CN85107154A - 波能发电机 - Google Patents

Abstract

一可借助波浪运动进行发电的装置，它有一共振室，室中有一浮体。共振室按基谐模操作。共振室可将海浪的振幅加大。

Description

本发明涉及将水体，例如海洋的波浪运动转换成有用的各种形式的能。

几千年以来，人类一直梦想利用海洋的能量作为动力。曾尝试过利用潮的涨落发电。还曾尝试过利用海洋中的浮体的上下运动发电。这些尝试在克里格尔〔kriegel〕申请的美国专利NO.3，487，228和坎默〔kammerer〕申请的美国专利NO.3，515，889中做了说明。

利用浮体的运动产生动力能具有一些严重的问题。问题之一是，浮体连续承受海洋波浪的冲击，这将严重破坏浮体，特别在暴风雨的天气中更是如此。

另一问题是需设计出，将浮体的垂直运动转换成有用能的装置。常需要采用铰链式的接头和其他种不结实的构件，由于它们需承受波浪的不断冲击和腐蚀性的盐水的作用，所以寿命有限。

与以跟随波浪做上下运动的浮体进行发电的***有关的另一问题是，海水平静时***无法工作。为达到一定的效率，要求波浪运动具有足够的幅度，这也是对发电***进行资本投资所要求的。然而，在世界上的许多地区，在一年的大部分时间里，特别在夏季，海浪的运动幅度不大。这样，或者是，在每年的这个时期中，发电***闲置不用，或者是，为了能连续地提供能量，必须建造费用高昂的储存***。

本发明的目的就是要解决这些问题，以实现人类利用取之不尽的海洋波浪能做动力的梦想。

本发明的目的是提出一种装置，它的浮体跟随海浪运动而上下运动，从而将水体，例如海洋的波浪运动转换成动力能。本发明是基于这样一个发现，可利用一构件保护浮体，保护将浮体运动转换成有用能的装置，而同时还能将作用于浮体的波浪运动的幅度加大。此构件是一按基谐模工作的共振室。

本装置为一共振室，它有一外壁，上有一开口，用于使海水和海浪进出该室。此室可使水体的波浪运动幅度加大。这样，此室中的波浪运动幅度大于通过开口进入此室的波浪振幅。此室中的浮体随此室中的波浪运动做上下运动。此浮体中安装的发电机根据浮体运动工作，将浮体的动能转换成有用能。

为了使此室按基谐模共振並工作，最好是如此确定其尺寸的，即它的等值直径大约从0.15L/pi到L/pi。L为通过开口进入到此室中的波峰间的长度，pi＝3.14159。一般来说，此室的等值直径小于100英尺。对一水平断面为圆形的室来说，通常取它的直径，从约0.2L/pi到约0.6L/pi。这种室的直径大约有40到70英尺。

通常，开口与进入室中的波峰是平行的。它经过室圆周长的大约1/36到大约1/3。一般多取室圆周长的1/18以上。

本发明的一个方案是，室壁的一部分为一防波堤结构，内中具有一个浮体的许多个这种室与一个防波堤相连接。

在装置了按基谐模作用的共振室之后，室中的波幅可超过进入室中的波浪波幅二倍。很明显，本发明可使任何一种利用浮体跟随海浪上下运动的波能发电装置大大提高效率。另外，室壁可保护浮体及其装置免受海浪的冲击，因而延长了装置的寿命，並可采用虽然不结实，但效率高的装置，而这在没有安装共振室的情况下是无法采用的。例如，浮体可呈“薄煎饼”形，此圆柱体的直径至少需大于浮体厚度的千倍。这种“薄煎饼”形浮体较球形浮体脆弱的多，但便宜得多。由于室壁保护了煎饼形的浮体，因而可成功地利用该浮体。

参照下面的说明、权利要求书和附图，本发明的特点、特性和优点将更易于理解。

图1所示为根据本发明提出的原理设计的，利用海浪运动发电的装置的俯视图;

图2所示为自图1的2～2线所取的部分断面图;

图3所示为根据本发明而提出的一室中有二浮体的另一种装置的俯视断面图;

图4所示为根据本发明而提出的，具有方形室的另一种装置的俯视断面图;

图5所示为根据本发明而提出的，室壁上装有可改变开口大小机构的另一装置的正视图;

图6所示为根据本发明而提出的，一构成了三个共振室后壁的防波堤的俯视平面图;

图7所示为根据本发明而提出的，位于一突堤端头的5个室;

图8示意地示出了，利用一共振室和浮体进行发电的***。

根据图1和图2所示，将海浪运动转换成有用能的一种装置的主要构件是，由封闭壁12构成的室10，浮体14和一活塞泵16。壁12上有一槽或开口，图1中的箭头20所示的海浪可通过它进入室中。

装置9特别适合于在海浪中使用。然而，它也可用于任何种水体中，只要此水体具有足够的波能，因而安装装置9是合算的。

室10的尺寸的确定，安放和布置是使其成为可按基谐模工作的共振室。“共振室”一词是指，在此室中的波幅大于进入此室中的波浪幅度。“基谐模”一词是指，在一振荡***中出现的第一个或主要的谐模。

重要的是，使此室按基谐模工作有许多理由。第一，基谐模较其它模可使海浪更大。

第二，按基谐模工作的室可较按其它模工作的室做得小些。例如，一按次高模工作的室的直径较按基谐模工作的室的直径约大3倍。

第三，按基谐模工作的室对波的条件变化较不敏感，並较一按较高模工作的室，可使更广范围的波的运动幅度加大。例如，一按基谐模工作室可适应与波长L的设计值差达30%的变化，同时仍能将进入室中的波加大。然而，按次高模工作的室，在L相同的情况下，若不减弱进入室中的波时，只适应约为15%的偏差。第四，按基谐模工作时，室中的波幅更为均匀。按高次模工作时，在同一时刻，波峰和波谷都可出现在室中。而按基谐模工作时，在任一确定的时刻，一般说来，室中的波高是均匀的，也就是说，在任一时刻，室的断面上任一点是高于、等于或低于静止水面的。

室10将获取海浪的能量，並将海浪的环绕运动转换成上下运动，从而使室中的浮体14上下运动。室的大小是如此确定的，即室的等值直径从0.15L/pi至L/pi，L是通过开口18进入到室中的波峰间长度，室的等值直径D由下式确定：

D＝（4A/pi）1/2

式中的A是室的水平横断面面积。当需要规定室和浮体的尺寸时，需参照在吃水线上的尺寸。例如，若一室的水平横断面积是随室的高度变化的，则A和D是在吃水线上确定的。

L取决于室所在处的水深，以及进入波的周期。L可由下式确定。

（2pi/T）²＝（2gpi/L）tanh（2pih/L）

式中，T＝波的周期;

h＝装置9所在处的平均水深;

g＝重力常数;

pi＝3.14159。

室需要根据不同的波的条件设计。根据某一具***置上对波的情况所做的调查结果，即可确定在该地点的波长范围，这样就可选定室的等值直径。

一般来说，当装置9所在地点的水深增加时，室的直径也要增大。同样，当波的周期加大时，室的直径也加大。

典型的情况是，波的周期是从5到20秒，室所在位置的水深是从约25到60英尺。当然希望室中的水深是恒定的。所以，最好使室离海岸至少为50英尺。

室的等值直径小于20到100英尺，最好大于20英尺，从大约40到约70英尺较为适宜，这样，在波的状况有很大变化的情况下，按基谐模工作也能使波幅有很大的增加。

对一圆柱形室来说，室的直径最好是从约0.2L/pi到约0.6L/pi。

对一水平横断面为矩形的室来说，最好使开口到其对面壁的距离是从约0.15L/pi到约0.7L/pi。在图4中，此距离以尺寸x表示。

室可以具有任何形状，可以是圆形、矩形（包括方形）、椭圆形或多边形。最好使室具有足够的高度，其高度应大于室中波浪的最大波幅。室10的壁12可以由任一种适用的材料制成，如钢或钢筋混凝土。

如图2所示，室壁最好直接放置于海床26上。如果没有坚固的底面的话;对波幅的加大是极不利的。另一种方法是，如图5所示，室可以靠柱子28支在海床26上，这将有助于防止砂子从开口18处流入室中。室可以装有一顶盖和底板，但为了经济，最好都不要。

开口18一般为一垂直的槽，它沿室壁12的整个高度伸展。根据设计，开口18可以从顶部28向室10的底部30伸展到中间部位。同样，开口也可以从室的底部30向顶部28的方向伸展到中间部位。也可以设计成，开口的顶端在平均吃水线以下。将开口只扩展到室壁12的中间部位的好处是，可以保护浮体和泵16免受巨浪的冲击。

如图3和图5所示，可以装有可改变开口大小的装置。从图3所示的方案看，一活动门32安装于室的内侧，並可按箭头34所示的方向沿开口18滑动。在暴风雨天气，或者当室中的装置需要修理时，开口18可以用门32部分地或整个地关上。

从图5所示的方案看，门36可以沿箭头38所示的方向移动，将开口18的底端部位关上。还有，第二个门40可沿箭头42所示的方向向下滑动，以便至少可关上开口18的顶部，如果愿意的话，可整个地关上开口。

在水线处，开口的宽度大约有室的周长的1/36到约1/3，一般多取室周长的约1/18到约2/9。所以，对一圆柱体形的室来说，开口扩展大约从10°到120°，更多的是从约20°到约80°。所以，根据潮汐和波浪的状况，开口18的尺寸是可改变的，开口18根据水面高度和波浪运动确定的安装位置也是可变的。

室中可以有多个开口，开口也可以有任意一种形状，只要这种形状可以使室中的波浪有效地增大即可。最好使开口的位置面向进的波浪，並大致上与波峰是平行的。

浮体可以有各种形状，包括有棱柱形，如立方形、长或短圆柱体，后者如“薄煎饼”状、椭球体形，如球体。由于受到室或壁12的保护，浮体将不易损坏。所以，在设计和构形浮体时，重点应放在能获得最大的输出能和减少成本上。

浮体最好呈“薄煎饼”或底座形，即一短形圆柱体，也即浮体的直径远大于其高度，一般来说，至少大千倍，最好是至少大6倍。最好是，在吃水线上所有浮体的面积至少是室面积的一半。

浮体最好呈中性浮力，即浮体具有大约一半的浮体密度，其中浮体的一半体积位于水面之上，而浮体的另一半体积则位于水面之下。其结果是，作用于发电装置上的力，在浮体的上下行程中大约是相等的。再有，如果浮体很轻，其大部分位于水面之上，或者浮体很密，其大部分位于水下，将会造成不理想的随波运动。为了能最大地利用波浪运动发电，重要的是使浮体能紧密地随波运动。

波体14可以由防蚀材料，例如不锈钢、蒙内尔合金或加强玻璃纤维制成。它可以是实心的也可以是空心的。如果是空心的，则其中可存在有空气或其他气体，或者一些液体，如海水，或一些固体，如砂子或混凝土。

如图3所示，一个室10中可以有多个浮体14。

采用众多的，已知的用于将浮体运动转换成其他能，例如电的***，即能将浮体14的动能转换成有用的能。在这些***之中，有用的是如美国专利NO.3，487，228和3，515，889所述及的液压***，其中的浮体与一活塞泵连接，活塞泵又与一液压马达连接，此马达驱动一发电机。其他***可参阅美国专利NO.138，474、430，790、599，756、616，615以及4，281，257。

在图1、2和图8所示的方案中，泵16为一活塞泵，活塞40在缸筒42中做往复上下运动。此泵在上下行程中都送水，在活塞40的上部位装有一进水阀门44和一排水阀门46，在活塞40的底部，同样装有一进水阀门48和一排水阀门50。这4个44、46、48和50都是单向阀，如同一止回阀。

一垂直活塞杆52将浮体14与活塞40连接起来。当浮体14从一波浪的顶部下跌到二浪间的浪谷中时，连杆52即将活塞40拉下来。这就强使水从底下的排水阀50排出，同时通过上方的进水阀44将水吸入到缸筒42中。然后，当浮体14从浪谷移动到波浪的峰顶时，活塞40即被推向上方。这将使水通过上方的排水阀46排出于缸筒42之外，同时，通过底下的进水阀门48，将水吸进到缸筒中。

液体通过导管60进入到缸筒42之中，导管60有一与上进水阀连通的支管62和一与下进水阀48连通的支管64。液体将通过导管68泵送进发电装置，如液压马达67之中。导管68有一与上排水阀门46连通的上支管70和一与下排水阀50连通的下支管72。马达67用于驱动发电机73。如感到需要，可安装一个用于储存泵送液体的储存装置75。它可在波浪状况不适宜时或修理设备时使用。

液体可以是海水、淡水，也可以是油。液压***可以是低压的，或是高压的。

最好是将浮体如此安放在室中，即它与室同心，或离后壁较离开口的距离近些。这些位置较离开口18近些的位置能更有效地利用室10的放大作用。

采用共振室10的另一优点是，室壁12可用于支承将浮体14的动能转换成有用能的装置。例如，如图1和图2所示，泵16可用许多根支杆80支撑住。支杆80是从室10的内侧壁12处沿经向向里伸展的。

如图6和图7所示，可采用多个波能发电装置9组合在一起。在图6所示的方案中，共有3个发电装置9，各装置的后壁是一防波堤90的一部分。可以利用现存的防波堤，也可以专门为此波能发电装置建造一防波堤。因此，波能发电装置9不仅能生产出有用能，整个***还有助于保护海岸线设施。

在图7所示的方案中，装置9位于突堤92的端部。突堤92与海岸线94垂直。装置9整各地与海岸线平行，上面还铺设有一人行道96。此人行道96可作为一辅助突堤。图7所示***不仅可以海浪发电，而且具有供游览和划船的可能性。

本***的发电***具有明显的优点。由于采用了共振室，因而有可能使浮体和泵具有更大的电能输出。还有，室壁12可保护浮体和其他构件免受海浪的冲击。再有，结构是很简单的，也不要求将浮体14的上下运动转换成有用能的装置具有铰链臂和其它不结实，同时还复杂的构件。

按1：40的比例做了一试验。共振室为一圆柱体，直径为1-1/ 1/2 英尺，具有一60°的开口，放入一英尺深的水中。来浪具有1～3秒的周期。浮体为一圆柱体，9.6英寸的直径，3/2英寸的厚度。它是由胶合板、船和泡沫聚苯乙烯TM制成，半部浸在水中。此按缩小比例进行的试验所对应的是一具有60英尺直径的共振室，具有60°开口，放置于40英尺深的水中，波浪周期为6～18秒。所对应的浮体直径为32英尺，5英尺厚。

在不加载时，所得到的放大倍数为2～3.5。换句话说，浮体的振幅大于冲进共振室中的波浪振幅2～3.5倍。共振室按基谐模工作。

虽然本发明对所选择的某些方案进行了相当详细的说明，其他种方案也是可能的。例如，根据海浪的性质，在某些情况下，此室也可以保护浮体和其他装置免受海浪的冲击。还有此室在吃水线上可以具有各种横断面形状，如三角形，六角形和椭圆形。此室可呈锥形或反锥形。室壁上的开口可以呈拱形以加强其强度。室壁可具有不同的厚度以抗受室周围不同强度的水压力，並节约建造材料。此外，室可以成串，使用共用壁以加大强度。成串室的结构可形成其他种用途，如它们可构成一人工岛。共振室可在开口的前方安装一些扩展壁以收拢用于发电的冲入海浪。收拢角度可在0°和90°之间选择，各收拢壁的长度最好是共振室半径的1～8倍。共振室的底可自开口处，自后壁处向下倾斜。所以，后附的权利要求书的实质和范围並不仅限于前述的几个选取的方案。

Claims (10)

1、在海中包括有一共振室的装置，此室按基谐模工作，有一外壁，其上有一可进入海浪的开口，此室的等值直径为0.15L/pi～L/pi，其中L为通过开口进入到室中的波浪长度，此室中至少有一浮体。

2、由波浪运动进行发电的装置中包括有：

a）、位于水中的一共振室，离岸至少50英尺，此室有一外壁，其上有一可使水进出的开口，在吃水线上的室等值直径至少为30英尺並小于100英尺;

b）、此室中有一由室外壁防护的浮体，此浮体可对应室中波浪运动而上下运动;

c）、发电装置与浮体连动操作，可将浮体的动能转换成有用能。

3、由波浪运动进行发电的装置中包括有：

a）、位于水中的一共振室，此室有一外壁，其上有一可供进出室的开口，此室可按基谐模将海浪运动加大，从而使室中的波幅大于进入室中的波浪波幅，室的尺寸是如此确定的，即室的等值直径为0.15L/pi～L/pi，此处L为进入室中的波峰间的长度：

b）、室中有一浮体，它可随室中的波浪运动而上下运动;

c）、发电装置与浮体连动操作，可将浮体的动能转换成有用能。

4、符合权利要求1～3的装置上的开口尺寸为室周长的1/18～2/9。

5、符合权利要求1～3的装置，室的部分壁可由一防波堤构成。

6、符合权利要求1～3的装置，可安装有改变开口宽度的装置。

7、符合权利要求1～3的装置，若其开口是乘直扩展的，可安装有可改变开口高度的装置。

8、符合权利要求1～3的装置，其共振室的等值直径，在吃水线处约为40～70英尺。

9、符合权利要求1～3的装置，在吃水线处的浮体面积至少为吃水线处的共振室面积的四分之一。

10、符合权利要求1～3的装置，其共振室至少可以因数2加大波浪波幅。

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