【影響世界的專利】波浪能

 

 

波浪能

波浪能

地球的轉動和風給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，而且波浪在海洋中傳播上千公裡而不會有明顯衰減。把水的波浪作為可再生、清潔能源轉換為有用的能源是人們長期的願望。但是，波浪能的不穩定性，又給波浪能的實際應用帶來了困難。通常人們通過片狀物的上下運動捕獲能量，也有如英國專利GB1014196所揭示的用波浪運動壓縮氣體獲取能量，這些技術也在導航浮標、燈塔中有所應用。上世紀70年代，英國愛丁堡大學史蒂芬.索爾特（Stephen Salter）教授認為，人們對波浪運動研究不夠，捕獲波浪能的方法效率低。他發明了一種新穎、高效的提取波浪能的方法和裝置，捕獲能量的效率能達到90%。他的發明立刻在能源界引起了轟動，人們稱該裝置為「索爾特波浪能裝置」，譽他本人為「波浪發電之父」。該技術很快傳播開了。

史蒂芬.索爾特教授於1938年，出身在南非的約翰尼斯堡，後隨家移居蘇格蘭。他畢業於英國劍橋大學，求職於愛丁堡大學，從事流體動力學、工程設計教學和研究工作。1973年發生了能源危機，1974年愛丁堡大學成立了以索爾特為首的波浪能研究組。在索爾特的領導下，該小組就開展了卓有成效的研究工作，又在愛丁堡大學建立了世界上第一座多方位波浪水池。作為發明人，索爾特於1973年11月15日向英國專利局提交了專利申請，並依此為優先權於1974年11月6日向美國專利與商標局申請了專利，並先後被授予了英國專利權和美國專利權。英國專利號為GB1482085。美國專利號為US3928967，授予日為1975年12月30日。該專利申請的名稱為《捕獲波浪能的裝置和方法》。該發明公開了一種從波浪表面水體捕獲巨大波浪能量的裝置和方法。一條基本上保持水平的類似脊骨的長軸，多個安裝在其上並能圍繞其擺動的扁平弧形凸輪，該扁平弧形凸輪的形狀便於高效獲取迎面而來波浪的能量，它的背部和水之間相對運動時能量消耗為最小，在波浪作用下，該凸輪和長軸之間產生相對擺動，形成凸緣泵，從而可將凸輪捕獲的高達90%的波浪能轉化成所需的液壓能、機械能、化學能或電能等。例如，用泵產生的高壓液體驅動渦輪發電。

下面結合該專利實施例附圖，對該發明進一步加以說明。圖1展示了安裝在海洋上的該發明裝置，以便攔截並轉換波浪能成為有用的能量。部分浸漬在海水中的平臺結構4具有上面部分標為3a、3b、3c、……的多個鰭狀物或凸肋3，多個在凸肋之間延伸的圓筒形定子1，該定子1作為圖2中標為2，相對於圖1中標為2a至2h的捕獲能量部件樞軸轉動的支撐。在其後緣部得到支撐的捕獲能量部件2迎面相對波浪，以至於它的自由端21能隨波擺動。正是這樣，波浪能量通過該發明轉變成可用的能量。平臺4和它的支撐結構可以是例如半公裡長，也可以是以其一定長度支撐多個捕獲能量部件工作為單個組件。

圖2為該發明一個能量捕獲單元的側面正視圖。定子支撐部件1穿過圓心為O的孔25；捕獲能量部件2的下風側6從點26延伸到點27形成的曲線部分具有相同的從O點到26和27點的半徑，以致於當部件2擺時，該部件的下風側6也會轉動但不會從裝置背部位移水。區段7從區段6相鄰點27延伸到點30。點27到點30的彎曲部分是圍繞O』為圓心，該O』設置在圓心O的上方相距h，h長度約為圓心O到區段6表面半徑的一半。從點30直線區段8延伸到點31，它通過曲線部分28與點29相連接形成部件2的前部。過點30的垂直線與部件2的直線部分8之間的夾角θ，在海水平靜時約為15°（10°～20°之間）。按圖2所示的捕獲能量部件2的外廓很重要，在最佳情況下，能捕獲到波浪對其撞擊能量的90%以上。如圖1所示，當裝置置於海水中時，並當正如圖2所示的波浪對其撞擊在部件2的前部8上，使部件2受衝擊並繞圓心O擺動，特別要注意是當部件2擺動時下風側6始終不位移水。而另一方面，隨著部件2轉動是其區段7和區段8被水驅動的，而且區段7和區段8處在水的表體，水的位移最大，而隨著深度加深而減小。由此實現了，當過來的波浪撞擊了表面8，使部件2圍繞支撐部件1擺動，該發明就這樣的運動轉換成能有用的能量。

圖3為一組捕獲能量部件2和圓筒形支撐部件1的剖視圖。其中，支撐部件1和捕獲能量部件2的內部結構形成花鍵型旋轉水泵即凸緣泵。支撐部件1帶有多個徑向凸條9a、9b、9c，並均勻分布在部件1上，對應伸向捕獲能量部件2的內開孔31。在捕獲能量部件2形成均勻分布多個向內凸起的凸條10a、10b和10c並且伸向部件1的圓周。凸條9的外表面沒有開孔，通過該開孔用沒有示出的附加泵提供有壓力液體形成阻力，以便在部件1和部件2之間形成液壓靜力軸承。

當捕獲能量部件2順時針和逆時針擺動都會產生泵送作用。例如，參見圖3，當部件2對可凸條10a逆時針運動將對凸條10a和凸條9a之間腔室中的水施加壓力並使這樣受到壓力的水通過在凸條9a中的單向閥流向系統的高壓轉出導管。當然同時，凸條10b將迫使水通過凸條9b中的單向閥，凸條10c將迫使水通過凸條9c的單向閥，以便分別提供給高壓輸出導管。就在當部件2逆時針轉動時，在凸條9a和凸條10c之間，在凸條9c和凸條10b之間，在凸條9b和凸條10a之間分別通過凸條9a、9b、9c中的單向閥向其腔室注入低壓水。接下來，部件2順時針轉動時，凸條10a將對其凸條9b之間液體施加壓力，並迫使高壓水通過凸條9b中的單向閥流向高壓轉出系統……整個情況與部件2逆時轉動時的情況相類似，只是高、低腔室倒置。這樣形成凸緣泵，可利用高壓水衝擊渦輪而發電。

圖4是圖3的局部結構放大剖面圖。密封塊35、36和37是設在凸條9a和捕獲能量部件2內表面25之間的。在部件1中形成多個高壓管道11，並且通過多個諸如41和42導管相應地連向多個開口43和44，相應地連通凸條10b和9c之間的腔室。如圖4的多個單向閥46和47設置於鄰近開口43和44通向對應導管41和42。

從中心低壓管導12伸出的導管48，徑開口49進入凸條9a和凸條10c之間的腔室。由低壓管導12伸出的導管51通向凸條9a和凸條10a之間的腔室。單向閥52和53分別對應導管48和51設置。

高壓管導41和42直徑約為1米，並約在每平方英吋400磅壓力下運行。內部低壓管導12或將從一般動力設備或者也可直接用低壓的海水回給上述凸緣泵。凸肋主要包含大容器，壓力平衡的儲存器和必要時的動力裝置以及管道等。凸肋3的底部用混凝土構件14配重，以便保持整個結構的重心低於定傾中心。平臺4中一些沒有使用的空間如需要的話，可以填充輕質混凝土、玻璃纖維和樹脂混合物，最終做到部件2的重心在平靜水中像圖2這樣的定位。

也可以將捕獲能量部件2的運動直接轉換成電動，例如沿圓柱形孔25安置永久磁鐵，圍繞部件1安裝定子繞組，就可產生電能。

圖5為多單元連接在一起的示意圖。圖6為圖5中一個單元的剖面圖。

上述發明成為該領域中一種經典。凸輪捕獲波浪能時，有似鴨頭點頭上下，又被人們暱稱為「索爾特鴨」或「愛丁堡鴨」。該發明也受到英國政府的高度重視，1976年英國能源部說，它相信波浪能是所有可再生能源中最有希望的。索爾特教授也不斷對其發明進行改進，1977年1月14日再次申請了專利，名稱為《用於捕獲水波浪能的裝置》，被授予的美國專利為US4134023。該專利主要是對原發明的電子控制系統加以改進，涉及相應於諸如「點頭鴨」的位置、速度、加速度的運動參數產生反饋，增強「鴨」與波浪之間的響應關係，使其能在波動頻率更寬的水域內應用。1982年研究顧問報告認為改進的裝置發電成本和核電成本差不多。隨後石油價格一直相對較便宜，80年代初，在猶豫不定氣氛中，英國政府停止了對該項目的資助，波浪能發電也沒有得到很好的推廣應用。無奈中，索爾特給英國上議院可再生能源委員會備忘錄指出，「我們不必再浪費15年和消耗另一代年青工程師們的激情。」除非發電價格再次陡峭地上升，不然對諸如波浪能之類的可再生能源的投入可能會繼續遠低於其它能源。

現在，能源短缺、環境汙染已成為全球面對的重大問題，人們又興起了對探索高效、穩定、低成本利用波浪能的熱潮；作為先驅者的索爾特教授也仍在從事可再生能源和減少「溫室效應」影響方面的研究工作。

參考文獻：

美國紐約Barnes ＆ Noble出版社出版 《Inverting the 20th Century》

發明人：理察.德魯

Richard Drew，美國人，生於1886年，卒於1956年。他在1923年進入美國明尼蘇達州聖保羅的3M公司（即Minnersota Mining and Manufacting Company），並於上世紀20年代，發明了透明膠帶。德魯的發明造就了3M公司，形成了Scotch系列產品。透明膠帶成為人們生活中最普遍和最實用的發明之一，深受消費者歡迎。