浮动式波力发电装置的制作方法

本发明涉及一种浮动式波力发电装置，该装置把波浪的动能转换成可使用的能量形态并加以吸收，实现了高效率及低成本。

背景技术：

虽然世界上的能源有限，但能量消耗却在急剧增加中。随着地球暖化、排碳增加之类的环境问题日益突出而使得人们对化石燃料以外的无污染新再生能源的关注日益增高。

波浪在新能源及再生能源中属于高密度能源并且能够在整整一天发电24小时而受到了很多关注。

韩国注册专利第10-1260037号揭示了一种波力发电结构物，但其波浪能量收获效率有限并且可安装该结构物的海岸地形与水深也受到了限制。

技术实现要素：

技术课题

本发明的目的是提供一种把波浪的动能转换成电或液压能量的浮动式波力发电装置，该浮动式波力发电装置具有高效率及低成本的优点。

解决课题的技术方案

作为一个实施例，本发明的浮动式波力发电装置包括：浮动单元，在海水面浮动；能量单元，把上述浮动单元的动能转换成电能量或液压能量；传递单元，把上述浮动单元的动能传递给上述能量单元。

作为一个实施例，上述传递单元及上述能量单元设于上述浮动单元的内部。

作为一个实施例，本发明的浮动式波力发电装置包括：浮动单元，在海水面浮动；绳索，把上述浮动单元可游动地加以固定；锚固部，把上述绳索的一端部固定到海底面；安全耦合器，为了解除上述绳索上过度的张力而把上述绳索及上述浮动单元加以分离。

发明效果

本发明的浮动式波力发电装置利用绳索系留浮动单元而能比锚桩式、自重式、锚管式海洋设备减少初期设备及施工成本。

本发明的浮动式波力发电装置把驳船或浮动体作为浮动单元使用而得以运用废弃的船舶并且节约成本。而且，把驳船作为浮动单元利用时，能够轻易实现发电装置的安装及拆除作业。

本发明的浮动式波力发电装置凭借着通过绳索的机械式能量传递进行发电而能够高效率地吸收各种方向的运动。本发明的浮动式波力发电装置能够把随着浮动单元平行运动或旋转运动的一切方向而改变的绳索张力全部转换成能量，从而得以实现高效率装置。能够把浮动单元的各种运动的一切能量加以吸收。

本发明的浮动式波力发电装置按照规定距离让多个通行部隔离，因此即使一个通行部被包含在浮动单元的旋转轴，只要其它通行部脱离了旋转轴的位置，则通过该脱离了旋转轴的通行部的绳索上会发生张力而得以吸收能量。

本发明的浮动式波力发电装置的浮动单元内部的能量单元把波力能以电或液压能量方式吸收后传递给陆地，因此能够减少海上的安装成本。

本发明的浮动式波力发电装置包括：安全耦合器，用于解除绳索上过多的张力；标识浮动体，用来在海水面确认锚固部的位置；因此能在暴风时实现安全躲避。

附图说明

图1是示出本发明的浮动式波力发电装置的概略图。

图2是用来和本发明进行比较的虚拟比较用实施例，是示出了配重部与锚固部的关系的概略图。

图3是示出本发明的配重部与锚固部的关系的概略图。

图4是示出本发明的传递单元的概念图。

图5是示出本发明的浮动式波力发电装置的立体图。

图6是示出本发明的浮动单元中通行部的位置关系的概念图。

图7是示出本发明的浮动单元中锚索的配线的概念图。

图8是示出本发明的波力发电装置的主视图。

图9是本发明的浮动式波力发电装置的安全躲避前的概略图。

图10是本发明的浮动式波力发电装置的安全躲避后的概略图。

具体实施方式

下面结合图1到图10具体说明浮动式波力发电装置的结构及其作用。

下面，把垂直于海水面11的方向定义为垂直方向，包含在海水面11的方向则定义为水平方向。

本发明的浮动式波力发电装置可包括：浮动单元200，在海水面11浮动；传递单元100，吸收浮动单元200的动能；能量单元300，把传递单元100所吸收的机械能量转换成电或液压等其它种类的能量。

浮动单元200内部可设有传递单元100与能量单元300。

浮动单元200的直径可以是5～15m之间。该尺寸能够最有效率地吸收水深5m左右的地区所生成的波浪的能量。

浮动单元200可以是驳船。把现有的驳船作为浮动单元200使用而得以运用废弃的驳船并且节约成本。而且，把驳船作为浮动单元200利用时，能够轻易实现发电装置的安装及拆除作业。

浮动单元由其比重小于水的材质或结构构成，例如，其由比重较小的浮力材质的单一材料制成或者为了增强刚性而以框架结构作为骨架并且在该骨架周围结合浮力材料而使得整体浮动单元具备浮力。

由于浮动单元200能在水面上自由移动，因此需要配备能够把浮动单元固定在所需位置领域的位置约束工具。为此，可使用绳索、系泊链601(mooringcable)、锚索(anchoringwire)。

系泊链可以是不连接到传递单元而只是单纯地连接浮动单元与系泊支架603(mooringsupport)的位置约束工具。

图1图示了以一束绳索吸收波力能，但不限于此，可如图4之后的附图所示地设有多个绳索。各个绳索能够包括图3之后的附图所示出的锚索及配重绳索中的至少一个。锚索是图3之后的实施例中把传递单元与锚固部之间加以连接而把波力能传递给传递单元的位置约束工具例。

图1所示绳索是一种设于浮动单元及锚固部之间并且把波力传递给传递单元的工具，其可成为约束浮动单元的浮动位置的位置约束工具。

浮动单元能凭借绳索110系留在海上的一个地点上。浮动单元200被绳索110系留而得以被限制在海上一个地点的一定范围内。本发明的浮动式波力发电装置利用绳索110系留浮动单元200而得以和以锚桩式、自重式、锚管式固定浮动单元200的其它海洋设备相比节约初期设备及施工成本。

根据图1，绳索110的一端部连接到锚固部31，锚固部31则可以固定在海底面13。锚固部31的功能是把绳索110的一端部牢固地固定到海底面13的一个地点。

作为一实施例，锚固部31可以是混凝土块、四角锥体(tetra-port)、锚、石笼网、锚桩(pile)、锚管(jacket)中的至少一个。把固定了绳索110一端部的锚固定在海底面13，把石笼网置于锚上后就能让绳索110的一端部牢固地固定在海底面13的一个地点。石笼网可以在袋子形态的网里装载石头之类的荷重。利用锚把绳索110初步固定于海底面13后再利用石笼网的荷重覆盖锚地进一步固定，就能让绳索110的一端部更牢靠地固定在海底面13。

把波力能以机械能量方式予以初步吸收的浮动单元200并不是固定定安装于水面或海底。浮动单元200利用绳索110系留在海上，因此会随着波浪的行为而进行上下左右或旋转运动。

浮动单元200的该上下左右运动或以x轴/y轴/z轴为中心的旋转运动所导致的绳索110的张力或长度变化能初步吸收浮动单元的机械动能方式。

本发明的浮动式波力发电装置由于通过绳索110发电而能以高效率吸收各种方向的运动。

虽然没有图示，作为针对本发明的比较用实施例，通过刚性导引用结构物吸收移动物体的运动时，物体的运动会被强制在导件的运动方向，因此对于导件导引方向以外的其它方向的作用力则无法吸收外力。

与此相比，根据本发明，浮动单元200能够针对x轴/y轴/z轴方向的平行运动或以x轴/y轴/z轴为中心的旋转运动进行平行运动或旋转运动。绳索110的张力针对一切方向进行变化的话，就能吸收浮动单元200的一切方向及一切种类的动能。

亦即，作用在浮动单元的波浪的变化则通过绳索的张力变化或绳索卷曲在卷筒(drum)而被转换成电能量。针对一切轴的浮动单元的平行或旋转动能都能通过绳索被传递到能量单元后用于发电。

各个绳索可以包括锚索及配重绳索中的至少一个。绳索110可连接到浮动单元200内部的传递单元100。具体地说，绳索110可通过设于浮动单元200的通行部210a、210b、210c连接到传递单元100。为了尽量减少施加在绳索的摩擦力，通行部210a、210b、210c可以是滑动轴承或自由旋转的滑轮。为了既让绳索自由移动又能阻止海水侵入浮动单元内部而利用密封(sealing)件密封通行部210a、210b、210c。

在安装单一绳索的图1所示实施例中，为了防止浮动单元200脱离所需位置领域而安装系泊链601(mooringcable)并将其作为位置约束工具。系泊链可以是不连接到传递单元而仅仅单纯地把浮动单元与系泊支架603(mooringsupport)加以连接的位置约束工具。

图1的实施例说明了设有单数绳索的情形。即使以单数安装了绳索，也能如前所述地吸收前面所说明的浮动单元的多自由度动能。将其进一步改善后设置多个绳索的话，更能提高多自由度动能的吸收效率。亦即，安装多个绳索就能增加能量的吸收效率。

可设置多个绳索110，各自的一端部则可以通过锚固部31固定在海底面13。而且，等同于绳索110数量地设有多个通行部210a、210b、210c，各个绳索110则可以通过互不相同的通行部210a、210b、210c连接到传递单元100。通行部210a、210b、210c可以是把绳索110导引到传递单元100的孔(hole)或槽(slot)。通行部210a、210b、210c可以决定绳索110从浮动单元200的外部插入浮动单元的内部的位置。

优选地，为了通过多个绳索吸收多自由度的动能而让多个通行部210a、210b、210c相互之间按照规定距离隔离。绳索通过通行部210a、210b、210c从浮动单元200的外部插入内部时，通行部210a、210b、210c的位置可以互相相隔规定距离地隔离。

如图5到图10所示，通行部210a、210b、210c的位置可以互相按照a、b、c隔离。这样的结构能对x轴/y轴/z轴方向的平行运动或以x轴/y轴/z轴为中心的旋转运动全部以多自由度吸收浮动单元200的平行动能及旋转动能。

虽然没有图示，作为不是本发明的虚拟比较用实施例，如果多个通行部210a、210b、210c位于一点的话，无法把x轴/y轴/z轴方向的平行运动或以x轴/y轴/z轴为中心的旋转运动全部吸收。

另一方面，浮动单元200进行旋转运动时如果旋转运动的中心轴通过上述一点的话，可能不会发生绳索110的张力变化，可能会让多自由度能量的吸收性能降低。

与此相比，本发明则让多个通行部210a、210b、210c按照规定距离隔离。作为一个实施例，请参阅图6，即使浮动单元200旋转运动的虚拟中心轴m通过至少一个通行部210a、210b、210c，其它通行部210a、210b、210c还是脱离了上述旋转运动的中心轴m。因此，在从旋转运动的中心轴m脱离的通行部210a、210b、210c上通过的绳索110可以实现张力变动或能量传递。

以下,把浮动单元旋转运动的虚拟中心轴m称为浮动单元的旋转轴m。浮动单元的旋转轴m随着波浪状况而变化，是一种不固定的轴。例如，把浮动单元的平行运动以外的翻滚角(roll)、俯仰角(pitch)、偏航角(yaw)运动定义为浮动单元的旋转运动，或者把翻滚角、俯仰角、偏航角运动中至少2种以上运动的合力定义为浮动单元的旋转运动。此时，浮动单元的旋转运动的中心轴m可能在特定瞬间存在，为了说明方便起见，将其定义为浮动单元的旋转轴(图6的图形符号m)。浮动单元的旋转轴是虚拟轴。

本发明能够把x轴/y轴/z轴方向的平行运动或以x轴/y轴/z轴为中心的旋转运动全部转换成电能量。为此，优选地，具备至少3个以上的通行部210a、210b、210c。另一方面，优选地，3个以上的通行部210a、210b、210c不位于共同的一直线m上。

作为一个实施例，即使2个通行部210a、210c被包含在浮动单元200的旋转轴m，另一个通行部210b也能不被包含在旋转轴m。另一个通行部210b可以和旋转轴m以间隔距离n隔离。

请参阅图6，对于离于旋转轴m的通行部210b上通过的绳索110，按照旋转轴m的旋转角度和通行部210b隔离于旋转轴m的距离n的乘积让通行部210b的绳索110被牵拉，能量单元的发电量则和绳索被牵拉的长度成比例地增加。

为了有效地吸收旋转运动，至少设有3个以上的通行部210a、210b、210c，2个通行部210a、210c配置在虚拟一直线m上而其余通行部210b则按照规定距离n隔离于虚拟一直线m。

如果把绳索在外部相向于浮动单元的点称为相向点的话，3个相向点可位于虚拟三角形的顶点。

波浪的波长不是一定值，该波长会随着时间变化。根据本发明所揭示的结构，不受波长长度影响地把x轴/y轴/z轴方向的平行运动或以x轴/y轴/z轴为中心的旋转运动全部吸收为能量。

优选地，波浪的波长大于浮动单元的直径时，不以浮动单元的旋转运动而以浮动单元的平行运动吸收能量。另一方面，波长小于浮动单元的直径时，不以浮动单元的平行运动而以浮动单元的旋转运动吸收能量较佳。如前所述，有些情况下根据波长吸收旋转运动更有效，在其它情况下则根据波长吸收平行运动更有效。为了提高发电量的稳定性(homeostasis)，本发明的绳索配置结构对旋转运动及平行运动全部具有多自由度能量吸收性。

例如，波长是浮动单元200直径的2倍时，浮动单元200朝向波浪顶点上升，波浪过去后则下降而能以更高比率吸收垂直运动。波长小于浮动单元200直径时，能以更高比率吸收浮动单元的倾斜度变化或旋转运动。

本发明的多个绳索及按照预定间距配置的结构对于高效率发电、多自由度发电、发电量稳定性、环境适应性、波浪变动对应性是非常重要的。

传递到绳索的浮动单元的动能被传递给传递单元。传递单元100能把浮动单元200受到波浪影响进行上下左右运动或旋转运动而发生的绳索110的伸张力传递给后端的能量单元300。

需要一种让浮动单元回归初始位置的恢复力或能量单元的发电量平滑化的工具。例如，传递单元100能把浮动单元的动能中的一部分通过传递单元传递给能量单元而把其余一部分储存在能量平滑化工具。能量平滑化工具可举例配重部。

传递单元可以包括把浮动单元的动能保存成位能(位置能量)的配重部150。配重部150通过绳索110连接到传递单元100，可位于浮动单元200与海底面13之间的水中。

配重部150可以是比重(specificgravity)大于水的物体。配重部150可以在水中相对于海水面11进行垂直运动。配重部150进行快速运动才会提高发电效率，因此需要让它承受较小的水抵抗力。因此配重部150可以是流线形，亦即，其垂直于海水面11的方向的直径大于平行于海水面11的方向的直径。

各个绳索可以包括锚索及配重绳索中的至少一个。锚索111可以从传递单元100延伸到锚固部31。配重绳索113可以从传递单元100延伸到配重部150。

浮动单元到达波浪的高点时浮动单元上升并且动能的一部分通过锚索传递到能量单元，其余一部分的动能则驱使配重部上升而以位能保存。经过了波浪的高点后，浮动单元除了自重以外，还凭借着配重部下降时的配重部位能增强浮动单元的恢复力。凭此，不仅能够增强浮动单元对于初始位置的恢复力，还能实现能量平滑化。

传递单元100因波浪导致浮动单元200上升、平行或旋转运动而使得锚固部31与浮动单元200之间的距离变远。锚固部31与浮动单元200之间的距离变远的话锚索111的张力会增加。锚索111的张力增加的话，施加在锚索111的能量的一部分会通过传递单元100传递到能量单元300。施加在锚索111的能量的其余一部分则通过传递单元100把配重部150从海底面13拉起来后保存成位能。

之后，浮动单元200下降、平行或旋转运动而回归原先位置的话，浮动单元200与锚固部31之间的距离变近而减少锚索111的张力。此时，配重部150下降而把所保存的位能传递给能量单元300。锚索111不存在张力时，也能因为配重部150下降并且把动力传递给能量单元300而得以实现能量的平滑化。

其结果，波浪的周期运动导致锚索111张力增加时把施加在锚索111的能量本身传递给能量单元300而在锚索111张力减少是把保存在配重部150的位能传递给能量单元300，因此能让能量单元300实现能量平滑化。

传递单元100包括让锚索111卷绕的锚固轴131和让配重绳索113卷绕的配重轴133，还包括把锚固轴131或配重轴133的动力相互之间传递的传动部130。

锚索111与配重绳索113是互相分离的独立绳索110并且可以通过传动部130在相互之间传递动力。

可以让锚索111与配重绳索113互相分离并且各自独立地卷绕在锚固轴131与配重轴133，通过传动部130以不同的齿轮比连接锚固轴131与配重轴133。例如，锚固轴131旋转10圈时让配重轴133旋转1圈。锚固轴131与配重轴133以相异的齿轮比连接的话，可以让锚索111与配重绳索113卷绕或解除的长度互不相同。

请参阅图2的比较用实施例，如果是锚索111与配重绳索113连接的一条绳索110的话，浮动单元200与锚固部31之间的距离l1变化而使得锚侧绳索110减少时浮动单元200与配重部150之间的距离l3就会按照l1增加或减少的长度以同一长度减少或增加。

但如图3所示，锚索111与配重绳索113分离的话，锚固轴131与配重轴133的旋转量会根据传动部130的变速比而不同。对于浮动单元200与锚固部31之间的距离l1的变化，可以让浮动单元200与配重部150之间的距离l2的变化大于或小于l1的变化量。例如，浮动单元200与锚固部31之间的距离减少了3公尺时，浮动单元200与配重部150之间的距离只增加1公尺。

作为一个实施例，优选地，锚固轴131的旋转量大于配重轴133的旋转量。而且，锚固轴131与配重轴133的旋转比率变大的话，重量体的重量也成比例地增加较佳。如前所述地构成的话，就能缩短移动配重部150时所需要的距离和时间，即使是较短的波浪周期也能快速吸收波浪能量。

而且，相比于锚索111的长度变化，配重绳索113只需要进行较少的长度变化而得以降低配重部150碰撞浮动单元200或海底面13的可能性。例如，在水深5m的地区安装本发明的浮动式波力发电装置时，配重部150的长度为1m而且让配重部150位于浮动单元200与海底面13中央地安装的话，配重部150能确保上下2m的游动距离。此时，浮动单元200即使从原先位置隔离了2m也会让配重部150和浮动单元200或海底面13碰撞。但是如果假设锚固轴131与配重轴133以1:3的齿轮比连接的话，浮动单元200从原先位置至少隔离6m以上才会让配重部150碰撞。

因此，锚索111与配重绳索113以互相独立的绳索110构成并且以锚固轴131与配重轴133的互不相同的齿轮比率连接，就能快速吸收能量并防止配重部150碰撞。

传递单元100能以旋转运动把动力传递给能量单元300。

锚固轴131或配重轴133可设有让锚索111或配重绳索113卷绕的卷筒。

在锚固轴131与锚索111卷绕的卷筒之间可适用单向离合器。卷筒包裹锚固轴131的一部分，卷筒与锚固轴131之间可设有单向离合器。卷筒在卷绕锚索111的旋转方向相对于锚固轴131进行空转，在解除锚索111的旋转方向则把力量传递给锚固轴131并且和锚固轴131一起旋转。亦即，浮动单元200受力而使得锚索111产生张力时卷筒与锚固轴131一起旋转而使得动力被传递到能量单元300与配重轴133，锚索111的张力减小时只有卷筒旋转并且让锚索111卷绕。

在配重轴133与配重绳索113卷绕的卷筒之间可适用单向离合器。卷筒包裹配重轴133的一部分，卷筒与配重轴133之间可设有单向离合器。卷筒在卷绕配重绳索113的旋转方向相对于配重轴133进行空转，在解除配重绳索113的旋转方向则把力量传递给配重轴133并且和配重轴133一起旋转。亦即，配重部150下降而消除位能时配重轴133与卷筒一起旋转，配重部150上升并且积蓄位能时卷筒与配重轴互相空转。

一个配重轴133可连接多个配重绳索113。一个锚固轴131可连接多个锚索111因此，各个绳索110的动力互相补强地驱使配重轴133或锚固轴131旋转而得以实现能量平滑化。

配重轴133或锚固轴131的旋转动力可传递给能量单元300。配重绳索113或锚索111各自卷绕的卷筒可以通过单向离合器各自连接到配重轴133或锚固轴131。因此，多个绳索110中一部分的绳索110即使处于没有需要传递的动力的状态，只要其余绳索110上存在着需要传递的动力的话，就能凭借单向离合器在动力最高的绳索110的能量被传递给能量单元300的期间让其它绳索110的运动不被妨碍，因此本发明的浮动式波力发电装置能够实现能量平滑化。

能量单元300接受来自传递单元100的动力并且把传递过来的动力以电或液压能量予以保存。以所保存的电或液压能量方式保存的能量则可以通过能量传递用线311传递到陆地。

能量单元300把来自传递单元100的动力以电能量保存时，能量传递用线311可以是电线。能量单元300把来自传递单元100的动力以液压能量予以保存的话，能量传递用线311(cable)可以是液压管(hose)。

对于波力能，本发明的浮动式波力发电装置在浮动单元200内部的能量单元300把能量转换成电或液压能量传递给陆地或固定结构物。因此能在海上环境中节约安装费用。

例如，如果是水深缓慢增加的海岸地形的话，从浮动式波力发电装置的安装位置到陆地的距离可能会很远。这时候如果把动力直接拉到陆地后发电的话会增加安装费用。

作为再一个例示，如果是海岸陡峭的绝壁地形并且在陆地安装发电设施时可能会增加安装费用。但是像本发明的浮动式波力发电装置一样在海上发电后以电或液压把加工后的能量传递给陆地就能节约安装费用。

本发明的浮动式波力发电装置中作为让锚索111从浮动单元200的外部进入的位置的通行部210a、210b、210c应该互相隔离，多个锚索111可卷绕在一个锚固轴131上。

绳索连接到浮动单元200并且其一端被锚固在浮动单元外侧的海底，因此从绳索一端被锚固的位置朝浮动单元地，绳索另一端朝向集中的方向。位于浮动单元外侧的绳索虽然相互之间的间距较大，但是越接近浮动单元时绳索端部越收敛。另一方面，安装了至少3个以上的绳索时，这些绳索在浮动单元内部朝传递单元及能量单元的方向集中。

因此，可能会需要在浮动单元200内部把互相隔离的锚索111汇聚到一处。因此，浮动单元200可设有让锚索111汇聚到一处的转向部230。转向部230是一种在维持锚索111张力的状态下予以曲折或弯曲的工具，其可以是滑轮、滑动轴承、导引管。

另一方面，本发明的浮动式波力发电装置可以包括用来进行安全躲避的构成要素。在海上发生暴风之类的过度巨大的波浪时，依然放置浮动式波力发电装置的话暴风可能会导致装置破损。发生暴风时也较难接受波浪的动能。因此，需要能够应付暴风等恶劣天候的工具。

作为应付恶天候的工具，可设有用于解除绳索110过大张力的安全耦合器170、能在海水面11上确认锚固部31位置的标识浮动体180。

请参阅图9及图10，图9示出了暴风前的浮动式波力发电装置的状态。图10示出了暴风后的浮动式波力发电装置。

安全耦合器170可设于浮动单元200与锚固部31之间的锚索111上。在锚索111检测到过多的张力时安全耦合器170就会被解除而使得浮动单元200与锚固部31之间的锚索111断线。锚索111断线后浮动单元200能够躲避到不受暴风影响的地方。

标识浮动体180可以安装在锚索111断线时所分离的两个锚索111中锚固部31侧的锚索111上。标识浮动体180安装在锚索111而得以在暴风过去后使得锚索111的一侧端部位于海水面11。因此，重新安装时能够轻易确认锚固部31的位置，还能省略为了捞起锚索111而进行的潜水作业。

本发明的浮动式波力发电装置在暴风时的安全躲避可如下进行。安全躲避包括下列步骤：把标识浮动体180安装到锚索111的步骤；拉起配重部150的步骤；解除安全耦合器170的步骤；让浮动单元200躲避的步骤。锚索脱离浮动单元的话，拖船把浮动单元拖曳后让浮动单元躲避到防波提之类的安全场所。

锚索或锚固部在暴风时也较不虞破损而且躲避的浮动单元重新回归时需要重新连接，因此使其依然位于海上的原先位置。