用于回收海浪能的设备技术领域
本发明涉及能源回收领域,更具体地,涉及海洋中海浪能的回收。
目前,能源消耗主要依赖于非再生能源,诸如石油、可燃气、煤
和核能。鉴于这些能源储备的耗尽和/或使用它们而产生的污染,人们
致力于使能源来源多样化,尤其通过转向再生能源。
在本文中,一种解决方案是使用来自海洋的能源,更准确地,在
水流能量、海浪能或潮汐能方面。
如此,波浪能从来只是太阳能的一种具体形式。太阳不均匀地加
热不同的大气层以引起气流(风),然后由于气流自身摩擦运动而驱
动海洋的表面(水流、海浪,波浪)。由于风在海洋和海域表面上引
发波浪,从而能量被传递。当波浪到达浮动的或沿海的障碍物时,其
能够释放一部分能量,这部分能量能够转换为电能。在风最强大的地
方,即纬度40到60之间,波浪能是最大的。
因此,波浪能具有非常高的能量潜能。如此,波浪传递的平均能
量以KW/m来标示。波浪能与波浪周期(两个连续波峰到来的时间差)
成比例,并且与波浪高度(波谷和波峰之间的距离)的平方成比例。
例如,法国布列塔尼西海岸的潜在波浪能是63KW/m,大西洋海岸平均
为50KW/m,而地中海海岸为8KW/m。
然而,由于技术限制以及自然或法律限制(这减少了可使用的领
域),这些能源不能被完全利用。
背景技术
如此,EP1295031公开了一种基于浮标移动的设备,该设备包括
一个围绕内部浮起物的外部圆形浮起物,这两个浮起物借由连接机构
相互连接,该连接机构具体包括液压缸,该液压缸使得能够回收两个
浮起物之间移动的能量,该设备还包括一个浸入主体。
还已知一种填充有空气的移动的缸(浮起物),该移动气缸空气
在固定至海洋底部的气缸上滑动。在没有波浪时,浮起物处于平衡。
当波浪的顶部经过浮起物时,过压向下驱动浮起物。在波浪的波谷时,
低压使得浮起物向上返回。浮起物相对于固定气缸的上下运动导致驱
动了能够产生电流的直线发电机。然而,该设备具有必须部分固定至
海洋底部的劣势。
还已知一种WO2008068390中公开的设备,该设备用于回收海浪
能,该设备结构简单便于使用和实施。该设备包括至少一个浮起结构,
该浮起结构旨在浮在水面上,该浮起结构承载至少一个悬置在水面上
方的构件,该构件被设计为在海浪升降运动的影响下、通过水面高度
相对于所述构件的变化来产生回收能。
然而,在这一系统中,能量回收不是最优化的,因为其存在一个
系统不会提供任何能量的瞬时时段(失效时间),此时悬置的构件布
置在行进末端。应容易理解,这些失效时间限制了系统的输出。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中的缺陷,具体提出一种能够以连续方
式回收海浪能并另外能够优化输出的系统。
为了完成本发明,提出一种用于回收海洋海浪能的设备,该设备
由浮起结构构成,该浮起结构包括:刚性结构元件,借助于至少一个
浮标或结构性浮起物浮在海上;以及,对应于该结构元件的至少一个
移动浮起物,在海浪运动的影响下,该移动浮起物与生成可回收能量
的装置配合,所述生成可回收能量的装置固定在该结构元件上。
根据本发明的第一方面,所述至少一个移动浮起物通过至少一个
刚性臂连接至结构元件,该至少一个刚性臂绕该结构元件的、基本平
行于海面的轴线转动地安装;以及,所述生成能量的装置直接或间接
地连接至所述刚性臂。
此外,根据本发明的一个实施方案,所述生成能量的装置包括一
个直线发电机,该直线发电机具有一个连接至至少一个所述移动浮起
物的活塞,该活塞在连接至该结构元件的气缸中滑动。
根据本发明的另一方面,所述生成能量的装置包括至少一个泵,
该泵具有一个气缸和一个杆,该泵的一个端部铰接在至少一个所述移
动浮起物的刚性臂上,另一个端部连接至该结构元件。
本领域技术人员应根据实际情况,成本或海浪的挟带力选定这些
替代方案中的一种或另一种。
有利地,根据本发明的设备可包括多个移动浮起物,其与结构元
件连接的臂具有不同的长度。
更优选地,由于以下详细描述的原因,最短的臂应被布置在波浪
的“出口”,即,位于与直接接收海浪的端部(前部)相对的设备端附
近。
根据本发明的一个实施方案,至少一个结构性浮起物相关于结构
元件固定,并布置在水线的水平面上,从而结构元件大部分布置在海
面之上。
如果想要进一步改进本发明的能量输出,可以考虑提供至少一个
相关于结构元件铰接的结构性浮起物。
更准确地,根据本发明的一个实施方案,至少一个所述铰接的结
构性浮起物布置在摆动臂的一个端部处,摆动臂通过至少一个第一铰
接机构连接至结构元件,所述臂在其另一端具有第二铰接机构,该第
二铰接机构与固定在结构元件上且在水线以上的气缸的活塞的杆相关
联,所述活塞旨在致动所述生成能量的装置。
根据本发明的另一实施方案,至少一个铰接的所述结构性浮起物
由摆动臂穿过,该摆动臂通过两个铰接机构连接至结构元件,位于水
线以下的第一铰接机构由一个枢轴连接件构成,第二连接件包括一个
与固定在结构元件上且在水线以上的气缸的活塞的杆相关联的铰接机
构,所述活塞旨在致动所述生成能量的装置。
此外,结构元件包括根据侧向平面布置的至少一个框架,该至少
一个框架与至少一个结构性浮起物和一个移动浮起物配合。所述侧向
平面是平行于海浪方向的平面,浮起结构同时根据该平面定向。
有利地,结构元件包括根据彼此平行的第一平面和第二平面布置
的两个框架,所述框架通过根据与所述第一和第二平面垂直的至少一
个平面布置的至少一个框架连接在一起,这些平面共同限定一个大致
的平行四边形,该平行四边形的、布置在海平面上方的表面设有用于
支撑移动浮起物和/或能量生成装置和/或结构性浮起物的铰接机构的
支撑装置。当然,“布置在海平面上方的表面”仅在设备被放置就位时
有意义,即,当该设备浮在海面上或位于正在生成的波浪中时。
有利地,至少一个所述结构性浮起物的摆动臂在框架的所述第一
和/或第二平面(即,侧向平面)中可以移动。
根据本发明的一个实施方案,至少一个第一刚性臂铰接安装在结
构元件的第一纵向端部上,第二刚性臂铰接安装在结构元件的第二纵
向端部,所述第一和第二臂纵向延伸到结构元件外。
根据本发明的另一特征,结构元件包括沿纵向轴线XX延伸的主元
件,所述结构性浮起物相对于轴线XX对称布置,并且在浮起状态下,
承载与轴线XX垂直或基本垂直的平面的结构臂。
更准确地,至少一个结构臂绕与和轴线XX垂直的轴线YY转动地
安装。
此外,至少一个结构臂包括基本平行于海面延伸的第一元件和基
本垂直于第一元件延伸的第二元件,该第二元件由处于浮起状态的结
构性浮起物承载。
根据本发明的一个实施方案,一个转动连接件可设置在主元件和
至少一个结构臂之间。
根据本发明的另一实施方案,一个转动连接件可设置在结构臂的
第一元件和第二元件之间,那么一个生成能量的装置能够回收由于第
一元件和第二元件的相对运动而产生的能量。
附图说明
参考随附的附图,本发明的其他特征、细节和优势从阅读以下说
明中得出,其中:
-图1,根据本发明的第一实施方案的设备的横截面示意图;
-图2,根据本发明的第二实施方案的设备的横截面示意图;
-图3,根据本发明的第三实施方案的横截面示意图;
-图4A是图3中的A-A所取的横截面图,表示本发明的一个实施
方案;
-图4B是图3中的B-B所取的横截面图,表示本发明的一个实施
方案;
-图5A是图3中的A-A所取的横截面图,表示本发明的另一个实
施方案;
-图5B是图3中的B-B所取的横截面图,表示本发明的另一个实
施方案;
-图6是根据本发明的第四实施方案的横截面示意图;
-图7A是图6中的A-A所取的横截面图,表示本发明的该实施方
案;
-图7B是图6中的B-B所取的横截面图,表示本发明的该实施方
案;
-图8A是图6中的A-A所取的横截面图,表示本发明的第四实施
方案;
-图8B是图6中的B-B所取的横截面图,表示本发明的第四实施
方案;
-图9是本发明的第一实施方案的立体图;
-图10是示出本发明的第五实施方案的示意图;
-图11是本发明的第五实施方案的示意性侧视图;
-图12是本发明的第五实施方案的结构性浮起物和结构元件之间
的连接件的放大视图;
-图13是示出本发明的第六实施方案的示意图;
-图14是本发明的第六实施方案的示意性侧视图;以及
-图15是本发明的第五实施方案的结构性浮起物和结构元件之间
的连接件的放大视图。
为了清楚起见,附图中相同或相似的元件以相同的参考标记来标
示。
具体实施方式
根据图1所示,本发明包括一个完全刚性的结构元件1,由于标
记为结构2的至少一个浮标或浮起物,该结构元件浮在海洋O上。
该结构元件可由基本平行于波浪的梁和基本垂直于波浪的梁构
成;有多种方案可以考虑;假如海浪根据箭头H定向,如图1所示,
更优选地选定波浪的一个波长的顺序长度为两个结构性浮起物2、2’
之间的间隔。这是一种已知的布置,能够更好地回收海浪能。根据所
示配置,2是前浮起物,而2’是后浮起物;其中术语“前”和“后”
表示海浪波浪传播的方向。
此外,提供至少一个相对于结构元件1移动的浮起物3、3’。该浮
起物或多个浮起物3与生成能量的装置4配合,该生成能量的装置可
具有多种形式。在任一情况下,生成能量的装置4都固定在结构元件
1上。
优选地,移动浮起物3通过至少一个刚性臂5连接至结构元件1,
该刚性臂绕基本平行于海洋表面的轴线50转动地安装。如此,移动浮
起物或多个移动浮起物3可靠地连接至结构元件1,并且相对于结构
元件1的相对运动优选是一体的。刚性臂或多个刚性臂5相对于结构
元件引导并保持移动浮起物3。
术语“臂”表示任一类型的支撑装置,诸如一个或多个杆、挡板、
链等。
此外,所述或每个浮起物3都直接或间接地连接至生成能量的装
置4;更准确地,根据图1,浮起物3连接至泵的气缸7,该泵包括在
固定于该结构上的气缸7中滑动的活塞杆6,且被用作生成能量的装
置。实际上,在波浪运动的影响下,活塞在气缸中滑动,并压缩或膨
胀存在于泵的封闭壳内部的流体。
如此,海浪能可以通过活塞、气缸、直线发电机或任何其他技术
上等同的装置来传递。
通过确定按照图1所示的装置的尺寸,能够优化该装置的能量输
出:更准确地,两个结构性浮起物2、2’之间的间隔被选定为基本等于
波长的平均长度,且装置4被定位为基本位于所述长度的中间,以使
得当浮起物2、2’例如位于波谷(图1中实线示出),装置4与波峰水
平,所以,泵的密闭壳内的水平面最大,由此导致容积A减小并因此
压缩其内的流体(空气)。这种压缩产生了可回收能。接着,当结构
性浮起物3位于波谷时(图1中虚线示出),水平面以及杆6降低,
因此,壳A内的流体压力得以降低。通过这种布置,获得相对大的活
塞行程以及优化的输出。
应注意,波浪的波长通常是已知值,并以给定位置表征。本发明
设备的尺寸的设定有利地考虑这一参数。
应理解,在上述设备中,存在不产生能量的“上”死点和“下”
死点;这是本发明提出增加至少一个额外的移动浮起物3’的原因,其
中该至少一个额外的移动浮起物3’与至少一个产生能量的装置4’相关
联。
图1的右部示意性地示出由铰接在结构元件1上的额外的刚性臂
5’连接的额外的移动浮起物3’。优选地,刚性臂5’像第一刚性臂5一
样安装,也就是,绕基本平行于海洋表面的轴线转动,结构元件1上
的铰接点50’在此被选定为处于相对于海浪的行进方向(箭头H)与铰
接点50相对的端部。
在此,额外的回收能量的装置4’通过刚性臂5’连接至浮起物3’。
额外的浮起物3’的移动被用于回收能量的装置4’以与上述关于移动浮
起物3描述的相同方式所利用。两个浮起物3、3’之间的距离使得当浮
起物3例如位于上死点或下死点时,即,当其不产生能量时,能够回
收额外的浮起物3’产生的能量。
任何适合的结构都可以设置在结构元件1上,以支撑所述的额外
的装置3’、4’、5’。
此外,优选地,浮起物3、3’和结构元件1之间的刚性连接和支撑
臂5、5’具有不同的长度;有利地,对于布置在设备上尽可能地靠近海
浪的入口的臂5,可以选定更大的长度,而对于位于设备出口处的臂5’,
可以具有较小的长度。“入口”意味着在任何其它区域之前受海浪影
响的设备的区域。“出口”是所述结构的相对于海浪行进方向的另一
端部处的区域。
如此,臂5以及布置在设备入口处的相关联浮起物3受到最大的
力;而额外的臂5’和额外的浮起物3’受到较小的力,因为波浪能在这
两点之间减弱。
此外,对于相同的能量输出,本发明的气缸的行程比现有技术的
小。
图2示出本发明的一个实施方案,其与图1的实施方案的不同点
主要在于生成能量的装置,所述生成能量的装置在此包括与蓄能器15
和带有发电机的液压马达16相关联的液压泵14。
本领域技术人员应根据需要、成本、期望输出等来选定一个实施
方案或另一个实施方案。
在这两种情况下,设有至少一个浮标2或结构浮起物,其相对于
结构元件1固定并布置在水线上。可以设置任何本身已知的装置来实
现浮起物的该功能,因此在这里不再详述。
因此,结构性浮起物2、2’将结构1保持在相对于水线的给定水平
处;另外,它们受到波浪产生的力。
图3示出本发明的改进实施方案。具体地,改进在于设置至少一
个相对结构元件1(或框架)铰接的结构性浮起物2.
根据本发明的这一实施方案,结构元件1被局部地浸没,如图所
示。
此外,至少一个结构性浮起物2连接有摆动臂8,该摆动臂经由
布置在水线O上方的至少一个第一铰接机构81连接至结构元件1。浮
起物2自身可被大致放置在摆动臂8的端部处,第一铰接连接件81设
置为与第二铰接端83配合,第二铰接端自身连接至气缸84,或者更
准确地,连接至固定在结构元件1上的气缸84的杆82。如此,所述
臂或每个臂8绕铰接机构81在基本垂直于海洋表面的平面中摆动。与
承载浮起物2的臂8的端部相对的端部83能够向气缸84或任意其他
用于回收能量的元件提供往复运动,因此移动浮起物3、3”运动而产
生的能量将得到增加。
与臂8运动相关联的气缸84能够产生能量,例如经由蓄能器15
或任何其他等同装置,诸如发电机,其例如安装在所述结构上,与气
缸84相距不远。
从能量角度来看,这一实施方案是令人感兴趣的,因为通过结构
性浮起物2、2’运动产生的能量被补充至通过移动浮起物3、3’的运动
而产生的能量。
当然,根据需要,可以在结构1上安装多个摆动浮起物2,结构1
自身可以具有多个替代实施方案。图3示出两个结构性浮起物(或者
一组结构性浮起物)2、2’,但是,当然,这仅是一种非限制性实施例。
图4A和4B示出一个实施方案,根据该实施方案,结构(或结构
元件)1由基本布置在一个平面中的框架构成。本发明的装置,诸如
结构性浮起物2、2’,移动浮起物3、3’和相关联的臂8、8’、5、5’,
以及铰接结构和气缸,都是由一个这样的框架承载的。本领域技术人
员应根据公知常识选择并确定支撑元件和其他部件的尺寸。
图4A是根据图3中A-A所取的简化横截面图,示出布置在铰接于
结构1上的双臂5’端部处的圆柱形移动浮起物3’。图4B是根据图3
中B-B所取的简化横截面图,其中所示结构性浮起物2位于臂8的端
部处,臂8在铰接机构81被铰接并水平与结构1配合;臂8在同一平
面内绕铰接结构81转动;该臂的、与承载浮起物2的端部相对的端部
83与杆82配合,如上所述。
此外,图5A和5B示出根据本发明一个实施方案的简化横截面图,
根据该实施方案,结构元件1包括两个第一框架11、12,它们根据彼
此平行的第一平面和第二平面分别侧向布置,且通过至少一个框架(未
标示)连接在一起,该至少一个框架横向布置在与第一框架11、12垂
直的平面内。该单元限定为一个平行四边形,该平行四边形的一个表
面10设置在海平面上方,且设有用于支撑包括本发明各种装置的支撑
装置。
此外,在每个侧向框架11、12上都可以设置用于结构性浮起物2
的臂8的铰接结构81,以及用于臂8的上端的引导装置85,该臂的上
端与气缸84相关联。
根据这一实施方案,能量由此同时通过彼此分隔的移动浮起物3、
3’的运动产生,从而允许调节产生能量的功率,和相对于海浪方向的
间隔的结构性浮起物2、2’的运动产生,从而允许并改进对产生能量功
率的调节。
根据图6、7和8中示出的替代实施方案,至少一个结构性浮起物
2由摆动臂8穿过,摆动臂8通过布置在水线下方的第一铰接机构80
连接至结构元件1。连接件80优选是枢轴类型的连接件;浮起物2自
身基本被放置在摆动臂8的中部;在臂8的、与承载枢轴连接件80相
对的端部附近,一个铰接连接件81设有气缸84,或者更准确地,设
有气缸84的杆82,气缸84自身固定在结构元件1上。臂8的端部自
身在结构元件1的适合凹槽内被引导。
如此,所述臂或每个臂8绕铰接机构80在平面内摆动(如箭头所
示),且其相对端部能够向气缸或用于回收能量的任何其他元件提供
往复运动,接着该往复运动向通过移动浮起物2、2’的运动产生的能量
提供补充。
与臂8运动相关联的气缸84能够产生能量,例如经由蓄能器或任
何其他等同装置,诸如发电机。
从能量角度来看,这一实施方案是令人感兴趣的,因为通过结构
性浮起物运动产生的能量被补充至通过移动浮起物3、3’的运动而产生
的能量。
当然,根据需要,可以在结构1上安装多个摆动浮起物2、2’,结
构1自身可以具有多个替代实施方案。
如此,图7A和7B示出一个实施方案,根据该实施方案,结构(或
结构元件)1由基本布置在一个平面中的框架构成。本发明的装置,
诸如结构性浮起物2、2’,移动浮起物3、3’和相关联的臂8、8’、5、
5’,以及铰接机构和气缸,都是由一个这样的框架承载的,该框架基
本在一个平面中延伸。本领域技术人员应根据公知常识选择并确定支
撑元件和其他部件的尺寸。
臂5、5’可以具有相同或不同的长度。
此外,图8A和8B示出根据对应于图6的实施方案的本发明一个
实施方案的简化横截面图,根据该实施方案,结构元件1包括两个第
一框架11、12,它们根据第一平面和第二平面分别地侧向布置,且通
过至少一个框架(未标示)连接在一起,该至少一个框架横向布置在
与第一框架11、12垂直的平面内。该单元限定为一个平行四边形,该
平行四边形的一个表面10设置在海平面上方,且设有用于支撑包括本
发明各种装置的支撑装置(图8A和图8B中未示出)。
此外,在每个侧向框架11、12中都可以设置用于结构性浮起物2、
2’的枢轴类型的铰接机构80,以及用于臂8,8’上端的引导装置85,
和相关联的气缸84。
图9示出根据本发明的一个实施方案,其具有一个大体为平行六
面体形状的结构元件,且包括相对于结构元件1固定的两个移动浮起
物3、3’和四个结构性浮起物2、2’。该视图基本对应于本发明图1的
实施方案。
因此,根据该实施方案,能量仅通过该彼此分隔的移动浮起物3、
3’的运动产生,所述移动浮起物允许随时间调节产生能量的功率。
图10示出本发明的一个实施方案,根据该实施方案,该设备包括
一个结构元件10,该结构元件10具体由沿着纵向轴线XX延伸的主元
件13构成。该主元件13可由一个平台构建,该平台上固定或安装有
多个该设备运行所需的部件、连接或工具;具体是用于回收能量的装
置4、4’。
主元件13的至少一个纵向端部是铰接安装,例如经由枢轴连接
件、刚性臂5、5’;有利地,刚性臂5、5’展开地布置在结构元件1的
外侧。图10和11示出一个主元件13,该主元件的每个纵向端部设有
与刚性臂5、5’铰接的铰接连接件。刚性臂可具有相同或不同的长度。
每个刚性臂5、5’承载至少一个移动浮起物3、3’,如上所述。铰接连
件更具体地示出在图12中,可以看到,主元件13的端部另外设置有
回收由于元件13和臂5的相对运动而产生的能量的装置4。
此外,可设置额外的刚性臂,其铰接在刚性臂5、5’的远端,诸如
图10中和下文中可见。由分别铰接在相应端部的臂形成的链可以如此
来形成。
在不同的铰接机构水平面上,通过接触式地覆盖臂13、5、5’的端
部来保证密封(相当于这些铰接机构布置在海面上)。如此,这基本
上是如此被覆盖的气缸壁。
同样,主元件13内的每个组成元件都以这种方式自我密封。
在不偏离本发明的范围的情况下,结构元件可包括多个优选相互
沿纵向轴线XX相互延伸布置的元件13;元件13可经由枢轴连接件彼
此铰接。
此外,主结构元件13由相对于纵向轴线XX对称布置的至少一个
结构性浮起物2、2’支撑(在浮起情况下)。图10和11示出两对浮起
物2、2’;每对浮起物2、2’布置在臂800、810的端部,臂800、810
位于与轴线XX垂直的平面内;更准确地,根据本发明的这一实施方案,
每个臂都由沿基本平行于海面延伸的第一元件800、800’和垂直于或基
本垂直于第一元件延伸的第二元件810、810’构成。浮起物布置在第二
元件810、810’的每个端部。由此形成关于纵向轴线XX对称的结构。
每个第一元件800、800’基本沿垂直于轴线XX的轴线YY延伸。
图13-15示出一个实施方案,其不同于图10-12所示的实施方案,
在结构元件13和至少一个结构臂800、810之间设有一个补充的铰接
连接件。这一连接件使得结构性浮起物2、2’能够更好地随海浪H运动;
此外,由每个结构臂800、810和结构元件13自身之间的相对运动产
生的能量可以被特定装置4”回收,如图15所示。同样,浮起物3、3’
可以经由一个铰接连接件被连接至刚性臂5、5’。
当然,本领域技术人员可以选定浮起物的形状和尺寸,以适应实
际使用情况。同样,刚性臂5、5’的尺寸具体地可以根据使用情况和安
装地点来确定。当臂5、5’由整体圆柱形壁构成时,它们可具有几米的
直径,以使单个人可以进入其内部;其长度可以达到数十米。
在不偏离本发明范围的情况下,刚性臂5、5’以及结构臂13、800、
800’可由非实心壁构成,例如,架子。
结构的每一部分都是局部或全部电绝缘,从而保证使用者安全。
本发明能够回收与波浪高度以及斜度相关的能量:可以提供单个
或多个电路。能量的回收可以由单个系统或多个系统实现。
维护操作所需的容积如此在根据本发明的系统中产生。
在不偏离本发明范围的情况下,可以考虑多种组合;本领域技术
人员可以考虑必须要满足的经济学、人类环境改造学、尺寸或其他约
束,选定一个或另一个。