专利名称：用于绞盘操作式波浪发电站的装置的制作方法
背景技术：
在专利文献中所记载的关于将海洋波浪能转换成为有用能量的装置有1000多种。其中已经提出了几种基于不同技术手段的波浪能构思。这些较早的构思中还未重视的是，海洋波浪能的成功的商业开采需要电站具有一个(或多个)自身或辅助的过载保护机构。为使在经济上可行，这些电站不得不采用一些措施来对付遭遇最猛烈的波浪的情况。实质上，电站与猛烈的波浪的相互作用必然不同于与平均规模及较小的波浪的相互作用。在平均规模和较小波浪的情况下，电站应该尽可能地从波浪中吸收尽量多的能量以最大化其能量产出。但在遇到猛烈的波浪的情况下，电站应不同地作用，以避免从波浪中吸收过大的能量，因为过大的能量传入到电站中会损坏电站或其能量转换机械。这允许波浪能更广泛地应用于不同的海洋环境，同时使设计成本和维护成本是低的。
在此描述的本发明包括绞盘操作式波浪能电站，该电站具有从海洋波浪吸收能量的浮标以及安装在浮标上或者另外地连接到浮标的自紧式绞盘。波浪能由绞盘和连接于绞盘的动力输出系统吸收。该系统包括基于简单的原理的过载保护策略，该原理不允许大于该系统自身能够处理的更大能量进入该系统。这通过滑动离合器而是可以作出的，该滑动离合器在猛烈的波浪的情况下使绞盘绕出(wind out)而不提供增大的阻力，从而浮标能够在波浪最猛烈时可以被轻易地举起并与波浪一道移动，而不是淹没在波浪中且暴露于由此会产生的极端水力作用力。
本发明所依据的已知技术 根据本发明的装置包括如下元件和子系统，其中一些分别是已知的技术或基于现有技术。
-吸收波浪能的浮标1 -自紧式绞盘2 -使浮标和绞盘互连的线缆3 -连接于绞盘的机械能吸收和转换系统10，该系统将从浮标吸收的机械能经由绞盘线缆和转动的绞盘转换为可用能 -过载保护滑动离合器6，该滑动离合器在被传送通过绞盘轴的、单位时间的能量大小到达一定水平时滑动 该系统组件具有以下特定特征其部件和子系统并不单独地具有这些特定特征。
这些部件并不能单独解决这里所说明的本发明所解决的问题利用足够低成本的电站设计从海洋波浪中开采能量，并且极端的波浪不会损坏电站及其部件。
如该文件所说明的并根据专利权利要求书，这些元件的组合将为电站带来实质上的成本降低，并且相信其对于将波浪能作为能量供给而言包括在技术商业化方面的突破。 关键点在于，当各种元件以该特定的配置被放置在一起时，所述部件和子系统一起组成波浪能吸收转换系统的基础，该系统无需昂贵的尺寸要求即能够经受极端的波浪。
然而，一些已知的关于波浪能系统的说明具有的部件可能与这里所述的本发明的部件混淆，但这些系统在耐受性和成本效率方面不具有与本发明同样的功能优势。
绞盘操作式波浪能发电站 基于波浪能吸收浮标的波浪能系统有多个实例，其中借助于卷绕在缆筒上的线缆以机械方式传输能量。参见，例如US 2005/0121915和GR 990100030。但是，这些设备都缺乏如下的过载保护装置该装置是需要的，以允许电站能够在最恶劣的风暴环境下经受最极端的风浪，而又不需要具有会造成亏本的耐用设计。
滑动离合器 根据本发明的装置所提供的过载保护的原理是在已经达到最大动力输入极限时，通过仅仅“让过(letting go)”且不吸收更多的波浪能来限制动力通过量，使得导入系统的能量的大小永远不会过大。该基本原理从未在其它地方被说明作为基于绞盘锚定的浮标的海洋波浪能吸收和能量转换系统在极端波浪的情况下的耐受性策略的一部分。
为了将该原理付诸实践，这里描述的本发明包括位于绞盘2和来自于机械能吸收和转换系统10的输出轴8之间的滑动离合器6。在一个实施例中，由受计算机控制的内建的电磁体来接合和断开该滑动离合器。所述计算机被如下地程序化当经由线缆3从浮标 1且通过绞盘轴4从绞盘2传递的每单位时间的能量的大小达到由该计算机限定的一定上限时，断开滑动离合器。计算机通过基于如下参数的测量来连续地进行计算而确定所述上限值来自于浮标1的作用于线缆3的力的强度、作用于绞盘轴4的转矩、以及该系统的转速。
在专利DE 2850293, WO 96/30646和US 4228360中提到了在波浪发电站中使用滑动离合器。但这些装置缺少用于波浪能发电站的一些所需特征，即在无需耗费不合理的巨额设计费用的情况下，在发生风暴和龙卷风时能够经受住海洋波浪的极端的力。
现在，将以实施方式为示例并参照附图对本发明进行详细说明。
图1示出了具有机械能吸收和转换系统的绞盘。
图2示出了本发明的一个实施例，其中浮标1连接于海底上的锚泊结构9，并且其中绞盘和机械能吸收和转换系统机械位于该浮标内。
具体实施例方式本发明概述 根据本发明的装置包括具有能量吸收和转换系统的波浪能吸收浮标，所述系统可以置于浮标内部、海底或其他位置。图1和图2示出了根据本发明的装置的原理。浮标1用作吸收元件。该浮标连接于具有绞盘线缆3的线缆2。浮标1和具有绞盘线缆3的绞盘2 采用下述连接方式，即当波浪力使浮标1在绞盘线缆的纵向方向上移动时，绞盘受力转动。 绞盘和绞盘线缆使浮标与位于海面波浪下方的参照体互连。所述参照体可以是深海锚板、 如图2所示的海床上的锚9、海床的岩石中的膨胀螺栓、或者其他锚定装置。在图2示出的实施例中，绞盘和能量吸收和转换系统位于浮标内。但这些元件也可以不一体形成在浮标内，而可以放置在别处，例如放置在海底或者在深海锚定装置中。当绞盘受力转动时从波浪吸收的能量以从绞盘轴4以转动运动的形式传输到机械能吸收和转换系统10，最后传送到高速转轴8。能量可以从该轴通过工程人员已知的方法被进一步转换为其他形式，并最终转换为电能。将快速转轴8的能量输出转换为其他形式的有用能和转换成为电能的方法不是本专利的主题，因此在此不做描述。
该绞盘为自紧式绞盘。这表示当移动浮标1和拉动绞盘线缆3的波浪力下降到足够程度时，绞盘能够自身绕紧。绞盘的自紧功能可以通过机械工程人员熟知的机械装置、 液压装置或电动装置实现，因此本文中未进一步说明。
机械能吸收和转换系统 在机械能吸收和转换系统10内，转动能从绞盘轴4输送到输出轴8。在本文中，所述轴8是指高速转轴，因为在本发明的优选实施例中，机械能吸收和转换系统包括一个或多个增加转速的齿轮5、7，使得轴8比绞盘轴4的转动得更快。但这些齿轮是可选的。本系统的功能是获取来自绞盘的转动能并将该转动能传送到输出轴8，所述转动能从该轴能够被进一步转换为有用能。
过载保护原理 用以保护波浪发电站及其内部的部件和子系统免于过载的基本原理很简单当浮标受到的单位时间的波浪能大小过量时，浮标就不吸收能量。通过设计一种固有地对能导入到该系统的单位时间的能量的大小进行限制的能量转换和吸收系统，该原理是可能的。 该想法在于，当波浪中的波浪力变得过大时，波浪能电站不试图去阻挡波浪，而是为波浪让路，以允许极端的波浪中的大部分能量、即具有破坏性的能量峰通过并继续留在海中，从而波浪能电站能够经受最猛烈的极端的波浪。
过载保护滑动离合器 由于波浪运动造成的机械能吸收和转换子系统10和其内部的部件的转速、受力和转矩可以通过安装在机械能吸收和转换系统10内或者位于绞盘轴4和机械能吸收和转换系统之间的过载保护滑动离合器6进行限制。
为了避免系统中的速度过大，机械式滑动离合器5可以设置为当绞盘的速度超过预定的阈值时滑动。或者，该滑动离合器可设置为如果绞盘轴的转矩变得过大时滑动。另外，该滑动离合器还可设置为当满足其他条件时滑动，例如线缆受力过大时。一或多个控制系统可以调节滑动离合器内的压力，从而确定滑动离合器何时应滑动何时不应滑动。这样的控制系统可以是机械式的，如James Watt在其划时代的蒸汽机中所使用的著名的离心限速器。或者，其可以由具有等同功能的液压部件组成。但根据当今技术发展，优选的选择是采用电子系统来控制滑动离合器的动作。
该滑动离合器可以设计为在其上安装有电磁体，所述电磁体可以被通电或断电并且其磁性强度可以变化，由此调节滑动离合器的压力。这些可变的电磁体根据来自于计算机的信号来设置离合器中需要被调节的压缩力大小。该滑动离合器还可以具有一个内建的机械弹簧，从而在所述电磁体或控制该滑动离合器的控制系统失效时确保离合器中的最小机械压缩力。电磁体可以加强内建的机械弹簧的作用，使该滑动离合器能传输更大的转矩。 通过与内建的机械弹簧的力反作用，其还可以沿相反方向作用。这些可由电磁体产生的反作用力的强度足够大，完全抵消掉内建的机械弹簧的力，从而使滑动离合器可以完全断开。 在没有电磁体的加强力的情况下，仅仅来自内建机械弹簧的压力应该足够得小，以确保在由最极端的波浪造成的浮标和绞盘线缆的快速运动的情况中，该滑动离合器滑动。
与机械能吸收和转换系统的相应部件相关联的电子传感器连续地测量该系统和该系统中各个部件的不同物理量的状态，其中下面参数中的一或多个是重要的 -绞盘2或绞盘轴4的转速 -绞盘轴4的转矩 -波浪能吸收浮标1施加于绞盘线缆3或绞盘2的力 来自传感器的测量数据被即时发送至计算机。计算机控制滑动离合器中的电磁体。该计算机被程序化为根据这些输入数据计算在任意时间导入系统中的能量流(每单位时间的能量)，并且在需要时断开滑动离合器16，而在适当情况下重新接合滑动离合器，以保护内部系统免于过大的速度、过大的力和过量的能量输入的作用。例如，该计算机可以程序化为当绞盘2的转速超过一定的预定阈值A时断开滑动离合器，或者在绞盘轴4内的转矩超过预定阈值B时断开滑动离合器，而不考虑转速。该计算机还可以如下程序化，当绞盘转速超过小于A的预定阈值C时以及当绞盘轴的转矩同时超过小于B的值D时断开滑动离合器。多种其他断开和接合滑动离合器的条件均可以程序化到该计算机中。重新接合滑动离合器的条件不必与断开的满足条件正好相反。如果滑动离合器在转速值A时滑动，则其可以在小于A或者为零的值E时重新接合。
还可以根据除了绞盘或与之相连接的转动元件上的能量流、力、转矩或转速之外的一些参数使滑动离合器断开。例如可以手动地或者通过远程控制计算机系统来控制断开。手动地或者远程计算机控制的滑动离合器的断开可以在例如遭遇风暴中或者基于警示恶劣天气的天气预报来执行。计算机还可以程序化为识别输入的测量数据中的作为即将到来的风暴或巨浪的特定特征或者模式，并对此产生作用。或者，可以当系统的关键部件中的温度上升超过特定水平时执行断开操作。
权利要求
1.一种用于绞盘操作式波浪发电站的装置，该装置具有自紧式绞盘0)，所述自紧式绞盘通过绞盘线缆(3)将波浪能吸收体(1)连接于海床或连接到另一个参照点，其中绞盘缆筒经由机械能吸收和转换系统(10)连接于转动输出轴(8)，其中所述机械能吸收和转换系统(10)连接于位于绞盘轴(4)和所述输出轴(8)之间的滑动离合器(6)，所述滑动离合器能够被设置进行滑动，从而中断或者减小从转动中的所述绞盘通过所述机械能吸收和转换系统的机械转动能量流，从而使所述机械能吸收和转换系统所吸收的单位时间能量大小由所述滑动离合器的滑动量限制，其特征在于，所述系统包括控制系统，所述控制系统通过对所述绞盘和所述绞盘轴(4)中的过大的速度和/或过大的力进行作用来控制所述滑动离合器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述绞盘和所述绞盘轴的转速超过特定的预定阈值时，所述控制系统控制所述滑动离合器断开。
3.如权利要求1所述的装置，特征在于，当所述绞盘轴(4)中的转矩或者从所述波浪能吸收体(1)作用于所述绞盘线缆(3)或绞盘O)的力超过特定的预定阈值时，所述控制系统控制所述滑动离合器断开。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑动离合器能通过来自于内建的电磁体的磁力而接合或断开，其中所述电磁体的磁力和方向由计算机进行控制，该计算机通过基于连续的输入数据进行计算而确定何时使所述滑动离合器接合和断开，所述输入数据包括所述系统及其各个部件的不同的物理测量参数，其中作用于所述绞盘(3)的力、作用于所述绞盘轴(18)的转矩、和所述绞盘轴的转速是重要的，从而使得所述滑动离合器在需要时可以被断开，切断或者减小从所述绞盘到所述输出轴(8)的机械能流，以保护波浪发电站及其部件避免遭受极端波浪的破坏作用，并且所述滑动离合器在条件适当时被重新接合，例如当所述离合器的输入轴和输出轴的转速相等或者为零时。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械能吸收和转换系统(10)包括齿轮传动系统(5)，所述齿轮传动系统位于所述绞盘缆筒和所述滑动离合器(6)之间，其增加所述滑动离合器的转速。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械能吸收和转换系统(10)包括齿轮传动系统(7)，所述齿轮传动系统位于所述滑动离合器(6)和所述输出轴(8)之间，其增加转速，从而使所述输出轴可以比所述滑动离合器转动得更快。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算机控制所述滑动离合器的变化的接合、断开和重新接合，其能够被程序化为基于如下的计算作用对系统的各个部分的温度进行测量、对通过系统的能量流进行测量、 或者对能够解释为即将到来的风暴的预警或解释为极其高的波浪即将来临的统计输入测量数据进行测量。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑动离合器被配置为以手动方式控制或者以远程控制方式控制。
全文摘要
本发明涉及到一种波浪发电站，该发电站中设置有从波浪吸收能量的浮标(1)。所述浮标由线缆(3)锚定，该线缆卷绕在自紧式绞盘(2)上。当波浪运动升高浮标时，绞盘缆筒被迫使向外转动。转动能运动被导入到机械能吸收和转换系统(10)，能量在该系统中通过机械装置被转换并被传送到转动输出轴(8)，从该转动输出轴能量能被进一步转换成为其他有用形式的能量，例如电能。本发明包括位于绞盘轴(4)和输出轴(8)之间的滑动离合器(6)，其保护发电站及该发电站中的部件在遭遇猛烈波浪时避免受到极端负载。所述滑动离合器设置了关于发电站能够从波浪中吸收到多少负载的阈值。在一个实施例中，这是通过使滑动离合器受电子计算机控制来实现的，该电子计算机基于测量重要参数来设定关于该发电站能够承受多大的由波浪造成的最大负荷的阈值，所述重要参数比如是作用于绞盘线缆(3)的力、绞盘或绞盘轴的转矩和转速。如果单位时间的能量值，能够从给定的波浪引导到系统的速度或力大于由滑动离合器确定的阈值，则滑动离合器滑动，使得线缆在不提供增大的阻力的情况下被拉出，且浮标随波浪漂浮直至波浪已通过。这种设计特征将有助于降低系统的建造和维护成本，并有助于系统在极端的波浪环境中幸存下来。
文档编号F03B13/18GK102187088SQ200980141475
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月12日 优先权日2008年10月17日
发明者因格维尔德·斯特劳梅, 西尔弗特·斯特劳梅 申请人:斯切米克拉夫特股份有限公司