具有多個偏置浮體的波浪能發電設備的製作方法

2023-06-17 11:21:11

本發明涉及一種波浪能發電設備，該波浪能發電設備裝備有一個平臺以及安裝在該平臺上的一個波浪能機器並且裝備有多個浮體，這些浮體根據所述波浪(其還在這些浮體上施加水平推力)的向上或向下運動被轉換成液壓能，該液壓能進而通過轉換器(機械系統、與發電機相關聯的液壓馬達、或甚至水電渦輪機)轉換成電能。

更確切地講，從法國專利申請FR 2 992 626或其國際等效文件WO 2014/001717中已知一種包括以下各項的波浪能發電設備：

-一個半潛式平臺，該半潛式平臺配備有從該平臺的頭部延伸至尾部的至少一個縱向箱體；

-一臺波浪能機器，該波浪能機器被安裝在該平臺上，該機器包括：

o一個門架，該門架在該平臺的頭部處橫向地安裝在該箱體上，

o多個浮體，這些浮體被安排成允許將波浪能轉換成機械能，每個浮體包括面向該平臺的頭部的一個頭部以及面向該平臺的尾部的一個尾部，每個浮體被安裝成具有在緊固到該門架上的一個軸上相對於該門架旋轉的能力，該軸被安置在該浮體的頭部側，

o一個轉換器，

該轉換器是從法國專利申請FR 2 992 626或其國際等效申請WO 2014/001717已知的。

這樣的發電設備具有相當大的尺寸。該發電設備的長度一般為100米量級，並且其寬度為25米量級。由於該發電設備的設計並且特別是由於該平臺的尺寸，該發電設備在波浪中非常穩定，使得能夠使這些浮體的移動幅度最大化並且因此優化能源的回收。

在上述文件中所描述的波浪能發電設備中，這些浮體在兩個門架之間被成對地安裝在兩個分開的軸上，這兩對浮體被驅動以相反(反轉)的方向振蕩移動。這些反轉移動使得能夠抵抗橫傾穩定該平臺並且限制(或甚至消除)轉動力矩作用。

然而，這種設計確實需要創建兩個門架，每個門架容納一個技術區域。這導致發電設備變得更重並且要求相對精心的維護，這涉及介入到每個技術區域中。將多個浮體安裝在單一軸上的解決方案會使該結構變輕並且簡化維護，但由於該軸上產生的轉動力矩作用而導致該平臺的輸出減少。這些轉動力矩作用實際上導致該平臺自動地振蕩並且減少這些浮體的移動幅度。

一個目的是提出一種提供以下優點中的至少一個優點(並且優選是全部)的波浪能發電設備：良好的能量輸出，相對容易的維護，良好的平臺穩定性、特別是抗橫傾性。

為此提出了一種波浪能發電設備，該波浪能發電設備包括：

-一個半潛式平臺，該半潛式平臺配備有從該平臺的頭部延伸至尾部的至少一個縱向箱體；

-一臺波浪能機器，該波浪能機器被安裝在該平臺上，該機器包括：

o一個門架，該門架在該平臺的頭部處橫向地安裝在該箱體上，

o至少一個主浮體和至少一個副浮體，這些浮體被安排成允許將波浪能轉換成機械能，每個浮體包括面向該平臺的頭部的一個頭部以及面向該平臺的尾部的一個尾部，這些浮體被安裝成具有在緊固到該門架上的一個軸上相對於該門架旋轉的能力，該副浮體是從該主浮體朝向該平臺的頭部偏移的，

o一個轉換器。

可以單獨地或組合地提供多個不同的附加特徵：

-該主浮體被安裝成具有相對於該門架在緊固於該門架上的一個主軸上旋轉的能力，並且該副浮體被安裝成具有相對於該門架在緊固於該門架上的、並且相對於該主軸縱向上朝向該平臺的頭部偏移的一個副軸上旋轉的能力；

-該平臺包括界定了一個中央通道的至少兩個縱向箱體，至少一個主浮體被定位在該中央通道中，該門架被橫向地安裝在這些箱體之間，並且至少一個副浮體被安裝在該中央通道外側；

-該波浪能機器包括至少兩個副浮體，該中央通道的每一側定位一個副浮體；

-該平臺在其頭部包括離開(short of)這些箱體的下部邊緣橫向地延伸的至少一個穩定鰭片；

-該平臺在其尾部包括緊固到該箱體上的一個橫向浮動梁；

-每個浮體包括一個底部和多個側壁、被安裝成具有相對於該門架關於與該浮體的吃水線相對應的一個均衡位置旋轉的能力，並且該浮體配備有靠近其尾部從這些側壁伸出的一對鰭片，每個鰭片具有相對於該吃水線朝向該浮體的尾部向下傾斜的拱底面。

-該轉換器包括至少一個棘輪；

-該轉換器包括緊固到該軸上的一個主齒輪，該主齒輪與棘輪直接嚙合；

-該轉換器包括緊固到該軸上的一個副齒輪，該副齒輪通過一個換向小齒輪與一個棘輪嚙合；

-該轉換器包括至少一個飛輪；

-該波浪能機器包括至少一個附加浮體，該至少一個附加浮體在該附加浮體的尾部側上被安裝成具有相對於該門架在該軸上旋轉的能力。

鑑於下文中參照附圖給出的對一個實施例的描述，本發明的其他目標和優點將變得明顯，在附圖中：

-圖1是波浪能發電設備的透視圖；

-圖2是圖1的發電設備從上方看的局部視圖；

-圖3是圖2的發電設備的截面III-III的平面上的截面視圖；

-圖4是根據第一實施例的該發電設備所裝備的浮體的透視圖；

-圖5是圖4的浮體的局部側視圖；

-圖6是圖4和圖5的浮體的局部正面視圖；

-圖7是根據第二實施例的該發電設備所裝備的浮體的透視圖；

-圖8是圖7的浮體的側視圖；

-圖9是圖7和圖8的浮體的局部正面視圖；

-圖10是根據第三實施例的該發電設備所裝備的浮體的透視圖；

-圖11是圖10的浮體的側視圖；

-圖12是圖10和圖11的浮體的局部正面視圖；

-圖13是示出了該發電設備所裝備的能量轉換器的示意性局部視圖，該能量轉換器包括棘輪以及與該棘輪直接嚙合的齒輪；

-圖14是圖13的能量轉換器的細節視圖，示出了加框特徵XIV；

-圖15是類似於圖13的視圖，示出了包括棘輪以及通過換向小齒輪與該棘輪間接嚙合的齒輪的能量轉換器；

-圖16是類似於圖2的視圖，示出了根據替代形式的實施例的發電設備；

-圖17是圖16的發電設備的截面XVII-XVII的平面上的截面視圖；

-圖18是類似於圖2和圖16的視圖，示出了根據另一替代形式的實施例的發電設備。

圖1描繪了波浪能發電設備1。旨在離岸安裝的此發電設備1包括半潛式平臺2以及安裝在平臺2上的波浪能機器3。

半潛式平臺2裝備有至少一個長形浮動箱體4。在所展示的示例中，平臺2裝備有在縱向方向上彼此基本上平行延伸的若干長形浮動箱體4，當發電設備1在海上時該縱向方向對應于波浪的主要行進方向(由位於圖2左側的箭頭繪製出)。

在所展示的示例中，這些箱體4的數量是兩個並且具有平行六面體形狀和矩形截面，這些箱體的高度優選比其寬度大。這些箱體4具有實體的或穿孔的側壁5，這些側壁共同限定從平臺2的頭部7(圖1、圖2和圖3的左側)延伸至尾部8(圖1、圖2和圖3的右側)的中央通道6。

由於這些箱體4的側壁5，在波浪的主要行進方向上沿通道6引導海水，從而限制了平臺2的側傾(或橫傾)移動。

每個箱體4具有縱向上部邊緣9和縱向下部邊緣10，這些邊緣彼此相反並且在平靜至中度(儘管仍然是多波浪的)的海洋中對應地浮現和浸入。

每個箱體4優選是中空的並且是通過組裝多個(例如由抗腐蝕處理的鋼製成的)金屬板、複合片材或由足夠剛性的並能承受彎曲載荷和腐蝕的任何其他材料的片材來生產的。每個箱體4可以使用多個內部肋來加固，以便更好地承受縱向平面(特別是當該箱體懸伸跨過波浪的浪峰時或者當該箱體以其兩端被兩個相繼的浪峰支撐時)和其橫向平面(特別是在局部渦流的事件中)兩者中的彎曲應力。

每個箱體4可以進一步被隔室化以形成多個壓載艙，這些壓載艙可以為了調整吃水線而至少部分地填充有海水或被排空。可以使用多個泵來執行這些壓載艙的填充和排空，優選是自動地操作的。這種調整優選被執行成使得該吃水線或多或少沿這些箱體4的中部伸展-換言之，使這些箱體4的吃水深度和幹舷基本相同。

根據圖1和圖3所展示的一個實施例，每個箱體4在尾部8具有加寬和/或升起的末端(如在圖3中尤其可見)。其結果是，截留在箱體4中的空氣的體積更高，平臺2在其尾部8的浮力局部地增加。

如在圖1、圖2和圖3可看到的，平臺2在其尾部8包括浮動梁11，該浮動梁被緊固到這些箱體4並且橫向延伸，從而連接這些箱體。除其聯接和間隔開這些箱體4的功能以及加固平臺2的作用之外，梁11用作浮體以便持續使尾部8保持在海平面。換言之，如在圖3中可清楚地看到的，尾部8隨波浪而動(在該圖中以點劃線描繪出)。

梁11可以具有任何形狀的縱向截面(圖3)，但優選的是該梁具有圓形形狀，以便優化其浮體功能。因此，在所展示的示例中，梁11本身是空心和管狀的，具有圓形截面。梁11的豎直定位被調整成滿足平臺2的設計以及特別是這些箱體4的形狀；在所展示的示例中，梁11大致是在這些箱體4的中段延伸的。

平臺2進一步包括至少一個穩定鰭片12，該至少一個穩定鰭片在海中通常是持續浸沒的，該鰭片12在平臺2的頭部7處離開這些箱體4的下部邊緣10橫向延伸。

頭部鰭片12隻延伸在平臺2的一部分長度(典型地是在其長度的1/5和1/10)上。

鰭片12具有基本上平坦的上面13或上表面以及下面或拱底面14，該上面或上表面平行於並且面向在此箱體4的下部縱向邊緣10，通過該下面或拱底面，可以藉助於與平臺2相緊固的懸鏈線15將平臺2錨定到海床上。將懸鏈線15錨定到鰭片12意味著平臺2可以自動定向成迎著波浪，力是沿著其軸線施加的，從而保持懸鏈線15持續繃緊。

鰭片12具有U形的截面並且包括兩個側向側面16，這些側向側面從這些箱體4的下部邊緣10以其豎直延續部延伸，使得上表面13從這些箱體4的下部邊緣10延伸一定距離，以使位於比箱體4更低水平高度的鰭片12始終以足以免遭波浪影響的深度浸沒。

其結果是，平臺2由於克服鰭片12的水柱的重量而位於穩定的縱傾姿態，並且其用作阻尼器，從而衰減平臺2的移動，特別是側傾(或橫傾)移動。鰭片12的阻尼功能和平臺2由懸鏈線15錨定的組合作用意味著平臺2的頭部7對波浪不太敏感並且維持基本恆定的調整姿態。

相比之下，尾部8由於這些箱體4的尾端的浮力而隨波浪而動，此浮力與梁11的浮力的相組合。因此，波浪致使平臺2在尾部8振蕩，這種振蕩以與鰭片12的橫向中線或多或少重合的軸線為中心。

波浪能機器3在平臺2的頭部7安裝在該平臺上。機器3首先包括門架17，該門架安裝在這些箱體4上使得該門架在這些箱體之間橫向地延伸、與鰭片12豎直對齊、並且在這些箱體的上部邊緣9處與之相聯接。

波浪能機器3其次包括浮體18、19，這些浮體具有相對於平臺2旋轉的能力，這些浮體被設計成允許將波浪能轉換成機械能，即：

-至少一個主浮體18被在緊固於門架17上的主軸20上安裝成具有相對於門架17旋轉的能力，

-至少一個副浮體19被在類似地緊固於門架17上的副軸21上安裝成具有相對於門架17旋轉的能力。

每個浮體18、19包括面向平臺2的頭部7的頭部22以及面向平臺2的尾部8的尾部23。

主軸20被安置在主浮體18的頭部22的相同側(即在上遊端)。同樣地，副軸21被安置在副浮體19的頭部22的相同側(這意味著在上遊端)。以這種方式，在運行期間這些浮體18、19是以相同旋轉方向上的振蕩旋轉移動來驅動的。

然而，如在圖2和3中可以清楚地看到的，副浮體19是相對於主浮體18朝向平臺2的頭部7縱向偏移的。在縱向上測量的浮體18、19之間的偏移表示為D1。可以在浮體18、19的頭部22之間、在它們的尾部23之間、或替代地在它們對應的重心之間測量該偏移D1。

根據一個具體實施例，特別是在圖1至圖3中所展示的，副軸21是相對於主軸20縱向偏移的。在縱向上測量的軸20、21之間的偏移表示為D2。

偏移D1和D2可以是相同的，特別是當浮體18、19相同時。然而，偏移D1和D2可以是不同的。根據一個實施例，偏移D1和D2被包括在5m和20m之間。

如在這些圖中所展示的，波浪能機器3包括定位在通道6中的至少一個主浮體18、以及安裝在通道6外側的至少一個副浮體19。如在圖1和2中可以清楚地看到的，副軸21橫向地延伸，從側向壁5伸出，以允許副浮體19的鉸接式安裝。

在所展示的示例中，波浪能機器3包括至少兩個副浮體19，通道6的每一側定位一個副浮體。因此，每個副浮體19以鉸接的方式安裝在副軸21的伸出部上。

如還可看到的，在所展示的示例中，波浪能機器3包括被安排在通道6內的兩個主浮體18。作為替代方案，浮體18或19的數目可以更高。

這個或這些副浮體19相對於這些主浮體18的縱向偏移使得能夠使平臺2所採取的橫傾最小化並且因此使該平臺穩定。確切地講，如圖3所展示的，在該圖中副浮體19是以虛線描繪的而使得透過箱體4可見隱藏細節，這個或這些主浮體18和這個或這些副浮體19的振蕩是不同步的，每個浪峰首先到達這個或這些副浮體19。這樣的不同步使得能夠分配由這些浮體18、19產生的轉動力矩作用並且因此在每一時刻減少施加到平臺2(並且更確切地講施加到箱體4)上的彎曲力。這使得能夠使這些箱體4的工作截面最小化並且因此使平臺2更輕。

這些主浮體18和副浮體19可以是相似或相同的(如在所展示的示例中)或者可以是不同的。

每個浮體18、19包括底部24和多個側壁25，這些側壁既從底部24豎直地延伸又從頭部22到尾部23縱向地延伸。

每個浮體18(或19)被緊固到剛性臂26上，該剛性臂被安裝成具有在主軸20(或副軸21)上旋轉的能力並且是從軸20、21朝向尾部8延伸的。

各浮體18、19被安裝成具有以關於一個均衡位置(沒有波浪時的位置)振蕩方式在其軸20、21上旋轉的能力，該均衡位置對應於浮體18、19的吃水線27(在圖5、圖8和圖11中用點劃線描繪出)。

每個浮體18、19優選配備有在尾部23的附近從這些側壁25伸出的一對鰭片28。每個鰭片28具有相對於吃水線26朝向浮體18、19的尾部23向下傾斜的拱底面部分29。鰭片28的拱底面29與吃水線27之間的傾斜角表示為A。此角度A優選被包括在10°和45°之間。

這些鰭片28使由波浪施加到這些浮體18、19上的升力增大並且使得有可能在低的或中等幅度的波浪的情況下從施加到這些浮體18、19的水平力中回收能量，從而提高該發電設備的能量效率。在高浪的情況下，這些鰭片28將在浪峰上採取大致水平的取向，因而消除了升力(並且因此消除了軸20、21上產生的負載)，以有利於發電設備1的安全性。由於浮體18、19的傾斜是根據波浪而變化的，應當理解的是，在這些鰭片28上產生的升力不是恆定的。在實踐中，波浪越強，證明這些鰭片28的用處就越小，因為這些鰭片28更加會在輕度至中度波浪情況下提供最大作用。

針對每個浮體18、19存在多個可想到的實施例。

根據圖4至圖6所展示的第一實施例，鰭片28是由傾斜板30形成的，該傾斜板被安裝到尾部23並且在每一側橫向地突出超過這些側壁25。如在圖6中清楚可見的，底部24基本上是平坦的並且平行於吃水線27，一直到形成沿這些鰭片28的延續部延伸的傾斜偏轉器31的板30。

根據在圖7至圖9所展示的第二實施例，臂26從浮體18、19的頭部22延伸；底部24是相對於吃水線27傾斜的，從臂26的附近一直到尾部8。如在圖7至圖9中可看到的，浮體18、19包括兩個唇緣32，這些唇緣縱向地延伸在這些側壁25每側的延續部上從底部24伸出。這些唇緣32用於局部地引導在浮體18、19下方流動的水。其結果是，使底部24處的和這些鰭片28處的流動湍流的風險最小化，並且因此提高了浮體18、19的效率。

根據在圖10至12所展示的第三實施例，浮體18、19比第二實施例中更異形。這些鰭片28沿浮體18、19的上面33的延續部(其可以是稍微彎曲的)延伸，所述上面是底部24的相反面。如圖11中可看到的，拱底面29可以是凹形的(凹面面向浮體18、19的頭部)。此外，浮體18、19可以包括偏轉器31，該偏轉器在尾部23沿上面33的延續部延伸並且相對於吃水線27傾斜，而底部24基本上是平坦的並且平行於該吃水線。

門架17優選地是被尺寸確定成足夠寬大以形成容納和存放發電設備1的特別是用於將機械波浪能轉換成電能的器材的技術區域。

為此目的，機器3再其次地對於每個軸20、21包括至少一個轉換器34，該至少一個轉換器允許將浮體18、19的振蕩移動轉換成連續的旋轉移動，而後者能夠通過發電機(未描繪出)被用來產生電力。對於每個軸20、21，此轉換器34包括安裝與軸20、21相平行的驅動軸36上的一對棘輪35。

根據這些圖中所展示的實施例，每個輪35包括具有單向內齒套38和雙向外齒套(其未被描繪出)的環形齒輪37。輪35包括從動輪39，該從動輪被緊固到驅動軸36上，並且在該從動輪上安裝了具有以與齒套38單向嚙合的方式來旋轉的能力的棘爪40。棘爪40被彈簧41朝向齒套38推動。

此外，對於每個軸20、21而言，轉換器34包括主齒輪42，該主齒輪與軸20、21一起旋轉並且與第一棘輪35、更確切地講與環形齒輪37的外齒套直接嚙合，如圖13和圖14所展示的。

對於每個軸20、21而言轉換器34進一步包括副齒輪43，該副齒輪與軸20、21一起旋轉並且通過換向小齒輪44與第二棘輪35(並且更確切地講與環形齒輪37的外齒套)嚙合。

以這種方式，浮體18、19通過臂26與軸20、21一起驅動主齒輪42沿第一旋轉方向(這些圖中的順時針方向，參見圖13和圖14中的箭頭F1)旋轉，該主齒輪驅動第一棘輪35的環形齒輪37以相反方向(逆時針方向，圖14中的箭頭F2)旋轉。與內齒套38嚙合的棘爪40然後沿與環形齒輪37相同的方向(逆時針方向，圖14中的箭頭F3)驅動從動輪39(並且因此驅動驅動軸36)。

同時，副齒輪43通過換向小齒輪44沿順時針方向驅動第二棘輪35的環形齒輪37，環形齒輪37然後繞驅動軸36自由旋轉。

相反，當浮體18、19通過臂26與軸20、21沿逆時針方向驅動主齒輪42時，該主齒輪沿順時針方向驅動第一棘輪35的環形齒輪37，環形齒輪37然後繞驅動軸36自由旋轉。

同時，副齒輪43通過換向小齒輪44(順時針方向，箭頭F5)沿逆時針方向(箭頭F6)驅動第二棘輪35的環形齒輪37(在這些圖中沿逆時針方向，參見圖15中的箭頭F4)。與內齒套38嚙合的棘爪40然後沿與該齒套相同的方向(逆時針方向)驅動從動輪39(並且因此驅動驅動軸36)。

由於上文所描述的設計，無論臂26沿哪個方向旋轉，齒輪42、43中的一者或另一者都會通過這些棘輪35中的一者或另一者驅動驅動軸36。換言之，無論浮體18、19向上或向下移動，能量轉換都是連續的。

應當指出的是，轉換器34可以包括一個(或若干)飛輪45，所述飛輪例如被安裝在每個軸20、21(或驅動軸36)上，以便使急動平滑並且因而調節驅動軸36的旋轉速度(並且因此調節發電設備1的運行速度)。這導致電流的平滑產生。

發電設備1的這種設計提供了許多優點。

首先，正如我們已經看到的，這些副浮體19相對於主浮體18的縱向偏移使得能夠限制平臺2的橫傾並且因此使該平臺穩定，有利於發電設備1的能量輸出。

其次，只存在一個門架17的事實使得維護髮電設備1更容易，從而可以從這個單一技術區域執行所有的維護操作。

應當指出的是，可以想到通過使若干發電設備1橫跨同一列波浪成一排地對齊或者通過使這些發電設備在縱向上(即在波浪的行進方向上)偏移來將這些發電設備聯接在一起。

可預見到存在許多實施例的替代形式。

根據圖16和圖17所展示的實施例的替代形式，該發電設備包括被安排在門架17的上遊並且安裝在副軸21上的一個(或多個)附加浮體46。像浮體18和19一樣，每個浮體46具有頭部22和尾部23並且在尾部23的一側通過一個或多個臂26(在所展示的示例中為兩個臂，以臉頰的方式側翼包圍浮體46)安裝在軸21上。

如圖17中可清楚看到的，每個浮體46具有輪廓確定成提供低的阻力係數並且因此對波浪僅施以少量的正面阻抗的形狀的縱向截面。在所展示的示例中，浮體46具有橢圓形輪廓。這個或這些浮體46相對於這個或這些副浮體19自由旋轉並且以上文所描述的方式聯接到轉換器34。

這個(這些)浮體46通過對產生電能做出貢獻而提高了發電設備1的輸出。鑑於它(它們)與浮體18、19相反的取向，這個或這些浮體46沿與其相反的方向振蕩並且因此提供傾向於使平臺2穩定的反轉作用。

根據圖18所展示的另一個替代形式，主軸20和副軸21是同軸的，副軸21從側壁5延伸成伸出部。在所展示的示例中，機器3具有位於通道6的各側的多個副浮體21，軸21包括兩個同軸部分，在這些箱體4的每一側延伸一個同軸部分。然而，這些主浮體18和副浮體19不是從它們的軸20、21延伸相同的距離，從而在它們之間保持了偏移D1。在實踐中，該偏移可以是由這些臂26的長度差來提供的。由於這些主浮體18和副浮體19的振蕩是不同步的，應當理解的是，這些浮體18、19就旋轉而言不是相連的並且分開地驅動指定的轉換器34。