用於轉換波能的設備的製作方法

2023-05-30 07:20:41

專利名稱：用於轉換波能的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及波能轉換器，用於將海洋波能轉換為電能，還特別但不排它地涉及依據浮力、流體動壓力和振蕩原理工作的波能轉換器。更特別地，本發明還涉及用於將波能轉換成更有用形式的設備。
背景技術：
在三千年來，各地的人類越發關注如何生存。由於人類認識到礦物燃料是有限能源，對可再生清潔能源的探索變得更加急迫。全球變暖和氣候變化把注意力聚焦到減少對礦物燃料的依靠的需求上。最有前景的可再生能源之一是波能。據估算，全世界波力(wave power)的潛在能量為2太瓦，這相當於全世界每年大約2000TWh的能源，足夠全世界的電能需求。雖然利用波浪能量的願望已存在數百年，但過去的嘗試只獲得了有限的成功。所取得的成功僅限於很小規模，實現了數十千瓦至數百千瓦的量級，而不是所需的數百兆瓦。以往的主要困難之一是設計足夠堅固(robust)以承受由海洋波浪產生的巨大力能的單元。在風暴條件下，波能是巨大的，造成了許多現有技術的基於陸地或基於海岸的系統的破壞。現有技術中典型的提取波能的手段是使用渦輪或液壓系統。一些嘗試是利用直接驅動的旋轉發電機，以及直接驅動的線性發電機。然而，現有技術中最常規的能量提取單元是振蕩水柱和液壓聯動旋轉發電機(oscillating water columns and hydraulic linked rotary generators)。典型地，它們用於近岸(near—shore)、靠岸禾口岸上設施。這樣的現有技術系統的另一主要缺點是需要靠近海岸，由於摩擦損失，海岸線波浪的能量損失很大，由此損失掉「深」水中的大部分波能。本發明以提供張力錨泊系統和波能轉換器的視角得以開發，所述張力錨泊系統和波能轉換器可用在近海或者離岸處以提取最大量的海洋波能。在本說明書中對現有技術的參考，僅用作說明的目的，而不應認為這種現有技術在澳大利亞或者其它地方是公知常識。

發明內容
根據本發明的另一方面，提供了將海洋波能轉換為更有用形式的設備，該設備包括長的支承結構，被設計用來在平均水位上方延伸，具有與之相連地設置在平均水位以下的浸沒構件，和使得支承結構以大致直立的取向漂浮在海洋中的浮力機構；具有正浮力的漂浮構件，可滑動地安裝在支承結構上以便可沿垂直方向運動，漂浮構件設置有滑行艇表面，該表面適於將波浪運動的水平分量轉換為漂浮構件的垂直運動，由此增強漂浮構件的能量提取能力；和
能量提取機構，被設置為與支承結構和漂浮構件相連，以使得當波浪運動在漂浮構件和支承結構之間引起適當的差速運動時，所述能量提取機構將傳入的(incident)能量轉換為更有用的形式。典型地，漂浮構件具有包括前端和後端的長水平橫截面，該前端適於面對正靠近的波浪的大致方向。優選地，所述前端變窄為尖端。優選地，所述滑行艇表面是多個大致平行的滑行艇表面中的一個，這些滑行艇表面大致垂直於並沿漂浮構件的相應第一和第二側延伸。優選地，所述多個滑行艇表面從漂浮構件的前端向下傾斜到後端，其中，滑行艇表面迫使波浪中的水粒子向下，產生向上作用在滑行艇表面上的流體動力，所述流體動力增強了由於漂浮構件的正浮力而作用在漂浮構件上的向上力。優選地，用於轉換波能的設備進一步包括錨泊系統，用於將結構錨泊至海床。在一個實施例中，所述浸沒構件和浮力機構適於在使用中具有大致的零浮力，並且所述錨泊機構包括適於防止設備漂離、但仍允許對盛行波方向自動跟蹤(tracking)的系鏈。在另一實施例中，所述浸沒構件和浮力機構適於在使用中具有大致的正浮力，並且所述錨泊系統包括阻尼機構，用於經由錨泊系統向支承結構施加阻尼動作。優選地，當通過能量提取機構提取的能量增加時，所述阻尼機構適於增加阻尼動作，由此，漂浮構件和支承結構之間的差速運動被最大化，並且所產生的有用能源的量被優化。相反，當小能量或沒有能量被能量提取機構提取的時候，阻尼機構不實施制動動作，由於錨泊系統自由運動，支承結構上的機械應力被最小化。在一個實施例中，所述錨泊系統包括從配重機構延伸至抵衡機構的索纜，該索纜經由滑輪機構從支承結構懸掛下來。典型地，所述阻尼機構經由滑輪機構向索纜施加制動動作。優選地，所述制動動作為激活螺線管，線性發電機經由分流電路向螺線管供電。優選地，所述阻尼機構被計算機控制。除非本文要求，貫穿本說明書的詞語「包括(comprise)」或其諸如「包括 (comprises) 」、「包括(comprising) 」這樣的變體都應被理解為指示包含所陳述整體或所陳述的一組整體，但不排除任何其它整體或一組整體。同樣，詞語「優選地」或其諸如「優選的」 這樣的變體應被理解為所陳述整體或所陳述的一組整體是令人滿意的，但不是本發明內容中必不可少的。


僅通過給出實例並參考附圖，由對張力錨泊系統和波能轉換器的多個具體實施例的以下具體描述將更好地理解本發明的本質，在這些附圖中圖1是根據本發明的波能轉換設備的第一實施例的前頂側(top front)透視圖；圖2是圖1的根據本發明的波能轉換設備及其相關聯張力錨泊系統的前頂側透視圖；圖3是圖2的波能轉換設備的前視圖；圖4是圖1的波能轉換設備所用的張力錨泊系統的前頂側透視圖；圖5是圖4的張力錨泊系統中包含的錨泊罐的後底側(bottom rear)透視圖；圖6A和6B示出了分別在正靠近的波浪的波峰和波谷中的圖1和3的波能轉換設備；
圖7A和7B示出了在平均水位變化期間的圖1和2中的波能轉換設備的操作；圖8是根據本發明的波能轉換設備及其相關聯錨泊系統的第二實施例的頂側透視圖；圖9是抵衡機構的局部透明的頂側透視圖，該抵衡機構是與圖8的波能轉換設備相關聯的張力錨泊系統的一部分；圖10是圖8的波能轉換設備和相關聯張力錨泊系統的放大透視圖；圖11是錨泊罐的第一實施例的局部透明的頂側透視圖，該錨泊罐是與圖8的波能轉換設備相關聯的張力錨泊系統的一部分；圖12是錨泊罐的第二實施例的局部透明的頂側透視圖，該錨泊罐是與波能轉換設備相關聯的根據本發明的張力錨泊系統的一部分；圖13是根據本發明的波能轉換設備及其相關聯張力錨泊系統的第三實施例的頂側透視圖；圖14是根據本發明的波能轉換設備及其相關聯張力錨泊系統的第四實施例的頂側透視圖；圖15是根據本發明的波能轉換設備及其相關聯張力錨泊系統的第五實施例的底側透視圖；和圖16是根據本發明的波能轉換設備及其相關聯張力錨泊系統的第六實施例的頂側透視圖。
具體實施例方式海洋波浪中的能量經由兩種正交的能量傳播，即水平能量和垂直能量。垂直能量包含在波浪內的水粒子的垂直運動中，即，升沉(heave)，並且垂直能量包括波浪的一半可用能量。水平能量包含在波浪內的水粒子的水平運動中，即，縱移(surge)，水平能量也包括波浪的一半能量。為了進行波能提取，必須存在對這些正交能量中的一個或兩個的能量吸收。升沉運動描述了波浪的ζ軸(或，上下)運動，並且與波浪內的垂直能量具有很高的相關性。升沉與波高的親和性(amicability)使之成為流行且潛在高效的工具來從波浪提取垂直能量。波浪中垂直能量的提取可以在波能轉換器(Wave Energy Converter,WEC) 中利用單個升沉體(heaving body)或兩個升沉體實施。單個升沉體利用水面上的浮力塊來提取波浪的垂直能量。為了提取能量，需要差速運動(differential motion)，通常在單個升沉體的情況下，第二參照系是海底。利用海底作為參照系，可獲得大量的相對運動，並因此，在儘可能寬的頻率範圍提取大量的能量。單個升沉體設計的實施可通過兩個基本構造實現。第一是作為具有附連物的在水上漂浮的浮標，該附連物將浮標聯繫到其參照系；浮標隨波浪在海面上運動，產生相對於參照系的差速運動。第二構造利用固定至海底的結構，該結構位於平均水位以上或以下並且具有附連至該結構的浮標；該浮標將隨波浪在水面上振蕩，產生相對於該固定坐標系的差速運動。在雙升沉體設計中，兩個振蕩體之間的差速運動用來產生能量；相對的是，單個升沉體設計中的一個升沉體相對於固定參照點的相對運動。然而，在海洋波浪的典型頻率範圍上，作為振蕩系統的雙升沉體的效率分析表明雙升沉體設計對於任何大的(serious)波能提取都是不實用的。沒有商用設施利用這種類型的差速運動的事實，進一步證實了這點。 現有升沉浮標的商用形式利用單個振蕩體的各種設施。關於本發明的波浪運動的另一方面是縱移運動。如上所述，縱移是沿χ軸的運動， 並且與從波浪的水平能量提取能量非常相關(amicable)。縱移體能夠提取一半的波浪能量，即，波浪的水平能量分量。通過結合縱移和升沉，理論上可以提取100%的海洋波能。明顯地，利用能夠從這兩種矢量提取能量的工具能獲得巨大的收益。由於諸如波的非線性、多方向波和其它影響所述體的運動的變量這樣的其它因素，這僅僅在理論上是可行的。典型地，本發明的優選實施例尋求利用縱移和升沉二者以便實現優化的波能提取。有利地，本發明的波能轉換器利用水翼或滑行艇(hydroplane)來獲取海洋波浪中的水平能量。滑行艇能被用來使在波浪中行進的水體(the mass of water)轉向，並由此產生沿任意方向的淨力。典型地，本發明的波能轉換器的優選實施例利用縱移和升沉體設計，該設計使用多自由度來從海洋的行進波浪提取能量。波能轉換器將水粒子的這些升沉和縱移運動轉化為垂直力，所述垂直力使線性發電機的平移器(translator)與其定子在差動運動中移動。 線性發電機將該差速運動轉換為可應用於負載的感應電勢差，由此允許用海洋波浪的無秩序(chaotic)能量來做有用功。在本發明波能轉換器的優選實施例中，升沉響應(response)沒有僅用於轉換波浪中的能量。在本發明中，升沉響應還可用來「調節」工作頻率，以使得低於其被調節頻率的頻率經歷最小的衰減。根據本發明的張力錨泊系統與波能轉換器相關聯地被利用，以獲得這種可調節性。升沉的這種新穎用法增加了波能轉換器的耐受性，而沒有犧牲能量提取的效率。這種手段不同於現有技術裝置，這些現有裝置僅利用所述體(一個或多個)的升沉響應來產生它們的能量。為了清晰，升沉響應是體所經歷的響應波浪升沉的垂直振蕩。升沉響應僅是浮力和質量的假象(artefact)。根據本發明的張力錨泊系統的可行實施例本身還可以用來從波浪升沉提取能量，以下將詳細描述。波能轉換器的優選設計使得其僅包括一個移動(或工作)構件，該構件在通常被稱為飛濺區的區域內位於平均水位上方。該系統是利用從波浪中的水粒子的縱移和升沉而來的力的振蕩系統。這些力用於向下驅動部分地浸沒的結構，而浮子則被向上驅動。優選地，張力錨泊系統與波能轉換器相關聯，以相對於海底使浸沒結構拉緊。兩個體的相反運動保證了最大量的差速運動並由此保證從波浪提取的最大量的能量。如附圖1至7所示，本發明的波浪能量轉換設備10的第一實施例包括長的支承結構12，該支承結構被設計用來在海洋中的平均水位上方延伸。設備10利用縱移、升沉、浮力和流體動力來使單個升沉體的最大理論提取能量從50%擴展到100%。支承結構12具有框架的形式，該框架具有與之相連地設置在平均水位以下的浸沒構件14。支承結構12還設置有浮力機構，使得支承結構能沿大致直立的取向在海中漂浮。在所示實施例中，浮力機構具有設置在浸沒構件14中的浮箱16的形式，將在下文中詳細描述。在本實施例中，浮箱 16通常充有足夠的空氣，用來給浸沒構件14提供大致的正浮力。在本實施例中，將稱其為正浮力浸沒構件(positively buoyant submerged member, PBSM) 14。正浮力浸沒構件 14 的浮力延伸超過平均水位，以使得如果水位上升，相關聯的浮力也將增加。在替換例中，浸沒構件14充有足夠的空氣，以保證浸沒構件的總質量等於其所替換的水的質量，即，浸沒 t勾^f牛胃力(neutral buoyancy)。設備10還包括具有正浮力的漂浮構件18，該漂浮構件可滑動地安裝在支承結構 12內，以便可在支承結構12內沿垂直方向運動。設備10還包括線性發電機20，該發電機具有與支承結構12相連的定子22以及與漂浮構件18相連的平移器24。該實施例的定子 12具有平且長的構造，並且沿支承結構12的中心面垂直地從平均水位以下的正浮力浸沒構件(PBSM) 14延伸到平均水位以上的位置。在本實施例中，平移器24整合到漂浮構件18 的主體中，如以下的詳細說明。由線性發電機20產生的電力經由設置在定子22頂端處的電力終端26流出，並且經由適當的水下纜線(未示出)或通過無線(微波)傳輸而運到海
厗。正浮力浸沒構件14的漂浮構件18是一種浮力構件，並且其密度為所替換的水的密度的一半。典型地，漂浮構件還具有小於或者等於浸沒構件14體積的體積。這兩個參數的結合使得漂浮構件18的質量小於或等於正浮力浸沒構件14質量的一半。正浮力浸沒構件14的浮力提供的反向力足以抵抗由線性發電機20在其向下的回程時產生的向下力。漂浮構件18可經由低摩擦引導件沿定子22垂直地自由運動。典型地，這些低摩擦引導件能以位於漂浮構件18上的由塑料或塑膠套(未示出)圍繞的密封軸承以及定位在定子22上的相應通道或者引導件的形式實施。用於低摩擦引導件的其它可能構造對本領域的技術人員是顯而易見的。當波浪運動在漂浮構件18和支承結構12之間引起適當的差速運動時， 平移器24相對於定子22平移，線性發電機20產生電力。優選地，漂浮構件18設置有水翼/滑行艇表面30，該表面適於將波浪運動的水平分量轉換為漂浮構件18的垂直運動，由此增強漂浮構件18的能量提取能力。漂浮構件18 包括具有前端32和後端34的長水平橫截面，該前端部32適於面對正靠近的波浪的大致方向。前端32變窄為V形尖端。優選地，滑行艇表面30是多個基本上平行的滑行艇表面30 中的一個，該多個滑行艇表面垂直於並且沿著漂浮構件18的相應第一和第二側延伸。滑行艇表面30從漂浮構件18的前端32向下傾斜到後端34。這種構造保證滑行艇表面30迫使正靠近的波浪中的水粒子向下，在滑行艇表面30上產生向上作用的流體動力，這些力加強了由於漂浮構件浮力而作用在漂浮構件上的向上力。正浮力浸沒構件14包括具有前端36和後端38的長水平橫截面，該前端36適於面對正靠近的波浪的大致方向。前端36變窄為V形尖端，且正浮力浸沒構件14具有像船一樣的船身，如圖1最清楚地顯示。優選地，正浮力浸沒構件14具有大致平的上表面40，該上表面從浸沒構件的前端36向上傾斜到後端38，其中，平的上表面40迫使從前端靠近的波浪中的水粒子向上，產生作用在正浮力浸沒構件14上的向下力。正浮力浸沒構件14被設計為使得對構件的向下運動的抵抗儘可能地最小化。另一方面，通過利用從沿向上方向運動的平的上表面40的粘滯力以及張力錨泊系統的系鏈力而來的流體動力，正浮力浸沒構件14的向上運動(以及進而整個支承結構12的向上運動)受到阻礙。由于波峰中的水粒子衝擊漂浮構件18，滑行艇表面30迫使水粒子向下。 這在漂浮構件18上產生向上力。另一方面，由於水粒子衝擊正浮力浸沒構件14，傾斜上表面40迫使水粒子向上。這在正浮力浸沒構件14上產生向下力。因此，當波浪衝擊設備10 時，由于波浪的水平運動，將存在作用在漂浮構件18上的向上力以及作用在正浮力浸沒構件14上的向下力。作用於正浮力浸沒構件14的向下力將被線性發電機20提供的阻尼抵抗。經由漂浮構件的滑行艇30作用於漂浮構件18的向上力和浮力的結果導致線性發電機 20的平移器24的向上運動。通過這些浮力和流體動力的相互作用，漂浮構件18和支承結構12之間的差速運動可以最大化，以便優化通過設備10從波浪中提取的能量。為了抵消正浮力浸沒構件14上的向上浮力，發明了新穎的張力錨泊系統，該系統的優選實施例具有錨泊系統60的形式，如圖4和圖5所示。錨泊系統60包括用於錨定裝置的配重62，以及用於抵消正浮力浸沒構件14的過大浮力的抵衡機構64。配重62和抵衡機構64經由鏈或索纜66連接，該鏈或索纜66穿過位於正浮力浸沒構件14底部處的滑輪機構68(見圖5)。具有機械制動系統70形式的阻尼機構被設置為與滑輪機構68相連，儘管可以利用諸如電或液壓或氣動阻尼器這樣的一些其它阻尼機構。制動系統經由滑輪機構 68向索纜施加制動或阻尼動作。制動系統70有效地經由錨泊系統60向正浮力浸沒構件14 施加制動動作，因而向設備10的支承結構12施加制動動作。典型地，制動系統70為激活螺線管，線性發電機20經由分流電路(shunt circuit)向螺線管(未示出)供電。因此， 如果沒有電力產生，制動系統70將不工作。制動比(proportion of braking)取決於所產生電流的大小。如果電力需求小或波的頻率在線性發電機20的工作參數之外，那麼制動系統關閉。然而，如果所產生電力增加，則制動也增大，由此使兩個構件之間的差速運動最大化並優化所產生的能量的量。優選地，制動系統被計算機控制。圖6示出了制動系統70的操作。當所需頻率的波通過設備10時，漂浮構件18由於其正浮力和作用在滑行艇表面30上的流體動力而向上移動(圖6a)。在該波能提取模式中，線性發電機20產生電力，這導致制動動作經由制動系統70應用於錨泊系統60的索纜 66。因此，抵衡機構64將不運動，並且正浮力浸沒構件14保持靜止。另一方面，隨著漂浮構件18返回其下降的位置，如圖6b所示，由於被制動系統70保持在位的正浮力浸沒構件 14的過大浮力，漂浮構件產生電力。當制動系統70關閉時，抵衡機構64能夠在索纜66上自由地上下運動。通過這種簡單的控制系統，可以實現控制正浮力浸沒構件14運動的有效且適用機構。當產生能量時，通過僅使用制動系統70，可以使系統上不必要應力大致下降沒有能量產生時的數倍。制動系統70具有位於正浮力浸沒構件14頂部處的接觸開關(未示出)，若漂浮構件18運動到其允許的運動的程度，該開關將打開。一旦開關打開，將打開通向螺線管的分流電路，由此允許正浮力浸沒構件14高度上升並且釋放由漂浮構件18提供的向上應力。這種高度調整將持續直到獲得平衡。錨泊系統60被設計成全自動調整系統，將使設備10的平均水位保持在一恆定 (consistent)水平。如果設備10離開配重和正浮力浸沒構件之間的最短距離，校正力將起作用來使系統回到兩點之間的最短距離。由於重力，該校正力是完全自動的力。設備10的自動控制系統使得預定工作範圍之外的所有波頻被整個支承結構12通過而不只是漂浮構件18。這種手段允許系統自動地校準自身到常用平均水位，由此允許它適應潮汐波動、風暴潮和其它低頻現象，如果沒有考慮上述現象，將可能導致波能轉換器的損壞。圖7示出了設備10自動校準到平均水位。在這種情況下，波頻在設備10的預定工作範圍之外，由此漂浮構件18相對於正浮力浸沒構件14保持基本靜止而不管水位如何， 並且沒有差速運動來經由線性發電機20產生電力。因此制動系統70保持在不工作狀態，錨泊系統60自由運動(freewheel)。抵衡機構64隨著平均水位的變化而上下運動，分別如圖7a和7b所示。在本實施例中，錨泊系統以錨泊罐72的形式實現，在該錨泊罐中支承結構12的正浮力浸沒構件14適於在使用中對接(dock)。圖5示出了錨泊罐72的優選實施例。正浮力浸沒構件14通過適當的鎖定機構固定在錨泊罐72中，該鎖定系統可在正浮力浸沒構件 14在錨泊罐72中對接時自動地鎖定正浮力浸沒構件14。在所示實施例中，正浮力浸沒構件14經由固定螺栓74手動地固定至錨泊罐72。制動系統70和滑輪機構68優選地容納在錨泊罐72中。需要用於實施本實施例的波能轉換設備的所有部件，都可以容納在該錨泊罐 72中。優選地，錨泊罐72具有其自己的浮箱78 (未示出)，在對接、維護或工作狀態期間， 當需要在水中提升或降低罐72時，浮箱78可以填充或排出壓縮空氣。錨泊系統60的抵衡機構64主要是質量塊(mass)，雖然意圖該抵衡機構不是完全的惰性質量塊(inert mass) 0優選地，抵衡機構64包括密度大於水的物質(如混凝土)和在裡面的空氣腔(未示出)。空氣腔被設計為使得，當被填充時，將提供具有足夠的浮力來向水面舉起抵衡機構64。當空氣腔填充有水時，它向系統增加額外的質量，由此增加系統用於低頻的性能。抵衡機構64的另一方面是間接(remotely)和/或直接地再填充其中的空氣腔的能力。當空氣腔被再填充時，抵衡機構將升到水面，以使得罐72將定位到抵衡機構64的頂部，由此允許在正浮力浸沒構件14上進行的提取或維護。抵衡機構64的第二用途是作為自動調試(commissioning)系統。系統的調試使得包括配重62和抵衡機構64的錨泊系統60被設置。抵衡機構64將被留在其浮力狀態直到設備10準備好被調試。當設備10要被調試時，設備10附連至暴露的罐72，之後抵衡機構64被注水，因而將設備10自動地設置到其正確的工作位置中，而無需潛水員和高度專業的裝備。這種新穎的調試設備10的方式有助於使調試、拆卸(decommissioning)、修理和維護成本最小。替換的構造是使抵衡機構64僅由密度大於水的材料(如混凝土)構成，並且罐72是用於提升和降低抵衡機構64的可調節浮腔。設備10使用的線性發電機20被設計用來提供優化的頻率響應和電動勢(EMF)以允許從海洋波浪中提取大量的能量。通過使線性發電機20的性能參數與機械系統的阻尼需求相匹配來實現這種優化，以使得當系統在滿負荷的條件下時，可獲得振蕩系統的臨界阻尼。設備10內的線性發電機20使得定子22是大致(predominantly)靜止參照系中的振蕩體系統的一部分，而平移器24附連至大致運動參照系。在所示實施例中，定子22連接至浸沒構件14，而平移器24連接至漂浮構件18。雖然由於通常的命名約定，術語「定子」和 「平移器」用來指示預定的波能轉換器結構，但實際上這兩個部件都將運動。由於定子22和轉換器24的運動是主觀的(subjective)，銅線、磁體和磁滲透材料(magnetic permeable material)的位置還可位於定子或平移器上。這些材料的位置取決於設備實施的具體需要或設計標準。波能轉換設備10被構造為使得便於在船體(vessel)後牽引，由此允許波能轉換設備被容易和快速地調試。正浮力浸沒構件14的V形船身有利于波能轉換設備10的高效牽引。為調試或拆卸設備10，高壓空氣被應用至位於平均水位以上的閥42。在所示實施例中，閥42位於定子22的頂部處並連接至流體通道(未示出)，該通道通過定子22向下延伸至正浮力浸沒構件14的主體中的浮箱16。高壓空氣經由閥42並通過一個流體通道被泵送入浮箱16並且通過另一流體通道從浮箱16排出配重水，由此導致正浮力浸沒構件14升至平均水位之上。當浮力構件14在平均水位之上時，將停止能量的產生並且整個支承結構 12將作為船，由此允許設備10的容易運輸。當調試設備10時，浮力構件14的任何過大浮力將通過反過程釋放，支承結構12 再次浸沒，並再次開始能量的生產。這類型快速的調配和恢復幫助使調試、修理和維護的成本最低，並且保證了最可靠的能量供應。設備10的其它方面優勢在於，其被設計為響應特定波頻範圍，用於發電。在所示實施例中，設備10的水平長度大約為5米，相應於海洋波長20米的四分之一。該特徵在應用於海洋時特別有用，因為頻率越低，可從海洋中獲得的能量越多。過去，很多波能轉換器在風暴條件下因為經歷過大波能密度而遺失。通過設備10的頻率調節能力，可以僅從預定頻率提取能量，並同時簡單地使破壞性的高能量密度波通過，而沒有衰減。設備10的耐受性非常明顯，更不用提當其它波能轉換器無法工作以確保它們的倖存時，該設備10所能產生電力的利益。波能轉換設備10可以構建成模塊單元和多個連接在一起並作為波能轉換電力陣列或電力矩陣的這樣的模塊單元中的一個。在所示實施例中，支承結構12的框架具有大致矩形的構造。這種形狀方便多個模塊單元沿兩個正交方向並排地互連。圖8至11示出了根據本發明的波能轉換設備44及其相關聯張力錨泊系統50的第二實施例。波能轉換設備44包括被設計為在海洋中的平均水位上方延伸的長支承結構 45。支承結構45具有垂直取向的柱形式，該柱包括與之連接地設置在平均水位以下的浸沒構件46。本實施例的支承結構45還設置有浮力機構，使得支承結構沿大致直立的取向在海中漂浮。在所示實施例中，浮力機構具有設置在浸沒構件46中的浮箱47 (未示出)的形式。 如前述實施例，浮箱47通常填充有足夠的空氣，用來給浸沒構件46提供大致的正浮力。設備44還包括具有正浮力的漂浮構件48，該漂浮構件可滑動地安裝在支承結構 45上，以便可沿垂直方向運動。在本實施例中，漂浮構件48具有球形構造，並且可滑動地安裝在支承結構45的垂直柱上。設備44還包括線性發電機49，該發電機具有被設置為與支承結構45的垂直柱相連的定子和整合到漂浮構件48的主體內的平移器。為將海洋波能轉換為電力，本實施例的波浪轉換設備44的操作與第一實施例10的類似，此處不再詳細描述。如前述實施例，球形漂浮構件48的流體動力和浮力特性使線性發電機49的平移器相對於定子產生差速運動。有利地，浸沒構件46的上表面具有大致半球形的構造，以便用作水的偏轉表面(與第一實施例中的上表面40不同)，來進一步增強該差速運動。本實施例的張力錨泊系統50包括長的柔性構件，該構件具有從配重機構52延伸到抵衡機構53的索纜51的形式，適於經由滑輪機構54從浸沒構件46懸掛下來。配重機構52可具有大塊混凝土的形式，或替換地利用適當的海床錨泊將纜索51的一端錨定至海底。抵衡機構53包括質量塊，該質量塊具有與之相連的可調浮箱，如圖9所示。本實施例的抵衡機構53具有中空容器55的形式，該容器包括具有預定質量的實心底部，用作用於浸沒構件46的平衡重量(counterweight)。容器55的其餘體積可經由空氣軟管57填充壓縮空氣以調整容器55的浮力。閥58可設置在容器55的壁中以將空氣排出到周圍的海洋中。索纜51的另一端連接至容器55的頂部並且延伸到滑輪機構54，之後向下穿過沿容器55的中軸線垂直延伸的中空通道59到配重機構52。通過調整容器55的浮力，經由索纜51作用於浸沒構件46的抵衡力可被改變。以此方式，波能轉換設備44及其相關聯張力錨泊系統50的共振頻率可被調整以便將其「調節」至盛行(prevailing)海洋條件。優選地，容器55的底部56的質量被設定以匹配系統的最小所需工作頻率。因為由底部56給系統提供的低浮心和低質心，該質量還有助於保持波能轉換設備44沿直立取向。隨著容器55的質量減小，系統的共振頻率增加。滑輪機構54容納在錨泊罐80中，該罐在圖11和12中以透明壁示出。在本實施例中，錨泊罐80具有筒狀形狀以匹配浸沒構件46的形狀，並且永久或可鬆脫地附連至浸沒構件46的底部。圖11可清楚地看出，滑輪機構54包括固定地安裝在軸84上的滑輪82，該軸可旋轉地安裝在一對旋轉發電機86a和86b之間。由於軸84振蕩，發電機86a和86b將產生電動勢並提供對軸的旋轉運動的阻力。發電機86由此提供阻尼機構，用於對軸84的旋轉進而對滑輪82的旋轉施加阻尼動作。當負載應用於發電機86時，它們有效地經由滑輪82將阻尼動作施加至索纜51，並且因此通過抵衡機構53施加至浸沒構件46的運動。如果需要，由發電機86產生的電能可存儲在容納於罐80內的電池88中。電能轉換和控制模塊90可被設置用於將發電機86產生的交流電轉換為直流電用於存儲在電池88 中。能量轉換和控制模塊還可被構造為使罐本身成為波能轉換設備，如下文詳細描述。微處理器操縱的控制系統92也設置在錨泊罐80內，以提供張力錨泊系統50的所有部件的自動控制。控制系統92監視波浪的頻率並相應地調整抵衡機構的質量。空氣壓縮器94設置在錨泊罐80內，用於經由空氣軟管57將空氣向下泵送至抵衡機構53。一些由發電機86產生的電力用於為空氣壓縮器94供電。空氣壓縮器94也在控制系統92的控制之下。空氣管道96從大氣向空氣壓縮器94供應空氣，並且穿過浸沒體46 向上延伸至一吃水線(water line)之上的點。抵衡機構53的中空容器55內的空氣不必排出至周圍的海洋，而能被泵送回容納在錨泊罐80或浸沒構件中的壓力容器(未示出)。將參照圖8至11描述用於張力錨泊系統50的典型操作順序給出特定的工作環境，控制系統92經由諸如加速度計這樣的適當機構測量並計算系統所面臨的波浪頻率。通過利用公知公式的計算來確定主要和/或能量最密集頻率 (most energy dense frequency)。一旦選定優化工作頻率，仍通過公知公式計算允許提取最多能量的優化系統質量。然後，控制系統92計算當前系統質量並且確定需要在系統中引入或去除的水的體積，以實現系統的這個優化質量。如果質量需要減少，那麼控制系統92將起動空氣壓縮器94，以將空氣泵送至中空罐體55來通過正壓力置換(displacement)來排出存在於中空罐體55內的水，如潛艇一樣。如果質量需要增加，那麼控制系統92打開空氣閥58來排出中空容器55內的空氣或起動空氣壓縮器94以將空氣泵送至替換存儲箱，由此允許水填充排空的體積並增加系統質量。以此方式，控制系統92將質量移入或移出張力錨泊系統，因而通過質量變化改變系統的工作特性並且允許系統在常變環境中被調節以最佳地工作。在錨泊罐80中可利用任何適當的阻尼機構用於向浸沒構件46的運動施加阻尼動作。如果發電機86能夠直接用作電力源，將是特別有利的。然而，液壓泵也能用來提供阻尼動作。圖12示出了錨泊罐80的替換實施例，其與圖11的實施例基本相同，但是旋轉發電機86被一對液壓泵98替代，以提供阻尼機構。兩個液壓泵98a和98b可操作地通過各自的帶和滑輪系統99a和99b聯接至軸84。例如，液壓泵98例如可用於經由軟管向液壓操作發電機或液壓蓄能器泵送液壓液(油、海水)。氣壓泵可替代液壓泵98使用。如圖8和10所示的波能轉換設備44併入有安裝在設備的支承結構45的頂部上的風力渦輪機100。風力渦輪機100提供了捕獲另一種可再生能源、即海洋風的機構。渦輪機被定向為繞垂直軸線旋轉，並且設置有一系列葉片102用來捕獲風並產生電力。旋轉發電機(未示出)容納在風力渦輪機100的底部中。由風力渦輪機100產生的電力可被儲存在電池88中，或經由纜線或無線地利用微波發射機(未示出)發送至岸上。渦輪機頂部上可見的圓頂104用來容納發射機和/或GPS或一些其它形式的定位信標。當然，不具有風力渦輪機100的波能轉換設備44將非常令人滿意地工作。不具有渦輪機的設備44的實施例如圖13所示。如果需要，波能轉換設備44還可安裝太陽能電池板108以利用第三種可再生能源，即太陽光。圖14示出了具有多個安裝在風力渦輪機100 的頂部上的太陽能電池板108的設備44的實施例。在其它方面，該實施例(及前述實施例)的具有相關聯張力錨泊系統50的波能轉換設備44與圖8至11所示實施例的大致相同，這裡不再描述。圖15示出了波能轉換設備110的第四實施例，其與圖8至11所示的實施例類似， 並因此相同的參考標號將用於標識類似部件。在設備110的該實施例中，錨泊罐80的殼體在底部是敞開的，以便允許海水填充到中空內部內沒有被張力錨泊系統50的部件佔用的空間中。在每個前述實施例中，容納在罐80內的張力錨泊罐所有部件被封裝在氣密和水密封殼中，保護它們不受海水腐蝕影響。錨泊罐80的敞開底部建立了空氣腔112，該空氣腔可部分地填充有空氣以便給錨泊罐提供零浮力。因為腔112敞開至周圍海洋，由于波浪運動，它的浮力將隨著流體靜壓的變化而變化。當每個波峰通過時，由於流體靜壓增加，零浮力錨泊罐80的浮力將降至負浮力。當設備110進入波谷時，由於產生正浮力，錨泊罐將上升。直接連接至浸沒構件46的錨泊罐的浮力中的這些變化，與漂浮構件48的垂直運動成180°相位差，因而將有助於進一步增加線性發電機49的定子和平移器的差速運動。如前文所述，本發明的張力錨泊系統本身可用作波能轉換設備。圖16示出了張力錨泊系統120本身被構造為波能轉換設備的實施例。在本實施例中，錨泊罐80直接安裝至浮力筒122的下側。不存在前述實施例中的線性發電機。與圖8至11的實施例相似，在本實施例中，筒122具有安裝在頂部上的風力渦輪機100。張力錨泊系統120以與圖8至11 的實施例類似的方式工作，但在這種情況下，控制系統被構造為，發電機86以最大效率工作以產生電力，這是因為它們現在不再用作阻尼機構。張力錨泊系統120仍然作為振蕩系統工作，該振蕩系統能調節至海洋中的波浪頻率以從筒122的升沉響應中提取最大能量。至此已詳細描述了波能轉換設備和張力錨泊系統的幾個實施例，顯而易見的是， 與現有技術相比，本設備的實施例提供多個優點，包括(i)波能轉換器為魯棒(robust)設計，具有最小的損壞可能性，能夠經受大部分氣候條件。(ii)張力錨泊系統能使得波能轉換設備調節至盛行海洋條件以保持最大效率。
(iii)張力錨泊系統適用於任何浮力類型波能轉換設備以提高其工作效率。(4)其是萬能的，能從較大範圍的波高、波頻和波向的波浪中提取能量。(5)其非常高效，利用縱移、升沉、浮力、流體靜壓和流體動壓來從波浪中提取最大
能量°對於本領域的技術人員顯而易見的是，除了已描述內容外，還可對所述實施例進行各種修改和改進，而不偏離本發明的基本構思。例如，定子不必位於設備的中心面或軸線上，而可位于波能轉換設備的支承結構中的任何位置。因此，應該理解的是，本發明的範圍不限於所述的具體實施例並被所附權利要求限定。
權利要求
1.一種用於將海洋波能轉換為更有用形式的設備，該設備包括長的支承結構，被設計用來在平均水位上方延伸，具有與所述支承結構相連地設置在平均水位以下的浸沒構件，和使得所述支承結構以大致直立的取向漂浮在海洋中的浮力機構；具有正浮力的漂浮構件，可滑動地安裝在所述支承結構上以便可沿垂直方向運動，所述漂浮構件設置有滑行艇表面，該滑行艇表面適於將波浪運動的水平分量轉換為所述漂浮構件的垂直運動，由此所述增強漂浮構件的能量提取能力；和能量提取機構，被設置為與所述支承結構和漂浮構件相連，以使得當波浪運動在所述漂浮構件和支承結構之間引起適當的差速運動時，所述能量提取機構將傳入的能量轉換為更有用的形式。
2.如權利要求1所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述能量提取機構包括線性發電機，在該線性發電機中，定子被設置為與所述支承結構相連，平移器被設置為與所述漂浮構件相連。
3.如權利要求1或2所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述浸沒構件設置有滑行艇表面，該滑行艇表面適於將波浪運動的水平分量轉換為所述浸沒構件的垂直運動，由此增強所述浸沒構件的能量提取能力。
4.如權利要求1或2所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述浸沒構件設置有可變浮力的流體靜壓腔，適合將一恆定高度處的流體靜壓變化轉換為導致所述浸沒構件的相關聯垂直運動的構件浮力的減少或增加，由此使得，當波浪高度增加時，所述浸沒構件下降， 當波浪高度下降時，所述浸沒構件上升。
5.如權利要求1至4中的任一項所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述漂浮構件具有包括前端和後端的長水平橫截面，該前端適於面對正靠近的波浪的大致方向。
6.如權利要求5所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，在所述漂浮構件上的滑行艇表面是多個大致平行的滑行艇表面中的一個，這些滑行艇表面大致垂直於並沿所述漂浮構件的相應第一和第二側延伸。
7.如權利要求6所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，多個滑行艇表面從所述漂浮構件的前端向下傾斜到所述後端，其中，滑行艇表面迫使波浪中的水粒子向下，產生向上作用在所述滑行艇表面上的流體動力，所述流體動力增強了由於所述漂浮構件的正浮力而作用在該漂浮構件上的向上力。
8.如權利要求1或2所述的用於轉換海洋波能的設備，所述設備進一步包括錨泊系統， 用於將結構錨泊至海床。
9.如權利要求8所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述浸沒構件和漂浮構件適於在使用中具有大致的零浮力，且所述錨泊系統包括適於防止設備漂離但仍允許對盛行波方向自動跟蹤的系鏈。
10.如權利要求8所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述浸沒構件和浮力機構適於在使用中具有大致的正浮力，並且所述錨泊系統包括阻尼機構，用於經由所述錨泊系統向所述支承結構施加阻尼動作。
11.如權利要求10所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，當通過所述能量提取機構提取的能量增加時，所述阻尼機構適於增加阻尼動作，由此，所述漂浮構件和支承結構之間的差速運動被最大化，並且所提取的能量的量被優化。
12.如權利要求11所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，當小能量或沒有能量被所述能量提取機構提取的時候，所述阻尼機構不實施阻尼動作，由於所述錨泊系統自由運動， 所述支承結構上的機械應力被最小化。
13.如權利要求10到12中任一項所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述錨泊系統包括從配重機構延伸至抵衡機構的索纜，該索纜經由滑輪機構從支承結構懸掛下來。
14.如權利要求13所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述阻尼系統經由滑輪機構對索攬施加制動作用。
15.如權利要求14所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述制動作用為激活螺線管，線性發電機經由分流電路向螺線管供電。
16.如權利要求10到15中任一項所述的用於轉換海洋波能的設備，其中，所述阻尼系統是計算機控制的。
17.一種用於將海洋波能轉換為電力的設備，基本如在此參考附圖中的任意一個或多個所述及所示。
全文摘要
描述了一種波能轉換設備(44)及其張力錨泊系統(50)。波能轉換設備(44)包括長的支承結構(45)，被設計用來在海洋中的平均水位上方延伸。該支承結構(45)具有與之相連地設置在平均水位以下的浸沒構件(46)。具有正浮力的漂浮構件(48)可滑動地安裝在支承結構(45)上以便可沿垂直方向運動。該設備(44)還包括線性發電機(49)，該線性發電機具有被設置為與支承結構(45)相連的定子和被設置為與漂浮構件(48)的主體相連的平移器。漂浮構件(48)相對於支承結構(45)的差速運動由線性發電機(49)產生電力。
文檔編號B63B35/44GK102322387SQ201110153369
公開日2012年1月18日 申請日期2007年7月9日 優先權日2006年7月11日
發明者肖恩.D.穆爾 申請人:多樣能源澳大利亞有限公司