专利名称：波浪发电装置、浮子、波浪发电装置的用途和生产电能的方法
技术领域：
本发明在第一方面涉及波浪发电装置，其包括适于浮在水面上的浮子，发电机和将浮子连接到发电机的机械连接装置。
在第二方面，本发明涉及波浪发电装置的浮子。
在第三方面，本发明分别涉及本发明的波浪发电装置的用途和产生电能的方法。
背景技术：
波浪电能是作为一种可再生能源开发的，其对满足取代传统能源的挑战具有重要性。绕陆地海岸的总波浪发电能源是巨大，且其中技术上可利用部分也相当客观。
与许多可再生能源一样，转换波浪能量为可用电能的经济学是关键因素。为了实现波浪能量产生的电能对传统方式生产电能具有竞争力，需要在技术和经济上优化生产链中每个环节。本发明旨在优化用在波浪发电装置中浮子的设计。
较大规模生产电能的波浪发电装置在诸如WO 03/058055中公开。
传统上，这类波浪发电装置的浮子形成为具有球形、平圆柱形或双锥体的非常紧凑的主体。没有特别注意这样的事实，即浮子的形状影响浮子转化波浪能量为机械能的效率。
本发明的目的是解决如何成形浮子以便实现高效率的波浪能量转化为可用机械能的问题。
发明内容
根据本发明第一个方面，上述问题已经通过提供带浮子的波浪发电装置解决，该浮子漂浮在水表面上时并在垂直于水表面的方向看时具有围绕内开口的闭合环状。
对于浮子的给定浮力，这导致在侧方向，即在水表面的方向上的更大范围，这对于转化波浪能量的效率是有利的。如果侧方向上大范围仅通过使浮子变薄变宽，如薄板实现，则会出现其他问题。通过将浮子制作为围绕内开口的闭合环，如形成为圆环件，水可通过浮子的中心，这会显著减少这些问题，并改善浮子动力。具有该形状的浮子的优点在高和强波浪时特别突出。环形也提供高机械强度，这对于应付影响浮子的大的力是必须的。
转换到发电机中的能量与
成比例，
取决于F·v，其中F是影响浮子的力，而v是垂直方向，即力方向上的速度。对于足够的浮子的浮力，力F处于高水平。问题是实现尽可能大的速度。对于根据本发明的浮子形状，相对传统浮子，速度变得显著增加。
通过本发明，进一步可以实现 -当被高破碎浪溢过时，浮子上的水质量被最小化， -尽管浮子的大侧范围，但可维持贴波浪的高侧表面， -可以保持低静态浮力，其中通过相对低位移的相对大的漂浮表面实现在低和中等尺寸的波浪时高动力波浪吸收， -内开口也保证极其高的波浪不会导致浮子进入水表面下，由于水可通过内开口向上。
因此，其中浮子具有根据本发明形状的波浪发电装置导致将波浪能量转化为可用于产生电能种类的机械能的效率更高。
最简单并在许多方面最有效的转化机械能为电能的方式是将浮子直接机械连接到浮子的转子，以便浮子的运动移动转子。如果发电机是旋转式发电机，则该运动当然必须转化为旋转运动。在发电机为直线发电机的情形中，这是多余的，直线发电机中直线往复转子(linear reciprocating rotor)可通过线等直接连接到浮子。
虽然浮子运动直接转化为发电机转子的运动具有许多优点，在转化机械能有多个中间步骤时，如由浮子驱动的泵，由泵驱动的液压马达和由液压马达驱动的发电机，本发明当然可以应用。
根据本发明波浪发电装置的优选实施方案，其中浮子包括具有围绕内开口的闭合环的所述形状的漂浮体。
提供具有该形状的漂浮体本身导致易于制造的非常简单的浮子构造。
根据进一步的优选实施方案，漂浮体包括多个彼此直接连接的区段。
因而，可实现用于制造漂浮体的非常经济的模块概念。
根据进一步的优选实施方案，各个区段是直管，且各个管水密地连接到相邻管上。
用形成为直管的多个区段构造漂浮体使得模块概念在制造的经济方面得到优化。通过形成管之间的水密连接，形成连续环状中空体，这是非常有效的漂浮体。
根据本发明进一步的实施方案，各个管具有圆形横截面。
在浮子遭受不同水流路径方面，该形状在受波浪影响时是有利的。而且，相对所需材料的有效漂浮体积(floating volume)被最大化。最后，使用圆形管对于制造成本是有利的。
根据本发明进一步的实施方案，各个管子由钢材制成。
考虑材料成本，材料的机械强度和海水中抗腐蚀的可能性，钢材是非常有利的选项，特别是不锈钢。
根据进一步的优选实施方案，管彼此焊接到一起。
因而可以合理地以低成本实现水密的坚固可靠连接。
根据进一步的优选实施方案，区段的数目是3个到12个。
区段越少，漂浮体的制造成本越低。当然，三个是形成闭合环的最小区段数目。另一方面，区段数目越高，在经受水波时，从水流动力学方面，漂浮体的行为变得更和谐(harmonic)。在大多情形中，这些考虑的平衡将在特定的范围内，通常在4到8个的较接近的范围内。在很多情形中，由6个区段构成的漂浮体看来是最有利的平衡。
根据进一步的优选实施方案，所有区段具有同样的尺寸。
因而，在不同方面，漂浮体将实现高度对称，这会优化其目的。
根据进一步的优选实施方案，漂浮体是规则的多边形。
该实施方案表示漂浮体最高度的对称性，因而使浮子的效率最大化。
根据进一步的优选实施方案，漂浮体由密度比水密度低的材料制成。
该实施方案具有消除对于确保水密性的问题的优点。
根据进一步的优选实施方案，漂浮体是圆环件。
这是使得浮子为稳定对称体的漂浮体的简单和谐形状。
根据进一步的优选实施方案，圆环件具有圆形横截面。
当波浪流动跨过它或经过它时，圆形横截面提供最小扰动。
根据进一步的优选实施方案，浮子包括通过多个连接部件彼此连接的多个漂浮体，因此漂浮体和连接部件一起形成所述围绕内开口的闭合环。
该实施方案简化了该问题并获得了水密性，因为各个漂浮体可制作成闭合体。因此，不需要水密地将中空区段彼此连接。
根据进一步的优选实施方案，各个漂浮体具有球形或圆筒形。
对于该实施方案，在波浪横跨流过漂浮体或经过浮子时，实现波浪扰动的减小。
根据进一步的优选实施方案，各个连接部件在相邻漂浮体间建立刚性连接。
因而浮子将是稳定的，并作为单一单元而运动。
根据进一步的优选实施方案，连接装置包括在不同位置连接到浮子的至少三个紧固装置。
因而，转移运动到发电机将最有效，因为浮子全部的动能都被利用。优选，紧固装置的数目为3个并位于规则的三角形的角处。
根据本发明的第二方面，由于波浪发电装置具有特定特征，即在水表面上漂浮时并在垂直于水表面的方向看时，浮子具有围绕内开口的闭合环的形状，使得本发明的目的得以实现。
根据本发明浮子的优选实施方案，其包括与上面给出的波浪发电装置的各种优选实施方案中浮子的特征相对应的特征。
因而本发明浮子及其优选实施方案具有如上述本发明波浪发电装置和其中优选实施方案的相应优点。
根据本发明第四方面，本发明生产电能的方法包括特定措施，即电能是利用根据本发明或其中任何优选实施方案的波浪发电装置产生的。
本发明方法和根据本发明第三方面的本发明用途也具有与上述本发明波浪发电装置及其优选实施方案相同的优点。
本发明将参考附图通过下面有利的实施例更详细地说明。
图1是根据本发明的波浪发电装置的示意性截面图。
图2是图1中浮子的俯视图。
图3是浮子第二实施例的俯视图。
图4是图3中浮子的横截面。
图5是浮子第三实施例的俯视图。
图6是沿图5中沿VI-VI线的截面。
图7-10是浮子其他的实施例的俯视图。
具体实施例方式 图1示出根据本发明的波浪发电装置的原理。浮子3设置成漂浮在海洋表面2上。波浪传输来回往复的垂直运动给浮子3。直线发电机5经固定在底部的基板8固定在海床上。板可以是混凝土的。直线发电机的定子6a，6c固定到基板8上。定子由4个垂直柱状层叠堆叠件构成，其中仅两个在图中可见。发电机的转子7设置在层叠堆叠件间并通过缆线4连接到漂浮体3上。转子7是永磁材料。
基板8具有居中设置的孔10，且与其同心的底部凹孔9在海床中形成。凹孔9可适当地对齐。张力簧11固定在凹孔9的下端，而弹簧的另一端连接到转子7的下端。基板8中孔10的直径和凹孔9的直径被设置成可让转子7穿过其中自由移动。
各个层叠堆叠件6a、6c由数个模块组成。在所示实例中，标记该层叠堆叠件6a从而表明其是如何被分成三个垂直设置的模块61，62，63。
当浮子3由于海洋表面2的波浪的运动而上下移动时，该运动经缆线4传输到转子7，因此获得层叠堆叠件间的等效往复运动。这样在定子绕组中产生电流。凹孔9允许转子在其向下运动中通过整个定子。张力簧11为向下运动提供额外力，以便缆线4在每时每刻都保持拉紧。
弹簧也可以设计成在某些情形中其可施加向上的力。弹簧的伸缩率(spring rate)可由控制装置28控制，因此可在尽可能多的时间内实现共振。
定子整个或部分浸渍有VPI或硅，因此其可耐受盐水。
当浮子漂浮在波浪上时，浮子会在水平方向上漂移使得缆线能够相对垂直方向倾斜。为了避免会导致转子7倾斜的该现象，将缆线4的导向设备30设置在直线发电机中缆线入口处。因而在缆线倾斜时，转子7将保持严格的垂直运动并可定心在定子的中心。
浮子3是带有内中央开口14的圆环件。圆环件的横截面形状是多边形，由矩形基形状形成并在顶部和底部带有锥形内表面和在顶部的锥形外表面。
缆线4经三个较小缆线12连接到浮子，各个较小缆线都经紧固装置13固定到浮子。紧固装置13相对彼此成120°设置。
关于将缆线运动转化为电能的波浪发电装置功能的进一步细节不是本发明的重点，且该功能通常是已知的。为了理解该过程，可参考WO 03/058055。
可以理解，直线发电机的设计可与图1中所述的类型不同。如果直线发电机由旋转发电机取代，则本发明也可应用。由缆线4所转化的能量在其用于发电之前，可进行各种机械转化，这同样在本发明的保护范围内。
在图2中，示出了浮子的俯视图。
图3和4中是出了圆环形浮子3a的可替换实施方式，其具有圆形横截面。
图1到4中示出了浮子为匀质体，这意味着材料是轻型材料，即其密度比水的密度低。然而，在大多情形中，利用钢材制成的中空体来制造圆环形浮子更合适。腔体可以是空的，即空气，或其可用轻型材料，如多孔聚合物填充。
图5和6示出浮子形状的另一实施例。在该情形中，浮子3b由6个焊接到一起管子15构成，从而形成规则六边形。
图7示出类似于图5和6的实施例。在该例中，浮子3c由四个管子构成，形成矩形。
图8示出浮子由马蹄形漂浮体16和连接棒17构成的实施例。
在图9所示的实施例中，浮子3e由四个漂浮体16a，如端部闭合的管子和四个连接棒17a构成。
最后图10示出浮子由经连接棒17b连接的8个球形漂浮体16b构成的实施例。
如可从上面实施例中理解的那样，浮子可具有许多不同形状并可以不同方式构建，只要其与独立权利要求中限定的相对应。
圆环形浮子的典型数据，如图1和2中所示的浮子的典型数据为 排水(deplacement)9.5m3 外径 4m 内径 2m 高度 0.8m 重量 1500-2000kg 这些数据仅是为了给出通常会讨论的尺寸的一般实例但绝不是用于限制。
权利要求
1.一种波浪发电装置，包括适于在水表面上漂浮的浮子(3-3f)，发电机(5)和将所述浮子(3-3f)连接到所述发电机(5)的机械连接装置(4，12，13)，其特征在于所述浮子(3-3f)当漂浮在水表面(2)上并在垂直于所述水表面(2)的方向上看时，具有围绕内开口(14)的闭合环的形状。
2.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征在于所述浮子(3-3f)包括具有围绕内开口(14)的闭合环的所述形状的漂浮体(3-3f)。
3.根据权利要求2所述的波浪发电装置，其特征在于所述漂浮体(3b；3c)包括多个彼此直接连接的区段(15)。
4.根据权利要求3所述的波浪发电装置，其特征在于各个区段(15)是直管(15)，且各个管(15)水密地连接到相邻管。
5.根据权利要求4所述的波浪发电装置，其特征在于各个管具有圆形横截面。
6.根据权利要求4或5所述的波浪发电装置，其特征在于各个管(15)由钢材制成。
7.根据权利要求6所述的波浪发电装置，其特征在于所述管(15)彼此焊接到一起。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的波浪发电装置，其特征在于区段(15)的数目为3到12个，优选4到8个，且最优选6个。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的波浪发电装置，其特征在于所有区段(15)具有同样的尺寸。
10.根据权利要求9所述的波浪发电装置，其特征在于漂浮体(3b)是规则的多边形。
11.根据权利要求2或3所述的波浪发电装置，其特征在于所述漂浮体由密度比水密度低的材料制成。
12.根据权利要求2所述的波浪发电装置，其特征在于所述漂浮体(3，3a)是圆环件。
13.根据权利要求12所述的波浪发电装置，其特征在于所述圆环件(3a)具有圆形横截面。
14.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征在于所述浮子(3e，3f)包括通过多个连接部件(17a，17b)彼此连接的多个漂浮体(16a，16b)，以便所述漂浮体(16a，16b)和所述连接部件(17a，17b)一起形成所述围绕内开口(14)的闭合环。
15.根据权利要求14所述的波浪发电装置，其特征在于各个漂浮体具有球形(16b)或圆筒形(16a)的形状。
16.根据权利要求15所述的波浪发电装置，其特征在于各个连接部件(17a，17b)在相邻漂浮体(16a，16b)间建立刚性连接。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的波浪发电装置，其特征在于各个漂浮体是中空的。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的波浪发电装置，其特征在于所述连接装置(4，12，13)包括在不同位置连接到所述浮子(3)的至少三个紧固装置(13)。
19.用于波浪发电装置的浮子(3-3f)，其特征在于所述浮子(3-3f)当漂浮在水表面(2)上且在垂直于所述水表面(2)的方向上看时具有围绕内开口(14)的闭合环形状。
20.根据权利要求19所述的浮子，其特征在于所述浮子(3-3f)包括对应于根据权利要求2-18中任一项所述的波浪发电装置中所述浮子的特征。
21.根据权利要求1-18中任一项所述的波浪发电装置在用于生产电能中的用途。
22.一种生产电能的方法，其特征在于所述电能是利用根据权利要求1-18中任一项所述的波浪发电装置生产的。
全文摘要
本发明涉及一种具有浮子(3)的波浪发电装置，其适于漂浮在水表面(2)上。发电机(5)通过连接装置(4，12，13)连接到浮子上。按照本发明，浮子(3)漂浮在水表面(2)上，并在垂直于水表面的方向上看时具有围绕内开口(14)的闭合环的形状。本发明也涉及用于波浪发电装置的浮子(3)，该浮子具有相应于上述的特征。进一步，本发明的波浪发电装置的应用并涉及一种以本发明波浪发电装置生产电能的方法。
文档编号F03B13/00GK101646861SQ200780052623
公开日2010年2月10日 申请日期2007年4月18日 优先权日2007年4月18日
发明者马茨·莱永, 埃兰·斯特伦斯泰特 申请人:西贝斯特公司