CN102165183A - 海浪能量提取的改进 - Google Patents

Abstract

公开了一种改进的海浪能量提取系统。该系统包括至少一个用于接收振荡水柱的管道。该管道具有第一段、与第一段成横向的第二段以及在第一段和第二段之间的流动控制段。该流动控制段被构造成抑制在管道中流动的振荡水柱的湍流。涡轮与管道的第二段流体连通，使得该涡轮被管道内的振荡水柱的振荡所产生的流体流驱动。涡轮使发电机旋转，由此产生电能。

Description

海浪能量提取的改进

技术领域

本发明涉及可持续的能量产生。更具体地，本发明涉及海浪能量提取的改进，并且涉及海浪能量提取的系统和方法。

背景技术

在整个本说明书中对现有技术的任何讨论决不能被认为是这些现有技术是公知的或形成本领域公知常识的一部分。

对环境的关注和对传统可燃碳氢化合物燃料源的有限资源的意识已经导致了对可持续的非污染能源的研究，例如，波浪、风、潮汐、地热和太阳能。

已经提出来多种不同类型的波浪发电系统。一种系统所采用的基本原理是利用波浪运动中固有的竖直运动来实现涡轮的旋转运动，以直接或间接驱动发电机进行发电。在这样的系统中，波浪的振荡运动引起的气流状况会经常逆转。多种特别构造的单向涡轮已经被设计成使得涡轮能响应这样的逆转气流状况而连续操作。

然而，由于当波浪的振荡运动转换为旋转的机械能量时系统中的损失，所以这些现有系统中的许多(即使不是全部)都以较低的效率操作。

此外，许多现有波浪发电系统极大地依赖于主流海浪的行进方向。此外，许多已有的波浪发电系统锚泊成不变地面对一个方向并且由此由于自然潮汐变化所导致的波浪方向变化而长期低于最佳效率操作。

利用波浪的竖直运动来实现涡轮的旋转运动而接着驱动发电机发电的基本原理进行操作的许多已知波浪发电系统的另一个缺陷在于，这些系统通常依赖于重力感应共振放大原理以确保操作效率，从而获得期望的电力输出水平。在这样的系统中，需要将水的振荡运动转换至气流。也就是，许多当前已知的系统通常需要液压至气动的转换过程，从而进一步降低了整个能量转换过程的效率。

此外，许多已知的波浪发电系统必须构建成承受住其所受到的来自海浪的大而不可预知的力。为了确保系统在其寿命期间的可持续性，在系统中需要构建一定程度的冗余度。例如，海洋发电系统通常需要承受住与“百年一遇的风暴”的大浪相关的力。在这些极端情况下力的大小是大多数风暴中产生的力的许多倍，因此，当制造、安装和维护系统时必然产生极大的额外成本。已经发现，这些额外的成本通常非常高，从而其可能使得系统无法商业生存。

构建成承受住最大极限力的系统的尺寸必然较大，因此降低了这些系统的视觉吸引力。诸如海浪能量提取系统的可持续能量系统的视觉吸引力或美观性是重要的因素，不仅用于减小对周围环境的视觉冲击，而且用于获得产生能量的这些可替代手段的公众接受性。

本发明的目的是克服或改进现有技术的一个或多个缺陷，或者至少提供有用的替代方案。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供一种海浪能量提取系统，其包括：

至少一个管道，其用于接收振荡水柱，管道具有第一段、第二段和在所述第一段和第二段之间的流动控制段，第二段与第一段成横向地布置，流动控制段被构造成抑制在管道中流动的振荡水柱的湍流；

涡轮，其与管道的第二段流体连通，使得涡轮被来自第二段的流体流驱动，流体流是通过管道内的振荡水柱的振荡而产生的；以及

发电机，其被构造成由涡轮驱动旋转，以产生电能。

优选地，流动控制段是弯曲的段。流动控制段优选地具有不变的曲率半径。然而，在某些实施例中，曲率半径可以是变化的。在其它的实施例中，流动控制段可以包括倾斜部分或者以其它的方式构造成使得振荡水柱产生平稳且逐步的方向改变，由此抑制管道内湍流的程度。

管道优选地位于诸如海洋的水体中，由此水柱响应经过管道的波浪的上升和下降进行振荡。

流体流优选地是双向的。优选地，与流体流相关的流体是气体和液体中的一种。在某些实施例中，流体是空气。在这些实施例中，涡轮优选地但非必须地位于管道所处的水体的平均水平面之上。在其它实施例中，流体是水。在这些实施例中，涡轮可以是例如水力涡轮，其优选地但非必须地浸在水体的平均水平面之下。因此，应当理解，涡轮可以被与振荡水柱相关的流体流直接地或间接地驱动。

管道的第一段、第二段和流动控制段可以一体地形成为整体单元。优选地，管道为L形管。管道优选地构造成使得在使用时第一段布置成基本上水平的定向，且第二段布置成基本上竖直的定向。

在某些优选实施例中，管道的第一段的长度大于管道的第二段的长度。在其它的优选形式中，第二段的长度大于第一段的长度。在进一步的优选实施例中，第一段和第二段的长度基本上相等。管道的第一段的长度优选地由公式

确定，其中L为用米表示的第一段的长度，并且T为用秒表示的海浪的周期。在一个优选的形式中，第一段的长度为大约25m。优选地，管道的第一段的长度是可变的，以将管道调整为适合于海浪的周期。在多种实施例中，管道的第一段具有用于改变第一段的长度的伸缩构造。第一段的伸缩构造可包括多个部分，例如管，该管布置成便于管的相对滑动。每对伸缩段都可以具有锁定器件，以将管道相对于彼此锁定，从而设定管道的第一段的期望长度。在其它优选的形式中，第二段的长度可以类似地进行调节。

优选地，管道具有不变的内截面区域。内截面区域优选地为圆形。在其它实施例中，内截面区域可以是方形或矩形。应当理解，管道的内截面区域可以是任何合适的形状，包括不规则形状，并且沿着管道或段的长度其大小和形状可以变化。在一个优选形式中，内截面区域的直径为大约10m。

优选地，涡轮响应双向流体流而单向地操作。涡轮可以是空气驱动的涡轮或者是水驱动的涡轮。

海浪能量提取系统可以包括用于将管道锚泊在期望位置的锚泊系统。锚泊系统优选是固定锚泊系统、漂浮锚泊系统、张紧锚泊系统和松弛锚泊系统中的一种。

海浪能量提取系统可以包括便于管道或每个管道漂浮的浮力元件。优选地，浮力元件侧向地安装到管道上。浮力元件可以侧向地安装到管道或每个管道的一侧或两侧。更优选地，浮力元件可以侧向地安装到管道的第二段的一侧或两侧上。

海浪能量提取系统可以包括多个管道，每个管道都被构造成接收相关的振荡水柱。多个管道中的每个管道都可以布置成相对于主流海浪面向相同的方向。或者，多个管道中的每个管道都可以布置成相对于彼此且由此相对于主流海浪面向不同的方向。海浪能量提取系统可以包括两个彼此成180度布置的管道，使得一个管道面对主流海浪，另一个管道面离海浪。多个管道可以沿着公共轴线布置。或者，多个管道可以围绕公共轴线布置。优选地，多个管道布置成形成线性阵列和环形阵列中的一个。在某些优选实施例中，多个管道包括管道组，由此两个或更多个组布置成形成管道阵列。在某些实施例中，每个管道组都具有相同的结构。在其它优选形式中，至少一个管道组具有与其它管道组中的一个或多个不同的结构。优选地，每个管道组中的管道沿着公共轴线或者围绕公共轴线布置。

在一个特别优选的形式中，每个管道都相对于与管道布置所沿着的或围绕的公共轴线成横向地延伸的轴线旋转。例如，每个管道都可以以与公共轴线成例如大约15度的角度“α”旋转。当然应当理解，角度“α”并不限于任何特定的角度并且可以选择成适合于系统待安装的位置的特定波浪气候。在某些实施例中，第一管道组旋转成与公共轴线成第一角度延伸，并且第二管道组旋转成与公共轴线成第二角度延伸。在一个优选的形式中，第一管道组旋转成以与公共轴线成大约15度的角度延伸，并且第二管道组旋转成以与公共轴线成大约负15度的角度延伸。

海浪能量提取系统优选地构造成使得每个管道的开口端(或进口)在使用时基本上处于系统所处水体的平均水平面之下相同的深度处。

优选地，单独的涡轮安装至多个管道中的每个管道，使得每个涡轮被相关管道的振荡水柱独立地驱动。

根据本发明的第二个方面，提供一种用于海浪能量提取系统的波浪幅度扩大装置，波浪幅度扩大装置包括：

多个管道，其用于扩大海浪的幅度，多个管道围绕公共轴线布置，每个管道都从公共轴线横向地延伸并且被构造成接收振荡水柱，使得每个水柱的振荡都产生用于驱动涡轮的对应流体流。

由水柱产生的每个流体流都可以是液体流，例如水流，或者可以是气体流，例如空气流。每个流体流都优选地为双向的。

在一个优选的形式中，波浪幅度扩大装置具有两个围绕公共轴线布置的管道，使得海浪能量提取系统的效率在很大程度上不依赖于海浪的行进方向。

在另一个特别优选的形式中，波浪幅度扩大装置具有三个围绕公共轴线布置的管道，使得海浪能量提取系统的效率在很大程度上不依赖于海浪的行进方向。优选地，三个管道围绕公共轴线彼此成大约120度均等地间隔开。本领域技术人员当然应当理解，管道的数量并不限于两个或三个，而是可以为适合于降低波浪方向对系统性能影响的任意合适的数量。

每个双向流体流都可以用来驱动同一个涡轮。或者，每个流体流都可以驱动独立的分开的涡轮。优选地，涡轮或每个涡轮响应双向流体流而单向地旋转。

优选地，涡轮包括转子，转子包括：

中心毂；以及

多个径向地笔直延伸的翼状截面叶片，每个叶片都与毂连接，每个叶片的截面都关于限定了最大拱形高度的线大致对称并且大体沿着其径向延伸长度保持不变，

其中，叶片的大致对称的形状及其相对于毂的定向便于转子响应通过的可逆轴向流体流而进行单向旋转。

优选地，每个管道都具有第一段、第二段和在所述第一段和所述第二段之间的流动控制段，第二段与第一段成横向地布置，流动控制段被构造成抑制在管道中流动的振荡水柱的湍流。优选地，每个第一段都为基本上水平的段，具有面离公共轴线的开口端(或进口)。优选地，多个管道被构造成使得每个管道的开口端(或进口)在使用时基本上处于系统所处水体的平均水平面之下相同的深度处。

根据本发明的第三个方面，提供一种用于海浪能量提取系统的振荡水柱接收管道，该管道包括：

第一段；

第二段，其与第一段成横向地布置；以及

流动控制段，其在第一段和第二段之间，流动控制段布置成允许第一段和第二段之间的流体连通并且被构造成抑制在管道中流动的湍流。

根据本发明的第四个方面，提供一种海浪能量提取系统，其包括：

至少一个管道，其浸在水体的平均水平面之下，至少一个管道接收水柱，水柱响应由经过至少一个管道的波浪的上升和下降所引起的压差而在管道内振荡；以及

能量转换单元，其与至少一个管道流体连通，以将振荡水柱中的能量液压地转换为电能。

在本发明的这个方面中，至少一个管道完全被浸没，使得整个管道，包括管道的两端和管道的操作上表面，都完全位于水体的平均水平面之下。

本发明的第四个方面的管道可以是笔直的、L形、U形或任何其它的用于浸在水体的平均水平面之下的合适形状。

能量转换单元优选地包括：涡轮，其与振荡水柱液压连通，涡轮被振荡水柱液压地驱动；以及发电机，其被构造成被液压地驱动的涡轮驱动旋转，以产生电能。

优选地，涡轮是水力涡轮。水力涡轮优选地被构造成响应振荡水柱的双向流动而单向地操作。在多种实施例中，水力涡轮选自包括Denniss-Auld、Wells、Setoguchi、Darrieus和Gorlov涡轮的组。然而，本领域技术人员应当理解，使用的涡轮类型并不限于这里所列的，而可以使用任何其它的合适涡轮。

在某些实施例中，涡轮布置成使得其旋转轴线与管道的纵向轴线成横向。在其它的实施例中，涡轮布置成使得其旋转轴线与管道的纵向轴线基本上平行。在某些实施例中，涡轮的旋转轴线与管道同轴。

在某些实施例中，管道坐落在水体的海底上。在其它的实施例中，管道优选通过锚泊系统保持在水体中的期望位置和期望定向。锚泊系统可以将管道保持在水体的海底上方的预定高度处。

为了将管道基本上保持在预定高度处，锚泊系统可以包括浮力元件，以便于管道的漂浮。

优选地，浸没的管道布置成基本上水平的定向。

管道的长度优选地与水体的波浪的周期(并且因此与波长)相关。在某些优选实施例中，管道的长度处于主流波浪的波长的大约25％至45％的范围内，更优选地为主流波浪的波长的大约37％。

在某些优选实施例中，管道的长度是可变的，以将管道调整为适合于主流海浪的周期，并且能够随时间改变以适合于主流波浪的周期。在多种实施例中，管道具有用于改变管道的长度的伸缩构造。管道的伸缩构造可以包括多个离散部分，例如管，多个管布置成便于管的相对滑动以改变管道的长度。每对伸缩段都优选具有相关的锁定器件，以将所述管相对于彼此锁定，从而设定所述管道的期望长度。

优选地，管道具有不变的内截面区域。在某些优选实施例中，内截面区域可以是方形或矩形。在其它的实施例中，内截面区域可以是圆形。应当理解，管道的内截面区域可以是任何合适的形状，包括不规则形状。在某些实施例中，管道的截面区域沿着管道的长度或者沿着管道的一个或多个截面变化。

在各个优选的实施例中，海浪能量提取系统包括布置成形成管道阵列的两个或更多个管道，阵列中的每个管道布置成接收相关的振荡水柱。两个或更多个管道优选地布置成相对于主流海浪面向同一方向。在某些优选实施例中，两个或更多个管道以并排的关系布置。然而，在某些实施例中，有利的是，具有管道阵列，其中的两个或更多个管道相对于彼此且由此相对于主流海浪沿不同的方向定向。在某些实施例中，管道可以彼此成横向地对准。在一个优选的形式中，两个或更多个管道彼此基本上垂直。

在某些实施例中，管道阵列中的每个管道都具有与其它管道基本上相同的长度。在其它优选的形式中，考虑到不同波长的波浪，管道阵列可以包括不同长度的管道。

在某些实施例中，管道阵列被构造成使得相关的多个振荡水柱中的每个都驱动单个涡轮。在其它的实施例中，来自相应管道的或管道组的每个振荡水柱或振荡水柱组均驱动相关的涡轮。在其它的实施例中，管道阵列可以由离散的管道组形成，由此每个组都具有由被构造的所述组驱动的相关的涡轮。

优选地，海浪能量提取系统包括支撑框架，支撑框架用于将管道保持为彼此成相对间隔开的关系。

根据本发明的第五个方面，提供一种从海浪中提取能量的方法，方法包括：

将至少一个管道放置到水体中，使得管道接收水柱，水柱响应由经过至少一个管道的波浪的上升和下降所引起的压差而在管道内振荡；以及

将振荡水柱中的能量液压地转换为电能。

附图说明

现在将参考附图，仅仅通过实例来说明本发明的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的海浪能量提取系统的实施例的示意图；

图2是用于本海浪能量提取系统的管道的伸缩段的实施例的侧视图；

图3是绕公共轴线布置的多个管道的实施例的平面图；

图4是根据本发明的海浪能量提取系统的另一个实施例的示意图；

图5是根据本发明的海浪能量提取系统的另一个实施例的示意图；

图6是布置成基本上彼此垂直的管道阵列的透视图；

图7是根据本发明的海浪能量提取系统的另一个实施例的透视图；

图8是图7的海浪能量提取系统的俯视平面图；

图9是图7的海浪能量提取系统的左侧视图；以及

图10是图7的海浪能量提取系统的端视图。

具体实施方式

参考附图，海浪能量提取系统1位于诸如海洋2的水体中。海浪能量提取系统1包括接收海水以形成水柱4的管道3。如以下将要更加详细地所述，水柱4响应经过海浪能量提取系统1的海浪的升高和降低而在管道3内振荡。

管道3具有第一段5、布置成与第一段成横向的第二段6以及在第一段和第二段之间的流动控制段7。如图1所示，管道3基本上为L形并且被构造成使得第一段5、第二段6和流动控制段7形成整体单元。管道3的各段在其端部敞开以沿着管道形成连续通孔。在附图所示的实施例中，管道的孔具有圆形截面区域。然而，当然应当理解，在其它的实施例中，截面可以为任何合适的形状，并且可以具有不变的或可变的区域。

管道3放大了经过海浪能量提取系统1的各海浪的幅度，使得在管道内的振荡水柱4的振荡幅度大于经过的海浪的幅度。

管道3的第一段5的长度L₁比第二段6的长度L₂对系统1的性能的影响大。具体地，第一段5的长度L₁影响海浪的幅度被管道3放大的程度。优选的是，管道的第一段5的长度L₁大于管道的第二段6的长度L₂。

已经发现，当第一段5的长度与海浪的周期相关(用公式

表示，其中L₁为用米表示的第一段的长度，并且T为用秒表示的海浪的周期)时，管道3产生的放大率是有利的。例如，对于10秒的波浪周期，管道3的第一段5的优选长度L₁为大约25m。

流动控制段7弯曲成抑制在管道3中流动的振荡水柱4的湍流。具体地，流动控制段7的弯曲被构造成当水从第一段5流动至第二段6时提供平稳的且逐步的方向改变。这种逐步的方向改变减少了水柱流过管道时振荡水柱4中湍流的量。应当理解，当水柱4从第一段5经由弯曲的流动控制段7到第二段6通过管道3时或者相反，将仍然具有一定程度的湍流。然而，流动控制段7将经过管道3的湍流强度降低到对海浪的幅度放大具有积极影响的程度，如管道内水柱振荡的增大所证实的。应当理解，湍流的这种减少导致系统1的能量转换的整体效率的对应增大。

在图1所示的实施例中，振荡水柱4没有填充整个管道3，并且由此没有延伸至管道的第二段的端部。因此，如图1最清楚地示出，第二段6限定了位于振荡水柱4之上的空气室8。当海浪上升时，管道3内的振荡水柱4具有对应的向上振荡。这种向上振荡迫使来自管道3的第二段6的空气室8的空气体积产生向上的气流。这种向上的气流在图1中用箭头9表示。类似地，当海浪下降时，响应水柱4的向下振荡而产生向下的气流。

然而应当理解，在其它的形式中，振荡水柱填充第二段，使得涡轮被水流直接驱动。在这样的实施例中，输出线路可以将管道的第二段连接至涡轮。

回到图1，单向涡轮10布置在管道3的第二段6的上方，与第二段6流体连通。通过向上的和向下的气流驱动或旋转涡轮10。尽管气流由于海浪的上升和下降而是双向的，但是涡轮10被构造成响应双向气流进行单向旋转。

发电机11联接至涡轮10，使得涡轮的旋转引起发电机的对应旋转。发电机用来产生电能。

在使用中，管道3的第一段5以基本上水平的定向浸在海洋2中，如图1所示。第二段6的长度L₂大于第一段浸在海洋表面之下的深度D。这样，第二段6延伸过且竖立于海洋的表面，以便于安装涡轮10和发电机11。

参考图2，应当理解，海浪的周期不是恒定的，而是随着波浪变化，并且一区域的平均波浪周期随着时间也可能是变化的。为了考虑到这种变化，在某些实施例中，管道3的第一段5被构造成是伸缩的，使得长度L₁能够变化，以使得管道3能够被调节为适合于主流海浪的周期T。图2中所示的伸缩段5包括多个管12，该多个管彼此嵌套，使得在管12之间能够进行相对滑动。锁定器件13设置成将管相对于彼此锁定，以设定管道3的第一段5的期望长度。

参考图3，其示出了用于海浪能量提取系统1的波浪幅度扩大装置14的实施例。波浪幅度扩大装置14包括用于扩大海浪幅度的三个管道3。管道3围绕公共轴线X-X以彼此成大约120度布置，使得海浪能量提取系统1的效率在很大程度上不依赖于主流海浪的方向。

每个管道3都被构造成独立地接收海水体积以形成振荡水柱4。每个水柱4都产生对应的双向气流，以驱动海浪能量提取系统1的涡轮10。

在图3的实施例中，波浪幅度扩大装置14将产生三个不同强度的气流。这三个气流被引导成驱动同一个涡轮10。应当理解，当海浪的行进方向改变时，主流气流将相应地改变。也就是，对于某一个波浪方向，三个管道3中的一个将提供用于驱动涡轮10的主流气流。其它两个管道3也将产生用于驱动涡轮的气流，但是这些气流不会将涡轮驱动到主流气流那样的程度。然而，应当理解，三个气流的组合增大了对涡轮的做功，并且相应地增大了发电机产生的发电量。当波浪方向改变时，来自管道的气流也将改变，使得另外的管道3将产生主流气流。

现在参考图4、5和6，其示出了根据本发明的海浪能量提取系统100的另一个实施例。系统100还是位于诸如海洋102的水体中，并且包括用于接收海水以形成水柱104的管道103。管道103整个浸在海洋102的平均水平面之下。

水柱104响应由于经过海浪能量提取系统100、尤其是沿着管道103的长度运动的海浪的上升和下降所产生压差而在浸没的管道103内振荡。应当理解，压差是沿着管道长度的水位差变化的结果。

已经发现，为了获得有利的能量转换和来自海浪能量提取系统100的电力输出，管道103的长度应当为主流海浪的波长的大约37％。然而，管道103并不限于这个与波长有关的优选管道长度，并且应当理解，管道103的长度将被确定为适合于海浪能量提取系统100将要安装的特定条件和位置。

在图4的实施例中，浸没的管道103坐落在海洋102的海底105上大致水平的位置。

在其它的实施例中，例如图5中所示的实施例，锚泊系统106用来将浸没的管道103保持在海底105上方预定高度“H”处的大致水平位置上。

应当理解，尽管管道103整个浸在海洋102的平均水平面之下，但是也能够有这样的实例，其中非常大的波浪导致水平面下降到管道103的上部在一段时间内不被浸没的程度。这具有的效果是在管道103内产生空气通道和/或气穴。然而，已经发现，系统100在这样的环境中连续操作，但是是以降低的效率和较小的输出。一旦恢复到正常波浪状况，系统100的效率和输出也将恢复正常。这是本海浪能量提取系统100的特别有利的特征。

具有水力涡轮108和发电机109的能量转换单元107与浸没的管道103流体连通。

水力涡轮108布置成与管道103液压连通，使得涡轮108被振荡水柱104液压地驱动。在图4和图5的实施例中，水力涡轮108与管道103对准，使得其旋转轴线与管道103的纵向轴线同轴。然而，应当理解，涡轮108不必与管道同轴。例如，也可以使用其它类型的水力涡轮，其中旋转轴线与管道的纵向轴线成横向。

水力涡轮108被构造成响应振荡水柱104的可逆或双向流动而单向地旋转。本领域技术人员应当理解，涡轮108的单向特征增强了海浪能量提取系统100的效率。

能量转换单元107的发电机107由水力涡轮108驱动。发电机109通过轴110联接至水力涡轮108，使得涡轮108的旋转引起发电机109的对应旋转。发电机109用于产生供应至电网的电能。

在图4的实施例中，发电机109与水力涡轮108共线或同轴，使得管道103、水力涡轮108和发电机109完全地浸在海洋102的表面之下。

在诸如图5的实施例的海浪能量提取系统100的某些应用中，有利的是具有布置在海洋102的表面上方的发电机109。这可以通过涡轮108和发电机109之间合适的机械联接111而容易地实现。在这个实施例中，水力涡轮108和发电机109也是完全地浸在海洋102的表面之下。

现在参考图6，示出了管道103的阵列112。阵列112中的每个管道103都布置成接收相关的振荡水柱104。然后，每个水柱104的振荡均用来驱动海浪能量提取系统100的水力涡轮108。本领域技术人员应当理解，因为单独的管道的处理相对较为容易，所以当安装该系统时使用多个较小的管道103以形成管道的阵列112是有利的。还应当理解，也可以使用不同长度的管道来形成所述阵列。

本领域技术人员应当理解，通过将管道103浸在海洋102的表面之下，管道103将不会经受在海浪冲入该系统时产生的大而不可预知的动态力。从而，显著地降低构建到系统中以确保系统在其寿命期间的可持续性所需的冗余水平。因此，显著地降低了与系统相关的成本并且增强了系统的市场竞争力。

现在参考图7至10所示的实施例，所示的海浪能量提取系统201位于诸如海洋202的水体中。系统201包括八个L形管道203的阵列。每个管道203都具有大致水平的第一段205和大致竖直的第二段206，该第二段与第一段成横向地延伸，以形成L形。为倾斜部分207形式的流动控制段布置在各个管道的连接处，以减少或抑制相关管道内的湍流。

每个管道203的第一段205都具有用于在使用时从水体接收水的开口端或进口208。参考图9和10，可以看到，管道203的阵列被构造成使得每个管道203的进口208都浸在水体的平均水平面之下的基本同一深度处。由各个管道203接收的水形成振荡水柱，该振荡水柱驱动与各个管道相关联的独立的涡轮216。

每个管道203都具有浮力元件，以便于系统201漂浮在相对于水体的平均水平面的预定深度处。每个浮力元件都由侧向地布置在相关第二段的相应左、右外侧壁上的左浮力模块209和右浮力模块210形成。参考图8，可以看到，浮力模块为楔形结构形式，以有助于系统的组装。

如图7和9中最清楚地示出，管道203被支撑框架结构保持成相对间隔开的关系。支撑框架包括两个外支柱框架211、212和内中间支柱框架213。

系统201包括管道203的第一组214和第二组215。第一组214沿着公共轴线I-I布置，该公共轴线I-I在左外支柱部件211和内支柱部件213之间且基本上与左外支柱部件211和内支柱部件213平行地延伸。如图8中最清楚地示出，每个管道都以与公共轴线I-I成大约15度的角度“α”定向。管道的第二组215沿着公共轴线II-II布置，该公共轴线II-II在内支柱部件213和右外支柱部件212之间且基本上与内支柱部件213和右外支柱部件212平行地延伸。第二组215中的管道以与公共轴线II-II成大约负15度的角度定向，使得第二组的管道的进口与第一组的管道的进口面向不同的方向，并且由此相对于主流海浪面向不同的方向。本领域技术人员应当理解，通过具有某些管道的进口相对于该阵列的其它管道的进口面向不同方向的管道阵列，波浪方向对系统的整体效率的影响将会降低。还应当理解，管道203相对于公共轴线旋转的实际角度并不限于正/负15度，而是将被确定为最适合于当地的波浪气候条件。

因此，本发明的至少优选实施例的优点在于提供海浪能量提取系统，其中降低了湍流的强度，使得系统的发电效率更高。

本发明的至少优选实施例的另一个优点在于提供用于海浪能量提取系统的波浪放大扩大装置，其降低了波浪方向对系统效率的影响。

本发明的至少优选实施例的另一个优点在于提供海浪能量提取系统，其中系统的一个或多个主要构件整个地浸在海洋表面之下，使得在很大程度上保护这些构件不受与主流海浪相关的较大的、不一致的且不可预知的动态力的影响。有利地，浸没的管道和系统的其它元件几乎不需要加固，这是因为它们不需要承受已知仅仅在极为罕见的风暴中才出现的力，从而显著地降低系统的制造、安装和持续维护成本。

本发明的至少优选实施例的另一个优点在于提供海浪能量提取系统，其利用液压转换过程来高效地和有效地将振荡水柱中的能量转换为电能。

本发明的至少优选实施例的另一个优点在于提供海浪能量提取系统，其降低了对周围环境的视觉冲击。

尽管已经参考特定实例说明了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明可以以许多其它的形式实施。

Claims (86)

1.一种海浪能量提取系统，其包括：

至少一个管道，其用于接收振荡水柱，所述管道具有第一段、第二段和在所述第一段和第二段之间的流动控制段，所述第二段与所述第一段成横向地布置，所述流动控制段被构造成抑制在所述管道中流动的所述振荡水柱的湍流；

涡轮，其与所述管道的所述第二段流体连通，使得所述涡轮被来自所述第二段的流体流驱动，所述流体流是通过所述管道内的所述振荡水柱的振荡而产生的；以及

发电机，其被构造成由涡轮驱动旋转，以产生电能。

2.根据权利要求1所述的海浪能量提取系统，其包括多个管道，每个所述管道都被构造成接收相关的振荡水柱。

3.根据权利要求2所述的海浪能量提取系统，其中所述多个管道中的每个管道都布置成相对于彼此面向不同的方向。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的海浪能量提取系统，其中所述多个管道沿着公共轴线布置。

5.根据权利要求2或权利要求3所述的海浪能量提取系统，其中所述多个管道围绕公共轴线布置。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的海浪能量提取系统，其中所述多个管道布置成形成线性阵列和环形阵列中的一个。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述多个管道布置成管道组。

8.根据权利要求7所述的海浪能量提取系统，其中每个管道组都具有相同的结构。

9.根据权利要求7所述的海浪能量提取系统，其中至少一个管道组具有与其它管道组中的一个或多个不同的结构。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的海浪能量提取系统，其中每个管道组中的管道沿着公共轴线或者围绕公共轴线布置。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的海浪能量提取系统，其中每个管道都相对于与所述管道布置所沿着的或围绕的公共轴线成横向地延伸的轴线旋转。

12.根据权利要求11所述的海浪能量提取系统，其中每个管道都旋转成使得所述管道以与所述公共轴线成大约15度的角度延伸。

13.根据权利要求11所述的海浪能量提取系统，其中第一管道组旋转成与所述公共轴线成第一角度延伸，并且第二管道组旋转成与所述公共轴线成第二角度延伸。

14.根据权利要求13所述的海浪能量提取系统，其中所述第一管道组旋转成以与所述公共轴线成大约15度的角度延伸，并且所述第二管道组旋转成以与所述公共轴线成大约负15度的角度延伸。

15.根据权利要求2至14中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述多个管道被构造成使得每个管道的开口端在使用时基本上处于所述系统所处水体的平均水平面之下相同的深度处。

16.根据权利要求2至15中任一项所述的海浪能量提取系统，其中单独的涡轮安装至所述多个管道中的每个管道，使得每个涡轮被相关管道的所述振荡水柱独立地驱动。

17.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述流动控制段是弯曲的段。

18.根据权利要求17所述的海浪能量提取系统，其中所述流动控制段具有不变的曲率半径。

19.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述流体流是双向的。

20.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中与所述流体流相关的流体是气体和液体中的一种。

21.根据权利要求20所述的海浪能量提取系统，其中所述流体是空气。

22.根据权利要求21所述的海浪能量提取系统，其中所述涡轮是空气驱动的涡轮。

23.根据权利要求20所述的海浪能量提取系统，其中所述流体是水。

24.根据权利要求23所述的海浪能量提取系统，其中所述涡轮是水力涡轮。

25.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述第一段、所述第二段和所述流动控制段一体地形成为整体单元。

26.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道为L形管。

27.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的所述第一段的长度大于所述管道的所述第二段的长度。

28.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的所述第一段的长度由公式

确定，其中L为用米表示的所述第一段的长度，并且T为用秒表示的海浪的周期。

29.根据权利要求27或权利要求28所述的海浪能量提取系统，其中所述第一段的长度为大约25m。

30.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的所述第一段的长度是可变的，以将所述管道调整为适合于海浪的周期。

31.根据权利要求30所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的所述第一段具有用于改变所述第一段的长度的伸缩构造。

32.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道具有不变的内截面区域。

33.根据权利要求31所述的海浪能量提取系统，其中所述内截面区域为圆形。

34.根据权利要求32所述的海浪能量提取系统，其中所述内截面区域的直径为大约10m。

35.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述涡轮响应双向气流而单向地操作。

36.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其包括用于将所述管道锚泊在期望位置上的锚泊系统。

37.根据权利要求36所述的海浪能量提取系统，其中所述锚泊系统是固定锚泊系统、漂浮锚泊系统、张紧锚泊系统和松弛锚泊系统中的一种。

38.根据前述权利要求中任一项所述的海浪能量提取系统，其包括便于所述管道或每个管道漂浮的浮力元件。

39.根据权利要求38所述的海浪能量提取系统，其中所述浮力元件或每个浮力元件都侧向地安装到所述管道。

40.根据权利要求38或权利要求39所述的海浪能量提取系统，其中所述浮力元件侧向地安装到所述管道的一侧或两侧。

41.根据权利要求38至40中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述浮力元件侧向地安装到所述管道的所述第二段的一侧或两侧。

42.一种用于海浪能量提取系统的波浪幅度扩大装置，所述波浪幅度扩大装置包括：

多个管道，其用于扩大海浪的幅度，所述多个管道围绕公共轴线布置，每个管道都从所述公共轴线横向地延伸并且被构造成接收振荡水柱，使得每个水柱的振荡都产生用于驱动涡轮的对应流体流。

43.根据权利要求42所述的波浪幅度扩大装置，其具有两个围绕所述公共轴线布置的管道，使得所述海浪能量提取系统的效率在很大程度上不依赖于海浪的行进方向。

44.根据权利要求42所述的波浪幅度扩大装置，其具有三个围绕所述公共轴线布置的管道，使得所述海浪能量提取系统的效率在很大程度上不依赖于海浪的行进方向。

45.根据权利要求44所述的波浪幅度扩大装置，其中所述三个管道围绕所述公共轴线彼此成大约120度均等地间隔开。

46.根据权利要求42至45中任一项所述的波浪幅度扩大装置，其中每个双向流体流都用来驱动同一个涡轮。

47.根据权利要求42至45中任一项所述的波浪幅度扩大装置，其中每个双向流体流都驱动独立的分开的涡轮。

48.根据权利要求42至47中任一项所述的波浪幅度扩大装置，其中所述涡轮或每个涡轮响应双向流体流而单向地旋转。

49.根据权利要求42至48中任一项所述的波浪幅度扩大装置，其中所述涡轮包括转子，所述转子包括：

中心毂；以及

多个径向地笔直延伸的翼状截面叶片，每个叶片都与所述毂连接，所述叶片中的每个的截面都关于限定了最大拱形高度的线大致对称并且大体沿着其径向延伸长度保持不变，

其中，所述叶片的大致对称的形状及其相对于所述毂的定向便于所述转子响应通过的可逆轴向流体流而进行单向旋转。

50.根据权利要求42至49中任一项所述的波浪幅度扩大装置，其中每个管道都具有第一段、第二段和在所述第一段和所述第二段之间的流动控制段，所述第二段与所述第一段成横向地布置，所述流动控制段被构造成抑制在所述管道中流动的振荡水柱的湍流。

51.根据权利要求50所述的波浪幅度扩大装置，其中每个第一段都为基本上水平的段，具有面离所述公共轴线的开口端。

52.根据权利要求51所述的波浪幅度扩大装置，其中所述多个管道被构造成使得每个管道的开口端在使用时基本上处于所述系统所处水体的平均水平面之下相同的深度处。

53.一种海浪能量提取系统，其包括：

至少一个管道，其浸在水体的平均水平面之下，所述至少一个管道接收水柱，所述水柱响应由经过所述至少一个管道的波浪的上升和下降所引起的压差而在所述管道内振荡；以及

能量转换单元，其与所述至少一个管道流体连通，以将振荡水柱中的能量液压地转换为电能。

54.根据权利要求52所述的海浪能量提取系统，其中所述管道是笔直管道和L形管道中的一种。

55.根据权利要求53或权利要求54所述的海浪能量提取系统，其中所述能量转换单元包括：涡轮，其与所述振荡水柱液压连通，所述涡轮被所述振荡水柱液压地驱动；以及发电机，其被构造成被液压地驱动的所述涡轮驱动旋转，以产生电能。

56.根据权利要求55所述的海浪能量提取系统，其中所述涡轮是水力涡轮。

57.根据权利要求56所述的海浪能量提取系统，其中所述水力涡轮被构造成响应所述振荡水柱的双向流动而单向地操作。

58.根据权利要求56或权利要求57所述的海浪能量提取系统，其中所述水力涡轮选自包括Denniss-Auld、Wells、Setoguchi、Darrieus和Gorlov涡轮的组。

59.根据权利要求55至58中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述涡轮布置成使得其旋转轴线与所述管道的纵向轴线成横向。

60.根据权利要求55至58中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述涡轮布置成使得其旋转轴线与所述管道的纵向轴线基本上平行。

61.根据权利要求55至58中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述涡轮的旋转轴线与所述管道同轴。

62.根据权利要求53至61中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道坐落在水体的海底上。

63.根据权利要求53至61中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道通过锚泊系统保持在水体中的期望位置和定向。

64.根据权利要求63所述的海浪能量提取系统，其中所述锚泊系统包括浮力元件，以便于所述管道的漂浮。

65.根据权利要求53至64中任一项所述的海浪能量提取系统，其中浸没的所述管道以基本上水平的定向布置。

66.根据权利要求53至65中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的长度是固定的。

67.根据权利要求53至66中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的长度处于主流海浪的波长的大约25％至45％的范围内。

68.根据权利要求67所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的长度为主流海浪的波长的大约37％。

69.根据权利要求53至65中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的长度是可变的，以将所述管道调整为适合于主流海浪的周期。

70.根据权利要求69所述的海浪能量提取系统，其中所述管道具有用于改变所述管道的长度的伸缩构造。

71.根据权利要求70所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的所述伸缩构造包括多个离散部分，所述多个离散部分布置成便于所述部分的相对滑动以改变所述管道的长度。

72.根据权利要求71所述的海浪能量提取系统，其中每对伸缩段都具有相关的锁定器件，以将所述管相对于彼此锁定，从而设定所述管道的期望长度。

73.根据权利要求53至72中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述内截面区域是方形、矩形和圆形中的一种。

74.根据权利要求53至73中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道具有不变的内截面区域。

75.根据权利要求53至73中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的截面区域沿着所述管道的一个或多个截面变化。

76.根据权利要求75所述的海浪能量提取系统，其中所述管道的截面区域沿着所述管道的整个长度变化。

77.根据权利要求53至76中任一项所述的海浪能量提取系统，其包括布置成形成管道阵列的两个或更多个管道，所述阵列中的每个管道布置成接收相关的振荡水柱。

78.根据权利要求77所述的海浪能量提取系统，其中所述两个或更多个管道布置成面向同一方向。

79.根据权利要求77所述的海浪能量提取系统，其中所述两个或更多个管道相对于彼此沿不同的方向延伸。

80.根据权利要求79所述的海浪能量提取系统，其中所述两个或更多个管道彼此成横向地延伸。

81.根据权利要求80所述的海浪能量提取系统，其中所述两个或更多个管道彼此基本上垂直。

82.根据权利要求77至81中任一项所述的海浪能量提取系统，其中所述管道阵列被构造成使得相关的多个振荡水柱中的每个都驱动单个涡轮。

83.根据权利要求77至81中任一项所述的海浪能量提取系统，其中每个振荡水柱均驱动独立的分开的涡轮。

84.根据权利要求77至83中任一项所述的海浪能量提取系统，其包括支撑框架，所述支撑框架用于将所述管道保持为彼此成相对间隔开的关系。

85.一种从海浪中提取能量的方法，所述方法包括：

将至少一个管道放置到水体中，使得所述管道接收水柱，所述水柱响应由经过所述至少一个管道的波浪的上升和下降所引起的压差而在所述管道内振荡；以及

将振荡水柱中的能量液压地转换为电能。

86.根据权利要求85所述的方法，其包括将所述至少一个管道浸在水体中，使得所述管道完全地位于所述水体的平均水平面之下。

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