專(zhuān)利名稱(chēng)：環(huán)境發(fā)電機(jī)的制作方法
環(huán)境發(fā)電機(jī)
背景技術(shù)：
能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是已知的，其可以從變化的環(huán)境條件獲得電力，諸如通過(guò)利用海浪重復(fù)地來(lái)回移動(dòng)部件而從海浪獲得電力。申請(qǐng)人:的專(zhuān)利US 7，632，041公 開(kāi)了一種用于從波浪生成電力的系統(tǒng)，其中，將發(fā)電的可拉伸材料(SM)耦接至靜態(tài)部件和隨著波浪移動(dòng)的可移位部件。SM材料如同可變電容器起作用。由于該系統(tǒng)的一部分來(lái)回移動(dòng)，可以使得重復(fù)拉伸和松弛某種量(例如，一片)的SM,該SM優(yōu)選為EAP (電活性聚合物)材料。一對(duì)電極靠著一 SM材料片的兩個(gè)相反的表面布置，以創(chuàng)建電容器，并且電荷被施加至該對(duì)電極。當(dāng)拉伸該片時(shí)，所述表面增大，同時(shí)其兩個(gè)相反的表面之間的距離減小。結(jié)果，其電極對(duì)之間的電容增大，并且由其電極上的電荷產(chǎn)生的電壓減小。相反，當(dāng)部分地松弛所拉伸的SM材料片時(shí)，其電容減小，并且位于其兩個(gè)相反的表面處的電極之間的電壓增大。通過(guò)流出(其電極對(duì)之間的)電荷，從由位于松弛SM片的兩個(gè)相反的側(cè)上的電極對(duì)構(gòu)成的電容器汲取電力。當(dāng)再次拉伸SM片從而電壓減小時(shí)，電荷再次(作為電流)流向電極，對(duì)它們?cè)俪潆姡蚨?，電荷可以在電壓再次增大時(shí)流出。電力流出具有比再充電電極的電壓高的電壓的電極對(duì)(它們被放電)的事實(shí)導(dǎo)致從該系統(tǒng)獲取電力。對(duì)位于SM片的兩個(gè)相反的表面上的電極重復(fù)再充電的需要導(dǎo)致需要在每一個(gè)操作周期的適當(dāng)時(shí)間按所需再充電電壓(例如，2500伏特)提供電流的電源。這可能需要AC/DC轉(zhuǎn)換和電壓逐步升高或逐步降低，其導(dǎo)致可能大大縮減能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率的電力損失。使用用于對(duì)一對(duì)電極再充電的內(nèi)部源的系統(tǒng)可以具有大大提高的效率。這種系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠利用相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)造來(lái)從如同海浪、氣流或水流的環(huán)境提取能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及根據(jù)環(huán)境力發(fā)電的、由互連可變電容器構(gòu)成的裝置，該互連可變電容器由SM材料制成。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，針對(duì)根據(jù)拉伸和松弛SM(可拉伸材料)、尤其是具有(卷筒狀)片形式(因而其具有靠著其布置一對(duì)電極的大體平行的兩個(gè)相反的表面)的SM材料來(lái)發(fā)電的系統(tǒng)提供了改進(jìn)。該系統(tǒng)包括電力提取單元，該電力提取單元耦接至彼此異相地(out of phase)被激活的至少一對(duì)電容器的電極。該單兀將來(lái)自具有較高電壓的第一對(duì)電極的電荷(電流)引導(dǎo)至具有較低電壓的一個(gè)或更多個(gè)第二對(duì)電極，以對(duì)第二對(duì)電極再充電。在電流流動(dòng)期間，根據(jù)經(jīng)過(guò)該單元的電流的電壓降來(lái)提取電力。電力提取單元設(shè)置有電力控制單元，該電力控制單元感測(cè)許多電容器中每一個(gè)電容器的電壓，并且使在其電極之間具有正的高電壓的可變電容器之間的電流流向在其電極之間具有低電壓或負(fù)的高電壓的可變電容器(這可以通過(guò)切換它們來(lái)建立)。流向第二對(duì)電極的電流對(duì)第二對(duì)電極再充電，因而，其在其SM片下一次松弛時(shí)按高電壓生成電流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，該SM片按SM管部的形式卷繞、纏繞或卷起。該管部可以是由按徑向方向隔開(kāi)的幾個(gè)SM層制成的連續(xù)多層卷繞管部，或者是由每一個(gè)都充當(dāng)可變電容器的組合段、環(huán)或管件制成的管部。電容器電極靠著每一個(gè)段的相反的面布置。所述管件或電容器可以按串接方式互連，以形成管部。該管部的分段還有利于加工、裝配以及維護(hù)目的。該管部漂浮在海域中并且隨著波浪沿該管部通過(guò)而彎曲。該分段管部可以被包含在該管部?jī)?nèi)的諸如水和/或壓縮空氣的 一種或更多種流體預(yù)加應(yīng)力。所包含的流體因作用于柔性管部上的海浪而發(fā)展成行進(jìn)的鼓凸部(bulge)或駐波，該行進(jìn)的鼓凸部本地地?cái)U(kuò)大管部或充當(dāng)可變電容器的環(huán)形SM材料段的直徑。進(jìn)一步，可選地，在經(jīng)由電力提取單元將電力輸出至電網(wǎng)之前，多個(gè)SM層或段中的一個(gè)或更多個(gè)可以被隔離，并且不充當(dāng)用于電力生成的可變電容器，而是充當(dāng)可以作為存儲(chǔ)緩沖器而匯集并且臨時(shí)存儲(chǔ)其它可變電容器段的所生成電力的靜態(tài)電容器。連接至電力提取單元的該電力控制單元控制在不同的可變和靜態(tài)電容器上的電力分布。本發(fā)明的新穎特征在所附權(quán)利要求書(shū)中具體闡述。當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)下面的描述，將最佳地理解本發(fā)明。


圖I示出了包含連接至電力提取單元的、用于從海浪發(fā)電的基于SM的電容器卷筒的電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。圖2是沿圖I的線(xiàn)2-2截取的截面圖。圖3是圖2的一部分的更詳細(xì)的視圖。圖4是使用由環(huán)形管狀段制成的長(zhǎng)柔性管部的另一電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的側(cè)立視圖，該環(huán)形管狀段由用于從海浪發(fā)電的SM(可拉伸)材料制成。圖5是圖2的系統(tǒng)的鼻狀區(qū)(nose area)的放大圖。圖6是圖2的管部的可變電容器或段。圖7是圖6的管部的段的一部分的局部截面圖。圖8是圖4的管部的局部分段圖，該局部分段圖示出因內(nèi)部行進(jìn)流體鼓凸部而具有擴(kuò)大直徑的幾個(gè)SM段。圖9是包括具有互連的電力控制單元的電力提取單元的電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖。圖10是電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖。圖11是在從第一電容器向第二電容器流出電荷(電流)期間該系統(tǒng)的電力控制單元的一種形式的示意圖。圖12是圖9的圖的、在將電荷從第二電容器流回到第一電容器期間的視圖。圖13是包含幾個(gè)可變電容器元件和一對(duì)恒定電容器的另一管部設(shè)計(jì)的等軸測(cè)視圖。圖14是沿圖13的線(xiàn)14-14截取的截面圖。
具體實(shí)施例方式圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的第一波能轉(zhuǎn)換(WEC)系統(tǒng)10，其中，電互連的可變電容器裝置12被用于從海浪發(fā)電。所述電容器裝置是防水覆蓋物中的SM(可拉伸材料)材料的卷筒，并且每一個(gè)所述電容器裝置都在其電極上具有電荷，從而在其兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電壓。圖2是多個(gè)電容器裝置之一的截面，其示出了諸如25、26的層各包括SM片及其電極，并且該卷筒被卷繞成具有交疊層25、26的螺旋。圖3示出了該電容器裝置包括可拉伸電介質(zhì)材料片20、靠著或鄰近電介質(zhì)片20的兩個(gè)相反的面布置的一對(duì)柔軟電極(compliantelectrodes) 22,24,以及覆蓋這些電極的防水片27。在申請(qǐng)人設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，具有三十八個(gè)層，每一層都具有84 um(0. 084mm)厚的EAP (電活性聚合物)型SM材料。這些電容器裝置連接至浮力元件14 ，并且被集成在連接至海底的系泊纜中。即使在寂靜海域(沒(méi)有波浪)中，這些電容器裝置或卷筒的主要層也處于預(yù)張力下。當(dāng)波峰越過(guò)該裝置時(shí)，該浮力部件在水中升高，并且拉伸電容器的SM層。該SM層變得被拉伸且更薄，并且電容器的該對(duì)柔軟電極之間的電壓減小。另一方面，當(dāng)波谷越過(guò)該裝置時(shí)，SM層松弛、變厚并且每一個(gè)電容器狀裝置的電極之間的電壓增大?？梢酝ㄟ^(guò)在處于不同電壓的電容器狀裝置之間傳遞電流并且使該電流流過(guò)負(fù)載而將電壓的這種變化用于發(fā)電。因此，每一個(gè)電容器的電極通過(guò)電纜29連接至中心電力提取單元28，所述中心電力提取單元28連接至電力輸出電纜，并且具有針對(duì)不同電容器調(diào)整和分配電力的電力控制單元。圖4示出了第二 WEC (波能轉(zhuǎn)換)系統(tǒng)11，其包括漂浮柔性管部13，所述漂浮柔性管13的一個(gè)船首端(bow end)用系泊纜21、19系泊至海底16。該管部由具有管狀環(huán)形段形狀的多個(gè)段或電容器構(gòu)成。該管部的兩個(gè)端部封閉，并且將諸如水和壓縮空氣的加壓流體包含在該管部?jī)?nèi)。由于海浪作用，該管部中包含的流體生成流體的行進(jìn)鼓凸部23，其迫使電容器沿徑向方向拉緊，并且通過(guò)其擴(kuò)大電容器的表面，而縮減SM材料的厚度。管部13包括管壁，該管壁包括SM(可拉伸材料)。膨脹力被施加至管部，其初始地沿徑向方向拉伸管壁。該管部可以包含壓縮氣體(例如，空氣)，其將管壁置于張力下，并且還保持管部漂浮。另一可能性是諸如壓縮彈簧的線(xiàn)圈(未示出)，其在管部?jī)?nèi)沿直徑被壓縮，由此擴(kuò)張管部。該管部甚至可以是在其周?chē)膭傂圆考?未示出)和包括諸如EAP的SM的柔性部件的組合。這些可以被用于實(shí)現(xiàn)較小管部膨脹性，并由此實(shí)現(xiàn)更高的鼓凸速度(對(duì)于吸收快速行進(jìn)的較長(zhǎng)周期波浪是不可少的)。這些剛性部件優(yōu)選地包含浮力物或壓艙物，以控制管部的深度。這些剛性部件還優(yōu)選地包含電纜托架和電力電子設(shè)備，以控制沿管部長(zhǎng)度在每一個(gè)SM段處的電流流動(dòng)。可以使用用于管部的浮標(biāo)和鏈解耦系泊系統(tǒng)。鏈部21按懸鏈形狀附接在管部的至少一個(gè)端部與浮標(biāo)18之間。浮標(biāo)18通過(guò)拉緊的系泊線(xiàn)19附接至海床，該系泊線(xiàn)可以是彈性體、PU、TPU、尼龍、纜繩。電纜29運(yùn)走電力。另一選擇(未示出)是經(jīng)由配重塊鏈?zhǔn)讲贾脤⒏?biāo)18附接至海床。該配重塊僅在幸存波浪(survival wave)中而不在正常操作條件下升高。這種布置通過(guò)將管部端部的起伏共振(heave resonance)周期調(diào)諧成比波浪更長(zhǎng)的周期以及/或者通過(guò)在管部的一個(gè)或兩個(gè)端部處提供附加阻尼以避免彎曲波在管部的端部處的劇烈反射，來(lái)提供動(dòng)態(tài)模式解耦。這種浮標(biāo)和懸鏈布置可以顯著減少或者甚至消除尾部的抓載荷(snatch load)的發(fā)生，并且增大在幸存波浪中的最小彎曲半徑，由此保護(hù)管部不受彎皺、高應(yīng)力、層離等的影響。在通過(guò)其系泊系統(tǒng)提供的張力和波浪作用下，彈性材料管部具有沿垂直平面彎曲的固有模式(共振)。這些模式類(lèi)似于漂浮管線(xiàn)的振動(dòng)模式，或更簡(jiǎn)單地類(lèi)似于拉緊的繩索?？梢哉{(diào)諧管部的軸向有效張力，以獲得波浪周期范圍內(nèi)的幾個(gè)共振周期，由此，在波浪與管部應(yīng)變之間提供能量的理想變換機(jī)制。具體來(lái)說(shuō)，可以調(diào)諧管部的有效張力，以使管部中的彎曲波按和波浪相同(或接近)的速度傳播。接著，在來(lái)自波浪的強(qiáng)制激發(fā)下，管部中的彎曲波的波長(zhǎng)將與海浪波長(zhǎng)相同。這將導(dǎo)致在管部中波載荷與應(yīng)變之間的最佳能量傳遞(組合的幾何和時(shí)間共振)，因此，從波浪獲取的電力將增加。管狀發(fā)電系統(tǒng)還可以在管部的每一側(cè)上設(shè)置有水平突出狀的翼部(未示出)。該翼部經(jīng)受波載荷并且主要經(jīng)受生成上推或下推載荷的升力，其通過(guò)管部中的翼部的結(jié)構(gòu)性泊地(structural anchorage)而被傳送至管狀WEC。翼部上的波載荷所進(jìn)行的工作被用于放大管部相對(duì)于移動(dòng)海面的垂直運(yùn)動(dòng)。這些變形被用于利用SM材料生成能量。在理想情況下，至少一對(duì)翼部將靠近管部的船首而被定位。所述翼部可以由剛性的可變形材料(諸如彈性體)或者甚至SM材料建造來(lái)收獲能量和/或積極控制WEC的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，以從波浪提
取更多能量(剛性、阻尼控制)。仍處于本發(fā)明范圍內(nèi)的作為替換方案的管狀發(fā)電概念可由兩個(gè)SM管部組成，一個(gè)SM管部處于另一 SM管部?jī)?nèi)部。兩個(gè)SM管部被填充有流體(海水)，并且在鼓凸部經(jīng)過(guò)波能轉(zhuǎn)換器時(shí)，外側(cè)管部膨脹而內(nèi)側(cè)管部收縮，反之亦然。這允許系統(tǒng)在波浪的整個(gè)周期中發(fā)電。每一個(gè)管部都同時(shí)與另一管部異相。圖5示出了具有管部的電力控制單元的電力提取單元40。該電力提取單元被放置在干燥環(huán)境中，其中連接了每一個(gè)可變(和恒定)電容器的電極。電力提取單元還連接至高壓電力輸出電纜50，其被設(shè)置在距系泊線(xiàn)接線(xiàn)片52 —定距離處。圖6和7示出了具有管狀環(huán)形段形狀的可變電容器或段60。這些圖示出了，管壁包括具有管段形式的SM(可拉伸材料)層或片62，和位于該片的兩個(gè)相反的面或表面處的一對(duì)電極64、66。SM材料片用作電容器電介質(zhì),而電極用作電容器電極，以形成可變電容器。一對(duì)電介質(zhì)隔離層68將電極與環(huán)境中的水和其它因素隔離開(kāi)。可以在層對(duì)之間設(shè)置隔離膜，但這種膜通常不影響操作。電容器電介質(zhì)62由SM材料制成,并且柔軟電極64、66被設(shè)置成位于至少50%的電容器電介質(zhì)表面上，并且由所謂的電活性聚合物(EAP)構(gòu)造成。電容器優(yōu)選地由卷繞或卷筒的電介質(zhì)材料片制成，并且在兩個(gè)表面處具有柔軟電極。為了服貼，電極可以具有與管軸(圖6)平行的褶皺72 (圖7)。電容器段60被包含在由可拉伸材料制成的防水外覆蓋物以及柔性且防水的內(nèi)襯或?qū)又校允贡话诠懿績(jī)?nèi)的流體不能到達(dá)電容器的電極。由于海浪作用，因而包含在由這些電容器形成的管部中的流體生成流體的行進(jìn)鼓凸部，其迫使環(huán)形電容器段僅沿徑向方向拉緊，并且通過(guò)其擴(kuò)大表面，而減小SM材料的厚度。可選地，使每一個(gè)可變電容器元件處于發(fā)電的發(fā)電機(jī)模式下或者處于使得當(dāng)施加電力時(shí)電容器元件收縮/松弛以使得能夠調(diào)節(jié)和控制行進(jìn)鼓凸部的致動(dòng)器模式下。在申請(qǐng)人設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，每一個(gè)互連電容器的主要層的表面和厚度改變，其導(dǎo)致電壓的變化。為了獲得更高性能，針對(duì)管部和/或針對(duì)管部的每一個(gè)段的多層布置是優(yōu)選的。該多層布置包括高介電常數(shù)材料層、用于電極的高導(dǎo)電率材料層，以及防水材料層。而且，一個(gè)或更多個(gè)可拉伸材料(如彈性體)層可以被添加在層之間，所述層也可具有褶皺形狀。此外，交替的硬彈性體(楊氏彈性模量高于50X IO6Psi)層和具有較小模量(典型為I至20X 106psi)的電介質(zhì)EAP膜的層可以增大SM材料的能量密度。相對(duì)硬的彈性體因防止SM在高電場(chǎng)下膨脹得太多而限制SM的拉伸，即，相對(duì)硬的彈性體最小化致動(dòng)效果并且最優(yōu)化發(fā)電機(jī)性能。幾個(gè)SM材料層被纏繞為管段，所述管段被夾在許多水屏蔽膜層之間。該管部還設(shè)置有外防水和保護(hù)覆蓋物。SM材料被制造為具有幾十米長(zhǎng)度的片，并且滾繞或纏繞成管段、卷筒或環(huán)段。SM片外側(cè)末尾部分不需要具有柔性電極層。末端部分將環(huán)繞SM部分被纏繞幾次，以保護(hù)電極阻止水進(jìn)入或者擴(kuò)散，同時(shí)其仍允許該段膨脹和縮回。限制段或整個(gè)管部的軸向膨脹的另一方法是添加如繩索、纜線(xiàn)、帶、網(wǎng)、編織物等的軸向限制物，或者甚至在施加電壓時(shí)收縮的SM材料(致動(dòng)器)。其不僅將限制段或管部的拉長(zhǎng)，而且還可以在因在管部?jī)?nèi)捕獲的加壓流體的、因波浪作用而生成的行進(jìn)鼓凸部而強(qiáng)制該段沿軸向方向本地膨脹時(shí)進(jìn)行支撐。圖8示出了管狀發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的一部分，其中，一些環(huán)形段或可變電容器(它們中的每一個(gè)都與電力控制單元連接)因包含在管部?jī)?nèi)的流體的且由作用于管狀發(fā)電機(jī)系統(tǒng)上
的波浪生成的行進(jìn)鼓凸部而相對(duì)于初始直徑A徑向膨脹(B)。圖9示出了連接至電力提取單元的可變SM電容器的示意圖。該電力提取單元經(jīng)由高壓電力輸出電纜連接至電網(wǎng)。電容器初始被充電，因而在其電極對(duì)之間存在諸如2500伏特的電壓。電容器的兩個(gè)電極之間的電壓由下面等式給出V = q/C其中，V是電壓，q是電容器電極上的電荷，而C是電容器的電容。在電容器由形成電極的兩個(gè)平行板和處于電極之間的電介質(zhì)材料板構(gòu)成的情況下，電容通過(guò)下面等式給出C = e(A/D)其中，C是電容器的電容，e是電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，A是每一個(gè)電極的面積，而D是電極的間距。當(dāng)一個(gè)段位于波峰處并且SM片布置因行進(jìn)的鼓凸部而被拉伸時(shí)，SM片的厚度減小，因而，其電極對(duì)之間的距離D減小，其面積增大，并且其電容增大。結(jié)果，在電極之間具有減小的電壓。在鼓凸部通過(guò)時(shí)的幾秒鐘大小量級(jí)的時(shí)間之后，該段將松弛(并且其電極之間的電壓將增大)?？梢酝ㄟ^(guò)從第一電容器的一對(duì)電極流出電荷(即，流動(dòng)電流)而從發(fā)電機(jī)提取電力，該一對(duì)電極處于增大的電壓(因?yàn)槠銼M片拉伸已經(jīng)松弛)，因而電流流出做有用功，諸如生成電力線(xiàn)(power line)中的電流流動(dòng)。這種流出導(dǎo)致第一電容器的電極之間的電荷減少，并且電壓隨著SM材料片被拉伸而趨于下降至非常低的電平。之后，通過(guò)在低電壓使電荷(電流)流動(dòng)到第一電容器的電極中而置換電荷，以為下一周期做準(zhǔn)備。申請(qǐng)人以簡(jiǎn)單且有效率的方式獲得這種置換電荷。事實(shí)上，管部由幾個(gè)SM段組成，每一個(gè)段都需要要被充電和放電的電纜。為了避免使用許多水下電纜，電極被放置在每一個(gè)段上的管部的層中，所述電極經(jīng)由集成在管部的層內(nèi)的導(dǎo)電電纜而連接至電力控制單元。因此，可以獨(dú)立地對(duì)管部的每一個(gè)SM段充電和放電。圖10的圖示出了連接至一對(duì)電容器112、114的電力提取/電力控制單元，所述一對(duì)電容器112、114的電壓變化接近為異相180°的。其示出了使用二極管102、104以在高電壓從電容器111-114流出電流、通過(guò)降低電壓而提取能量并且在低電壓向電容器流動(dòng)該電流的系統(tǒng)100 (其可以接地或不接地)。啟動(dòng)充電器106在該系統(tǒng)的操作開(kāi)始時(shí)對(duì)一些電容器充電(例如，充電至2500伏特)，并接著通過(guò)開(kāi)關(guān)110斷開(kāi)連接。當(dāng)諸如111、113的電容器各使其SM片松弛從而其電壓增大時(shí)，電流通過(guò)二極管102流動(dòng)至負(fù)荷120。該負(fù)荷120減小電壓并且經(jīng)由二極管104將電流傳遞至處于較低電壓的其它電容器112、114。類(lèi)似地，當(dāng)諸如111、113的電容器各使其SM片拉伸從而其電壓減小時(shí)，電流從電容器112、114起流經(jīng)二極管102并且流經(jīng)負(fù)載120接著流經(jīng)二極管104流至電容器111、113以增大它們的電壓。圖9示出了相隔(海浪的)半波長(zhǎng)的兩個(gè)電容器112、114之間的電流的通道。海浪的長(zhǎng)度(和周期)發(fā)生改變，因而可能難于獲知兩個(gè)電容器何時(shí)相隔半波長(zhǎng)。作為替換方式，申請(qǐng)人可以通過(guò)使用始終感測(cè)跨每一個(gè)電容器的電壓的電壓傳感器54來(lái)有效率地去除能量。電流在電壓差高于所有電容器的平均 電壓的電容器之間通過(guò)。例如，在跨所有電容器的平均電壓為2500伏特的情況下，也被稱(chēng)作電力控制單元110的電力提取單元(PEU)發(fā)現(xiàn)跨電容器112的電壓為3000伏特并且跨電容器114的電壓為3000伏特。P⑶從一個(gè)電容器起將電力通過(guò)負(fù)載(例如，圖9中的120)傳遞至另一電容器，因而，電流流動(dòng)因6000伏特的電壓差而被移動(dòng)。在申請(qǐng)人設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，SM(可拉伸材料)初始被拉伸至其相應(yīng)未拉伸長(zhǎng)度的I. 4倍。S卩，每一片都初始地比其未拉伸長(zhǎng)度長(zhǎng)40%。每一片的最大拉伸為其未拉伸長(zhǎng)度的大約I. 7倍。最大松弛導(dǎo)致每一片松弛，因而，其被拉伸至僅其未拉伸長(zhǎng)度的大約I. I倍。在上述系統(tǒng)中，每一個(gè)電容器的電容在每一個(gè)周期中從大約67微法拉增大至100微法拉，然后減小至大約42微法拉。圖9的電力控制單元110可以連接至以海浪的大約一半波長(zhǎng)隔開(kāi)的一對(duì)電容器112和114。以這種方式，發(fā)電機(jī)中的一個(gè)發(fā)展增大的電壓并且可以提取電力，而另一發(fā)電機(jī)發(fā)展減小的電壓并且需要增加電荷。波長(zhǎng)可以改變，并且電力控制單元可以在任何給定時(shí)間連接至在拉伸和松弛時(shí)具有180°異相的不同電容器對(duì)。實(shí)際上，電力控制單元可以連接至多于兩個(gè)的電容器，并且優(yōu)選地具有連接至所有電容器的電壓傳感器。其間傳遞電荷的電容器可以在任何給定時(shí)間基于它們的電壓或者它們的希望電壓而被選擇。圖11示出了作為一電路的部分的兩個(gè)可變電容器112、114。該電路具有116處的基準(zhǔn)電勢(shì)，其可以是針對(duì)每一個(gè)電容器的地電勢(shì)。當(dāng)電容器112上的電壓增大，而電容器114上的電壓減小時(shí)，單元110允許電流如箭頭117所示從第一電容器112起通過(guò)形成電力吸收裝置的阻抗118而流至第二電容器114。在圖11中，該電力吸收裝置118是在電力線(xiàn)119中感應(yīng)出電流的線(xiàn)圈。作為汲出電力的結(jié)果，點(diǎn)120處的電壓低于點(diǎn)122處的電壓。這些電壓以116處的基準(zhǔn)電壓作為參考。盡管將電力汲出第一電容器112，但汲出第一電容器112的所有電荷都被引導(dǎo)至第二電容器114，以對(duì)該電容器114再充電。當(dāng)?shù)诙娙萜?14接著使其電壓增大(因其SM片松弛)時(shí)，第二電容器114上的電流通過(guò)電力吸收裝置118被被引導(dǎo)回第一電容器。圖12示出了具有已經(jīng)被操作成使得能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的反向流動(dòng)的開(kāi)關(guān)136的電力控制單元110。電力吸收裝置118被示出為在電力線(xiàn)中感應(yīng)出電流的線(xiàn)圈，但其可以是寬泛種類(lèi)裝置中的任何裝置，如產(chǎn)生熱的電阻器。
在本發(fā)明的電力控制系統(tǒng)中，申請(qǐng)人可以設(shè)置至少一個(gè)大電容器，以在將所生成的電力卸載至電力負(fù)載之前按基本上恒定的電壓存儲(chǔ)所生成電力。這種基本上恒定的電壓電容器還可以供電以對(duì)按上述方式發(fā)電的可變電容器充電。圖13和14示出了位于海中并且形成恒定電容器170、172的長(zhǎng)管部150。該管部150具有形成電容器160A和160C的上排和下排的電極對(duì),并且該電容器沿每一排隔開(kāi)?？珉娙萜鞯碾妷弘S著管部在波浪中彎曲而改變。排方向大體上平行于管部中心線(xiàn)164。另外，該管部具有一對(duì)基本上恒定的電壓的存儲(chǔ)電容器170、172，每一個(gè)存儲(chǔ)電容器都沿管部的大部分長(zhǎng)度延伸。圖14示出了管部150具有電介質(zhì)SM(可拉伸材料)管壁180和具有間隙182的電容器電極，其限定了不同電容器160A、160C、170以及它們的電容器電極對(duì)190、191和192、193以及194、195。恒定電容器170、172各沿管部長(zhǎng)度延伸發(fā)電電容器160A、160C的至少七倍的長(zhǎng)度，或平均管部直徑的至少七倍的長(zhǎng)度。由SM材料制成的管部150將隨著其膨脹和收縮而具有其本身的振動(dòng)周期或其本身的共振周期。優(yōu)選的是，具有接近來(lái)自海浪的激發(fā)周期的SM管部的共振頻率。該周期是SM管部的長(zhǎng)度的函數(shù)，并且通過(guò)控制該長(zhǎng)度，也控制該周期，這可以通過(guò)具有如致動(dòng)器那樣作用的、由SM材料制成的部件、層或段來(lái)完成。如果SM材料處于致動(dòng)器模式中，則將電壓施加在致動(dòng)器上，以使SM材料縮回或伸展，由此可以調(diào)節(jié)管部的長(zhǎng)度。通過(guò)控制所施加的電壓，可以控制管部的長(zhǎng)度，并由此控制其振蕩周期。在根據(jù)本發(fā)明的作為替換方案的實(shí)施方式(未示出)中，申請(qǐng)人提出使用與彈性管部分離的至少一個(gè)獨(dú)立張力部件，來(lái)連接管部或沉床(mattress)的船首和船尾端帽。這提供了一種強(qiáng)度部件，以將系泊力從船首傳遞至船尾，并且避免管部的彈性部件沿軸向方向的過(guò)度應(yīng)變。通過(guò)防止在對(duì)管部進(jìn)行加壓時(shí)的軸向膨脹，張力部件還可以被用于防止管瘤(aneurism)的增大。該張力部件還減少包含在管部的彈性部件中的軸向纖維上的疲勞負(fù)荷，或者其可以允許WEC在該彈性部件中沒(méi)有軸向纖維的情況下工作，這將改進(jìn)WEC的疲勞壽命，由此改進(jìn)其使用壽命。優(yōu)選的是，該張力部件位于管部?jī)?nèi)。其可以被用作電力傳輸電纜，以沿管部與EAP發(fā)電機(jī)交換電力，并且可以將引導(dǎo)系統(tǒng)包括在管部?jī)?nèi)部或外部，以防止張力部件與彈性管部之間接觸。該張力部件可以是由具有高強(qiáng)度、韌性以及模量(比用于管部的彈性體高至少2個(gè)量級(jí))的任何材料制成的導(dǎo)管、線(xiàn)纜。該張力部件還可以被用作SM發(fā)電機(jī)，以從軸向應(yīng)變收獲能量，和/或用作致動(dòng)器，以修改管部的長(zhǎng)度和共振模式。由此，本發(fā)明提供了一種用于從各包括多個(gè)電容器的發(fā)電機(jī)提取能量的系統(tǒng)，每一個(gè)電容器都具有由可拉伸材料(SM)制成的主要為片狀的電介質(zhì)和處于該電介質(zhì)片的兩個(gè)相反的面處的一對(duì)電極。該電介質(zhì)為片形狀，因?yàn)槠渚哂谢旧暇鶆虻暮穸?。該SM片(卷筒、纏繞、環(huán)、管部)被定位成使得其被重復(fù)地來(lái)回移動(dòng)的部件(諸如隨著波浪重復(fù)地移動(dòng)的部件)重復(fù)地拉伸和松弛。旋轉(zhuǎn)的部件是來(lái)回移動(dòng)的部件的等同物。電力控制單元(PCU)優(yōu)選地具有電壓傳感器，其感測(cè)跨多個(gè)電容器中的每一個(gè)電容器的電壓，并且在電容器的電壓高于平均電容器電壓時(shí)將電容器部分地放電。SM材料片優(yōu)選地按漂浮在海中并且具有靠著其兩個(gè)相反的面布置的電極的互連管部段的形狀被纏繞。盡管在此對(duì)本發(fā)明的特定實(shí)施方式進(jìn)行了描述和例示，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地想到修改例和變型例，從而，旨在將權(quán)利要求解釋成覆蓋這樣的修改例
和等同物。
權(quán)利要求
1.一種電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，該電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)將重復(fù)地來(lái)回移動(dòng)的部件的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成有用的電力，其中，所述電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括多個(gè)電容器(12、112、114、160A、160C)，每一個(gè)電容器具有包括主要具有片形式的一些SM(可拉伸材料)的電介質(zhì)(20、180)和大致靠著所述片的相反的面布置的電極對(duì)(22、24、112、114、190、191)，并且每一個(gè)所述311的片都耦接至至少一個(gè)所述部件，以使所述片隨著所述部件來(lái)回移動(dòng)而重復(fù)地拉伸和松弛，其中，在每一個(gè)電容器的所述電極對(duì)上存在電荷，以在每一個(gè)電容器的所述電極對(duì)之間生成隨著對(duì)應(yīng)的SM的片拉伸和松弛而改變的電壓,該電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括 電力提取單元(28，110)，該電力提取單元耦接至所述多個(gè)電容器中的至少兩個(gè)電容器的所述電極對(duì)，所述電力提取單元被構(gòu)造成，使來(lái)自所述電容器中的在其電極之間具有高電壓的第一電容器(112)的電極(22、24)的電荷重復(fù)流動(dòng)至所述電容器中的在其電極之間具有比所述高電壓低的電壓的至少第二電容器(114)的電極(22、24)，以增加所述第二電極對(duì)的電極之間的電荷，并且所述流動(dòng)的步驟包括使所述電荷流過(guò)電驅(qū)動(dòng)負(fù)載(118、120)，以通過(guò)所述電荷流過(guò)所述負(fù)載時(shí)發(fā)生的電壓降來(lái)為所述負(fù)載加電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中 所述電驅(qū)動(dòng)負(fù)載包括第一線(xiàn)圈(118)，該第一線(xiàn)圈在連接至電力線(xiàn)(119)的第二線(xiàn)圈中感應(yīng)出電力。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中 來(lái)回移動(dòng)的所述部件是布置在海面處的部件，并且該部件在海浪中上下移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中 所述電極具有褶皺，由此，更容易允許所述電極跟隨所述SM的片的拉伸和松弛。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中 主要具有片形式的所述一些SM被卷繞成包括交疊層的螺旋。
6.一種供在具有波浪的海中使用的電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，所述電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括至少一個(gè)漂浮體(13、14、150)，該至少一個(gè)漂浮體漂浮在海面附近，并且被系泊以限制從海底上方的預(yù)定位置的漂離，并且所述至少一個(gè)漂浮體具有多個(gè)主體部件和多個(gè)電容器(111-114、160A、160C)，每一個(gè)主體部件都隨著波浪經(jīng)過(guò)而來(lái)回移動(dòng)，并且每一個(gè)電容器都包括具有大體平行隔開(kāi)表面的一些主要為片狀(20)的SM(拉伸材料)和電極對(duì)(22、24)，每一個(gè)電極都靠著所述表面中的不同表面被布置，并且每一個(gè)電極對(duì)都形成具有在所述電極對(duì)之間生成電壓的電荷的電容器，并且每一些SM材料都耦接至所述多個(gè)主體部件中的至少一個(gè)主體部件，只要所述主體部件來(lái)回移動(dòng)，所述主體部件就拉伸所述SM材料的片以膨脹，然后松弛所述SM材料的片以收縮，由此，使得跨每個(gè)電極對(duì)的所述電壓分別減小然后增大，包括 電力提取單元(28、110)，該電力提取單元連接至所述多個(gè)電容器(111-114)中的每一個(gè)電容器的所述電極，所述電力提取單元被構(gòu)造成，使電流從所述電極對(duì)中的其電壓已經(jīng)增大的第一電極對(duì)流至所述電極對(duì)中的其電壓已經(jīng)減小的第二電極對(duì)，并且同時(shí)從通過(guò)所述電極對(duì)之間的阻抗(118、120)的電流流動(dòng)來(lái)獲得電能。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中 所述電力提取單元被構(gòu)造成，在所述多個(gè)電容器中的不同電容器的電極之間重復(fù)流動(dòng)電荷；所述電容器被定位成，使得不同電容器的電介質(zhì)按不同時(shí)間被拉伸和松弛； 所述電力提取單元被構(gòu)造成，選擇性地連接所述電容器的所述電極，以使電流從其電極具有比所有電容器的平均電壓差更高的電壓差的第一電容器流至第二電容器的電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中 所述電力控制單元包括用于感測(cè)跨每一個(gè)所述電容器的電壓并且執(zhí)行根據(jù)跨所述電容器的電壓選擇性地連接所述電容器的所述電極的步驟的裝置(54)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)能夠用于從具有海面的海提取能量，并且其中 所述系統(tǒng)包括柔性伸長(zhǎng)管(13)，該柔性伸長(zhǎng)管由滾筒SM片材料段(60)制成，所述柔性伸長(zhǎng)管漂浮在所述海中并且主要平行于所述海面延伸并且包含流體，以使得在波浪作用于所述柔性延長(zhǎng)管上時(shí)，在所述柔性延長(zhǎng)管內(nèi)生成所述流體的加壓行進(jìn)鼓凸部(23)； 每一段都在所述SM材料的每一側(cè)上設(shè)置有一對(duì)柔性電極(22、24)，所述電力提取單元耦接至每一個(gè)所述電極對(duì)。
10.一種用于將來(lái)回移動(dòng)的部件的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成有用的電力的方法，其中，所述系統(tǒng)包括多個(gè)電容器(111_114、60A、60C)，每一個(gè)電容器都具有包括主要具有可拉伸片形式的一些SM(可拉伸材料)的電容器電介質(zhì)(20、62、180)，和大致靠著所述可拉伸片的相反的面布置的電容器電極對(duì)(22、24、64、66、190、191)，并且所述可拉伸片被定位成初始拉伸，并且使其拉伸度根據(jù)所述機(jī)械能而重復(fù)地增大和松弛，其中，電荷位于每一個(gè)電容器的每一個(gè)電極對(duì)上，以在所述電容器電極之間生成隨著所述SM的片逐漸增加地拉伸和松弛而改變的電容器電壓，該方法包括以下步驟 監(jiān)測(cè)所述電容器的電壓，和從其電極對(duì)電壓差比平均電容器對(duì)電壓差大的電容器重復(fù)地抽回電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中 所述系統(tǒng)包括位于海中并且包含流體的管部，該流體因波浪作用于所述管部上而在該管部?jī)?nèi)生成行進(jìn)鼓凸部，所述管部由管狀段構(gòu)成，每一個(gè)管狀段都具有由所述電介質(zhì)SM片材料的壁部和靠著相反的SM材料面彼此相反地布置的電極對(duì)，以形成電容器，所述電容器具有被定位成隨著所述鼓凸部經(jīng)過(guò)而徑向地拉伸和松弛的管狀段壁部，并且所述監(jiān)測(cè)的步驟包括從其SM材料松弛的電容器向其SM材料進(jìn)一步拉伸的電容器流動(dòng)電力的步驟。
12.一種用于將海浪的能量轉(zhuǎn)換成有用的電力的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 SM(可拉伸材料)片材料的多個(gè)卷筒，每一個(gè)卷筒都具有大體垂直的中心線(xiàn)，所述多個(gè)卷筒被系泊在海中，并且所述多個(gè)卷筒的上端部連接至在波浪中上下移動(dòng)的至少一個(gè)浮力模塊，SM片材料的每一個(gè)所述卷筒都具有相反的表面，和靠著所述片材料的所述相反的表面布置的電極對(duì)，以形成電容器，所述電容器被水平隔開(kāi)； 中心電力控制單元，該中心電力控制單元設(shè)置在所述管部的第一端部處，并且耦接至每一個(gè)所述電容器，并且被構(gòu)造成使電流在所述電容器之間流動(dòng)。
13.一種用于將海浪的能量轉(zhuǎn)換成有用的電力的系統(tǒng)(11)，該系統(tǒng)包括 由SM(可拉伸材料)片材料制成的伸長(zhǎng)管部(12、13、50)，該伸長(zhǎng)管部具有大體水平的管中心線(xiàn)(164)并且隨著所述中心線(xiàn)大體平行于海浪延伸而位于海中，由SM制成的所述伸長(zhǎng)管部具有相反的表面；靠著所述伸長(zhǎng)管部的相反的表面布置并且形成發(fā)電電容器的多個(gè)電極對(duì)(22、24、64、.66、190、191)，所述電極對(duì)和由此的所述發(fā)電電容器至少沿所述伸長(zhǎng)管部的所述長(zhǎng)度隔開(kāi)； 電力控制單元(28、110)，該電力控制單元耦接至所述電容器并且被構(gòu)造成使電流在所述電容器之間流動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述伸長(zhǎng)管部具有平均直徑并且包括 一對(duì)電極(192、193)，該一對(duì)電極沿所述伸長(zhǎng)管部的所述長(zhǎng)度延伸達(dá)所述管部平均直徑的至少七倍，并且形成與所述發(fā)電電容器相比具有較少變化的電壓的恒定電容器(170、.172)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中 每一個(gè)所述電極都具有褶皺，所述褶皺(72)平行于所述管部中心線(xiàn)，以使得能夠沿所述伸長(zhǎng)管部的徑向方向拉伸所述SM材料。
全文摘要
一種發(fā)電機(jī)，其具有可變電容器，每一個(gè)電容器都包括由SM(可拉伸材料)制成的重復(fù)拉伸和松弛的片(20，圖3)和靠著該片的相反的面布置的電極(22、24)，該發(fā)電機(jī)包括耦接至至少一對(duì)電容器的電極的電力提取單元(110，圖9)。該單元將來(lái)自具有高電壓的第一對(duì)電極的電荷(電流)引導(dǎo)至具有低電壓的一個(gè)或更多個(gè)第二對(duì)電極，以對(duì)第二對(duì)電極再充電。在電流流動(dòng)期間，通過(guò)經(jīng)過(guò)該單元的電流的電壓降來(lái)提取電力。該電力提取單元可以設(shè)置有控制單元，該控制單元具有電壓檢測(cè)器(54)，并且基于電容器的電壓選擇性地連接所述電容器，以在生成電力輸出時(shí)最大化效率。
文檔編號(hào)H02N1/08GK102803709SQ201080026713
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者P·F·吉恩, A·佛蒙 申請(qǐng)人:單浮筒系泊公司