從海浪中獲取能源的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種借助于浮體（1）從海浪中獲取能源的系統(tǒng)和方法，線纜（S1、S2和S3）從浮體（1）以展開的方式引導(dǎo)至設(shè)置在浮體下方的相互間隔開的固定參照點（6）處，其中，線纜中的至少一根作為導(dǎo)向纜以引導(dǎo)浮體在軌跡上運動，并且至少一根線纜作為工作纜（S2和S3）以將海浪能傳輸至至少一個能量轉(zhuǎn)換器（8）。為了更高效地利用海浪能，根據(jù)本發(fā)明，即使海浪方向改變，浮體也能根據(jù)海浪方向（10）而在空間中自由地進(jìn)行定向，并且可利用與海上風(fēng)力發(fā)電廠（7）結(jié)合而產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。可選地或另外地，能量轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器（8）以及用于控制線纜和/或線纜拉動的裝置（9）以固定的方式布置在浮體（1）外部。
【專利說明】從海浪中獲取能源的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過浮體從海浪中獲取能源的系統(tǒng)和方法，該浮體借助于海浪的運動而活動，并且至少部分浸入海水中，浮體的縱向延伸量等于其高度和寬度的多倍，同時線纜以展開的方式從浮體處拉伸至位于浮體下方且相互間隔開的固定參照點，其中，線纜中的至少一根充當(dāng)導(dǎo)向纜來引導(dǎo)浮體在運動軌跡上運動，同時至少一根線纜充當(dāng)工作纜來將海浪能傳輸至至少一個能量轉(zhuǎn)換器。
[0002]在本發(fā)明的背景中，能量轉(zhuǎn)換器可以被理解為采用機械輔助工具，將浮體的機械能轉(zhuǎn)換為電能或液壓能的系統(tǒng)或設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0003]為了實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，為了不依賴于化石燃料并且擺脫核能，在全世界范圍內(nèi)都在一直推動著可再生能源的發(fā)展。在海洋中以海浪的形式提供大量的能源，但是當(dāng)前很少對海浪用于發(fā)電的潛能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開發(fā)。
[0004]最近的幾十年來，這一領(lǐng)域的研究在全世界范圍內(nèi)一直進(jìn)行著并且已開發(fā)出了許多利用海浪能的方法。因此，出現(xiàn)了大量的系統(tǒng)，但是這其中只有一些跨越了雛形階段。由于劇烈的極端海洋運動狀態(tài)，這些項目中的大部分導(dǎo)致在實驗過程中雛形以失敗告終。此夕卜，腐蝕性的周圍環(huán)境條件帶來了有關(guān)于設(shè)備的耐用性和它們的功能可靠性的主要問題。其他模型在自然的海洋運動環(huán)境中，遠(yuǎn)低于它們的預(yù)期系統(tǒng)性能。這些項目中只有少數(shù)到達(dá)了商業(yè)運作的階段，從而輸送到現(xiàn)存的能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中。
[0005]本發(fā)明僅涉及將物體的垂直運動、水平運動或在這兩個方向上共同運動的相對運動轉(zhuǎn)換為電能或液壓能的系統(tǒng)。這些具有運動體的所謂的系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域中受到了極大的關(guān)注，因為至少從理論的觀點來看，它們可實現(xiàn)非常高的效益。
[0006]對于海浪轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一個基本評估標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)效率，即，設(shè)備功率與來自海浪的可用功率的比值。對于給定的地點和給定的安裝尺寸，這個評估標(biāo)準(zhǔn)最終確定了能量輸出的水平。除了技術(shù)效率，系統(tǒng)成本對于商業(yè)運作是一個重要的決定性因素。這些成本由建立、維護(hù)和拆除設(shè)備的成本以及必要的基礎(chǔ)設(shè)施的成本構(gòu)成。從全面的經(jīng)濟(jì)觀點出發(fā)，優(yōu)先考慮簡單穩(wěn)定地構(gòu)建在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)的設(shè)備同時兼具合理的效益，這種設(shè)計方法優(yōu)于需要高水平的投資和維護(hù)成本的其他方法。因此，在用于海浪能量的轉(zhuǎn)換的新系統(tǒng)的開發(fā)過程中，為了實現(xiàn)低發(fā)電成本，這兩種標(biāo)準(zhǔn)都必須被考慮進(jìn)去。
[0007]專題文獻(xiàn)(Dr.1ng.Ka1-Uwe Graw, 〃Wellenenergie_eine hydromechanischeAnalyse", ISSN0179-9444, IGAff BUGH Wuppertal, section8, page8_8)公開了浮體的工作原理，其在海浪的作用下相對于固定參照點運動，并且由此驅(qū)動發(fā)電機。出于這個目的，浮體通過線纜系統(tǒng)固定在海床上兩個彼此間隔的固定點上，其中一個在海浪的方向上，而另一個在與海浪相反的方向上，通過這種方式使得線纜以約45度角展開。固定線纜中的一根作為工作纜連接至設(shè)置在浮體上的兩個液壓缸上，另一根固定線纜作為浮體的導(dǎo)向纜固定在浮體以及海床上。由于海浪的運動，在浮體向上和向下的運動過程中以及在浮體向前和向后的運動過程中，第一固定線纜(工作纜)都相對于浮體進(jìn)行相對運動，在這一過程中，開動兩個液壓缸。因此，所產(chǎn)生的液壓用于能量轉(zhuǎn)換器，該能量轉(zhuǎn)換器被設(shè)置在基于發(fā)電機的電能生成的浮體上。
[0008]在這期間，另一根固定線纜(導(dǎo)向纜)以相對于海浪的由該線纜的牽拉方向所固定的方向來引導(dǎo)浮體在圍繞固定點的軌跡(圓弧部分)上運動。
[0009]法國專利申請F(tuán)R2869368A1公開了一種從海浪中獲得能量的系統(tǒng)，其中，與所述的被稱為“Graw”的系統(tǒng)一樣，在該申請中，可以開發(fā)海浪在水平和垂直方向上的運動。出于這個目的，浮體以盤狀平臺的形式與線纜連接，該線纜在一端固定在海床上的三個相互間隔開的固定點上。從固定點引出后，線纜經(jīng)過設(shè)置在平臺上的偏轉(zhuǎn)滑輪而被引至共用的壓艙體(ballast body)，該壓艙體設(shè)置在平臺中下方且附接至線纜端部。由于其自身的重量，壓艙體總是使線纜受到拉力。隨著平臺在海浪的影響下而上下以及來回運動，通過位于其上的線纜的引導(dǎo)而在交替旋轉(zhuǎn)的方向上驅(qū)動偏轉(zhuǎn)滑輪，并且偏轉(zhuǎn)滑輪通過驅(qū)動附加的發(fā)電機或高壓泵(就本發(fā)明而言，驅(qū)動渦輪發(fā)電機組)而轉(zhuǎn)換能量。
[0010]兩個系統(tǒng)都有不足之處。被稱為“Graw”的系統(tǒng)所具有的缺陷為只有當(dāng)海浪的方向與系統(tǒng)的方向一致時，才能實現(xiàn)浮體能在其上運動的有效軌跡。該系統(tǒng)不能適應(yīng)海浪方向的變化，這意味著需要考慮到性能損失。
[0011]另一個缺陷在于能量轉(zhuǎn)換設(shè)備及其必要的控制裝置都直接設(shè)置在浮體上，這樣它們就直接暴露于海洋大氣的腐蝕性環(huán)境中并且暴露于海水中。因此，對于所述的系統(tǒng)，工作中斷和故障都是可以預(yù)見的，在每種情況下，需要高額的維護(hù)費用。此外，用于能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備的質(zhì)量和控制裝置的質(zhì)量導(dǎo)致運動系統(tǒng)的總體質(zhì)量增大，從而運動特性受到負(fù)面影響。
[0012]從法國專利申請F(tuán)R2869368A1中也可預(yù)見到以上所述的缺陷中的一部分；在該發(fā)明中，能量轉(zhuǎn)換設(shè)備也直接設(shè)置在浮體上，浮體為平臺。盡管在該系統(tǒng)中，因為由于浮體的盤狀，而導(dǎo)致浮體在所有方向上的操作方式都相同，所以相對于海浪的方向，浮體的方向不重要，但是因此也將長浮體的優(yōu)勢舍棄掉，當(dāng)長形浮體處于與海浪前行方向垂直的定向時，其會受到具有更大寬度的能量流的沖擊。由于系統(tǒng)沒有受到有目標(biāo)的導(dǎo)引，所以在浮體的運動過程中，不能描述出已知系統(tǒng)的具體軌跡。
[0013]最后,US5, 066, 867A公開了一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備以固定的方式設(shè)置在海面下方的系統(tǒng)，這意味著在這種情況下，也可預(yù)見到由腐蝕引起的缺陷和維護(hù)工作的困難。因為系統(tǒng)沒有受到有目標(biāo)的導(dǎo)引，所以對于這種配置，在浮體的運動過程中，也不可能描述軌跡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]在“Graw”中所述的現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的目標(biāo)是建立一種從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)即使在海浪方向在系統(tǒng)所在位置變化的情況下，也能夠有效利用海浪能，具有很高的能量輸出，并且由于低投資成本和簡單的技術(shù)，維護(hù)成本低，因而具有高可用性。此外，該系統(tǒng)應(yīng)該適于通過與海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備結(jié)合而進(jìn)行協(xié)同開發(fā)。
[0015]為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明，浮體可在空間上根據(jù)海浪的方向而自由地進(jìn)行定向。
[0016]然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，線纜將浮體固定在優(yōu)選位置，通過海床上的固定連接點來預(yù)設(shè)該優(yōu)選位置，并且優(yōu)選地該位置與最期望的海浪方向一致，但是，以即使在海浪方向改變時，浮體也可以偏轉(zhuǎn)至實現(xiàn)預(yù)期的最優(yōu)能量輸出的位置的這種方式來可移動地安裝本發(fā)明的浮體。由于根據(jù)本發(fā)明的浮體的形狀為長形，其縱向延伸量等于其高度和寬度的多倍，所以當(dāng)浪峰到來時，距離浪峰最近的浮體一端最先受到?jīng)_擊，因此浮體旋轉(zhuǎn)至與浪峰平行的位置，并且因此根據(jù)海浪而最優(yōu)地進(jìn)行定向。這種效果類似于在航海中眾所周知的船的“橫向沖擊”。此外，浮體可以設(shè)置有引導(dǎo)裝置來有目地和改善地影響運動性能。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，建議通過如下方式來改進(jìn)已知系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換器和用于控制線纜和/或拉動線纜的裝置以固定的方式設(shè)置在浮體以外，即，控制裝置和能量轉(zhuǎn)換器設(shè)置在運動的系統(tǒng)以外。由此簡化了系統(tǒng)并且減少了維修和安裝的費用。用于控制的裝置和用于能量轉(zhuǎn)換的裝置可以以封裝和保護(hù)的方式安裝在浮體以外。
[0018]如果能量轉(zhuǎn)換器和用于控制線纜的裝置可防止被海水侵蝕，則是特別有益的。例如根據(jù)本發(fā)明，如果能量轉(zhuǎn)換器和用于控制線纜的裝置設(shè)置在海平面以上的靜止的建筑物上，則可以實現(xiàn)防止被海水侵蝕。這樣的位置可以是例如一個固定在海床上的支柱或塔，此位置充分突出到可預(yù)測最高浪峰以上。這樣的配置提供用于系統(tǒng)敏感部分的更好保護(hù)，由此明顯地提高了系統(tǒng)的功能安全性和減少了維修工作。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的有益實施例，從浮體引出的線纜以被動的方式固定在浮體上，每根線纜從浮體引出，可能經(jīng)由設(shè)置在固定參照點的區(qū)域內(nèi)的偏轉(zhuǎn)裝置，到達(dá)能量轉(zhuǎn)換器并且到達(dá)用于控制線纜拉動和/或線纜長度的裝置。在這個背景下，“被動”意味著線纜經(jīng)過連接裝置連接至浮體并且在線纜和浮體之間沒有產(chǎn)生用于發(fā)電的相對運動。這里使用的術(shù)語“控制”是非限制性的但也意在包括調(diào)節(jié)，例如，采用反饋環(huán)進(jìn)行控制。
[0020]特別地，如果浮體可以根據(jù)海浪的方向在空間上自由地進(jìn)行定向，根據(jù)本發(fā)明的一個有益的實施例，建議所有線纜都應(yīng)固定在浮體上的公共中心連接裝置上，這允許浮體至少根據(jù)海浪方向進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。這可以通過例如如下方式實現(xiàn)，為了將所有的線纜都固定在浮體上，旋轉(zhuǎn)軸用于中心豎軸的區(qū)域中。可通過安裝繞浮體的豎軸可進(jìn)行樞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)圓盤來構(gòu)建該旋轉(zhuǎn)軸，并且線纜固定在該旋轉(zhuǎn)盤上。可選地，為了實現(xiàn)所謂的浮體可調(diào)節(jié)性，可使用軌道系統(tǒng)，從而允許線纜的接合點相對于浮體運動。這種導(dǎo)軌系統(tǒng)由連續(xù)的曲面軌道組成，在軌道上，滑座在近似水平的面上循環(huán)運動，并且線纜連接在滑座上。在兩種情況下，浮體相對于連接裝置都是可旋轉(zhuǎn)或是可調(diào)節(jié)的。在浮體的位置與浪峰平行時，浮體沿著在遠(yuǎn)離海浪的固定連接點周圍的圓弧部分或者沿著遠(yuǎn)離海浪的固定連接點來做平移運動。
[0021]然而，在主要的海浪的方向不變的淺水區(qū)域中，可以生產(chǎn)僅具有兩根線纜的所述設(shè)備，但是根據(jù)本發(fā)明的一個具體特征，優(yōu)選地，至少三根線纜連接至浮體，并且每根線纜都經(jīng)由為其分配的偏轉(zhuǎn)裝置而拉伸至能量轉(zhuǎn)換器和電纜控制設(shè)備，每根線纜的偏轉(zhuǎn)裝置都連接在至少三個固定參照點中的一個上。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個具體特征，每根線纜都可用作浮體的導(dǎo)向纜(必要時)并且可用作工作纜以將機械能傳輸至能量轉(zhuǎn)換器。
[0023]具體地，在浮體可自由進(jìn)行定向的情況下，所述的配置意味著可能根據(jù)海浪的前進(jìn)方向來調(diào)整系統(tǒng)的運動路徑。因此，對于不同的海浪方向，系統(tǒng)總是有效地進(jìn)行工作，這意味著即使在海浪方向改變的地方，也能獲得高能量輸出。[0024]本發(fā)明也公開了為了改變浮體的運動路徑，遠(yuǎn)離海浪的導(dǎo)向纜在運動的過程中以可調(diào)的長度固定和/或?qū)ζ溥M(jìn)行控制。通過這種方式，根據(jù)有效利用的原則，在海浪運動的過程中可以對適合相應(yīng)海浪狀況的浮體路徑進(jìn)行調(diào)節(jié)并且也可能對其進(jìn)行糾正。位于遠(yuǎn)離海浪一側(cè)的線纜的長度決定了軌跡的半徑和傾斜角，固定在線纜一端的浮體在該軌跡上進(jìn)行必要的運動，而經(jīng)過相應(yīng)的線纜或距離海浪最近的線纜來進(jìn)行控制和能量傳輸。
[0025]有益地，根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，可在浮體的運動過程中控制距離海浪最近的工作線纜。線纜在遇到浪峰時，保持不動直到達(dá)到線纜的期望浸入深度或作用在線纜上的期望拉力。在接下來的時間段內(nèi)，浮體以規(guī)定的力或速度運動，其中浮體經(jīng)由線纜以及線纜的偏轉(zhuǎn)裝置將機械能傳輸至能量轉(zhuǎn)換器。
[0026]可通過經(jīng)由控制系統(tǒng)/調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)各個線纜長度以及作用于浮體上的力來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運動特性(例如，圓弧的半徑、浮體的傾斜角、振幅、浸入深度、速度以及運動方向)。因此，通過所有的三條線纜協(xié)同工作，在三維空間內(nèi)實現(xiàn)進(jìn)行高效的水力機械運動通常是可能的。通過所有的三條線纜，或者獲取能量、引入能量或者沒有發(fā)生能量轉(zhuǎn)化都是可能的。采用這種方式，為了取得最優(yōu)的輸出，可在任何時候使參數(shù)適應(yīng)于當(dāng)前的海浪狀況(例如，海浪高度、海浪長度、海浪的周期以及海浪的方向)。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一個具體特征，為了更好的利用海浪的方向譜，對每根工作纜的控制可以適應(yīng)于相應(yīng)的到來浪峰的前行方向。例如，可在配置有兩根工作纜的條件下實現(xiàn)這種方法，因為當(dāng)單個海浪從工作纜方向到來時，工作纜可取得更大的運動幅度。
[0028]在經(jīng)過浪峰后，浮體自動地返回至其起始位置。已證明，由于具有主動返回配置，所以浮體能更快速地返回至其起始位置。在實驗中，利用這些特征可能獲得在高頻短波區(qū)內(nèi)的輸出的顯著提高。此外，通過控制拉力和返回力，可能使浮體浸入浪谷內(nèi)的浸入深度的增大。正如在分析觀察中所證明的，這進(jìn)一步提高了輸出。因此根據(jù)本發(fā)明，建議為了使上升至浪峰的浮體主動返回或控制浮體的浸入深度，可對距離海浪最近的每根工作纜都施加可控的拉力。
[0029]優(yōu)選地，能量轉(zhuǎn)換器是發(fā)電機，并且距離海浪最近的一根或多根工作纜被配置為直接或間接驅(qū)動發(fā)電機。發(fā)電機經(jīng)由線纜盤(cable disc)按照其自身已知的方式來驅(qū)動發(fā)電機，其中，借助于線纜盤來引導(dǎo)提供能量傳輸?shù)木€纜。因此可以通過自由旋轉(zhuǎn)來彌補旋轉(zhuǎn)方向的改變?？蛇x地，可以使用線性發(fā)電機或其他已知的能量轉(zhuǎn)換器，例如，線性發(fā)電機或其他已知的能量轉(zhuǎn)換器直接或間接經(jīng)過單根或多根線纜，通過壓縮空氣缸或液壓缸進(jìn)行工作。
[0030]為了提供防護(hù)以對抗惡劣的極端天氣條件，根據(jù)本發(fā)明的另一個方案，浮體可以降低至幾乎沒有海水運動的水深度處。出于這個目的，部分浮體可暫時充有海水。優(yōu)選地，使浮體充滿至一定程度使得海水對工作纜和導(dǎo)向纜施加方向向上的力。因此，在極端天氣條件緩和之后，通過放松線纜將浮體引導(dǎo)至海水表面。通過抽水泵將浮體內(nèi)的水抽出。這可通過安裝在浮體表面上的太陽能電池或通過電池來操作。可選地，借助于固定在浮體下部區(qū)域的永久浮力工具來將浮體內(nèi)的水排空。
[0031]為了增強對海浪狀況的適應(yīng)性并且如果當(dāng)浮體從其固定處松開，為了減小對周圍建筑或船只造成損壞的風(fēng)險，還建議浮體自身的質(zhì)量要低，同時具有大浮力，其中可以通過控制浮體的填充程度(flooding)來調(diào)整浮力。基于合成材料的結(jié)構(gòu)是有益的。將浮體形成為壓力體(pressure body)是可行的，通過高于大氣壓的內(nèi)部壓力來支撐浮體的形狀。因此，也可以使用柔性材料。通過將浮體形成為具有柔性外殼的壓力體，當(dāng)浮體向下降低至很少有海水運動的深度時，因為暫時減小了所包含的空氣體積，所以可以減小必需的作用力。
[0032]本發(fā)明特別有利的方案是將本系統(tǒng)連接至海上風(fēng)力發(fā)電站，其中能量轉(zhuǎn)換設(shè)備不受海水的侵蝕，并且用于控制線纜拉力的設(shè)備在所有情況下都設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備上或在其塔內(nèi)，或者集成在風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備的發(fā)動機艙內(nèi)。因此，風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)僅受到壓力而沒有受到傾斜力矩，這意味著可能將本系統(tǒng)集成至現(xiàn)有設(shè)備或集成至新的建筑物上而無需對建筑結(jié)構(gòu)或固定結(jié)構(gòu)做出明顯改動。
[0033]也可能有利地，連接多個系統(tǒng)以形成可單獨或與風(fēng)力發(fā)電廠共同地建立的發(fā)電廠的模塊?？梢砸允瓜到y(tǒng)的固定物中的至少一部分同時被多個系統(tǒng)使用的方式來設(shè)置系統(tǒng)。當(dāng)多個系統(tǒng)連接至風(fēng)力發(fā)電廠時，以系統(tǒng)包圍風(fēng)力發(fā)電站的方式來設(shè)置系統(tǒng)，因此在風(fēng)力發(fā)電站的區(qū)域內(nèi)減小了海洋運動的能量。
[0034]在深水區(qū)，浮體的固定參照點可設(shè)置在浸在水里的建筑上，該建筑通過適合的固定物固定在固定位置處或通過適當(dāng)成形件綁定(binds)大水動力質(zhì)量件(hydrodynamicmass)，并且因此具有很大的慣性。采用這種方式，通過使整個系統(tǒng)圍繞其固定物自動定向，來實現(xiàn)關(guān)于海浪方向的定向。在這種情況下，具有兩根線纜的動力學(xué)配置對于每個浮體都是足夠的，其中僅距離海浪最近的線纜可用于控制以及能量轉(zhuǎn)換。
[0035]為了在根據(jù)本發(fā)明的工作方法的情況下將系統(tǒng)有效用于從海浪獲取能源，建議最初應(yīng)根據(jù)期望半徑以及浮體軌跡的傾斜角來調(diào)節(jié)位于遠(yuǎn)離海浪一側(cè)的導(dǎo)向纜的長度。然后，當(dāng)浪峰到達(dá)時，位于距離海浪最近的浮體一側(cè)的工作纜保持不動直到達(dá)到期望浸入深度或期望拉力。此后，允許浮體以限定的力或速度運動，從而浮體經(jīng)由工作纜將機械能傳輸至能量轉(zhuǎn)換器。在浪峰到達(dá)后，浮體返回至其起始位置。在這期間，通過控制系統(tǒng)的拉力將工作纜拉回。可以開始新的循環(huán)。
[0036]為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的輸出的進(jìn)一步提高，建議應(yīng)選擇通過由工作纜引入的力而使浮體運動至其起始位置的方法。通過主動返回，浮體能夠快速地返回至其起始位置，從而可能獲得在高頻短波區(qū)內(nèi)的輸出的顯著增大。同時，借助于由單根或多根工作纜提供的返回力，可使得浮體更深地浸入浪谷，從而可以進(jìn)一步地增大輸出。
[0037]通過控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運動特性(諸如，圓弧的半徑、傾斜角、振幅、浸入深度、速度以及運動方向)，因為為了取得最優(yōu)的運動路徑，根據(jù)本發(fā)明可在浮體運動之前或期間改變單根或多根導(dǎo)向纜的長度。
[0038]有益地，由工作纜引入的力也可用于調(diào)節(jié)浮體浸入在浪谷的深度。
[0039]所述系統(tǒng)較已知的方案具有下列優(yōu)勢:
[0040]所述配置可根據(jù)當(dāng)前海浪前行的方向而對浮體以及軌跡的定向，因此即使在海浪方向改變的位置處，也能實現(xiàn)高能量輸出。該整體系統(tǒng)具有相對高的能量輸出和低成本的特征。通過由最優(yōu)軌跡取得的高效率以及通過與海浪前行方向垂直的長形浮體而形成的較大的工作寬度，可實現(xiàn)相對大的能量輸出。線纜在動力學(xué)上的配置的使用(這種配置要求使用少量材料并且運動部分的數(shù)量很少)，以及將用于控制和能量轉(zhuǎn)換的所有靈敏部件都有利地設(shè)置在免受浮體外部海水侵蝕的位置實現(xiàn)了較低的施工和維護(hù)成本。
[0041]由于可與海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備連接，所以系統(tǒng)與之前的設(shè)計相比具有決定性的優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)特別適合于能量轉(zhuǎn)換器和用于控制線纜拉動和/或線纜長度的設(shè)備的配置。該結(jié)構(gòu)僅受到壓力而沒有受到傾斜力矩的作用。因此，可能在現(xiàn)有設(shè)備上改裝該系統(tǒng)或?qū)⑾到y(tǒng)集成在新建筑物中是而不需要對該結(jié)構(gòu)做很大的改變。
[0042]下文中將通過示例性的實施例來描述根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其中，可自由地進(jìn)行定向的浮體與在海水外部的能量轉(zhuǎn)換器和線纜控制裝置結(jié)合在一起。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]附圖中:
[0044]圖1示出了與海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備結(jié)合的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)；以及
[0045]圖2示出了由多個系統(tǒng)組成的海浪能發(fā)電廠與海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的連接。
【具體實施方式】
[0046]圖1以極為簡化的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。漂浮在海水2中的半圓柱形浮體標(biāo)示為1，它的下部曲面部分地浸入海水2中。封閉的浮體I是中空的并且由耐腐蝕的金屬或合成材料或者類似的抗海水侵蝕的材料構(gòu)成。可以看出，浮體I的長度遠(yuǎn)大于它的寬度或高度，并且其頂部是平的。這種形狀已被證明是特別適合的，但是其他形狀也是可行的。
[0047]不同線纜S的連接裝置3設(shè)置在浮體的底面上。線纜S被動地進(jìn)行固定，即，將它們固定于連接裝置的位置處，但同時允許浮體I繞線纜的連接裝置3做空間運動。在最簡單的情況下，連接裝置3安裝在浮體I的底面上以便連接裝置3能夠繞浮體I的豎軸4進(jìn)行樞軸旋轉(zhuǎn)，這意味著可以自由地調(diào)節(jié)浮體I。
[0048]如圖1所示，三根線纜S1、S2和S3固定在連接裝置3上，在所有情況下，它們都相對于海平面以下的偏轉(zhuǎn)滑輪Ul、U2和U3以金字塔狀張開。偏轉(zhuǎn)滑輪Ul至U3被固定在海床5的區(qū)域內(nèi)，為了這個目的，例如，可以使用加重的底座或用樁固定的錨(staked anchor),并且偏轉(zhuǎn)滑輪Ul至U3形成了浮體I及其連接裝置3的位置固定參照點6。在本發(fā)明所述的實例中，偏轉(zhuǎn)滑輪U3中的一個偏轉(zhuǎn)滑輪安裝在偏轉(zhuǎn)滑輪組(deflection roller block)4內(nèi)，而其他偏轉(zhuǎn)滑輪安裝在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔7的底部。所示的線纜SI至S3中的每根線纜都從連接裝置3引出，滾動地(roll-off motion)通過偏轉(zhuǎn)滑輪Ul至U3中的一個偏轉(zhuǎn)滑輪偏轉(zhuǎn)，并且引向偏轉(zhuǎn)滑輪組4，從偏轉(zhuǎn)滑輪組4處，所有的線纜SI至S3都沿著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔7向上拉伸到達(dá)位于海面上方并且在海浪到達(dá)范圍之外的能量轉(zhuǎn)換器8，以及到達(dá)用于控制線纜拉動和/或線纜長度的裝置9。圍繞著偏轉(zhuǎn)滑輪Ul、U2和U3以及圍繞著偏轉(zhuǎn)滑輪組4中的偏轉(zhuǎn)滑輪的每一根線纜S1、S2和S3都獨立于其他線纜而轉(zhuǎn)動，而且對每一個線纜都可以進(jìn)行單獨控制并以預(yù)設(shè)長度進(jìn)行固定。
[0049]能量轉(zhuǎn)換器8 (這里未對其進(jìn)行詳細(xì)描述)基本由機械驅(qū)動的發(fā)電機構(gòu)成，由浮體運動所產(chǎn)生的機械能經(jīng)過線纜S1、S2和S3傳輸至該發(fā)電機，并且在適合的裝置中將該機械能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動以驅(qū)動該發(fā)電機。發(fā)電機所生成的電力通過電纜傳輸至電網(wǎng)(未示出)。在此期間，也可能將發(fā)電機用作發(fā)動機。
[0050]本系統(tǒng)的工作過程如下:
[0051]從方向10到來的海浪11首先到達(dá)浮體I距離海浪11最近的橫側(cè)面，并且使由固定參照點6所保持的浮體I繞其豎軸4進(jìn)行樞軸旋轉(zhuǎn)，同時，豎軸4也是線纜SI至S3的連接裝置3的旋轉(zhuǎn)軸。由此，浮體I轉(zhuǎn)到與到來的海浪11的方向10垂直的方向上，并且對于海浪11呈現(xiàn)出最佳的沖擊面。在緊繞偏轉(zhuǎn)滑輪U的線纜S中，位于遠(yuǎn)離海浪一側(cè)的線纜S3用于引導(dǎo)浮體1，為了取得最優(yōu)的運動路徑，可以在浮體I的運動過程中調(diào)節(jié)線纜S3的長度。在下文中，線纜S3被稱為導(dǎo)向纜。由于線纜僅由于其功能而成為導(dǎo)向纜，所以只要SI至S3中的線纜位于浮體I遠(yuǎn)離海浪的一側(cè)，其都可能成為導(dǎo)向纜。
[0052]位于浮體I的最接近海浪一側(cè)的線纜SI和S2初始遇到浪峰時，通過用于控制線纜拉動和/或線纜長度的裝置9而保持不動，直到通過作用于浮體I的海浪而實現(xiàn)浮體I的期望浸入深度或者期望拉力。隨即，允許浮體I以限定的力或速度進(jìn)行運動，由此機械能經(jīng)過距離海浪最近的線纜S2和S3而被傳輸至發(fā)電機，在下文中，線纜S2和S3被稱為工作纜。
[0053]在浮體I的運動過程中，以雙箭頭表示的工作纜S2和S3在海浪11的作用下被拉長，并且它們在通過浪峰后，借助于通過控制裝置所施加的力而被拉回。在這段時間內(nèi)，位于浮體I的遠(yuǎn)離海浪11的一側(cè)的導(dǎo)向纜Si限定了浮體的運動路徑。
[0054]在到達(dá)浪峰后，浮體I自動返回至其起始位置或借助于由工作纜S2和S3所提供的力而主動返回。通過主動返回，浮體I更迅速地返回至其起始位置。返回力也使浸在浪谷中的浮體I的浸入深度增大，從而導(dǎo)致性能進(jìn)一步增強。
[0055]通過借助于用來控制線纜拉動和/或線纜長度的裝置9來調(diào)節(jié)相應(yīng)的線纜長度和作用在浮體I上的力，可以調(diào)節(jié)整體系統(tǒng)的運動特性(例如，圓弧的半徑、傾斜角、振幅、浸入深度、速度以及運動方向)，這意味著所有的參數(shù)都可適應(yīng)于當(dāng)前的海浪狀況(例如，海浪高度、海浪長度、周期和海浪方向)。
[0056]為了更好地利用方向譜，可以通過對每一根線纜S1、S2和S3分別進(jìn)行控制使運動路徑與到來的波峰的相應(yīng)的前行方向相適應(yīng)。例如，這種情況發(fā)生在配置有兩根工作纜S2和S3的條件下，因為對于工作纜S2或S3，當(dāng)單個海浪11從線纜的方向到達(dá)時，可實現(xiàn)更大的運動幅度。所用工作纜和導(dǎo)向纜的根數(shù)不限于本實例中所選用的根數(shù)，而是根據(jù)要求和具體情況來進(jìn)行選擇。根據(jù)海浪到來的方向，線纜S中的每一根都可用作工作纜或?qū)蚶|。
[0057]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)在發(fā)電廠的有效應(yīng)用，其中，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備與從海浪中獲取能源的系統(tǒng)結(jié)合在一起。圖1所示的多個浮體I從運動學(xué)的角度上來說已結(jié)合在一起，并且通過圖1所示的線纜系統(tǒng)有效地連接至風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔7(也可提供多個塔)。通過與圖1中相同的參考標(biāo)號標(biāo)示出相同的部件。
[0058]在兩個實例中，將線纜引入到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔7的內(nèi)部都是可行的，類似地，能量轉(zhuǎn)換器8和/或用于控制線纜拉動和/或線纜長度的裝置9可以以保護(hù)的方式位于塔內(nèi)。因為風(fēng)力發(fā)電站的建筑結(jié)構(gòu)僅承受壓力而不承受傾斜力矩，所以在對風(fēng)力發(fā)電站的建筑不做大量改動的條件下，在現(xiàn)有設(shè)備上改裝系統(tǒng)或?qū)⒃撓到y(tǒng)集成在新的建筑物中都是可能的。
【權(quán)利要求】
1.一種借助于浮體(I)從海浪中獲取能源的系統(tǒng)，所述浮體(I)通過所述海浪的運動而被激發(fā)并且至少部分浸入在海水中，其縱向延伸量等于其高度和寬度的多倍，線纜(S1、S2和S3)從所述浮體(I)以展開的方式拉伸至設(shè)置在所述浮體下方的相互間隔開的固定參照點(U1、U2和U3)處，所述線纜中的至少一根作為導(dǎo)向纜以引導(dǎo)所述浮體在軌跡上運動，并且至少一根線纜作為工作纜以將海浪能傳輸至至少一個能量轉(zhuǎn)換器(8)，其特征在于:所述浮體根據(jù)所述海浪的方向(10)在空間上可自由地進(jìn)行定向。
2.一種借助于浮體(I)從海浪中獲取能源的系統(tǒng)，所述浮體(I)通過海浪的運動而被激發(fā)并且至少部分浸入在海水中，其縱向延伸量等于其高度和寬度的多倍，線纜(S1、S2和S3)從所述浮體(I)以展開的方式拉伸至設(shè)置在所述浮體下方的相互間隔開的固定參照點(U1、U2和U3)處，所述線纜中的至少一根作為導(dǎo)向纜以引導(dǎo)所述浮體在軌跡上運動，并且至少一根線纜作為工作纜以將海浪能傳輸至至少一個能量轉(zhuǎn)換器(8)，其特征在于:所述能量轉(zhuǎn)換器(8)和用于控制線纜和/或拉動線纜的裝置(9)以固定的方式設(shè)置在所述浮體(I)之外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:所述能量轉(zhuǎn)換器(8)和用于控制線纜拉動和/或拉動線纜的裝置(9)以防止海水侵蝕的方式設(shè)置在海平面以上的靜止的結(jié)構(gòu)(7)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求 1至3中任一項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:所述線纜(S)通過一個或多個連接裝置(3 )被動地連接至所述浮體(I)，每根線纜(S)都從所述連接裝置(3)引出，通過設(shè)置在所述固定參照點(6)區(qū)域內(nèi)的偏轉(zhuǎn)裝置(U)，到達(dá)所述能量轉(zhuǎn)換器(8)和用于控制所述線纜拉動和/或線纜長度的所述裝置(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:所有線纜(S)都連接至位于所述浮體(I)上的公共中心連接裝置，從而允許至少根據(jù)海浪的方向自由地調(diào)節(jié)所述浮體(I)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:至少三根線纜(S1、S2和S3)連接至所述浮體(1)，并且所述線纜(S1、S2和S3)中的每一根都經(jīng)過分配給每根線纜的偏轉(zhuǎn)裝置(Ul、U2和U3)而拉伸至所述能量轉(zhuǎn)換器(8)以及用于線纜控制和/或線纜拉動的所述裝置(9)，所述偏轉(zhuǎn)裝置(Ul、U2和U3)中的每個都位于至少三個固定參照點(6)中的一個上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:所述線纜(SI至S3)中的每一根都可根據(jù)需要用作所述浮體(I)的導(dǎo)向纜以及用作工作纜以將所述海浪能傳輸至所述能量轉(zhuǎn)換器(8 )。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:為了改變所述浮體(I)的運動路徑，在所述運動過程中以可調(diào)節(jié)的長度固定和/或控制遠(yuǎn)離所述海浪的所述導(dǎo)向纜(S3)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:在所述浮體(I)的運動過程中控制距離所述海浪最近的所述工作纜(S2和S3)中的每一根的線纜長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:控制所述線纜(S)中的每根線纜都可以適應(yīng)于到來的浪峰的相應(yīng)的前行方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:為了使上升至浪峰的所述浮體(I)主動返回，可向距離所述海浪最近的所述工作纜(S2和S3)中的每一根都施加可控的拉力。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:所述能量轉(zhuǎn)換器(8)是發(fā)電機，并且線纜(S2和S3)中可用作工作纜的每根線纜都被配置為直接地或間接地驅(qū)動所述發(fā)電機。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:為了提供保護(hù)以對抗惡劣的極端天氣條件，可以將所述浮體(I)降低至海水幾乎不運動的水深度。
14.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:所述浮體(I)自身重量輕且浮力大，通過對所述浮體(I)的填充程度進(jìn)行控制來改變所述浮力。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:將所述系統(tǒng)引入海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，保護(hù)所述能量轉(zhuǎn)換裝置(8)以防止海水侵襲，并且所述用于控制線纜拉力的所述裝置在所有情況下都設(shè)置在所述塔(7)上或所述塔(7)內(nèi)或者設(shè)置在所述風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的發(fā)動機艙內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:可以連接多個所述系統(tǒng)以形成可單獨或者與風(fēng)力發(fā)電廠組合建立的發(fā)電廠的模塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:所述浮體(I)的固定參照點(6)設(shè)置在浸入的結(jié)構(gòu)上，所述結(jié)構(gòu)可以通過適合的固定物固定在固定位置或通過適合的成形件具有高等級的慣性。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17`中任一項或多項所述的從海浪中獲取能量的系統(tǒng)，其特征在于:固定至所述浮體(I)上的所述線纜(S)引向海水/液壓泵，輸出壓力線從所述海水/所述液壓泵延伸至將液壓能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換器。
19.一種使用權(quán)利要求1至18所述的系統(tǒng)來從海浪中獲取能源的方法，包括下列步驟: 根據(jù)期望的半徑以及所述浮體的運動軌跡的傾斜角，調(diào)節(jié)位于遠(yuǎn)離所述海浪的一側(cè)的導(dǎo)向纜的長度； 當(dāng)浪峰到來時，所述浮體的位于距離所述海浪最近的一側(cè)的所述工作纜保持不動直到達(dá)到期望的浸入深度或期望的拉力； 然后，允許所述浮體以規(guī)定的力或速度運動，從而所述浮體經(jīng)由所述工作纜將機械能傳輸至所述能量轉(zhuǎn)換器； 在所述浪峰到達(dá)之后，所述浮體返回至或被拉回至其起始位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的獲取能量的方法，其特征在于:由一根或多根所述工作纜所引入的線纜拉力來主動地支持所述浮體返回至其起始位置的運動。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的獲取能量的方法，其特征在于:為了實現(xiàn)最優(yōu)的運動路徑，在所述浮體運動之前或在其運動過程中，可調(diào)整所述導(dǎo)向纜的長度。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的獲取能量的方法，其特征在于:經(jīng)由所述工作纜引入的力用于調(diào)節(jié)所述浮體浸入所述浪谷中的浸入深度。
【文檔編號】F03B13/18GK103443447SQ201280005517
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月18日
【發(fā)明者】揚·彼得·佩科爾特 申請人:尼貿(mào)思有限公司