專利名稱：包括設(shè)置成以相互相移樞轉(zhuǎn)的多個(gè)臂的波力發(fā)電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波力發(fā)電設(shè)備，所述波力發(fā)電設(shè)備用于把大?；蚝Ｑ蟮牟ɡ四苻D(zhuǎn)換成有用的能量如電力。按照本發(fā)明所述的設(shè)備具體目的是提供一種系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)中可以得到均勻的電力輸出。
背景技術(shù)：
眾所周知，海浪似乎構(gòu)成幾乎無限的能量資源，所述能量資源如果有效地開發(fā)利用，也許能解決相當(dāng)大一部分的世界能源問題。然而，盡管作了許多努力來開發(fā)利用海浪能，但迄今為止還沒有設(shè)計(jì)出商業(yè)上成功的系統(tǒng)用于把海浪能轉(zhuǎn)換成電能。
一般，在先有技術(shù)中，已經(jīng)提出三種不同類型的波力發(fā)電設(shè)備。一種這樣的設(shè)備在美國專利US 6,476,511中公開，設(shè)備包括多個(gè)有浮力的圓筒體構(gòu)件，所述多個(gè)圓筒體構(gòu)件在其端部連接在一起，以便形成鉸接的鏈狀結(jié)構(gòu)。每對(duì)相鄰的圓筒形構(gòu)件都通過聯(lián)接件相互連接，上述聯(lián)接件允許圓筒形構(gòu)件繞一橫向軸線相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。相鄰的聯(lián)接件可以繞相互正交的橫向軸線相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)聯(lián)接件具有若干元件，如一組液壓柱塞，上述若干元件抵抗和提取圓筒體構(gòu)件相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的能量。設(shè)備自由地浮在海面上并固定到海底上。
第二種類型波力發(fā)電設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)海面浮子和一個(gè)基準(zhǔn)構(gòu)件，上述海面浮子能在海浪作用下沿著海洋表面移動(dòng)，而上述基準(zhǔn)構(gòu)件完全淹沒在海中一定深度處，并且基本上不受海浪影響，參見例如美國專利US 4,453,894。浮子在海洋表面上的運(yùn)動(dòng)造成液壓系統(tǒng)中的液壓流體移動(dòng)，所述液壓系統(tǒng)包括使一個(gè)海面浮子或多個(gè)海面浮子與基準(zhǔn)構(gòu)件互連的液壓裝置，因而可以從液壓系統(tǒng)中提取出有用的能量。應(yīng)該理解，這種設(shè)備也固定到海底上。
最后，第三種類型波力發(fā)電設(shè)備是一種具有一個(gè)或多個(gè)由支承結(jié)構(gòu)支承的臂的波力發(fā)電設(shè)備，上述一個(gè)或多個(gè)臂承載一個(gè)或多個(gè)浮子，上述浮子通過波浪產(chǎn)生移動(dòng)。移動(dòng)的波浪能量傳送到臂上，并可以輸送到液壓系統(tǒng)中，如在美國專利US 4,013,382的系統(tǒng)中那樣，或者輸送到軸的機(jī)械系統(tǒng)中，上述軸的機(jī)械系統(tǒng)通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)，用于產(chǎn)生電力，如WO 01/92644的系統(tǒng)中地樣。
本發(fā)明大體上涉及上述第三種類型波力發(fā)電設(shè)備。本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的目的是提供一種設(shè)備，所述設(shè)備可用于設(shè)備能量轉(zhuǎn)換裝置的均勻電力輸出，亦即隨時(shí)間基本上恒定的電力輸出。優(yōu)選實(shí)施例的另一目的是提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)減少或消除對(duì)變頻器的需求。優(yōu)選實(shí)施例的另一目的是提供一種波力發(fā)電設(shè)備，所述波力發(fā)電設(shè)備可以方便地停止運(yùn)行，比如以便防止在運(yùn)行期間在設(shè)備的各種部件上結(jié)冰。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例還有另一個(gè)目的是提供一種設(shè)備，所述設(shè)備可用于接近臂和浮子進(jìn)行方便的維修，最優(yōu)選可用來接近在包括多個(gè)臂的系統(tǒng)中的各個(gè)臂和浮子進(jìn)行維修，上述多個(gè)臂的每個(gè)臂都具有浮子。優(yōu)選實(shí)施例還有另一個(gè)目的是提供一種設(shè)備，所述設(shè)備可以方便地從岸上的生產(chǎn)工廠輸送到公海處的工作現(xiàn)場(chǎng)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種波力發(fā)電設(shè)備，所述波力發(fā)電設(shè)備包括多個(gè)臂，每個(gè)臂在一端由軸旋轉(zhuǎn)地支承，其中每個(gè)臂都在其另一端承載一個(gè)浮子，所述另一端與支承端相對(duì)，從而由波浪所引起的浮子平移運(yùn)動(dòng)造成臂繞軸旋轉(zhuǎn)，所述設(shè)備包括能量轉(zhuǎn)換裝置，所述能量轉(zhuǎn)換裝置用來把波浪傳送到臂上的能量轉(zhuǎn)換成電力，多個(gè)臂這樣設(shè)置成一排，以便通過臂排的波浪使臂依次繞軸樞轉(zhuǎn)，各臂設(shè)置在相互的間隔一定距離處，以便波浪的推移使臂以相互的相移樞轉(zhuǎn)。
各臂優(yōu)選設(shè)置相互間隔一定距離處，使得總是至少有兩個(gè)臂同時(shí)把能量份額輸送到能量轉(zhuǎn)換裝置。能量轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)選包括與每個(gè)臂有關(guān)的液壓執(zhí)行裝置，液壓執(zhí)行裝置通過共用的液壓管道把液壓介質(zhì)輸入至少一個(gè)液壓馬達(dá)中。因此，可以得到能量轉(zhuǎn)換裝置的均勻電力輸出。這尤其是在設(shè)備包括多個(gè)比如60個(gè)臂、浮子和執(zhí)行裝置的實(shí)施例中的情況，因?yàn)楦鱾€(gè)執(zhí)行裝置能量份額的總和是隨時(shí)間變化基本上恒定的。液壓馬達(dá)壓力側(cè)上的可能壓力波動(dòng)基本上可以通過一種本身已知的波峰抑制裝置消除，所述波峰抑制裝置設(shè)置成與共用液壓管道流體連通。優(yōu)選的是，所有能量份額的總和在某一波浪氣候亦即波高和波頻下基本上恒定。液壓馬達(dá)優(yōu)選每轉(zhuǎn)具有可變排量的液壓馬達(dá)。波浪氣候的變化可以通過控制電路補(bǔ)償，所述控制電路控制馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量，以便保持馬達(dá)rpm(轉(zhuǎn)/分)基本上恒定。為了在不用變頻器情況下產(chǎn)生規(guī)定頻率下的交流電流，馬達(dá)的rpm應(yīng)可控制在+/-0.1-0.2％之內(nèi)。在采用不同類型馬達(dá)情況下或是在不能精確控制rpm的情況下，可以應(yīng)用變頻器來細(xì)調(diào)所產(chǎn)生的AC(交流)電流的頻率。
在一些優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的設(shè)備包括至少5個(gè)臂，如至少20臂，優(yōu)選至少40個(gè)臂，優(yōu)選50-80個(gè)臂，如55-65個(gè)臂，例如60個(gè)臂。所述設(shè)備的臂優(yōu)選這樣分配，以便每個(gè)海浪波長設(shè)置至少5個(gè)臂，優(yōu)選至少10個(gè)臂。在公海，海浪的波長通常是50-300m，如50-200m。在受保護(hù)的水中，海浪的波長通常是5-50m。
在一些優(yōu)選實(shí)施例中，所述設(shè)備橫跨至少兩個(gè)波長。這樣使得有可能將臂和浮子排設(shè)置成相對(duì)于波浪方向成一個(gè)相對(duì)較大的角度，比如+/-60°，因?yàn)樯斐龅礁∽优湃∠蛏系牟ㄩL橫跨至少2×cos(60°)的波長，亦即至少一個(gè)波長，因而保證總是輸送能量份額。
多個(gè)臂優(yōu)選設(shè)置成一排或多排，比如成星形，V形或如在WO01/92644中所公開的六邊形。為了有效地開發(fā)波浪能，臂排優(yōu)選這樣相對(duì)于波浪方向取向，以使臂排與波浪方向形成一個(gè)在+/-60°內(nèi)的角度。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，按照本發(fā)明所述的設(shè)備效率隨著浮子在其干重方面的浮力增加而增加。因此，在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，浮子的浮力是其干重的至少10倍，如至少20、30或50倍，優(yōu)選的是20-40倍。例如，浮子的干重通常是每立方米浮力100kg或更少，鹽水的浮力通常大約是1050kg/m3。浮子通常是用硬質(zhì)重量輕的泡沫塑料材料或者輕木制成，上述泡沫塑料材料或輕木涂覆一種復(fù)合材料，如增強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料或者玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料的組合。可供選擇地，浮子可以用增強(qiáng)纖維材料的夾層制成，同時(shí)硬質(zhì)泡沫塑料設(shè)置在夾層中間和浮子的底部及頂部處，同時(shí)泡沫塑料層被增強(qiáng)纖維材料的蜂窩狀結(jié)構(gòu)隔開。
效率還隨著浮子的直徑與其高度比的增加而增加。優(yōu)選的是，浮子的直徑至少是其高度的5倍，如至少7倍，如至少10部，或5-20倍。在優(yōu)選實(shí)施例中，浮子具有基本上是圓形的橫截面，并且為了改善浮子的流體動(dòng)力學(xué)性能，它可以具有圓形邊緣部分，所述圓形邊緣部分起流線型作用。
能量轉(zhuǎn)換裝置優(yōu)選包括具有液壓傳動(dòng)馬達(dá)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。例如，每個(gè)臂都可以通過至少一個(gè)執(zhí)行裝置連接到液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，上述執(zhí)行裝置使液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓介質(zhì)排入液壓馬達(dá)中，執(zhí)行裝置設(shè)置成經(jīng)由液壓管道將液壓介質(zhì)排到馬達(dá)上。在多個(gè)臂和多個(gè)執(zhí)行裝置的情況下，液壓介質(zhì)優(yōu)選經(jīng)由共用液壓管道排到馬達(dá)上。換句話說，多個(gè)液壓執(zhí)行裝置可以經(jīng)由液壓管道共用的系統(tǒng)把液壓介質(zhì)輸入一個(gè)液壓馬達(dá)中。最優(yōu)選的是，液壓介質(zhì)不積蓄在液壓儲(chǔ)箱中，所述液壓儲(chǔ)箱用于在壓力下積蓄液壓介質(zhì)，壓力從液壓儲(chǔ)箱中釋放到馬達(dá)。因此，執(zhí)行裝置直接把液壓介質(zhì)輸入馬達(dá)。然而，如下所述，有利的是可以將液壓蓄能器組用于完全不同的用途，亦即用來迫使浮子在波谷附近進(jìn)入波浪中。如在優(yōu)選實(shí)施例中那樣，多個(gè)執(zhí)行裝置同時(shí)把電力傳送到馬達(dá)，不需要有液壓儲(chǔ)箱，因?yàn)轳R達(dá)能在基本上恒定的速度下和基本上恒定的能量輸入下運(yùn)轉(zhuǎn)，這是由于在共用的液壓系統(tǒng)中一次從多個(gè)執(zhí)行裝置中輸送能量。
應(yīng)該理解，可以預(yù)見設(shè)有多于一個(gè)液壓馬達(dá)。優(yōu)選的是，可以在共用液壓管道的端部并聯(lián)設(shè)置兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)馬達(dá)。因此，通過共用液壓管道輸送的能量可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)馬達(dá)。例如，如果液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生4MW，則可以在共用液壓管道處并聯(lián)聯(lián)接八個(gè)各輸送500KW的馬達(dá)。馬達(dá)可以輸送相同的額定功率輸出，或者它們可以輸送不同的額定功率輸出。例如，一個(gè)電機(jī)可以輸送400KW，一個(gè)可以輸送500KW等。
所有液壓馬達(dá)還可以通過同一貫穿軸連接，所述貫穿軸驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)共用發(fā)電機(jī)，或者所有液壓馬達(dá)可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)嵌齒輪，所述嵌齒輪驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)共用發(fā)電機(jī)。
為了使液壓系統(tǒng)能迫使一個(gè)或多個(gè)臂和浮子朝向任何所希望的方向，每個(gè)執(zhí)行裝置都可以包括一個(gè)雙動(dòng)缸，所述雙動(dòng)缸可以用來把臂中能量提取到液壓系統(tǒng)中，并且把液壓系統(tǒng)中的能量輸入臂中，比如在波谷附近迫使浮子進(jìn)入到波浪中，如下面關(guān)于液壓蓄能器詳細(xì)的說明。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述設(shè)備包括在波谷處迫使一個(gè)或多個(gè)浮子進(jìn)入波浪中的裝置，以便增加浮子行進(jìn)的垂直距離，以增加一個(gè)波浪周期中的能量輸出。這種裝置可以比如包括一個(gè)或多個(gè)液壓蓄能器，用于間歇式儲(chǔ)存液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的能量。有利的是，液壓蓄能器中儲(chǔ)存的能量可以從當(dāng)浮子被提出波峰的水面時(shí)釋放位能得到。換句話說，當(dāng)浮子從波峰附近的波浪中淹沒的位置移動(dòng)到水面上方的位置時(shí)，釋放位能。這種能量可以積蓄在液壓蓄能器中或者積蓄在液壓蓄能器組中，其中不同的液壓蓄能器可以在不同的壓力下比如在按照液壓蓄能器數(shù)的壓力級(jí)下充料。在包括這些液壓蓄能器的實(shí)施例中，當(dāng)波谷通過浮子時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是可控制的，以釋放儲(chǔ)存在液壓蓄能器中的能量，以便迫使臂所承載的浮子進(jìn)入到波浪中。為了改善液壓蓄能器系統(tǒng)的效率，可以采用多個(gè)液壓蓄能器，如至少2個(gè)，如3-20個(gè)，如通常6-12個(gè)，上述液壓蓄能器優(yōu)選在不同的壓力級(jí)下儲(chǔ)存液壓介質(zhì)。在優(yōu)選實(shí)施例中，在波谷附近迫使浮子進(jìn)入波浪中一定距離，隨后允許浮子在波浪中向上移動(dòng)，但仍淹沒在波浪中，并在波峰處釋放浮子，亦即讓浮子移出水面。如上所述，利用浮子在波峰處釋放的能量充入一個(gè)或多個(gè)液壓蓄能器中，在所述液壓蓄能器處儲(chǔ)存能量用于迫使浮子進(jìn)入波浪中。因此，當(dāng)浮子在波峰附近移出波浪時(shí)所釋放的位能不損失。相反，在波谷處利用上述釋放的位能迫使浮子進(jìn)入波浪中，因而浮子行進(jìn)的總垂直距離增加。因此，一個(gè)波浪周期的能量輸出增加。可以估計(jì)，在1.5m的波高下，浮子行進(jìn)的垂直距離可以從大約0.75m增加到大約1.5m，因此使能量輸出加倍。用來在波谷處迫使浮子進(jìn)入波浪中的能量基本上在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中沒有損失，因?yàn)槟芰坑稍诓ǚ逄庒尫诺母∽犹峁?br> 為了能準(zhǔn)確控制系統(tǒng)，每個(gè)液壓缸，或者至少選定的一個(gè)液壓缸可以設(shè)有傳感器，所述傳感器用來確定液壓缸活塞的位置和/或運(yùn)動(dòng)速率，傳感器設(shè)置用于將信號(hào)傳送到液壓缸和相關(guān)閥的控制單元，以便可響應(yīng)于顯示各個(gè)液壓缸活塞位置和/或運(yùn)動(dòng)速率的信號(hào)單獨(dú)控制從各個(gè)液壓缸中到液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其余部件的能量傳送。因此，液壓缸可單獨(dú)控制，并且可將一個(gè)液壓缸從操作中拉出用于維修，而同時(shí)其余液壓缸仍保持工作，以便整個(gè)系統(tǒng)基本上不因拉出一個(gè)液壓缸而受影響。優(yōu)選還利用傳感器來控制將浮子壓入水中，亦即控制液壓蓄能器組的壓力的釋放。還可以利用傳感器給蓄液壓蓄能器充料，亦即確定波峰的推移。另外，傳感器對(duì)控制浮子在波峰處釋放，亦即防止浮子像彈射一樣冒出是有用的。傳感器還可以用來監(jiān)測(cè)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)執(zhí)行裝置的能量輸出，以便各個(gè)執(zhí)行裝置和整個(gè)設(shè)備的能量輸出可以如此優(yōu)化。
盡管某些先有技術(shù)系統(tǒng)依靠淹沒的基準(zhǔn)件來支承那些將海浪能量轉(zhuǎn)換成有用的能量的裝置或是依靠岸上支承件，但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在公海上開發(fā)波浪能最有效。因此，本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)選包括固定到海底的支承結(jié)構(gòu)。在目前優(yōu)選實(shí)施例中，支承結(jié)構(gòu)是通過吸力錨，或是可供選擇地通過重力基礎(chǔ)固定到海底上，或是用短柱固定到巖石海床上。有利的是支承結(jié)構(gòu)可以包括桁架結(jié)構(gòu)，同時(shí)把吸力錨設(shè)置在結(jié)構(gòu)的第一節(jié)點(diǎn)處。設(shè)備的至少一個(gè)臂和優(yōu)選所有臂支承在桁架結(jié)構(gòu)的第二節(jié)點(diǎn)處，最優(yōu)選支承在桁架結(jié)構(gòu)三角形子結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)處。三角形子結(jié)構(gòu)可以通過用于在每個(gè)角處把結(jié)構(gòu)固定到海底的裝置，將兩個(gè)頂點(diǎn)限定在海底。優(yōu)選的是，用于固定的裝置至少部分地埋入到海底中，比如通過重力基礎(chǔ)或吸力錨。當(dāng)用于固定的裝置設(shè)置在桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上時(shí)，可以有效地抵消由浮子浮力所引起的在桁架結(jié)構(gòu)中垂直力。如上所述的桁架結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的最大程度的穩(wěn)定，而同時(shí)考慮總重量輕的支承結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在先有技術(shù)系統(tǒng)中一個(gè)普遍的問題是防止在風(fēng)暴和颶風(fēng)期間發(fā)生的極大沖擊損壞浮子、臂和波力發(fā)電設(shè)備的其它部件。因此本發(fā)明的實(shí)施例具有使波力發(fā)電設(shè)備能承受極端海浪狀況的特征。這個(gè)實(shí)施例包括液壓提升系統(tǒng)，所述液壓提升系統(tǒng)用于將浮子提升出海面，并用于將浮子鎖緊在海面上方的上部位置。
液壓提升系統(tǒng)優(yōu)選的是包括一個(gè)或多個(gè)泵，所述一個(gè)或多個(gè)泵用于將液壓介質(zhì)泵送到液壓缸中，來將它們提升出海面。
由于液壓提升系統(tǒng)，所以可以在比如風(fēng)暴發(fā)生時(shí)或者在發(fā)生結(jié)冰之前，將浮子從海面中拉出并保持在海面上方的鎖緊位置上。因此，當(dāng)把浮子從海面中拉出時(shí)對(duì)浮子的唯一影響是風(fēng)的影響，所述風(fēng)力顯著地小于波浪力。在一個(gè)實(shí)施例中，臂可以通過在液壓提升系統(tǒng)中產(chǎn)生液壓壓力提升出水面，上述情況可以使臂移出海面，并通過合適地關(guān)閉閥，優(yōu)選通過圓錐形的鎖緊銷，以便保持提升壓力。液壓提升系統(tǒng)可以從遠(yuǎn)處岸上位置控制，或是通過構(gòu)成波力發(fā)電機(jī)部件的控制系統(tǒng)控制，并響應(yīng)于指示風(fēng)暴狀況的信號(hào)起作用，比如響應(yīng)于用于連續(xù)測(cè)定風(fēng)速的電子裝置的信號(hào)起作用?？刂葡到y(tǒng)可以編程序，以便在預(yù)定的波高下從水中拉出浮子和臂。例如，這個(gè)波高可以涉及設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)最大的預(yù)報(bào)波浪即所謂的“百年一遇的波浪”的一定比例，比如30％。在20m的海洋深度，這個(gè)高度大約是18m，因此控制系統(tǒng)在大約6m的波浪高度時(shí)把浮子和臂拉出海面。波高可以用機(jī)械、光學(xué)、電磁或者聲學(xué)系統(tǒng)測(cè)定，比如具有設(shè)置在海底上的壓力傳感器的壓力傳感系統(tǒng)，設(shè)置在浮子處的回聲探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置在所述設(shè)備的固定結(jié)構(gòu)上并向上指向波浪表面或在空中操作向下朝向水面的回聲探測(cè)系統(tǒng)，或者具有設(shè)置在浮子上和/或固定支承結(jié)構(gòu)上的光發(fā)射或光接收裝置的傳感器系統(tǒng)，這種光比如是激光?？晒┻x擇地，可以在所述結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)。提升系統(tǒng)中液壓介質(zhì)的壓力可以由形成液壓提升系統(tǒng)一部分的泵產(chǎn)生?？晒┻x擇地，壓力可以通過從液壓蓄能器中釋放加壓的液壓介質(zhì)產(chǎn)生。液壓蓄能器可以比如由一液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)充料，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，上述液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括在能量轉(zhuǎn)換裝置中。例如，用于傳輸液壓提升壓力的液壓蓄能器可以是一個(gè)液壓蓄能器或者是成所謂液壓蓄能器組的多個(gè)液壓蓄能器，上述液壓蓄能器用于在波谷處迫使浮子進(jìn)入波浪中，如以下詳細(xì)說明。
液壓提升系統(tǒng)優(yōu)選適合于單獨(dú)地將每個(gè)浮子提升出海面。例如，提升系統(tǒng)可以包括多個(gè)液壓回路，每個(gè)液壓回路與一個(gè)臂有關(guān)，并且每個(gè)液壓回路包括用于給用來將臂和浮子提升出海面的液壓回路加壓的閥和/或泵裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，液壓提升系統(tǒng)包括比回路少的泵，因此所述泵或每個(gè)泵連接到多個(gè)回路上，每個(gè)具有相關(guān)閥的回路指定給一個(gè)臂。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，能量轉(zhuǎn)換裝置和臂這樣設(shè)置，以使保持處于海洋中的那些臂可以將能量輸送到能量轉(zhuǎn)換裝置，而使一個(gè)或多個(gè)其它的臂保持提升出海面。因而包括在本文中作為參考文獻(xiàn)的WO 01/92644的能量轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)施例可供繞能量轉(zhuǎn)換裝置的驅(qū)動(dòng)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，把臂的驅(qū)動(dòng)軸提升出海面。一些依靠液壓能量轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)施例可以包括用于使那些能量轉(zhuǎn)換裝置停止工作的裝置，比如與已經(jīng)提升出海面的臂有關(guān)的那些液壓執(zhí)行裝置，其中臂的運(yùn)動(dòng)在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生壓力。在目前的優(yōu)選實(shí)施例中，可以通過臂的執(zhí)行裝置比如雙動(dòng)液壓缸提升出海面，并鎖緊在升高的位置上，上述臂的執(zhí)行裝置可以用來提升并鎖緊臂。
本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例還對(duì)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)臂的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)支承件的問題提供一種解決方案，所述穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)支承件對(duì)水平力分量有較小的影響。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，美國專利US 40 13 382的結(jié)構(gòu)由于波浪所產(chǎn)生的水平力分量而很可能變得不穩(wěn)定。更具體地說，連桿的軸承由簡(jiǎn)單的銷構(gòu)成，并且這些軸承中任何輕微的松動(dòng)可能造成對(duì)連桿及其支承件無可挽救的損壞。因此美國專利US 40 13 382的設(shè)備不適合安裝在公海處，亦即不適合安裝在相對(duì)較大波浪力處。WO 01/02644中所公開的結(jié)構(gòu)還有下述缺點(diǎn)，即甚至單向軸承(one-way bearing)中最輕微的松動(dòng)也可能損軸承，上述單向軸承支承搖臂并且連接搖臂管和力軸。另外，WO 01/02644的設(shè)備要求非常堅(jiān)固的力軸，其中用一個(gè)力軸支承總數(shù)為40多個(gè)搖臂，上述非常堅(jiān)固的力軸由于為了供它能傳送所需能量所要求的尺寸因?yàn)樗拇蟪叽缢斐傻闹亓慷y以實(shí)現(xiàn)，這樣大的尺寸由于從臂到力軸的動(dòng)量傳送而是必要的。按照本發(fā)明所述設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例提供一種臂的改進(jìn)支承件，所述改進(jìn)的臂的支承件使所述設(shè)備對(duì)水平力分量有影響較小。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的設(shè)備包括一對(duì)受預(yù)應(yīng)力的和基本上無松動(dòng)的軸承。這樣各軸承能有效地抵消徑向力和軸向力，并因此能承受由波浪所提供的水平力分量。術(shù)語“無松動(dòng)的軸承”應(yīng)理解為包括任何在水平和軸向方向上都無松動(dòng)的軸承。例如，軸承對(duì)可以包括兩個(gè)它們的圓錐面彼此相對(duì)的圓錐形軸承。在一個(gè)實(shí)施例中，軸承是壓力潤滑式軸承。
在另一個(gè)實(shí)施例中，軸承包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)或圓筒體，內(nèi)環(huán)固定到臂的旋轉(zhuǎn)軸上，而外環(huán)固定到固定支承上，軸承還包括在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的撓性材料。在運(yùn)行期間，內(nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)旋轉(zhuǎn)，因而使撓性材料扭轉(zhuǎn)。為了調(diào)節(jié)撓性材料的剛度，可以在材料中設(shè)置至少一個(gè)空腔或穿孔。撓性材料可以比如包括彈簧構(gòu)件如扁簧。通過穿孔合適的定位或者通過彈簧構(gòu)件合適的設(shè)計(jì)，可以把軸承支承件設(shè)計(jì)成在一個(gè)方向上比在另一個(gè)方向上有更大的承載力的能力。
臂優(yōu)選的是由軸承在兩個(gè)安裝點(diǎn)上支承，所述兩個(gè)安裝點(diǎn)偏離臂的中心軸線，軸承的中心軸線與臂的旋轉(zhuǎn)軸線一致。因?yàn)槊總€(gè)臂都連接到單個(gè)軸承上并且由所述單個(gè)軸承支承，所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)臂的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)支承。尤其是，因?yàn)閮蓚€(gè)軸承優(yōu)選沿著臂的旋轉(zhuǎn)軸線以相互的距離設(shè)置，可以抵消在浮子上由水平力分量所造成的在軸線上的影響。
因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)比先有技術(shù)裝置的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因?yàn)楸驹O(shè)備主要是打算作為離岸建筑物，所以由于在離岸現(xiàn)場(chǎng)的維修費(fèi)用，穩(wěn)定性是主要考慮的問題。在離岸現(xiàn)場(chǎng)的維修費(fèi)用通常是比在岸上現(xiàn)場(chǎng)的維修費(fèi)用高10倍。


現(xiàn)在將參照附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，其中
圖1和2是按照本發(fā)明所述波力發(fā)電設(shè)備的剖視圖；圖3-5示出按照本發(fā)明所述波力發(fā)電設(shè)備實(shí)施例的桁架結(jié)構(gòu)三個(gè)實(shí)施例；圖6示出浮子的蜂窩狀結(jié)構(gòu)；圖7示出用于圖1和2設(shè)備的臂的支承結(jié)構(gòu)；圖8-13示出用于設(shè)備的臂的各種軸承組件；圖14-17示出按照本發(fā)明所述設(shè)備實(shí)施例的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖；圖18示出用于將浮子提升出海面的液壓提升系統(tǒng)圖；圖19示出具有橫跨兩個(gè)波峰的浮子陣列的波力發(fā)電設(shè)備；圖20分別示出在先有技術(shù)波力發(fā)電設(shè)備液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供給管路中和按照本發(fā)明所述設(shè)備實(shí)施例中作為時(shí)間的函數(shù)的液壓壓力；圖21示出浮子跨越波浪的兩種不同行進(jìn)路徑；圖22示出一具有多個(gè)用于在波谷處迫使浮子進(jìn)入波浪中的蓄能器的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖；圖23示出在液壓儲(chǔ)存系統(tǒng)中能量的多級(jí)積蓄；圖24和25是波浪和浮子運(yùn)動(dòng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面的

公開包括在按照本發(fā)明所述的波力發(fā)電設(shè)備各種實(shí)施例中的各種不同特征和選擇。本發(fā)明最廣方面的工作原理最好從圖1和14-20的實(shí)施例說明中理解。
圖1和2示出波力發(fā)電設(shè)備102的剖視圖，所述波力發(fā)電設(shè)備102包括桁架結(jié)構(gòu)104，該桁架結(jié)構(gòu)104可以比如具有所謂的空間桁架結(jié)構(gòu)。也在圖3-5中示出的桁架結(jié)構(gòu)包括基本上是三角形的下面部分和基本上是矩形的上面部分111，上述三角形的下面部分具有第一、第二和第三力構(gòu)件106、108、110。所述矩形的上面部分可以用來容納液壓和電氣設(shè)備，其中包括液壓驅(qū)動(dòng)和提升系統(tǒng)，并且它還可以用作維修人員用的狹窄人行道或者步行橋。如圖3-5中所示，矩形上面部分垂直于圖1和2的平面延伸一段距離，而同時(shí)設(shè)置多個(gè)明顯更低的三角形下面部分。桁架結(jié)構(gòu)限定第一、第二、第三、第四、第五和第六節(jié)點(diǎn)112、114、116、117、118和120。優(yōu)選的是，各力構(gòu)件基本上是剛性的，以便它們可以經(jīng)受住拉伸和壓縮，第一和第二節(jié)點(diǎn)112、114設(shè)置在海底處，并通過比如圖3-5中所示出的吸力錨121保持在海底處?？晒┻x擇地，第一和第二節(jié)點(diǎn)112、114可以由海底處的混凝土基礎(chǔ)支承。承載浮子124的臂122旋轉(zhuǎn)地支承在第三和第四節(jié)點(diǎn)116、117處或它們附近。圖3-5示出用于在結(jié)構(gòu)任一側(cè)上支承多個(gè)臂的桁架結(jié)構(gòu)透視圖。應(yīng)該理解，圖3-5的桁架結(jié)構(gòu)可以具有比圖3-5中實(shí)際示出的更寬的寬度，以便它包括比如二十或三十個(gè)三角形分段，因而臂可以在每個(gè)節(jié)點(diǎn)116、117處延伸離開桁架結(jié)構(gòu)。多個(gè)如圖3-5中那些桁架結(jié)構(gòu)，如三個(gè)、六個(gè)或更多的桁架結(jié)構(gòu)，可以設(shè)置成星形、V形或六角形結(jié)構(gòu)，以便增加設(shè)施中所包括的臂和浮子總數(shù)，上述設(shè)施包括本發(fā)明的設(shè)備或多個(gè)按照本發(fā)明所述的設(shè)備。
第三、第四、第五和第六節(jié)點(diǎn)116、117、118、120設(shè)置在海面上方一個(gè)高度處，所述高度足以保證當(dāng)在風(fēng)暴狀態(tài)下波浪高時(shí)，它們還在海面的上方。例如，節(jié)點(diǎn)116、117、118和120可以在大海平靜時(shí)設(shè)置在海面上方20米處。為了將波浪能轉(zhuǎn)換成水力能，波力發(fā)電設(shè)備102包括多個(gè)臂122，每個(gè)臂122都在一端處包括一個(gè)浮子124，而在相對(duì)端處連接到軸126上。各臂適合于繞軸126旋轉(zhuǎn)。每個(gè)臂122都附接到一個(gè)液壓執(zhí)行裝置上，如包括活塞130的液壓缸128。液壓缸128樞轉(zhuǎn)地連接到第一附接點(diǎn)132中的臂上和連接到第二附接點(diǎn)134中的桁架結(jié)構(gòu)104上。第二附接點(diǎn)優(yōu)選的是位于一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，亦即沿著一設(shè)置在桁架結(jié)構(gòu)三角形主結(jié)構(gòu)的頂部上的基本上矩形結(jié)構(gòu)的邊緣部分。浮子124受波浪運(yùn)動(dòng)影響上下移動(dòng)臂。當(dāng)臂上下移動(dòng)時(shí)，使活塞130移動(dòng)，因此把波浪能變成水力能，所述水力能可以轉(zhuǎn)換成有用的電能，如下面關(guān)于圖14-18和22所述。
如圖2所示，液壓缸128適合于將臂122鎖緊在升高的位置中，在所述升高位置中波浪不能達(dá)到臂122和浮子124，所述臂122通過液壓缸128拉到它的升高位置。因而能在風(fēng)暴期間保護(hù)臂122和浮子124，或者當(dāng)環(huán)境溫度接近或低于海水的冰點(diǎn)時(shí)冒著遭受在浮子上結(jié)冰的危險(xiǎn)。液壓缸128連接到液壓提升系統(tǒng)上，用于將液壓缸鎖緊在升高的位置中，液壓提升系統(tǒng)在下面關(guān)于圖18更詳細(xì)地論述。浮子124可樞轉(zhuǎn)地連接到臂122上。因此，當(dāng)臂在風(fēng)暴期間升高時(shí)，浮子可以旋轉(zhuǎn)到一個(gè)它們基本上與風(fēng)向平行的位置。因而限制風(fēng)作用于其上的表面，并因此減少作用在浮子124上的力和減少通過臂122轉(zhuǎn)移到桁架結(jié)構(gòu)104上的力矩。而且把浮子設(shè)計(jì)成具有帶圓形邊緣(未示出)的空氣動(dòng)力學(xué)形狀，以便減少設(shè)備上的風(fēng)力。
如圖3-5所示，桁架結(jié)構(gòu)104可以包括對(duì)角的力構(gòu)件113、115(在圖1和2中未示出)，用于在節(jié)點(diǎn)116、117處提供另外的支承。
在圖4和5中，桁架結(jié)構(gòu)裝載一向下作用的重量，以便減少在錨固點(diǎn)121處向上的力。重量由一個(gè)縱向延伸的重量如一個(gè)水箱123(圖4)或者由多個(gè)不同的重量如多個(gè)水箱125(圖5)產(chǎn)生。
圖6示出基本上空心浮子124的結(jié)構(gòu)，上述空心浮子124包括蜂窩狀結(jié)構(gòu)127，所述蜂窩狀結(jié)構(gòu)127支承浮子的外壁。
圖7示出臂122的其中之一，所述臂122樞轉(zhuǎn)地附接到浮子124上，并適合于繞軸126旋轉(zhuǎn)。該臂在第一和第二附接點(diǎn)136、138處連接到軸上，上述第一和第二附接點(diǎn)136、138偏離臂的中心軸線140。軸126由一固定支承結(jié)構(gòu)142旋轉(zhuǎn)式支承，上述固定支承結(jié)構(gòu)142包括兩個(gè)設(shè)置用于抵消徑向力和軸向力的軸承144。
為了提供用于臂122的旋轉(zhuǎn)的基本上免維護(hù)的軸承支承，本發(fā)明人提出如圖8-13所示的那些軸承。圖8-13的軸承在圖7所示的軸承結(jié)構(gòu)中可以合并成軸承144，并且尤其適合于支承軸，所述軸的旋轉(zhuǎn)輻度在正常運(yùn)行期間為等于或小于30°亦即等于或小于±15°，如等于或小于20°亦即等于或小于±10°。當(dāng)臂樞轉(zhuǎn)到圖2的緊固位置時(shí)，可以將外環(huán)147的固定裝置松開，以便允許更大的旋轉(zhuǎn)幅度，比如±40°。傳統(tǒng)的滾柱軸承或滾珠軸承在這種小旋轉(zhuǎn)幅度下具有一短的使用壽命，因?yàn)樗鼈兊臐櫥橘|(zhì)僅僅在比臂122提供的旋轉(zhuǎn)速度更高的旋轉(zhuǎn)速度下連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)才使它的用途達(dá)到所希望的程度。圖8的軸承包括內(nèi)環(huán)或圓筒體145和外環(huán)或圓筒體147，在它們之間設(shè)置撓性材料149，比如橡膠材料。內(nèi)環(huán)145固定到旋轉(zhuǎn)軸上，而外環(huán)147固定到軸的固定支承上。由于撓性材料149的彈性，所以內(nèi)環(huán)可以相對(duì)于外環(huán)旋轉(zhuǎn)，以便使支承的軸能相對(duì)于它的支承件旋轉(zhuǎn)。因?yàn)橥猸h(huán)147由一固定結(jié)構(gòu)支承或者裝配到該固定結(jié)構(gòu)中比如沿著它的外圓周擠壓裝配，設(shè)置軸的軸向和徑向支承。撓性材料149的剛度可以通過在材料中設(shè)置空腔151，如鉆孔或穿孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。軸承可支承的最大載荷可以通過增加軸承的長度(亦即，橫過圖8的平面)來增加?？涨?51的數(shù)量和尺寸可以選定，以便適合特定的用途，比如使缺口靈敏度最小和使軸承所抵消的力最大。同樣的軸承344在圖9中示出，所述軸承344具有較少的空腔151，以便增加軸承朝一個(gè)方向承載力的能力。
在圖10、11和12中分別示出類似的扭轉(zhuǎn)軸承(wriggle bearing)346、348和354。這些軸承包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)145、147，同時(shí)在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間插入一個(gè)或多個(gè)扁簧。在圖10中，設(shè)置兩個(gè)扁簧147，每個(gè)扁簧147都成形為數(shù)字3的形狀。箭頭345和347表明，承載力的能力在垂直方向上(箭頭345)比在水平方向上(箭頭347)更大。在圖11的軸承348中，設(shè)置一扁簧元件352，所述扁簧元件352限定多個(gè)空腔353。箭頭349和350表示，軸承承載力的能力在垂直方向和水平方向上比在非水平方向和非垂直方向上(箭頭350)更大。圖12的軸承354包括兩個(gè)H形扁簧元件362，每個(gè)扁簧元件362都限定外面部分和里面部分364和365及互連部分368。軸承的剛度可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇彈簧元件362的幾何形狀選定。例如，互連部分368可以成形為S形。箭頭355和357表示，承載力的能力在垂直方向上比在水平方向上大。
圖8-12的內(nèi)環(huán)和外環(huán)145、147可以用鋼材或者用碳纖維材料制成。扁簧342、352和362同樣可以用鋼材或碳纖維材料制成。
圖8-12的軸承原理也可以用來為液壓缸128提供支承。
圖13示出用于臂122的軸承支承件，所述支承件包括兩個(gè)扁簧372和374。第一扁簧372增加抗扭剛度及軸承的橫向剛度。扁簧可以用碳纖維材料制成。
在圖14的液壓圖中，示出多個(gè)具有各自活塞130的液壓缸128，各活塞130隨著122和浮子124在波浪中移動(dòng)可上下移動(dòng)，參見上述圖1的說明。盡管在圖14的圖中示出三個(gè)液壓缸，但應(yīng)該理解，按照本發(fā)明所述的設(shè)備通常包括較大數(shù)量的液壓缸，比如，60個(gè)液壓缸。液壓缸128示出為雙動(dòng)液壓缸，在它們上端處連接到系統(tǒng)液壓介質(zhì)用的供給管道176上。在每個(gè)供給管道176中，設(shè)置一個(gè)壓力閥178。各供給管道176都匯合到共用主管道180中，所述主管道180以每轉(zhuǎn)可變?nèi)莘e排量流入液壓馬達(dá)182中。在供給管道176和共用主管道180中，保持工作壓力p0。壓力p0有利地也可以是閥178的臨界壓力，在所述臨界壓力下，所述閥在它的打開和關(guān)閉狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)184，并在液壓馬達(dá)的出口處，把液壓介質(zhì)導(dǎo)引到容器186中。從容器186開始，液壓介質(zhì)通過共用返回管道188和分支返回管道190流回到液壓缸128中。
在每個(gè)液壓缸128中，活塞130將液壓缸分成上腔和下腔192、194，所述上腔和下腔192、194通過管道196和198互連。在每個(gè)管道196中，設(shè)置兩通閥200，而在管道198中，與兩通閥200并聯(lián)設(shè)置壓力閥202和串聯(lián)的流量控制閥204。最后，每個(gè)液壓缸都裝備有一個(gè)控制元件206，用于確定液壓缸128活塞130的位置和/或運(yùn)動(dòng)速率。
當(dāng)兩通閥200打開時(shí)，活塞130可以在臂122(見圖1)在波浪中移動(dòng)時(shí)自由地移動(dòng)。當(dāng)控制元件206確定活塞130的某一位置和/或運(yùn)動(dòng)速率時(shí)，把控制信號(hào)傳到閥200，使閥200關(guān)閉。當(dāng)壓力閥178關(guān)閉時(shí)，活塞130將鎖緊，而波浪繼續(xù)升高至浮子的浮力足夠大，以致能克服供給管道和主管道176、180中的工作壓力p0，從而將壓力閥178打開。因此應(yīng)該理解，當(dāng)閥178打開時(shí)(也參見下面圖21的論述)，浮子124(見圖1)至少部分地淹沒在波浪中。一旦壓力閥178打開，就把液壓介質(zhì)送到馬達(dá)182。當(dāng)浮子通過波峰時(shí)，浮子仍然被淹沒，但液壓缸128上面部分192中的壓力下降，并且壓力閥178關(guān)閉。隨后，隨著浮子在波浪向下從波峰移至波谷，兩通閥200打開，并且液<p>

圖18示出液壓提升系統(tǒng)，所述液壓提升系統(tǒng)用于將浮子124提升出海面，并將它們保持在波浪不能到達(dá)浮子的升高位置中。圖18還包括液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與上述圖14-17中描述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類似。如果在圖18所示的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中包括與圖14-17中所示的那些元件相同或類似的元件，圖6的附圖標(biāo)記在圖8中使用，并參照上述圖14-17的說明來說明這些元件及它們的功能。圖18的液壓提升系統(tǒng)適合于單獨(dú)地將一個(gè)或多個(gè)浮子124提升出水面，并將提升起的浮子液壓缸與液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分開。圖18的系統(tǒng)除了包括共用的返回管道188之外，還包括管道266，所述管道266把容器186連接到由電機(jī)270驅(qū)動(dòng)的泵268上。管道272將泵268的下游側(cè)連接到多個(gè)單向閥274上，單向閥274的數(shù)量等于浮子和液壓缸128的數(shù)量。管道276把閥274相應(yīng)的下游側(cè)連接到相應(yīng)的兩通閥278和單向閥280上，管道276在上述單向閥280的下游匯合到共用管道282中。管道276經(jīng)由管道284與下面的液壓缸腔194和管道198相通。另外，管道276經(jīng)由管道196與上面的液壓缸腔192和供給管道176相通。最后，在分支返回管道190中設(shè)置兩通閥286，而在管道198中設(shè)置兩通閥288。
當(dāng)把臂提升出水面時(shí)，閥278、閥286和閥288關(guān)閉。閥274和280打開，而泵268可以迫使液壓介質(zhì)進(jìn)入下面的液壓缸腔194，并將與上述液壓缸有關(guān)的臂升高。通過閥280把上面液壓缸腔192中的液壓介質(zhì)導(dǎo)引到容器186中?？刂圃?06檢測(cè)臂，并通過臂使活塞130達(dá)到它所希望的位置比如它的最上面位置，并將信號(hào)傳送到閥274和280，使它們關(guān)閉。隨后將活塞130鎖緊，并將臂緊固到一個(gè)浮子124被提升出水面的位置上。臂122可以另外由接合臂的棘爪(未示出)支承。
圖19是示出多個(gè)浮子124和164的示意圖，所述多個(gè)浮子124和164通過如上述圖14-18中描述的液壓缸聯(lián)接到液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在圖19中，那些位于波峰146、148處的浮子用附圖標(biāo)記164表示，而所有其它浮子用附圖標(biāo)記124表示。然而，在浮子124和浮子164之間沒有結(jié)構(gòu)上的差別。第一、第二和第三波峰146、148、150在圖19中用雙線表示，而第一和第二波谷152、154在圖19中用單線表示。波前運(yùn)動(dòng)的方向用第一箭頭156表示，波長用第二箭頭158表示，以及波浪的上升和下降部分分別用第三和第四箭頭160、162表示。如圖19所示，在波峰146和148處的那些浮子164具有剛結(jié)束的它們的由波浪引起的向上運(yùn)動(dòng)。在第一波峰146和第一波谷152之間的那些浮子124在波浪中處在它們向上的過程中上，而在第二波峰148和第一波谷152之間的那些浮子沿著波浪的下游側(cè)向下移動(dòng)。因?yàn)楦∽?24、164陣列橫跨整個(gè)波長，所以許多浮子在任何時(shí)刻在波浪中處在其向上的過程上，因而保證多個(gè)浮子在任何時(shí)候輸送能量份額到液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。參照?qǐng)D14-17如以上所述，每個(gè)浮子都驅(qū)動(dòng)液壓缸，并在主管道180(參見圖14-17)中產(chǎn)生液壓壓力。由于多個(gè)浮子同時(shí)向上移動(dòng)，多個(gè)液壓缸同時(shí)提供液壓壓力。因此，由于共用主管道180連接到多個(gè)具有相應(yīng)浮子的液壓缸的構(gòu)造，和由于浮子陣列的長度越過至少一個(gè)完整的波長，所以在共用管道180中的壓力波動(dòng)和在液壓馬達(dá)182或馬達(dá)182、208、210入口處的壓力波動(dòng)可以保持很低。因?yàn)橐簤厚R達(dá)182、208和210是具有每轉(zhuǎn)可變排量的馬達(dá)，所以各馬達(dá)的rpm可以保持基本上恒定。這也具有由發(fā)電機(jī)184或發(fā)電機(jī)184、212和214所產(chǎn)生的交流(AC)電流頻率基本上恒定的效果，因而實(shí)現(xiàn)在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，可以在不需要變頻器的情況下產(chǎn)生AC電流。
在圖19中，波浪方向限定一個(gè)相對(duì)于浮子排的角度θ。當(dāng)θ＝0°時(shí)，波浪方向與浮子排平行。應(yīng)該理解，角度θ越大直至0°，則浮子排必須越長，以便保證在任何規(guī)定的時(shí)刻至少有一個(gè)浮子被波浪向上移動(dòng)，在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共用主管道180(參見圖14-17)中輸送壓力分配。
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮有代表性的波長和位置的方向，以便保證系統(tǒng)中基本上恒定的液壓壓力。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在波浪方向(角度θ)和波力發(fā)電設(shè)備的長度之間亦即在浮子124、164所橫跨的長度之間的關(guān)系可以由以下公式確定 圖20示出在共用主管道180(參見圖14-17)中作為時(shí)間240的函數(shù)的液壓壓力。第一曲線244在典型的先有技術(shù)波力發(fā)電設(shè)備供給管路中的液壓壓力，上述先有技術(shù)波力發(fā)電設(shè)備具有用液壓馬達(dá)供給一個(gè)蓄能器的液壓缸。如圖20中所示，液壓壓力隨著波浪周期246波動(dòng)。在本發(fā)明的波力發(fā)電設(shè)備實(shí)施例中，液壓壓力248以較低的幅度波動(dòng)，上述本發(fā)明的波力發(fā)電設(shè)備包括多個(gè)臂，浮子和液壓缸，并且沒有蓄能器。
圖21示出浮子橫跨波浪的兩個(gè)不同行進(jìn)路徑，上述波浪朝箭頭171的方向移動(dòng)。圖21的上面部分示出一種流動(dòng)路徑，在該流動(dòng)路徑上沒有采取措施來在波浪通過浮子時(shí)增加浮子124的垂直行進(jìn)距離。圖21的下面部分示出的流動(dòng)路徑，其中在該流動(dòng)路徑上通過在波谷152處主動(dòng)迫使浮子124進(jìn)入水中來增加浮子的行進(jìn)距離。
在圖21的上面部分中，在位置172a處，浮子124隨波浪向下移動(dòng)，直至浮子在位置172b處到達(dá)波谷152。在這點(diǎn)處，由于壓力閥178關(guān)閉(參見圖14-17)，兩通閥200也關(guān)閉，而將液壓缸鎖緊，并因此浮子水平地移入波浪中經(jīng)由位置172c到位置172d。隨著波浪升起，在液壓缸128上腔192中和壓力閥178(參見圖14-17)的管道上游中產(chǎn)生壓力。在位置172d處，壓力足以克服壓力閥178的臨界壓力，所述壓力閥178打開，因而浮子124能在波浪中向上移動(dòng)經(jīng)由位置172e到位置172f。在這種運(yùn)動(dòng)期間，浮子124的液壓缸128將液壓介質(zhì)輸入共用的液壓管道180中，因而把能量份額輸送到液壓馬達(dá)182或馬達(dá)182、208、210。在位置172f處，當(dāng)通過的波浪即將下落時(shí)，供給管道176中的壓力下降到低于壓力閥178的關(guān)閉臨界，上述壓力閥178關(guān)閉。一旦壓力閥178關(guān)閉和兩通閥200打開，浮子124就與共用的液壓管道180分開，而浮子124的浮力使它能基本上垂直地移出水面到位置172g。隨著波浪下落，浮子124隨著波浪向下移動(dòng)到位置172h，并且浮子在下一個(gè)波浪中開始新的循環(huán)。浮子124行進(jìn)一個(gè)垂直距離168。從上述圖21的說明，應(yīng)該理解，每個(gè)單獨(dú)浮子124和相關(guān)液壓缸128的能量份額在浮子的垂直運(yùn)動(dòng)期間賦予液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
為了增加波力發(fā)電設(shè)備的電力輸出，因此希望增加浮子124的垂直行進(jìn)距離。圖21的下面部分示出可供選擇的浮子124橫跨波浪的行進(jìn)路徑，其中采取措施來增加浮子124行進(jìn)的垂直距離。在位置174a處，浮子124下降到波浪的下游側(cè)處。在位置174b處，浮子124到達(dá)波谷152。在這點(diǎn)處，迫使浮子向下在水下達(dá)到位置174c，并且壓力閥178和兩通閥200關(guān)閉(參見圖14-17)。當(dāng)壓力閥178上游的壓力超過壓力閥的臨界關(guān)閉壓力時(shí)，閥178打開，并且浮子124經(jīng)由位置174d、174e和174f移動(dòng)到位置174g。在位置174f處，壓力閥178關(guān)閉和兩通閥202打開，并且浮子124的浮力使浮子基本上垂直地移出水面到達(dá)位置174h，從位置174h浮子在波浪的下游側(cè)下降到位置174i，并重復(fù)上述循環(huán)。由于在波峰152處迫使浮子進(jìn)入水中，亦即從位置174b到位置174c，所以浮子行進(jìn)的垂直距離170顯著地大于在一個(gè)浮子在波谷處或在波谷附近不被迫使向下進(jìn)入波浪中的實(shí)施例中行進(jìn)的垂直距離168，參見圖21的上面部分。因此浮子124的液壓缸128的能量份額在圖21下面部分的路徑比圖21上面部分的路徑也顯著地更大。
明顯地，只有當(dāng)在波谷152處用來迫使浮子124進(jìn)入波浪的能量不從設(shè)備的電力輸出中扣除時(shí)，波力發(fā)電設(shè)備總電力輸出的凈增益才增加。圖22示出圖14液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)修改的實(shí)施例，所述修改的實(shí)施例可以積蓄當(dāng)浮子124在波峰處或波峰附近垂直地移出水面，亦即在圖21的下面部分中從位置174g移動(dòng)到174h時(shí)所釋放的位能。這個(gè)能量在圖14-17的實(shí)施例中損失掉，利用這個(gè)能量來迫使浮子124進(jìn)入波浪中。
更具體地說，圖22示出具有第一、第二、第三和第四液壓蓄能器216、218、220、222的液壓圖，上述液壓蓄能器216、218、220、222用來在波谷處迫使浮子向下位于波浪之下。除了圖14的系統(tǒng)之外，圖22的液壓系統(tǒng)包括液壓蓄能器216、218、220、222，它們?cè)O(shè)置在液壓蓄能器管道224、226、228、230的一端，所述液壓蓄能器管道224、226、228、230通過第一、第二、第三和第四兩通閥232、234、236、238連接到供給管道176上。一旦浮子通過波峰，壓力閥178就如上關(guān)于圖14所述關(guān)閉，并且浮子124從它淹沒在波浪中的位置移出波浪。因而從液壓缸上面部分192移出的液壓介質(zhì)通過閥232、234、236、238和液壓蓄能器管道224、226、228、230導(dǎo)入液壓蓄能器216、218、220、222。在一個(gè)實(shí)施例中，閥232、234、236、238這樣設(shè)置和控制，以便第一閥232在第一壓力p1下關(guān)閉，所述p1低于主管道180中的工作壓力p0。第二閥234在第一壓力p1下打開，而在較低的第二壓力p2下再次關(guān)閉。第三閥236在第二壓力p2下打開，而在較低的第三壓力p3下關(guān)閉。第四閥238在第三壓力p3下打開，而在較低的第四壓力p4下再次關(guān)閉。在還更低的壓力p5下，兩通閥200打開。
在波谷處，閥200打開，第四兩通閥238打開，并利用第四液壓蓄能器222中的壓力來迫使浮子位于水下。隨著第四兩通閥238關(guān)閉，第三兩通閥236打開，并利用第三液壓蓄能器220中的壓力來迫使浮子進(jìn)一步位于水下。此后第三兩通閥236關(guān)閉，而第二兩通閥234打開，并利用第二蓄能器218中的壓力來迫使浮子進(jìn)一步位于水下。隨后，第二兩通閥234關(guān)閉，和第一兩通閥232這樣打開，以便利用第一蓄能器216中的壓力來迫使浮子進(jìn)一步位于水面下。最后，第一兩通閥232關(guān)閉，和壓力閥178打開。
應(yīng)該理解，當(dāng)浮子124從位置174g移動(dòng)到位置174h時(shí)(參見圖21的下面部分)垂直地從波浪移出來，可以利用所釋放的位能的至少一部分來迫使浮子在波谷152處進(jìn)入水中，以便增加波力發(fā)電設(shè)備的電力輸出。因此，通過用上述方式迫使浮子向下可以認(rèn)為是利用在波峰處釋放的位能的一種方法，否則，上述位能將損失掉。
可以設(shè)置多于四個(gè)的液壓蓄能器216、218、220、222。例如，可以設(shè)置六個(gè)、八個(gè)、十個(gè)、十二個(gè)、二十個(gè)或更多的液壓蓄能器。
圖23大體地示出在N級(jí)中亦即在N個(gè)相當(dāng)于圖22液壓蓄能器216、218、220和222的液壓蓄能器中能量積蓄的圖解表示。第一軸線表示浮子在水中的垂直位移d0250，而第二軸線表示力F0252。覆蓋圖23中圖形一半的陰影三角形面積表示理想的可利用的最大能量。然而，為了利用這個(gè)能量，系統(tǒng)應(yīng)包括不定數(shù)量的級(jí)，亦即包括不定數(shù)量的液壓蓄能器。換句話說，兩級(jí)之間的壓差越大，則每一級(jí)的能量損失就越大。在圖23中，能量損失用陰影三角形254表示。每個(gè)三角形都表示浮子移動(dòng)一個(gè)垂直距離Δd。每個(gè)小三角形的面積是高度乘以長度的一半。因此，在每一級(jí)的損失可以用以下公式確定 式中F0是迫使浮子在水下的距離為d0時(shí)的偏移力，Δd＝d0/N，以及N是級(jí)數(shù)。
能量的總損失，亦即小三角形之和由以下公式限定 因此，級(jí)數(shù)N越大，則能量總損失越小。
上述圖22和23中液壓蓄能器的效果在圖24中示出，其中曲線256示出浮子在波浪中作為時(shí)間的函數(shù)的運(yùn)動(dòng)，而作為時(shí)間的函數(shù)的曲線258波浪的形狀。在波浪下游亦即在下降側(cè)，曲線256和258一部分疊加。在260處，兩通閥200關(guān)閉(參見圖22)，而同時(shí)壓力閥178也關(guān)閉，并將浮子鎖緊。在262處，浮子離開波浪，并把能量輸送到液壓蓄能器216、218、220和222。在圖25中，曲線264示出浮子在波浪中的實(shí)際的下降量。
權(quán)利要求
1.一種波力發(fā)電設(shè)備，包括多個(gè)臂，每個(gè)臂在一端由一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)地支承，并且其中每個(gè)臂在其另一端承載一個(gè)浮子，上述另一端與支承端相對(duì)，從而由波浪所引起的浮子平移運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致臂繞所述軸旋轉(zhuǎn)，上述波力發(fā)電設(shè)備包括能量轉(zhuǎn)換裝置，所述能量轉(zhuǎn)換裝置用于把從波浪傳送到臂的能量轉(zhuǎn)換成電力；所述多個(gè)臂這樣設(shè)置成一排，以使通過上述臂排的波浪造成各臂依次地繞軸樞轉(zhuǎn)，各臂相互間隔一定距離設(shè)置，以使波浪的推移造成臂以相互的相移樞轉(zhuǎn)。
2.按照權(quán)利要求1所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中臂排這樣相對(duì)于波浪方向取向，以使所述臂排相對(duì)于波浪方向形成一個(gè)在+/-60°之內(nèi)的角度。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中當(dāng)波浪通過臂的浮子時(shí)，每個(gè)臂間歇性地把能量傳送到能量轉(zhuǎn)換裝置，各臂和浮子設(shè)置成具有這樣的相互距離，使得總是有至少兩個(gè)臂和浮子同時(shí)把能量份額輸送到能量轉(zhuǎn)換裝置。
4.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中浮子的浮力是其干重的至少10倍。
5.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中浮子的直徑是其高度的至少5倍。
6.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中所述多個(gè)臂包括每個(gè)波浪的波長至少5個(gè)臂。
7.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中所述多個(gè)臂包括橫跨總長度為50-200m的至少5個(gè)臂。
8.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中臂和浮子用密度至多為1000kg/m3的材料制造。
9.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中能量轉(zhuǎn)換裝置包括具有液壓傳動(dòng)馬達(dá)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
10.按照權(quán)利要求9所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中每個(gè)臂都通過至少一個(gè)執(zhí)行裝置連接到液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，上述至少一個(gè)執(zhí)行裝置使液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓介質(zhì)排入所述馬達(dá)中，執(zhí)行裝置設(shè)置成通過共用液壓管道將液壓介質(zhì)排到馬達(dá)。
11.按照權(quán)利要求10所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中每個(gè)臂的至少一個(gè)執(zhí)行裝置包括雙動(dòng)缸。
12.按照權(quán)利要求11所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括至少一個(gè)液壓蓄能器，用于間歇性地儲(chǔ)存液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的能量，并且其中液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是可控制的，以便當(dāng)波谷通過浮子時(shí)，釋放儲(chǔ)存在蓄能器中的能量，從而迫使臂所承載的浮子進(jìn)入波浪中。
13.按照權(quán)利要求10和12所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中液壓介質(zhì)經(jīng)由共用的液壓管道輸入供給液壓蓄能器。
14.按照權(quán)利要求11-13其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中每個(gè)液壓缸設(shè)有用于測(cè)定液壓缸活塞位置和/或運(yùn)動(dòng)速率的傳感器，所述傳感器設(shè)置成將信號(hào)傳送給液壓缸和相關(guān)閥的控制單元，以便可響應(yīng)于表示各個(gè)液壓缸活塞位置和運(yùn)動(dòng)速度的信號(hào)單獨(dú)控制從各個(gè)液壓缸到液壓系統(tǒng)其余部件的能量傳送。
15.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中軸和能量轉(zhuǎn)換裝置由支承結(jié)構(gòu)支承，所述支承結(jié)構(gòu)通過吸力錨或重力支承錨固到海底上。
16.按照權(quán)利要求15所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中支承結(jié)構(gòu)包括桁架結(jié)構(gòu)，并且其中吸力錨設(shè)置在桁架結(jié)構(gòu)的第一節(jié)點(diǎn)上。
17.按照權(quán)利要求16所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中至少一個(gè)臂由桁架結(jié)構(gòu)支承在其第二節(jié)點(diǎn)上。
18.按照權(quán)利要求17所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中所述第二節(jié)點(diǎn)設(shè)置在桁架結(jié)構(gòu)三角形子結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)處，并且其中三角形子結(jié)構(gòu)以在每個(gè)角中的錨將兩個(gè)頂點(diǎn)限定在海底處。
19.按照權(quán)利要求18所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中桁架結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在三角形子結(jié)構(gòu)上方的多邊形子結(jié)構(gòu)，優(yōu)選矩形子結(jié)構(gòu)。
20.按照權(quán)利要求15-19其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中支承結(jié)構(gòu)包括用于在支承結(jié)構(gòu)上提供向下的力的壓載物，該壓載物設(shè)置在海平面上方。
21.按照權(quán)利要求20所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中所述壓載物包括至少一個(gè)壓載箱或壓載容器。
22.按照權(quán)利要求15-21其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中臂在沿著軸的至少兩個(gè)點(diǎn)處連接到軸上，上述兩個(gè)點(diǎn)偏離臂的中心軸線，并且其中軸由一固定支承結(jié)構(gòu)可旋轉(zhuǎn)地支承，上述固定支承結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)設(shè)置用于抵消徑向力和軸向力的軸承。
23.按照權(quán)利要求22所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中軸承在軸向方向上受預(yù)應(yīng)力。
24.按照權(quán)利要求22或23所述的波力發(fā)電設(shè)備，包括多個(gè)臂和多個(gè)軸，以便每個(gè)臂由它自己的軸支承，每個(gè)臂在沿著軸的至少兩個(gè)點(diǎn)處連接到它自己的軸上，上述至少兩個(gè)點(diǎn)偏離臂的中心軸線，其中每個(gè)軸通過兩個(gè)設(shè)置用于抵消徑向力和軸向力的軸承用固定支承結(jié)構(gòu)可旋轉(zhuǎn)地支承。
25.按照權(quán)利要求22-24其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中每個(gè)軸承都包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)或圓筒體，內(nèi)環(huán)固定到臂的旋轉(zhuǎn)軸上，而外環(huán)固定到固定支承上，軸承還包括在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的撓性材料。
26.按照權(quán)利要求25的所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中撓性材料包括至少一個(gè)空腔或穿孔。
27.按照權(quán)利要求25或26所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中撓性材料包括至少一個(gè)彈簧件，如扁簧。
28.按照上述權(quán)利要求其中之一所述的波力發(fā)電設(shè)備，還包括液壓提升系統(tǒng)，所述液壓提升系統(tǒng)用于將浮子提升出海面，并用于將浮子鎖緊在海洋平面上方的上部位置中。
29.按照權(quán)利要求11和28所述的波力發(fā)電設(shè)備，其中雙動(dòng)缸構(gòu)成液壓提升系統(tǒng)的一部分，因此液壓缸是可控制的，以便將浮子提升出海面。
全文摘要
一種波力發(fā)電設(shè)備包括多個(gè)旋轉(zhuǎn)支承的臂，每個(gè)臂在其自由端承載一個(gè)浮子(124)，以便由波浪所引起的浮子平移運(yùn)動(dòng)造成臂的旋轉(zhuǎn)。所述設(shè)備包括用于把波浪傳送到臂上的能量轉(zhuǎn)換成電力的能量轉(zhuǎn)換裝置，比如液壓系統(tǒng)，在所述液壓系統(tǒng)中通過臂的運(yùn)動(dòng)使液壓流體移動(dòng)，以便驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)液壓馬達(dá)。多個(gè)臂這樣設(shè)置成一排，以便通過臂排的波浪使各臂依次用相互的相移樞轉(zhuǎn)。因而，可以達(dá)到均勻的電力輸出，并可以減少或消除對(duì)變頻器的需要。優(yōu)選地，每個(gè)臂都連接到液壓系統(tǒng)的液壓缸上，因而多個(gè)臂通過共用的液壓管道把液壓介質(zhì)輸入一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)。
文檔編號(hào)F03B11/06GK1867767SQ200480030144
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月14日
發(fā)明者P·雷森斯滕斯特魯普, N·阿爾佩漢森, K·漢森 申請(qǐng)人:星浪能量公司