专利名称：多相位和多维波转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波能发电机(也称为波转换器)，该波能发电机以高效、简单、便宜、稳固和耐久的方式转换和利用波浪中的大部分能量。这种完全新颖和不同的、从波浪中获取大量能量的方式提供了一种能够以便宜和持久的方式产生清洁能源的方案。这使得本发明不仅技术上可行，而且对于商业要求也可行。它已经在波浪中进行了测试，并符合物理法则。在本领域中有很多其它专利，但是其中公开的技术方案都不能以简单和便宜的方式产生大量能量。
授予Cockerell的美国专利No.4098084公开了一种波转换器，该波转换器通过扁平浮子部件而绞接在一起，该浮子部件有在它们的铰链处的泵，且该扁平浮子部件在振动(枢轴运动)时产生能量。由于波转换器的运动并不与水的运动相对应，因此该方案不会产生大量能量。通常，来自海洋的力矢量的方向与波转换器的设计工作方向完全不同。来自海洋的能量使得浮子部件能够推动和拉动铰链，并将它们撕开。Cockerell的方案有较短的工作寿命和过高的电价。
PCT/NO99/00243公开了一种两相风力-波浪马达，该马达利用来自波浪的两个不同相之间的相对运动的能量，且该马达还利用波浪的垂直和水平的质点运动。而且，还有使得在两组浮子中的每组的相同相位浮子相互连接的固定结构。该方案证明能产生相对较大的能量。然而，该方案的局限是只利用两个不同相位的波浪，而不是利用更多相位的波浪。而且，马达提供有在相关相位的浮子之间的相互连接结构，因此有时传递的一些能量可能引起不需要的磨损和撕开。
在这里所述的新发明中，可以利用任意合适数目的不同相位，从而利用由在各单个浮子元件1和两个最接近浮子元件之间的相对运动而产生的能量。这将产生更多能量，还提供更简单的设计。在本发明中，可以省略前述专利申请中的、使属于相同组和相位的浮子固定连接的所述结构。各浮子元件可以在适合它所处的波浪的相位中工作。由于没有磨损所述结构的扭转力，因此结构的强度增加。这些优点使得每单位电量有更低的价格，还能够提供更坚固和更美观的设计。
下文中将对三点进行简要说明1.更高效率。各单个浮子元件吸收由它自身相位和两个最接近浮子元件的相位之间的相对运动产生的能量。因此，浮子元件能够在任意时间吸收在它“自身”的波浪中(即该元件浮动的波浪中)相对于两个最接近浮子元件可获得的能量。当波浪大小在短时间和长时间内变化时，这变得更明显。波转换器还将有更高效率，因为在浮子元件之间的距离可以根据波长而变化和进行适应。
2.更好的经济性。因为没有在浮子元件之间相互连接的固定结构，因此建造成本较低。而且，产生高能量将提供更好的经济性。通常，如这里所述，经济性的意思是能够以每单位电量尽可能低的出售价格来产生能量。
3.更坚固的结构。结构的强度和耐久性取决于多个因素。其中的一个因素是作用在结构上的力的大小。当这些力较小时，与力较大时相比结构将更耐久和更持久。
与通常认为的情况相反，这些力和能量并不等于在海洋中可获得的能量。例如，在猛烈的飓风中，浮动于海洋中的火柴将不会破碎。这是因为海洋的力绕过该火柴。由于没有相反的力，火柴将伴随该力。甚至进行捶击时，浮动在水中的该火柴仍然将保持完整。这显示最坚固的物体并不总是证明最耐久，如牛顿第三定律关于作用力与反作用力所述。强度涉及控制能量的方式。该波转换器控制能量的方式公开了与所述假设实例的火柴的两个物理相似点，该相似点是在浮动结构和它的相连系留件之间没有系留力；没有比波转换器生产时估计所需的力更大的力通过该结构进入。这些力受到波转换器产生的能量大小的限制，并限制在该力作用的结构的位置。由于结构具有很高效率，即波转换器吸收、转换和产生大量能量，因此结构将提供有利的强度和耐久性。各单个浮子元件使得海洋的巨大力能够使浮子元件沿各个方向自由运动，同时吸收和利用所有这些能量，且没有任何使结构磨损的力。机械和能量产生单元吸收能量。
具体实施例方式
水使得各单个浮子元件以它自身的波浪的特定相位来运动，能量由在一连串浮子元件中的各浮子元件和两个相邻元件(或者在一侧一个)之间的相对运动的力来产生。浮子元件进行垂直和水平运动，且它们进行圆形、椭圆形或其它曲线形运动，同时绕它们的轴旋转。在各浮子元件和其它元件的运动之间的相位差将产生该(相对)能量。而且，装配成一连串的各连续浮子元件将收获波浪新相位的能量。
因为若干连续浮子元件经受波的不同相位，波转换器将利用在浮子之间的运动的相对差异来收获波浪的能量。波转换器可以同时利用来自若干方向的若干波浪谱的能量。这样，波转换器收获海洋波浪的基本全部能量。
包括8个视图的图3表示了波转换器的运动。示意图AI、BI、CI和DI表示了四个时间瞬间，各字母表示在前一图之后四分之一波浪周期的波浪。图AII、BII、CII和DII表示了与在前实例相同情况，然而，区别是波浪大得多。由此可见，在所有不同尺寸的波浪的视图中，垂直和水平相对运动都很明显。这些图还表示了波转换器可以相对于波浪大小有较小结构，且它还可以以高效方式工作。因此，产生的能量与建造成本的比例将很有利。
一连串的杆2A、2B(或管)和活动接头3、4相互连接，以便使得各杆的各端与活动接头连接，该活动接头进一步与下一个杆连接，从而形成它们的连续链。一个浮子元件1或一组浮子元件与各另一接头4连接，从第一接头开始，各元件1的重心在接头4的中部。而且，浮子元件1可以绕接头中的该点而进行球形枢轴运动。该枢轴运动布置为从液压(或气动)泵7、8、9提供受控的阻力，该阻力的功能是吸收冲击，同时还产生能量。至少使用三个浮子元件1，各浮子元件1伸展开，并有在其下方布置在中间的垂直板。在水中朝向下的这些垂直板收获来自水平波动的能量，它们将在一定程度上跟随该水平波动。水在波浪的波峰处向前运动，且在波谷处向后运动。同时，各元件1由于它的浮力而升高，并通过它的重量而拉低，从而交替改变其高度。元件1可以自由地沿圆形、椭圆形或曲线形路径而运动。
为了当水推动浮子元件下面的垂直板时防止浮子元件1枢轴转动和翻倒，并使这些板保持垂直，接头利用两组杆而相互连接。该杆结构如
图1A所示。当成对布置时，设置有四个安装点21(在各杆2的各端)，在它们之间有相等距离，这样，所述四个安装点21布置为形成平行四边形的四个拐角，该拐角的角度可以成对变化。
替代地，为了提供简化的更大结构，前述机械结构可以由相应液压结构来代替。这样，一个所述杆由液压软管(或管)代替，该液压软管与旋转泵连接，且该液压软管位于浮子元件1之间的肘节接头上，而该旋转泵位于各最接近的浮子元件1上。这些液压软管(或管)连接成使得缸容积按比例随着中间接头4(图6)的泵室的外部角而变化。与这种布置相伴随，泵室以互补方式随着安装在各浮子元件1上的两个接头而运动。这三个腔室的容积总和在任意时刻都将恒定。因此，相应角度的总和也将恒定，从而使得浮子元件1的表面保持在垂直位置。
一个浮子元件相对于最接近的两个浮子元件的任何相对运动都将改变杆之间的角度。垂直相对运动改变了以接头4为顶点和以浮子元件1为支边的角度。水平运动改变了在后面两个肘节接头3之间的角度。如前所述，各单个浮子元件将以圆形(或一些其它曲线形)方式与波浪一起滚转，并交替地改变两个接头3、4的所述两个角度。只要与接头4相连的泵工作最好，而与肘节接头3相连的泵进行泵送作用最少，反之亦然，因此，能量的产生就变得连续和高效。因此，波转换器随时间过去而连续输送能量。
对角度变化做出响应的单元产生能量。这可以根据需要以多种不同方式来进行，并可以包括使用通过磁、机械、气动或液压单元来操作的线性泵或旋转泵。交替地延迟垂直和水平运动的时间的阀提供了相位控制，用于增加能量吸收。这点非常适合于这样的结构，其中，在垂直和水平能量流之间定期交替，且在所有时间周期内有恒定总和，因此在时间上连续。因此，当压力低于特定水平时，它足以使阀保持关闭，而当超过该水平时使阀打开。需要时，在线性泵中可以使用液压泵和气动泵。然而，通过使这些泵包含于接头中，结构将变得更美观、更简单和更坚固，从而能够在接头中进行枢轴转动，以便直接压缩流体。
这些活动接头4(图4、5和6中详细表示了这些活动接头4)通过响应浮子元件沿任意方向的运动和枢轴转动来泵送流体，从而产生能量。部件6使得浮子元件1与接头4连接，该接头4布置成最接近浮子元件1。部件6与位于该接头中部的球13固定连接。两个凹口7磨入该球表面，凹口7之间有大约90度角，且角度的顶点在球心。当该球13在包围部件14(图4)中枢轴转动时，球推动一个或两个活塞8，并迫使它们泵送位于缸9内的流体。同时，该流体的压力使得所述球13保持恒定角度，以便保持和稳定浮子元件1。该球13由部件14包围，该部件14的内部为球形，且它的外部为柱形。而且，在中间部件14的轴向端处设置有锥形开口，从而提供用于使杆6与最内侧球13一起枢轴转动一定角度的空间，参考图4的平面图底部。
替代地，与浮子元件1固定连接的中心部件13可以由金字塔形部件来代替，该金字塔形部件通过两个包围部件而夹持就位。因此，这两个包围部件中的单个可以吸收由于在该中心部件13上绕两个轴枢轴转动而产生的全部能量。
图4还表示了安装在所述中间部件14上的两个弹簧负载泵10。各泵10安装在两对活塞11、12中的每一个上，该对活塞11、12在中间部件14的外部滑动。实际上，该弹簧作用使得在浮子元件1和两个相连杆2A、2B之间的两个角度相等，因此使得浮子元件1的角度能够跟随水表面。通过中心控制单元，这些弹簧负载的泵10也可以控制浮子元件1的角度，以便使它处于所选的精确最佳位置处。两对活塞11、12沿中间部件14的外部柱形表面滑动，每一对都固定安装在它自身的杆2A或2B上，该杆2A或2B从接头4的各侧向外凸出。当在两杆2A、2B之间的角度变化时，在两对活塞11、12之间的距离也变化，从而使它们能够泵送流体，用于产生能量。两个活塞12与外部壳体16连接，该外部壳体16通过铰链和它的轴17而安装在杆2B上。该铰链使得浮子元件1的接头4能够绕所述轴17而侧向运动，而当受到水的侧向力时不会互锁。而且，侧向力的能量通过与所述铰链连接的能量产生泵而吸收和利用，参考图4的平面图的底部。
两个活塞11安装在盘上，该盘与杆2A连接。该盘的表面与部件14的柱体轴线垂直，且盘紧贴在部件14的外部和在所述壳体16的内部滑动。杆2A与该盘和两个活塞11一起枢轴转动。为了能够进行该运动，狭槽布置在壳体16中，用于适应该枢轴运动。
替代地，如图5中所示，接头4的前述能量产生设计可以由其它设计来代替，它的所有部件都能够通过采用在所述部件之间的球形滑动表面而进行三维枢轴转动。该替代方式的优点是整个结构变得更简单，并包含更少的部件。在两种替代方式中，最内侧的球13都相同。然而，在图5中，包围球13的中间部件20也提供有球形的外部。两个相同部件18和19布置成在中间部件20的外部滑动，且部件18、19绕所述球的中心对称布置。为了使部件18、19进行稍带球形地枢轴转动，在它们之间提供有间隙。部件18安装在杆2A上，而部件19安装在杆2B上。当这两个杆2A、2B彼此相对枢轴转动，从而改变它们之间的角度时，四个外部泵将产生能量，其中，两个泵布置在两个部件18、19中的每一个上。泵将响应由于在所述产生能量的波转换器的部件之间的相对运动而引起的任何三维枢轴转动来产生能量。这也包括绕经过所述球的中心的轴线而进行的枢轴运动。
附图的参考标号图1和21浮子元件2杆或管3设置有能量产生装置的肘节接头，如图6详细所示
4设置有能量产生装置的接头，如图4和5详细所示5显示波浪形状的水表面6使浮子元件1与接头4连接的轴图3表示浮子元件在波浪中的运动图47磨出的凹口8活塞9充有流体的缸10设置有弹簧的泵11枢轴转动活塞12枢轴转动活塞，沿与活塞11相反的方向运动13球；与轴6和浮子元件1固定连接；14具有内凹的球形形状的部件15充有流体的缸16包围部件或壳体；与活塞12固定连接17在铰链中的轴，使杆2B与壳体12连接图5代替图4中的接头的替代能量产生接头18具有内部球形形状的部件19与部件18对称相同并布置在与部件18对称位置的部件20在部件18和部件19中枢轴转动的部件
权利要求
1.一种波转换器，用于利用水中波浪的能量，所述波转换器包括两个或更多浮子元件(1)，这些浮子元件沿着水中波浪的波峰平行地对齐，其特征在于浮子元件(1)通过杆(2A、2B)而顺序连接，这些杆(2A、2B)与在水中彼此并排浮动的两个浮子元件(1)连接，所述杆(2A、2B)与浮子元件(1)的纵向方向垂直地延伸；其中，各浮子元件(1)设置有产生能量的、多轴的、可枢轴转动的接头(4)，杆(2A、2B)安装在该接头(4)上；以及与两个浮子元件(1)连接的两个杆(2A、2B)通过产生能量的、可枢轴转动的肘节接头(3)而相互连接。
2.根据权利要求1所述的波转换器，其特征在于波转换器包括两组平行双杆(2A、2B)，它们与各浮子元件(1)的接头(4)连接；其中，杆(2A、2B)的四个安装点布置得形成平行四边形的四个拐角，从而使得各浮子元件(1)在不会翻倒的情况下进行运动。
3.根据权利要求1或2所述的波转换器，其特征在于波转换器的各能量产生单元包括三个泵(7、8、9)，它们连接而使得这些泵容积的总和恒定；其中三个泵(7、8、9)中的一个位于肘节接头(3)上，该肘节接头(3)连接两个杆(2A、2B)；以及另外两个泵(7、8、9)位于各杆(2A、2B)的多轴、可枢轴转动的接头(4)上；浮子元件(1)总是保持在相同的相互角度，从而使它们能够在不会翻倒的情况下进行运动。
4.根据权利要求1、2或3所述的波转换器，其特征在于所述接头(4)包括球(13)和包围部件(14)，所述球(13)与浮子元件(1)连接，所述包围部件(14)与所述杆(2A、2B)连接；其中球(13)的表面设置有至少一个凹口(7)；以及所述包围部件(14)设置有至少一个缸(9)，该至少一个缸(9)有伸入凹口(7)中的活塞(8)；因此，球(13)相对于包围部件(14)的、与波浪相关的枢轴转动使得活塞(8)进入和离开凹口(7)，以便使得活塞(8)在缸(9)内往复运动，从而在其中提供产生能量的泵送作用。
5.根据前述任意一项权利要求所述的波转换器，其特征在于所述波转换器包括较长浮子元件(1)，该较长浮子元件(1)与产生能量的、多轴的、可枢轴转动的接头连接；相等长度的两个或更多平行杆(2)，这些杆布置成与浮子元件(1)的纵向方向垂直；以及四个安装点布置得形成平行四边形的四个拐角，所述四个安装点中一个安装点在杆(2)的一端，因此使得所述浮子元件(1)能够平行地相对于连接接头运动。
6.根据前述任意一项权利要求所述的波转换器，其特征在于所述波转换器包括产生能量的、多轴的、可枢轴转动的接头(4)，该接头(4)安装在所述杆(2A、2B)的各端，以便使得在各杆各端的液压泵两两相互连接；以及所述两个泵以互补方式与两个相互平行的轴相互连接，所述两个轴中一个轴在杆的一端，从而使得两个缸的泵容积的总和能够恒定，因此，使得浮子元件(1)能够在所有平面中相对于在接头的另一侧的连接元件而进行平行运动。
全文摘要
这种多相位和多维波转换器的特殊特征是它以高效和持久的方式利用海洋中的所有波浪以及侧波浪的基本全部能量，因此能够产生大量的便宜电力。波转换器包括至少两个浮子元件(1)，这些浮子元件(1)与一连串的杆(2A、2B)和接头(3、4)连接。各单个浮子元件处于与其它浮子元件不同的波浪相位。因此，它们能够从各组浮子元件(1)之间的相对运动和力来吸收能量。各元件(1)能够进行三维运动和枢轴转动，同时利用来自所有这些运动的能量。能量产生装置可以包括流体驱动的泵(7、8、9)，该泵响应接头(3、4)的枢轴转动和杆(2A、2B)的运动。波转换器从各种波浪谱和从所有方向吸收能量。影响波转换器的力可以通过不同浮子元件(1)而平衡，从而避免通过系留来传递这些力。波转换器提供了很高的经济优点和耐久性。它还可以在海洋中的任意位置(在海洋的较浅深度处和较大深度处)工作。
文档编号F03B13/00GK101072943SQ200580028193
公开日2007年11月14日 申请日期2005年6月23日 优先权日2004年6月23日
发明者汉斯-奥拉夫·奥特森 申请人:汉斯-奥拉夫·奥特森