[发明专利]能量转换单元及包括该单元的能量转换系统

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种适于将往复式流体运动转换成旋转轴运动的能量转换单元。本发明还涉及一种包括这样的单元的能量转换系统，例如波浪发电站。

背景技术

如专利申请US2007/0158950和专利申请US7385301中描述的，海洋波同时产生水平的和竖向的旋转振荡运动。振荡运动每运行米波可包含数十千瓦的并且有时候数百千瓦的能量，并因此多次尝试建立能够将这种巨大能量转换成有用的和有竞争力的能量的系统，即将所述能量转换成例如电力的转换器。为了实现这些目标，使用不同类型的框图不足以透露某能量转换器是如何将波浪运动转换成例如旋转运动，同时也无法说明这个结构为何要求具有低的监督维护成本和很长的寿命。

本发明旨在建立一种紧凑且有成本效益的能量转换器单元，通过使用公知的方法和经验，该能量转换器单元在功能上和几何形状上已被优化，以便能够计算关于材料、流体、气体以及机械部件、电气部件和电子部件的寿命和维护成本。

本发明的灵感来自申请人对现实的心脏的泵送和自动控制功能的发现，这在文件“室间隔的心脏泵送和调节功能(Cardiac Pumping and Regulating Functions of Intraventricular Septum)”(Lundback，1986年)中有所描述。在文件中公开了一种新的泵原理的发现，现命名为动态自适应活塞泵(DAP)，还公开为DeltaV-泵(△V-泵)，参见专利US4648877。这些泵利用了两种之前已知的泵原理的最佳特性的优点，即：动力泵的原理(例如离心泵)和容积式泵的原理(例如活塞泵)。△V-泵在较低的流量和频率期间可以被视为容积式泵，其中活塞被设计成使得其具有单向力，除了泵工作也产生往复容积，△V-容积，其可以存储并转换能量，以便生成名为△V-功能的活塞液压返回。美国专利US7239987中用数学方法描述了与真正的心脏泵功能相同的新的泵功能。

利用心脏肌肉细胞的特性和功能，大自然结构心脏并且使之像△V-泵般活动。这些细胞通过单向纵向减少和收缩来完成它们的工作，并需要用于它们的返回运动的被储存能量，△V-功能。肌肉细胞的单向发电以及如心脏的心肌瓣膜面一样的活塞液压返回可与波涛起伏的波浪发电进行比较，并且启发了本发明，也就是一种紧凑的能量转换器。

为了将海浪的能量转换成机械功和/或电流，需要能量产生装置，其能够将竖向的和/或水平的力转换成水分子运动所产生的波浪运动。在较深处，波浪是圆形的水分子运动，该运动在强度上随着远离测量表面而降低或者进行了能量吸收。在较小的深度处，波浪是椭圆形的水分子运动。在较深处，波浪的竖向力相对于它们的水平力相同，即50/50％。在较小的深度处，竖向力相对水平力越来越增加，其连同例如对底部的摩擦最终产生了对波浪的冲击。

为了进一步解释本发明在哪些方面可用作简单的且有成本效益的能量转换单元，下面给出了一些例子，其中在历史上熟知的能量产生装置或多或少地被连接到后来的复杂能量转换器。

在US1791239(1931年，原始1919年OWC，即Oscillating Water Column振荡水柱)中，Braselton描述了一种通过让波浪运动充当“汽缸”-波浪捕获器中的大活塞而将波浪能量转换成电力的方式。波浪运动将大量有弹性且可压缩的空气移向汇集管。在此管中安装了将气流转换成电力的空气涡轮机。大的且通常陆基的OWC结构具有非常低的效率。也就是说，除其它事情外，空气涡轮机难以处理作为空气往复运动结果的大变化的压力和流量。坐落于挪威特隆赫姆的挪威科技大学(NTNU)在70年代和80年代期间在Budal指导下通过使用点吸收器(在海面上的浮标)对OWC技术进行了广泛研究。在2003年，发表了包含这些研究结论的摘要。在该摘要中，他们揭示，为了以具有成本效益的方式将波浪能量转换成电力，使用弹性空气作为力转换器应当转变为具有闭锁控制的浮标运动的现代液压技术。此外揭示了“小即为美”，也就是说浮标大小不应该大于波长的5-10％，并且闭锁技术在恶劣天气期间还能够保护整个系统。例如通过提高涡轮机效率，OCW技术的实验仍在进行中。

US4355511(1982年)描述了其中例如使用闭锁技术(latch technique)的实施方式。

US4172689(1979年)描述了一种方式，其中浮动的浮标或船只布置成使得其在一侧收集波浪并且将这些波浪改变方向朝着船只相对侧的水轮机。该能量吸收方法及其它利用海面上波峰和波谷之间差异的方法(例如Pelamis“海蛇”)都需要大的结构来运行。