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波能發電.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380072769.8

申請日:

2013.12.17

公開號:

CN104995398A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F03B 13/14申請日:20131217|||公開
IPC分類號: F03B13/14 主分類號: F03B13/14
申請人: 詹姆斯.W.希利
發明人: 詹姆斯.W.希利
地址: 美國新罕布什爾州
優先權: 13/727,235 2012.12.26 US
專利代理機構: 北京市柳沈律師事務所11105 代理人: 姚冠揚
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380072769.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.01.12|||2016.01.13|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種波能發電系統,具有:浮力主體,其響應于垂直波浪運動和相關的相對垂直靜止主體;壓縮機;壓力調節器;以及空氣渦輪機/發電機組。所述壓縮機具有的活塞相對于氣缸作往復運動,以交替地壓縮相對室中的空氣。壓力調節器罐限定與所述壓縮機連通的室,用于交替地從相對的壓縮室接收壓縮空氣,所述罐內的浮動活塞向所述室中的壓縮空氣施加壓力,壓力調節器控制由所述活塞施加到壓縮空氣的壓力,以及液壓減振系統聯接到所述浮動活塞以限制所述活塞的不希望的垂直振蕩,用于以相對恒定的壓力輸出連續流壓縮空氣。還描述了對比壓力/真空的相對區域之間的滾動隔膜和液體槽密封。

權利要求書

權利要求書
1.  一種波能發電系統,包括:
浮力主體,其響應于垂直波浪運動和相關的相對垂直靜止主體;
工作壓縮機,其包括壓縮機氣缸和壓縮機活塞,所述壓縮機活塞安裝成用于相對于所述壓縮機氣缸的往復運動,以交替地壓縮相對的空氣壓縮機室中的空氣;
壓力調節器,包括:
壓力調節器罐,其限定與所述壓縮機氣缸連通的調節器室,用于交替地從每個相對的空氣壓縮室接收壓縮空氣,
浮動活塞,其布置在所述壓力調節器罐內,并且安裝成向容納到所述調節器室中的壓縮空氣施加壓力,以及
壓力控制器,其聯接到所述浮動活塞,用于控制由所述浮動活塞施加到所述調節器室中的壓縮空氣的壓力,和液壓減振系統,其聯接到所述浮動活塞,用于限制所述浮動活塞的不希望的垂直振蕩,用于以相對恒定的壓力輸出連續流壓縮空氣;以及
空氣渦輪機和發電機組,其設置成與所述壓力調節器連通,用于接收相對恒定壓力的來自所述壓力調節器和來自所述壓縮機的壓縮空氣流的輸出,以旋轉所述空氣渦輪機來驅動發電機產生電功率。

2.  根據權利要求1所述的波能發電系統,其中,所述壓縮機還包括成對的滾動隔膜,其在所述壓縮機活塞與所述壓縮機氣缸的相對壁之間延伸,以允許所述壓縮機活塞相對于所述壓縮機氣缸高效地幾乎無摩擦地往復運動,以交替地壓縮相對的空氣壓縮室中的空氣。

3.  根據權利要求1所述的波能發電系統,其中,所述壓力調節器還包括成對的滾動隔膜,其在所述浮動活塞與所述壓力調節器罐的相對壁之間延伸,以允許所述浮動活塞相對于所述壓力調節器罐高效地幾乎無摩擦地往復運動。

4.  根據權利要求1所述的波能發電系統,其中,所述相關的相對垂直靜止主體包括相對垂直靜止的中性浮力活塞,所述壓縮機氣缸安裝成用于與所述浮力主體垂直運動,且所述壓縮機活塞安裝到所述相對垂直靜止的中性浮力活塞。

5.  根據權利要求4所述的波能發電系統,其中,所述壓縮機氣缸安裝到浮力主體,用于在水的表面上時響應于垂直波浪運動進行垂直運動,且所述壓縮機活塞安裝到相關的相對垂直靜止的中性浮力活塞。

6.  根據權利要求1所述的波能發電系統,其中,所述相關的相對垂直靜止主體包括陸地或海岸線安裝,所述壓縮機氣缸設置在所述陸地或海岸線安裝上,且所述壓縮機活塞被安裝到響應于水體表面的垂直運動的所述浮力主體。

7.  根據權利要求6所述的波能發電系統,其中,所述浮力主體設置在響應于水體表面的垂直運動的加壓空氣的體積上。

8.  根據權利要求7所述的波能發電系統,其中,所述浮力主體設置在響應于水表面的往復運動的加壓空氣的封閉柱上,并且所述系統還包括空氣處理器,其與所述加壓空氣的封閉柱連通且適于增加和減少所述封閉柱內的空氣的質量,用于隨潮汐的變化來調節所述浮力主體的基線位置。

9.  根據權利要求1所述的波能發電系統,在所述壓縮氣缸的陸地或海岸線放置中,其中,所述壓縮氣缸包括限定上下壓縮室的上下相對圓形開放式圓柱形元件,以及
所述壓縮機活塞和第一所述圓形開放式圓柱形元件每個限定包含密封劑液體的圓形液體槽,
由所述活塞限定的圓形液體槽的尺寸被確定成且布置成在交替的壓縮和吸入沖程期間接收與密封劑液體密封接合的上圓形開放式圓柱形元件的凸緣壁,以及
由所述下圓形開放式圓柱形元件限定的圓形液體槽的尺寸被確定成且布置成在交替的吸入和壓縮沖程期間接收與密封劑液體密封接合的活塞元件的凸緣壁。

10.  根據權利要求9所述的波能發電系統,其中,所述壓縮機活塞的壓縮沖程產生約+28英寸(+71.0厘米)W.C.的壓縮或壓力。

11.  根據權利要求10所述的波能發電系統,其中,相關的液體槽包含具有約1.0的比重的密封劑液體,并且提供至少約28英寸(70.1厘米)的密封深度。

12.  根據權利要求9或權利要求10所述的波能發電系統,其中,所述壓縮機活塞的吸入沖程產生約-3英寸(-7.6厘米)W.C.的吸入。

13.  根據權利要求12所述的波能發電系統,其中,相關的液體槽包含具有約1.0的比重的密封劑液體,并且提供至少約3英寸(7.6厘米)的密封深度。

14.  根據權利要求1或權利要求7所述的波能發電系統,還包括設置成用于在活塞氣缸中垂直往復運動的升降活塞形式的浮力主體,
所述活塞氣缸包括限定上下活塞室的上下相對圓形開放式圓柱形元件,以及
所述上下圓形開放式圓柱形元件共同限定含有密封劑液體的圓形液體槽,
由所述上下圓形開放式圓柱形元件限定的圓形液體槽的尺寸被確定成且布置成在所述升降活塞的往復垂直運動期間接收與密封劑液體密封接合的所述升降活塞的凸緣壁。

15.  根據權利要求14所述的波能發電系統,其中,所述上活塞室與外部環境大氣連通。

16.  根據權利要求14所述的波能發電系統,其中,所述下活塞室與響應于垂直波浪運動的加壓空氣的封閉柱連通。

17.  根據權利要求14所述的波能發電系統,其中,所述浮力主體設置在響應于水表面的往復運動的加壓空氣的封閉柱上,并且所述系統還包括空氣處理器,其與所述加壓空氣的封閉柱連通且適于調節所述封閉柱內的空氣的質量,用于隨潮汐的變化來調節所述浮力主體的基線位置。

18.  根據權利要求17所述的波能發電系統,其中,所述空氣處理器包括空氣泵,用于增加包含在所述空氣的封閉柱內的空氣的質量。

19.  根據權利要求17所述的波能發電系統,其中,所述空氣處理器包括空氣釋放閥,用于降低包含在所述空氣的封閉柱內的空氣的質量。

20.  根據權利要求18所述的波能發電系統,其中,所述空氣處理器包括空氣釋放閥,用于降低包含在所述空氣的封閉柱內的空氣的質量。

21.  一種波能發電系統,包括:
浮力主體,其響應于在水表面上時的垂直波浪運動和相關的相對垂直靜止的中性浮力活塞;
工作壓縮機,包括:
壓縮機氣缸,其安裝成用于與所述浮選體進行垂直運動,
壓縮機活塞,其安裝到所述相對靜止的中性浮力活塞,以及
成對的滾動隔膜,其在所述壓縮機活塞與所述壓縮機氣缸的相對壁之間延伸,以允許所述壓縮機活塞相對于所述壓縮機氣缸高效地幾乎無摩擦地往復運動,以交替地壓縮相對的空氣壓縮室中的空氣;
壓力調節器,包括
壓力調節器罐,其限定與所述壓縮機氣缸連通的調節器室,用于交替地從每個相對的空氣壓縮室接收壓縮空氣,
浮動活塞,其布置在所述壓力調節器罐內,并且安裝成向容納到所述調節器室中的壓縮空氣施加壓力,
壓力控制器,其聯接到所述浮動活塞,用于控制由所述浮動活塞施加到所述調節器室中的壓縮空氣的壓力,和液壓減振系統,其聯接到所述浮動活塞,用于限制所述浮動活塞的不希望的垂直振蕩,用于以相對恒定的壓力輸出連續流壓縮空氣;以及
成對的滾動隔膜,其在所述浮動活塞與所述壓力調節器罐的相對壁之間延伸,以允許所述浮動活塞相對于所述壓力調節器罐高效地幾乎無摩擦地往復運動;以及
空氣渦輪機和發電機組,其設置成與所述壓力調節器連通,用于接收來自所述壓力調節器的壓縮空氣流的輸出,以旋轉所述空氣渦輪機來驅動發電機產生電功率。

22.  根據權利要求2或權利要求21所述的波能發電系統,其中,在所述壓縮機活塞與所述壓縮機氣缸的相對壁之間延伸的成對的滾動隔膜限定封閉壓縮機區域,并且所述系統還包括與所述封閉壓縮機區域連通的真空泵。

23.  根據權利要求22所述的波能發電系統,其中,所述真空泵降低所述封閉壓縮機區域的壓力至預定壓力。

24.  根據權利要求23所述的波能發電系統,其中,所述預定壓力為-6英寸(-15.2厘米)W.C.的量級。

25.  根據權利要求2或權利要求21所述的波能發電系統,其中,在所述浮動活塞與所述調節器罐的相對壁之間延伸的成對的滾動隔膜限定封閉調節器區域,并且所述系統還包括與所述封閉調節器區域連通的真空泵。

26.  根據權利要求25所述的波能發電系統,其中,所述真空泵降低所述封閉調節器區域的壓力至預定壓力。

27.  根據權利要求26所述的波能發電系統,其中,所述預定壓力為-6英寸(-15.2厘米)W.C.的量級。

28.  根據權利要求1或權利要求21所述的波能發電系統,還包括封閉的空氣系統,其包括:
儲存器,用于接收、存儲和輸送封閉系統的空氣,以及
管道系統,用于輸送所述壓縮機、壓力調節器、空氣渦輪機以及儲存器中的空氣。

29.  根據權利要求28所述的波能發電系統,其中,所述儲存器包括:
柔性氣囊,其限定的體積用于接收、存儲和輸送封閉系統的空氣,以及
罐,其包含所述氣囊并且限定所述氣囊外部的周圍空氣區域。

30.  根據權利要求28所述的波能發電系統,其中,所述管道系統包括單向閥,用于控制進入壓縮機以及從壓縮機到壓力調節器和/或空氣渦輪機的空氣流的方向。

31.  根據權利要求30所述的波能發電系統,其中,所述單向閥包括單向閥組件,該單向閥組件包括安裝成用于在雙彈簧撓性組件的控制下往復閉開閉行程的相對的板,所述相對的板限定相對的密封表面和設置成與單向閥打開位置連通并且由相對的密封表面限定的偏置的空氣流動區域。

32.  根據權利要求31所述的波能發電系統,其中,所述相對的密封表面是錐形的橫截面,并且限定由柔性密封環密封的傾斜表面。

33.  根據權利要求30所述的波能發電系統,其中,所述壓力調節器和壓縮機通過壓縮空氣管道連通。

34.  根據權利要求33所述的波能發電系統,其中,所述壓縮空氣管道包括單向閥,用于控制進入壓縮機以及從壓縮機到壓力調節器和/或空氣渦輪機的空氣流的方向。

35.  根據權利要求34所述的波能發電系統,其中,所述單向閥包括單向閥組件,該單向閥組件包括安裝成用于在雙彈簧撓性組件的控制下往復閉開閉行程的相對的板,所述相對的板限定錐形脊表面和錐形谷表面的交替大致同心環的相對的表面,所述錐形谷表面限定空氣流動區域。

36.  根據權利要求35所述的波能發電系統,其中,所述錐形脊表面還包括設置成在關閉運動期間用于與相對的錐形谷表面初始接合的柔性密封環。

37.  根據權利要求29所述的波能發電系統,還包括空氣泵。

38.  根據權利要求30所述的波能發電系統,還包括空氣泵。

39.  根據權利要求1或權利要求21所述的波能發電系統,其中,所述液壓減振系統包括的活塞與所述浮動活塞聯接并且響應于浮動活塞在所述壓力調節器室內的垂直速度,用于控制至活塞的液壓流體的流量,用于限制所述浮動活塞的不希望的垂直振蕩。

40.  根據權利要求1或權利要求21所述的波能發電系統,其中,所述壓縮機活塞安裝在所述壓縮機氣缸中于具有接合在相應的平面側孔中的壓縮機活塞的至少一側上的平面側截面部的中心桿上,用于抵抗所述壓縮機活塞和所述壓縮機氣缸之間的相對旋轉。

41.  根據權利要求40所述的波能發電系統,還包括用于所述壓縮機活塞的所述中心桿的引導系統,所述引導系統包括設置成與一個或多個所述平面側截面部的相對表面接合的一對或多對相對滾子。

42.  根據權利要求41所述的波能發電系統,其中,所述一個或多個平面側截面部和相應的所述平面側孔是方形的。

43.  根據權利要求1或權利要求21所述的波能發電系統,其中,所述浮動活塞安裝在所述調節器罐中于具有接合在相應的平面側孔中的浮動活塞的至少一側上的平面側截面部的中心桿上,用于抵抗所述浮動活塞和所述調節器罐之間的相對旋轉。

44.  根據權利要求43所述的波能發電系統,還包括用于所述浮動活塞的所述中心桿的引導系統,所述引導系統包括設置成與一個或多個所述平面側截面部的相對表面接合的一對或多對相對滾子。

45.  根據權利要求44所述的波能發電系統,其中,所述平面側截面部和所述平面側孔是方形的,且所述平面側孔由兩對相對的軸承支撐的滾子的相對表面限定。

46.  根據權利要求1或權利要求21所述的波能發電系統,還包括用于在遠程位置分配和消費的用于輸送所產生的電功率的電力傳輸系統。

47.  根據權利要求1或權利要求21所述的波能發電系統,還包括:
液壓減震器裝置,其包括限定配合結構的緩沖腔并包含液壓流體的至少一組緩沖活塞構件及相對構件,
所述緩沖活塞和相對緩沖腔中的一個安裝到所述往復浮力主體,且所述緩沖活塞和相對緩沖腔中的另一個安裝到所述相關的相對垂直靜止主體,都 在用于在對應于在所述浮選體和相關的垂直靜止主體之間的相對運動的范圍的上端和下端中的至少一個的預定區域中減震接合的相對位置。

48.  根據權利要求47所述的波能發電系統,其中,所述液壓減震裝置包括:
第一緩沖活塞構件和第一相對構件,其限定配合結構的緩沖腔并包含液壓流體,安裝在用于在對應于在所述浮選體和相關的垂直靜止主體之間的運動的范圍的上端的預定區域中減震接合的相對位置,以及
第二緩沖活塞構件和第二相對構件,其限定配合結構的緩沖腔并包含液壓流體,安裝在用于在對應于在所述浮選體和相關的垂直靜止主體之間的運動的范圍的下端的預定區域中減震接合的相對位置。

49.  根據權利要求48所述的波能發電系統,其中,
所述第一緩沖活塞構件和所述第二緩沖活塞構件安裝在所述相關的垂直靜止主體的相對端,以及
限定所述第一緩沖腔的相對構件和限定所述第二緩沖腔的相對構件安裝到所述相關的垂直靜止主體的上方和下方的浮選體的表面。

說明書

說明書波能發電
技術領域
本公開涉及波能量轉換裝置,更具體地,涉及用于轉換波能量來產生電功率的裝置。
背景技術
通過轉換波能量來產生電功率的裝置是公知的,例如從Wells的美國專利第4383413號;從Houser等人的美國專利第5411377號;從Fredriksson等人的美國專利第6140712號;從Hirsch的美國專利第7199481號;以及從Buffard等人的美國專利第7781903號。
發明內容
根據本方面的一方面,一種波能發電系統包括:浮力主體,其響應于垂直波浪運動和相關的相對垂直靜止主體;工作壓縮機,其包括壓縮機氣缸和壓縮機活塞,所述壓縮機活塞安裝成用于相對于所述壓縮機氣缸的往復運動,以交替地壓縮相對的空氣壓縮機室中的空氣;壓力調節器,包括:壓力調節器罐,其限定與所述壓縮機氣缸連通的調節器室,用于交替地從每個相對的空氣壓縮室接收壓縮空氣,浮動活塞,其布置在所述壓力調節器罐內,并且安裝成向容納到所述調節器室中的壓縮空氣施加壓力,以及壓力控制器,其聯接到所述浮動活塞,用于控制由所述浮動活塞施加到所述調節器室中的壓縮空氣的壓力,和液壓減振系統,其聯接到所述浮動活塞,用于限制所述浮動活塞的不希望的垂直振蕩,用于以相對恒定的壓力輸出連續流壓縮空氣;以及空氣渦輪機和發電機組,其設置成與所述壓力調節器連通,用于接收相對恒定壓力的來自所述壓力調節器和來自所述壓縮機的壓縮空氣流的輸出,以旋轉所述空氣渦輪機來驅動發電機產生電功率。
本發明的這一方面的實施方式可以包括以下一個或多個特征。所述壓縮機還包括成對的滾動隔膜,其在所述壓縮機活塞與所述壓縮機氣缸的相對壁之間延伸,以允許所述壓縮機活塞相對于所述壓縮機氣缸高效地幾乎無摩擦 地往復運動,以交替地壓縮相對的空氣壓縮室中的空氣。所述壓力調節器還包括成對的滾動隔膜,其在所述浮動活塞與所述壓力調節器罐的相對壁之間延伸,以允許所述浮動活塞相對于所述壓力調節器罐高效地幾乎無摩擦地往復運動。所述相關的相對垂直靜止主體包括相對垂直靜止的中性浮力活塞,所述壓縮機氣缸安裝成用于與所述浮力主體垂直運動,且所述壓縮機活塞安裝到所述相對垂直靜止的中性浮力活塞。所述壓縮機氣缸安裝到浮力主體,用于在水的表面上時響應于垂直波浪運動進行垂直運動,且所述壓縮機活塞安裝到相關的相對垂直靜止的中性浮力活塞。
本發明的這一方面的其它實施方式可以包括以下一個或多個特征。所述相關的相對垂直靜止主體包括陸地或海岸線安裝,所述壓縮機氣缸設置在所述陸地或海岸線安裝上,且所述壓縮機活塞被安裝到響應于水體表面的垂直運動的所述浮力主體。所述浮力主體設置在響應于水體表面的垂直運動的加壓空氣的體積上。所述浮力主體設置在響應于水表面的往復運動的加壓空氣的封閉柱上,并且所述系統還包括空氣處理器,其與所述加壓空氣的封閉柱連通且適于增加和減少所述封閉柱內的空氣的質量,用于隨潮汐的變化來調節所述浮力主體的基線位置。在陸地或海岸線放置中,所述壓縮氣缸包括限定上下壓縮室的上下相對圓形開放式圓柱形元件,以及所述壓縮機活塞和第一所述圓形開放式圓柱形元件每個限定包含密封劑液體的圓形液體槽,由所述活塞限定的圓形液體槽的尺寸被確定成且布置成在交替的壓縮和吸入沖程期間接收與密封劑液體密封接合的上圓形開放式圓柱形元件的凸緣壁,以及由所述下圓形開放式圓柱形元件限定的圓形液體槽的尺寸被確定成且布置成在交替的吸入和壓縮沖程期間接收與密封劑液體密封接合的活塞元件的凸緣壁。所述壓縮機活塞的壓縮沖程產生約+20英寸(+50.8厘米)W.C.的壓縮或壓力。相關的液體槽包含具有約1.0的比重的密封劑液體,并且提供至少約20英寸(50.8厘米)的密封深度。所述壓縮機活塞的吸入沖程產生約-3英寸(-7.6厘米)W.C.的吸入。相關的液體槽包含具有約1.0的比重的密封劑液體,并且提供至少約3英寸(7.6厘米)的密封深度。
本發明的這一方面的其他實施方式可以包括以下一個或多個特征。所述波能發電系統還包括設置成用于在活塞氣缸中垂直往復運動的升降活塞形式的浮力主體,所述活塞氣缸包括限定上下活塞室的上下相對圓形開放式圓柱形元件,以及所述上下圓形開放式圓柱形元件一起限定含有密封劑液體的 圓形液體槽,由所述上下圓形開放式圓柱形元件限定的圓形液體槽的尺寸被確定成且布置成在所述升降活塞的往復垂直運動期間接收與密封劑液體密封接合的所述升降活塞的凸緣壁。所述上活塞室與外部環境大氣連通。所述下活塞室與響應于垂直波浪運動的加壓空氣的封閉柱連通。所述浮力主體設置在響應于水表面的往復運動的加壓空氣的封閉柱上,并且所述系統還包括空氣處理器,其與所述加壓空氣的封閉柱連通且適于調節所述封閉柱內的空氣的質量,用于隨潮汐的變化來調節所述浮力主體的基線位置。所述空氣處理器包括空氣泵,用于增加包含在所述空氣的封閉柱內的空氣的質量。所述空氣處理器包括空氣釋放閥,用于降低包含在所述空氣的封閉柱內的空氣的質量。
根據本發明的另一方面,一種波能發電系統,包括:浮力主體,其響應于在水表面上時的垂直波浪運動和相關的相對垂直靜止的中性浮力活塞;工作壓縮機,包括:壓縮機氣缸,其安裝成用于與所述浮選體進行垂直運動,壓縮機活塞,其安裝到所述相對靜止的中性浮力活塞,以及成對的滾動隔膜,其在所述壓縮機活塞與所述壓縮機氣缸的相對壁之間延伸,以允許所述壓縮機活塞相對于所述壓縮機氣缸高效地幾乎無摩擦地往復運動,以交替地壓縮相對的空氣壓縮室中的空氣;壓力調節器,包括壓力調節器罐,其限定與所述壓縮機氣缸連通的調節器室,用于交替地從每個相對的空氣壓縮室接收壓縮空氣,浮動活塞,其布置在所述壓力調節器罐內,并且安裝成向容納到所述調節器室中的壓縮空氣施加壓力,壓力控制器,其聯接到所述浮動活塞,用于控制由所述浮動活塞施加到所述調節器室中的壓縮空氣的壓力,和液壓減振系統,其聯接到所述浮動活塞,用于限制所述浮動活塞的不希望的垂直振蕩,用于以相對恒定的壓力輸出連續流壓縮空氣;以及成對的滾動隔膜,其在所述浮動活塞與所述壓力調節器罐的相對壁之間延伸,以允許所述浮動活塞相對于所述壓力調節器罐高效地幾乎無摩擦地往復運動;以及空氣渦輪機和發電機組,其設置成與所述壓力調節器連通,用于接收相對恒定壓力的來自所述壓力調節器和來自所述壓縮機的壓縮空氣流的輸出,以旋轉所述空氣渦輪機來驅動發電機產生電功率。
本發明的上述方面中的任何一個的實施方式可以包括以下一個或多個特征。在所述壓縮機活塞與所述壓縮機氣缸的相對壁之間延伸的成對的滾動隔膜限定封閉壓縮機區域,并且所述系統還包括與所述封閉壓縮機區域連通 的真空泵。所述真空泵降低所述封閉壓縮機區域的壓力至預定壓力。所述預定壓力為-6英寸(-15.2厘米)W.C.的量級。在所述浮動活塞與所述調節器罐的相對壁之間延伸的成對的滾動隔膜限定封閉調節器區域,并且所述系統還包括與所述封閉調節器區域連通的真空泵。所述真空泵降低所述封閉調節器區域的壓力至預定壓力。所述預定壓力為-6英寸(-15.2厘米)W.C.的量級。所述波能發電系統還包括封閉的空氣系統,其包括:儲存器,用于接收、存儲和輸送空氣的封閉系統,以及管道系統,用于輸送所述壓縮機、壓力調節器、空氣渦輪機以及儲存器中的空氣。所述儲存器包括:柔性氣囊,其限定的體積用于接收、存儲和輸送封閉系統空氣,以及罐,其包含所述氣囊并且限定所述氣囊外部的周圍空氣區域。所述管道系統包括單向閥,用于控制進入壓縮機以及從壓縮機到壓力調節器和/或空氣渦輪機的空氣流的方向。所述單向閥包括單向閥組件,該單向閥組件包括安裝成用于在雙彈簧撓性組件的控制下往復閉開閉行程的相對的板,所述相對的板限定相對的密封表面和設置成與單向閥打開位置連通并且由相對的密封表面限定的偏置的空氣流動區域。所述相對的傾斜密封表面由柔性密封環密封。所述壓力調節器和壓縮機通過壓縮空氣管道連通。所述壓縮空氣管道包括單向閥,用于控制進入壓縮機以及從壓縮機到壓力調節器和/或空氣渦輪機的空氣流的方向。所述單向閥包括單向閥組件,該單向閥組件包括安裝成用于在雙彈簧撓性組件的控制下往復閉開閉行程的相對的板,所述相對的板限定錐形脊表面和錐形谷表面的交替大致同心環的相對的表面,所述錐形谷表面限定空氣流動區域。所述錐形脊表面還包括設置成在關閉運動期間用于與相對的錐形谷表面初始接合的柔性密封環。所述波能發電系統還包括空氣泵(107,圖9)。所述液壓減振系統包括的活塞與所述浮動活塞聯接并且響應于浮動活塞在所述壓力調節器室內的垂直速度,用于控制至活塞的液壓流體的流量,用于限制所述浮動活塞的不希望的垂直振蕩。所述壓縮機活塞安裝在所述壓縮機氣缸中于具有接合在相應的方形孔(例如由兩對相對滾子(例如軸承支撐的滾子)的相對表面形成)中的壓縮機活塞的上方和/或下方的平面側例如方形截面部的中心桿上,用于抵抗所述壓縮機活塞和所述壓縮機氣缸之間的相對旋轉。所述波能發電系統還包括用于所述壓縮機活塞的所述中心桿的引導系統,所述引導系統包括設置成與一個或多個所述平面側截面部的相對表面接合的一對或多對相對滾子。所述一個或多個平面側截面部和相應的所述平面 側孔是方形的。所述浮動活塞安裝在所述調節器罐中于具有接合在相應的方形孔(例如由兩對相對滾子(例如軸承支撐的滾子)的相對表面形成)中的浮動活塞的至少一側(且達四個側)上的平面側(例如方形)截面部的中心桿上,用于抵抗所述浮動活塞和所述調節器罐之間的相對旋轉。所述波能發電系統還包括用于所述浮動活塞的所述中心桿的引導系統,所述引導系統包括設置成與一個或多個所述平面側截面部的相對表面接合的一對或多對相對滾子。所述平面側截面部和所述平面側孔是方形的。防止活塞在氣缸內旋轉的其它方法比如滑動軸鍵或單個平面還可以用于替代方式中。所述波能發電系統還包括用于在遠程位置消費的輸送所產生的電功率的裝置。所述波能發電系統還包括液壓減震器裝置,其包括限定配合結構的緩沖腔并包含液壓流體的至少一組緩沖活塞構件及相對構件,所述緩沖活塞和相對緩沖腔中的一個安裝到所述往復浮選體,且所述緩沖活塞和相對緩沖腔中的另一個安裝到所述相關的相對垂直靜止主體,都在用于在對應于在所述浮選體和相關的垂直靜止主體之間的相對運動的范圍的上端和下端中的至少一個的預定區域中減震接合的相對位置。所述液壓減震裝置包括:第一緩沖活塞構件和第一相對構件,其限定配合結構的緩沖腔并包含液壓流體,安裝在用于在對應于在所述浮選體和相關的垂直靜止主體之間的運動的范圍的上端的預定區域中減震接合的相對位置,以及第二緩沖活塞構件和第二相對構件,其限定配合結構的緩沖腔并包含液壓流體,安裝在用于在對應于在所述浮選體和相關的垂直靜止主體之間的運動的范圍的下端的預定區域中減震接合的相對位置。所述第一緩沖活塞構件和所述第二緩沖活塞構件安裝在所述相關的垂直靜止主體的相對端,以及限定所述第一緩沖腔的相對構件和限定所述第二緩沖腔的相對構件安裝到所述相關的垂直靜止主體的上方和下方的浮選體的表面。
因此,本發明提供了一種改進的波能發電系統,其適于在浮力主體上以及在岸上操作單個或多個單元。有效和高效的密封(例如封閉的空氣系統)可以設置在系統壓縮機和/或系統壓力調節器的移動元件之間,使用成對的滾動隔膜密封件,例如具有處于真空下的密封區域,或者使用圓形液體密封槽中的液體密封劑。從壓縮機的相對腔室被交替輸送的壓縮空氣被輸送到壓力調節器中,且壓力調節器(其可以包括壓力控制器和/或液壓減振系統)又以相對恒定的壓力將連續流壓縮空氣輸送到空氣渦輪機,用于驅動相關的 發電機。還提供了用于容納或適應因潮汐變化而改變水表面水位的系統。
下面參照附圖及說明書對本發明的一個或多個實施方式的細節進行闡述。根據說明書和附圖以及根據權利要求書,本發明的其他特征、目的和優點將是顯而易見的。
附圖說明
圖1是本發明的波能發電系統的一個實施方式的示意圖,而圖1A是本發明的波能發電系統的另一實施方式的示意圖。
圖2是圖1的發電系統的空氣壓縮機的示意側視圖,其中活塞安裝到中心桿用于相對于氣缸做垂直運動,活塞和氣缸由減壓的滾動隔膜密封在一起。
圖3和3A分別是圖2的空氣壓縮機的側剖視圖和頂剖視圖,示出了相互接合的方軸和方孔,用于抵抗活塞相對于壓縮機氣缸的旋轉運動,其中圖3A是沿圖3的線3A-3A截取的。
圖4是本發明的單向閥組件的正視圖,而圖4A是沿圖4的線4A-4A截取的單向閥組件的側剖視圖;圖4B是沿圖4的線4B-4B截取的單向閥組件的相對的板的區域的放大的側剖視圖;且圖4C是單向閥組件的一個相對板的錐形密封面和密封件的另一放大的剖視圖。
圖5和圖5A是替代夾緊裝置的側剖視圖,用于例如將上滾動隔膜的內緣安裝至活塞,以便在壓縮機的體積內在活塞和氣缸之間延伸。
圖6是夾緊裝置的類似的側剖視圖,用于再次將上滾動隔膜的外緣安裝到氣缸,以便在壓縮機的體積內在活塞和氣缸之間延伸。
圖7是穿過氣缸壁的真空入口的側剖視圖,用于對由上下滾動隔膜所界定的、活塞與氣缸之間的區域進行減壓。
圖8示出了滾動隔膜的頂部/外緣和底部/內緣的半徑尺寸的樣例計算。
圖8A-1是圓柱形滾動隔膜的示意性透視圖,而圖8A-2至圖8A-4分別是示意圖,示出了形成圓柱形滾動隔膜的矩形片的面視圖(圖8A-2);具有沿矩形片的頂部和底部邊緣焊接的、例如由氨酯形成的擠出的珠元件的矩形片的端視圖(圖8A-3);以及下邊緣區域沿周向拉伸并且卷到內表面(圖8A-4)上以形成滾動隔膜的氣缸的剖視圖。
圖9和9A是側視圖和頂剖視圖,示出了例如圖1的發電系統的壓力調 節器(且同樣用于壓縮機)的方軸和方孔的相互接合,用于抵抗浮力活塞相對于調節器罐的旋轉運動。圖9B是穿過罐壁的真空入口的側剖視圖。
圖10是本發明的波能發電系統的另一實施方式的示意圖,而圖10A和10B分別是沿圖10的線10A-10A和10B-10B所截取的波能發電系統的示意性頂視圖。
圖11和圖11A分別是用于例如用于波能發電系統的壓縮機、壓力調節器和中性浮力活塞的平側面(例如正方形或長方形)垂直桿的相對滾子組件引導系統的頂視圖和側視圖。
圖12是本發明的另一波能發電系統的海岸線安裝的示意性側截面圖。
圖13是圖12的波能發電系統的海岸線安裝的多個元件的可擴張裝置的示意性俯視圖。
圖14是用于圖12的波能發電系統的海岸線安裝的另一實施方式的空氣壓縮機的示意性側視圖,配備有替代的液體密封裝置和潮汐調整機構。
圖14A是圖14的空氣壓縮機的分解視圖,圖14B和14C、圖14D和14E以及圖14F和14G分別是圖14的空氣壓縮機的壓縮機頂部室元件、壓縮機中間活塞元件、以及壓縮機基部室元件的頂視圖和底視圖。
圖15是用于圖12的波能發電系統的海岸線安裝的另一實施方式的空氣壓縮機的示意性側視圖,配備有浮動罐形式的替代潮汐調整機構。
圖16是用于圖12的波能發電系統的海岸線安裝的另一實施方式的空氣壓縮機組件的示意性側視圖,配備有由空氣壓力提升和降低的中性浮力活塞形式的替代潮汐調整機構,并且使用圖14和14A的替代液體密封裝置。
圖16A是用于圖16的波能發電系統的海岸線安裝的實施方式的空氣壓縮機組件的示意性側視圖,使用另一替代的液體密封裝置。
圖17是圖16的波能發電系統海岸線安裝的另一實施方式的示意性側視圖,圖17A至17H表示用于圖17的代表性空氣壓縮機和潮汐調整機構組件的樣例計算。
圖18是圖1的發電系統的空氣壓縮機的另一實施方式的側剖視圖,具有用于空氣流進和流出壓縮機氣缸的導管。
各個附圖中相同的附圖標記指代相同的元件。
具體實施方式
參照圖1等,本發明的波能發電系統10具有錨定到海底S的大浮動浮標12,其具有的直徑為D,例如約十五英尺(4.6米)。圓柱形壁14在浮標12下方延伸來限定緊密配合室16。該室壁在中性浮力活塞20的上方和下方限定多個開口水流孔18,該中性浮力活塞以相對垂直靜止位置定位在窄塞孔22的區域中。
浮動浮標12的上主體部分24限定室26,其內布置有用于轉換波能來產生電力的系統10的部件,包括空氣壓縮機28、壓力調節器30、封閉的空氣儲存器32、以及空氣渦輪機和發電機組34。
簡要地說,海洋表面波浪W的運動使浮標12上升和下降,而中性浮力活塞20保持相對垂直靜止。空氣壓縮機28具有封閉的罐或氣缸36,其在室26內被固定地安裝到浮動浮標12,并且還響應于海浪的運動而隨浮動浮標的運動上升和下降。氣缸36限定壓縮機室38,其內設置有壓縮機活塞40。該壓縮機活塞被安裝到中心桿42,其在其下端連接到保持相對垂直靜止(即相對于浮動浮標和壓縮機氣缸的上升和下降波動)的中性浮力活塞20。
同樣參照圖2、3和3A,中心桿42在其上端43容納在氣缸36頂部的封閉管44內以提供空氣密封。桿端43和管44的截面均可以是方形,從而抵抗活塞40相對于氣缸36旋轉。中心桿42的下端45延伸通過氣缸36底部的管46。該下管46是開放的,但設置有水和空氣密封(例如,參見下文參照圖10和16描述的空氣密封的替代裝置)。在一個實施方式中,當系統處于靜止狀態時例如在平靜的條件下,壓縮機活塞40具有的垂直高度HP為4英尺6英寸(1.37米),從壓縮機氣缸36的頂端和底端的垂直間隙HC例如為4英尺(1.22米),壓縮機室具有的高度ΗT例如為12英尺6英寸(3.81米)。還可以提供液壓減震器(如下所述,例如參照圖10)來抵抗壓縮機活塞40與氣缸36的頂端和底端的不利沖擊,例如在比較嚴重的惡劣天氣期間。
壓縮機活塞40相對于壓縮機氣缸室38的運動,即壓縮機活塞在壓縮機室內的往復垂直運動,交替地輪流壓縮包含在壓縮機氣缸36的室38的上室部38A和下室部38B內的空氣的體積。處于壓縮下的室部內的空氣的體積通過單向閥50或51(例如,具有+3英寸(+7.6厘米)W.C.開啟壓力)經由壓縮空氣管道48輸送到壓力調節器罐60的下室56中(或者經由管道148(在圖1中以虛線示出)直接到空氣渦輪機和發電機組34的空氣渦輪62)。 同時,來自封閉空氣儲存器32的柔性氣囊124的空氣和/或通過空氣泵58從空氣渦輪機和發電機組34的空氣渦輪62泵送的用過的空氣可以通過單向閥53或54(例如,同樣具有+3英寸(+7.6厘米)W.C.開啟壓力)經由空氣入口管道52被輸送到壓縮機氣缸36的相對的室部中。在另一實施方式中,如圖1A所示,來自封閉空氣儲存器32的柔性氣囊124的空氣和/或通過空氣泵58泵送的外部環境空氣可以被輸送到空間26中或者從中被輸出來匹配外部大氣壓力。另外,“房間”空氣隨著活塞40的每個吸入行程流過單向閥53或54(例如,同樣具有+3英寸(+7.6厘米)W.C.開啟壓力),且環境空氣響應于氣囊124內的空氣運動振蕩進出氣囊罐32內的空間130。
參照圖4、4A、4B和4C,在一個實施方式中,上述的單向閥組件50、51、53、54中的每個具有單向閥組件500的形式,其布置成用于控制空氣流入和流出波能壓縮機36。單向閥組件500包括例如鋁制的相對的板502、504。板504安裝成用于在雙彈簧鋼撓性組件506采用固定連接到軸508(例如1.5磅(0.9千克)被牢固地固定到板502的控制下相對于板502的往復閉開閉行程。各個相對的板502、504限定相對成組的交替、大致錐形(即v形橫截面)的脊514和谷515,它們由相交的錐形表面形成,兩者圍繞相對板的軸線以等級直徑的交替同心圓延伸,其中這些谷限定開放的空氣流動區域516。例如,圖4示出了限定板502的錐形脊表面514的外環,緊鄰的內環與空氣流動區域512限定錐形谷區域。同樣參照圖4B,示出了限定板502的空氣流動區域516的交替的錐形脊514的環和谷515的環與限定相對的板504的空氣流動區域516的相應交替的錐形脊514的環和錐形谷515的環的關系。同樣參照圖4C,聚氨酯片518的柔性沖切環(例如,80硬度薄片鋼沖切)安裝在板504與錐形脊514的環之間(例如通常在板504的平面中),其中每個沖切環的內外邊緣的相對頂端暴露超出脊的相鄰表面至在相對的錐形脊514和錐形谷516的表面接觸之前與相對板502的相對谷區域515的相對環的相對表面接觸的位置。根據單向閥組件處于關閉狀態時(例如如圖4A的截面4A-4A所示)對于良好密封的要求,這種布置將始終控制相對的板502、504的平行表面光滑度。根據所支撐的負載和閥行程間隙VT要求(例如0.562英寸(1.43厘米)的閥打開間隙和0.000英寸(0.00厘米)的閥關閉間隙),雙彈簧鋼撓性組件506的撓性件520被設計成提供至少20年的連續操作。在即時組件設計中不存在滑動表面引導避免了需要潤滑。該組件設 計還包括可調節的壓縮彈簧522,其定位在撓性組件506和移動閥盤504之間的軸連接508上,以將閥開啟點調整到所需的壓力差。開啟壓力彈簧調整還補償移動板的重量,其旋轉來補償重力效應。僅通過舉例,單向閥組件500在附圖中示出具有直徑為DM(例如16.000英寸(40.6厘米))的可動閥盤504(例如12.60磅(5.72千克))和直徑為DF(例如15.250英寸(38.7厘米))的固定閥盤502。單向閥組件500具有例如等于9.41英寸(23.9厘米)直徑管的69.64平方英寸(449.30平方厘米)的總開口面積,即用于空氣流過板502、504的連通開口區域(由圖4A中的箭頭P表示)(例如,圓周區域R具有18.41平方英寸(118.8平方厘米)的單個開口;圓周區域R1總共具有26.07平方英寸(168.19平方厘米的八個開口);圓周區域R2總共具有16.94平方英寸(109.29平方厘米)的八個開口;且圓周區域R3總共具有8.22平方英寸(53.03平方厘米)的八個開口)。要理解的是,還可以考慮其它直徑(例如直徑為24英寸(61.0厘米))的單向閥組件,并且可以根據本發明來實現。
同樣參照圖2、5、5A和6,上部和下部柔性滾動隔膜64、66(例如0.030英寸(0.76毫米)厚的聚氨酯)分別安裝成在壓縮機活塞40與壓縮機氣缸36的壁37之間延伸。例如,參照圖5和5A,在第一實施方式中,滾動柔性隔膜64的內/底凸緣78接合在限定于活塞40的上壁表面中的凹槽80,并且通過螺栓84(示出了一個)與夾緊環82固定。在另一實施方式中,如圖5A所示,滾動柔性隔膜64的內/底凸緣78接合在由螺栓90(同樣示出了一個)固定的夾緊環86、88之間至活塞的表面。在圖6中,滾動柔性隔膜64的外/頂凸緣79接合在由螺栓138(同樣示出了一個)固定的夾緊環134、136之間,螺栓在由固定到壓縮機氣缸36的壁的接入板140限定的凹部中。再次參照圖2,可以采用這些或其它夾緊環或者合適設計和操作的類似元件92來將上部和下部柔性滾動隔膜64、66的內/底凸緣78和外/頂凸緣79固定成分別與壓縮機活塞40以及與壓縮機氣缸36密封接合。柔性滾動隔膜的外/頂凸緣還可以在非例如如圖2所示的位置被固定至壓縮機氣缸。
滾動柔性隔膜64、66從而允許活塞40在氣缸36內有效地幾乎無摩擦地往復運動,而沒有壓力損失。由通過管道72作用且隨后通過真空端口74(圖7)和在壓縮機氣缸36的壁37中的真空分配孔76(圖3)作用的真空泵70保持在-6英寸(-15.2厘米)W.C.的、由氣缸36的壁37與活塞40的 相對表面之間的柔性隔膜64、66限定的密封區域68用于在吸入行程期間抵抗滾動隔膜密封的崩潰。其還維持密封形狀,例如當系統氣壓在海上風平浪靜時下降到大氣條件時。使用柔性滾動隔膜64、66還省去需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面。例如,壓縮機28(和壓力調節器30)的表面和公差可能只需要是通常產生于類似尺寸的地上儲罐的制造中的那些,真空空間間隙C(圖5)(例如2英寸(5.1厘米))可以保持在壓縮機氣缸36的相對表面和活塞40之間。可以在圖8中看出滾動隔膜的內(或底)凸緣78與外(或頂)凸緣79的半徑尺寸的樣例計算。
參照圖8A-1至8A-4,在另一實施方式中,圓柱形滾動隔膜160(圖8A-1)由例如聚氨酯或其它合適材料制成的矩形片162形成,通過沿著頂部和底部邊緣168、170(圖8A-2(正視圖)和圖8A-3(端視圖))進行超聲波焊接來接合例如同樣由聚氨酯制成的擠壓上下胎圈元件164、166。相對的側邊緣172、174例如通過超聲波焊接而接合來形成圓柱形狀(例如,側邊緣172、174約48英寸(130厘米),且片162的寬度(即沿著頂部和底部邊緣168、170)被選擇成形成的圓柱具有的直徑等于壓縮機活塞40(圖2)的直徑)。上邊緣(區域176,圖8A-4)然后沿周向拉伸用于連接到室壁(相對著活塞氣缸),而下邊緣(區域178,圖8A-4)向內卷起用于連接到活塞的壁,從而形成滾動隔膜(例如如圖2所示)。
下面參照圖1、9和9A,在壓力調節器罐60的下室56中,來自壓縮機28的壓縮空氣由浮動或屋頂活塞94保持在處于壓力下,該活塞在調節器罐60內安裝在垂直桿98上。活塞94被固定地安裝到該桿,從而抵抗壓縮空氣通過活塞94和桿98之間的任何孔從下部室泄漏。調節器罐垂直桿由上下軸承支撐件并且由球面滾子軸承96支撐。壓力調節器罐的下部室內的壓力的水平通過調節可變體積壓載水艙100中的水的體積即重量而被控制,其通過水管道104和軟管106(其被示出卷繞成容納浮動活塞94的垂直運動)由水泵102輸送至活塞94或從中移除,促進以相對恒定的壓力輸出連續流的壓縮空氣。
浮動活塞在內部(未示出)受到阻擋,以抵抗壓載艙100內的水隨著浮動浮標12因波浪作用來回搖晃而晃動。這種布置有助于確保不均勻向下的力不會有害地影響用于浮動活塞94的球面滾子軸承支撐件96的性能。如在壓縮機28的情況下,垂直桿98的一端例如上端和限定在調節器罐(圖9B) 頂部的相應的接收孔99的橫截面都可以是方形的,從而抵抗浮動活塞94相對于調節器罐60旋轉。
用于限制浮動活塞94不希望垂直振蕩并且保持以相對恒定壓力輸出連續流壓縮空氣的液壓減振系統105包括雙作用活塞107。該活塞與浮動活塞聯接,并且響應于浮動活塞的垂直速度,用于控制至雙作用活塞107的每一側的液壓流體的流率。這種布置還促進以相對恒定壓力輸出連續流壓縮空氣。
參照圖9、9A和9B,如在空氣壓縮機28的情況下,有效且高效的密封由允許活塞94在調節器罐60內進行高效幾乎無摩擦往復運動而沒有壓力損失的滾動柔性隔膜108、110保持在浮動活塞94和壓力調節器罐60的相對壁之間。由通過管道72作用且隨后通過真空端口114、真空分配器116中的流動通道115以及調節器罐60的壁中的真空分配孔117(圖9和9B)作用的真空泵70保持在-6英寸(-15.2厘米)W.C.的、由氣缸60的壁與活塞94的相對表面之間的柔性隔膜108、110限定的密封區域112。該真空狀態(例如-6英寸(-15.2厘米)W.C.)在滾動隔膜之間。活塞94提供+28英寸(+71.1厘米)W.C.壓力于管道和調節器的空間56中的空氣上再加上連接到空氣渦輪機和發電機組34。真空下的操作用于抵抗活塞運動期間滾動隔膜密封的崩潰,并且還保持密封形狀,例如當系統空氣壓力下降到大氣壓條件比如海上風平浪靜時。如上所述,使用柔性滾動隔膜108、110還省去需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面,因為表面和公差可能只需要是通常產生于類似尺寸的地上儲罐的制造中的那些。
壓力調節器罐60的上室118與封閉空氣儲存器32的柔性氣囊124通過管道119連接到封閉的空氣系統區域132,或者如上面參照圖1A所述,在另一實施方式中,管道119可以是開放的,以接收從浮動浮標12的主體內抽取的室內空氣。該布置允許空氣流進和流出室118,以容納浮動活塞94在壓力調節器罐60內垂直運動,同時保持環境壓力于罐的上室中。
當每次從壓縮機28輸出的壓縮空氣變為零時,壓縮機活塞40隨波的運動而反向,壓力調節器30在恒壓下從壓力調節器罐60的下室56輸送連續流壓縮空氣,以驅動空氣渦輪機和發電機組34中的空氣渦輪62旋轉,以驅動發電機120來產生電力通過合適的海底電纜(未示出)被輸送到岸上的電力網。在優選的實施方式中,空氣渦輪62可以配備有可膨脹環形節流閥用 于速度控制,且聯接的發電機120可以具有可變的負荷控制或來自電網連接的電激勵。
與管道122連通的空氣泵58從柔性氣囊124抽取用過的空氣或者將環境空氣輸送到封閉系統空氣儲存器32的氣囊來維持所需的系統壓力。封閉系統中的空氣的總體積保持相對恒定;然而,空氣的總質量通常取決于被選擇以驅動渦輪機的操作壓力而變化。據預計,操作壓力會在+6英寸(+15.2厘米)W.C.和+28英寸(+71.0厘米)W.C.之間變化。當系統啟動且+6英寸(+15.2厘米)W.C.的壓力由壓力調節器30選擇和控制時,外部空氣必須添加到該系統來彌補被壓縮到6+英寸(+15.2厘米)W.C.水平的空氣的體積。對于+6英寸(+15.2厘米)W.C.下的每100立方英尺(2.83立方米)的空氣來說,空氣泵58必須注入大氣壓力下的1.5立方英尺(4.2×10-2立方米)的空氣,以保持大氣壓力于渦輪62的排出側上。所選擇的每個額外的+4英寸(+10.2厘米)W.C.增加將需要1.0立方英尺(2.8×10-2立方米)的空氣被泵入系統。相反,系統必須將空氣從系統抽取,以在氣壓下降時保持內部壓力等于大氣壓力。上升氣壓將發出的信號是需要泵送額外的空氣來維持與大氣壓相差所需的±1英寸(2.5厘米)W.C.。柔性氣囊124提供可膨脹儲存器,以便臨時儲存用于封閉空氣系統的空氣體積。這樣,封閉體積的空氣(例如,已被處理例如干燥或潤滑的空氣)可以得到保存并且通過重復循環使用。相反,響應于柔性氣囊124的封閉空氣系統區域132的體積的變化通過環境空氣孔和過濾器128流進和流出的、氣囊124外部的空氣儲存罐126的環境空氣區域130中的空氣可以從大氣中抽取,例如來自浮動浮標12的主體內的空氣,如上面參照圖1A所述,并且未經預處理而被使用。
再次參照圖1等,如上所述,本發明的波能發電系統10可以安裝在錨定到海底的大型浮標12中。圓柱形壁14在浮標下延伸來限定緊密配合室16。
浮動浮標室24擱置于海洋表面O,優選的是位移X例如約為6英寸(15.2厘米),以提供力用于將壓縮機28中的空氣壓縮到+28英寸(+71.1厘米)W.C.。海洋表面波浪W的運動使浮動浮標12上升和下降。安裝到室26內的浮動浮標的空氣壓縮機氣缸36響應于海浪的運動而隨著浮動浮標的運動同樣上升和下降,同時壓縮機氣缸室38內的且安裝至連接到中性浮力活塞20的中心桿45的壓縮機活塞40保持相對垂直靜止。
壓縮機氣缸室38相對于壓縮機活塞40的運動,即壓縮機活塞在壓縮機 室內的往復垂直運動輪流交替地壓縮包含在壓縮機氣缸的上室38A和下室38B內的空氣的體積。處于壓縮的室內的空氣的體積經由壓縮空氣管道48通過單向閥50或51被輸送到壓力調節器罐60的下室中。同時,柔性氣囊124內的來自封閉空氣儲存器132的空氣和從空氣渦輪62排出的連續空氣流通過單向閥53或54經由管道52被輸送到壓縮機氣缸的相對室中,或者在上文參照圖1A所述的另一實施方式中,柔性氣囊124內的空氣儲存器和從空氣渦輪62排出的連續空氣流可以作為室內空氣被直接輸送到由浮動浮標12的主體限定的開放室中。限定封閉區域68保持在-6英寸(-15.2厘米)W.C.的、安裝在壓縮機活塞40和壓縮機氣缸36的壁之間的柔性滾動隔膜64、66允許活塞在氣缸內有效地幾乎無摩擦地往復運動,而沒有壓力損失。保持由壓縮機氣缸或罐36的壁與活塞40的相對表面之間的柔性隔膜64、66限定的區域處于真空用于在吸入行程期間抵抗密封的崩潰,并且還維持密封形狀,例如當系統氣壓比如在海上風平浪靜時下降到大氣條件時。使用柔性滾動隔膜還省去需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面。例如,表面和公差可能只需要是通常產生于類似尺寸的地上儲罐的制造中的那些。
在壓力調節器罐60中,來自壓縮機28的壓縮空氣通過浮動或屋頂活塞94而在壓力下保持在下室部56中,該活塞通過垂直桿98上的球面滾子軸承96安裝在調節器罐60內。調節器罐60的下室部56內的壓力水平通過調節水壓載的容積即重量而被控制,其通過管道104和軟管106(其卷繞成容納浮動活塞94的垂直運動)由水泵102的操作被輸送至活塞94中可變容積壓載水艙100或從中移除。浮動活塞94在內部受到阻擋,以抵抗壓載艙內的水隨著浮動浮標因波浪作用來回搖晃而晃動。這種布置有助于確保不均勻向下的力不會有害地影響用于浮動活塞的球面滾子軸承支撐件96。如在壓縮機中,有效且高效的密封由滾動柔性隔膜108、110保持在浮動活塞94和罐60的壁之間,安裝在浮動活塞94與壓力調節器罐60的壁之間的柔性隔膜之間的區域112由通過管道72、真空端口74、以及真空分配孔76作用的真空泵70保持在-6英寸(-15.2厘米)W.C.。這種真空條件允許活塞在罐內高效地幾乎無摩擦地往復運動,而沒有壓力損失,并且不需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面。壓力調節器罐60的上室部118通過管道119連接到柔性氣囊124的封閉系統空氣區域132,從而允許(處理過的)空氣流進和流出室以容納浮動活塞94在調節器罐60內的垂直運動,同時保持環境壓力于調節 器罐的上室118中。
當每次從壓縮機28輸出的壓縮空氣變為零時,壓縮機活塞40隨波的運動而反向,壓力調節器30在恒壓下從壓力調節器罐60的下室56輸送連續流壓縮空氣。連續流壓縮空氣驅動空氣渦輪62與可膨脹環形節流閥用于速度控制,其聯接到發電機120,具有可變負荷控制,用于產生電力通過合適的海底電纜(未示出)被輸送到岸上的電力網。
下面對本發明的波能發電系統的進一步實施方式進行說明。本領域普通技術人員要理解的是,相對于這些實施方式中的一個或多個的、在本發明中所描述的某些改進和修改還可以很容易地被實施和/或適于與所描述的實施方式中的其他的類似優點一起使用。
例如,下面參照圖10等,在另一實施方式中,本發明的波能發電系統610具有錨定到海底S的大型浮動浮標612,其具有的直徑D2例如約為十五英尺(4.57米)。圓柱形壁614在浮標12下方延伸來限定緊密配合室616。圓柱形壁具有的直徑CD2例如約為72英寸(1.83米),高度CH2例如約為30英尺(9.14米)。室壁限定了多個開口水流孔618,例如八個等間隔孔,每個的直徑為15英寸(0.38米)于中性浮力活塞620上方,定位在相對垂直靜止位置,在中性浮力罐622中于安裝在內圓柱形壁625上的窄孔環623的區域中。
浮動浮標612的上主體部分624限定封閉室626,其內布置有用于轉換波能來產生電力的系統610的部件,包括空氣壓縮機628、壓力調節器630、以及空氣渦輪機和發電機組634。
簡要地說,如上所述,海洋表面波浪W的運動使浮動浮標612上升和下降,而中性浮力活塞20保持相對垂直靜止。空氣壓縮機28具有封閉的罐或氣缸636,具有的直徑例如148英寸(3.76米)且壁厚例如0.500英寸(12.7毫米),其在室626內被固定地安裝到浮動浮標612,并且還響應于海浪的運動而隨浮動浮標的運動上升和下降。氣缸636限定壓縮機室638,其內設置有壓縮機活塞640。該壓縮機活塞被安裝到中心方桿642,其在其下端連接到保持相對垂直靜止(即相對于浮動浮標和壓縮機氣缸的上升和下降波動)的中性浮力活塞620。
還參照圖10A和10B并且還參照圖11和11A,中心方形桿642在其上端643分別穿過兩組相對的上滾子850、850'和852,852',它們安裝在室860 中與壓縮室638連通并且在其上方凹陷,設置成用于與中心平面側例如方形桿的相對的外表面接合,而中心方桿的上端643容納在氣缸636頂部的封閉管或殼體664內,其延伸93英寸(2.36米),以在其運動范圍的上端提供間隙用于所述桿的上端,并且還提供空氣密封。在本實施方式中,第一對相對的滾子850、850'的外徑是8英寸(20.3厘米),寬度為8英寸(20.3厘米),聚氨酯覆蓋層862的厚度例如為0.5英寸(1.3厘米)。滾子在1.5英寸(3.8厘米)直徑的軸866上安裝在球面滾子軸承塊864上。第二對相對的滾子852、852'(主要用于向中心方形桿提供引導)的外徑也是8英寸(20.3厘米),聚氨酯覆蓋層的厚度為0.5英寸(3.8厘米)并安裝在球面滾子軸承塊上。第二對相對的滾子的寬度可以選擇成向桿提供充分的引導,同時還允許一定的間隙用于第一對相對的滾子與中心方形桿642的相對表面接合。桿端643和殼體644同樣優選的是橫截面為方形。滾子組被設計且構造成采用僅最小的維護用于擴展服務,并且用于抵抗活塞640相對于氣缸636的轉動。中心方形桿642的下端645還延伸通過兩組下相對的滾子(通常表示為854、854'),它們類似地安裝,即在壓縮室下方凹陷的室861中,并且分別設置成用于與中心方形桿642接合,然后穿過延伸到室626底部的殼體646。下管或殼體646的上端在上端(至壓縮機室的下表面)并且在下端(至浮動浮標的內表面)的氣密和水密連接之間延伸,從而抵抗水泄漏到浮動浮標室626中,而加壓到圍繞中心方形桿642的殼體646端部的氣缸614中的水壓提供氣密密封用于壓縮機604的室。
在一個實施方式中,當系統處于靜止例如風平浪靜的條件下,壓縮機活塞640從壓縮機氣缸636的頂端和底端中的每個具有的垂直高度HP2例如為43.4英寸(1.10米),垂直直間隙HC2例如為40.3英寸(1.02米),且壓縮機室具有的高度HT2例如為10英尺4英寸(3.15米)。此處及整個本發明中的所有尺寸僅通過示例提供。
中心方形桿的下端645延伸通過中性浮力活塞620的上方和下方的、安裝到緊密配合氣缸614的內表面的上下緩沖氣缸872、874。每個緩沖氣缸872、874分別限定腔873、875,它們面向中性浮力活塞620的相對的端部,并且中性浮力活塞分別限定上下軸向緩沖活塞876、877,它們從其頂部和底部端面延伸。每個緩沖活塞876、877的尺寸和形狀確定成對應于例如緊密配合與相對的緩沖腔873、875接合,例如當包含壓縮室638并包括向下懸 垂的圓柱形室614的大型浮動附表612隨波浪作用上升和下降時,使流體(海水)的不可壓縮的液壓作用由接近的緩沖活塞876、877困在緩沖腔873、875內來充當液壓緩沖器,由此緩沖并制動緩沖氣缸872、874(帶有連接的浮標和壓縮室)相對于緩沖活塞876、877(帶有連接的中心方形桿642和中性浮力活塞620)的相對移動,從而最大限度地減少潛在破壞移動元件在其間的運動范圍的兩端的接合。
在一個實施方式中,中性浮力活塞620具有的直徑為60英寸(1.52米),高度為79英寸(2.01米)。周圍氣缸614的總高度為30英尺(9.14米),在靜止即風平浪靜期間在活塞的上方和下方提供134英寸(3.40米)的間隙。系統610的位移即X是36英寸(0.91米)。
如上所述,壓縮機活塞640相對于壓縮機氣缸室638的運動,即壓縮機活塞在壓縮機室內的往復垂直運動,交替地輪流壓縮包含在壓縮機氣缸636的室638的上室部638A和下室部638B內的空氣的體積。處于壓縮下的室部內的空氣的體積通過單向閥650(例如,參見圖4等)經由壓縮空氣管道648輸送到壓力調節器罐660的下室656中(或者直接到空氣渦輪機和發電機組34)。同時,來自空氣儲存器632的空氣和/或通過空氣泵(例如,空氣泵58,如參見圖3)從空氣渦輪機和發電機組634的空氣渦輪662泵送的用過的空氣通過單向閥654經由空氣入口管道652被輸送到壓縮機氣缸636的相對的室部中。
還參照圖9等,上下柔性滾動隔膜(例如0.030英寸(0.76毫米)厚的聚氨酯)安裝成在壓縮機活塞640和壓縮機氣缸636的壁637之間延伸(例如上面參照圖5和圖5A所述)。滾動柔性隔膜從而允許活塞640在氣缸636內有效地幾乎無摩擦地往復運動,而沒有壓力損失。由例如通過管道作用且隨后通過真空端口674(圖7)和在壓縮機氣缸636的壁637中的流動通道上延伸的真空分配孔(例如,在流動通道77上延伸的真空分配孔76,如參見圖3)作用的真空泵保持在-6英寸(-15.2厘米)W.C.的、由氣缸636的壁637與活塞640的相對表面之間的柔性隔膜限定的密封區域用于在吸入行程期間抵抗滾動隔膜密封的崩潰。其還維持密封形狀,例如當系統氣壓在海上風平浪靜時下降到大氣條件時。使用柔性滾動隔膜還省去需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面。例如,壓縮機628(和壓力調節器630)的表面和公差可能只需要是通常產生于類似尺寸的地上儲罐的制造中的那些,真空空間 間隙C(圖5)(例如2英寸(5.1厘米))可以保持在壓縮機氣缸636的相對表面和活塞640之間。
仍參照圖10等,在壓力調節器罐660的下室656中,來自壓縮機628的壓縮空氣由浮動或屋頂活塞694保持在處于壓力下,該活塞在調節器罐60內安裝在垂直桿698上。活塞94被固定地安裝到該桿,從而抵抗壓縮空氣通過活塞694和桿698之間的任何孔從下部室泄漏。垂直方形桿698分別由上下組相對的滾子880、882引導在壓力調節器罐360內,類似于上面參照中心方形桿642所討論,安裝在室中與壓力調節器罐660連通并且在其上方和下方延伸。垂直方形桿698的上端和下端分別延伸到上下封閉的殼體884、886中,它們的尺寸被確定成避免潛在破壞接觸垂直方形桿,例如在行程的上下極端。上下組相對的滾子880、882也被構造成抑制調節器氣缸的行程,以盡量減少潛在破壞氣缸與罐660的表面的接觸。上下殼體884、886還可以配備有阻尼裝置,例如用于的目的是減少和/或盡量減小損壞惡劣天氣期間移動元件的接合。例如,液壓緩沖裝置,如上文相對于中性浮力和壓縮機活塞所述,雖然密封抵抗液壓流體滲入室空間將是問題。在可替代的實施方式中,貝氏彈簧墊圈疊層可以用于制動板裝置,和/或可以用作安全保持架,例如安裝成通電時保持在收縮狀態并且在釋放或斷電時接合。
壓力調節器罐的下部室內的壓力的水平通過調節可變容積壓載水艙700中的水的容積即重量而被控制,其通過水管道和軟管(其被示出卷繞成容納浮動活塞664的垂直運動)由水泵輸送至活塞694或從中移除,促進以相對恒定的壓力輸出連續流的壓縮空氣。
浮動活塞在內部(未示出)受到阻擋,以抵抗壓載艙700和浮動活塞694內的水隨著浮動浮標612因波浪作用來回搖晃而晃動。這種布置有助于確保不均勻向下的力不會有害地影響用于浮動活塞694的球面滾子軸承支撐件880、882的性能。用于限制浮動活塞694不希望垂直振蕩并且保持以相對恒定壓力輸出連續流壓縮空氣的液壓減振系統705包括雙作用活塞886(圖10)。該活塞與浮動活塞聯接,并且響應于浮動活塞的垂直速度,用于控制至雙作用活塞886(圖10)的每一側的液壓流體的流率。這種布置還促進以相對恒定壓力輸出連續流壓縮空氣。
在一個實施方式中,當系統處于靜止例如風平浪靜的條件下,壓縮機活塞694從調節器630的頂端和底端中的每個具有的高度為41.4英寸(1.05 米),垂直直間隙為36.3英寸(0.92米),且調節器室具有的高度為114英寸(2.90米)。
參照圖9、9A和9B,如在空氣壓縮機628的情況下,有效且高效的密封由允許活塞694在調節器罐60內進行高效幾乎無摩擦往復運動而沒有壓力損失的滾動柔性隔膜保持在浮動活塞694和壓力調節器罐660的相對壁之間。由通過管道作用且隨后通過真空端口、真空流動通道以及調節器罐的壁中的真空分配孔117作用的真空泵保持在例如-6英寸(-15.2厘米)W.C.的、由氣缸的壁與活塞的相對表面之間的柔性隔膜限定的密封區域。該-6英寸(-15.2厘米)W.C.真空在滾動隔膜之間。活塞提供例如+28英寸(+71.1厘米)W.C.壓力于管道中和壓力調節器內的空氣上,再加上連接到渦輪機。真空下的操作用于抵抗活塞運動期間滾動隔膜密封的崩潰,并且還保持密封形狀,例如當系統空氣壓力下降到大氣壓條件比如海上風平浪靜時。如上所述,使用柔性滾動隔膜還省去需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面,因為表面和公差可能只需要是通常產生于類似尺寸的地上儲罐的制造中的那些。
與上面描述的本發明的實施方式相反,壓力調節器罐660的上室718和氣囊罐632的氣囊區域開放于浮動室612內部的空間626。
當每次從壓縮機628輸出的壓縮空氣變為零時,壓縮機活塞640隨波的運動而反向,壓力調節器630在恒壓下從壓力調節器罐660的下室656輸送連續流壓縮空氣,以驅動空氣渦輪機和發電機組634中的空氣渦輪662旋轉,以驅動發電機720來產生電力通過合適的海底電纜(未示出)被輸送到岸上的電力網。在優選的實施方式中,空氣渦輪362可以配備有可膨脹環形節流閥用于速度控制,且聯接的發電機720可以具有可變的負荷控制或來自電網連接的電激勵。
再次參照圖10等,如上所述,本發明的波能發電系統610可以安裝在錨定到海底的大型浮標612中。圓柱形壁614在浮標下方延伸來限定緊密配合室616。
浮動浮標室624擱置于海洋表面O,優選的是位移X例如約為36英寸(91.4厘米)。海洋表面波浪W的運動使浮動浮標612上升和下降。安裝到室626內的浮動浮標的空氣壓縮機氣缸636響應于海浪的運動而隨著浮動浮標的運動同樣上升和下降,同時壓縮機氣缸室638內的且安裝至連接到中性浮力活塞620的中心桿642的壓縮機活塞640保持相對垂直靜止。
壓縮機氣缸室638相對于壓縮機活塞640的運動,即壓縮機活塞在壓縮機室內的往復垂直運動輪流交替地壓縮包含在壓縮機氣缸的上室638A和下室638B內的空氣的體積。處于壓縮的室內的空氣的體積經由壓縮空氣管道648通過單向閥650被輸送到壓力調節器罐660的下室中。同時,來自氣囊罐632的空氣和從空氣渦輪662排出的連續空氣流通過單向閥654經由管道652被輸送到壓縮機氣缸的相對室中。限定封閉區域(例如區域68,參見圖2)保持在例如-6英寸(-15.2厘米)W.C.的、安裝在壓縮機活塞640和壓縮機氣缸壁637之間的柔性滾動隔膜(未示出)允許活塞在氣缸內有效地幾乎無摩擦地往復運動,而沒有壓力損失。保持由壓縮機氣缸或罐636的壁與活塞640的相對表面之間的柔性隔膜限定的區域處于真空用于在吸入行程期間抵抗密封的崩潰,并且還維持密封形狀,例如當系統氣壓比如在海上風平浪靜時下降到大氣條件時。使用柔性滾動隔膜還省去需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面。例如,表面和公差可能只需要是通常產生于類似尺寸的地上儲罐的制造中的那些。
在壓力調節器罐60中,來自壓縮機628的壓縮空氣通過浮動或屋頂活塞694而在壓力下保持在下室部656中,該活塞通過垂直桿698上的球面滾子軸承支撐件(未示出)安裝在調節器罐660內。調節器罐660的下室部656內的壓力水平通過調節水壓載的容積即重量而被控制,其通過管道和軟管(例如上文參照圖1、9和9A所述)由水泵的操作被輸送至活塞694中的可變容積壓載水艙或從中移除。浮動活塞694在內部受到阻擋,以抵抗壓載艙內的水隨著浮動浮標因波浪作用來回搖晃而晃動。這種布置有助于確保不均勻向下的力不會有害地影響用于浮動活塞的球面滾子軸承支撐件。如在壓縮機中,有效且高效的密封由滾動柔性隔膜保持在浮動活塞694和罐660的壁之間,安裝在浮動活塞與壓力調節器罐的壁之間的柔性滾動隔膜之間的區域由通過管道、真空端口、流動管道、以及真空分配孔作用的真空泵保持在例如-6英寸(-15.2厘米)W.C.。這種真空條件允許活塞在罐內高效地幾乎無摩擦地往復運動,而沒有壓力損失,并且不需要保持成緊密尺寸公差的機加工表面。壓力調節器罐660的上室部開放于浮動浮標室626。
當每次從壓縮機628輸出的壓縮空氣變為零時,壓縮機活塞640隨波的運動而反向,壓力調節器630在恒壓下從壓力調節器罐660的下室656輸送連續流壓縮空氣。連續流壓縮空氣驅動空氣渦輪662與可膨脹環形節流閥用 于速度控制,其聯接到發電機120,具有可變負荷控制,用于產生電力通過合適的海底電纜(未示出)被輸送到岸上的電力網。
在另一實施方式中,本發明的波能發電系統具有封閉的海岸線安裝的形式,如圖12和13所示,下面對此進行說明。
特別地,海岸線安裝200的空氣壓縮機228定位在切入到岸204例如花崗巖岸中的垂直氣缸202的上方。第一或下水平連接通路206(在圖15中可以更清楚地看出)在低潮SL在海面以下的水平被切入到岸中,第二或上水平連接通路208在高潮SH在海面以上的水平被切入到岸中。下通路206允許海水SW進入和退出垂直氣缸202,響應于波浪W對海岸的作用來提升和降低垂直氣缸SI中的水的水平。隨著內部海水表面上下垂直移動,上通路208允許空氣A自由流進和流出氣缸202。
大致定位在垂直氣缸202上方的空氣壓縮機228包括安裝在岸上并且限定壓縮室238的固定壓縮機罐結構236。壓縮機活塞240設置在室238內并且安裝在中心桿242上,其穿過空氣和水密封243以連接到垂直氣缸202中的浮選體229。浮選體229通過增加隨垂直氣缸202內的上升波浪海水水面位移的水的深度來施加力于壓縮機活塞240上。通過減小隨垂直氣缸202內的下降波浪海水水面位移的水的深度來使該力反向拉下于壓縮機活塞240上。
如上所述(例如,參照圖2),壓縮機228使用滾動柔性隔膜密封件264、266于垂直移動的壓縮機活塞240和固定的壓縮機罐228之間來容納潮汐對浮選體229的位置的作用。如上文所述,限定在柔性隔膜264、266之間的密封區域268優選地保持在-6英寸(-15.2厘米)W.C.,以在活塞240在室238內的上下壓縮沖程期間控制滾動隔膜。
再次如上所述并且具體參照圖1和2,在本發明的波能發電系統的封閉海岸線安裝201的操作期間,清潔干燥空氣(例如來自外部源AC(圖15和16))在吸入沖程期間經由封閉管道和單向閥系統252、254(圖13)被依次輸送到室238的上部和下部的每個中。清潔干燥空氣然后在壓縮沖程期間被壓縮,并且經由封閉管道和單向閥系統248、250(圖13)被輸送到恒壓調節器罐230(圖13)中。壓縮機活塞240的每個沖程在處于壓縮行程的壓縮室部中產生例如約+24英寸(+61.0厘米)W.C.的壓縮或壓力PC(僅例如,活塞240被示出在向下壓縮沖程,如箭頭F所示),并且在處于吸入行程的 壓縮室部中產生例如約-3英寸(-7.6厘米)W.C.的吸力或真空VC。在所述的系統的一個實施方式中,活塞240移過的垂直距離等于空氣柱高度的約百分之六(6%),以發展+28英寸(+71.1厘米)W.C.的壓力(其中1個大氣壓約等于+406.8英寸(+1033.2厘米)W.C.)。
再次參照圖12,壓縮機228的罐236的尺寸必須被確定成向活塞240提供足夠的間隙高度(在活塞的上方和下方),以允許活塞240相對于氣缸236進行向上和向下的垂直運動。對于其中浮選體229被構造成具有固定量浮力的系統201的實施方式來說,活塞240具有的高度HP等于漲潮和退潮之間的差加上最大預期波浪高度的總和,而在活塞的上方和下方的額外間隙高度HC等于漲潮和退潮之間的差的二分之一加上最大波浪高度的二分之一的總和。壓縮室的總高度HT因此是漲潮和退潮之間的差的兩倍加上最大波浪高度的兩倍的總和。
還參照圖13,包括大量波能發電系統201的系統200可以沿著岸204安裝,每個在垂直切割氣缸202(圖12)的上方連接到下水平管206(圖15)用于海水的流入和退出并且連接到上水平管208(圖12)用于空氣A的吸入和排出。每個系統201具有浮子驅動的壓縮機228,其隨著海浪W的作用而上升和下降,以經由多個恒定壓力調節罐230或者經由合適單個非常大的壓力調節器/儲存罐(虛線暗示的261)提供壓縮空氣來驅動大渦輪262以驅動發電機220。封閉的空氣系統包括管道248(帶有單向閥250或500(例如參見圖4、4A和4B)),其將壓縮機228連接到壓力調節器230,管道系統221將調節器連接到空氣渦輪機/發電機組234,且管道252(具有單向閥254)將空氣渦輪262連接到浮子驅動的壓縮機228,用于返回清潔干燥的空氣。
參照圖14和14A,在本發明的波能發電系統的另一封閉的海岸線安裝中,示出了液體槽密封裝置304,例如用于代替上述(圖12中)的滾動隔膜。在本實施方式中,空氣壓縮機328包括基部350、頂部360和中間活塞部370。基部350包括與直立圓柱形內壁354限定下壓縮室部356的圓形開放式基圓柱形元件352和與內圓柱形壁354限定圓形液體密封槽390的直立圓柱形外壁358。頂部360包括與向下懸垂的圓柱形壁364限定上壓縮室部366的倒置圓形開放式基圓柱形元件362。中間活塞部370包括限定活塞主體372的圓形封閉的中央圓柱形元件、與活塞主體的相對壁376限定液體密封槽392的直立圓柱形壁374、以及外向下懸垂的圓柱形外壁378。
還參照圖14B至14F,基部350和中間活塞部370的尺寸被相互確定成且構造成允許活塞部370的向下懸垂的圓柱形壁378被接收到由基部350限定的液體槽390中,以與包含在其中的密封劑液體306密封接合,活塞主體372在向下壓縮沖程中前進來壓縮壓縮室部356中的空氣。頂部360和中間活塞部370的尺寸同樣被相互確定成且構造成允許頂部360的向下懸垂的圓柱形壁3364被接收到由活塞部370限定的液體槽392中,以與包含在其中的密封劑液體306密封接合,活塞主體372在向上壓縮沖程中前進來壓縮壓縮室部366中的空氣。如上所述,基部350、頂部360和/或活塞部370之間的相對的往復垂直運動(例如,底部和頂部可以相對固定,活塞部相對于此移動,或者活塞可以固定,頂部和基部相對于此移動,或者還可以實施其它組合的相對移動)。
如上參照圖1和2,在上或下壓縮室的壓縮沖程期間,壓縮空氣穿過居間管道248和單向閥250進入壓力調節器罐,而空氣通過管道252和單向閥254在吸力下被吸入相對的下或上壓縮室中。這種裝置使用由開放式的圓柱形壁364、378被居中地定位到其中的成對圓形液體槽390、392中的密封劑液體306提供的密封件304來提供將由壓縮機活塞元件372的相對垂直運動產生的正或負壓力與環境壓力分隔的障礙。
液體密封的壓縮機328與驅動浮選體329之間的垂直距離是可調節的,例如通過潮汐補償調節機構310,使得潮汐海平面變化不會從根本上影響在壓縮機活塞372的全部垂直行程以外由圓形液體槽390、392所需的深度。例如,壓縮機活塞372的每個沖程在處于壓縮沖程的壓縮室部中產生例如約+28英寸(+71.0厘米)W.C.的壓縮或壓力PC(僅例如,活塞372同樣被示出在向下壓縮沖程,如箭頭G所示),并且在處于吸入行程的壓縮室部中產生例如約-3英寸(-7.6厘米)W.C.的吸力或真空VC。其結果是,例如3英寸(7.6厘米)的最小液體密封高度LS需要在吸入沖程上,例如28英寸(70.1厘米)的最小液體密封高度LC需要在壓縮沖程上。(這些最小液體密封高度用于具有約1.0的比重的基于水的和其他密封劑液體,并且可以調節用于其他比重的密封劑液體,例如,汞(下面作為可能的替代密封劑液體被提到)具有的比重為13.6,需要約0.2英寸(5.1毫米)的調節的最小液體密封高度LS于吸入沖程上和約1.5英寸(3.8厘米)的調節的最小液體密封高度LC于壓縮沖程上)。
密封劑液體306被選擇為具有相對低的蒸氣壓和高的比密度,再加上防凍特征,例如全都相比于新鮮或海水,以便減少完成密封所需的相差液面高度。合適的替代密封劑液體的示例是汞,但還可以采用其他合適的密封劑液體。
已經在上文對本發明的一些實施方式進行了描述。然而,要理解的是,可以在不脫離本方面的精神和范圍的情況下進行各種修改。
例如,在圖12的實施方式中所示的封閉的浮選體系統中,壓縮機罐236必須具有大的垂直尺寸,以便適應兩個潮汐高度(例如漲潮和退潮之間)和波浪高度(例如波峰和波谷之間)的相當大的變化。這個問題可以通過潮汐調整機構310處理,例如如圖14所示,或者如下面參照圖16所述。
還參照圖15,在替代的實施方式中,水壓載可以被加入到浮選體229'(例如,通過水泵150)并從其移除,以便為浮選體建立中性浮選級N(或浮選范圍NR,例如加上或減去12英寸(30.5厘米),從而在基礎或平均水位調整潮汐移動。這樣,壓縮機(上面參照圖12所討論)所需的垂直尺寸的潮汐分量的二分之一可以被消除在活塞高度和在間隙高度。本方面的波能發電系統的封閉海岸線安裝201隨后將更加緊密地模仿上文參照圖1等所述的浮動浮標系統10。
在圖12和15中,由通過下連接通路206的海水的潮汐流所產生的、通過上連接通路208的空氣A(吸入和排出)的流動還可以被分接(例如由空氣渦輪152,參見圖15)作為額外的能量來源。
仍參照圖15,壓縮機228被示出具有活塞240和壓縮機罐236之間的滾動柔性隔膜密封件,例如同樣如在圖12中所采用,但液體密封系統,例如如上文參照圖14和14A至14G所述,還可以用于封閉的海岸線安裝。
例如,下面參照圖16,在本發明的波能發電系統的封閉海岸線安裝401的另一替代實施方式中,壓縮機304,如上面參照圖14等,由較大的往復或升降活塞402驅動,該活塞又由壓縮空氣驅動。活塞402設置在切入到岸408中垂直氣缸406的上方的封閉活塞氣缸404內。與升降活塞氣缸的下室418連通的海岸線波浪調節室412上方的封閉空氣柱410中的空氣隨著波浪通過水平連接通路414來到岸邊由上升的液面壓縮。如上所述,連接通路414允許海水SW進入和退出垂直氣缸406,響應于波浪W對海岸的作用來提升和降低垂直氣缸SI中的水的水平。壓縮機304具有液體密封裝置,例如如參照 圖14等,代替上文參照圖12所述的滾動隔膜。在附圖所示的實施方式中,活塞402還具有液體密封裝置,如下面描述。
仍參照圖16,第一氣缸416限定與空氣柱410連通的下室418。第二倒置氣缸420在第一氣缸416上方延伸,并且限定通過環境排放口424與環境大氣連通的上室422。倒置的活塞氣缸426在第一氣缸416上方延伸并且在第二倒置氣缸420內,由液體槽密封件430中的液體428提供的密封分別限定在第一和第二氣缸416、420之間,以抵抗活塞氣缸404的下和上室418、422之間的滲漏。倒置的活塞氣缸426限定的孔432(例如,圓柱形或方形)接收連接到壓縮機304的活塞312的中心桿342,圍繞中心桿342的套筒434連接到壓縮機活塞312,其延伸到中心孔的密封液體436中,以抵抗活塞422的上室422和壓縮機304的下壓縮室部356之間的空氣的泄漏。封閉的空氣柱410,響應于穿過通路414的水流因波浪和潮汐運動的上升和下降,由空氣壓力提升和降低升降活塞402,從而又升高和降低壓縮機活塞312,其通過中心活塞桿342硬連接到往復的升降活塞402。
空氣處理器439(包括鼓風機438和安全閥440)經由管道系統442與封閉的空氣柱410連通,用于根據需要增加和減少封閉空氣柱410和下往復活塞室418內的空氣的質量與潮汐高度的變化相符,以調節活塞402的基線或平均位置。例如還參照圖17,在入流潮上(除了波浪運動之外),隨著水WM的平均水平或高度在垂直氣缸406中上升,空氣通過安全閥440從室410釋放,減少空氣的質量,并且假設中性浮力往復活塞402與硬聯接的壓縮機活塞372和軸342的總重量保持相對恒定,中性浮力活塞402的平均位置保持相對恒定,中性浮力活塞402起作用(即上升和降低以交替地促使空氣在上室中然后在壓縮機的下部室中壓縮),主要僅響應于水位因波浪調節室412中的波浪作用的浪涌和下降。類似地,在出流潮上,鼓風機438將空氣引入到封閉的空氣柱410中,增加空氣的質量并且使中性浮力活塞402相對于水WM的平均水平或高度在垂直柱406中上升,相對于壓縮機304的高度保持在相對恒定的高度,再次地,中性浮力活塞402起作用(即上升和降低以交替地促使空氣在上室中然后在壓縮機的下部室中壓縮),主要僅響應于水位因波浪調節室412中的波浪作用的浪涌和下降。
往復壓縮空氣驅動活塞裝置取代上文參照圖15所述的浮選體裝置,通過調節封閉空氣柱410中的空氣的體積(質量),以為壓縮機304建立在調 節室412中水表面水位WM的中點或平均高度上方的平均靜止中點。
參照圖16A,示出了用于在本發明的波能發電系統的封閉海岸線安裝(例如,圖16所示的封閉海岸線安裝401)中的空氣壓縮機328'的液體槽密封裝置304'的另一實施方式,例如用于代替上文(圖12)所述的滾動隔膜。在本實施方式中,空氣壓縮機328'(以剖視圖示出)包括中間活塞部370',其設置成用于在具有內基部350'和外頂部360'的固定的圓柱形壓縮機主體349'內進行往復垂直運動。內基部350'是帶有向下懸垂的圓柱形內壁352'的倒置圓形開放式基圓柱形元件。頂部360'是帶有向下懸垂的圓柱形壁378'的倒置圓形開放式基圓柱形元件。主體349'相對的向下懸垂的圓柱形壁352'、362'由水平壁367'與向下懸垂的圓柱形壁352'、362'連通水平基壁367'一起接合在基部,一起限定圓形液體密封槽390'。中間活塞部370'包括帶有向下懸垂的圓柱形壁378'的限定活塞主體372'的倒置圓形開放式基圓柱形元件。內基部350'和中間活塞部370'一起限定下壓縮室部356'。外頂部349'和中間活塞部370'一起限定上壓縮室部366'。
壓縮機主體的內基部350'和外頂部349'的尺寸被相互確定成且構造成相對于往復中間活塞主體372'允許中間活塞部360'的向下懸垂的圓柱形壁378'被接收到由壓縮機主體349'限定的液體槽390'中,以與包含在其中的密封劑液體306'密封接合。中間活塞主體372'和中心軸342'在壓縮下壓縮室部356'中的空氣的向下壓縮沖程(箭頭DS)和壓縮壓縮室部366'中的空氣的向上壓縮沖程(箭頭US)之間在固定的圓柱形壓縮機主體349'內往復。如上所述,例如參照圖1和2,在上或下壓縮室366'、356'中的壓縮沖程期間,壓縮空氣穿過居間管道248'和單向閥250'進入壓力調節器罐(未示出),而空氣通過管道252'和單向閥254'在吸力下被吸入相對的下或上壓縮室中。這種裝置使用由活塞的圓形開放式的圓柱形壁378'被居中地定位到其中的圓形液體槽390'中的密封劑液體306'提供的密封件來提供將由壓縮機活塞元件372'的相對垂直運動產生的正或負壓力與環境壓力分隔的障礙。
在壓縮機628'的一個實施方式中,壓縮機氣缸具有的有效高度HT例如約194英寸(16英尺2英寸;4.93米),提供的間隙高度HC例如約40英寸(1.02米),用于壓縮機活塞372'相對于壓縮機氣缸的上下垂直運動,活塞具有的全行程高度HF例如約80英寸(2.03米)。(所有的尺寸僅通過示例提供。)壓縮機活塞372'的每個沖程在處于壓縮行程的壓縮室部中產生例如約 +28英寸(+71.0厘米)W.C.的壓縮或壓力PC,并且在處于吸入行程的壓縮室部中產生例如約-3英寸(-7.6厘米)W.C.的吸力或真空VC。其結果是,例如3英寸(7.6厘米)的最小液體密封高度LS需要在吸入沖程上,例如28英寸(70.1厘米)的最小液體密封高度LC需要在壓縮沖程上。(如上所述,這些最小液體密封高度用于具有約1.0的比重的基于水的和其他密封劑液體,并且可以調節用于其他比重的密封劑液體。)
下面參照圖17以及圖17A至17H,圖17是圖16的波能發電系統海岸線安裝的代表性實施方式的示意側平面視圖,圖17A至17H表示用于確定用于該代表性空氣壓縮機和潮汐調整機構組件的元件尺寸的樣例計算。
在圖17的代表性系統中,壓縮機304具有的重量878磅(398千克)(以下計算,圖17A)和輸出壓力為例如20英寸(50.8厘米)W.C.。該壓縮機還具有的直徑為2.00米,面積約為3.14m2,壓縮機活塞具有的行程為2.0米,每個波浪的最大體積為12.28m3。402具有的重量2432磅(1103公斤)(以下計算,圖17C)。升降活塞還具有的直徑為2.83米,面積約為6.28m2,壓縮機活塞具有的行程為2.0米。垂直圓氣缸406的調節室412具有的直徑為2.83米,面積約為6.28m2,中性壓力為6.6英寸(16.8厘米)W.C.,向上壓力為21.0英寸(53.3厘米)W.C.,向下壓力為4.5英寸(11.4厘米)W.C.。
圖17A表示壓縮機活塞重量的樣例計算,包括1米深的側氣缸進行密封,例如在液體密封槽中或著具有滾動隔膜,并且假設壁厚為0.200英寸(5.1毫米)。在該圖所示的樣例計算中,壓縮機活塞總重量為878磅(398公斤)。
圖17B表示提升活塞重量(WT)加上壓縮空氣到+20英寸(+50.8厘米)W.C.且在吸入側上以-3英寸(-7.6厘米)W.C.吸入空氣所需的力的樣例計算。在該圖所示的樣例計算中,提升活塞重量(WT)加上壓縮空氣到+20英寸(+50.8厘米)W.C.且在吸入側上以-3英寸(-7.6厘米)W.C.吸入空氣所需的力是4883磅(2215公斤)。
圖17C表示在2.83M.O.D.(111.5英寸(2.83米))的升降活塞的重量的樣例計算,假設壁厚為0.200英寸(51毫米)加上6英寸(15.2厘米)O.D.通過4英寸(10.2厘米)I.D.中心軸約18英尺(5.49米)長的重量。在附圖所示的樣例計算中,中性浮力升降活塞和中心軸的總重量為2432磅(1103千克)。
圖17D表示向上壓縮沖程所需的力的樣例計算。在附圖所示的樣例計算 中,向上壓縮沖程所需的力是7315磅(3318千克)。
圖17E表示向上壓縮沖程所需(以W.C.)的壓力的樣例計算。在附圖所示的樣例計算中,向上壓縮沖程所需的壓力為21.0英寸(53.3厘米)W.C.。
圖17F表示向下壓縮沖程所需的力的樣例計算。在附圖所示的樣例計算中,向下壓縮沖程所需的力是1573磅(714千克)。
圖17G表示向下壓縮沖程所需(以W.C.)的壓力的樣例計算。在附圖所示的樣例計算中,向下壓縮沖程所需的壓力為4.51英寸(11.5厘米)W.C.。
圖17H表示封閉空氣柱中的中性壓力(以W.C.)的樣例計算。在附圖所示的樣例計算中,封閉空氣柱中的中性壓力為10.1英寸(25.7厘米)W.C.。
最后,參照圖18,在壓縮機28'的另一實施方式中,壓縮機活塞40'可以具有的直徑或寬度WP例如為2.4米(7.88英尺),而壓縮機氣缸36'具有的內徑或寬度WC例如為2.5米(8.22英尺),活塞具有的垂直高度HP例如1.20米(3.94英尺),而壓縮機氣缸具有的有效高度ΗT例如為3.20米(10.50英尺),提供的間隙高度HC例如為1.00米(3.28英尺),用于壓縮機活塞相對于壓縮機氣缸作上下垂直運動。如上所述,由氣缸的壁和活塞的相對表面之間的柔性隔膜限定的密封區域由通過真空端口74作用且隨后通過調節器罐(例如參見圖9和9B)的壁中的流動通道和真空分配孔作用的真空泵維持在例如-6英寸(-15.2厘米)W.C.。在真空下的操作用于抵抗滾動隔膜密封件在活塞的運動期間崩潰,并且還保持密封形狀,例如當系統空氣壓力下降到大氣壓條件比如風平浪靜時。
盡管為了便于理解本發明,上文的波能發電系統10已經被描述為具有單個壓縮機、調節器、空氣儲存器和空氣渦輪機/發電機組,但是要認識到的是,還可以組合其它數量的系統和/或系統部件,包括根據本發明的一組或多組浮動浮標或者一個或多個海岸線安裝。類似地,某些元件和裝置例如合作的緩沖缸和緩沖腔已被描述與一個或只有幾個系統組合;然而,本領域普通技術人員要理解的是,這樣的元件和系統可以與其他系統中的類似優點和效果一起使用。
因此,其它的實施方式也在以下權利要求的范圍之內。

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