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专利介绍:波浪能发电技术
2011-06-24 22:39:58 作者: 杨丽摘编 来源:爱博人力资源信息中心 0
     地球的转动和风给予大海波浪大量能量,沿海波浪能能流密度的每米2至7千瓦,而且波浪在海洋中传播上千公里而不会有明显衰减。把水的波浪作为可再生、清洁能源转换为有用的能源是人们长期的愿望。但是,波浪能的不稳定性,又给波浪能的实际应用带来了困难。通常人们通过片状物的上下运动捕获能量,也有如英国专利GB1014196所揭示的用波浪运动压缩气体获取能量,这些技术也在导航浮标、灯塔中有所应用。上世纪70年代,英国爱丁堡大学斯蒂芬·索尔特(Stephen Salter)教授认为,人们对波浪运动研究不够,捕获波浪能的方法效率低。他发明了一种新颖、高效的提取波浪能的方法和装置,捕获能量的效率能达到90%。他的发明立刻在能源界引起了轰动,人们称该装置为“索尔特波浪能装置”,誉他本人为“波浪发电之父”。该技术很快传播开了。
    斯蒂芬·索尔特教授于1938年,出身在南非的约翰内斯堡,后随家移居苏格兰。他毕业于英国剑桥大学,求职于爱丁堡大学,从事流体动力学、工程设计教学和研究工作。1973年发生了能源危机,1974年爱丁堡大学成立了以索尔特为首的波浪能研究组。在索尔特的领导下,该小组就开展了卓有成效的研究工作,又在爱丁堡大学建立了世界上第一座多方位波浪水池。作为发明人,索尔特于1973年11月15日向英国专利局提交了专利申请,并依此为优先权于1974年11月6日向美国专利与商标局申请了专利,并先后被授予了英国专利权和美国专利权。英国专利号为GB1482085。美国专利号为US3928967,授予日为1975年12月30日。该专利申请的名称为《捕获波浪能的装置和方法》。该发明公开了一种从波浪表面水体捕获巨大波浪能量的装置和方法。一条基本上保持水平的类似脊骨的长轴,多个安装在其上并能围绕其摆动的扁平弧形凸轮,该扁平弧形凸轮的形状便于高效获取迎面而来波浪的能量,它的背部和水之间相对运动时能量消耗为最小,在波浪作用下,该凸轮和长轴之间产生相对摆动,形成凸缘泵,从而可将凸轮捕获的高达90%的波浪能转化成所需的液压能、机械能、化学能或电能等。例如,用泵产生的高压液体驱动涡轮发电。
    下面结合该专利实施例附图,对该发明进一步加以说明。图1展示了安装在海洋上的该发明装置,以便拦截并转换波浪能成为有用的能量。部分浸渍在海水中的平台结构4具有上面部分标为3a、3b、3c、……的多个鳍状物或凸肋3,多个在凸肋之间延伸的圆筒形定子1,该定子1作为图2中标为2,相对于图1中标为2a至2h的捕获能量部件枢轴转动的支撑。在其后缘部得到支撑的捕获能量部件2迎面相对波浪,以至于它的自由端21能随波摆动。正是这样,波浪能量通过该发明转变成可用的能量。平台4和它的支撑结构可以是例如半公里长,也可以是以其一定长度支撑多个捕获能量部件工作为单个组件。
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图一 图二

    图2为该发明一个能量捕获单元的侧面正视图。定子支撑部件1穿过圆心为O的孔25;捕获能量部件2的下风侧6从点26延伸到点27形成的曲线部分具有相同的从O点到26和27点的半径,以致于当部件2摆时,该部件的下风侧6也会转动但不会从装置背部位移水。区段7从区段6相邻点27延伸到点30。点27到点30的弯曲部分是围绕O’为圆心,该O’设置在圆心O的上方相距h,h长度约为圆心O到区段6表面半径的一半。从点30直线区段8延伸到点31,它通过曲线部分28与点29相连接形成部件2的前部。过点30的垂直线与部件2的直线部分8之间的夹角θ,在海水平静时约为15°(10°~20°之间)。按图2所示的捕获能量部件2的外廓很重要,在最佳情况下,能捕获到波浪对其撞击能量的90%以上。如图1所示,当装置置于海水中时,并当正如图2所示的波浪对其撞击在部件2的前部8上,使部件2受冲击并绕圆心O摆动,特别要注意是当部件2摆动时下风侧6始终不位移水。而另一方面,随着部件2转动是其区段7和区段8被水驱动的,而且区段7和区段8处在水的表体,水的位移最大,而随着深度加深而减小。由此实现了,当过来的波浪撞击了表面8,使部件2围绕支撑部件1摆动,该发明就这样的运动转换成能有用的能量。
    图3为一组捕获能量部件2和圆筒形支撑部件1的剖视图。其中,支撑部件1和捕获能量部件2的内部结构形成花键型旋转水泵即凸缘泵。支撑部件1带有多个径向凸条9a、9b、9c,并均匀分布在部件1上,对应伸向捕获能量部件2的内开孔31。在捕获能量部件2形成均匀分布多个向内凸起的凸条10a、10b和10c并且伸向部件1的圆周。凸条9的外表面没有开孔,通过该开孔用没有示出的附加泵提供有压力液体形成阻力,以便在部件1和部件2之间形成液压静力轴承。
    当捕获能量部件2顺时针和逆时针摆动都会产生泵送作用。例如,参见图3,当部件2对可凸条10a逆时针运动将对凸条10a和凸条9a之间腔室中的水施加压力并使这样受到压力的水通过在凸条9a中的单向阀流向系统的高压转出导管。当然同时,凸条10b将迫使水通过凸条9b中的单向阀,凸条10c将迫使水通过凸条9c的单向阀,以便分别提供给高压输出导管。就在当部件2逆时针转动时,在凸条9a和凸条10c之间,在凸条9c和凸条10b之间,在凸条9b和凸条10a之间分别通过凸条9a、9b、9c中的单向阀向其腔室注入低压水。接下来,部件2顺时针转动时,凸条10a将对其凸条9b之间液体施加压力,并迫使高压水通过凸条9b中的单向阀流向高压转出系统……整个情况与部件2逆时转动时的情况相类似,只是高、低腔室倒置。这样形成凸缘泵,可利用高压水冲击涡轮而发电。
    图4是图3的局部结构放大剖面图。密封块35、36和37是设在凸条9a和捕获能量部件2内表面25之间的。在部件1中形成多个高压管道11,并且通过多个诸如41和42导管相应地连向多个开口43和44,相应地连通凸条10b和9c之间的腔室。如图4的多个单向阀46和47设置于邻近开口43和44通向对应导管41和42。
    从中心低压管导12伸出的导管48,径开口49进入凸条9a和凸条10c之间的腔室。由低压管导12伸出的导管51通向凸条9a和凸条10a之间的腔室。单向阀52和53分别对应导管48和51设置。
    高压管导41和42直径约为1米,并约在每平方英吋400磅压力下运行。内部低压管导12或将从一般动力设备或者也可直接用低压的海水回给上述凸缘泵。凸肋主要包含大容器,压力平衡的储存器和必要时的动力装置以及管道等。凸肋3的底部用混凝土构件14配重,以便保持整个结构的重心低于定倾中心。平台4中一些没有使用的空间如需要的话,可以填充轻质混凝土、玻璃纤维和树脂混合物,最终做到部件2的重心在平静水中像图2这样的定位。
    也可以将捕获能量部件2的运动直接转换成电动,例如沿圆柱形孔25安置永久磁铁,围绕部件1安装定子绕组,就可产生电能。
    图5为多单元连接在一起的示意图。图6为图5中一个单元的剖面图。

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    上述发明成为该领域中一种经典。凸轮捕获波浪能时,有似鸭头点头上下,又被人们昵称为“索尔特鸭”或“爱丁堡鸭”。该发明也受到英国政府的高度重视,1976年英国能源部说,它相信波浪能是所有可再生能源中最有希望的。索尔特教授也不断对其发明进行改进,1977年1月14日再次申请了专利,名称为《用于捕获水波浪能的装置》,被授予的美国专利为US4134023。该专利主要是对原发明的电子控制系统加以改进,涉及相应于诸如“点头鸭”的位置、速度、加速度的运动参数产生反馈,增强“鸭”与波浪之间的响应关系,使其能在波动频率更宽的水域内应用。1982年研究顾问报告认为改进的装置发电成本和核电成本差不多。随后石油价格一直相对较便宜,80年代初,在犹豫不定气氛中,英国政府停止了对该项目的资助,波浪能发电也没有得到很好的推广应用。无奈中,索尔特给英国上议院可再生能源委员会备忘录指出,“我们不必再浪费15年和消耗另一代年青工程师们的激情。”除非发电价格再次陡峭地上升,不然对诸如波浪能之类的可再生能源的投入可能会继续远低于其它能源。
    现在,能源短缺、环境污染已成为全球面对的重大问题,人们又兴起了对探索高效、稳定、低成本利用波浪能的热潮;作为先驱者的索尔特教授也仍在从事可再生能源和减少“温室效应”影响方面的研究工作。

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