用于将来自一片水域的波浪的机械能转换成电力的装置

摘要

本发明涉及一种装置(10)，包括：静止构件(14)，包括相对于一片水域的底部的稳定设备(20)；相对于静止构件(14)可移动的构件(16)，包括至少一个浮动元件(40)，所述至少一个浮动元件(40)保持在所述一片水域的表面(12)上，从而波浪驱动所述可移动构件(16)的移动；引导设备(17，18)，使可移动构件(16)相对于静止构件(14)的移动保持基本上垂直；和发电设备(32)，布置在静止构件(14)和可移动构件(16)之间，用于将来自可移动构件(16)相对于静止构件(14)的垂直运动的机械能转换成电力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将来自一片水域诸如大海的波浪的机械能转换成 电力的装置。

背景技术

已知使用来自一片水域的机械能以将它转换成电力。为此，已知例如 装备水电站的用于将来自落差流的动能转换成电力的装置和用于将来自波 浪或波涛的势能转换成电力的装置。

可回想到，通过一片水域的表面上的风的摩擦产生来自波浪或波涛的 能量。这种波浪的能量是来自一片水域的表面上的波动的谷和峰之间的高 度差的势能。

在现有技术中，已提出一种用于将来自一片水域(诸如，大海)的波浪的 机械能转换成电力的装置。这种装置通常包括：基本上静止的构件；和相 对于静止构件的可移动构件，由波浪移动该可移动构件。

这种装置通常体积庞大和/或难以使用。

发明内容

本发明特别地旨在提供一种用于将来自波浪的机械能转换成电力的装 置，该装置容易使用，同时足够稳定并具有最佳效率。

为此，本发明特别地涉及一种用于将来自一片水域(诸如，大海)的波浪 的机械能转换成电力的装置，包括：

-基本上静止的构件，包括相对于所述一片水域的底部的稳定设备，

-相对于静止构件可移动的构件，包括至少一个浮动元件，所述至少一 个浮动元件保持在所述一片水域的表面上，使得波浪驱动所述可移动构件 的移动，

-引导设备，使可移动构件相对于静止构件的移动保持基本上垂直，和

-发电设备，布置在静止构件和可移动构件之间，用于将来自可移动构 件相对于静止构件的垂直运动的机械能转换成电力。

在本描述中，“垂直”描述与重力的方向平行的方向。

根据本发明的装置易于使用，因为由该装置接收的机械能直接对应于 可移动构件(特别地，由波浪驱动的浮动元件)的垂直移动。可移动构件垂直 地移动，它的重力势能被发电设备转换成电力。

需要注意的是，静止构件的稳定设备使得可以将引导设备保持在基本 上垂直的方向，以优化可移动构件的重力势能。

根据本发明的能量转换装置优选地包括单独或组合地考虑的下面特征 中的一项或多项。

-所述发电设备包括：发电机，包括由静止构件支撑的定子和支撑小齿 轮的转子；至少一个齿条，基本上垂直地由可移动构件支撑，用于与小齿 轮协作以在可移动构件相对于静止构件垂直地移动时使转子旋转。

-所述小齿轮通过支撑飞轮的自由轮机构连接到转子。

-该装置包括用于通过小齿轮驱动转子的系统，该系统包括：至少一个 输入轴，连接到小齿轮；输出轴，连接到转子；第一啮合设备，包括与输 出轴构成整体的第一齿轮、布置在输入轴上的第一带齿自由轮以及与第一 带齿自由轮和第一齿轮啮合的中间小齿轮，第一带齿自由轮适于在输入轴 沿第一旋转方向旋转时使中间小齿轮旋转，并且在输入轴沿与第一旋转方 向相反的第二旋转方向旋转时自由地转动；和第二啮合设备，包括与输出 轴构成整体的第二齿轮和布置在输入轴上并与第二齿轮啮合的第二带齿自 由轮，第二带齿自由轮适于在输入轴沿第二旋转方向旋转时使第二齿轮旋 转，并且在输入轴沿第一旋转方向旋转时自由地转动。

-所述可移动构件包括中空管形元件，在中空管形元件里容纳有桅杆， 中空管形元件由支撑齿条的内壁定界。

-所述引导设备包括：至少一个基本上垂直的桅杆，由静止构件支撑； 和至少一个互补的引导元件，由可移动构件支撑，与桅杆形成基本上垂直 的滑动连接。

-所述桅杆是中空的并包括用于发电机的电力输出电缆的通路。

-所述稳定设备包括位于所述一片水域的底部的锚定设备。

-所述锚定设备包括至少一个锚索，所述锚索固定到桅杆的上端并沿着 桅杆延伸至到桅杆的下端。

-所述稳定设备包括布置在桅杆的下端的减震底座和固定到桅杆的压载 质量。

-所述静止构件和可移动构件包括互补的行程终端止动器，所述互补的 行程终端止动器限制在展开位置和缩回位置之间所述静止构件和可移动构 件的相对垂直移动。

-该能量转换装置包括：马达驱动设备，用于驱动小齿轮以将可移动构 件朝着展开位置或缩回位置移动，该马达驱动设备优选地由用作马达的发 电设备构成。

-所述浮动元件的浮力近似等于它的重量的两倍，浮动元件优选地具有 大体上平坦的形状和圆形或者多边形形状（大体上平坦的圆形或者多边形 形状）。

-至少一个横杆将浮动元件连接到引导元件，所述横杆包括杆，杆使用 枢轴链节连接到引导元件并在导衬中滑动，所述导衬使用枢轴链节连接到 浮动元件周边，从而横杆的长度可调整。

-所述浮动元件包括周边分隔件，周边分隔件从所述浮动元件基本上垂 直地延伸，并与所述浮动元件和桅杆一起定界包围区域，所述包围区域在 顶部是敞开的。

-所述周边分隔件包括开口，每个开口具有止回阀，止回阀允许水从包 围区域流到外面，并且阻止水从外面经所述开口进入到包围区域中。

附图说明

当阅读下面仅作为例子提供并参照附图给出的描述时，将会更好地理 解本发明，其中：

-图1是根据本发明第一实施例的能量转换装置的纵向剖视图；

-图2是图1的装置的静止构件的类似于图1的视图；

-图3是图2的静止构件的俯视图；

-图4是图1的能量转换装置的可移动构件的纵向剖视图；

-图5是图4的可移动构件的俯视图；

-图6是根据第一替换方案的图1的能量转换装置的发电设备的图解俯 视图；

-图7是在一片水域上用于其运输和安装的处于缩回位置的图1的能量 转换装置的类似于图1的视图；

-图8是在一片水域上用于其运输和安装的处于缩回位置的根据本发明 第二实施例的能量转换装置的类似于图7的视图；

-图9是根据本发明第三实施例的能量转换装置的类似于图1的视图；

-图10至12分别显示装备图9的转换装置的止回阀的三种替换方案；

-图13是根据第二替换方案的装备发电装置的驱动系统的轴线剖视图； 和

-图14和15分别是图13的驱动系统的沿着箭头XIV和XV的横向剖 视图。

具体实施方式

图1显示用于将来自一片水域(诸如，大海或大洋)的波浪的机械能转换 成电力的装置10。所述一片水域的表面由标号12表示。

转换装置10包括在图2和3中更详细地显示的基本上静止的构件14 以及在图4和5中更详细地显示的相对于静止构件14可移动的构件16。

静止构件14包括具有基本上垂直的轴线的桅杆17，取决于所述一片水 域的波浪，可移动构件16沿着桅杆17移动。

为此，可移动构件16包括引导元件18，引导元件18与桅杆17协作以 便一起形成基本上垂直的用于使可移动构件16相对于静止构件14移动的 引导设备。以这种方法，桅杆17和引导元件18一起形成基本上垂直的滑 动连接。引导元件18包括例如脚轮19，脚轮19用于在所述桅杆17的外壁 上滚动。

需要注意的是，可移动构件16可一般地包括环形引导元件18，该环形 引导元件18包括分布在桅杆17的周边的脚轮19，或者可移动构件16可包 括分布在桅杆17的周边的多个引导元件18，每个引导元件18包括脚轮19。

可移动构件16还包括将在稍后描述的至少一个浮动元件40。

静止构件14包括相对于所述一片水域的稳定设备20，稳定设备20用 于特别地在波浪起伏的水域的情况下使构件14保持基本上静止并且使桅杆 17保持基本上垂直。

稳定设备20包括通向所述一片水域的底部的锚定设备21，锚定设备 21包括至少一个锚索22，优选地包括三个锚索22，所述锚索22用于锚定 到所述一片水域的底部。为了保证最佳稳定性，每个锚索22固定到桅杆17 的上端17A，并沿着所述桅杆17延伸到所述桅杆17的下端17B。例如，桅 杆17是中空的并包括在其整个长度上的用于每个锚索22的通路23。

每个锚索22由锁链形成，或者由任何其它合适的构件形成。

优选地，稳定设备20还包括减震底座24。优选地，减震底座24相对 于桅杆17的轴线对称，并且例如为大体上圆形(如图2中所示)或者多边形。

减震底座24优选地包括外围边缘26，外围边缘26用于包含与底座24 关联的被驱动的水团以增加该底座24的质量惯性，并因此限制其垂直移动。

另外，底座24具有足够大的直径以在垂直方向上执行流体动力减震功 能，这限制了桅杆17相对于所述垂直方向的运动。事实上，通过与底座24 协作的水的阻力和质量，桅杆17的这种移动受到抑制，因此显著减小。

为了优化这种减震，底座24优选地在其周边通过唇缘27延长。

稳定设备20还包括在桅杆17的下端17B附近被支撑的压载质量28。 例如，压载质量28是固体物质或者包含具有比水的密度高的密度的液体物 质的储存器。

最后，稳定设备20包括特别地在图2中显示的由桅杆17的上部支撑 的密封储存器30。密封储存器30填充有具有比水的密度低的密度的流体(例 如，空气)，从而所述密封储存器30抵消静止构件14的重量，并由此确保 其漂浮，防止它当浸没在水中时泄漏。

静止构件14支撑发电设备32，发电设备32布置在静止构件14和可移 动构件16之间，以将来自于可移动构件16相对于静止构件14的垂直移动 的机械能转换成电力。

在图6中更详细地显示的发电设备32在密封储存器30上方由桅杆17 支撑。

桅杆17包括位于分隔室30和发电设备32之间的具有低浮力的结构33， 结构33用于使由波浪或波涛经过而产生的垂直激励力最小化。

发电设备32特别地包括传统的发电机，该发电机包括：定子34，由桅 杆17支撑；和转子36，以运动学方式连接到至少一对小齿轮38(优选地， 两对小齿轮38)。

优选地，每对小齿轮38通过支撑飞轮39A的自由轮机构39连接到转 子36。与各对小齿轮38关联的自由轮机构39优选地是分开的并且是相对 的，从而按照各对小齿轮38中的一个或另一个的旋转方向，由所述各对小 齿轮38中的一个或另一个使转子36旋转。

根据示出的实施例，发电机包括单个转子36，两对小齿轮38连接到所 述单个转子36。另一方面，发电机能够包括两个转子，每个转子连接到单 独的一对小齿轮。

如图4和5中所示，浮动元件40漂浮在所述一片水域的表面12上， 从而由于引导设备17、18，波浪沿着桅杆17在垂直方向上移动可移动构件 14。

浮动元件40具有例如大体上平坦的形状，优选地为圆形或多边形，如 图5中所示。

优选地，浮动元件40的浮力近似等于它的重量的两倍，以便能够在波 浪经过时被最佳地向上垂直驱动，并且在所述波浪经过之后被最佳地向下 垂直驱动。可想到，浮力是流体施加于浸没的物体的从下向上的垂直力。 浮动元件40的浮力特别地取决于它的密度和形状。

浮动元件40使用横杆43连接到引导装置18。例如，每个横杆43由在 浮动元件40的周边和引导装置18之间延伸的刚性杆形成，如图4中所示。

可移动构件16包括中空管形元件41，在中空管形元件41里面容纳桅 杆17，如图1中所示。中空管形元件41在其下端与浮动元件40构成整体 并且在其上端与环形加强构件45构成整体。

中空管形元件41由支撑至少一个齿条42(优选地，两个齿条42)的内壁 41A定界，每个齿条42用于与一对小齿轮38啮合，以便在可移动构件16 沿着桅杆17相对于静止构件14垂直地移动时使转子36旋转。

根据示出的实施例，每个齿条42具有平行于桅杆17延伸的大体上长 方体形状，特别地包括紧固到中空管形元件41的内壁41A的纵向表面和与 纵向表面相邻的两个侧表面，每个侧表面承载锯齿42A，锯齿42A用于与 小齿轮38之一协作，如图6中所示。这种齿条42称为具有双齿。

另一方面，每个齿条能够包括形成在与固定到中空管形元件41的内壁 的纵向表面相对的第二纵向表面上的单齿。这种齿条42称为具有单齿。在 这种情况下，每个齿条将会仅与发电设备32的单个小齿轮协作。

与引导元件18组合的管形元件41可以将浮动元件40保持为垂直于桅 杆17。事实上，与齿条42协作的小齿轮38也执行相对于静止构件14的可 移动构件16的垂直引导。

优选地，可移动构件16包括增强元件47，特别地，增强元件47由在 环形加强构件45和浮动元件40的周边之间和/或在中空管形元件41和浮动 元件40的周边之间延伸的横杆47构成。

为了确保静止构件14和可移动构件16不会被拆开，所述静止构件14 和可移动构件16包括互补的行程终端止动器，限制它们的相对垂直移动。

特别地，可移动构件16包括由环形加强构件45支撑的上行程终端止 动器48，上行程终端止动器48用于在可移动构件16相对于静止构件14处 于它的最低位置时与由桅杆17的上端17A支撑的第一互补止动器协作。可 移动构件16还包括下行程终端止动器50，下行程终端止动器50用于在可 移动构件16相对于静止构件14处于它的最高位置时与由桅杆17支撑的第 二互补止动器52协作。

优选地，上止动器48、下止动器50和互补止动器52由橡胶制成，这 使得可以抑制位于行程终端的止动器之间的任何撞击。

本发明可以仅为发电机34提供机械能。由于垂直引导设备，波浪沿着 桅杆17移动浮动元件41，齿条42随后使小齿轮38旋转，小齿轮38又驱 动转子36。如此由转子36恢复的机械能被发电机34转换成电力。

为了传输电力，桅杆17优选地包括用于电缆56的通路54，使得可以 例如朝着至少一个蓄电池传送电力。

需要注意的是，相对的自由轮机构39和飞轮39A可以确保转子36的 恒定驱动。

以这种方法，当可移动构件16向上移动时，齿条42沿第一方向使各 对小齿轮38旋转。第一对小齿轮38随后使转子36旋转，同时第二对小齿 轮38自由地旋转。

然后，当可移动构件16向下移动时，齿条42沿第二方向使各对小齿 轮38旋转。然后，第二对小齿轮38使转子36旋转，第一对小齿轮38自 由地旋转。

另外，飞轮39A使得即使当可移动构件16相对于静止构件14的移动 改变方向时也可以使转子36旋转，由此消除它的速度。

事实上，当可移动构件16移动时，提供的机械能的一部分由飞轮39A 存储。当可移动构件16的移动改变方向时，所述自由轮防止转子36的旋 转中断，所述转子36由飞轮39A旋转，这释放了存储的机械能。

需要注意的是，装置10在水平方向上的体积并不非常庞大，它的可移 动构件16仅基本上垂直地移动。以这种方法，按照高表面密度，可以在一 片水域上具有大量装置10。

为了将装置10布置在所述一片水域上，所述装置优选地布置于缩回位 置，如图7中所示。

优选地，上行程终端止动器48可缩回，以允许可移动构件16相对于 静止构件14移动到它的最低位置，例如直至它接触在底座24上方由桅杆 17支撑的下止动器47。以这种方法，当所述上止动器48缩回时，在运输 期间允许装置10的更大的紧凑性。

由于浮动元件40和密封储存器30，装置10漂浮在所述一片水域上， 因此被拖拽。

在这种拖拽期间，可移动构件16相对于静止构件14固定，如图7中 所示。例如，发电装置32的制动元件58将转子36锁定在合适位置。

当装置10在所述一片水域上处于所希望的位置时，锚索22固定以将 装置10锚定在所述一片水域的底部。

制动元件58随后被松开，并且可移动构件16因此相对于静止构件14 被松开。

优选地，发电装置32能够用作马达，或者包括马达设备，以将可移动 构件16移动到所述一片水域的表面12。事实上，当小齿轮38被马达驱动 时，小齿轮38可以驱动齿条42以将可移动构件移动到所希望的位置。

在这种情况下，发电装置32优选地包括用于在小齿轮被马达驱动时工 作的用于锁定自由轮39的设备，从而所有的小齿轮在这些安装操作期间工 作以移动可移动构件16。

为此，可以提供能够在以下两个位置之间切换的换向齿轮，在一个位 置，该换向齿轮绕过自由轮之一，然后将对应的一对小齿轮38连接到转子 36，在另一个位置，所述换向齿轮不工作，所述一对小齿轮38随后仅通过 对应的自由轮39连接到转子36。

需要注意的是，当小齿轮38被马达驱动时，小齿轮38可以对可移动 构件16施加压力以相对于静止构件14将可移动构件16移动到它的较低位 置，由于制动元件58而保持这种压力。

图8显示根据本发明实施例的第二例子的转换装置10。在这个图中， 与前面附图的元件类似的元件使用相同标号表示。

根据第二实施例，将浮动元件40连接到引导元件18的横杆43具有可 变长度。

为此，每个横杆43包括杆60，杆60使用枢轴链节62连接到引导元件 18并在导衬64中滑动，所述导衬64使用枢轴链节66连接到浮动元件40 的周边。

导衬64包括用于将杆60锁定在合适位置的设备(未示出)，该设备用于 在所述锁定设备工作时锁定导衬64中的杆60的滑动，并且在它不工作时 允许所述滑动。

当杆60在导衬64中滑动时，横杆的长度在拖拽位置和使用位置之间 变化，在拖拽位置，引导元件18相对比较靠近浮动元件40，在使用位置， 引导元件18相对比较远离浮动元件40。

由于这些长度可调整的横杆43，通过尽可能减小横杆43的长度，可以 在装置10的拖拽期间限制装置10的吃水。以这种方法，装置10的体积在 其拖拽期间减小。

图9显示根据本发明第三实施例的转换装置10。在这个图中，与前面 附图的元件类似的元件使用相同标号表示。

根据这个第三实施例，浮动元件40包括周边分隔件70，周边分隔件 70从浮动元件40基本上垂直地延伸并与所述浮动元件40和桅杆17一起定 界包围区域72。这个包围区域72在顶部是敞开的。周边分隔件70包括开 口74，每个开口74具有止回阀76，止回阀76允许水从包围区域72流到 外面并且阻止水从外面经开口74进入到包围区域72中。

图10至12显示止回阀76的三个例子。

图10中显示的止回阀76包括球78，球78在由格栅80和环形密封件 82定界的壳体中可移动。当球78被来自外面的水朝着包围区域72驱动时， 它与环形密封件82协作以便以密封方式封闭对应的开口74。另一方面，当 球78被来自包围区域72的水朝着外面驱动时，它离开密封件82并由格栅 80保留，并且水能够经过密封件82和所述格栅80。

图11中显示的阀76包括活板门84。活板门84能够在关闭位置和打开 位置之间移动，在关闭位置，它被来自外面的水朝着包围区域72驱动，在 打开位置，它被来自包围区域72的水朝着外面驱动。

图12中显示的阀76包括“鸭嘴”型圆形柔性唇缘86，柔性唇缘86在 对应开口74的轮廓上的开放端和平直端之间延伸。传统上，水仅能从开放 端前往平直端，即从包围区域72朝着外面前进。

也可以考虑仅允许水从包围区域72流到外面的任何其它类型的阀。

在很大波浪的情况下，海水可完全淹没浮动元件40。在这种情况下， 水从顶部进入包围区域72，由此形成增加到浮动元件40的质量的附加质量。 这种水团因此增加了在浮动元件40沿着桅杆17下降时提供给发电设备32 的力，并因此增加了产生的电力。

由于阀76，水在浮动元件40下降期间从包围区域72被排出，从而该 水团不会妨碍浮动元件40沿着桅杆17上升。

优选地，提供足够的开口74以允许在包围区域72下降期间包围区域 72的完全倒空。

有益地，分隔件70在垂直方向上具有在浮动元件40的高度的四分之 一和二分之一之间选择的高度。

作为例子，对于具有24m的直径和3m的高度的浮动元件40以及对 于具有0.5m的高度的周边分隔件70，包围区域72可容纳225吨的水团。

周边分隔件70因此可以以相对较低的附加成本增加电力生产。

需要注意的是，本发明不限于上述实施例，并且可在不超过权利要求 的范围的情况下采用替换方案。

特别地，可以在小齿轮38和转子36之间提供可逆驱动系统80，如图 13至15中所示。

驱动系统80包括两个输入轴82，每个输入轴82在任一侧连接到小齿 轮38并围绕它的轴线由传统的滚珠轴承84可旋转地引导。

驱动系统80还包括输出轴86，输出轴86连接到转子36并围绕它的轴 线由传统的滚珠轴承88可旋转地引导。

输入轴82使用分别在图14和15中具体地示出的第一和第二不同的啮 合设备90、92以运动学方式连接到输出轴86。

第一啮合设备90包括固定到输出轴86的第一齿轮94和布置在各输入 轴84上的两个第一带齿自由轮96。第一啮合设备90还包括两个中间小齿 轮98，每个中间小齿轮98与各第一带齿自由轮96和第一齿轮94啮合。

第一带齿自由轮96适于在输入轴82沿第一旋转方向旋转时使中间小 齿轮98旋转，并且在输入轴82沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋 转时自由地转动。

另外，第二啮合设备92包括与输出轴86构成整体的第二齿轮100和 布置在各输入轴84上的两个第二带齿自由轮102，每个所述第二带齿自由 轮102与第二齿轮100啮合。

第二带齿自由轮102适于在输入轴82沿第二旋转方向旋转时驱动第二 齿轮100，并且在输入轴82沿第一旋转方向旋转时自由地转动。

当输入轴82沿第一旋转方向旋转(例如，对应于使可移动构件16相对 于静止构件14升高)时，第一啮合设备90使输出轴86旋转。另一方面，当 输入轴82沿第二旋转方向旋转(例如，对应于使可移动构件16相对于静止 构件14下降)时，第二啮合设备92使输出轴86旋转。

以这种方法，输出轴86独立于可移动构件16相对于静止构件14的移 动的方向的变化连续地旋转，因此转子36独立于可移动构件16相对于静 止构件14的移动的方向的变化连续地旋转。