專利名稱：波浪發(fā)電裝置、浮子、波浪發(fā)電裝置的用途和生產(chǎn)電能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明在第一方面涉及波浪發(fā)電裝置，其包括適于浮在水面上的浮子，發(fā)電機和將浮子連接到發(fā)電機的機械連接裝置。
在第二方面，本發(fā)明涉及波浪發(fā)電裝置的浮子。
在第三方面，本發(fā)明分別涉及本發(fā)明的波浪發(fā)電裝置的用途和產(chǎn)生電能的方法。

背景技術(shù)：
波浪電能是作為一種可再生能源開發(fā)的，其對滿足取代傳統(tǒng)能源的挑戰(zhàn)具有重要性。繞陸地海岸的總波浪發(fā)電能源是巨大，且其中技術(shù)上可利用部分也相當(dāng)客觀。
與許多可再生能源一樣，轉(zhuǎn)換波浪能量為可用電能的經(jīng)濟學(xué)是關(guān)鍵因素。為了實現(xiàn)波浪能量產(chǎn)生的電能對傳統(tǒng)方式生產(chǎn)電能具有競爭力，需要在技術(shù)和經(jīng)濟上優(yōu)化生產(chǎn)鏈中每個環(huán)節(jié)。本發(fā)明旨在優(yōu)化用在波浪發(fā)電裝置中浮子的設(shè)計。
較大規(guī)模生產(chǎn)電能的波浪發(fā)電裝置在諸如WO 03/058055中公開。
傳統(tǒng)上，這類波浪發(fā)電裝置的浮子形成為具有球形、平圓柱形或雙錐體的非常緊湊的主體。沒有特別注意這樣的事實，即浮子的形狀影響浮子轉(zhuǎn)化波浪能量為機械能的效率。
本發(fā)明的目的是解決如何成形浮子以便實現(xiàn)高效率的波浪能量轉(zhuǎn)化為可用機械能的問題。


發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一個方面，上述問題已經(jīng)通過提供帶浮子的波浪發(fā)電裝置解決，該浮子漂浮在水表面上時并在垂直于水表面的方向看時具有圍繞內(nèi)開口的閉合環(huán)狀。
對于浮子的給定浮力，這導(dǎo)致在側(cè)方向，即在水表面的方向上的更大范圍，這對于轉(zhuǎn)化波浪能量的效率是有利的。如果側(cè)方向上大范圍僅通過使浮子變薄變寬，如薄板實現(xiàn)，則會出現(xiàn)其他問題。通過將浮子制作為圍繞內(nèi)開口的閉合環(huán)，如形成為圓環(huán)件，水可通過浮子的中心，這會顯著減少這些問題，并改善浮子動力。具有該形狀的浮子的優(yōu)點在高和強波浪時特別突出。環(huán)形也提供高機械強度，這對于應(yīng)付影響浮子的大的力是必須的。
轉(zhuǎn)換到發(fā)電機中的能量與

成比例，

取決于F·v，其中F是影響浮子的力，而v是垂直方向，即力方向上的速度。對于足夠的浮子的浮力，力F處于高水平。問題是實現(xiàn)盡可能大的速度。對于根據(jù)本發(fā)明的浮子形狀，相對傳統(tǒng)浮子，速度變得顯著增加。
通過本發(fā)明，進一步可以實現(xiàn) -當(dāng)被高破碎浪溢過時，浮子上的水質(zhì)量被最小化， -盡管浮子的大側(cè)范圍，但可維持貼波浪的高側(cè)表面， -可以保持低靜態(tài)浮力，其中通過相對低位移的相對大的漂浮表面實現(xiàn)在低和中等尺寸的波浪時高動力波浪吸收， -內(nèi)開口也保證極其高的波浪不會導(dǎo)致浮子進入水表面下，由于水可通過內(nèi)開口向上。
因此，其中浮子具有根據(jù)本發(fā)明形狀的波浪發(fā)電裝置導(dǎo)致將波浪能量轉(zhuǎn)化為可用于產(chǎn)生電能種類的機械能的效率更高。
最簡單并在許多方面最有效的轉(zhuǎn)化機械能為電能的方式是將浮子直接機械連接到浮子的轉(zhuǎn)子，以便浮子的運動移動轉(zhuǎn)子。如果發(fā)電機是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機，則該運動當(dāng)然必須轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。在發(fā)電機為直線發(fā)電機的情形中，這是多余的，直線發(fā)電機中直線往復(fù)轉(zhuǎn)子(linear reciprocating rotor)可通過線等直接連接到浮子。
雖然浮子運動直接轉(zhuǎn)化為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的運動具有許多優(yōu)點，在轉(zhuǎn)化機械能有多個中間步驟時，如由浮子驅(qū)動的泵，由泵驅(qū)動的液壓馬達和由液壓馬達驅(qū)動的發(fā)電機，本發(fā)明當(dāng)然可以應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明波浪發(fā)電裝置的優(yōu)選實施方案，其中浮子包括具有圍繞內(nèi)開口的閉合環(huán)的所述形狀的漂浮體。
提供具有該形狀的漂浮體本身導(dǎo)致易于制造的非常簡單的浮子構(gòu)造。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，漂浮體包括多個彼此直接連接的區(qū)段。
因而，可實現(xiàn)用于制造漂浮體的非常經(jīng)濟的模塊概念。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，各個區(qū)段是直管，且各個管水密地連接到相鄰管上。
用形成為直管的多個區(qū)段構(gòu)造漂浮體使得模塊概念在制造的經(jīng)濟方面得到優(yōu)化。通過形成管之間的水密連接，形成連續(xù)環(huán)狀中空體，這是非常有效的漂浮體。
根據(jù)本發(fā)明進一步的實施方案，各個管具有圓形橫截面。
在浮子遭受不同水流路徑方面，該形狀在受波浪影響時是有利的。而且，相對所需材料的有效漂浮體積(floating volume)被最大化。最后，使用圓形管對于制造成本是有利的。
根據(jù)本發(fā)明進一步的實施方案，各個管子由鋼材制成。
考慮材料成本，材料的機械強度和海水中抗腐蝕的可能性，鋼材是非常有利的選項，特別是不銹鋼。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，管彼此焊接到一起。
因而可以合理地以低成本實現(xiàn)水密的堅固可靠連接。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，區(qū)段的數(shù)目是3個到12個。
區(qū)段越少，漂浮體的制造成本越低。當(dāng)然，三個是形成閉合環(huán)的最小區(qū)段數(shù)目。另一方面，區(qū)段數(shù)目越高，在經(jīng)受水波時，從水流動力學(xué)方面，漂浮體的行為變得更和諧(harmonic)。在大多情形中，這些考慮的平衡將在特定的范圍內(nèi)，通常在4到8個的較接近的范圍內(nèi)。在很多情形中，由6個區(qū)段構(gòu)成的漂浮體看來是最有利的平衡。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，所有區(qū)段具有同樣的尺寸。
因而，在不同方面，漂浮體將實現(xiàn)高度對稱，這會優(yōu)化其目的。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，漂浮體是規(guī)則的多邊形。
該實施方案表示漂浮體最高度的對稱性，因而使浮子的效率最大化。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，漂浮體由密度比水密度低的材料制成。
該實施方案具有消除對于確保水密性的問題的優(yōu)點。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，漂浮體是圓環(huán)件。
這是使得浮子為穩(wěn)定對稱體的漂浮體的簡單和諧形狀。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，圓環(huán)件具有圓形橫截面。
當(dāng)波浪流動跨過它或經(jīng)過它時，圓形橫截面提供最小擾動。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，浮子包括通過多個連接部件彼此連接的多個漂浮體，因此漂浮體和連接部件一起形成所述圍繞內(nèi)開口的閉合環(huán)。
該實施方案簡化了該問題并獲得了水密性，因為各個漂浮體可制作成閉合體。因此，不需要水密地將中空區(qū)段彼此連接。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，各個漂浮體具有球形或圓筒形。
對于該實施方案，在波浪橫跨流過漂浮體或經(jīng)過浮子時，實現(xiàn)波浪擾動的減小。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，各個連接部件在相鄰漂浮體間建立剛性連接。
因而浮子將是穩(wěn)定的，并作為單一單元而運動。
根據(jù)進一步的優(yōu)選實施方案，連接裝置包括在不同位置連接到浮子的至少三個緊固裝置。
因而，轉(zhuǎn)移運動到發(fā)電機將最有效，因為浮子全部的動能都被利用。優(yōu)選，緊固裝置的數(shù)目為3個并位于規(guī)則的三角形的角處。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，由于波浪發(fā)電裝置具有特定特征，即在水表面上漂浮時并在垂直于水表面的方向看時，浮子具有圍繞內(nèi)開口的閉合環(huán)的形狀，使得本發(fā)明的目的得以實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明浮子的優(yōu)選實施方案，其包括與上面給出的波浪發(fā)電裝置的各種優(yōu)選實施方案中浮子的特征相對應(yīng)的特征。
因而本發(fā)明浮子及其優(yōu)選實施方案具有如上述本發(fā)明波浪發(fā)電裝置和其中優(yōu)選實施方案的相應(yīng)優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明第四方面，本發(fā)明生產(chǎn)電能的方法包括特定措施，即電能是利用根據(jù)本發(fā)明或其中任何優(yōu)選實施方案的波浪發(fā)電裝置產(chǎn)生的。
本發(fā)明方法和根據(jù)本發(fā)明第三方面的本發(fā)明用途也具有與上述本發(fā)明波浪發(fā)電裝置及其優(yōu)選實施方案相同的優(yōu)點。
本發(fā)明將參考附圖通過下面有利的實施例更詳細地說明。



圖1是根據(jù)本發(fā)明的波浪發(fā)電裝置的示意性截面圖。
圖2是圖1中浮子的俯視圖。
圖3是浮子第二實施例的俯視圖。
圖4是圖3中浮子的橫截面。
圖5是浮子第三實施例的俯視圖。
圖6是沿圖5中沿VI-VI線的截面。
圖7-10是浮子其他的實施例的俯視圖。

具體實施例方式 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的波浪發(fā)電裝置的原理。浮子3設(shè)置成漂浮在海洋表面2上。波浪傳輸來回往復(fù)的垂直運動給浮子3。直線發(fā)電機5經(jīng)固定在底部的基板8固定在海床上。板可以是混凝土的。直線發(fā)電機的定子6a，6c固定到基板8上。定子由4個垂直柱狀層疊堆疊件構(gòu)成，其中僅兩個在圖中可見。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子7設(shè)置在層疊堆疊件間并通過纜線4連接到漂浮體3上。轉(zhuǎn)子7是永磁材料。
基板8具有居中設(shè)置的孔10，且與其同心的底部凹孔9在海床中形成。凹孔9可適當(dāng)?shù)貙R。張力簧11固定在凹孔9的下端，而彈簧的另一端連接到轉(zhuǎn)子7的下端?；?中孔10的直徑和凹孔9的直徑被設(shè)置成可讓轉(zhuǎn)子7穿過其中自由移動。
各個層疊堆疊件6a、6c由數(shù)個模塊組成。在所示實例中，標(biāo)記該層疊堆疊件6a從而表明其是如何被分成三個垂直設(shè)置的模塊61，62，63。
當(dāng)浮子3由于海洋表面2的波浪的運動而上下移動時，該運動經(jīng)纜線4傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子7，因此獲得層疊堆疊件間的等效往復(fù)運動。這樣在定子繞組中產(chǎn)生電流。凹孔9允許轉(zhuǎn)子在其向下運動中通過整個定子。張力簧11為向下運動提供額外力，以便纜線4在每時每刻都保持拉緊。
彈簧也可以設(shè)計成在某些情形中其可施加向上的力。彈簧的伸縮率(spring rate)可由控制裝置28控制，因此可在盡可能多的時間內(nèi)實現(xiàn)共振。
定子整個或部分浸漬有VPI或硅，因此其可耐受鹽水。
當(dāng)浮子漂浮在波浪上時，浮子會在水平方向上漂移使得纜線能夠相對垂直方向傾斜。為了避免會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子7傾斜的該現(xiàn)象，將纜線4的導(dǎo)向設(shè)備30設(shè)置在直線發(fā)電機中纜線入口處。因而在纜線傾斜時，轉(zhuǎn)子7將保持嚴格的垂直運動并可定心在定子的中心。
浮子3是帶有內(nèi)中央開口14的圓環(huán)件。圓環(huán)件的橫截面形狀是多邊形，由矩形基形狀形成并在頂部和底部帶有錐形內(nèi)表面和在頂部的錐形外表面。
纜線4經(jīng)三個較小纜線12連接到浮子，各個較小纜線都經(jīng)緊固裝置13固定到浮子。緊固裝置13相對彼此成120°設(shè)置。
關(guān)于將纜線運動轉(zhuǎn)化為電能的波浪發(fā)電裝置功能的進一步細節(jié)不是本發(fā)明的重點，且該功能通常是已知的。為了理解該過程，可參考WO 03/058055。
可以理解，直線發(fā)電機的設(shè)計可與圖1中所述的類型不同。如果直線發(fā)電機由旋轉(zhuǎn)發(fā)電機取代，則本發(fā)明也可應(yīng)用。由纜線4所轉(zhuǎn)化的能量在其用于發(fā)電之前，可進行各種機械轉(zhuǎn)化，這同樣在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
在圖2中，示出了浮子的俯視圖。
圖3和4中是出了圓環(huán)形浮子3a的可替換實施方式，其具有圓形橫截面。
圖1到4中示出了浮子為勻質(zhì)體，這意味著材料是輕型材料，即其密度比水的密度低。然而，在大多情形中，利用鋼材制成的中空體來制造圓環(huán)形浮子更合適。腔體可以是空的，即空氣，或其可用輕型材料，如多孔聚合物填充。
圖5和6示出浮子形狀的另一實施例。在該情形中，浮子3b由6個焊接到一起管子15構(gòu)成，從而形成規(guī)則六邊形。
圖7示出類似于圖5和6的實施例。在該例中，浮子3c由四個管子構(gòu)成，形成矩形。
圖8示出浮子由馬蹄形漂浮體16和連接棒17構(gòu)成的實施例。
在圖9所示的實施例中，浮子3e由四個漂浮體16a，如端部閉合的管子和四個連接棒17a構(gòu)成。
最后圖10示出浮子由經(jīng)連接棒17b連接的8個球形漂浮體16b構(gòu)成的實施例。
如可從上面實施例中理解的那樣，浮子可具有許多不同形狀并可以不同方式構(gòu)建，只要其與獨立權(quán)利要求中限定的相對應(yīng)。
圓環(huán)形浮子的典型數(shù)據(jù)，如圖1和2中所示的浮子的典型數(shù)據(jù)為 排水(deplacement)9.5m3 外徑 4m 內(nèi)徑 2m 高度 0.8m 重量 1500-2000kg 這些數(shù)據(jù)僅是為了給出通常會討論的尺寸的一般實例但絕不是用于限制。
權(quán)利要求
1.一種波浪發(fā)電裝置，包括適于在水表面上漂浮的浮子(3-3f)，發(fā)電機(5)和將所述浮子(3-3f)連接到所述發(fā)電機(5)的機械連接裝置(4，12，13)，其特征在于所述浮子(3-3f)當(dāng)漂浮在水表面(2)上并在垂直于所述水表面(2)的方向上看時，具有圍繞內(nèi)開口(14)的閉合環(huán)的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述浮子(3-3f)包括具有圍繞內(nèi)開口(14)的閉合環(huán)的所述形狀的漂浮體(3-3f)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述漂浮體(3b；3c)包括多個彼此直接連接的區(qū)段(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于各個區(qū)段(15)是直管(15)，且各個管(15)水密地連接到相鄰管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于各個管具有圓形橫截面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于各個管(15)由鋼材制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述管(15)彼此焊接到一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-7中任一項所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于區(qū)段(15)的數(shù)目為3到12個，優(yōu)選4到8個，且最優(yōu)選6個。
9.根據(jù)權(quán)利要求3-8中任一項所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所有區(qū)段(15)具有同樣的尺寸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于漂浮體(3b)是規(guī)則的多邊形。
11.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述漂浮體由密度比水密度低的材料制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述漂浮體(3，3a)是圓環(huán)件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述圓環(huán)件(3a)具有圓形橫截面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述浮子(3e，3f)包括通過多個連接部件(17a，17b)彼此連接的多個漂浮體(16a，16b)，以便所述漂浮體(16a，16b)和所述連接部件(17a，17b)一起形成所述圍繞內(nèi)開口(14)的閉合環(huán)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于各個漂浮體具有球形(16b)或圓筒形(16a)的形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于各個連接部件(17a，17b)在相鄰漂浮體(16a，16b)間建立剛性連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于各個漂浮體是中空的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項所述的波浪發(fā)電裝置，其特征在于所述連接裝置(4，12，13)包括在不同位置連接到所述浮子(3)的至少三個緊固裝置(13)。
19.用于波浪發(fā)電裝置的浮子(3-3f)，其特征在于所述浮子(3-3f)當(dāng)漂浮在水表面(2)上且在垂直于所述水表面(2)的方向上看時具有圍繞內(nèi)開口(14)的閉合環(huán)形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的浮子，其特征在于所述浮子(3-3f)包括對應(yīng)于根據(jù)權(quán)利要求2-18中任一項所述的波浪發(fā)電裝置中所述浮子的特征。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項所述的波浪發(fā)電裝置在用于生產(chǎn)電能中的用途。
22.一種生產(chǎn)電能的方法，其特征在于所述電能是利用根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項所述的波浪發(fā)電裝置生產(chǎn)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有浮子(3)的波浪發(fā)電裝置，其適于漂浮在水表面(2)上。發(fā)電機(5)通過連接裝置(4，12，13)連接到浮子上。按照本發(fā)明，浮子(3)漂浮在水表面(2)上，并在垂直于水表面的方向上看時具有圍繞內(nèi)開口(14)的閉合環(huán)的形狀。本發(fā)明也涉及用于波浪發(fā)電裝置的浮子(3)，該浮子具有相應(yīng)于上述的特征。進一步，本發(fā)明的波浪發(fā)電裝置的應(yīng)用并涉及一種以本發(fā)明波浪發(fā)電裝置生產(chǎn)電能的方法。
文檔編號F03B13/00GK101646861SQ200780052623
公開日2010年2月10日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者馬茨·萊永, 埃蘭·斯特倫斯泰特 申請人:西貝斯特公司