波浪能量轉換器的製作方法

2023-07-25 08:23:06 2

專利名稱：波浪能量轉換器的製作方法
波浪能量轉換器
背景技術：
海洋波浪能量集中在海平面處，海洋波浪能量從海平面隨深度沿指數衰減。對於 深水波浪，能量衰減成使得在等于波長一半的深度(波浪能量區域的底部)時，餘留的波浪 能量不超過海平面處能量的5%。開發了一些系統來從海洋波浪中提取尤其是電形式的能量。最近發展了 SSM (可拉伸合成材料)，例如EAP (電活性聚合物、例如PVDF或聚氯乙 烯、駐極體等等)，SSM在被拉伸或在拉伸量變化時會產生電力。這種SSM材料在Pelrine的 US 專利 6，768，246 和 Pel 的 US 專利 6，812，624 以及 Ishido 的 US 專利公開 200110029401 中公開。利用簡單且有效的系統從海洋波浪中產生電能是有價值的。

發明內容
根據本發明的一個實施例，設置有以有效的方式使用SSM(可拉伸合成材料)從海 洋波浪中產生電能的系統。在一個系統中，可彎曲管，尤其是由彈性體材料製成的可彎曲管 位於海平面處，其中可彎曲管漂浮在海平面上。可彎曲管是長形的並且至少部分地平行於 波浪的傳播方向延伸。波浪在彈性管中形成凸起部，凸起部沿管的長度傳播。SSM材料帶圍 繞管的中心線延伸並且在凸起部經過帶時被拉伸並鬆弛以產生電力。波浪也使管彎曲。用於將波浪轉變成機械和/或電能的多個SSM動力分導(take off)系統(PTO)沿管的長度間隔開。SSM材料片在各PTO之間、平行於管的中心線延伸，各 SSM片位於管的頂部和底部。管的彎曲跟隨波浪的曲率，從而重複地增大和減小SSM片的拉 伸，從而使SSM片產生電力。具有SSM材料的多個管位于波浪能量提取場。各管由短的電纜連接在一起並且各 管被系泊到海床。多個管的輸出被輸送到電路，該電路產生電壓僅和緩地變化的電力。在另一系統中，彈性管被系泊到位於海洋波谷的深度，以便在大多數時間位於海 洋波浪的下面。在波峰下方，增大的海水壓力壓緊管的相應位置，而未壓縮的那些管位于波 谷下方。管的橫截面的變化用於使SSM材料片拉伸和鬆弛。本發明的革新的特徵在隨附的權利要求書中具體陳述。本發明將結合隨附附圖從 下面的描述中更好地理解。


圖1是本發明的在波浪中示出的波浪發電系統的側視圖；圖2是圖1的管的橫截面視圖；圖3是圖2的管的一部分的詳圖；圖4是供圖1的系統使用的另一橫截面形狀的管的立體圖；圖5是由具有電輸出的互連的管構成的管場的立體圖；圖6是從圖1所示類型的管的一個管中輸出的曲線圖；圖7是開關電路的簡化示意圖7A是圖1的管的不同動力分導的輸出的曲線圖；圖7B是示出圖7A的輸出疊加的曲線圖；圖8是本發明另一實施例的波浪發電系統的側視圖，其中管基本上完全浸入海洋 中；圖9是圖8的管的橫截面視圖；圖10是具有封閉端部的彈性體製成的管的側視圖；圖11是示出相對于波浪方向的管軸線方向的系統的平面圖。
具體實施例方式海洋波浪的高度是變化的，通常的平靜狀態下的波浪高度在1米以下，波浪周期 小於7秒。波浪高度在1-4米，波浪周期在10-15秒的波浪是通常海的狀態。高於4米的 波浪高度和大於18秒的波浪周期在例如每10年發生一次的暴風雨中發生。平均海的高度 為波峰和波谷之間的一半。圖11示出了波浪的方向D和長形管12及其軸線沈的方向。管軸線和波浪傳播 方向D之間的角度B優選地最小(優選地B不大於45° )，但是可以大到(沿相反方向) 為 80°。圖1示出了用於從海洋波浪中產生電力的系統10，該系統包括轉換器93，該轉換 器包括具有彈性體製成的管壁的長形管12和水平主中心線14。管由延伸到海底18的系 泊線16系泊，系泊線允許管至少部分地平行於海洋波浪運動的方向D延伸並且漂浮在海平 面20上。當波浪22經過管的長度時，管形成趨於跟隨波浪運動的凸起部M。圖2示出管 被水觀填充，管具有敞開的相對端部，並且管具有彈性(楊式彈性模量小於50，OOOpsi)壁 四。管構造成通過充有空氣的漂浮物34而漂浮在海平面上。管的相對端部30、32可以敞 開或封閉。凸起部M使管的橫截面擴展大於10%，但是一般小於50%。管壁具有例如如 圖3所示的結構，圖3示出管的由彈性體材料，例如橡膠或聚亞氨酯製成的外絕緣壁層40 和內絕緣壁層42，和SSM(可拉伸合成材料)材料製成的中間層44，當施加電壓時，該中間 層在從拉伸狀態被拉伸或鬆弛時產生電力。一對電極46、48位於中間層的相對兩面上。申 請人優選使用用於SSM材料的EAP(電活性聚合物)。從SSM材料產生的電力通過導電體 55輸送到電纜54，電纜具有延伸到海底的部分56和沿海底延伸到發電站的另一部分58。作為使用僅僅一層SSM材料的替代，申請人可以使用多層SSM材料44、45 (在每層 SSM的相對側上具有一對電極)。多層SSM材料可以由捲成螺旋的長層構成。當凸起部M沿管經過一位置時，SSM層44被拉伸然後鬆弛並且產生電流。因此， 在波浪每次經過管的長度並沿管的中心線形成行進凸起部時，管就產生電流。當波浪經過管12的長度時，沿管的長度間隔開的各管段50向上和向下運動，以便 跟隨波浪頂部的正弦曲率。管漂浮在海平面20上，管的頂部位於海平面的上方。在平靜的 海洋中的海平面將位於52處，管是直的和水平的，管的頂部位於海平面的上方。在海洋波 浪中，位于波谷上方的管段在它們自身重力下落入海水中。相反，對於位于波峰下方的管 段，由於它們的浮力趨於使管段的頂部位於海平面上方，因而在海水中向上運動。所有這些 導致管跟隨波浪的曲率。圖2示出了在64處(圖1)的PTO(動力分導系統)之間延伸的SSM材料片60、62，這些SSM材料片沿管間隔開。PT064對支撐SSM材料片的相對端部，並且接收由片產生 的電力。各片的端部位於與管的中心線14間隔開的位置處。當管彎曲以跟隨海洋波浪的曲 率時，各片60、62之一被拉伸，並且如果另一片被預拉伸，在該另一片經歷減小的拉伸時， 該另一片鬆弛。因此，各片產生電流。除了(或代替)使用纏繞管的中心線並且在凸起部 經過管時產生電流的SSM材料層44以外，還可以使用片60、62。申請人:設計的管12具有1米的直徑和20米的長度。圖4示出了管70，該管有些床墊的形狀，該管具有是其高度74多倍的水平寬度 72。在波浪的方向基本不變的位置，管可以由多條線系泊，在波浪的方向改變的位置，單條 線80可以系泊管。管彎曲成使得管的所有部分在經過管的波浪上方延伸一小距離。圖5示出了管場90的一部分，該管場包括多個能量轉換器或轉換裝置93，每個能 量轉換器或轉換裝置包括通過單獨的線94錨固到海底的管92。所有轉換器都位於相同區 域(在相鄰管的100米的範圍內，並且優選在相鄰管的50米的範圍內)。可以提供單獨的 電纜M，以輸送在每個管中由SSM材料產生的電力，但是會增加安裝的成本。然而，申請人 提供了多條短的連接電纜100，每條電纜在TOC(波浪能量轉換器)管之間延伸，並且大體上 不沿海底延伸。僅僅多個管的其中一個管通過沿通向發電站的海底延伸的電纜M連接到 發電站。在本發明中，一個TOC(波浪能量轉換器)在沿本體的長度(或寬度)的不同位置 處安裝有多個PTO(64，圖1)。可拉伸合成材料PTO(動力分導)布置成使得它們由來臨的 海洋波浪一個接一個地致動，從而形成多相電信號。在海洋波浪的作用下，第一可拉伸合成 材料PTO被拉伸。當第一可拉伸合成材料PTO已經到達其最大拉伸時，它在偏壓(Vb)下充 電，如圖6所示。在海洋波浪進一步向下運動以便致動下一個PTO之後，第一 PTO鬆弛，然 後電壓通過將彈性勢能轉換成電勢能而升高至最大電壓(y駄)。相同的機理被順序地複製 到每個ΡΤ0。當電荷從PTO去除時，電壓以公知的放電持續時間(與電路的RC常數相關) 從Vm降低為零。通過具有足夠的ΡΤ0，有可能使得連續的PTO之間的轉換比放電持續時 間更快。然後，主輸出電壓將僅在周圍並且可控制在非常小的範圍內波動。在一個實施例中，各PTO沿可變形的WEC(波浪能量轉換器)的長度、沿波浪的傳 播方向(通過關注的一段波長)有規律地間隔開。在該情況下，轉換順序從位於WEC的上 波浪側上的第一 PTO開始遞增到位於下波浪側上的最後ΡΤ0。結果，電壓的「電波」沿WEC 長度以與真實海洋波浪的速度相同的速度傳播。即使可拉伸合成材料PTO被從任何方向來 臨的不規則海洋波浪隨機地致動，也可以應用相同的原理。使用功率電子學來優化每個PTO 的充電和放電順序，以便維持幾乎不變的輸出電壓。也可以將致動的PTO放入另一未致動的PTO內，以便逐漸地增大電壓。該過程可 以被重複，直到電壓足夠接近νΛλ。這就允許TOC系統產生接近的電壓，即使在海洋 波浪較小時。圖7是開關電路的簡化示意圖，該開關電路包括電控開關102，如IGBT (絕緣 柵雙極型電晶體)。圖7Α示出代表不同時間下的不同PTO輸出的曲線104，而圖7Β的曲線 106代表在給定高度上方的輸出被疊加的總曲線圖104。當從PTO去除電荷時，電壓在公知 的放電持續時間期間從降低至V·、。通過具有足夠的ΡΤ0，輸出電壓在限制值內波動， 如曲線106所示。因此，本發明提供了一種通過使用SSM(可拉伸合成材料)吸收能量來產生電力的系統，其中SSM材料在被拉伸時產生電能。本發明提供了一種用於產生連續的和基本上恆 定的輸出電壓的系統，其中恆定的輸出電壓接近在海洋處於平靜狀態下的系統產生的最大 電壓。圖8和圖9示出了具有中心線111和頂部113的管110，該管位於平靜的海平面 112下面，頂部優選地位於設置系統的海洋區域中最普遍使用的波浪高度的波谷114的大 致高度處。管被正向浮起並通過一對系泊線120、122維持在其位於海底上方的高度處。申 請人還示出了附接到旋轉體125的系泊線123，該旋轉體允許管改變其取向，以便總是平行 於海流延伸。管的相對端部124、1 封閉並且管被大部分地注有水128，儘管管可以至少部 分地注有具有稍微低比重的流體，例如石油。當波峰130位於管段132上方時，管段處增加 的外部海水壓力導致管段直徑壓縮至直徑134。當波谷136位於管段140上方時，管段直徑 被擴大至直徑142。申請人可以將管注有水和有限量的加壓空氣146，如圖9所示。該加壓 空氣不僅使管被正向浮起，還通過對管壁施加預應力和對抵靠管壁的SSM材料144施加預 應力而增大管的初始直徑。管具有圖3所示的結構。因此，當波峰130運動至管段上方的 位置並且管段的直徑縮小時，SSM材料144在管中的張力減小。在管154的端部150、152被封閉(圖10)的實施例中，管將不在傳播的波浪模式 中作用(在管端部被打開時管將在傳播的波浪模式中作用)，但是處於標準波浪模式中。這 種行為尤其適於沿管的長度具有分布的可拉伸合成材料PT0156的管。這可能僅僅是由於 選擇了例如EAP材料的大應變性能的SSM材料。在標準的波浪模式中，可以激勵共振模式， 因此獲得從波浪到管(彈簧質量系統)的非常高的能量傳遞。在該實施例中，波浪在WEC 極限上反彈，因此，在管的長度上往返，從而產生駐波。因此，申請人提供了簡單並且可靠的系統，該系統通過使用具有彈性體製成的管 壁的浮力管而從海洋波浪中產生電力，浮力管被系泊至位於海平面上，因此，管在海洋波浪 經過時或在其上經過時變化。一個管漂浮，管的頂部位於平靜的海平面上方，使得管彎曲以 便跟隨經過管的長度的波浪的形狀。管還形成沿管的長度運動的凸起部。另一管的大部分 時間位於海平面下方，並且在波浪經過管的長度時，另一管的直徑變化。對於這些管來說， 在這些管經歷拉伸變化時產生電力的SSM材料被連接到管壁，並且用於產生電力。雖然在此已經描述並示出了本發明的具體實施例，但是可以認識到，本領域技術 人員可以容易地進行變化和改進，因此，希望隨附的權利要求書用來解釋為覆蓋這些變化 及其等同物。
權利要求
1.一種波浪能量轉換器(93)，該波浪能量轉換器用於從沿海洋中的波浪傳播方向運 動的海洋波浪中產生電力，其中海洋具有海平面(20)、海底(18)和波浪能量區，所述波浪 能量區位於海平面下方的所述海洋波浪的一半波長內，所述波浪能量轉換器包括長形的管(12)，所述管沿管的中心線(14)延伸並且可彎曲，從而使得沿所述管的中心 線間隔開的所述管的不同段(50)能夠從一直線沿不同的豎直方向和以不同的量偏離，所 述管具有基本上水平地間隔開的相對端部(30，32)，並且所述管在所述海中漂浮；一定量的SSM(可拉伸合成材料)材料(40，60，62)，所述可拉伸合成材料在被拉伸不同 的量時產生電力，所述SSM材料連接到所述管的壁上，從而所述管的彎曲產生電力，並且所 述SSM材料包括連接到所述SSM材料以便輸送電力的導電體(55)。
2.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，其特徵在於，所述管具有彈性體製成的管壁， 所述SSM材料為圍繞所述管的中心線延伸並且抵靠所述管壁的片的形式，從而所述管壁通 過海洋波浪局部臨時突出、拉伸和鬆弛所述SSM材料。
3.如權利要求2所述的波浪能量轉換器，其特徵在於，所述管具有大致圓形的橫截面， 所述SSM材料為沿多個位於彼此內、位於所述管內的圓延伸的片的形式。
4.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，其特徵在於，所述SSM材料為長形部分(60， 62)的形式，所述長形部分在所述管中的分導位置(64)對之間延伸，所述管沿所述管的中 心線間隔開。
5.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，其特徵在於，所述管主要被注有水(28)，並且 所述管包含在大於大氣壓力的壓力下的空氣(146)，以對所述SSM材料施加預應力。
6.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，包括多個動力分導系統，所述動力分導系統沿所述管的長度間隔開，每個動力分導系統包 括所述導電體之一；所述一定量的SSM材料包括多個SSM材料，所述SSM材料在被拉伸不同量時產生電力， 所述SSM材料沿所述管的長度間隔開，每個SSM材料連接到所述動力分導系統的至少一個， 並且包括連接到所述動力分導系統，以便疊加各個分導的輸出的連接裝置。
7.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，包括多個連續放置的EAP (電活性聚合物)動力分導系統，所述電活性聚合物動力分導系統 被連接成使得所述波浪能量轉換器的輸出電壓連續地接近每個單獨的動力分導系統的最 大電壓升高。
8.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，包括至少一條系泊線(16)，其具有連接到海底的下端和連接到所述管的上端；所述系泊線和所述管構成為保持所述管，從而所述管僅僅部分地浸入海洋中，使得在 平靜的海洋中，所述管的位於所述中心線上方的上端位於所述海平面上方。
9.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，包括至少一條系泊線(120，122，123)，其具有連接到海底的下端和連接到所述管的上端，所 述系泊線保持所述管完全浸入平靜的海洋中。
10.如權利要求1所述的波浪能量轉換器，其特徵在於，所述管(70)為床墊形狀，所述管具有垂直於長度的沿水平方向的寬度(72)和沿豎直方向的高度(74)；所述寬度(72)是所述高度(74)的多倍。
11.一種波浪能量轉換器，所述波浪能量轉換器用來從沿海洋中的波浪傳播方向(D) 運動的海洋波浪中產生電力，其中海洋具有海平面和海底，所述波浪能量轉換器包括長形的管(110)，其沿管的中心線延伸並且可彎曲，以便從直線沿不同的豎直方向和以 不同的量偏離，所述管具有基本上水平地間隔開的相對端部(124，126)；一定量的SSM(可拉伸合成材料)材料，其在以不同的量被拉伸時產生電力，所述SSM 材料連接到所述管的壁上，從而所述管的彎曲產生電力，並且所述SSM材料包括連接到所 述SSM材料的至少一個導電體；所述管被正向浮起，並且包括一對系泊線(120，122，123)，所述一對系泊線從水下位 置、沿主要向上的方向延伸到所述管的相對端部，並且將所述管保持在平靜的海平面(112) 的下方。
12.如權利要求11所述的波浪能量轉換器，其特徵在於，所述長形的管具有由彈性體 材料製成的管壁，使得所述管能夠擴張和收縮，並且所述SSM材料連接到所述管壁，以便在 所述管擴張和收縮時拉伸和鬆弛所述SSM材料。
全文摘要
本發明描述了一種系統，該系統用於從海洋波浪中獲取能量、尤其是電能。長形的彈性管(12)漂浮在海平面(20)(或位於海平面下面的潛的深度)上，並且至少部分地平行于波浪傳播方向(D)延伸，所述管在波浪經過時彎曲，並且所述管的彎曲拉伸和鬆弛SSM(可拉伸合成材料)(44，60，62)，所述SSM在其拉伸量改變時產生電力。從管中的動力分導出的電力被電疊加。
文檔編號F03B13/10GK102084122SQ200980126181
公開日2011年6月1日 申請日期2009年7月16日 優先權日2008年7月23日
發明者J·波拉克, P·F·讓 申請人:單浮筒系泊公司