专利名称：波动作用发电系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及波动作用发电系统，特别是涉及利用浮式平台的摇摆运动作为动力的波动作用发电系统。
发明内容
本发明提供了一种波动作用发电系统，其包括浮在水面上的平台，所述平台在波动作用下左右摇摆；发电机；在水面上方延伸的刚性臂，所述臂包括通过第一枢轴枢转地附着到所述平台上的第一端；漂浮部件，其设置在水面之上且通过第二枢轴枢转地连接到所述臂的第二端上，所述第二枢轴可操作地附着到所述臂上，当浮在水面上时，所述漂浮部件随着波浪起伏，因而使得所述臂围绕所述第一枢轴交替地顺时针和逆时针运动；以及电力变换机，用于转换所述臂的运动为输出以驱动发电机。
图1为设置在平静的水中的波动作用的发电机、臂和漂浮部件的侧视图。图2为图1的侧视图，其显示由于波动作用，平台向左倾斜，右漂浮部件向右倾斜并且左漂浮部件向右倾斜，右臂向下或顺时针方向运动而左臂向上或逆时针方向运动。图3为图1的侧视图，其显示由于波动作用，平台向左倾斜，右漂浮部件向左倾斜并且左漂浮部件向左倾斜，右臂向上或逆时针方向运动而所述左臂向下或顺时针方向运动。图4为平台的示意性俯视图，其显示液压臂和漂浮部件相对于平台的侧面转动的能力，因此朝向或远离平台的边缘放置所述漂浮部件。图5为连接到所述臂上以利用所述臂的上下运动作为动力的液压活塞的侧视图。图6为所述平台的局部侧视图，显示用于调节所述漂浮部件相对于平台的距离的液压气缸和活塞组件，以及设置在漂浮部件上以利用所述漂浮部件的摇摆运动的能量作为动力的另一气缸和活塞组件。图7为本发明的另一实施方式的示意性侧视图，显示设置在漂浮部件下面以参与对连接到所述臂上的漂浮部件产生拉力的拖拉部件(drag member) 0图8为显示气缸和活塞组件与液压马达的连接的电力转换器的示意性流程图。图9为使用用于将臂的枢转运动转换为单向转动的齿轮传动装置的另一电力转换器的示意图。图10为利用示于图5和图6中的气缸和活塞组件的功率输出作为动力的另一电力转换器的示意图。
图11为利用示于图5和图6中的气缸和活塞组件的功率输出作为动力的另一电力转换器的示意图。图12为本发明的另一实施方式，示出在侧面具有若干臂的圆形或环形平台。图13和图14显示用多个气缸和活塞组件将若干圆形或环形漂浮部件附着到所述平台的臂上。
具体实施例方式参照图1-图3，公开了波动作用发电系统R。浮式平台2 (例如，驳船，小船等)包括负重的漂浮部件4，其被设计为当受到波动作用时向臂6提供推力和拉力。所述漂浮部件4可枢转地附着到刚性臂6上，而臂6则在枢轴9处枢转地连接到平台2上。优选地，所述枢轴9刚性地附着到臂6上，从而臂6的运动转化为枢轴9的来回转动；枢轴9可操作地连接至包括齿轮传动装置的电力转换器上，以将枢轴9的震荡旋转运动转化为连续转动以驱动发电机8的轴。用于转化枢轴9的运动的构造的实例在申请人的序列号为12/457,520的同时待审的申请中披露，该申请在此以参考的方式并入到本文中。在臂6上的枢轴关节12允许臂6伸长或收缩，以改变漂浮部件4的距离使其靠近或远离平台。然后，枢轴关节12在调节至合适的距离后被锁定。臂6的调节取决于波浪的波长。一般而言，部件4与平台2之间的距离大约为波浪波长的二分之一，从而产生臂6围绕枢轴9的更大的扫弧(swiping arc)，例如，臂6在图2中所示的一个位置与图3中所示的另一位置之间的扫弧。所述漂浮部件4用枢轴15连接，可以利用所述枢轴15的转动运动作为动力以用于驱动发电机8。单个或多个臂6和漂浮部件4可以装配至单个或多个发电机8上。所述部件4在正视图中显示为方形，但是可以为允许部件浮起并追随波浪的上下运动的任何形状。当向下拉动臂6时(当通过波浪运动使得浮式平台2的边缘向上运动和/或漂浮部件4向下运动时)，所述枢轴9的枢转运动被用于驱动液压马达，所述液压马达又驱动发电机8。所述枢转运动也可以驱动变速箱，所述变速箱又驱动发电机。当向上推动臂6时(当通过波浪运动使得浮式平台的边缘向下运动和/或漂浮部件向上运动时)，所述枢轴9的枢转运动能再次驱动连接至发电机8的液压马达或变速箱。。参照图2和图3，在操作过程中，波浪10推动臂6的左漂浮部件4向上，使臂6围绕枢轴9枢转，这驱动连接到发电机8上的液压马达或变速箱(如短划线7示意性地表示的)。当波浪10通过时，所述平台向图中的右侧倾斜，如图3所示，因此导致左臂6向下运动，再次导致在枢轴9处的枢转运动，驱动液压马达或变速箱，从而驱动发电机8。参照图4，当预期的波浪具有的波长较短时，臂6可以在与平台2的连接点处围绕垂直轴线7旋转(垂直于纸所在的平面)以使部件4靠近平台2，如短划线所示。这将增加平台2的摇摆运动和枢轴9的旋转。参照图5，液压气缸和活塞组件18被附着到臂6上，以利用臂6围绕枢轴9枢转的弧形运动作为动力。在该实施方式中，所述枢轴9优选被固定，并且所述臂6围绕枢轴9是可旋转的。所述气缸和活塞组件18驱动液压马达20，而液压马达20又驱动发电机8。参照图6，通过气缸和活塞20可以实现臂6的调节以使部件4靠近或远离平台2。进行该调节以利用波浪的更长或更短的波长。将气缸和活塞组件22附着到臂6和部件4
5上以利用部件4围绕枢轴15的枢转运动作为动力，如在图2和图3中所示。所述气缸和活塞组件22的输出被传递至液压马达以驱动发电机8。参照图7，通过缆绳沈将拖拉部件M附着在漂浮部件4上。所述拖拉部件M在臂6上施加了拉力，提高了在枢轴9处产生的扭矩量。所述拖拉部件M还使得漂浮部件4保持附着在水面上，因而使漂浮部件4随着波浪起伏，并防止漂浮部件4悬在水面上的空气中。所述拖拉部件M的一个实例在申请人的序列号为12/457，520的同时待审的申请中被公开。可以使用其它种类的拖拉部件。参照图8，作为电力转换器的示例性的液压管路28可将通过气缸和活塞组件18产生的功率输出作为动力。当在气缸36内的活塞34被示于图2和3中的臂6和/或部件4的枢转运动移动至左侧或右侧时，所述液压马达20被增压线路30和32驱动。返回线路38和40使流体循环回至气缸36中。设置适当的阀门43、45、47和49以确保流体仅单向流动，如线路30、32、38和40中的箭头所示。当活塞34运动至左侧时，阀门43和49打开，而阀门45和47关闭。当活塞运动至右侧时，阀门75和47打开，而阀门43和49关闭。所述马达的输出轴42驱动发电机8。还可以利用气缸和活塞组件22的能量作为动力来使用液压管路观。参照图9，公开了作为电力转换器的示例的齿轮传动装置46，其利用枢轴9的枢转运动作为动力。齿轮48被附着到轴50上，轴50可操作地连接到枢轴9上。齿轮48随着轴50顺时针旋转，但是当轴50随着齿轮52逆时针旋转(由于枢轴9以相同的方向旋转)时，它们就会分离。齿轮52的运动传递至驱动齿轮56的齿轮M，其进一步驱动与齿轮48啮合的齿轮58。所述输出轴60驱动发电机8。所述轴50将与齿轮48或齿轮52接合或分离从而使得齿轮48将仅在一个方向旋转，例如，顺时针方向。机械离合器或电子离合器装备有齿轮52和48以使齿轮48实现单向旋转。因此，当轴50被枢轴9顺时针驱动时，所述齿轮52与轴50相分离；而当轴50被枢轴9逆时针方向驱动时，所述齿轮48与轴50相分离。通过这种方式，总是将在一个方向的扭矩输送给发电机8。可以使用相似的设置以利用枢轴15的枢转运动。参照图10，公开了用于利用由气缸和活塞组件18产生的功率输出作为动力的另一电力转换器64。所述气缸和活塞组件18被配置成驱动另一气缸和活塞组件66，该另一气缸和活塞组件66连接到曲柄轮68上。随着活塞34移向右侧，气缸36内的流体被迫通过阀门67进入增压线路32中，并将气缸和活塞组件66中的活塞70驱动至右侧。在此时，所述返回线路72通过阀门73将正常地关闭。所述活塞70将活塞杆74驱动至右侧。枢轴地连接到活塞杆74和在枢轴80处的曲柄轮78上的连接杆76将驱动曲柄轮68以在一个方向82上旋转。在经过阀门85的循环过程中，所述返回线路84将会正常地打开，将在活塞70前部的流体移置到气缸36中。当所述活塞34向左运动时，在气缸36内的流体被加压至活塞34的左侧，并经过阀门83流出至增压线路30中以将活塞70向左驱动。所述阀门67将会被关闭。此时，返回线路84中的阀门85会正常关闭，而在返回线路72中的阀门73打开以允许活塞70的左侧的流体回流至气缸36中。线路30、32、72和84设置有合适的阀门67、83、73和85，这些阀门以如下的方式运行(1)当线路32打开并将活塞70驱动至右侧时，线路84将会打开，而线路30和72将会关闭；以及O)当线路30打开以将活塞70驱动至左侧时，线路72也将会打开，并且线路32和84将会关闭。所述阀门优选为电动操作的(例如电磁型阀门)并受控于控制器以按上述的方式运行。还可以使用电力转换器64以利用由气缸和活塞组件22产生的功率作为动力。参照图11，公开了另一电力转换器86以利用由气缸和活塞组件18和22产生的功率作为动力。在活塞34根据波动作用而往复运动时，使用气缸和活塞组件18以压缩空气。在气缸36的各个末端设置有空气入口 88和90，并设置有合适的阀门91和93，从而使空气仅沿着以箭头所示的方向92流动。增压线路94和96供给到压缩空气罐98中，压缩空气罐98供给至涡轮机100中以驱动发电机8。分别在线路94和96中设置阀门101和103。当活塞34运动至左侧时，阀门101和91打开，而阀门103和93关闭。当活塞34运动至右侧时，阀门103和93打开，而阀门91和101关闭。排出出口 102在通过涡轮机膨胀之后允许压缩空气排出。当所述活塞34响应波动作用而运动至右侧时，空气被压缩并经过线路96进入至罐98中，并且空气通过入口 90进入。此时，通过单向阀门关闭空气入口 88。当所述活塞34运动至左侧时，用单向阀门关闭入口 92，并且空气被压缩并经过线路94进入罐98中。打开所述入口 88以使环境空气进入。来自罐98中的压缩空气被释放至涡轮机100中，该涡轮机100驱动发电机8。所述活塞70的运动将会持续以相同的方向82驱动曲柄轮68。所述曲柄轮68被用于驱动发电机8。参照图12，连接至各个漂浮部件4(在本文中的平面图中显示为环形或圆形的)的多个臂6显示为附着到平台2 (也在平面图中显示为环形或圆形的)上。所述臂6显示为距离平台2的距离可变，允许部件4以利用不同的主要波浪尺寸。对臂6的调节是通过示于图6中的气缸和活塞组件20进行的。参照图13和图14，所述臂6可以用多个气缸和活塞组件22连接到部件4上。用球窝接头104将各气缸和活塞组件22连接到臂6的端部63上，以及用另一球窝接头106将它们连接到部件4上。所述气缸和活塞组件22优选地关于臂6对称设置，彼此大约间隔120°。在示于12的实施方式中，用球窝接头108将臂6的端部63连接到部件4上。所述球窝接头连接有利地允许部件4响应波浪而在各个方向上自由地摆动和枢转。将所述浮式平台2设计为使由波浪引起的自然的摇摆运动最大化，允许在任何给定的波浪条件下使通量最大化。所述平台2的底部可以为圆形、平坦的或有角度的。根据普遍的波浪条件，可以修建所述平台2以使其尺寸和重量最大化以增加惯性，或最小化以使惯性最小化。在较大的波浪中，重且大的平台2可以对相对较大的漂浮部件施加大的压力，而轻的更具浮力的平台对于较小的波浪是较佳的。所述平台2的边缘摇摆地越厉害，通过发电机8就可以产生更多的电力。因此，将所述平台2设计为使其自然的不稳定性最大化。可由允许施加在液压马达或变速箱上的扭矩功率(torque power)的量来调节平台2的相对稳定性。电输出取决于波浪/浪涛的尺寸、拖拉的大小、在给定的单位时间内推/拉的频率，以及施加在液压马达或变速箱上的扭矩/推力/拉力的量(部分取决于漂浮的质量和浮力)。在本文中公开的系统不仅仅潜在地能够产生工业规模使用的大量电力，而且还可以支持用于养鱼的商用集中区域或其它公海商业。
7
本发明将需要保持或更换的大多数部件设置在水面之上或在浮式平台上以易于可及。然而，许多以前的波动作用发电机设计的关键部件位于水下，而本发明的关键部件(例如发电机)在水面之上。本发明利用了平台在海洋或湍流水中所经历的动态振动。当将多个这些装置并入到一个浮性装置中，人们可以有效地利用施加在平台的各侧/区域的能量，实际上还使得(平台作为整体的)倾斜运动同样有利于能量抽取。例如，如果人们具有方形浮式驳船，并且波浪击打该驳船的某一角落，在波浪经过驳船的其它部分之前，由于连接到发电机或中心发电机上的各部分(each station)上升和下降、推动/拉动/用曲柄转动液压件/变速箱，所述角落本身通过上述的方法产生电。尽管已经描述具有优选设计的本发明，但应该理解到通常遵循本公开中的原则下能够进一步修改、利用和/或变化，以及包括那些偏离本公开，并包括如下的情形偏离本公开，但在本发明有关的在本领域内已知的或常规的实践范围内的情形，和可应用于设定的必要的特征，并落入到本发明的范围内或落入所附权利要求的限制内的情形。
8
权利要求
1.一种波动作用发电系统，其包括a)浮在水面上的平台，所述平台在波动作用下左右摇摆；b)发电机； c)在水面上方延伸的刚性臂，所述臂包括通过第一枢轴枢转地附着到所述平台上的第一端；d)漂浮部件，其设置在水面之上且通过第二枢轴枢转地连接到所述臂的第二端上，所述第二枢轴可操作地附着到所述臂上，当浮在水面上时，所述漂浮部件随着波浪起伏，因而使得所述臂围绕所述第一枢轴交替地顺时针和逆时针运动；以及e)电力变换机，用于将所述臂的运动转换后输出以驱动所述发电机。
2.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，所述平台在俯视图中为圆形。
3.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，所述臂为能够伸长或能够收缩的。
4.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，所述臂是能够围绕垂直轴线转动的。
5.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其进一步包括附着到所述漂浮部件上的拖拉部件。
6.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，a)所述第一枢轴刚性地附着到所述臂上；以及b)所述电力变换器包括可操作地连接到所述第一枢轴和所述发电机上的多个齿轮。
7.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，a)所述电力变换器包括可操作地连接到所述臂上的气缸和活塞组件；b)所述活塞响应所述臂的运动而在所述气缸内作往复运动以产生压缩流体的输出；以及c)液压马达，其可操作地连接到所述输出以驱动所述发电机。
8.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，a)所述电力变换器包括可操作地附着到所述臂上的气缸和活塞组件；b)所述活塞响应所述臂的运动而在所述气缸内作往复运动以产生压缩空气的输出；和c)压力室可操作地连接到所述气缸和活塞组件上；d)涡轮机可操作地连接到所述压力室以驱动所述发电机。
9.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，a)所述电力变换器包括可操作地附着到所述臂上的第一气缸和第一活塞组件；b)所述第一活塞响应所述臂的运动而在所述第一气缸内作往复运动以产生压缩流体的输出；c)第二气缸和第二活塞组件可操作地连接到所述输出以引起第二活塞的往复运动；d)曲柄轮可操作地连接到所述第二活塞上，以使得所述往复运动引起所述曲柄轮转动；和e)所述曲柄轮可操作地连接到发电机上以驱动所述发电机。
10.如权利要求1中所述的波动作用发电系统，其中，a)所述电力变换器包括可操作地附着到所述臂和所述漂浮部件上的气缸和活塞组件；b)所述活塞响应所述漂浮部件而围绕所述第二枢轴的运动在所述气缸内作往复运动以产生压缩流体的输出；和c)液压马达可操作地连接到所述输出以驱动所述发电机。
全文摘要
一种波动作用发电系统，其包括浮在水面上的平台，所述平台在波动作用下左右摇摆；发电机；在水面上方延伸的刚性臂，所述臂包括通过第一枢轴枢转地附着到所述平台上的第一端；漂浮部件，其设置在水面之上且通过第二枢轴枢转地连接到所述臂的第二端上，所述第二枢轴可操作地附着到所述臂上，当浮在水面上时，所述漂浮部件随着波浪起伏，因而使得所述臂围绕所述第一枢轴交替地顺时针和逆时针运动；以及电力变换机，用于将所述臂的运动转换后输出以驱动发电机。
文档编号F03B13/18GK102597495SQ201080039944
公开日2012年7月18日 申请日期2010年8月18日 优先权日2009年8月19日
发明者亚历山大·韦杰费尔特 申请人:亚历山大·韦杰费尔特