製造與運轉成本要低。 φ 因此，在諸多將波浪移動能量轉換成電力的可行原理 中，直線型發電機可能是最能滿足這些要求者。 波浪致使浮體的垂直移動可直接轉換成發電機之轉子 的往復移動。直線型發電機的結構極爲堅固且簡單，由於 它被錨定在海床，因此它很穩定，不會受洋流的影響。發 電機中唯一會移動的組件是往復移動的轉子。儲存的問題 貫質上並不存在。由於移動的組件少且結構簡單，因此操 作極爲可靠。 Φ 吾人已知例如美國專利6,〇2〇,6 5 3揭示一種根據直線 型發電機原理的波浪-動力單元。該專利公告描述一種錨 定在海床的發電機，它利用海面波浪的移動產生電能。發 電機的線圈連接到浮體，因此，線圈隨著波浪上下移動。 當它移動時磁場作用到線圈，因此，線圈中產生電磁力。 磁場是沿著線圈整個衝程長度產生具有單一磁方向的均句 場。發電機包括錨定在海床上的基板，它支撐磁心，線圈 在其內移動。 -8 - (4) (4)1276741 配置直線型發電機的波浪-動力單元也揭示於美國專 利4,539,485。匕的轉子是由右干永久磁鐵構成，且發電 機的繞組是配置在靜子的四周。它最大缺點是靜子繞組只 有一組線圈。因此，它沒有極（pole)。此表示感應電流的 頻率極低，這是因爲轉子的直線移動很緩慢的緣故。 本發明的目的是提供一種相關類型的波浪-動力單元 ’它極能滿足操作可靠、簡單且具成本效益的要求。 【發明內容】 如申請專利範圍第1項之緒言中的描述，按照本發明 第一態樣之波浪-動力單元的特殊特徵包括轉子是永久磁 鐵，且靜子包括沿著轉子移動方向配置且具有複數個極的 繞組。繞組容納於靜子內，且轉子使用永久磁鐵，如此能 使波浪-動力單元中移動組件的構造儘量簡單，藉以降低 成本及擾動的危險。當繞組置於靜子上時，繞組與電流通 過的設計都較簡單。由於有複數個極一個接著一個地配置 ’所感應出之電流的頻率也可增加，由於往復移動的頻率 很低是無法改變的事實，因此，這種設計提供了相當大的 優點。因此，申請專利之從波浪中擷取電力的波浪-動力 單元提供了具有經濟競爭力的方法。靜子可配置在轉子的 內部或外側。絕大部分情況以外側較佳。這些型式的組合 也在本發明的範圍內。 按照本發明的較佳實施例，波浪-動力單元的轉子是 垂直走向。 -9- (5) (5)127674 Γ 當然，轉子的走向也可以是水平或傾斜，但以垂直走 向最爲實用。 按照本發明的另一較佳實施例，轉子包括分布於轉子 移動方向的複數個永久磁鐵。 按此設計的轉子可與使用按本發明設計之靜子之直線 型發電機合作無間。 按照本發明的又一較佳實施例，極間的距離小於5 0 毫米，小於1 〇毫米較佳。 極間距離愈小，所能得到的頻率愈高。如果浪高1公 尺，轉子的平均直線速率大約0.5公尺/秒，如果浪高2 公尺，平均速率大約0.8公尺/秒。因此，以50毫米的極 間距而言，1-2公尺之浪高所得到的頻率大約10-15Hz。 極間距若爲1 〇毫米，頻率可高出5倍。適合實用的極間 距大約8毫米。 按照本發明的另一較佳實施例，靜子是由複數個層狀 堆疊所構成，平均地分布在轉子四周。 按此配置可對磁場做最完整的利用，用以感應電流。 此實施例得到最適合利用磁場感應電流的簡單結構。 按照本發明的另一較佳實施例，每一個層狀堆疊是由 複數個模組構成，在轉子移動的方向一個接著一個地排列 〇 由於是以模組構成直線型發電機的靜子，因此，可以 很容易地調整長度以適合特定狀況的條件。不同大小的波 浪-動力單元可以使用標準的組件構建。此點使製造成本 -10- (6) (6)1276741 更進一步降低。已存在的電廠也可以很容易地修改。每一 個模組可包括一或兩個極。 按照本發明的另一較佳實施例，轉子包括複數個永久 磁鐵，圍繞著它的周圍配置，按此種排列方式，使轉子的 每一個永久磁鐵能以最佳的橫斷面面對每一個層狀堆疊。 排列永久磁鐵使其面對與磁鐵合作之層狀堆疊所在的每一 個方向，如此便可以更進一步地利用用來感應電流的移動 〇 按照本發明的另一較佳實施例，轉子是由轉子體構成 ，磁鐵固定於轉子體上。 此實施例創造了得到簡單且價廉之轉子的機會，由於 永久磁鐵是由均勻標準的組件構成，因此，沿著轉子四周 可以配置最佳數量的永久磁鐵，不同長度與橫斷面的轉子 可以使用相同標準的組件構成。 按照本發明的另一較佳實施例，轉子的長度靜子不同 ，其差異爲2或2以上的因數。 此設備在轉子的全衝程長度期間所感應的電流最大。 按照本發明的另一較佳實施例，轉子的長度長於靜子 〇 此可能是使用轉子之全衝程長度最適合的方式。 .按照本發明的另一較佳實施例，配置一或多個用以控 制轉子的導引單元。此類控制是使用較簡單的裝置確保轉 子在可容忍的正確路徑上移動。它允許空氣間隙非常小， 在亳米的數量級，俾使損失減至最小。 -11 - (7) (7)1276741 按照本發明的另一較佳實施例，至少部分的連接裝置 是可彎曲的。 此可避免側向波浪加諸於浮體的力，以便將完整的力 傳送給發電機的轉子。因此，它的控制可以降低方向性， 因爲偏向的力被節制。 按照本發明的另一較佳實施例，連接裝置包括纜線 (c a b 1 e)、金屬線（w i r e)或鏈條（c h a i η)。 連接裝置的可彎曲性可以經由方便及構造性的簡單方 法達成。纜線、金屬線或鏈條可以從浮體一直延伸連接到 轉子，或只是構成連接裝置中的一部分。或者，可彎曲性 也可使用配置有萬向接頭的硬質連接裝置達成。 按照本發明的另一較佳實施例，波浪-動力單元中包 括簧裝置，所配置的簧裝置施予轉子一垂直的力。此確保 轉子向下的衝程是以對應於水面下降的速率全速率向下。 此點非常重要，如果轉子的質量較輕，當浮體下降時簧裝 置可防止纜線鬆弛。雖然簧裝置最重要的任務是致使一向 下的力，但在某些情況，若配置得當，也可提供向上的力 〇 按照本發明的另一較佳實施例，簧裝置的回彈速率 (spring rate)可以調整。 經由改變回彈速率可將其調整到波浪移動的頻率以便 得到共振。如果簧裝置是由數個簧單元構成，回彈速率意 指合成的簧常數。通常，回彈速率設定在對應於預期最常 出現之波浪類型的共振頻率。 -12- (8) 1276741 按照本發明的另一較佳實施例，連接裝置的長度可以 調整。 此允許按海/湖潮汐不同的水面高度調整。 按照本發明的另一較佳實施例，波浪-動力單元包括 一變速機構，用以產生浮體與轉子之移動間的齒輪比。 由於變速機構，轉子的速率可以高於浮體數倍。另者 ，也可以提高感應電流的頻率，這是多相位發電機特別希 望達到的。 · 從設計態樣觀，在連接裝置與轉子的接頭處配置變速 機構甚是實用。此構成本發明的另一特優實施例。 按照本發明的另一較佳實施例，直線型發電機是固定 在配置於海/湖床上的基板上。 就直線型發電機的本身而論由於可以被錨定，因此， 它的位置遠離海平面，毫無疑問，實現此實施例極爲簡單 。且它提供了高穩定性。 按照本發明的另一較佳實施例，靜子是由一台架支撐 ® ，按此設計使其形成一中央自由空間，橫斷面的尺寸足以 允許轉子進入該空間，該空間的高度至少是轉子的長度。 此實施例允許轉子的移動持續通過整個靜子，因此， 靜子的整個長度都被用來感應電流。 按照本發明的另一較佳實施例，直線型發電機是被包 在一防水的外殼中。 密封是爲防止發電機受到鹽水或水中活的有機生物影 響，諸如甲殻類生物。且發電機的組件可以使用較不耐鹽 -13- (9) (9)1276741 蝕的材料設計，因此造價可以更便宜。 按照本發明的另一較佳實施例，外殼內塡充以液體。 此實施例特別重要，如果發電機是置於較深的水中， 由於壓力差’會使確保外殻防水的難度增加。如果在外殻 內塡充以腐蝕性低的液體，即可消除鹽水日後侵入的危險 ’即使在外殻上使用較簡單的軸襯。外殼內的液體也可冷 卻發電機。液體應保有與四周環境相同的壓力。 按照本發明的另一較佳實施例，基板 '台架及/或外 殻主要是以混凝土製成。混凝土是可用於此方面最便宜的 材料。此外，在很多情況，極重的壓艙物對波浪·動力單 元而言非常重要，此時，材料的成本就十分重要。 按照本發明的另一較佳實施例，至少部分的靜子嵌在 固態材料中，及/或至少部分的轉子嵌在固態材料中。該 材料以混凝土較合適。 此表示，嵌入的組件能有效地與四周的鹽水隔離。在 某些情況，此實施例比將整個發電機包在外殻中更爲合適 ’因此，密封的問題實質上不存在。 按照本發明的另一較佳實施例，轉子是中空的，且朝 外及朝內均配置有永久磁鐵，且層狀堆疊也配置在轉子的 內部及外部。 此實施例可對靜子產生感應電流的能力做最大的利用 ’因爲向內的磁場也被利用。 按照本發明的另一較佳實施例，浮體經由連接裝置連 接到複數個直線型發電機。 -14- (10) (10)127674Γ 在某些情況，此種多部發電機的設計更具整體經濟效 益，且使以模組原理爲基礎的設計更具可行性，因爲每一 個直線型發電機可以是完完全全標準化的單元，視所在的 位置而定，可將適當數量的發電機連接到同一個浮體。 按照本發明的另一較佳實施例，靜子繞組連接到一整 流器。此整流器適合配置在水面下直線型發電機的附近。 按照本發明的另一較佳實施例，所配置的發電機可以 產生變頻的電壓。這是因爲經過整流後，輸出的信號是雙 極DC電壓。 因此，發電機適合轉子受波浪移動所產生的移動模式 ，速率隨浮體所在位置的波浪周期及加諸於波浪表面之移 動的變化而變。 以上所描述申請專利之波浪-動力單元的有利實施例 定義於申請專利範圍中的申請專利範圍1。 所申請專利的波浪-動力單元也適合將多部相同單元 組合成波浪發電廠。本發明的第二態樣即與此類發電廠有 關，其中，每一個波浪-動力單元的靜子繞組經由整流器 連接到複數個波浪-動力單元共用的反相器，配置該反相 器以便將能量供應給輸配電網路。 所申請專利的波浪發電廠提供使用所申請專利之單元 之大型發電系統實際可行的解決方案，藉以利用它們的優 點，在其中轉換成DC並接著AC，以得到有利的傳輸條 件。 按照本發明的另一較佳實施例，所申請專利的波浪發 -15- (11) (11)1276741 電廠至少具有一個變電站（electric switchgear station)連 接到波浪-動力單元，該變電站包括一防水容器，將變電 組件包容於其內，變電站的容器錨定在海床上。 爲得到在海中利用波浪移動之發電機單元所產生的經 濟電力，不僅需要發電機單元的技術，重要的是還需要能 將每一個能源所產生的能量傳送到電力網路進行輸配的完 整系統。此態樣重要的原因是波浪發電廠的位置離開岸邊 有一段距離，且此距離有時相當可觀。 由於有發電機單元連接到變電站的設計，變電站可配 置在發電機單元的附近。此設計可使損耗降至最低，且能 將複數個波浪-動力單元產生的能量經由簡單的一般電纜 連接到陸地上的供電網路。在此提供一個全方位的解決方 案，波浪-動力單元與變電站都可以是使用標準組件所構 建成的標準模組。除了構建與運轉都很經濟外，按照本發 明的發電廠也提供有關環境方面的優點，因爲變電站不需 要建在對環境敏感的海岸地區。 按照本發明的另一較佳實施例，系統中包括複數個變 電站，其中每一個變電站都連接到若干個波浪-動力單元 。如果波浪-動力單元的數量很多，此種實施例較爲有利 〇 按照本發明的另一較佳實施例，每一個變電站連接到 配置在陸地上的接收站。 按照本發明的另一較佳實施例，至少其中一個變電站 (通常是所有變電站）具有升壓變壓器。或將升壓變壓器配 -16- (12) 1276741 置在中途站。無論從技術及成本方面看，將電壓位準升高 有利於能量的傳輸。 按照本發明的另一較佳實施例，變電站及/或中途站 都包括轉換器。電壓以AC方式傳輸較佳。 按照本發明的另一較佳實施例，變電站及/或中途站 中包括儲存#重的裝置。如此’系統可按可用電力的變動 及所需的電力很容易調整電力的供應。 按照本發明的另一較佳實施例，變電站及/或中途站 β 中包括濾波裝置，用以對進入及/或離開的電流及電壓濾 波。在很多情況下，發電機單元所供應的電壓會不穩定， 且頻率與振幅都在改變，並含有外差的頻率。配置濾波裝 置可消除或至少減少這些缺點，以得到沒有干擾的純靜電 壓傳輸給網路。 按照本發明的另一較佳實施例，變電站及/或中途站 內塡充以無腐蝕性的緩衝液。此可防止鹽水侵入，並保護 變電站與中途站內的組件。 · 按照本發明的另一較佳實施例，在反相器之後配置濾 波器及/或升壓變壓器。如此可確保供應純靜、理想的電 壓的電壓’並以經過適當升壓的電壓傳送給輸配電網路。 按照本發明的另一較佳實施例，濾波器及/或變壓器 是配置在陸地。 從發電廠與運轉的方面來看，這些組件在陸地比在海 中合適。 按照本發明的另一較佳實施例，每一個波浪-動力單 -17- (13) 1276741 元經由配置在海或湖床上或附近的電纜連接到反相器。 由於電纜是配置在海或湖床上或附近，因此，它對四 周環境的干擾以及四周對它之干擾的風險都很小。 以上所描述申請專利之波浪發電廠的有利實施例定義 於申請專利範圍第3 2項的附屬項。 本發明第三態樣達成的目的組是經由使用申請專利之 波浪-動力單元或波浪發電廠產生電力藉以獲致上述類型 的各種優點。 · 本發明第四態樣達成的目的組是申請專利範圍第4 5 項之緒言中所描述的方法，包括永久磁鐵的轉子及提供具 有繞組的靜子，繞組具有複數個極分布在轉子移動的方向 〇 按照本發明的較佳實施例，利用所申請專利的方法並 使用波浪-動力單元及它們的較佳實施例。 因此，可以得到與上述波浪-動力單元及其較佳實施 例相同的優點。 · 按照本發明的另一較佳實施例，靜子是直接置於海/ 湖床上或位在海床上的基板上，並在發電機中央下方的海 床上鑿一凹洞，凹洞的深度對應於轉子的長度。 將靜子直接或經由基板置於海床上，能提供波浪-動 力單元最佳的穩定度，且很容易將其固定於定位。由於在 海床上有中央凹洞，轉子可以完全通過靜子，因此，所有 可用的動能都能被轉換供發電所用。 按照本發明的另一較佳實施例，所產生的能量被導引 -18- (14) (14)1276741 到變電站，變電站的組件配置在一防水容器中，該容器被 錨定在海床上。 以上所描述申請專利之方法的較佳實施例定義於申請 專利範圍第4 5項的附屬項。 本發明第五態樣達成的目的組是製造用於本發明之波 浪-動力單元之直線型發電機的組件系統，其特殊的特徵 是組件包括複數個型式相同的標準靜子模組，這些靜子模 組適合按所選擇的數量配置，倂排地分布在轉子之中心線 的四周。 由於申請專利的系統，因此可以使用一種且型式相同 的基本組件構建各種高度及不同橫斷面尺寸的直線型發電 機。由於系統是以模組化構建原理爲基礎，因此大幅提升 了建造波浪發電廠之價格的競爭力。不同的波浪發電廠各 有其不同的條件，但由於採模組化設計，因此，不需爲每 一個個案特別製造，模組化的組件很容易適合不同的需求 〇 按照申請專利之系統的較佳實施例，組件包括複數個 型式相同的標準永久磁鐵，這些永久磁鐵適合按所選擇的 數量附接於轉子體，在轉子體移動的方向一個接著一個地 直線排列，及/或按所選擇的數量固定在轉子體上’倂# 地分布在轉子中心線的四周，永久磁鐵的數量要適合靜子* 模組。 此實施例更進一步地納用了申請專利之系統所表現的 模組化觀念’因爲轉子也是由標準的組件製造。因此’ # -19- (15) (15)1276741 實施例更進一步凸顯了與此系統相關的優點。 上述申請專利之系統的較佳實施例定義於申請專利範 圍第5 4項的附屬項。 最後，本發明第六態樣達成的目的組是製造用於本發 明之波浪·動力單元之直線型發電機的方法，包括以型式 相同的標準靜子模組製造靜子的特殊方法，靜子是由複數 個層狀堆疊建構而成，倂排地平均分布在轉子之中心線的 四周。在每一個層狀堆疊中，是由一或多個靜子模組一個 · 接著一個地直線排列在轉子移動的方向。 申請專利的製造方法利用申請專利之系統所提供之模 ώ式製造的可能性’且具有相當的優點。每一個模組都可 以在組裝前事先測試。 按照製造方法的較佳實施例，轉子是使用標準型式的 永久磁鐵製成，複數個永久磁鐵附加於轉子體，倂排地平 均分布在轉子之中心線的四周，且一或多個轉子體一個接 著一個地直線排列在轉子移動的方向。 · 申請專利之製造方法的此實施例採用模組式結構原理 ’藉以達成更進一步及更強有力的優點。 以上所述申請專利之製造方法的較佳實施例定義於申 δ円專利範圍第5 6項的附屬；I：首。 【實施方式】 圖1說明按照本發明之波浪-動力單元的原理。配置 一浮體3漂浮於海面。波浪給予浮體3垂直的往復移動。 -20- (16) (16)1276741 直線型發電機5經由底部固定在基板8上而錨定於海床。 基板可以是混凝土。直線型發電機的靜子6 a、6 c固定於 基板8。靜子是由4個垂直柱形的層狀堆疊構成，圖中只 顯示其中兩個。發電機的轉子7配置在層狀堆疊之間，經 由纜線4連接到浮體3。轉子7的材料是永久磁鐵。 基板8的中央配置一孔i 〇，在海床中與孔1 〇同心的 位置鑿有一凹洞9。凹洞9內襯以襯套爲佳。張力簧11 固定在凹洞9的底端，張力簧的另一端附接於轉子7的底 端。基板8中與凹洞9之孔10的直徑要能使轉子7順利 通過。每一個層狀堆疊6a、6c是由若干個模組構成，在 說明的例中，以標記指示層狀堆疊6a是由3個垂直配置 的模組6 1、6 2及6 3構成。 當浮體3隨著海面2波浪的移動上下移動時，此移動 經由纜線4傳送到轉子7，因此，轉子7獲得在層狀堆疊 間往復移動。電流因此在靜子繞組中產生。凹洞9允許轉 子向下移動時通過整個靜子。張力簧11給予向下移動額 外的力，因此，纜線4能一直保持緊繃。 簧也可設計成在某些情況能施予向上的力。簧的回彈 速率可以經由控制裝置2 8加以控制，以便儘量能在絕大 部分的時間與波浪處於共振狀態。 靜子可以完全或部分灌注V P I或砂，以耐鹽水的腐蝕 〇 圖2是沿著圖1之ΙΙ-Π線的橫斷面。在此例中，轉 孑7是四方形的橫斷面，且層狀堆疊6a-6d配置在轉子7 -21 - (17) (17)1276741 的每一側。1 2 a- 1 2 d指示各層狀堆疊的繞組。從圖中也可 淸楚看出每一層狀堆疊中之板片的方向。轉子與毗鄰之層 狀堆疊間的空氣間隙大約爲數毫米。 圖3是說明另一實施例之對應的橫斷面，其中轉子7 的橫斷面是八邊形，因此，層狀堆疊的數量也是8個。 須瞭解，轉子的橫斷面形狀可以是多邊形，側邊的數 量按需要選擇。通常以多邊形較佳，但並非必要。轉子甚 至可以是圓形。配置層狀堆疊時要面對轉子四周所有不同 的方向，必須將用來感應電流的磁場利用到極致。 圖4顯不層狀堆疊中一個模組61的斜視圖。模組是 由板片1 3堆疊而成，並以固定銷1 4將所有板片固定在一 起，板片中有槽1 5，用以容納繞組1 2。極的距離，即繞 組層之間的距離要儘量小，以便得到高頻的感應電流。實 用的極距離大約8毫米；槽寬大約4毫米，因此，板片的 齒寬也爲4毫米。 層狀堆疊是由一或多個此種模組構成。每一個模組通 常都有複數個極，如圖4所示。不過，每一個模組也可以 只有一個極。 不同層狀堆疊6a_6d的靜子繞組12可以共用，如圖5 所示。圖6說明另一款層狀堆疊，其中每一個層狀堆疊只 有單一'個繞組。圖中顯不的丨旲組有兩個極。 繞組的絕緣包括一層耐鹽水層，可承受的電壓高達6 仟伏。該層可以是諸如PVC等的聚合物或類似物。或者 ，也可以使用漆包線。導體例如包括鋁或銅。 -22- (18) 1276741 精密地控制轉子7的移動十分重要，如此才能使空氣 間隙儘量地小。圖7是直線型發電機之橫斷面的槪圖，說 明如何以簡單可靠的方法做到精密地控制。在此例中，轉 子具有正方的橫斷面’且四個角落具有斜角。在每一個角 落配置有導件16a-16d。每一個導件的底端固定在基板8 上（見圖1)，並垂直向上延伸，與層狀堆疊6a-6d平行。4 個導件確保將轉子的移動控制在正中心。 圖8顯不另一實施例。在此例中，轉子7的中央具有 一縱向貫穿的方形孔，中央導件1 6配置於其內。 圖1所示發電機之靜子部的長度大約是轉子長度的兩 倍。圖9顯示的另一實施例則是轉子7的長度大約是靜子 6的兩倍。 ί女照本發明的波浪發電廠是由2或多個上述的單元構 成。圖1 〇說明如何連接這些單元並將能量供應到供電網 路。在所示的例中，發電廠包括3個單元，以編號2 0 a-2 指示。每一個單元按照圖所示的雙極連接，經由斷路 器或接觸器2 1及整流器2 2連接到反相器2 3。電路圖中 只繪出了單元20a。須瞭解，其它的單元20b及20c也是 以對應的方法連接。反相器23供應3相電流給供電網路 2 5，其間可能經過變壓器24及/或濾波器。整流器可以是 受控制的二極體，及IGBT、GTO或閘流晶體，包括受控 制或不受控制的雙極組件。 D C側的電壓可以並聯，或串聯或並、串聯組合。 圖1 1顯示轉子7的斜視圖，轉子上配置有永久磁鐵 -23- (19) 1276741 2 6，直列於轉子體2 7的每一側，在本例中，轉子具有4 個側，與4個層狀堆疊合作。 即使轉子的類型各有不同，即，其長度不同以及周邊 具有不同的側邊數，但永久磁鐵26都具有相同的設計較 佳。永久磁鐵附接於轉子體27。轉子體可以採標準設計 ，或是視轉子有多少個側邊各別調整。 圖1 2說明如何在纜線4上配置控制裝置以控制它的 長度，即浮體3與轉子7間的距離。在本例中，控制裝置 φ 是附接於浮體的圓柱體29，部分的纜線捲繞於其上。控 制裝置可以按照潮汐的不同水面高度調整纜線的長度。它 也可用來將浮體置於恰低於水面的位置。如果連接裝置不 是纜線，例如是金屬線或鏈條或是以接頭連接的桿，也可 以使用適合的控制裝置。 圖1 3說明纜線經由變速機構連接到轉子的實施例。 如例所示，變速機構包括縳於纜線的活塞3 0，配置在塡 充有液體的容器3 2內上下移動，以及連接於轉子7的活 # 塞3 1，同樣也是配置在容器3 2內上下移動。連接於纜線 4之活塞30所在的容器32部分，其直徑大於連接於轉子 7之活塞3 1所在的部分。容器的位置被適當地固定。此 種安排產生了纜線之垂直移動與轉子之垂直移動的比例， 其比値對應於兩活塞的表面積。變速機構也可以是連接系 統的型式、齒輪驅動器，或輔以不同螺距的距紋。變速機 構也可設計成可以調整變速比。 在圖1 4所示的實施例中，每一個層狀堆疊6a、6c都 -24- (20) (20)1276741 置於台架部3 3 a ' 3 3 c上。每一個台架部固定在由海床1 所支撐的基板8上。台架部3 3 a、3 3 c的高度至少要大於 轉子7的長度，以便轉子可以通過整個靜子6。基板8與 台架部3 3 a、3 3 c適合埋入混凝土中，它們的質量應該重 達數十噸。 在圖1 5所示的實施例中，整個直線型發電機都包封 在混凝土所製成的外殼3 4與基板8內。 在圖1 6所不的例中，每一個層狀堆疊6 a、6 c是埋在 混凝土鞘3 5 a、3 5 c中。轉子7也包封在混凝土鞘3 6中。 圖1 7顯示直線型發電機另一實施例的橫斷面。在本 例中的轉子7是中空的八邊形，具有朝向外的永久磁鐵 26，與每一個層狀堆疊6a、6b等合作，以及朝向內的永 久磁鐵2 6 a，與配置在轉子7內中心部位的八邊形層狀堆 疊合作。 圖1 8說明兩部不同直線型發電機的轉子7 a、7b共用 一個浮體3。纜線4連接到一水平桿3 8，並以纜線4a、 4b連接到每一個轉子7a、7b。 圖1 9說明若干相同之靜子模組6與若干相同之永久 磁鐵26之組件的系統。可以使用這些組件組裝出所要長 度及橫斷面的直線型發電機。每一個按此設計的模組都可 以在組裝前個別地測試。 圖20說明將數個發電機20、20b、20c連接在一起所 構成的波浪發電廠。在每一個發電機配置一個整流器， DC電流經由舖設在海床上的電纜3 9傳導到陸地上配備有 -25- (21) (21)1276741 反相器23、變壓器24及濾波器4 1的變電站，電力從該 處供應給輸配電網路。 圖2 1是說明本發明另一有利實施例的基本配置槪圖 。變電站配置在海床B。變電站1 〇 1包括外殻1 〇 2及底板 1 〇 3所構成的防水容器，材料例如是混凝土。變電站1 〇 1 被錨定在海床B。若干波浪-動力單元的發電機104-109 連接到變電站。 每一個發電機單元104-109以電纜110-115與變電站 1 0 1電氣地連接，經由引入線通過外殼1 02，連接到變電 站內部的組件。從每一個單元供應的電壓是低電壓的直流 或交流電壓。 變電站1 0 1內的組件都是習用的組件，在圖中未顯示 。這些組件包括半導體、轉換器、斷電器、測量裝置、中 繼保護、電湧分流器以及其它的過電壓保護裝置、接地裝 置、負載耦合器或斷路器、以及變壓器。 變電站經由外送纜線1 1 6往外送的直或交流電壓以高 電壓較佳。當有需要時，變電站內使用轉換器或反相器進 行DC到AC的轉換，反之亦然。 電壓供應到陸地上的接收站，或許要經過中間站，饋 送到供電網路。 圖22說明當系統中有大量的發電機單元時，使用按 照本發明之系統的便利例。圖中的系統是以符號表示，海 區域Η在圖之左，陸地區域L在圖之右。左側的組件部 分位於水面下，部分位於水面上。 -26- (22) (22)1276741 系統中包括第一組發電機單元104a-l 06a、第二組發 電機單元 l〇4b-106b、第三組發電機單元 104c-106c。第 一組中的發電機單元l〇4a-106a經由水底纜線連接到位於 水面下的第一變電站1 〇 1 a。同樣地，其它兩組中的發電 機單元104b-106b及104c-106c也連接到第二變電站101b 及第三變電站l〇lc。每一個變電站101a-101c也經由水底 纜線連接到也是位於水面下的中途站1 1 7。從中途站1 1 7 傳出的電壓是低頻3相交流電壓，經由水底纜線1 1 8傳送 到位於陸地的接收站1 1 9。在接收站內將電壓轉換成標準 頻率，諸如50或60Hz。 發電機單元與中途站間的距離可以從數公里到數十公 里。當系統是按圖22所示的配置構建時，變電站與中途 站間的距離以及中途站與接收站間的距離可做最佳的調配 〇 從發電機單元傳送到陸地上的接收站可採各種不同的 方式及各種電壓轉換。圖23-26說明一些這方面的例子。 在每一例中，發電機單元配置在圖的左側，接收站在右側 的陸地上。1 2 1代表轉換器/反相器，1 2 2代表升壓變壓器 。在圖23及24中，發電機單元供應直流電壓，在圖23 中’傳送到陸地的是交流電壓，在圖2 4中是直流電壓。 在圖25及2 6中，發電機單元供應交流電壓，但被轉 換成直流電壓。在圖25中傳送到陸地的是交流電壓，在 圖2 6中則是直流電壓。 還有很多其它的選擇也都在本發明的範圍內。例如可 -27- (23) 1276741 以使用圖2 7所示的全波整流器。 在每一個變電站101及/或中途站：[17中也可以配置 儲能器及濾波器。儲存能量的裝置例如包括電池、電容器 ' SME S類的裝置、飛輪或它們的組合。濾波器可包括主 動式組件’作用方法與轉換器同。或者也可以使用被動式 LC濾波器及電-機組件，如飛輪轉換器或同步電容器。 【圖式簡單說明】 φ 圖1是按照本發明之波浪-動力單元的側視槪圖。 圖2是沿著圖1之π_π線的橫斷面。 圖3是相當於圖2的另一實施例。 圖4是按照本發明之層狀堆疊模組的斜視圖。 圖5是相當於圖2的橫斷面圖，且以說明靜子繞組例 〇 圖6是按照另一實施例之層狀堆疊模組的側視圖。 圖7與圖2的橫斷面相同，用以說明本發明的細節。 ® 圖8說明另一例的細節，與圖7所顯示的相同。 圖9是按照另一實施例之發電機的側視槪圖。 圖1 〇說明如何將按照本發明之複數個單元連接在一 起以構成波浪發電廠。 圖1 1是本發明之某實施例中轉子的斜視圖。 圖1 2說明按照一實施例之單元之細節的側視圖。 圖1 3說明基本配置的略圖。 圖14-16是按照本發明之直線型發電機其它實施例的 -28- (24) 1276741 側視圖。 圖1 7是直線型發電機另一實施例對應於圖1之π-ΐΐ 橫斷面的橫斷面圖。 圖1 8是按照本發明之單元之另一實施例的側視圖。 圖1 9說明按照本發明之組件的系統。 圖20說明波浪-動力單元如何構成波浪發電廠，以及 如何連接到供電網路。 圖2 1說明波浪-動力單元連接到變電站的側視圖。 · 圖22說明波浪-動力單元連接到供電網路的另一方法 〇 圖23 -26是按照本發明轉換發電廠之電壓的各種不同 實例。 圖2 7說明整流的另一例。 主要元件對照表 3 :浮體 _ 2 :海面 5 :直線型發電機 8 :基板 6a :靜子 6c :靜子 7 :轉子 4 :纜線 1〇 :孔 -29- (25) (25)1276741 9 :凹洞 1 1 :張力簧 6 1 :靜子模組 62 :靜子模組 63 :靜子模組 2 8 :控制裝置 1 2 :繞組 1 3 :板片 籲 1 4 :固定銷 1 5 ··槽 1 6 :導件 20 :波浪-動力單元 2 1 :接觸器 2 2 :整流器 23 :反相器 2 5 :供電網路 · 2 4 :變壓器 2 6 :永久磁鐵 2 7 :轉子體 2 9 :圓柱體 3 〇 :活塞 32 :容器 3 1 :活塞 3 3 :台架部 -30- (26) (26)1276741 1 :海床 3 4 :外殼 3 5 :混凝土鞘 3 6 :混凝土鞘 3 8 :水平桿 3 9 :電纜 4 1 :濾波器 1 0 1 :變電站 馨 1 〇 2 :外殻 1 〇 3 :底板 1 0 4- 1 09:發電機 1 1 0 - 1 1 5 :電纜 1 1 6 :外送纜線 1 1 7 :中途站 1 1 8 :水底續線 1 1 9 :接收站 © 121 :轉換器/反相器 1 2 2 :升壓變壓器 -31 -

Claims (1)

1. (1) (1)1276741 拾、申請專利範圍 1 . 一種用以產生電力的波浪動力單元，包括浮體3 及直線型發電機5，直線型發電機的轉子7經由連接裝置 連接到浮體3，直線型發電機的靜子6錨定於海/湖床上， 其特徵爲，轉子7是永久磁鐵，靜子6包括具有複數個極 的繞組，這些極分布於轉子7的移動方向。 2.如申請專利範圍第1項的波浪-動力單元，其特徵 爲，轉子是在垂直方向。 3 .如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，轉子包括複數個永久磁鐡，分布在轉子的移動方向。 4.如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，兩個極在轉子7移動方向的間距小於5 0毫米，小於 1 0毫米較佳。 5 .如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，靜子6包括複數個層狀堆疊6a-6d，平均地分布在轉 子四周。 6. 如申請專利範圍第5項的波浪動力單元，其特徵 爲，轉子7的形狀是一正規的多邊形，層狀堆疊6a-6d的 數量等於多邊形側邊的數量。 7. 如申請專利範圍第5項的波浪動力單元，其特徵 爲，每一個層狀堆疊6a_6d是由複數個模組在轉子移動的 方向一個接著一個地排列而成。 8. 如申請專利範圍第5項的波浪動力單元，其特徵 爲，轉子包括複數個永久磁鐵，分布在轉子的四周，按所 (2) (2)1276741 選擇的轉子橫斷面配置，使永久磁鐵面對每一個層狀堆疊 〇 9.如申請專利範圍第8項的波浪動力單元，其特徵 爲’轉子包括轉子體，永久磁鐵固定於其上。 10·如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲’轉子7的長度與靜子6的長度不同。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項的波浪動力單元，其特 徵爲，轉子比靜子長。 12. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，配置一或多個導引件（16)用以控制轉子7。 13. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，至少部分的連接裝置4可彎曲。 14. 如申請專利範圍第1 3項的波浪動力單元，其特 徵爲，連接裝置包括纜線、金屬線或鏈條。 15. 如申請專利範圍第1 3項的波浪動力單元，其特 徵爲，包括配置一簧裝置1 1，用以對轉子施以外力。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項的波浪-動力單元，其特 徵爲，簧裝置的回彈速率可調整。 17. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，連接裝置的長度可調整。 18. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，包括變速機構，用以產生浮體與轉子之移動的變速比 〇 1 9 .如申請專利範圍第1 8項的波浪動力單元，其特 -33- (3) 1276741 徵爲，變速機構配置在連接裝置與轉子的接合處。 20. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，直線型發電機固定在配置在海/湖床上的基板上。 21. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，靜子由固定在基板上的台架支撐，按此設計，在中央 部位形成一自由空間，其橫斷面的尺寸足以讓轉子進入該 空間，該空間的高度至少是轉子的長度。 22·如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 β 爲，直線型發電機是包封在防水的外殼內。 23 .如申請專利範圍第22項的波浪動力單元，其特 徵爲，連接裝置延伸進入外殼內，因此，在連接裝置的進 出位置配置封圈或蛇腹。 24 .如申請專利範圍第2 2項的波浪動力單元，其特 徵爲，外殻內塡充以液體。 2 5 ·如申請專利範圍第〗8至24任一項的波浪動力單 元’其特徵爲，基板、台架及/或外殼主要是由混凝土製 春 成。 2 6.如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，靜子至少部分埋在固態材料內及/或轉子至少部分嵌 入在固態材料內，該材料以混凝土較佳。 27'如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲’轉子爲中空，朝內及朝外均配置有永久磁鐵，因此， 層狀堆璺也配置在轉子的內部及外部。 2 8.如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 -34- (4) (4)1276741 爲，浮體被連接裝置連接到複數個直線型發電機的每一個 轉子。 29. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，靜子繞組被連接到整流器，該整流器配置在直線型發 電機附近的水面下較佳，如有可能，在外殻內較佳。 30. 如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 爲，配置發電機單元以產生變頻的電壓。 3 1.如申請專利範圍第1項的波浪動力單元，其特徵 β 爲，配置發電機單元以產生多相位電流。 3 2. —種波浪發電廠，包括複數個申請專利範圍第1 項的波浪-動力單元20a-20g，其特徵爲，每一個波浪-動 力單元的靜子繞組經由整流器22連接到反相器23，該反 相器爲複數個波浪-動力單元2 0 a - 2 0 g共用，配置該反相 器以將能量供應到供電網路2 5。 3 3.如申請專利範圍第3 2項的波浪發電廠，其特徵 爲’至少一個變電站連接到波浪-動力單兀，該變電站包 括一防水的容器包封住變電組件，該容器錨定在海床上。 34.如申請專利範圍第习項的波浪發電廠，其特徵 爲’複數個變電站連接到波浪-動力單兀，每一個變電站 連接到若干個波浪-動力單元。 3 5·如申請專利範圍第3 3項的波浪發電廠，其特徵 爲，變電站連接到配置在陸地上的接收站。 36.如申請專利範圍第33至35任一項的波浪發電廠 ，其特徵爲’至少其中一個變電站包括升壓變壓器及/或 -35- (5) (5)1276741 中途站包括升壓變壓器。 3 7.如申請專利範圍第3 3至3 5任一項的波浪發電廠 ’其f寸徵爲’至少其中一*個變電站及/或中途站包括轉換 器。 3 8.如申請專利範圍第3 3至3 5任一項的波浪發電廠 ，其特徵爲，至少其中一個變電站及/或中途站包括儲存 能量的裝置。 3 9 ·如申請專利範圍第3 3至3 5任一項的波浪發電廠 ，其特徵爲，至少其中一個變電站及/或中途站包括濾波 裝置，用以對離開及/或進入的電流及電壓濾波。 4 0.如申請專利範圍第33至35任一項的波浪發電廠 ，其特徵爲，至少其中一個變電站及/或中途站塡充以非 腐蝕性的緩衝液。 41. 如申請專利範圍第3 2項的波浪發電廠，其特徵 爲，濾波器及/或變壓器配置在反相器之後。 42. 如申請專利範圍第41項的波浪發電廠，其特徵 爲，反相器、濾波器及/或變壓器配置在陸地上。 4 3 .如申請專利範圍第3 2項的波浪發電廠，其特徵 爲，每一個波浪-動力單元經由舖設在海/湖床上或附近的 纜線連接到反相器。 44. 一種經由將浮體連接到直線型發電機的轉子，並 將發電機的靜子錨定在海或湖床上以產生電力的方法，其 特徵爲，轉子是永久磁鐵，且靜子配置有繞組，繞組的複 數個極沿轉子的移動方向分布。 -36- (6) (6)1276741 45 ·如申請專利範圍第44項的方法，其特徵爲，靜 子直接置於海或湖床上，或固定在固定於海床上的基板上 ’在發電機下方中央的海床上鑿有一孔，該孔的深度對應 於轉子的長度。 4 6.如申請專利範圍第4 4項的方法，其特徵爲，所 產生的能量被傳導到變電站，該變電站的組件配置在防水 谷裕中’該谷：δ&錯疋在海床上。 4 7.如申請專利範圍第4 6項的方法，其特徵爲，變 電站包封在配置於陸地上的接收站內。 4 8.如申請專利範圍第4 7項的方法，其特徵爲，複 數個變電站連接到一共用的中途站，該中途站連接到接收 站。 4 9·如申請專利範圍第4 6至4 8任一項的方法，其特 徵爲，至少其中一個變電站及/或中途站配置在水面下， 以接近海床較佳。 5 0·如申請專利範圍第4 6至4 8任一項的方法，其特 徵爲，所產生的電壓在至少其中一個變電站及/或中途站 產生中被升壓。 5 1·如申請專利範圍第4 6至4 8任一項的方法，其特 徵爲，從至少其中一個變電站及/或中途站離開的電壓是 交流電壓。 5 2 . —種製造申請專利範圍第1 - 3 1中任一項波浪-動 力單元之直線型發電機的組件系統，其特徵爲，組件包括 複數個型式相同的標準靜子模組，該靜子模組適合按所選 (7) 1276741 擇的數量在轉子移動的方向一個接著一個地直線排列及/ 或適合按所選擇的數量倂排地平均分布在轉子中心線的四 周。 5 3 ·如申請專利範圍第52項的系統，其特徵爲，組 件包括複數個型式相同的標準永久磁鐵，該永久磁鐵適合 按所選擇的數量附接於轉子體，在轉子移動的方向一個接 著一個地直線排列，及/或適合按所選擇的數量固定於轉 子體，倂排地分布在轉子中心線的四周，且永久磁鐵與靜 馨 子模組相互適配。 5 4 · —種製造申請專利範圍第1至3 1項中任一項波 浪-動力單元之直線型發電機的方法，其特徵爲，靜子是 由型式相同的標準靜子模組製造而成，靜子是由複數個層 狀堆疊倂排地平均分布在轉子中心線的四周建構而成，且 每一個層狀堆疊是由一或多個靜子模組在轉子移動的方向 一個接著一個地直線排列而成。 5 5.如申請專利範圍第54項的方法，其特徵爲，轉鲁 子是由複數個型式相同的標準永久磁鐵製造而成，複數個 永久磁鐵附接於轉子體，倂排地平均分布在轉子中心線的 四周，以及，一或多個永久磁鐵在轉子移動的方向一個接 著一個地按直線固定。 -38-