CN101983271A - 波浪能转换器的改进 - Google Patents

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Abstract

一种波浪能转换器的改进，包括大致刚性的裙状部(10)，其适用于被悬挂在水面下的波浪能转换器上。所述裙状部(10)包括竖直延伸的细长的大致圆柱形结构(12)，以在所述结构的表面上形成水质点的流动路径。所述圆柱形结构(12)包括一系列大致相等直径的环形物(14)，它们以隔开的竖直间同心地设置。环形物(14)的环形横截面形成的曲面形成沿竖直方向流动的水质点的起伏流动路径。这样能使得从圆形的波浪水质点运动中获取的波浪能的竖直分量最大化。

Description

波浪能转换器的改进
技术领域
本发明涉及波浪能转换器，其用于把海洋波浪能转换成一种更加有用的形式，以及涉及该转换器的改进。
背景技术
21世纪初，各地人们日益关注可持续发展的能力。由于人们意识到矿物燃料是一种有限的能源，因此对于可再生的，清洁能源的研究就变得紧迫。全球变暖和气候的变化让我们注意到需要减少我们对于矿物燃料的依赖。波浪能就是其中一种最有前景的可再生能源。尽管利用波浪能产生动力这个愿望已经有好几百年了，但是过去的努力仅取得了有限的成就。取得成功仅有很小的比例，约为几十到几百千瓦而不是所需要的几百兆瓦。
过去，其中一个比较大的困难是设计一个足够坚固以抵挡住海洋波浪所拥有的巨大能量的设备。在暴风雨的环境下，波浪能是巨大的，它会摧毁现有技术的许多陆基或者岸基系统。获取波浪能的典型现有技术方法已经用于轮机或者液压系统。曾经试图使用被直接驱动的旋转式发电机和被直接驱动的线性发电机。然而最常用现有技术的能量获取设备是摆动水柱(oscillating water column)或者液压连动的旋转发电机。这些设备通常用在靠近海岸和海岸上的设施中。这些现有技术系统的另一个缺点是需要靠近海岸，而在那里由于经过海底的衰减可以利用的能量很小。
在共同拥有的国际申请号为PC/AU2007/00940的申请中(其内容合并在此处作为参考)，公开了一种张紧系泊系统(tension mooring systemn)和一种波浪能转换器，其可以用在海岸附近或远离海岸，获取最大量的海洋波浪能。
波浪(深水中)中的水质点(water particle)以圆形的轨道移动，这就是让波浪远距离、低损耗的传送能量的机理。对于水面的水质点，圆形路径的直径与波浪的高度是相等的。但是水面下的在任意给定深度的水质点运动的直径呈指数减少，所以在相当于波浪波长一半的深度处，圆形路径的直径与水面处相比减少了95％。显然，水面处有更大能量可以利用，但是为了有助于获取最大量的能量，我们还需要一种从整个该能量梯度(energy gradient)获取能量的装置。
有鉴于要对波浪能转换设备提供各种改进，而开发了本发明，包括用于使从水面下的能量梯度中获取的波浪能最大化的结构。
本说明书中参考的现有技术仅是处于阐述性的目的且而不是承认这种现有技术在澳大利亚或者其它地方是公知常识的一部分。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种波浪能转换器的改进，所述改进包括：
适用从位于水面以下的波浪能转换器上悬挂的大致刚性的裙状部，所述裙状部包括竖直延伸的细长的大致圆柱形结构，以在所述结构的表面上形成水质点的流动路径，所述结构的所述表面被形成为有助于从行波的横截面的能量梯度中获取能量。
优选地，所述圆柱形结构的表面成形为形成用于沿水平和竖直两个方向行进的水质点的起伏流动路径，其中，在使用时，从水质点获取的水平和竖直波浪能能被最大化。在一个实施例中，所述大致圆柱形结构的所述表面包括一系列的曲面，以形成沿竖直方向行进的水质点的起伏流动路径。有利的是，所述大致圆柱形结构包括一系列具有大致相等直径的环形物，所述环形物以隔开的竖直间隔同心设置，以便形成用于在竖直方向行进的水质点的起伏流动路径。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于波浪能转换设备的多点系泊系统，所述设备具有一结构，设置与该结构相连并位于平均水平面以下的浸没构件，所述多点系泊系统包括：
多个细长的柔性构件，在一端连接到压载装置，每个细长的柔性构件延伸到各自的衡重装置，所述衡重装置适用于经由滑轮机构从浸没构件悬挂。
优选地，细长的柔性构件彼此间隔开以便增加波浪能转换设备获取能量的自由度。有利的是，该多点系泊系统包括彼此等距隔开的三个细长的柔性构件以便允许波浪能转换设备能在所有的六个自由度上吸收能量。
根据本发明的再一方面，提供了一种波浪能转换器，其包括：
一结构，所述结构设置有与之连接且至少部分地浸没于平均水平面以下的构件；
多个细长的柔性构件，一端连接到压载装置，每个细长的柔性构件延伸到各自的衡重装置，该衡重装置适用于经由滑轮机构从至少部分浸没在水下的构件悬挂。
优选地，波浪能转换器还包括大致刚性的裙状部，该裙状部设置为与至少部分浸没在水下的构件连接，所述裙状部包括竖直延伸的细长的大致圆柱形结构，以在所述圆柱形结构的表面上形成水质点的流动路径，所述圆柱形结构的所述表面被形成为有助于从行波横截面的能量梯度中获取能量。
优选地，滑轮机构包括多个滑轮，每个滑轮适用于接收环绕在滑轮上的相应细长柔性构件，在使用时，细长部件的线性运动能被滑轮转换成用于驱动波浪能转换设备中的能量转换装置的旋转力矩。
整个说明书中，除非上下文需要，词语“包括(comprise)”或其变化形式，如“包含”或“具有”应被理解为暗示包括所说的完整物体或者一组完整物体但是不排除任何其它完整物体或者一组完整物体。同样词语“优选的”或者其变化形式如“优选地”，被理解为暗示需要这样的所述完整物体或者一组完整物体，但并不表明对本发明发挥功效来说是必不可少的。
附图说明
通过下文中参照附图仅仅示例性地给出的本发明的波浪能转换器、多点系泊系统以及改进的滑轮机构的几个具体实施例的详细说明，可以更好地裂解本发明的原理，其中：
图1是根据本发明一个方面的用于波浪能转换器的裙状部优选实施例的侧视图；
图2是图1所示的带有裙状部的简单的点能量吸收器的侧视图；
图3示意性地示出了在裙状部表面上的水质点的流动路径，这个裙状部适于从沿竖直方向行进的水质点中获取波浪能；
图4示意性地示出了在裙状部表面上的水质点的流动路径，所述裙状部适于从沿水平方向行进的水质点中后去波浪能；
图5是连接有或者整合有图1所示的裙状部的根据本发明第二方面的波浪能转换器的一个实施例的俯视透视图；
图6是图5所示的波浪能转换器中的多点系泊系统一个实施例的透视图，其中可看见根据本发明第三方面的衡重系统；
图7是图6所示的波浪能转换器的衡重系统的详细放大视图。
具体实施方式
根据本发明的一个优选实施例的一种波能转换器的改进，如图1到图5所示，其包括一个大致刚性的裙状部10，所述裙状部适合于从波浪能转换器上悬挂到水面下。所述裙状部10包括竖直延伸的细长的大致圆柱形结构12，以在该圆柱形结构的表面上形成水质点的流动路径。该结构的该表面被成形为有助于从行波(travelling wave)的横截面的能量梯度中获取能量。尽管大部分波浪能可在水面上得到，但为了有助于最大的能量获取，希望能从水面下的能量梯度中获取能量。使用细长结构12能在更大比例的能量梯度中获取行波的能量。
如图3所示，优选的是，所述圆柱形结构12的表面被成形为能沿竖直方向行进的水质点形成起伏(undulating)的流动路径。在这个实施例中，所述圆柱形结构的该表面包括一系列的弯曲表面，以便为沿竖直方向行进的水质点形成起伏的流动路径。有利的是，该大致圆柱形的结构12包括一系列的大致相等直径的环形物14，所述环形物以竖直方向隔开地同心设置。所述环状物14以隔开的间隔被多个细长支撑构件16保持，配置为形成大致圆柱形的结构12。有利的是，以递减或者递增的垂直次序来改变相继的环状物14的直径或者/和相继的环状物14的横截面的曲率半径，以便有利于在更大比例的能量梯度中获取最大能量。
在图3中我们可以清晰地看到，环状物14的圆形横截面所形成的弯曲表面，为在竖直方向上行进的水质点形成了起伏的流动路径。所述起伏的流动路径迫使竖直流动的水质点绕环状物14所形成的弯曲表面而偏斜运动，以便一些垂直能量籍此被传递到环状物14。通过这种方式，从波浪的圆形水质点的运动中获取的波浪能的垂直分量得以最大化。
同样地，我们可以从图4清晰的看到，在俯视图中观察，环状物14的圆形形状所形成的弯曲表面为沿水平方向行进的水质点形成了弯曲流动路径。该弯曲的流动路径迫使水平行进的水质点绕环状物14的弯曲表面偏转运动，以便一些水平方向的能量籍此传递到环状物14。通过这种方式，从圆形的波浪水质点运动中获取的波浪能的水平分量也得以最大化。
裙状部10获取的波浪的圆形水质点运动的额外垂直和水平波浪能分量都经由支撑构件16传递到波浪能转换器(WEC)。图3和4显示了流体如何绕裙状部10流动才会使特定力施加到裙状部上从而施加到WEC上。在图3和4中可以看到，当绕裙状部10运动时，在流体的流动中发生何种程度的边界层分离。但是，实际上，压差阻力的最大量与边界层相互作用(boundary layer interaction)的雷诺数相关。考虑到这些，有利的设计要考虑的是确定裙状部的尺寸来使该阻力最大。
通过使用裙状部10来在更大比例的能量梯度中获取能量，通过WEC如何获取能量的动力学特点被改变了。可将裙状部10连接到几乎任何WEC，以利于从行波横截面的能量梯度中获取能量。然而，裙状部10特别能与点吸收器类型(Point-Absorber(PA)class)的波浪能转换器一起很好地工作。PA通过创建一系列干扰形式的摆动来获取能量，以便在PA的背风面产生驻波并且将未干涉的波浪从PA朝向海的方向送出。这些相位变动的摆动与那些正在接近的波浪越匹配，则PA所获取的能量越多。在波浪能转换领域的一种说法是，“好的波浪获取器即是好的波浪产生器”。这有助于阐述当PA用于获取波浪能时所需的动力学原理。
实际上被每种现有技术的PA所使用的用于获取波浪能的机构固有地效率很低并且由于其可运行的频率范围而倾向于有局限性。一般来说，PA能在其共振频率上很好地工作；然而对于这个共振峰值以外的所有频率其性能会快速下降。
为克服PA的这些运行局限性，可采用裙状部以改变动力特点并且显著改善能量获取的性能。图2示出了一种简单的PA 18，根据该优选的实施例，其包括球形浮体20，该浮体具有从它下面悬挂到水面下的裙状部10。通过把裙状部增加到PA 18，该系统从依赖于形成匹配的逆波(matching counter wave)的单纯共振系统变为除了本体的摆动外还能使用功效大的流体动力学原理来吸收朝其而来的波浪能的系统，如参照图3和4在上文所述的。
图5示出根据本发明另一方面的改进的WEC 30的优选实施例，其具有部分浸没在水面下的裙状部10。同样的流体动力学原理可应用于该固定有裙状部10的WEC 30，以有助于改善从行波的横截面的能量梯度中获取能量。WEC 30的结构和操作将参照图6和7在下文中详述。
尽管在所述的实施例中，裙状部10被显示为是一系列具有适当大小的环形物14，然而可以使用能采用同样的基本原理的各种其它形状和结构的裙状部。这些可替换的结构的一些例子包括：
·实心或空心的光滑柱的结构；
·实心或空心的波纹状柱；
·实心或空心的具有径向孔的柱结构；
·一系列相互连接的水平柱形环和竖直柱，以形成柱形网状物；
·多边形柱状结构，其也可用于代替圆形柱的结构。
根据本发明的另一方面，如图5和6所示的WEC 30带有多点系泊系统32的优选实施例。在用于PCT/AU2007/00940公开的WEC的现有技术张紧系泊系统中，所述WEC具有带有水下构件的结构，与所述结构关联设置的该构件位于平均水位以下。PCT/AU2007/00940的系泊系统包括单独的细长柔性构件，该构件从压载装置延伸到衡重装置，所述衡重装置适用于经由滑轮机构悬挂在所述水下构件上。
图5和6的WEC 30类似处在于其具有带构件34的机构，该构件与之关联地设置为部分地浸没在平均水位下。所述多点系泊系统32包括多个细长柔性构件36。每个细长柔性构件36在一端连接到压载装置38，并且延伸到各自的衡重配重40，所述衡重配重40适用于经由滑轮机构50从部分浸没构件34悬挂。图6和7示出图5的多点系泊系统的一部分，该部分容纳在WEC 30的所述部分地浸没在水下的构件34内。
在图5至7所示的多点系泊系统32的实施例中，提供了以线缆组36a、36b和36c形式的三种细长的柔性构件，所有的这些构件在一端代表性地锚固在位于在海底(sea floor)上的配重块38上。各个衡重配重40a、40b和40c连接到各个线缆组36a、36b和36c的另一端。在这个实施例中，线缆组36的每组包括四根线缆。优选的每个衡重配重40具有四个在其中延伸的穿孔42，各个线缆组36的四根线缆在它们返回配重块38的路径上可滑动穿过穿孔容纳(参见图7)。
每个线缆36被环绕在滑轮52上，籍此，使用时，线缆36的线性移动能被滑轮52转换为用于波浪能转换设备30中的驱动能量转换设备的旋转力矩。如图7所示，滑轮52是一种普通的多线缆滑轮，其让线缆组36a的四根线缆挂(或绕)在该滑轮上。结果线缆组36的线缆约180°地接触滑轮。线缆组36的使用利于在滑轮52和线缆组36的线缆之间更好地紧贴以把需要的旋转力矩传递到发电机(未示出)等。
每个衡重配重40沿着导轨58上下移动。导轨58设计为阻止衡重配重40独立于浮筒部分移动，作为一种安全特征。轨道58还限定了衡重配重40的移动，以便配重保持封闭在浮筒的保护壳罩内。这提供了另一安全特征，在操作WEC 30时有助于防止任何海洋生物或人受到伤害。
有利的是，线缆组36以固定的距离彼此间隔开以便增加波浪能转换设备30获取波浪能的自由度。具有多于一个的线缆组36的另一个好处是系统上的负载被分配到每个线缆组36上，而不是所有载荷被一个线缆承受。另一个好处是避免单个线缆绕其自身缠结的可能性。每个衡重配重40总是试图把WEC 30返回到在其自身与海底上的系泊部之间的最短的距离处。因此，如果存在严重偏航(yaw)和线缆组36彼此扭绞的情况，则衡重配重40施加的力将使线缆36的扭绞散开，从而消除缠结状态。此外，可以将用于每个线缆组36的各个导轨(未示出)连接到裙状部10上，由此线缆组36可以穿过该裙状部从而根本上消除线缆缠结的可能性。
在PCT/AU2007/00940中，具有单个系泊点的WEC使得WEC从六个可能的自由度中的五个获取能量。然而，具有三个或更多系泊线缆的多点系泊系统能从所有六个自由度获取能量。从所有六个自由度上获取能量的能力表明具有多点系泊系统的WEC是全方位的并且不管波浪涌来的方向如何都能从波浪中获取能量。这意味着WEC不必再更换方向或者使自身迎合波浪的方向并且由此即便在不一致的海域中也能产生最大动力。
设置多点系泊系统是在WEC的开发中非常重要的一步，因为当前没有其它的WEC能不管波浪的方向如何而实现能量的获取。该构造的衍生结果将显著改善WEC的操作并最终增加其功率输出、一致性、可靠性并且有助于降低发电成本。
在本示例性实施例中，滑轮系统50经由每个滑轮52直接驱动一个单独的发电机，因此在三线缆多点系泊系统中在每个WEC 30中存在三个单独的发电机(或其它能量转换设备)。在另一个实施例中，可使用滑轮驱动器的合适的传动装置来提供比驱动能量转换装置更好的机械优势。有利的是，裙状部的圆柱结构12还能作为引导件58和为衡重配重40的移动提供安全保护。
现在已经详细描述了波浪能转换器(WEC)的改进的优选实施例。很明显，带有裙状部的改进WEC具有很多优于现有技术的优点，包括下述：
(i)裙状部有助于从水面下的行波横截面的能量梯度中获取能量。
(ii)它显著地提高了由点吸收器获取的能量，除了摆动外，将其动力学特点从简单的效率不高的摆动系统变成利用功效大的流体动力学原理的系统，以吸收随之而来的波浪能。
(iii)多点系泊系统运允许WEC成为全方位的，以便它能从沿任何方向涌来的行波中获取能量，而不必在它能获取能量前重新确定自身方位。
(iv)WEC的改进的滑轮机构基本消除了缠结并且确保线缆的线性移动能被转换为用于WEC中的驱动能量转换装置的旋转力矩。
对于相关领域的本领域技术人员来说，除了已经描述的那些内容外，对前述实施例做出的各改变和改进是很明显的，而不会偏离本发明的基本发明原理。例如，在每个所描述的实施例中，WEC的水下部件大致圆柱形的结构。然而，这决不是必不可少的，因为它可以为任何适合的形状或结构。因此，应当理解的是本发明的范围并不局限于所述的具体实施例。

Claims (18)

1.一种波浪能转换器的改进，所述改进包括：
适用从至少部分地位于水面以下的波浪能转换器上悬挂的大致刚性的裙状部，所述裙状部包括竖直延伸的细长的大致圆柱形结构，以在所述结构的表面上形成水质点的流动路径，所述结构的所述表面被形成为有助于从行波的横截面的能量梯度中获取能量。
2.如权利要求1所述的波浪能转换器的改进，其中所述圆柱形结构的表面成形为形成用于沿水平和竖直两个方向行进的水质点的起伏流动路径，其中，在使用时，从水质点获取的水平和竖直波浪能能被最大化。
3.如权利要求1或2所述的波浪能转换器的改进，其中所述大致圆柱形结构的所述表面包括一系列的曲面，以形成沿竖直方向行进的水质点的起伏流动路径。
4.如权利要求3所述的波浪能转换器的改进，其中，所述大致圆柱形结构包括一系列具有大致相等直径的环形物，所述环形物以隔开的竖直间隔同心设置，以便形成用于在竖直方向行进的水质点的起伏流动路径。
5.一种用于波浪能转换设备的多点系泊系统，所述设备具有一结构，该结构具有设置成与该结构相连并至少部分地浸没于平均水平面以下的构件，所述多点系泊系统包括：
多个细长的柔性构件，在一端连接到压载装置，每个细长的柔性构件延伸到各自的衡重装置，所述衡重装置适用于经由滑轮机构从至少部分浸没在水下的构件悬挂。
6.如权利要求5所述的多点系泊系统，其中，细长的柔性构件彼此间隔开以便增加波浪能转换设备获取能量的自由度。
7.如权利要求6所述的多点系泊系统，其中，该多点系泊系统包括彼此等距隔开的三个细长的柔性构件以便允许波浪能转换设备能在所有的六个自由度上吸收能量。
8.如权利要求5-7中任一项所述的多点系泊系统，其中，每个细长柔性构件包括具有多个线缆的线缆组。
9.一种波浪能转换器，其包括：
一结构，所述结构设置有与之连接且至少部分地浸没于平均水平面以下的构件；
多个细长的柔性构件，一端连接到压载装置，每个细长的柔性构件延伸到各自的衡重装置，该衡重装置适用于经由滑轮机构从至少部分浸没在水下的构件悬挂。
10.如权利要求9所述的波浪能转换器，还包括大致刚性的裙状部，该裙状部设置为与至少部分浸没在水下的构件连接，所述裙状部包括竖直延伸的细长的大致圆柱形结构，以在所述圆柱形结构的表面上形成水质点的流动路径，所述圆柱形结构的所述表面被形成为有助于从行波横截面的能量梯度中获取能量。
11.如权利要求10所述的波浪能转换器，其中，所述圆柱形结构的表面构成沿水平和竖直两个方向行进的水质点的起伏流动路径，其中，在使用时，从水质点获取的水平和竖直波浪能能被最大化。
12.如权利要求10或11所述的波浪能转换器，其中，大致圆柱形结构的表面包括一系列曲面，以形成沿竖直方向行进的水质点的起伏流动路径。
13.如权利要求12所述的波浪能转换器，其中，大致圆柱形结构包括一系列大致相等直径的环形物，所述环形物以隔开的竖直间隔同心设置，以便形成沿竖直方向行进的水质点的起伏动路径。
14.如权利要求9到13的任一项所述的波浪能转换器，其中，滑轮机构包括多个滑轮，每个滑轮适用于接收环绕在滑轮上的相应细长柔性构件，在使用时，细长部件的线性运动能被滑轮转换成用于驱动波浪能转换设备中的能量转换装置的旋转力矩。
15.如权利要求14所述的波浪能转换器，其中，每个细长柔性构件包括线缆组并且每个滑轮包括可带多线缆的滑轮，所述滑轮使线缆组中的线缆挂在滑轮上，线缆组的使用利于在滑轮和线缆之间良好地紧贴，以把需要的旋转力矩传递到能量转换装置。
16.如权利要求9到13的任一项所述的波浪能转换器，还包括用于每个衡重装置的导轨，其中衡重装置的运动被局限在安全范围内。
17.一种大致如本文所述并大致参照和如任何一个或多个附图中所示的波浪能转换器的改进。
18.一种大致如本文所述并大致参照和任何一个或多个附图中所示的波浪能转换器。
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