專利名稱：完全浸沒的波能轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波能轉(zhuǎn)換器(WEC )領(lǐng)域，也就是說用于從海洋波浪 發(fā)電的設(shè)備或裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了各種波能轉(zhuǎn)換器。不過，已知的WEC有 很多缺點，這些缺點迄今都限制了它們的使用和推廣。
基本上，主要問題與低效率、復(fù)雜設(shè)計和/或昂貴的維護費相關(guān)。 這些問題由多種因素引起，這些因素在一定程度上彼此相關(guān)。
首先，已知的WEC主要利用波動的垂直分量。因為波動為大致 圓形，因此運動的較大分量浪費了 ，例如見US4453894、 US6857266、 WO2004065785、 US4232230、 US4672222、 US5411377中的裝置以及 分另U為 OPD Ltd (www.oceanpd.com)、 AWS Ocean Energy Ltd ( www.waveswing.com ) 和 AquaEnergy Group Ltd (www.aquaenergygroup.com )公司的商標為Pelamis、 AWS WEC和 AquaBuOY的裝置。
在一些情況下，例如在US4453894和US6857266所示的裝置中， 設(shè)備有自然振動頻率，因此只能夠高效使用具有特定頻率的波浪，或 者需要鎖定機構(gòu)來克服該限制。
另一方面，為了尋找盡可能最高的效率，使用浮動或接近表面的 元件的已知WEC需要根據(jù)波浪系統(tǒng)(將從該波浪系統(tǒng)中獲取能量) 的方向來定向。在任何情況下，只有在單頻波浪中獲取時或者在所有 波浪都沿大致相同方向運動時效率才能令人滿意，如 US2005167988A1的裝置以及Pelamis和Waveplane裝置(由 WavePlane Production A/S公司www.waveplane.com提供)。
而且，很多已知的裝置必須與地連接或者布置在拍岸區(qū)域中，例如在US2005167988A1、 US5411377中以及上述AWS WEC、 Pelamis 和AquaBuOY裝置。因此，它們不能定位在波浪最大和具有最高潛能 的位置。而且，在海濱上或靠近海濱的裝置較笨重，并很難與環(huán)境保 護相容。
最后，如前所述，大部分已知裝置使用表面浮子以從波動中獲得
些部分-高于水二面:它們可能過度暴露于、,i劣天氣中:并由于風(fēng)和
小波浪而拖動。這是在US4453894、 US6857266、 WO20t)4065785、 US4232230、US4672222、US5411377的裝置以及Pelamis、 AquaBuOY、 WavePlane 和 Wave Dragon ( 由 Wave Dragon Aps 公司 www.wavedragon.net提供)裝置中的情況。由于存在必須為有限尺寸 的表面元件，因此還對于單個裝置能夠獲取的能量有結(jié)構(gòu)限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過提供至少具有以下優(yōu)點的裝置來避免已知 WEC的上述限制，這些優(yōu)點為
-通過使用波動的所有分量而具有更高的效率；
-對于單頻波浪系統(tǒng)和非單頻波浪系統(tǒng)都高效工作，而不會受到波 浪方向和更小波長的波浪的明顯影響；
-設(shè)計簡單，容易實施和維護；
-由于自然震蕩而引起的運動可忽略；
-位于海上、在非常深的水中的可能性；
能令人滿意地抗極惡劣的天氣。
該目的通過根據(jù)本發(fā)明的、改進的波能轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，該波能轉(zhuǎn) 換器的基本特征在笫一所附權(quán)利要求中確定。


通過下面參考附圖對非限定實施例的說明，將更清楚本發(fā)明的改 進波能轉(zhuǎn)換器的特征和優(yōu)點，附圖中
圖l是本發(fā)明第一實施例的WEC的透視圖； 圖2是圖1的WEC的側(cè)視圖；圖3是前圖的WEC的仰視圖4是前圖的WEC的底部部件的中心部分的軸向剖-f見圖； 圖5是本發(fā)明第二實施例的WEC的透視圖； 圖6是圖5的WEC的仰視圖7是圖5的WEC的底部部件的中心部分的軸向剖視圖8是本發(fā)明第三實施例的WEC的透視圖9是圖8的WEC的柱的軸向剖視圖IO是本發(fā)明第四實施例的WEC的透視圖11是圖10的WEC的底部部件的周邊部分的透視圖12是本發(fā)明第五實施例的WEC的透視圖13是圖12的WEC的底部部件的中心部分的軸向剖視圖14是圖12的WEC的籠結(jié)構(gòu)的軸向剖視圖15和16分別是圖12的WEC的水收集器的透視圖和軸向剖視圖。
具體實施例方式
參考圖1至4,根據(jù)本發(fā)明的改進波能轉(zhuǎn)換器的第一實施例包括 以下主要部件上部浸沒部件1 (例如主要裝有水和空氣的柱形儲罐， 具有盡可能低的慣性質(zhì)量)；底部浸沒部件2，例如包括六個較小的柱 形儲罐3，這些較小柱形儲罐3主要裝有水和空氣，環(huán)繞基本柱形的 中心連接件5而成圓形形狀剛性連接在一起；柱4，該柱4在上部部 件1和底部部件2之間沿它們的公共軸線延伸，超過底部部件2凸出， 且在內(nèi)部提供有合適的配重系統(tǒng)(未視出)，并在沿它的長度與底部浸 沒部件2的平均位置相對應(yīng)的一些點處；以及兩個渦輪6，這兩個渦 輪6安裝在橫向桿7的各端，該橫向桿7整個和垂直地與柱4交叉， 并與柱4的自由底端相連。
柱還可以為格狀鋼的結(jié)構(gòu)，具有比圖中所示更大的截面，或者在 任意情況下，結(jié)構(gòu)都保證足夠剛性和抵抗在運動時的應(yīng)力。連接件5 將被放大因而變形。為了幫助保持浸沒部件1和2的位置相對于緊密 環(huán)繞它們的水固定，還可以使它們具有虛質(zhì)量(virtual mass )裝置，該虛質(zhì)量裝置成局部包圍水和/或翅片的形狀。
柱4通過接頭8而固定在上部浸沒儲罐1的底部扁平表明la上， 并允許柱相對于儲罐1改變方位。接頭8例如可以是球-窩類型接頭。 多個浮力元件9 (例如充滿空氣的較小柱形儲罐)通過索纜10而安裝 在上部浸沒部件1的頂部扁平面lb上。在波浪的作用下，浮力元件9 幫助使上部儲罐1保持在離水平面恒定距離處，且它的頂表面lla與 水平面平行。它們將通過更短波長的波浪而交替地浸沒或露出，這樣， 將由它們的平均浮力產(chǎn)生穩(wěn)定的作用。
在相同柱和底部浸沒部件2之間的連接通過所述連接件5來實現(xiàn)。 更詳細地說，連接件包括盤形本體ll，較小的儲罐9安裝在該盤形本 體ll的外側(cè)表面上。球形殼體lla形成于本體11的內(nèi)部，用于可旋 轉(zhuǎn)地容納球部件12，該球部件12具有通孔12a，用于使柱4可滑動地 插入。
因此，由于柱4與連接件5的球部件12的孔12a滑動接合，將保 證底部浸沒部件2沿柱4的軸向方向相對運動。而且，底部部件2可 以通過球部件在本體11的殼體lla內(nèi)的旋轉(zhuǎn)接合而繞柱傾斜。可以通 過提供球和/或滾子(與在滾子或球軸承結(jié)構(gòu)中相同)或用于幫助在部 件之間相對運動的其它裝置來幫助滑動和旋轉(zhuǎn)，這樣，底部部件可以 相對于柱自由地移動和傾斜。
為了簡明，在附圖中，底部部件2大致位于柱4的中部。不過實 際上，柱4的在部件1和2之間的部分平均將比超過元件2在該元件 2下面的部分更長，以^t響應(yīng)上部部件1的運動而在渦輪6上傳遞更 大運動《
橫向桿7與柱4的旋轉(zhuǎn)端部分4a連接，這樣，桿可以繞該柱4 的軸線旋轉(zhuǎn)，同時使它的中心保持在相同軸線上。渦輪6與桿7的端 部連接，且它們的前側(cè)對著桿，并有安裝件，該安裝件允許它們繞該 桿的中心軸線旋轉(zhuǎn)。
用于積累和/或轉(zhuǎn)變由渦輪6 (如后面將介紹)的運動而產(chǎn)生的能 量的發(fā)動機系統(tǒng)將不再表示或說明，它的特征可以從現(xiàn)有技術(shù)中了解
8或?qū)С?。發(fā)動機系統(tǒng)可以位于底部浸沒部件2的內(nèi)部，并可以是例如 用于使水電解和產(chǎn)生氫的裝置，其可以很容易地再儲存和定期船運收 回。合適時，還可以使用電纜來將產(chǎn)生的電傳遞給浮動或浸沒的發(fā)動 機室，或者直接傳遞給電網(wǎng)。
在使用時，裝置作為整體在正常工作時和在靜止時具有中立浮力。 在正常工作時，底部部件2的運動將小于上部部件1，這是在波浪作 用的直接影響下，因為波浪的影響隨著深度快速減小。特別是，在進 入波浪的最大波長小于或等于在部件1和2之間的距離的限制條件下， 底部部件2將在波浪循環(huán)中保持近似不運動。在真正布署中(其中， 由于實際原因，在部件1和2之間的上述平均距離通常將小于全波長， 底部部件的運動可以通過增加它的慣性質(zhì)量而進一步減小(因此它的
浮力減小，從而使它的總浮力為中立(neutral))。
另一方面，上部部件1將在波長與上述距離相當(dāng)?shù)膯晤l波浪(因 為水顆粒通常在單頻波浪的影響下運動)的影響下沿圓形通路運動。 當(dāng)波浪系統(tǒng)并不是單頻時，上部部件1的運動將由多個單頻波浪(單 頻波浪是波浪系統(tǒng)的主要分量)確定的多個圓形通路的疊加。
上部部件1和浮力元件9的浮力通過柱4內(nèi)部的配重以及通過該 柱和橫向桿7、渦輪6的重量而精確平衡，以便使得水位平均保持在 浮力元件9的高度的大約一半。由于存在底部浸沒部件2以及柱4內(nèi) 部的配重的慣性，上部部件1的圓形運動轉(zhuǎn)變成柱4的底端的封閉軌 跡。該軌跡只是大致的圓，因為只有當(dāng)?shù)撞坎考?總是恰好處于柱4 的中點時運動才將是圓，這在正常工作中不可能發(fā)生。
在波浪作用下，柱4的底端再相對于周圍的水運動，因此，橫向 桿7和渦輪6的整個組件運動，從而使得渦輪運動。利用翅片和/或馬 達，渦輪6可以保持總是指向相對于周圍水運動的方向，以便獲得更 好的效率。在單頻波浪系統(tǒng)的整個波浪循環(huán)中，渦輪繞橫向桿7的軸 線轉(zhuǎn)360°。通過單頻波浪系統(tǒng)，桿7不會相對于柱4旋轉(zhuǎn)。當(dāng)波浪系 統(tǒng)是不同單頻波浪系統(tǒng)的疊加時，渦輪6將總是亳不費力地指向運動 方向，因為它們相對于周圍的水描繪出一封閉軌跡，因此可以遞增地改變方向。
根據(jù)渦輪6從它們通過水的運動中獲得能量的效率以及連接件5 在波浪循環(huán)過程中沿柱4的位置，柱的底端的軌跡將變成大致橢圓形， 而不是圓形。上部部件1的軌跡也將在更小程度上變成大致橢圓形。 通過改變底部部件2相對于柱4的兩端的位置，人們可以改變該軌跡 的形狀和尺寸。特別是，可以用于根據(jù)波浪狀態(tài)(regime)通過升高 或降低底部部件2 (通過可變浮力裝置和/或推進器)而至少稍微動態(tài) 地改變該位置，以便優(yōu)化速度，并因此優(yōu)化渦輪6的效率。
在整個波浪循環(huán)中，施加在底部浸沒部件2上的力的結(jié)果將近似 垂直，并將只取決于影響裝置的波浪的能量和形狀。因此，為了使底 部部件2保持在恒定的平均位置，有這樣的控制系統(tǒng)就足夠了，該控 制系統(tǒng)在多個波浪循環(huán)后考慮它的平均位置，且干涉為遞增的，與作 用在裝置上的波浪的能量相比很小。特別是，當(dāng)波浪的形狀和能量保 持恒定一會兒時，裝置將達到平衡，且不需要進一步的干涉來使得底 部部件2穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)可以是浮力元件9類型的靜態(tài)裝置(見后面 將介紹的第二實施例)，或者甚至只是包括由計算機控制裝置驅(qū)動的可 變浮力裝置。
用于海洋裝置的柱4的長度可以超過50米，以便使得底部部件2 處于與上部部件l相比受到主要波浪的影響小得多的區(qū)域中，但是也 可以更短，以便降低成本。實際上，即使有更短的柱，裝置也以令人 滿意的方式工作，因為波浪的作用隨著深度快速減小，而且，柱4的 底端的運動的水平分量將大致與周圍水的運動方向相反。在任意情況 下，尺寸將進行優(yōu)化，以便獲得很高效率的裝置，還考慮布署區(qū)域的 主要波浪狀態(tài)。
即使在多個波浪循環(huán)之后，上部部件1也將保持在底部部件2的 上面，這是由于波動的特性，在良好近似的情況下，波動的特性并不 涉及水的總體移動。為了補償風(fēng)在部件1和2的不同深度處具有不同 速度和/或方向的水流的摩擦、以及可能的未預(yù)見異常事件的可能作 用，上部部件1的浮力以及柱4和渦輪6的重量將進行優(yōu)化，以便提供足夠強的合適的力矩。也可選擇，或者為了能夠更快速地補償異常
事件的影響，小推進器可以布置在部件l和2上和/或沿柱4布置，該 小推進器由計算機控制系統(tǒng)來控制。
浮力元件9可以由可變浮力裝置來代替，該可變浮力裝置安裝在 上部部件l上，并由計算機控制系統(tǒng)來控制。在任意情況下，上部部 件1都將保持在離水的表面恒定的平均距離處，且它的上表面平均與 水平面平行，因此，與在裝置上的波浪作用的能量相比，該控制系統(tǒng) 的干涉將是小規(guī)模的。這樣，人們可以實現(xiàn)總體浸沒，可能在海表面 下很多米，這可以有利地減小磨損和撕裂以及危害船只的可能性。
在普通的海洋結(jié)構(gòu)中，上部儲罐l的容積將在10001113的范圍內(nèi)， 而更小的底部儲罐3的容積將在200m3的范圍內(nèi)。在海洋布署時可能 很容易超過1000 1113的底部浸沒部件2的容積將留下足夠空間用于人 們可能希望使用的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)。
在簡化形式中，在柱4和上部部件1之間的連接可能為剛性的， 出而使柱總是保持垂直于儲罐1的底表面la，在本例中，該儲罐1可 以更高效地采取球形形狀，且只有一個浮力元件9通過索纜、連接在它 的上部柱上。連接件5可以為簡單的球-窩類型接頭的形狀，特別是在 更小規(guī)模的布署時，或者使用萬向(cardan)接頭。
在另一簡化形式中，底部浸沒部件2的功能可以由唯一的連接件 5來實現(xiàn)，該連接件5沿柱4布置在固定位置，并包含配重。這種簡 化與前述在柱和上部部件之間的連接的簡化一起(盡管在一定程度上 降低了裝置的效率)能夠快速構(gòu)成非常簡單和便宜的設(shè)備，它特別有 利地用于測試和樣機研究(prototyping)目的。當(dāng)裝置與電網(wǎng)直接連接 時或通過電纜系統(tǒng)與外部發(fā)動機室連接時，不需要形成于裝置中的發(fā) 動機室，因此進一步降低了它的復(fù)雜性。
下面參考圖5至7，在本發(fā)明裝置的第二實施例中，與第一實施 例中相對應(yīng)的部件以相應(yīng)參考標號表示，并將不再介紹。該裝置在波 浪作用下的總體性能與第一實施例的相同，其中，底部浸沒部件102 主要保持靜止，上部浸沒部件101由于波浪通過而隨著水的運動而運
ii動，并保持它的方位，這樣，它的上表面101b總是基本與水平面平行。
還有，在本例中，可以考慮使用虛質(zhì)量裝置(包圍水和/或翅片)。
不過，在該實施例中，柱104的底端是自由的，也就是說沒有橫 向桿和渦輪組件。從裝置的運動中獲得能量將通過裝入使得上部儲罐 101的底表面101b與柱104連接的接頭108內(nèi)以及在柱104和底部部 件102之間的連接件105內(nèi)的液壓和/或電裝置來進行。接頭108以與 前述實施例相同的方式允許在柱和上部儲罐之間改變方位，且通過波 動來驅(qū)動的該相對運動將通過上述裝置來用于獲得能量。在連接件 105中的裝置從桿104通過孔112a的往復(fù)運動來荻得能量。這種裝置 為已知，因此不再詳細介紹。例如，在元件105內(nèi)部，人們可以有線 性發(fā)電機(例如由 School of Electrical Engineering and Computer Science, Oregon State University的MRSF提出的、在WEC浮子內(nèi)部 的線性發(fā)電才幾裝置 http:〃eecs.oregonstate.edu/msrf7)，同時在元件 108內(nèi)部，人們可以有一個或多個由相對運動驅(qū)動并與發(fā)電機連接的 帶輪或輥。
在該實施例中，人們還可以注意到多個另外的浮力元件113通過 從較小儲罐103凸出的徑向梁114和與該梁114的自由端連接的索纜 而連接在底部浸沒部件102上。元件113有助于維持該裝置相對于平 均水平面的方位和位置。還有，施加在底部部件102上的力的平均結(jié) 果將從靜止位置變化成正常工作，且元件113將對它進行補償。在這 種情況下，球部件112中的孔112a是從球部件的相對側(cè)軸向凸出的套 筒112b的孔。
在本實施例的簡化形式中，柱104可以由索纜代替，該索纜有連 接在它的底端處的配重。在這種情況下，與具有柱的結(jié)構(gòu)相比，實際 上可以將底部部件102布置在離上部部件1更大距離處。然后，底部 部件102可以豎立在海底附近，且合適時甚至可以將它錨系固定，以 便筒化它的設(shè)計。不過，最后形式的裝置布署和維護將更困難，且更 多地暴露于惡劣天氣。
還一可選形式是通過可伸長的柱來連接上部和底部浸沒部件，該
12柱為在第三實施例中進一步所述的類型，提供有能量獲得系統(tǒng)，該能 量獲得系統(tǒng)利用柱的往復(fù)伸長和收縮運動。這樣，人們免除在連接件
105自身中的能量獲得裝置，且柱104可以終止于連接件，而不是穿 過和超過它。這使得裝置更緊湊，盡管有使得柱的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的缺點。 在異常大的波浪作用下，整個結(jié)構(gòu)將運動，因為在這種情況下，底部 部件也將受到波浪作用的影響。這減少了產(chǎn)生能使得裝置分解的運動 的可能性。
在任意情況下，兩個部件的可能分離都不會是破壞性的，且裝置 能夠在以后通過使柱穿過殼體返回連接件中(或者當(dāng)采用第三實施例 中的設(shè)計時使柱的兩部分相互連回)而重新裝配。該操作也可以通過 在兩部分上的計算機控制系統(tǒng)和小推進器而自動進行，再加上可以改 變底部部件離水平面的距離(例如通過延長將元件113保持就位的索 纜)。
參考圖8和9，在本發(fā)明第三實施例的裝置中，只4吏用線性發(fā)電 機來捕獲全部波動。在該實施例中，裝置包括多個浸沒部件201，例 如四個部件，這些部件具有球形儲罐的形狀，主要裝有水和空氣，通 過連接柱204而相互連接，例如確定3D結(jié)構(gòu)，在本例中大致為四面 體形。
各柱204 (圖9)包括才奉204a，該棒204a同軸和可伸縮地以可滑 動方式接合在管形套筒204b中。這樣獲得的組件的端部與各浸沒部件 201連接。通過棒204a和套筒204b相互的往復(fù)運動而進行供給的線 性發(fā)電機205與該套筒的內(nèi)側(cè)端連接。這種發(fā)電裝置為已知，因此只 示意表示，并不詳細說明。不過，可以參考對于第二實施例的描述。
單個部件201和單個柱204 (具有相關(guān)發(fā)電機205 )在浸沒于水中 并處于它們的平均工作深度時為中立浮力。在波浪的影響下，不同儲 罐201自身將處于不同的水運動形態(tài)，這是因為間隔開的距離并不等 于多個波長，或者因為處于不同的深度。在它們之間的相對運動將在 連接柱204上產(chǎn)生拉伸或壓力。因此，內(nèi)部的棒204a將相對于外部套 筒204b運動，且該線性往復(fù)運動用于發(fā)電。因此，功率從連接裝置中的不同部分的相對運動中獲得。還在這種情況下，結(jié)構(gòu)的幾何形狀為 使得水顆粒的由于波浪作用的所有(圓形)運動都用于獲取能量。
平均來看，所有部件201都將保持在相同位置，從而相對于周圍 的水保持基本靜止，周圍水的平均位置即使在經(jīng)過多個波動循環(huán)后仍 然不運動。在本例中也可以使用虛質(zhì)量裝置。不過，為了使浸沒部件 201平均保持在它們的標稱四面體結(jié)構(gòu)，將不時需要返回一些能量， 以便移動儲罐和柱的平均位置，從而抵消由于漂移、在不同深度的不 同浮力、水流或各個部件的不平衡工作而引起的位移。這可以通過使 用線性發(fā)電機作為線性電馬達和/或通過將小的推進器連接到所述結(jié) 構(gòu)上和/或通過將彈簧布置在柱內(nèi)和/或使用可變浮力裝置來實現(xiàn)。
如果一個儲罐201比其它三個相同儲罐更重時(盡管排出相同量 的水)，設(shè)計成在任何情況下都為中立總浮力的系統(tǒng)將自身定向成三個 上部浸沒儲罐和一個底部儲罐。在這種情況下，這些更輕的部件以及 將它們相互連接的柱可以由單個浸沒部件代替，如前述實施例的上部 部件l、 101，這樣，整個裝置可以保持在水平面下面基本固定的深度 處。與底部儲罐連接的其它連接柱也可以由單個柱代替，以便產(chǎn)生在 涉及第二實施例肘設(shè)想的變化形式。如果一個儲罐比其它三個相同儲 罐更輕時，可以設(shè)想對第三實施例的結(jié)構(gòu)進行類似簡化。與前述實施 例相同，裝置可以通過使用可變浮力裝置而平均保持在水面下固定的 深度處，該可變浮力裝置連接在儲罐上，并由計算機控制系統(tǒng)來控制。
發(fā)動機室位于一個或多個儲罐201內(nèi)部，在典型的海洋布置中， 該儲罐201的容積可以為1000m3 (實際容積將取決于優(yōu)化選擇，這又 將特別取決于布署區(qū)域的典型波浪形態(tài))。
與前述實施例中相同，在極大的波浪作用下，裝置將整體運動， 因此在它的部件之間將沒有過多的相對運動。通過將可變浮力裝置定 位在儲罐上和/或柱上，并與計算機控制系統(tǒng)連接，人們也可以響應(yīng)更 大波浪而使整個裝置布置為下沉更深，并當(dāng)波浪較小時升高，從而防 止惡劣天氣的破壞，并優(yōu)化它的效率。
在實例中表示的四面體結(jié)構(gòu)是可以釆用的最筒單的3D剛性結(jié)構(gòu)，
14但是在相同的簡單基本設(shè)計情況下也可以有很多其它的3D結(jié)構(gòu)。例 如，如上所述的多個四面體模塊可以相互連接以便形成整個結(jié)構(gòu)層， 延伸幾平方公里。這樣的結(jié)構(gòu)可以保持在平均海平面以下幾十米的固 定深度，以避免干涉船只和減小由于風(fēng)暴和非常大的波浪而產(chǎn)生的危 險。這樣的結(jié)構(gòu)將發(fā)電和維護功能模塊化，從而考慮到單個模塊的故 障將不會阻礙整個系統(tǒng)令人滿意地工作。
參考圖lO和ll，在本發(fā)明第四實施例的裝置中，只使用通過滑 輪與索纜連接的發(fā)電機來捕獲全部波動。不過，在該實施例中，功率 從上部浸沒部件和底部浸沒部件之間的相對運動中獲得，還從連接部 件的系統(tǒng)的相應(yīng)移動中獲得。實際上，該實施例與上述第一和第二實 施例有多個公共特征，因此相應(yīng)部件以相應(yīng)參考標號表示。在該實施 例中，底部浸沒部件302包括多個儲罐303，這些儲罐303通過中心 環(huán)305而環(huán)繞它相互順序剛性連接。
代替連接上部浸沒部件301 (有浮力元件309)和底部浸沒部件 302的柱，索纜304的第一端連接在上部部件301上，另一端而連接 在重物316上，該索纜經(jīng)過由框架318支承的偏離滑輪317，該框架 318安裝在各浸沒儲罐303的外側(cè)?；?17驅(qū)動用于發(fā)電的各發(fā)電 機(未視出)，這些發(fā)電機位于支承框架318內(nèi)或在儲罐303內(nèi)。在單 頻波浪的作用下(這里為了簡明)，上部部件301將運動大致圓形軌跡。 這確定了索纜的交替牽引或釋放，該索纜將使得滑輪317運動，并因 此發(fā)電。
重物316的存在將保證在牽引和釋放過程中都發(fā)電，還保證上部 部件301平均將位于底部部件302的質(zhì)心上面。底部儲罐303將平均 保持在它們的位置，因為它們排開的水、它們的慣性質(zhì)量和它們的虛 質(zhì)量(由于局部包圍水和/或翅片)。為了補償異常事件和由于不平衡 磨擦或水流引起的較小漂移，小推進器和/或可變浮力裝置將與儲罐 303或環(huán)305連接，并由計算機控制系統(tǒng)來控制。在該實施例的變化 形式中，底部浸沒儲罐303還可以通過附加浮力元件而保持就位，就 像第二實施例中一樣。下面參考圖12至16,本發(fā)明第五實施例的裝置與第一實施例類 似，也通過使用相應(yīng)數(shù)目的相同或類似部件而制成。上部浸沒部件401 (具有浮力元件409 )和底部浸沒部件402有與第一實施例中相同的 總體結(jié)構(gòu)。它采用具有外部盤形本體411和旋轉(zhuǎn)球部件412的連接件 405，該旋轉(zhuǎn)球部件412具有孔412a (圖13)。與前述實施例中相同， 也可以使用虛質(zhì)量裝置(局部包圍水和/或翅片)。
比前述實施例中寬得多的孔412a容納柱404的中心柱形塊404d， 示意性示出，該中心柱形塊404d包圍配重和由于產(chǎn)生電能的發(fā)動機 室，如后面所述。柱404還包括中心芯404b，該中心芯從塊404d的 兩個扁平基部軸向伸出。增強籠404c環(huán)繞該芯404b，從塊404b的周 邊軸向伸出。
柱404的上端再以與前述實施例類似的方式通過接頭408而與上 部浸沒部件401連接。柱404的底端可樞軸轉(zhuǎn)動地支承水收集器406 的接頭，各水收集器406有進口前部嘴406a和具有翅片406b的尾部。 兩個收集器的組件可以繞柱404的中心軸線自由旋轉(zhuǎn)，與第一實施例 的、具有渦輪的橫向桿類似。而且，各收集器可以繞在圖14中以407 表示的橫向軸(與柱的中心軸線垂直)而擺動。收集器與形成于柱404 的芯404b中的水回路(未視出)液壓連接。水回路與塊404d內(nèi)的發(fā) 動機室連通，該塊404d裝有發(fā)電系統(tǒng)，例如Francis渦輪，用于將水 流轉(zhuǎn)變成電能。
上部浸沒部件401是充滿空氣的完全浸沒儲罐，它的浮力由柱404 (包括具有配重的中心塊404d)和水收集器406的重量來平衡。在波 浪的作用下，柱404將相對于連接件405而以垂直往復(fù)運動方式運動， 并將與球部件412 —起相對于底部浸沒部件402以震蕩傾斜運動方式 運動。塊404d可以在不影響裝置的工作的情況下滑動至孔412a的外 部，因為在這種情況下籠結(jié)構(gòu)404c將與球部件412接觸，并提供所需 的阻力。柱404的底端由此產(chǎn)生的運動將導(dǎo)致增壓水通過收集器406 而流入至柱的內(nèi)部回路中，并因此形成驅(qū)動發(fā)動機室內(nèi)的渦輪的水流。 還有，在該實施例中，功率從浸沒部件的相對運動中獲得，從而使得
16連接柱的一端相對于它周圍的水運動。
與第一實施例中相同，可以有多種變化形式，其中，底部浸沒部
件402的功能可以簡單地由連接件405和塊404d來執(zhí)行，和/或上部 接頭408為剛性的，或者同時有這些簡化。還可以考慮這樣的變化形 式，其中，收集器406由剛性布置在柱底端的多個收集器來代替，這 些收集器相對、在多個不同水平方向上方且超過多個不同水平方向而 相對于柱的軸線以各種角度方向朝上和朝下。在這種情況下，可能需 要將閥布置在收集器的內(nèi)部部件上，以便阻擋并不朝著柱底端運動方 向的水流。這樣的變化形式(同時具有全部三種簡化)的效率將小于 圖中所示實施例，但是這樣的重要優(yōu)點是沒有任何外部運動部件。
由上述可知，本發(fā)明的裝置能夠避開現(xiàn)有技術(shù)的波能轉(zhuǎn)換器的所 有限制，且利用不同概念的系統(tǒng)以從波浪中獲得能量。
本發(fā)明的裝置可以完全布置在水下，這樣，它可以防止惡劣天氣 的影響，且在需要時也與更短波長的波浪隔離，該更短波長的波浪將 使得海上結(jié)構(gòu)磨損和撕開。可以使用兩個或更多的浸沒部件，通過以 下的任意組合來保持相對于周圍的水靜止局部包圍水(虛質(zhì)量)、翅 片、慣性質(zhì)量、推進器。
一些浸沒部件(可能是在第一、第二、第四和第五實施例中的浸 沒部件)有盡可能低的慣性質(zhì)量，且它的尺寸相對于希望獲取能量的 最小主波長較小，但是大到足以截斷水的運動。其它的浸沒部件或連 接裝置因此有非常大的慣性質(zhì)量(在第一、第二、第四和第五實施例 中)，以便補償前述浸沒部件的浮力。在第三實施例中，實際上所有浸 沒部件都有用于補償它們內(nèi)部浮力的慣性質(zhì)量。
部件將隨著緊密包圍它們的水的運動而運動，對于單個單頻波浪， 該運動近似圓形。當(dāng)部件布置在相對于主波長的不同運動形態(tài)中時(例 如在不同深度)，它們彼此相對運動。通過用連接裝置連接它們，可以 從該相對運動中或從連接裝置相對于某些浸沒部件或相對于周圍水引 起的相對運動中獲得能量。
因此，本發(fā)明的優(yōu)點可以總結(jié)如下。-它更高效，因為它利用波動的所有分量，它的部件盡可能相對于 周圍的水保持靜止，與使用 一個或多個浮子作為表面元件的普通裝置 相反。
-它可以有簡單的設(shè)計，非常容易實施和維護，特別是在所述的某 些簡化變化形式中。如上所述，這也可以用于樣機制造目的。
-只有當(dāng)浸沒元件具有非常低或非常大的慣性質(zhì)量時，它才由于自 然震蕩而具有可忽略的運動。
-它可以位于海上，在非常深的水中。它的平均地理位置可以通過 使用推力裝置而保持恒定，或者在任意情況下可以通過與無線電發(fā)射
器和/或燈發(fā)射器和/或聲納浮子相連的GPS系統(tǒng)來發(fā)信號。
-它可以如此設(shè)計以便大致不受極其惡劣天氣的影響，或者只是稍 微受影響。整個裝置將由于非常大的波浪而運動，因此在部件之間的 相對距離將只有在幾乎不可能的因素組合情況下才超過限制點。在任 意情況下，如果運動超過最大限制時，裝置可以設(shè)計成簡單地拆開， 且人們可以布置成一旦風(fēng)暴過去后使系統(tǒng)自己重新裝配(可能以自動 方式，如果部件提供有推進器)。
它通過單頻波浪系統(tǒng)與通過非單頻波浪系統(tǒng)一樣高效，且它對于 波浪方向不敏感。
裝置的尺寸和它能夠從波浪中獲取的能量只受到波長的限制。簡 化計算顯示應(yīng)當(dāng)可以構(gòu)成從5m高(或更高)單頻深水波浪中產(chǎn)生超 過10MW功率(平均)的裝置。
所有的實施例都參考它們的海洋結(jié)構(gòu)來介紹；用于布署在具有更 小波長波浪的區(qū)域中的實施例將因此按比例縮小。
在不脫離由附加權(quán)利要求確定的本發(fā)明保護范圍的情況下，其它 變化和/或改變可以形成本發(fā)明的改進波能轉(zhuǎn)換器。
18
權(quán)利要求
1.一種波能轉(zhuǎn)換器裝置，至少包括兩個部件(1、2)，這兩個部件通過連接裝置(4)而相互連接，該連接裝置(4)可運動，用于使得所述部件(1、2)能夠響應(yīng)布置該裝置的水中的波浪而相互移動，該裝置還包括能量轉(zhuǎn)換裝置(6)，用于將所述連接裝置(4)的運動轉(zhuǎn)變成電能；以及用于儲存產(chǎn)生的能量和/或?qū)⒛芰枯斔椭疗渌恢玫难b置；其特征在于所述至少兩個部件(1、2)是完全浸沒部件使得該裝置整個作為中立浮力裝置，用于使得各所述浸沒部件的位置相對于它們直接接觸的周圍水保持基本靜止，這樣，該部件(1、2)將在波浪作用下以與布置在相同區(qū)域中的未擾動水顆粒基本相同的方式運動，所述至少兩個浸沒部件(1、2)相互間隔開，以便分別處于受到波浪引起的水運動的不同影響的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波能轉(zhuǎn)換器，還包括上部(1)和底 部(2)浸沒部件，它們各自至少包括充滿水和空氣的儲罐(1、 2)， 所述位置保持裝置包括與所述連接裝置(4)相連的重物裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所述連接裝置包括 細長元件(4)，該細長元件在所述部件之間延伸，并至少以可運動的 方式與所述底部浸沒部件(2)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所述底部浸沒部件 (2 )包括用于使浸沒部件(2 )與所述細長元件(4 )連接的連接件(5 )，所述連接件(5)包括球部件(12)，該球部件(12)有孔(12a)，用 于與所述細長元件(4)可滑動地接合，所述球部件(12)可在由所述 連接件(5)的外部本體(11)確定的殼體(lla)內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所述細長部件 (4)通過球接頭(8)而與所述上部浸沒部件(1)連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3至5中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所 述細長元件(4)超過所述底部浸沒部件(2)延伸，所述能量轉(zhuǎn)換裝 置包括渦輪裝置(6),該渦輪裝置(6)與所述細長元件(4)的底端(4a)連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3至5中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所 述細長元件(404 )超過所述底部浸沒部件(402)延伸，所述能量轉(zhuǎn) 換裝置包括水收集裝置(406 ),該水收集裝置與所述細長元件(404) 的底端連接；水回路，該水回路形成于所述細長元件(404)內(nèi)，并與 所述水收集裝置(406)連通；以及水渦輪裝置，該水渦輪裝置布置在 所述細長元件(404 )中，并由所述水回路供給的水來驅(qū)動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所述細長元件(404) 包括軸線芯(404b)，所述水回路形成于該軸線芯中，該軸線芯從中 心塊(404d)伸出，該中心塊(404d)接合到所述球部件(412)的 所述孔(412a)中，并包圍用于所述水渦輪部件的發(fā)動機室；以及增 強籠(404c)，該增強籠環(huán)繞所述芯(404b)，并從所述塊(404d)的 周邊軸向凸伸出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4至8中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所 述能量轉(zhuǎn)換裝置包括發(fā)電機裝置，該發(fā)電機裝置由在所述細長元件(4、 404)和所述球部件(12、 412)之間以及在所述球部件(12、 412)和 所述外部本體(11、 411)之間的相互位移來驅(qū)動。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所述連接裝置包 括多個索纜(304 )，這些索纜的第 一端連接在所述上部浸沒部件(301) 上，另一端連接在重物(316)上，所述索纜(304)穿過由框架(318) 支承的偏移滑輪(317)，該框架安裝在所述底部浸沒部件(302)上， 所述能量轉(zhuǎn)換裝置包括發(fā)電機部件，該發(fā)電機部件由所述滑輪(317) 驅(qū)動，并裝入所述底部浸沒部件(302)中或與該底部浸沒部件相連。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2至10中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中 所述上部浸沒部件(1、 101、 301、 401)相對于人們希望獲取能量的 最小主要波長具有較小尺寸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中所述底部浸沒部 件(2、 102、 302、 402)包括環(huán)繞中心盤形(5、 405)或環(huán)形(305) 本體的柱形側(cè)表面周向布置的多個儲罐(3、 103、 303、 403)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2至12中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中 多個浮力元件(9、 109、 309、 409)通過索纜(10、 110、 310、 410) 而與所述上部浸沒部件(1、 101、 301、 401)的頂表面(lb、 101b、 301b、 401b)連接。
14. 根據(jù)權(quán)利要求2至12中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中 多個浮力元件(113 )通過索纜(115)而與從所述底部浸沒部件(102) 伸出的徑向梁(114)的各端連接。
15. 根據(jù)權(quán)利要求3至9中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中 所述細長元件(4、 104、 404)具有可軸向伸長的結(jié)構(gòu)，所述能量轉(zhuǎn)換 裝置包括由細長元件U、 104、 404)的往復(fù)延伸和收縮運動來驅(qū)動的 發(fā)電機裝置。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波能轉(zhuǎn)換器，還包括多個浸沒部件， 各浸沒部件至少包括充滿水和空氣的儲罐(201)，所述浸沒部件通過 多個細長元件(204)而相互連接，以便形成3D組件，所述細長元件(204)有可軸向伸長的結(jié)構(gòu)，所述能量轉(zhuǎn)換裝置包括發(fā)電機裝置，該 發(fā)電機裝置由細長元件(204 )的往復(fù)伸長和收縮運動來驅(qū)動。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的波能轉(zhuǎn)換器，還包括四個浸沒部件 (201)，這四個浸沒部件通過六個細長元件(204)連接，以^更形成四面體組件。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中各細長元 件(204)包括棒(204a)，該棒同軸和可伸縮地以可滑動方式接合 到管狀套筒(204b)中；發(fā)電機裝置，該發(fā)電機裝置與相同套筒的內(nèi) 端連接，以便由該棒和該套筒的相互往復(fù)運動來供給。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16至18中任意一個所述的波能轉(zhuǎn)換器，其中 所述浸沒部件(201)相對于人們希望獲取能量的最小主要波長具有較 小尺寸。
全文摘要
波能轉(zhuǎn)換器裝置至少包括兩個部件(1、2)，這兩個部件通過連接裝置(4)而相互連接，該連接裝置(4)可運動，用于使得所述部件(1、2)能夠響應(yīng)布置該裝置的水中的波浪而相互移動，裝置還包括能量轉(zhuǎn)換裝置(6)，用于將所述連接裝置(4)的運動轉(zhuǎn)變成電能；以及用于儲存產(chǎn)生的能量和/或?qū)⒛芰枯斔椭疗渌恢玫难b置；裝置的特征在于部件(1、2)為非浮動、完全浸沒的部件，從而使得裝置整個作為中立浮力裝置，用于使得各所述浸沒部件的位置相對于它們直接接觸的周圍水保持基本靜止，這樣，部件(1、2)將在波浪作用下以與布置在相同區(qū)域中的未擾動水顆?；鞠嗤姆绞竭\動，所述至少兩個浸沒部件(1、2)通過連接裝置(4)而相互隔開，以便分別處于受到波浪引起的水運動的影響不同的位置。
文檔編號F03B13/20GK101589223SQ200680056850
公開日2009年11月25日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
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