CN101568720A - 能漂浮的波浪能转换器和用于提高能漂浮的波浪能转换器效率的方法 - Google Patents

能漂浮的波浪能转换器和用于提高能漂浮的波浪能转换器效率的方法 Download PDF

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Abstract

一种波浪能转换器(1)包括在前端(3)和后端(4)之间延伸的壳体(2)。三个竖直的空气室(15)设置在该壳体(2)中，并且三个相应的水调节导管(16)从空气室(15)向后延伸并且终止于在后部的水调节开口(17)中，用于当壳体(2)响应通过的波浪由于颠簸而摆动时调节进出该空气室(15)的水。空气调节导管(21)通过歧管(20)与空气室(15)连通，用于当由于壳体(2)摆动空气室(15)中的水位(19a)下落和上升时调节进出空气室(15)的空气。设置在空气调节导管(21)中的自调整涡轮机(22)驱动用于发电的发电机(24)。浮力箱(31)设置在壳体(2)上，在空气室(15)后部的水调节导管(16)的上方，用于保持壳体(2)漂浮在水中。沿着大致向前下的方向延伸的第一稳定板(28)在壳体(2)的前端(3)从下部倾斜部分(27)延伸，用于控制壳体(2)相对于波浪运动的颠簸摆动，从而又用于增加由转换器(1)产生的能量输出。前部压载箱(35)和从壳体(2)向上延伸的一对第二稳定板(30)增强转换器(1)的稳定性。

Description

能漂浮的波浪能转换器和用于提高能漂浮的波浪能转换器效率的方法
技术领域
本发明涉及能漂浮的波浪能转换器，和用于提高能漂浮的波浪能转换器的效率的方法。
背景技术
用于将波浪能，例如，将海洋中、湖泊中或其它宽阔水面中的波浪能转换成机械旋转能的波浪能转换器是已知的。一般而言，机械旋转能用来驱动用于产生电能的发电机。这种波浪能转换器公开在Masuda等人的欧洲专利说明书No.0,950,812、Nishikawa的美国专利说明书No.4,741,157、和转让给Nishikawa的Masuda的美国专利说明书No.4,858,434中。公开在这三个现有技术说明书中的所有这种波浪能转换器都包括在前端和后端之间延伸、并且锚定成使得前端迎着迎面而来的波浪的壳体。壳体的锚定设置成使得壳体由于随着经过的波浪在前后方向上颠簸而摆动。向上延伸的空气室邻近壳体前端形成在壳体中，并且水调节导管从空气室向后延伸，并且终止在后部水调节开口中，用于当壳体摆动时调节进出该空气室的水。当由于壳体摆动运动的结果在空气室内的水位变化时，从空气室延伸的空气调节导管调节进出该空气室的空气。设置在空气调节导管中的涡轮机随着空气室中的水位的上升和下落被流过空气调节导管的空气驱动，用于驱动发电机，该发电机又由于壳体的摆动运动发电。在三个现有技术专利说明书的波浪能转换器中，浮力材料设置在空气室的后部水调节管上。但是，在两个美国现有技术专利说明书中，浮力材料还设置成在波浪能转换器的壳体前端向前延伸。
因此，对于在被合适的锚定系统锚定、同时壳体前端迎着迎面而来的波浪的波浪能转换器中的任何一个，经过的波浪引起壳体以在前后方向上颠簸运动的方式摆动，这又使得水在壳体的每个摆动循环中通过水调节导管流进和流出空气室。当水流进和流出空气室时，在空气室中的水位上升和下落。这导致空气通过空气调节导管被顺序地向外和向内推动。根据所用涡轮机的类型，该涡轮机沿着同一个方向旋转，与通过空气调节导管的空气流动的方向无关，或者可选地，根据通过空气调节导管被向外或向内推动的空气只沿着一个方向旋转。在这种情况下，一般来说，设置由阀和相应导管构成的系统，以便转换沿着两个方向通过该空气调节导管的气流，以沿着单一的一致的方向流过涡轮机。
在一些情况下，在三个现有技术说明书中所描述的波浪能转换器可以具有一个或多个空气室，和一个或多个水调节导管，并且通常在设置多于一个空气室的情况下，设置相应数目的水调节导管，用于调节进入各对应的空气调节室中的水。
虽然这种波浪能转换器的确能够将波浪能转换成机械旋转能，机械旋转能可以用来驱动发电的发电机，但是一般来说，这种波浪能转换器具有两个严重的缺点，第一，在将波浪能转换成电能时它们往往效率比较低，具体说，在将波浪能转换成机械旋转能时效率低，第二它们往往比较不稳定，具体说，在波浪高度比较高的比较汹涌的水域中，它们往往比较不稳定。虽然在欧洲专利说明书No.0,950,812中公开的波浪能转换器中已经进行过一些尝试，以提高波浪能向机械旋转能的转换效率，但是，在这三个现有技术中所公开的波浪能转换器仍然是效率比较低。
发明内容
因此，需要这样一种波浪能转换器，其至少解决现有技术波浪能转换器的一些问题，并且还需要提供一种提高用于将波浪能转换成机械旋转能的这种波浪能转换器的效率的方法。
本发明的目的是提供这样的波浪能转换器，并且本发明的目的还是提供用于提高能漂浮的波浪能转换器的效率的方法。
根据本发明，提供一种用于将波浪能转换成电力的能漂浮的波浪能转换器，这种波浪能转换器包括：适于随着波浪运动而摆动、并且在前端和后端之间延伸、同时在使用中其前端适于迎着波浪的壳体；形成在该壳体中的空气室；水调节导管，其形成在该壳体中，用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进入和流出该空气室的水，从而改变空气室中的水位，该水调节导管终止于在该空气室后部的水调节开口中；用于随着空气室中变化的水位调节进出该空气室的空气的空气调节导管；用于将随着在空气室中变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能的转换装置；以及从壳体的前端沿着大致向前下的方向在该壳体的吃水线之下延伸的第一稳定板，用于控制壳体起伏和颠簸运动，以使在水中的壳体运动转换成可用能的效率达到最大。
优选地，该第一稳定板在吃水线之下的高度从壳体延伸。有利地，第一稳定板大致横向于壳体的前/后方向延伸。
在本发明的一个实施例中，当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，第一稳定板以与竖向成30°至60°范围的角度从壳体的前端延伸。优选地，当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，第一稳定板以与竖向成40°至50°范围内角度从壳体前端延伸。有利地，当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，第一稳定板与竖向方向成大约45°的角度从壳体前端延伸。
理想地，第一稳定板邻近壳体的前端基本上在该壳体的整个横向宽度上延伸。
在本发明的另一个实施例中，邻近壳体前端的壳体的面向前的部分沿着大致向后下的方向倾斜。优选地，壳体的面向前的倾斜部分由壳体的下部形成。有利地，壳体的面向前的倾斜部分设置在吃水线以下。
在本发明的一个实施例中，当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜30°至60°范围内的角度。优选地，当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜40°至50°范围内的角度。有利地，当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜大约45°的角度。
在本发明的另一个实施例中，第一稳定板从壳体的面向前的倾斜部分延伸。优选地，第一稳定板从壳体的面向前的倾斜部分以与其形成的一定角度延伸。有利地，第一稳定板从壳体的面向前的倾斜部分以与其形成大约90°的角度延伸。
在本发明的另一个实施例中，第一稳定板用在该第一稳定板和壳体之间延伸的至少一个角撑板加强。优选地，第一稳定板用在该第一稳定板和壳体之间延伸的多个间隔开的角撑板加强。
在本发明的又一个实施例中，邻近壳体的前端设置用于稳定壳体的前部压载装置。优选地，该前部压载装置设置在空气室的前部。有利地，该前部压载装置设置在第一稳定板的高度之上。
在本发明的一个实施例中，前部压载装置从这样的高度向上延伸，在该高度第一稳定板从壳体的前端延伸。
优选地，前部压载装置是可调节的，用于选择地调节其重量。
在本发明的一个实施例中，前部压载装置包括用于将压载物容纳在其中的压载箱，并且有利的是，该压载箱适于容纳水压载物。
在本发明的另一个实施例中，至少一个第二稳定板从壳体延伸并且响应于经过壳体的水的运动，用于保持壳体定向成其前端迎着波浪。优选地，该至少一个第二稳定板沿着壳体的大致前/后方向延伸。有利地，该至少一个第二稳定板从壳体向上延伸。理想地，该至少一个第二稳定板设置成朝着壳体的后端。
在本发明的一个实施例中，一对间隔开的第二稳定板从壳体延伸。
优选地，空气室邻近壳体的前端形成在壳体中。有利地，水调节导管从空气室向后延伸。理想地，来自水调节导管的水调节开口设置在壳体的后端。
优选地，空气室邻近水调节导管的前端从水调节导管向上延伸。
在本发明的另一个实施例中，设置浮力装置，用于保持壳体漂浮在水上。优选地，该浮力装置设置在空气室的后部。有利地，浮力装置设置在水调节导管的上方。理想地，浮力装置从空气室后部的位置延伸，并且终止在空气室和壳体的后端中间的一后端。
在本发明的一个实施例中，其中浮力装置终止在其后端，其后端在壳体的各相对的侧边缘上比在壳体侧边缘中间的位置处更加靠近空气室。优选地，浮力装置终止在其后端，其后端在壳体的相对侧边缘之间的正中间位置处最靠近壳体的后端。
在本发明的一个实施例中，当从俯视图上看时浮力装置的后端基本上是弓形的。有利的是，当从俯视图上看时浮力装置的后端基本上是半圆形的。
优选地，浮力装置设置成邻近空气室。
在本发明的一个实施例中，浮力装置包括浮力箱。
在本发明的另一个实施例中，浮力箱适于用空气填充。或者，该浮力箱适于用能浮起的泡沫塑料材料填充。
在本发明的一个实施例中，用于将被推动通过空气调节导管的空气转换成旋转运动的转换装置包括涡轮机。优选地，该涡轮机是自调整的涡轮机，以便与通过该涡轮机的空气流的方向无关，该涡轮机只沿着一个方向旋转。有利地，转换装置设置在导管中。理想地，转换装置与发电机联接。
在本发明的一个实施例中，转换装置与发电机内联地(inline)联接。
优选地，发电机设置在空气调节导管中。
在本发明的一个实施例中，设置至少两个空气调节导管。优选地，转换装置设置在每个空气管中。
在本发明的另一个实施例中，多个平行的水调节导管形成在壳体中。优选地，多个空气室形成在壳体中。有利地，对应于每个水调节导管设置一个空气室。
在本发明的另一个实施例中，设置歧管，用于使空气室与一个或多个空气调节导管连通。
在本发明的又一个实施例中，联接装置设置在壳体上，用于将壳体联接于锚定系统，同时壳体的前端迎着的波浪。优选地，用于将壳体联接于锚定系统的联接装置包括设置在壳体前端的前部联接装置。有利地，一对前部联接装置设置在壳体前端的相应相对侧上，用于将壳体联接于锚定系统。有利地，用于将壳体联接与锚定系统的联接装置包括设置在壳体后端的后部联接装置。理想地，设置一对间隔开的后部联接装置。
本发明还提供用于将波浪能转换成电力的能漂浮的能量转换器，这种波浪能转换器包括：适于随着波浪运动而摆动、并且在前端和后端之间延伸、同时在使用中其前端适于迎着波浪的壳体；形成在该壳体中的空气室；水调节导管，形成在该壳体中，用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进出该空气室的水，从而改变壳体中的水位，该水调节导管终止于在该空气室后部的水调节开口中；用于随着空气室中变化的水位调节进出该空气室的空气的空气调节导管；用于将随着在空气室中变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能的转换装置；以及邻近壳体的前端设置的、用于稳定该壳体的前部压载装置。
优选地，该前部压载装置设置在空气室的前部。
在本发明的一个实施例中，前部压载装置由壳体的面向前的倾斜部分的一部分而部分地形成。
本发明还提供用于将波浪能转换成电力的能漂浮的波浪能转换器，这种波浪能转换器包括：适于随着波浪运动而摆动、并且在前端和后端之间延伸、同时在使用中其前端适于迎着波浪的壳体；形成在该壳体中的空气室；水调节导管，形成在该壳体中、用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进出该空气室的水，从而改变该空气室中的水位，该水调节导管终止于在该空气室后部的水调节开口中；用于随着空气室中变化的水位调节进出该空气室的空气的空气调节导管；用于将随着在空气室中变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能的转换装置；以及邻近壳体的前端沿着大致向后下的方向倾斜的壳体的面向前的部分。
优选地，壳体的面向前的倾斜部分由壳体的下部形成。
此外，本发明提供一种提高用于将波浪能转换成机械旋转能的能漂浮的波浪能转换器的效率的方法，其中该波浪能转换器包括：适于随着波浪运动而摆动、并且在前端和后端之间延伸、同时在使用中其前端适于迎着波浪的壳体；形成在该壳体中的空气室；水调节导管，其形成在该壳体中，用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进出该空气室的水，从而改变空气室中的水位，该水调节导管终止于在该空气室的后部的水调节开口中；用于随着空气室中变化的水位调节进出该空气室的空气的空气调节导管；用于将随着在空气室中变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能的转换装置，该方法包括提供从壳体的前端沿着大致向前下的方向在壳体的吃水线以下延伸的第一稳定板，用于控制该壳体的起伏和颠簸运动，以使在水中的壳体的运动转换成可用能的效率达到最大。
本发明具有许多优点。根据本发明的能漂浮的波浪能转换器效率特别高，并且在比较测试中已经发现，比基本相同类型的现有技术能漂浮的波浪能转换器的效率高得多，因此，根据本发明的波浪能转换器提供比现有技术转换器能够实现的能量输出明显增加的能量输出。
据信，第一稳定板的设置明显有助于提高根据本发明的波浪能转换器的效率。据信，第一稳定板以可控制方式增强波浪能转换器和波浪运动之间的相对运动，具体说，增强波浪能转换器的起伏和颠簸运动，并且使在空气室中水位的上升和下落达到最大，这又使波浪运动转换成机械旋转能量的效率达到最大，并且又使从波浪能转换器输出的能量达到最大。还据信，根据本发明的波浪能转换器的提高的效率和能量输出通过组合设置第一稳定板和浮力装置来实现，具体说，通过相对于浮力装置的定位来定位第一稳定板来实现，从而，第一稳定板位于空气室的前部，而浮力装置位于空气室的后部。此外，据信空气室前部的压载装置的设置也有助于提高效率，并且又增加根据本发明的波浪能转换器的能量输出。据信，第一稳定板、浮力装置和压载装置一起作用的综合效果进一步控制波浪能转换器和波浪运动之间的相对运动，具体说控制波浪能转换器的起伏和颠簸运动，以便增加根据本发明的波浪能转换器的效率和能量输出。
此外，根据本发明的波浪能转换器在水中特别稳定，并且在波浪比较高的比较汹涌的海洋条件下特别稳定，并且已经发现，根据本发明的波浪能转换器在高度到至少16米的相当高的波浪中特别稳定。据信，根据本发明的波浪能转换器的稳定性是通过设置压载装置实现的，并且根据本发明的波浪能转换器的稳定性还通过第一稳定板和压载装置的组合而提供。当然，第二稳定板在稳定波浪能转换器中也起作用。
附图说明
从下面参考附图对本发明优选实施例的描述中将能够更好地理解本发明，该描述仅以举例的方式给出，其中：
图1是根据本发明用于将波浪能转换成电力的能漂浮的波浪能转换器的示意透视图，
图2是图1的波浪能转换器的另一个示意透视图，
图3是图1的波浪能转换器的示意侧视图，
图4是图1的波浪能转换器的示意后端视图，
图5是图1的波浪能转换器的示意俯视平面图，
图6是沿着图4的IV-IV线的图1的波浪能转换器的示意横向横截面侧视图，
图7是沿着图3的VII-VII线的图1的波浪能转换器的示意横向横截面端视图，
图8是沿着图3的VIII-VIII线的图1的波浪能转换器的示意横向横截面俯视平面图，
图9是示出在使用中的图1的波浪能转换器的示意透视图，
图10是在使用中的图1的波浪能转换器的示意侧视图，
图11是在使用中的图1的波浪能转换器的类似于图10的示意侧视图，以及
图12是在根据本发明的波浪能转换器和现有技术波浪能转换器之间的比较测试期间得到的对波浪周期绘制的平均能量输出曲线图。
具体实施方式
参考附图，示出根据本发明的能漂浮的波浪能转换器，该波浪能转换器用附图标记1表示，用于将波浪能转换成机械旋转能，又转换成电力。该波浪能转换器1包括由用镶板(panelling)覆盖的结构钢框架(未示出)构成的壳体2。该镶板可以是任何合适的材料，例如，金属片或金属板、混凝土或诸如玻璃纤维等的塑性材料。当然，整个壳体可以用钢筋混凝土构成。用结构钢框架和覆盖镶板或其他这种材料构成的这种壳体的结构对于本领域的技术人员是熟知的。壳体2能漂浮在海洋上并且在前端3和后端4之间延伸，并且在使用时被锚定，同时前端3迎着波浪，从而当波浪沿着壳体2从前端3向后端4通过时，随着波浪运动由于前后颠簸作用而摆动。
壳体2的镶板覆盖结构钢框架包括从基底6向上延伸并且在前端3由前壁7接合的一对侧壁5。向上延伸的中间壁8接合在前端3和后端4中间的侧壁9。在前壁7和中间壁8之间延伸的上顶壁10接合朝着壳体2前端3的侧壁5，同时从中间壁8向壳体2的后端4延伸的下顶壁11也接合侧壁5。侧壁5、基底6、前壁7、中间壁8以及上和下顶壁10和11形成在壳体2内的主空心内部区域12。
与侧壁5间隔开并且与其平行地从前壁7向壳体2的后端4延伸的两个间隔开的分隔壁13与侧壁5、前壁7和中间壁8一起在壳体2的主空心内部区域12内靠近前端3形成三个直立的空气室15。分隔壁13还与侧壁5、基底6以及下顶壁11一起在主空心内部区域12中形成三个对应的水调节导管16，用于当壳体2随着波浪运动而摆动时调节进出空气室15的水。水调节导管16与对应的空气室15连通，并且从空气室15向后延伸到壳体2的后端4，并且在那里它们终止在用于调节水进出空气室15的相应水调节开口17中。该空气室15以与对应的水调节导管16成大约90°的角度从对应的水调节导管16向上延伸。在它们形成空气室15的主空心内部区域12的前端3，分隔壁13终止在正常吃水线19以上的上边缘18中，壳体2在该吃水线19处正常地漂浮在静止的水中。
上顶壁10、前壁7、中间壁8以及在分隔壁13的上边缘18之上一高度处的侧壁5形成与空气室15互相连通的歧管20。空气调节导管21从中间壁8向后延伸并且与歧管20连通，用于当其中的水位19a在壳体2随着通过的波浪而摆动期间上升和下落时，调节进出空气室15的空气。
包括自调整涡轮机22的转换装置设置在空气调节导管21中，用于当随着空气室15中水位19a的变化空气被推进和推出空气室15时，将通过空气调节导管21的空气中的能量转换成旋转机械能。仅以方块示意示出、以内联的方式联接于涡轮机的发电机24被涡轮机22驱动，用于发电，其又通过电缆25(见图9)连线于陆基站(未示出)。由于涡轮机是自调整涡轮机，因此涡轮机22只沿着一个方向驱动发电机24的转子轴26，与空气流过空气调节导管21的方向无关。
面向前的壳体2的前壁7的下部27沿着大致向后下的方向倾斜，用于使邻近壳体2的下前端的紊流达到最小。第一稳定板28从下部倾斜部分27沿着大致朝前下的方向延伸，用于控制壳体2的起伏和颠簸运动，以使壳体2随着通过波浪的运动转换成有用能的效率达到最大。当壳体2漂浮在静止的水中，同时水调节导管16沿着前后方向水平地延伸，并且空气室15从水调节导管16竖直向上延伸时，壳体2的前壁7的下部倾斜部分27以大约45°的角度相对于竖直方向倾斜。当壳体2漂浮在静止的水中，同时水调节导管16基本上水平时，第一稳定板28基本上与下部倾斜部分27垂直地延伸，因此，以相对于竖直方倾斜大约45°的角度。当壳体2漂浮在静止的水中，同时水调节导管16水平地延伸时，下部倾斜部分27位于壳体2的吃水线19以下。第一稳定板28基本上在相对侧壁5之间的壳体2的横向宽度上延伸，并且在下部倾斜部分27上下边缘23和36之间的大致正中间(half way)位置从下部倾斜部分27延伸，因此，第一稳定板28在吃水线以下的高度从壳体2延伸。在第一稳定板28和壳体2的下部倾斜部分27之间延伸的四个角撑板29将第一稳定板28加固于壳体2。
一对间隔开的平行的第二稳定板30从壳体2的下顶壁11朝着后端4向上延伸，用于稳定在波浪中的壳体2。第二稳定板沿着大致前/后方向延伸，用于保持壳体2定向成以其前端3迎着迎面而来的波浪。
用于保持壳体2漂浮的浮力装置包括浮力箱31，其设置在壳体2的下顶壁11上，在水调节管16之上，邻近中间壁8并在空气室15后面。该浮力箱31被密封并且形成用于空气的第二空心内部区域32，沿着大致向后的方向从中间壁8延伸，并且终止在后端壁33中，当从俯视图上观察时它基本上是半圆形。因此，浮力箱31沿着壳体2的纵向中心线34从中间壁8在向后的方向上延伸的距离，大于浮力箱31沿着并邻近相应的侧壁5在向后的方向上延伸的距离。除了保持壳体2漂浮之外，浮力箱31还借助于其浮力中心的位置控制壳体2的颠簸摆动。因此，浮力箱31有效地控制壳体2与波浪运动相关的相对起伏和颠簸运动，因此控制在空气室15中的水位19a的上升和下落，同时第一稳定板28起到改变壳体2的起伏和颠簸运动的作用，但是是以受控的方式，以便使在空气室15中的水位19a的摆动作用转换成机械旋转能的效率达到最大。在本发明的这个实施例中，浮力箱31是水密的空气箱，尽管如果需要的话，该第二空心内部区域32可以用轻重量的泡沫塑料填充。
包括前部压载箱35的前部压载装置设置在壳体2的前端，在空气室15的前面。压载箱35适于容纳从海洋泵入的压载水，并且在该压载箱35中的压载物通过改变在其中的水的体积而可调节。在使用中压载箱35中的压载物被调节以便调节浮力箱31的浮力作用，使得波浪能转换器1漂浮在静止的水中，同时水调节导管16沿着前后方向基本水平地延伸并且完全浸没，并且在空气室15中的水位19a基本上在分隔壁13的上边缘18和靠近空气室15的下顶壁11的高度之间的正中间(midway)。此外，在压载箱35中的压载物被调节以便调节浮力箱31的浮力作用，使得水调节导管16的后部水调节口17在壳体2的颠簸摆动期间对于壳体2的所有取向保持浸没。
设置包括一对间隔开的前部锚定联接器38和间隔开的后部锚定联接器39的联接装置，用于将壳体2联接于锚定系统40，便于壳体2在水中漂浮和摆动。前部锚定联接器38在适合于当地条件的吃水线19以上的高度邻近相应的侧壁5设置在前壁7上，而后部锚定联接器39也在适合于当地条件的吃水线19以上的高度设置在第二稳定板30上。固定于锚定联接器38和39以及锚定浮标42的锚定绳索41将波浪能转换器1锚定在水中。固定于海床锚具44的锚定绳索43锚住该锚定浮标42。因此，锚定系统40使得允许壳体2上升和下落潮汐的高度，同时允许壳体2随着通过的波浪由于在前后方向上的颠簸和起伏而摆动。
在使用中，随着波浪能转换器1被锚定系统40锚定并且在海洋中漂浮，并且壳体2的前端3迎着迎面而来的波浪，以及电缆25将发电机24电连接于陆基站(未示出)，波浪能转换器1随时待用。当波浪经过壳体2时，起初撞击壳体2的前端3，并且沿着壳体2流向其后端4，壳体2摆动。当波浪起初撞击壳体2的前端3时，前端3相对于后端4上升，如图10所示，由此使得空气室15中的水通过水调节导管16被排出，结果导致空气室15中的水位19a下落，并且空气通过空气调节导管21被吸进空气室15中，通过空气调节导管21被向内吸进的空气转动用于驱动发电机24的涡轮机22。当波浪到达壳2的后端4时，后端4相对于前端3上升，见图11，由此使得水通过水调节导管16流进空气室15中，结果导致空气室15中的水位19a上升，这又使空气通过该空气调节导管21被排出，同样用于转动涡轮机22，以驱动发电机24。下一个跟随的波浪再一次相对于后端4升高壳体2的前端3，所以壳体2随着波浪运动由于在前后方向上的颠簸和起伏作用而摆动。
已经发现，第一稳定板28的设置使壳体2的运动达到最大并且又使空气室15中的水位19a上升和下落达到最大，用于将波浪能高效地转换成机械旋转能。
对根据本发明的波浪能转换器1的比例模型(scale model)和对现有技术的波浪能转换器进行比较测试，除了现有技术波浪能转换器被做成没有第一稳定板并且没有压载箱或任何其他形式的压载物之外，现有技术波浪能转换器具有与根据本发明的波浪能转换器相同的结构和尺寸。在波浪产生槽中对两种比例模型进行测试，该波浪产生槽以范围为5.5秒到13秒的时间周期产生波浪，每个波浪周期为大约5分钟的时间间隔。对于所有的测试周期波浪具有恒定的高度。两种比例模型被锚定在波浪产生槽中，并且从各比例模型输出的电能以千瓦测量，并且在各波浪周期的5分钟停留时间内进行平均。
可以设想，根据本发明的全尺寸波浪能转换器从前端3到后端4将是大约25米长，并且从一侧壁5到另一侧壁的横向宽度大约12.5米，具有三个空气室15和相应数目的水调节导管16，即，三个水调节导管16。虽然可以设想到，根据本发明的波浪能转换器的全尺寸模型可以具有直至42米的长度和直至21米的宽度，并且这种波浪能转换器能够具有多至六个空气室和六个水调节导管。可以设想，一个至三个等间隔的空气调节导管21将从中间壁8延伸，与全尺寸模型的歧管20连通。根据本发明的波浪能转换器和现有技术波浪能转换器的比例模型具有大约2.5米的长度和大约1.05米的宽度，并且每个具有三个空气室15和三个水调节导管16。来自歧管20的一个单独的空气调节导管21设置在每个比例模型。这些模型根据用于自由表面流体动力学模型的弗鲁德比例法则(Froude Scaling Law)定比例，该法则要求时间比例等于长度比例的平方根。
参考图12，图12示出曲线图，该曲线图表示画在Y轴上的以千瓦计的平均能量输出对画在X轴上的以秒计的波浪的时间周期。图12的曲线A表示在时间间隔内测量的由根据本发明的波浪能转换器产生的平均能量输出，在这些时间间隔内波浪能转换器经受各不同时间周期的波浪。曲线B表示在时间间隔内测量的由现有技术波浪能转换器产生的平均能量输出，在这些时间间隔内现有技术波浪能转换器经受各不同时间周期的波浪。正如所能够看到的，对于所有的波浪时间周期，从根据本发明的波浪能转换器产生的平均能量输出超过由现有技术波浪能转换器产生的平均能量输出。由根据本发明的波浪能转换器产生的平均能量输出与由现有技术波浪能转换器产生的平均能量输出的差值在波浪周期为8.5秒时达到峰值，8.5秒为两个比例模型的谐振周期，在该波浪周期时由根据本发明的波浪能转换器产生的平均能量输出比由现有技术波浪能转换器产生的平均能量输出几乎高60％。在8.5秒的波浪周期，根据本发明的波浪能转换器产生大约475kW的平均能量输出，而现有技术波浪能转换器产生大约300kW的平均能量输出。即便在出现于波浪周期为13秒时的最低差值处，据本发明的波浪能转换器产生大约210kW的平均能量输出，这比由现有技术波浪能转换器产生150kW的对应的平均能量输出高约40％。
因此，对于在5.5秒和13秒之间的所有波浪周期，根据本发明的波浪能转换器产生的平均能量输出显著大于现有技术波浪能转换器产生的平均能量输出。应当指出，谐振周期根据用于模型制造的长度比例的平方根定比例。
据本发明的波浪能转换器的四分之一比例模型从2006年12月到2007年8月在Galway海湾进行了八个月测试，该测试证实了在波浪产生槽中通过对根据本发明的波浪能转换器进行的比例模型测试所得到的结果。在Galway海湾测试的比例模型是12.5米长，6.25米宽，具有三个空气室15和三个水调节导管16。一个单独的空气调节导管21从歧管20设置在中间壁8中。对在Galway海湾测试期间所测量的平均能量输出与在波浪产生槽中的测试期间、在根据弗鲁德比例法则按比例增加的波浪周期和波浪高度的组合下、从根据本发明的波浪能转换器的比例模型测量的平均能量输出进行了比较，其中的条件下进行。在Galway海湾测试的四分之一比例模型的平均能量输出与从在波浪产生槽中测试的根据本发明的波浪能转换器的比例模型测量的平均能量输出相比较非常接近，因而证实了从在波浪产生槽中测试的根据本发明的波浪能转换器得到的结果。
虽然波浪能转换器已经描述为包括三个空气室和三个对应的水调节导管，但是转换器可以具有一个以上的任何数目的空气室和一个以上的任何数目的水调节导管。此外，虽然转换器已经描述为包括对应于每个空气室的一个水调节导管，但是在某些情况下可以设想，多个水调节导管可以与单个的空气室连通，并且还可以设想，单个水调节导管可以设置成与多个空气室连通。不用说，还可以为每个空气室或成组的空气室设置空气调节导管，并且在这种情况下，涡轮机和发电机将设置在每个空气调节导管中。此外，可以设想，任何数目的空气调节导管可以从歧管设置，并且在一些情况下可以设想，多个空气调节导管可以汇聚于容纳涡轮机或其他合适的转换装置的单个导管中。
虽然用于将通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能的能量转换装置已经描述为包括特定类型的涡轮机，但是可以提供任何其他合适的涡轮机或其他转换装置。例如，可以设想，可以用韦尔斯涡轮机或冲力式涡轮机，并且虽然希望涡轮机是自调整的涡轮机，但是这不是必须的。例如，在涡轮机不是自调整涡轮机的情况下，将提供合适的管道和阀门系统，用于只沿着一个方向引导空气通过涡轮机。
不用说，虽然壳体前端已经描述为包括下部面向前的倾斜部分，并且虽然第一稳定板已经描述为从下部倾斜部分延伸，但是第一稳定板可以从壳体前端的任何部分延伸，但是优选地，应当从在吃水线以下从壳体的前端延伸。不用说，在一些情况下可以设想，壳体前端的下部倾斜部分可以被省去。事实上，虽然壳体的前壁已经被描述为具有下部倾斜部分，但是在一些情况下该下部倾斜部分可以省去，并且在其他情况下，下部可以由成圆角的部分设置，这也将使邻近壳体下部前端的紊流最小化。
虽然单个空气调节导管已经被描述为从歧管延伸，但是可以设想，多个空气调节导管可以设置成从歧管延伸，并且不用说，应当理解，涡轮机和发电机将设置在每个空气调节导管中。
还可以设想，虽然压载装置已经被描述为包括用于容纳水压载物的压载箱，但是可以设想，可以提供任何其他合适压载装置，例如，在一些情况下，可以设想，压载装置可以做成用于容纳一个或多个压载重物，并且虽然希望提供对压载物的调节，但这不是必须的，在一些情况下，可以设想，可以提供不可调的压载装置。
还应当理解虽然浮力装置已经描述为具有特定的形状和结构，但是可以提供浮力装置的任何合适的形状和结构。

Claims (91)

1.一种用于将波浪能转换成电力的能漂浮的波浪能转换器，该波浪能转换器包括：壳体，其适于随着波浪运动而摆动，并且在前端和后端之间延伸，同时在使用中其前端适于迎着波浪；形成在该壳体中的空气室；形成在该壳体中的水调节导管，用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进出该空气室的水，从而改变壳体中的水位，该水调节导管终止于在该空气室后部的水调节开口；空气调节导管，用于随着空气室中变化的水位调节进出该空气室的空气；转换装置，用于将随着空气室中变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能；以及第一稳定板，其从壳体的前端沿着大致向前下的方向在该壳体的吃水线以下延伸，用于控制该壳体的起伏和颠簸运动，以使在水中该壳体的运动转换成可用能的效率达到最大。
2.如权利要求1中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板在吃水线以下一高度处从壳体延伸。
3.如权利要求1或2中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板大致横向于壳体的前/后方向延伸。
4.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，第一稳定板以与竖向成30°至60°范围内的角度而从壳体的前端延伸。
5.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，第一稳定板以与竖向成40°至50°范围内的角度而从壳体前端延伸。
6.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，第一稳定板以与竖向成大约45°的角度而从壳体前端延伸。
7.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板邻近壳体的前端基本上在壳体的整个横向宽度上延伸。
8.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的邻近其前端的面向前的部分沿着大致向后下的方向倾斜。
9.如权利要求8中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的面向前的倾斜部分由壳体的下部形成。
10.如权利要求8或9中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的面向前的倾斜部分位于吃水线以下。
11.如权利要求8至10的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜30°至60°范围内的角度。
12.如权利要求8至11的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜40°至50°范围内的角度。
13.如权利要求8至12的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜大约45°的角度。
14.如权利要求8至13的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板从壳体的面向前的倾斜部分延伸。
15.如权利要求8至14的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板从壳体的面向前的倾斜部分以与其形成的一定角度地延伸。
16.如权利要求8至15的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板从壳体的面向前的倾斜部分以与其形成大约90°的角度地延伸。
17.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板用在该第一稳定板和壳体之间延伸的至少一个角撑板加强。
18.如权利要求17中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中第一稳定板用在该第一稳定板和壳体之间延伸的多个间隔开的角撑板加强。
19.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中邻近壳体的前端设置前部压载装置，用于稳定壳体。
20.如权利要求19中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置位于空气室的前部。
21.如权利要求19或20中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置位于第一稳定板的高度之上。
22.如权利要求19至21中任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置从这样的高度向上延伸，在该高度处第一稳定板从壳体的前端延伸。
23.如权利要求19至22的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置是可调节的，用于选择性地调节其重量。
24.如权利要求19至23的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置包括压载箱，用于将压载物容纳在其中。
25.如权利要求24中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中压载箱适于容纳水压载物。
26.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中至少一个第二稳定板从壳体延伸并且响应于经过壳体的波浪的运动，用于保持壳体定向成其前端迎着波浪。
27.如权利要求26中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中至少一个第二稳定板沿着壳体的大致前/后方向延伸。
28.如权利要求26或27中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中至少一个第二稳定板从壳体向上延伸。
29.如权利要求26至28的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中至少一个第二稳定板定位成朝着壳体的后端。
30.如权利要求26至29的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中一对间隔开的第二稳定板从壳体延伸。
31.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中空气室邻近壳体的前端形成在壳体中。
32.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中水调节导管从空气室向后延伸。
33.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中来自水调节导管的水调节开口定位在壳体的后端中。
34.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中空气室邻近水调节导管的前端从水调节导管向上延伸。
35.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中设置浮力装置，用于保持壳体漂浮在水上。
36.如权利要求35中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置定位在空气室的后部。
37.如权利要求35或36中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中所述浮力装置定位在水调节导管的上方。
38.如权利要求35至37的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置从空气室后部的位置延伸，并且其后端终止在空气室和壳体后端中间。
39.如权利要求38中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置终止于其后端，其后端在壳体的各相对的侧边缘上比在壳体侧边缘中间的位置处更加靠近空气室。
40.如权利要求39中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置终止于其后端，其后端在壳体的相对侧边缘之间的正中间位置处最靠近壳体的后端。
41.如权利要求38至40的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当从俯视图上看时浮力装置的后端基本上是弓形的。
42.如权利要求38至41的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当从俯视图上看时浮力装置的后端基本上是半圆形的。
43.如权利要求35至42的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置定位成邻近空气室。
44.如权利要求35至43的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置包括浮力箱。
45.如权利要求44中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力箱适于用空气填充。
46.如权利要求44或45中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力箱适于用能浮起的泡沫塑料材料填充。
47.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中用于将被推动通过空气调节导管的空气转换成旋转运动的转换装置包括涡轮机。
48.如权利要求47中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中涡轮机是自调整的涡轮机，从而与经过该涡轮机的气流的方向无关，该涡轮机只沿着一个方向旋转。
49.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中转换装置定位在所述导管中。
50.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中转换装置联接于发电机。
51.如权利要求50中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中转换装置内联地联接于发电机。
52.如权利要求50或51中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中发电机定位在空气调节导管中。
53.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中设置至少两个空气调节导管。
54.如权利要求52中的能漂浮的波浪能转换器，其中转换装置定位在每个空气调节导管中。
55.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中多个并行的水调节导管形成在壳体中。
56.如权利要求55中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中多个空气室形成在壳体中。
57.如权利要求56中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中对应于每个水调节导管设置一个空气室。
58.如权利要求56或57中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中设置有歧管，用于使空气室与一个或多个空气调节导管连通。
59.如任何一项前述权利要求中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中一联接装置设置在壳体上，用于将壳体联接于锚定系统，同时壳体的前端迎着波浪。
60.如权利要求59中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中用于将壳体联接于锚定系统的联接装置包括位于壳体前端的前部联接装置。
61.如权利要求60中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中一对前部联接装置设置在壳体前端的相应相对两侧上，用于将壳体联接于锚定系统。
62.如权利要求59至61的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中用于将壳体联接于锚定系统的联接装置包括位于壳体后端的后部联接装置。
63.如权利要求62中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中设置一对间隔开的后部联接装置。
64.一种用于将波浪能转换成电力的能漂浮的能量转换器，该波浪能转换器包括：壳体，其适于随着波浪运动而摆动，并且在前端和后端之间延伸，同时在使用中其前端适于迎着波浪；形成在壳体中的空气室；形成在壳体中的水调节导管，用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进出该空气室的水，从而改变壳体中的水位，水调节导管终止于在该空气室后部的水调节开口；空气调节导管，用于随着空气室中变化的水位调节进出空气室的空气；转换装置，用于将随着空气室中变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能；以及前部压载装置，其邻近壳体的前端设置，用于稳定壳体。
65.如权利要求64中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置位于空气室的前部。
66.如权利要求64或65中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置是可调节的，用于选择性地调节其重量。
67.如权利要求64至66的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置包括压载箱，用于将压载物容纳在其中。
68.如权利要求67中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中压载箱适用于容纳水压载物。
69.如权利要求64至68的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的邻近其前端的面向前的部分沿着大致向后下的方向倾斜。
70.如权利要求69中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的面向前的倾斜部分由壳体的下部形成。
71.如权利要求69或70中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的面向前的倾斜部分定位在吃水线以下。
72.如权利要求69至71的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜30°至60°范围内的角度。
73.如权利要求69至72的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜40°至50°范围内的角度。
74.如权利要求69至73的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜大约45°的角度。
75.如权利要求69至74的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中前部压载装置由壳体的面向前的倾斜部分的一部分而部分地形成。
76.如权利要求64至75的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中至少一个第二稳定板从壳体延伸并且响应于经过壳体的波浪运动，用于保持壳体定向成其前端迎着波浪。
77.如权利要求64至76的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中空气室邻近壳体的前端形成在壳体中。
78.如权利要求64至77的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中水调节导管从空气室向后延伸。
79.如权利要求64至78的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中来自水调节导管的水调节开口定位在壳体的后端。
80.如权利要求64至79的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中空气室邻近水调节导管的前端从水调节导管向上延伸。
81.如权利要求64至80的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中设置浮力装置，用于保持壳体漂浮在水上。
82.如权利要求81中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置定位在空气室的后部。
83.如权利要求81或82中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中浮力装置定位在水调节导管的上方。
84.一种用于将波浪能转换成电力的能漂浮的波浪能转换器，这种波浪能转换器包括：壳体，其适于随着波浪运动而摆动，并且在前端和后端之间延伸，同时在使用中其前端适于迎着波浪；形成在壳体中的空气室；形成在壳体中的水调节导管，用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进出空气室的水，从而改变空气室中的水位，水调节导管终止于在空气室后部的水调节开口；空气调节导管，用于随着空气室中变化的水位调节进出空气室的空气；转换装置，用于将随着空气室中的变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能；以及壳体的面向前的部分，其邻近壳体前端，沿着大致向后下的方向倾斜。
85.如权利要求83中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的面向前的倾斜部分由壳体的下部形成。
86.如权利要求84或85中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中壳体的面向前的倾斜部分定位在吃水线以下。
87.如权利要求83至85的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜30°至60°范围内的角度。
88.如权利要求83至86的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜40°至50°范围内的角度。
89.如权利要求83至87的任何一项中所述的能漂浮的波浪能转换器，其中当壳体漂浮同时水调节导管基本处于水平状态时，壳体的面向前的倾斜部分相对于竖向倾斜大约45°的角度。
90.一种提高用于将波浪能转换成机械旋转能的能漂浮的波浪能转换器的效率的方法，其中该波浪能转换器包括：壳体，其适于随着波浪运动而摆动，并且在前端和后端之间延伸，同时在使用中其前端适于迎着波浪；形成在壳体中的空气室；形成在壳体中的水调节导管，用于当壳体随着波浪运动而摆动时调节进出空气室的水，从而改变空气室中的水位，水调节导管终止于在空气室后部的水调节开口；空气调节导管，用于随着空气室中变化的水位调节进出空气室的空气；转换装置，用于将随着空气室中的变化的水位被推动通过空气调节导管的空气中的能量转换成机械旋转能，该方法包括提供第一稳定板，其从壳体的前端沿着大致向前下的方向在壳体的吃水线以下延伸，用于控制壳体的起伏和颠簸运动，以使在水中壳体的运动转换成可用能的效率达到最大。
91.如权利要求90中所述的方法，其中第一稳定板在吃水线以下的一高度处从壳体延伸。
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