CN104114854A - 将海波的机械能转化为电能的装置 - Google Patents

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Abstract

将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：至少一个漂浮物(101)，和两个刚性杆(102)，(103)，优选地至少一端抛锚于海床(108)上，并且另一端通过弹性线缆(106)，(107)连接到所述漂浮物(101)；两个独立的块(104)，(105)保持所述刚性杆(102)，(103)的自由端持续地在牵引状态下被拉入方向并且朝向所述海床(108)；至少一个发电机(109)，或者其他类似装置，适合于转化和/或传输能量，被紧邻独立铰链(110)，(111)放置，放置在所述杆(102)，(103)的底部，这样漂浮物(101)的摆动动作，随着波浪的水平(112)，引起具有垂直分量的力，从而导致所述杆(102)，(103)相对于独立铰链(110)，(111)的旋转和摆动动作，并因此通过同一发电机(109)的齿轮的动作产生电能；漂浮物(101)摆动的水平分量通过一个平衡物***来平衡，这样同一漂浮物(101)倾向于将自己持续地放置于垂线A-A`上。

Description

将海波的机械能转化为电能的装置
本发明涉及一种将海波的机械能转化为电能的装置，其包括一个随海波的水平线而上下的漂浮物，该漂浮物传递自己的动作到固定到海床上的刚性杆上。刚性杆的旋转和摆动动作，相对于一个参考铰链，引起一个电力发电机的齿轮的动作，或者在一个水力回路里的压力下液体的推动，能够利用其设定电力发电机的齿轮的动作到一个设定距离，例如在海岸上。该装置还可以包括热交换器，用于在设定距离内传递海水热量，使用所述水力回路，在所述回路中内部液体首先获取海水热量，并且接着它被推动一定距离，使得它释放热量到例如放在海岸上的外部用户。
在先前技术中，已知有一些利用海波移动的能量来激发某些电力发电机的解决方案。
美国专利US4208877(伊万等)描述了一种水下圆柱体，它通过线缆连接到两个固定到海床上的部件。圆柱体的运动，根据海波的运动，引起连接到电力发电机的线缆摆动。这些发电机可以放置在海床上的抛锚点上，或者临近圆柱体的点上。因此，这些装置包括一个抛锚到海床上的漂浮物，和通过漂浮物的摆动激发的发电机。但是，这类装置的能量转化效率非常低，因此它没有刚性杆，也没有平衡物***，并且它不能产生能够优化机械能转化为电能的力学配置。
美国专利US6756695(西伯等)涉及一种设置在稍微低于海面位置的漂浮结构，并且它通过连接线缆抛锚到同一海床的至少两个点上。在水平面上的所述结构的运动允许激发属于发电机的一个旋转器或齿轮，所述发电机的放置位置邻接同一个浸水的漂浮结构。在这个案例中，该装置包括固定到海床的一个漂浮物；但是适合能量转化的摆动仅仅是那些在水平面上的，并且考虑到发电机直接放置在漂浮物上，结果它的能量转化效率非常低，同时相应的会暴露在可能的坏天气状态中。
美国专利US7845880(拉斯穆森)涉及另一种结构，其包含一个位于海洋表面上的漂浮物，一个固定在压载物上的中间部件和两个保持所述中间部件系到同一垂线上的下锚。波浪运动使得漂浮物在垂直方向上摇摆，这样它倾向将所述中间部件举起到它连接的深度上。一个齿轮，放置在同一个中间部件上，将会相对于一个枢轴转动着摆动，这种运动由一个平衡物来平衡，这样就将一个安装在同一中间部件上的发电机充电。在该案中，进一步地，所述装置包括一个连接到海床上的漂浮部件，和一个通过漂浮物的摆动来激发的发电机。但是这个装置也有着非常低的能量转化效率，因为它不能提供某些刚性杆，并且它不能定义一个力学配置从而优化将机械能转化为电能的过程。
另一个目标是同一装置提供一个稳定可靠的平衡点，这样水平和垂直的摆动，相对于所述平衡点，都允许激发发电机。
进一步的目标是同一装置能够安装在浅水或者作为一种选择，也可以在深水中。
另一个目标是同一装置可以是模块化***的一部分，能够允许成比例地产生对应于包含在装置中的海面的能量总量，或者与安装的模块数量成比例。
另一个进一步目标是同一装置允许集成一个从海水中提取热量的***，其中被推到海岸的所述海水在退回海里前，被储存或者运输到一个热交换器，以通过热泵达成一个加热或制冷过程。
因此，本发明的特定目标是，提供一种将海波的机械能转化为电能的装置，其特征在于：
至少一个漂浮物，和两个刚性杆，优选地至少一端抛锚于海床上，并且另一端通过弹性线缆连接到所述漂浮物；两个独立的块保持所述刚性杆的自由端持续地在牵引状态下被拉入方向并且朝向所述海床；
至少一个发电机，或者其他类似装置，适合于转化和/或传输能量，被紧邻独立铰链放置，放置在所述杆的底部，这样漂浮物的摆动动作，随着波浪的水平，引起具有垂直分量的力，从而导致所述杆相对于独立铰链的旋转和摆动动作，并因此通过同一发电机的齿轮的动作产生电能；漂浮物摆动的水平分量通过一个平衡物***来平衡，这样同一漂浮物倾向于将自己持续地放置于垂线A-A`上。
以下本发明将进行示意性的描述而并非限制，根据优选实施例，特别参照公开的附图，其中：
图1是根据本发明的装置的示意性后视图，包括一个漂浮物和两个一端抛锚在海床上的刚性杆；
图2是图1中的同一装置的示意性后视图，其中所述结构的杆围绕它们在海床上的抛锚点而旋转，作为改变所述漂浮物水平的后续结果；
图3是图1中的同一装置的示意性后视图，其中显示了每个组件的尺寸；
图4是图1中的同一装置的示意性后视图，其中组件由于作用于所述漂浮物的水平力而有移动；
图5是图1中的同一装置的示意性顶视图，其中所述组件由于作用于所述漂浮物的水平力而有移动；
图6是根据本发明的该装置的示意性侧视图，在一个实施例中适用于安装在浅水中；
图7是根据本发明的该装置的示意性顶视图，在一个实施例中适用于安装在深水中；
图8是与图7中同一装置的示意性侧视图，在一个实施例中适用于安装在深水中；
图9是一个包括多个类似于图1中的装置的模块结构的示意性顶视图，其中所述漂浮物按序连接在一起；
图10是图6中的同一装置的三维视图，在一个实施例中适用于安装在浅水中。
这里指出的是，如下描述的仅仅是本发明的许多可能实施例中的一些，并且它们仅仅是一些特定例子而并非引入任何限制，根据公开的本发明的技术方案可以有描述许多其他实施例的可能性。
参照图1，将海波的机械能转化为电能的装置100，包括：一个漂浮物101，置于海面112上；两个刚性杆102，103，长度为1p，安装在相对于垂直轴A-A`对称的位置，通过漂浮物101，并在独立点110，111处系于海床108上；两个块M104，105，分别对应于杆102，103，放置在独立端部，距离海床108的距离为1p；两个连接线缆106，107，分别连接杆102，103，和在点“C”113处连接漂浮物101。
与垂直摆动相关的能量产生
参照图2，电力发电机109安装在铰链“a”111附近。铰链“a”111系到海床108上，并且漂浮物101，线缆106，107，块M104，105，和杆102，103，能随着海面112改变而随之移动，这样就移动了漂浮物101和其它连接到它上面的部分。发电机109被临近铰链“a”111放置，并且它通过杆103和固定在海床108上的铰链111之间的相对运动而被激发。
在静态配置中的装置100，当海面112不运动时，显示出稳定的平衡状态这样漂浮物101支撑起块104，105，和杆102，103。线缆106，107，和杆102，103，总是在牵引状态。
当表面112a开始从平均海面112移动并且拖动漂浮物101和装置10)0的移动部分时，发电机109开始产生能量。实际上，整个***自己抵制所述运动，既在能量处于电力态时也在能量处于水力态时。从所述***中提取的部分能量，块，同一漂浮物的尺寸，和杆以及线缆的尺寸，是决定整个***的动力学和产生能量的总量的设计参数。对于这些参数的优化使得该***可以适应不同特定地点的海洋情况。
装置的几何学
参考图3，漂浮物101通过如下参数来限定一个平衡位置：
s：漂浮物101浸水部分；z，r：同一漂浮物101的整体高度和宽度；
h：铰链110距离静态稳定点的全部长度；
1p：铰链110与块104之间的距离，或者杆102的整体长度；
1c：连接块104和漂浮物101的线缆长度。
图3所示的角度是这些测量的结果。装置100既在几何学上对称，也相对于轴A-A`力学对称。
与水平摆动相关的能量产生
如图4所示，在水平方向X上的移动决定了将所述漂浮物恢复到起始点的力的产生。例如，漂浮物101向右的移动增加了驱动线缆106和左杆102的力，与此同时减小了驱动线缆107和右杆103的力，这样就导致沿X方向的倾向于移回杆102，103到它们的相对于轴A-A`的起始稳定位置的效应。沿着X方向的漂浮物101的可能位移也引起提升一个杆和降低另一个杆，因此就产生了一个导致能量产生的动作，既在左***中也在右边的***中。
图5是漂浮物101相对于起始平衡位置进行位移的顶视图，作为一个外部动作例如海波或者洋流的后续效应。装置100包括一个第二铰链a`120，能够使得同一杆102在水平面x-y上旋转，这样就可以在连接主铰链和杆102时避免任何横向动作，作为在y方向上的可能力的后续效应。图5中的实线指示的位置表示了装置100的平衡位置。
漂浮物101沿着方向H-H`的位移f引起所有其它部件的位移(图5的虚线所示)。这个位移表示力学配置不在稳定平衡位置，因为它增加了沿着线a`-1b方向的两个动作的力度，结果导致沿着y方向的动作倾向于将装置100移回到起始位置。即使在这种情况下，漂浮物101的可能位移引起举起一个杆而降低另一个杆的位置，因此就产生了一个导致能量产生的动作，既在左***中也在右边的***中。即使在这个位置装置100倾向于回到起始位置并产生能量，既包括当齿轮在能量产生过程中产生阻力时的动作期间，也包括回到平衡位置的随后步骤中。考虑所有因素，稳定状态(没有动作)下的平衡位置表示了一个绝对平衡状态(具有最低的势能)，并且由海面变动或者洋流决定的从这个位置的任何位移会引起装置100的移动部分的动作，从而允许能量产生过程，既包括动作期间也包括回到平衡位置的随后步骤中。
本发明在浅水中的实施例
图6表示在浅水中的安装实例，大约10-20米深。在这个实施例中，铰链110和111的位置必须固定在海床108上，并且固定部件必须能够抵抗试图将铰链110和111彼此移动的更为接近的动作。
在浅水中，由发电机109和铰链111组成的装置能够直接位于海床108上，例如使用合适的支架132，使用线缆和抛锚将该位置固定在海床上，以抵抗试图举起整个***的动作。
本发明在深水中的实施例
如图7和8所示，表示了在深水中的安装实例的顶视图和侧视图，一般在超过20米的水深。在这些例子中的结构包括：
杆和线缆***，适合于避免两个铰链互相靠近和左侧右侧互相接触；
用于抛锚到海床的线缆***；
一个漂浮物，适合将***保持在工作水平，即使当块M的位置到了一个相对于相关铰链和发电机还要更低的位置；事实上，在这种情况下***的重力分量会导致沿着向下的方向，而所述漂浮物具备足够的尺寸从而支撑所述发电机和铰链的重量，并且能够不受垂直动作的动态分量的影响。
再者在图7和8中，***200显示在右侧和左侧之间具有连接，其使用了杆201a，201b，201c，201d，抛锚装置，和附加漂浮物202，203，为了在深水中的安装备用。
模块化实施例
在图9中示出了包括更多元件的安装实例，一个挨着另一个，其中每个单独模块表示以上描述的装置100的一种。在该实例中产生的能量总量正比于装置包含的海面。
在图10中示出了更多元件安装的实例，其根据具有双平面对称的结构，其中每个单独模块表示以上描述的装置100的一种。产生的能量总量正比于安装模块的数量。
提取热量的集成***
能量产生可通过如下两种方式实现：
使用发电机，放置在靠近铰链的位置，由转动器和稳定器的相对运动激发；在该实例中，能量通过电缆传送到海岸；
使用一个水压涡轮来产生电能并放置在海岸上；在该实例中涡轮使用一个安装在海岸的***推动的海水来工作；实际上，临近铰链，在固定元件和所述杆之间的动作使得激发所述***在管线内部推动海水。
本发明的另一个实施例涉及同步产生电能，和从海水中提取热能。所述海水在退回海里前，被推到海岸并被储存或者运输到热交换器，以通过热泵达成一个加热或制冷过程。
提取热能可以通过如下不同的方式来达成：
建立一个容器，包含海水和热交换器，其中新鲜的水在热管线里循环，能够提供或拿走热量以加热或制冷***给不同用户；
建立一个包含新鲜水的容器，通过热交换器由海水加热或制冷；所述容器连接到热管线，能够提供或拿走热量以加热或制冷***给不同用户；
建立包含海水的热管线，能够提供或拿走热量以加热或制冷***给不同用户。
因此，如上的实施例表示了本发明达到了所有设想的目标。特别地，它可以获得将海波的机械能转化为电能的装置。更进一步地，同一装置具有稳定平衡点，和相对同一点的水平以及垂直摆动，以此来激发电力发电机。
根据本发明，同一装置可以安装在浅水或者可选择的也可以安装在深水里。再者，所述装置可以是模块化***的一部分，产生的能量总量正比于覆盖的海域面积，或者正比于安装的模块数量。
最后，本发明的装置允许集成一个从海水中提取热量的***，其中被推到海岸的所述海水在退回海里前，被储存或者运输到一个热交换器，以通过热泵达成一个加热或制冷过程。
本发明已经根据优选实施例进行了示意性描述但并非限制，但是显然本领域技术人员可以在不偏离本发明所附权利要求所限定的保护范围的精神下，可以引入修改和/或改变。

Claims (10)

1.将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：
至少一个漂浮物(101)，和两个刚性杆(102)，(103)，优选地至少一端抛锚于海床(108)上，并且另一端通过弹性线缆(106)，(107)连接到所述漂浮物(101)；两个独立的块(104)，(105)保持所述刚性杆(102)，(10)3)的自由端持续地在牵引状态下被拉入方向并且朝向所述海床(108)；
至少一个发电机(109)，或者其他类似装置，适合于转化和/或传输能量，被紧邻独立铰链(110)，(111)放置，放置在所述杆(102)，(103)的底部，这样漂浮物(101)的摆动动作，随着波浪的水平(112)，引起具有垂直分量的力，从而导致所述杆(102)，(103)相对于独立铰链(110)，(111)的旋转和摆动动作，并因此通过同一发电机(109)的齿轮的动作产生电能；漂浮物(101)摆动的水平分量通过一个平衡物***来平衡，这样同一漂浮物(101)倾向于将自己持续地放置于垂线A-A`上。
2.根据权利要求1的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：
在水平方向X上的可能动作产生将所述漂浮物(101)恢复到起始点的力；例如，漂浮物(101)向右的移动增加了驱动线缆(106)和左杆(102)的力，与此同时减小了驱动线缆(107)和右杆(103)的力，这样就导致沿X方向的倾向于移回杆(102)，(103)到它们的相对于轴A-A`的起始稳定位置的效应。
3.根据前述一个或更多前述权利要求的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：
装置(100)包括一个第二铰链a`(120)，能够使得同一杆(102)在水平面x-y上旋转，这样就可以在连接主铰链和杆(102)时避免任何横向动作，作为在y方向上的可能力的后续效应；
漂浮物(101)沿着方向H-H`的位移f引起所有其它部件的位移，这个位移表示力学配置不在稳定平衡位置，因为它增加了沿着线a`-1b方向的两个动作的力度，结果导致沿着y方向的动作倾向于将装置100移回到起始位置。
4.根据前述一个或更多前述权利要求的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，根据在大约10-20米深度的浅水中的安装实例，其特征在于：
铰链(110)和(111)的位置固定在海床(108)上，并且固定部件必须能够抵抗试图将铰链(110和(111)彼此移动的更为接近的动作；
由发电机(109)和铰链(111)组成的装置能够直接位于海床(108)上，例如使用合适的支架(132)，使用线缆和抛锚将该位置固定在海床上，以抵抗试图举起整个***的动作。
5.根据前述一个或更多前述权利要求的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，根据在一般超过20米的深度的深水中的安装实例，其特征在于：
杆和线缆***，适合于避免两个铰链互相靠近和左侧右侧互相接触；
用于抛锚到海床的线缆***；
一个漂浮物，适合将***保持在工作水平，即使当块M的位置到了一个相对于相关铰链和发电机还要更低的位置；事实上，在这种情况下***的重力分量会导致沿着向下的方向，而所述漂浮物具备足够的尺寸从而支撑所述发电机和铰链的重量，并且能够不受垂直动作的动态分量的影响。
6.根据权利要求5的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：
***(200)在右侧和左侧之间具有连接，其使用了杆(201a)，(201b)，(201c)，(201d)，抛锚装置，和附加漂浮物(202)，(203)。
7.根据前述一个或更多前述权利要求的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：
一个由元件组成的模块***，一个挨着另一个，其中每个单独模块表示以上描述的装置(100)的一种，这样产生的能量总量正比于装置包含的海面。
8.根据前述一个或更多前述权利要求的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：
更多元件，其根据具有双平面对称的结构，其中每个单独模块表示以上描述的装置(100)的一种，这样产生的能量总量正比于安装模块的数量。
提取热量的集成***
9.根据前述一个或更多前述权利要求的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于能量产生可通过如下两种方式实现：
使用发电机，放置在靠近铰链的位置，由转动器和稳定器的相对运动激发；在该实例中，能量通过电缆传送到海岸；
使用一个水压涡轮来产生电能并放置在海岸上；在该实例中涡轮使用一个安装在海岸的***推动的海水来工作；实际上，临近铰链，在固定元件和所述杆之间的动作使得激发所述***在管线内部推动海水。
10.根据前述一个或更多前述权利要求的将海波的机械能转化为电能的装置(100)，其特征在于：
同步产生电能和从海水中提取热能的装置，其中所述海水在退回海里前，被推到海岸并被储存或者运输到热交换器，以通过热泵达成一个加热或制冷过程。
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