CN102257266A - 波浪能转换装置 - Google Patents

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CN102257266A CN2009801487182A CN200980148718A CN102257266A CN 102257266 A CN102257266 A CN 102257266A CN 2009801487182 A CN2009801487182 A CN 2009801487182A CN 200980148718 A CN200980148718 A CN 200980148718A CN 102257266 A CN102257266 A CN 102257266A
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Abstract

本发明公开的波浪能转换装置(WEC)包括用于阻尼波浪能转换装置对波浪运动的反作用运动的部件，所述部件为在轴向压缩下发生作用的圆柱形波纹状弹性体构件。

Description

波浪能转换装置
相关申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2008年10月9日且当前未决的美国临时申请61/195673的优先权。
发明领域
本发明涉及用于波浪能装换的装置，具体地讲涉及用于波浪能转换装置的阻尼器和阻尼结构。
发明背景
对传统能源的日益忧虑已促使人们对供选择的可再生能源展开研究。来自海浪动力的能量为可再生的能源，由其可产生相当大的电量。
波浪能是指海面波浪的能量且该能量为了发电而被捕集。一般来讲，波浪越大，则其包含的能量越多，因此能够由其获得的能量也越多。具体地讲，可由波浪获得的能量由浪高、波速、波长及水密度决定。
若干类波浪能转换装置(WEC)可用于捕集波浪能。所有这些装置以类似的原理工作。波浪力作用在吸收构件上，其与能够相对于吸收构件运动的第二构件耦接。第二构件也能够为吸收构件。波浪力导致吸收构件相对于第二构件的运动，并且该运动能够转换为电能。
存在若干个与已知的能量吸收装置相关联的缺陷。极端波浪(即，相对于平均电流波浪状况，或迅速改变的波浪)能够在反之温和的波浪状况期间发生。此类大的波浪能够导致过量的力施加在吸收构件与第二构件之间的联接器或耦接器上。这会导致尤其是不具有天然阻尼的装置内的耦接器的破损，例如线性能量转换器。因此，这些装置具有不良的残存性，即使是在正常的波浪状况下。
与已知的波浪能转换器相关联的另外缺陷为较差的能量捕集效率。典型的装置仅仅能够在较窄的波浪频率及能量状况范围上捕集波浪能。尽管更先进的装置能够调节其响应以使得它们能够最优化来自任何给定波浪状况的能量捕集，但是此类缓慢的调节通常仅仅向该波浪状况的平均功率谱递送良好响应。很少有装置能够足够迅速地响应于单一波浪状况内的单独频率。
因此需要具有阻尼部件的波浪能转换装置(WEC)，所述阻尼部件使得波浪能转换装置能够残存于极端波浪，并且还迅速响应于波浪频谱，以便改善残存性和/或改善能量提取效率。
发明概述
在第一方面，本发明提供波浪能转换装置，其包括：
(a)能够响应于波浪运动的第一构件；
(b)机械连接到第一构件并且能够在波浪的影响下相对于第一构件相对地运动的第二构件，所述相对运动被转换为电能；以及
(c)至少一个能够在极端波浪条件下阻尼相对运动的阻尼部件；其中所述阻尼部件为在轴向压缩下发生作用的圆柱形波纹状弹性体构件。
在本发明的另一方面，上述波浪能转换装置中的阻尼部件为中空的。在本发明的又一方面，上述波浪能转换装置的阻尼部件为其侧壁上具有波纹的中空圆柱体。
在上述本发明的一个实施方案中，阻尼部件由弹性体材料制成，所述弹性体材料为在应用中具有以下特征的热塑性材料：
(a)根据ISO 527-1/-2测量的在-20℃和+60℃之间高于15％的断裂伸长率，
(b)根据ISO 527-1/-2测量的介于5和100MPa之间的拉伸屈服应力，以及
(c)低于20000MPa的拉伸弹性模量(根据ISO 527-1/-2测量)。
在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，阻尼部件由共聚醚酯或共聚酯酯制成，所述共聚醚酯或共聚酯酯为具有多个通过酯键头尾连接的重复长链酯单元和短链酯单元的共聚物，所述长链酯单元由式(A)所表示：
Figure BPA00001385380600031
并且所述短链酯单元由式(B)表示：
Figure BPA00001385380600032
其中：
G为从聚(亚烷基氧)二醇中去除末端羟基后余下的二价基团，所述聚(亚烷基氧)二醇优选具有介于约400和约6000之间的数均分子量；
R为从二元羧酸中去除羧基后余下的二价基团，所述二元羧酸具有小于约300的分子量；并且
D为从二醇中去除羟基后余下的二价基团，所述二醇具有优选小于约250的分子量；并且其中所述一种或多种共聚醚酯优选地包含约15至约99重量％的短链酯单元和约1至约85重量％的长链酯单元。
在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，阻尼部件由热塑性聚氨酯制成，所述热塑性聚氨酯由直链嵌段式嵌段共聚物组成，其由包括第一二异氰酸酯和短链二元醇的硬链段以及包括第二二异氰酸酯和长链多元醇的软链段组成，由式(C)所表示：
Figure BPA00001385380600033
其中：
X表示包括第一二异氰酸酯和短链二元醇的硬链段；
Z表示包括第二二异氰酸酯和长链多元醇的软链段；并且
Y表示连接X和Z链段的氨基甲酸酯键的二异氰酸酯化合物的残余基团。
在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，阻尼部件由热塑性聚酰胺嵌段共聚物制成，所述共聚物由直链的饱和脂族聚酰胺链段和具有醚键和酯键两者的柔性聚醚或聚酯软链段组成，由通式(D)所表示：
Figure BPA00001385380600041
其中：
PA表示直链的饱和脂族聚酰胺序列；并且
PE表示由选自以下的部分形成的聚氧化亚烷基序列：含有醚键的直链脂族聚氧化亚烷基二醇、含有酯键的聚氧化亚烷基二醇、含有醚键和酯键的聚氧化亚烷基二醇、含有醚键的支链聚氧化亚烷基二醇、含有酯键的支链聚氧化亚烷基二醇、含有醚键和酯键的支链聚氧化亚烷基二醇、含有醚键的长链多元醇、含有酯键的长链多元醇、含有醚键和酯键的长链多元醇、它们的混合物、由它们衍生的共聚醚、以及由它们衍生的共聚酯。
在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，阻尼部件由热塑性硫化橡胶制成。在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，阻尼部件由热塑性聚烯烃弹性体制成。在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，阻尼部件由苯乙烯类热塑性弹性体制成。在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，在阻尼部件的一端或两端还包括非啮合空间，从而阻尼部件在第一构件与第二构件相对运动的有限范围内不啮合。在上述波浪能转换装置的另一个实施方案中，阻尼部件被保护在外壳中，并且其中所述外壳提供非啮合空间，从而阻尼部件在第一构件与第二构件相对运动的有限范围内不啮合。
附图简述
本文所述的波浪能转换装置和阻尼部件由附图进一步示出，其中：
图1为示出对于具有可逆的非线性应力/应变响应的材料施加力(F2)对反作用力(F1)的图。图1中的区域A示出正常波浪状况下的理想响应，区域B示出极端状况下的理想响应，而区域C示出在状况变得如此极端以至于保护性功能有必要时的理想响应；
图2为包括根据本发明的一个实施方案的阻尼结构的波浪能转换装置的透视图；
图3为图2中所示出的阻尼部件的详图；
图4为根据本发明的另一个实施方案的波浪能转换装置的描绘；
图5为根据本发明的又一个实施方案的波浪能转换装置的描绘。
图6为阻尼部件的截断示意图。A-B线表示阻尼部件的对称轴；并且
图7为阻尼部件的截断示意图，图中包括描述阻尼部件的所有参数。A-B线表示阻尼部件的对称轴，T表示厚度，P表示节距，a)表示峰，b)表示谷，Rint表示谷的直径，Rout表示峰的直径，rc表示波纹管在最小外径处的圆角半径，rs表示波纹管在最大外径处的圆角半径。
发明详述
发明人已发现具有阻尼部件的波浪能转换装置在残存的极端波浪中以及通过改善对波浪频谱的响应而改善能量提取方面尤其有利，所述阻尼部件为在轴向压缩(即，作用在阻尼部件的纵向轴线上的压缩力)下发生作用的圆柱形波纹状弹性体构件。
第一构件通常为随着波浪的运动升降的浮力形式(“浮子”)，以便保持其漂浮水平。此类浮子不必驻留在海面自身上，而是基本上可驻留在海面之下其中仍然发生波浪运动的位置。
第二构件可被拴到或固定到海床或另一个驻点上，或者其可为活动的，只要其能够在波浪的影响下相对于第一构件进行相对运动。例如，所述构件可为活动的，但是具有足够的固有惯性以降低其由于波浪运动相对于第一构件的运动，因此导致第一构件的较大运动和第二构件的较少运动。作为另外一种选择，所述构件可被调节至响应第一构件的不同频率。
第二构件应足以抵抗波浪运动，使得波浪运动导致波浪能转换装置的第二构件与第一构件之间的相对运动。第二构件可包括能够提供足够惯性的任何结构。此类惯性可由例如互连的波浪能转换装置的阀状结构提供。作为另外一种选择，惯性可由作为用于波浪场中的多个波浪能转换装置的第二构件的单个刚性浮置上层结构提供，所述上层结构具有远远大于波浪波长的长度以获得充足的惯性。
在一些实施方案中，第一构件和第二构件响应于波浪运动表现出不同的频率，在波浪入射到其上时导致其间的相对运动。在这些实施方案中，第一构件和第二构件两者均可为波浪能转换装置的第一构件。
第一构件耦接到第二构件的方式使得电能可产生于第一构件与第二构件之间的相对运动。耦接部件包括动力输出装置以将第一构件与第二构件之间的相对运动转换为电能。动力输出装置可为例如直线发电机。
阻尼部件为限制第一构件与第二构件的相对位移的圆柱形波纹状弹性体构件。波纹与弹性体材料本身在力的施加下轴向压缩，导致非线性响应，使得压缩阻尼部件所需的力在压缩开始时缓慢增加并且随着压缩程度增加而更急剧地增加，如图1中的应力-应变曲线所示出的。阻尼部件可为实心圆柱体；然而，阻尼部件优选地呈其侧壁具有波纹的中空圆柱体或中空管形式。
如本文所用，术语“圆柱体”或“圆柱形”不仅包括在轴向沿着阻尼部件移动时具有恒定的平均横截面周长的管子，而且还包括在轴向沿着阻尼部件移动时具有改变的横截面周长的圆柱体，例如锥型圆柱体和平头圆锥。在一个优选的实施方案中，阻尼部件为平头的中空圆锥形式，在其侧壁上具有环状波纹(即，波纹的平均横截面周长在沿着阻尼部件轴向移动时增加)。作为另外一种选择，阻尼部件可为在其侧壁上具有环状波纹的中空管形式(即，波纹的平均横截面周长在沿着阻尼部件轴向移动时基本上不增加)。该术语也包括具有非圆形横截面的此类形状，例如椭圆形横截面或多边形横截面(例如，方形、矩形、六边形、八边形等)。也包括非中空的圆柱体。
还有可能如下改变阻尼部件：改变阻尼部件的壁厚(图7，T)，借助改变峰的直径/半径(图7，Rext)和谷的直径/半径(图7，Rint)来改变峰的直径与谷的直径的比率，改变波纹/盘旋的数目，改变节距(图7，P)或者改变波纹的最小外径处的圆角半径(图7，rc)和波纹的最大外径处的圆角半径(图2，rs)。阻尼部件可包括沿其整个长度的环状波纹、波纹管或盘旋面，或者可包括被平滑区域隔开的波纹、波纹管或盘旋面。
在一个优选的实施方案中，用于根据本发明的波浪能转换装置中的阻尼部件具有以下相对尺寸：P＝P，Rext＝4P至5.5P，优选4.8P，T＝0.1P至0.5P，优选0.2P，rc＝0.08P至0.1P，优选0.083P，rs＝0.25P至0.4P，优选0.3P(根据图6和7所定义的)。
可设计阻尼部件使得在第一构件与第二构件之间存在相对运动范围，对于该范围，阻尼部件不会通过例如提供阻尼部件的端部与其作用的主体之间的空间而啮合，所述主体如第一构件和第二构件。这样使得第一构件和第二构件在有限的范围内做不受阻的相对运动。一旦超出该范围(例如，在高海况下)，阻尼部件的端部啮合，压缩阻尼开始。
阻尼部件由可为热塑性或热固性的弹性体材料制成。优选地，其由热塑性材料制成，因为其有利于生产且降低生产成本。优选的弹性体材料为在应用中具有以下特征的热塑性材料：
(a)用1A型样品、5mm/min的测试速度、23℃的环境温度和50％的相对湿度根据ISO 527-1/-2测量的在-20℃和+60℃之间高于15％，优选高于50％的断裂伸长率；
(b)用1A型样品、5mm/min的测试速度、23℃的环境温度和50％的相对湿度根据ISO 527-1/-2测量的介于5和100MPa之间的拉伸屈服应力；以及
(c)用1A型样品、5mm/min的测试速度、23℃的环境温度和50％的相对湿度根据ISO 527-1/-2测量的低于20000MPa，优选地介于25MPa和1200MPa之间，最优选地介于100和600MPa之间的弹性拉伸模量。
阻尼部件的弹性特性不仅借助弹性体材料本身的弹性特性实现，而且还通过阻尼部件的设计实现。例如，可利用波纹中空管，从而波纹赋予阻尼部件可弹性压缩性。
除了所述的弹性特性之外，优选阻尼部件具有小于40％，优选小于30％且更优选小于10％的滞后。“滞后”是指阻尼部件在23℃和50mm/min的压缩速度下至少循环3次之后压缩与松弛循环之间的能量损失。此类滞后不仅受弹性体材料特性的控制，而且还受阻尼部件设计的控制。
一般来讲，希望低的滞后以确保每次循环来自弹性体材料的能量损失低于每次循环来自相对运动的能量增益。在一些设计中，可希望增加滞后以允许极端阻尼，例如在构件的相对运动接近最大允许运动以及能量损失需要大于能量增益时。
更优选地，阻尼部件由包括以下的聚合物或共混聚合物制成：
共聚酯热塑性弹性体(TPC)，例如共聚醚酯或共聚酯酯，其为具有大量通过酯键头尾相连的重复的长链酯单元和短链酯单元的共聚物，所述长链酯单元由式(A)表示：
Figure BPA00001385380600081
并且所述短链酯单元由式(B)表示：
Figure BPA00001385380600082
其中：
G为从聚(亚烷基氧)二醇中去除末端羟基后余下的二价基团，所述聚(亚烷基氧)二醇优选具有介于约400和约6000之间的数均分子量；
R为从二元羧酸中去除羧基后余下的二价基团，所述二元羧酸具有小于约300的分子量；并且
D为从二醇中去除羟基后余下的二价基团，所述二醇具有优选小于约250的分子量；并且其中所述一种或多种共聚醚酯优选地包含约15至约99重量％的短链酯单元和约1至约85重量％的长链酯单元。
如本文所用，用于聚合物链中单元的术语“长链酯单元”是指长链二醇与二甲酸的反应产物。合适的长链二醇为具有末端(或尽可能接近末端的)羟基的聚(亚烷基氧)二醇，其具有约400至约6000，优选地约600至约3000的数均分子量。优选的聚(亚烷基氧)二醇包括聚(四亚甲基氧)二醇、聚(三亚甲基氧)二醇、聚(亚丙基氧)二醇、聚(环氧乙烷)二醇、这些亚烷基氧的共聚物二醇、以及诸如环氧乙烷封端的聚(亚丙基氧)二醇的嵌段共聚物。可使用此类二醇中两种或更多种的混合物。
用于共聚醚酯聚合物链中单元的术语“短链酯单元”是指低分子量化合物或聚合物链单元。通过将低分子量二醇或二醇的混合物与二甲酸反应形成用上述式(B)表示的酯单元，从而制备短链酯单元。反应以形成适用于制备共聚醚酯的短链酯单元的低分子量二醇包括无环的、脂环的和芳族的二羟基化合物。优选的化合物为具有约2-15个碳原子的二醇，例如乙二醇、丙二醇、异丁二醇、丁二醇、1，4-戊二醇、新戊二醇2，2-新戊二醇、己二醇和癸二醇、环己二醇、环己烷二甲醇、间苯二酚、对苯二酚、1，5-萘二酚等。特别优选的二醇为包含2-8个碳原子的脂族二醇，并且更优选的二醇为1，4-丁二醇。
能够有利地用于本发明的阻尼部件制造的共聚醚酯可以商标Hytrel
Figure BPA00001385380600091
从E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，Delaware商购获得。
在另一个优选的实施方案中，阻尼部件由热塑性硫化橡胶(TPV)制成。热塑性硫化橡胶由热塑性连续相以及分散于其中的硫化弹性体相组成。如本文所用，硫化产品和短语“硫化橡胶”旨在通指固化的或部分固化的、交联的或可交联的橡胶以及可固化的交联橡胶的前体，并且因此包括弹性体、天然橡胶以及所谓的软硫化橡胶。热塑性硫化橡胶将交联橡胶的许多所期望的特征与热塑性弹性体的一些特征如可加工性结合起来。有若干种热塑性硫化橡胶可商购获得，例如，可分别从Advanced Elastomer System和DSM商购获得的Santoprene
Figure BPA00001385380600092
和Sarlink
Figure BPA00001385380600093
(基于乙烯-丙烯-二烯共聚物和聚丙烯的热塑性硫化橡胶)；可从Thermoplastic Rubber Systems商购获得的NextrileTM(基于腈橡胶和聚丙烯的热塑性硫化橡胶)；可从ZeonChemicals商购获得的Zeotherm
Figure BPA00001385380600094
(基于丙烯酸酯弹性体和聚酰胺的热塑性硫化橡胶)；以及得自E.I.du Pont de Nemours and Company的DuPontTMETPV，其描述于WO 2004029155中(热塑性共混物，其包含15至60重量％的聚亚烷基邻苯二甲酸酯聚酯聚合物或共聚物和40至85重量％的可交联聚(甲基)丙烯酸酯或聚乙烯/(甲基)丙烯酸酯橡胶分散相，其中橡胶与过氧化物自由基引发剂和有机二烯助剂动态交联)。
在另一个优选的实施方案中，阻尼部件由热塑性聚烯烃弹性体(TPO)制成，所述弹性体由烯烃类(例如丙烯或聚乙烯)与橡胶组成。常用橡胶包括EPR(乙丙橡胶)、EPDM(乙烯丙烯二烯橡胶)、乙烯-己烷、乙烯-辛烯(例如可从Dow商购获得的Engage
Figure BPA00001385380600101
)和乙烯-丁二烯。
在另一个优选的实施方案中，阻尼部件由苯乙烯类热塑性弹性体(TPS)制成，所述弹性体由聚苯乙烯和橡胶状聚合材料的嵌段共聚物组成，所述聚合材料例如聚丁二烯、氢化聚丁二烯与聚丁二烯的混合物、聚(乙烯-丙烯)和氢化聚异戊二烯。
在另一个优选的实施方案中，阻尼部件由热塑性聚氨酯(TPU)制成，所述热塑性聚氨酯由直链嵌段式嵌段共聚物组成，其由包括二异氰酸酯和短链二元醇的硬链段以及包括二异氰酸酯和长链多元醇的软链段组成，如由以下通式所表示的：
Figure BPA00001385380600102
其中：
“X”表示包括二异氰酸酯和短链二元醇的硬链段，“Z”表示包括二异氰酸酯和长链多元醇的软链段，“Y”表示连接X和Z链段的氨基甲酸酯键的二异氰酸酯化合物的残余基团。所述长链多元醇包括聚醚类(例如聚(亚烷基氧)二醇)或聚酯类长链多元醇。
热塑性聚酰胺嵌段共聚物(TPA)由直链和规则链的聚酰胺链段与挠性聚醚或聚酯链段或者具有醚键和酯键两者的软链段组成，其用以下通式表示
其中：
“PA”表示直链饱和脂族聚酰胺序列，“PE”表示例如下列化合物形成的聚氧化亚烷基序列：直链或支链的脂族聚氧化亚烷基二醇、或具有醚键和/或酯键的长链多元醇、以及它们的混合物或者由它们衍生出的共聚醚或共聚酯。共聚醚酰胺或共聚酯酰胺嵌段共聚物的柔软性一般随着聚酰胺单元的相对量增加而降低。
适用于本发明的热塑性聚酰胺嵌段共聚物的实例可以商标Pebax
Figure BPA00001385380600111
从Arkema或Elf Atochem商购获得。
也可利用诸如交联橡胶的热固性和弹性体材料，例如天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶CR、EPDM(三元乙丙橡胶)、HNBR(氢化丁腈橡胶)、NBR(丁腈橡胶)、ACM、AEM、EVA、CM、CSM、CO。
阻尼部件可通过形成弹性体制品的任何方式制备，例如：注塑、吹塑(包括注坯吹塑)、和挤出(尤其是波纹挤出)。基于阻尼部件的几何形状和尺寸、产量及容限需求，挤出(具体地讲为波纹挤出)为合适的技术，其允许具有盘旋面的中空管的容易且高性价比的制造。
用于阻尼部件的合适材料为热塑性弹性体。在一个优选的实施方案中，阻尼部件由具有高于150Pa·s的表观熔融粘度的热塑性弹性体制成，所述表观熔融粘度在剪切速率为1000s-1且加工温度为或约为聚合物熔点以上30℃的条件下根据ISO 11443：2005(E)测得。由于此类材料能够用于挤出、注塑和吹塑而优选。
就吹塑而言，优选的材料为具有高于275Pa·s的表观熔融粘度的热塑性弹性体。就挤出方法而言，优选的材料为具有高于180Pa·s的表观熔融粘度的热塑性弹性体。就吹塑而言，优选的材料为具有高于80Pa·s的表观熔融粘度的热塑性弹性体。表观熔融粘度在剪切速率为1000s-1且加工温度为或约为聚合物熔点以上30℃的条件下根据ISO 11443：2005(E)测量。
阻尼部件可连接到波浪能转换装置的第二构件与第一构件。所述连接可为直接的或间接的。
阻尼部件优选应具有特定的非线性应力/应变响应，该响应被设计以满足构件及它们将受到的力的具体需求。换句话讲，由阻尼部件施加的反作用力与施加到其上的力及此类力的施加速率非线性相关。此外，精确的非线性响应需要基于构件的所需相对运动和所需力特定。在本发明中，响应于波浪运动的第一构件的运动向阻尼部件施加力。由阻尼部件施加在第一构件上的反作用力与施加力及该力的施加速率非线性相关。本发明的阻尼部件如下表现出可逆的非线性应力/应变响应：响应于施加力压缩且在力移除时恢复至其最初形式，具有最小滞后以给出最大能量而优化体系的输出。阻尼部件能够在其设计上被改进以允许非线性响应的精确形状按需定制。
例如，在中空的圆柱形阻尼部件中，有可能如下特定阻尼部件的响应：改变阻尼部件的壁厚(图7，T)，借助改变峰的直径/半径(图7，Rext)和谷的直径/半径(图7，Rint)来改变峰的直径与谷的直径的比率，改变波纹/盘旋的数目，改变节距(图7，P)或者改变波纹的最小外径处的圆角半径(图7，rc)和波纹的最大外径处的圆角半径(图2，rs)。阻尼部件的响应也能够通过材料的选择特定。
优选地，阻尼部件施加低(或零)反作用力直至施加力或施加力的速率超过阈值，超过该阈值则施加的反作用力随着施加力的增加而急剧增加。此类响应的一个实例示于图1中，其中F2为施加力，而F1为阻尼部件施加的反作用力。图1中的区域A示出正常波浪状况下的理想响应，区域B示出极端状况下的理想响应，而区域C示出在状况变得如此极端以至于保护性功能有必要时的理想响应。区域之间的分界点优选基于构件的设计和期望的施加力特定。区域A与区域B之间的阈值被特定，使得反作用力在施加力接近否则有可能发生对波浪转换装置的损害的程度时急剧增加。优选此类增加不会如此快速以至于导致构件内高的冲击力或脉冲力，但是又足以急剧以确保在区域B和区域C之间的第二阈值点处，施加力等于或大于构件之间的期望最大相对力。高的冲击力可为常规的波浪能转换装置的故障原因。
在区域A，希望几乎不具有反作用力，以便装置的正常操作不受弹性体材料内任何能量损失的影响。在区域A内实现较低反作用力的一种方式为设计阻尼部件，使得在第一构件与第二构件之间存在相对运动范围，对于该范围，阻尼部件不会通过例如在阻尼部件的一端或两端提供非啮合空间而啮合在阻尼部件的端部与其作用的主体之间，所述主体如第一构件和第二构件。这样使得第一构件和第二构件在有限的范围内做不受阻的相对运动。一旦超出该范围(例如，在高海况下)，阻尼部件的端部啮合，压缩阻尼开始，即区域B。在本发明的一个实施方案的上下文中，此类排列的非限制性实例示于图3中，其中10a和10b分别表示阻尼部件7a和7b端部处的自由空间。在第一构件和第二构件的初始相对运动期间，阻尼部件7a和7b由于未分别邻接外壳或包层9a和9b而不啮合。如果相对运动变得更极端，阻尼部件7a和7b将分别邻接包层9a和9b，并且压缩阻尼将被啮合。
阻尼部件可通过包封在外壳或包层内而受保护。外壳或包层可提供非啮合的空间。此类外壳或包层也可用于使得阻尼部件以拉伸排列使用，其中外壳或包层的相对两端向着彼此牵拉。
可提供多个阻尼部件，其中每个阻尼部件被布置以阻尼波浪能转换装置基本上仅仅沿着一条轴线的运动。阻尼部件也可与拉伸阻尼构件(即，在牵引下发生作用的阻尼部件)联合使用。每个阻尼部件的对齐和/或设计可允许阻尼器或阻尼结构沿着不同的轴线提供不同的应力/应变响应。希望阻尼部件对齐以响应于垂荡力(纵向力)、纵摇力(旋转力)和纵荡力(横向力)中的至少一种，理想地响应于所有的力。
在一个优选的实施方案中，就垂直点源吸收体型装置(其能量捕集于相对垂直运动的一种)而言，被布置以阻尼纵荡(横向)力的阻尼部件用于限制装置的最大横向响应。阻尼部件被适当定位或对齐，以便其阻尼效应尽可能地适用于纵荡力。被布置以阻尼(波浪能转换装置的组件之间)的垂荡(纵向)力的另外阻尼部件可用于限制装置的最大垂直延伸。类似地，该阻尼部件被定位或对齐以便其阻尼效应适用于垂荡力。对作用于装置的各自力的独立控制允许阻尼结构的总体响应更精确地针对不同状况特定，以便保护装置并最大化能量捕集。
本发明提供若干个优于已知的波浪能转换装置的优点。阻尼结构的本性提供增强的结构稳定性和弹性，其防止极端波浪对波浪能转换装置的破损。
所述结构也提供更有效的能量捕集。海浪从不为单一频率，并且除了主频率分量之外，还总是包括较高的频率分量。主频率分量随海况改变，一些装置能够调节其响应以适应该频率，但是很少波浪能转换装置能够足够快速地反应以捕集来自单一海况内较高频率波浪分量的能量。阻尼部件能够对波浪的较高频率分量反应，从而允许波浪能转换装置捕集来自波浪的较高频率分量的能量。此外，通过特定非线性响应并允许波浪能转换装置抵挡极端的波浪状况，波浪能转换装置事实上能够在较恶劣的海况下操作，增加装置在其上捕集能量的波况数及总体能量捕集。
本发明也提供优于当前波浪能转换装置的附加优点。阻尼部件理想地施加具有横向分量和垂直分量两者的反作用力，因此自动发生作用以拉直第一构件，从而在应用中保持与波浪的最佳对齐，换句话讲，大致垂直于波浪的行进方向。这降低由来自波浪能转换装置的第一构件与第二构件之间的角度差的应力导致的对波浪能转换装置的耦接体系的损害的危险。
在一个优选的实施方案中，弹性体材料被定制加工成插入在任何波浪能转换装置的两个构件之间的组件，赋予该装置本发明增强的性能特征。
在一个优选的实施方案中，第二构件为适于基本上同心排列在波浪能转换装置的第一构件(不太活动的构件)周围的基本上刚性的环。环可为任何合适的形状，包括圆形、方形、矩形或任何其他多边形。
第二构件可包括多个连接片段。作为另外一种选择，第二构件可包括至少一个其他波浪能转换装置。若干个波浪能转换装置可互连形成筏状结构。所述装置可由基本上刚性的第二构件连接。作为另外一种选择，所述装置可由阻尼构件连接。
选择第二构件的尺寸和轮廓以最大化构件之间的相对运动。当波浪能转换装置的第一构件位于波浪的最高点时，希望第二构件与第一构件之间形成的角度小于约45度。这最大化施加到第一构件的垂直分量同时提供足够的水平反作用力以反作用于横向的纵荡力。
就单个的未连接波浪能转换装置而言，第二构件优选为具有较大直径的环以确保在波浪能转换装置的第一构件与该环之间存在显著的相对运动。例如，就处于其中波浪的高度改变介于5和8米之间的波浪状况下的装置而言，合适的环直径大于第一构件10至20米。一般来讲，环的尺寸将基于波浪的高度。可选择环的尺寸以确保限制垂荡的反作用力的较大垂直分量(较小的环)以及校正纵荡的足量的横向力(较大的环)之间的平衡。
就多个互连的波浪能转换装置而言，有必要平衡为实现所需的角度对小环直径的需求与为避免环与浮子之间的交互作用及校正垂荡对大环直径的需求。
优选地，选择第二构件的尺寸和形状，使得其正好漂浮在海面之下。在一个实施方案中，第二构件为被布置以漂浮在其中波浪能转换装置的第一构件在水中所处位置之下大约3米处的环。
附图详述
本发明的阻尼部件均等地适用于若干类波浪能转换装置。我们描述了其中能够利用本发明的阻尼部件的这些波浪能转换装置的某一些。
参见附图中的图2和3，示出了包括根据本发明的阻尼结构2的点源吸收体类型的波浪能转换装置1的一个实施方案。这类波浪能转换装置将来自波浪状况期间海面的垂直运动的能量转化为电能。本发明的阻尼部件同样适用于其他类型的波浪能转换装置。
在图2中，波形线表示水面。装置1包括对波浪运动具有不同响应的第一构件3和第二构件4。能量得自两个构件的相对运动。所述构件由于不同的形状、密度和/或质量而具有不同的波浪响应。
作为另外一种选择，第二构件4可固定或拴到例如海床上。应用中，第二构件4浸没在海面之下。选择第一构件3的浮力使得其漂浮在海面上或海面附近。联接器或耦接器5提供在第一构件3与第二构件4之间。联接器5包括动力输出装置以将第一构件3与第二构件4之间的相对运动转化为电能。动力输出装置可为例如直线发电机。
阻尼结构2包括稳定构件6(6a和6b)和阻尼部件7(7a和7b)。稳定构件6为倒置的篮筐形结构，其包括基本上刚性的外环6a和基本上刚性的半环6b，外环6a基本上同心地布置在装置1的第一构件3周围，半环6b连接在外环6a的任一端并掠过第一构件3。阻尼部件7a和7b为圆柱形波纹状弹性体构件，其在压缩下以轴向(即，在图2中用双向箭头指示的方向)发生作用。稳定构件6借助连接构件8连接到阻尼部件7a和7b，所述连接构件在该情况下呈刚棒形式。一般来讲，阻尼部件垂直、和/或横向及径向取向以处理波浪的垂荡运动。
在应用中，所述装置被布置使得第二构件4浸没在海面之下。第一构件3被布置使得其漂浮在海面上或靠近海面。随着波浪靠近装置1，第一构件的浮力使其随着水面向上运动。第二构件4抵抗波浪运动，因此保持相对静止。第一构件3因此相对于第二构件4运动。动力输出装置将该相对运动转化为电能。随着波浪靠近装置1，第一构件3相对于第二构件4向下运动。动力输出装置也将该相对运动转化为电能。
第一构件3在每种情况下的运动均向阻尼结构2施加力。环6a基本上抵抗波浪运动并因此保持相对静止。当波浪经过装置1时，第一构件3的向上运动在达到选定的位移程度时向阻尼部件7a施加向上的垂荡力。波浪的正向运动还对波浪能转换装置施加由阻尼部件7b调节的纵荡力。角向力也由相同的阻尼构件控制，以避免两个构件的相对旋转。
如图4所示，在阻尼构件7a和7b的一端存在自由空间10(10a和10b)。这允许阻尼部件7a和7b的压缩作用开始之前的第一构件3与第二构件4之间的相对运动程度。这允许第一构件3与第二构件4在图1的区域A中所示的限定范围内不受阻的相对运动。
阻尼部件7a和7b的波纹状结构以及它们由弹性体材料制成的事实允许阻尼反作用力相对于施加力及施加力的改变速率非线性增加。就正常波浪而言，阻尼反作用力非常低，并且浮子3响应于波浪的运动基本上不受影响。然而，当施加力(或施加力的改变速率)超过阈值时，例如在极端波浪的情况下，阻尼反作用力非常高，从而阻止第一构件3的极端运动。阻尼部件因此防止第一构件3与第二构件4之间的联接器5的断裂。
由于阻尼部件7a和7b能够对入射波浪的较高频率分量有所反应，因此阻尼结构2也提供更有效的能量捕集，从而允许波浪能转换装置捕集来自波浪的较高频率分量的能量。其也允许捕集来自高海况的能量，先前的体系在该海况下停止或受损。
此外，由于阻尼部件7a和7b施加具有横向分量和垂直分量两者的反作用力，它们发生作用以拉直第一构件3。这样阻止波浪能转换装置1以倾斜的位置或取向搁浅在海洋中，因此保持对波浪的最佳对齐并最大化用于转化能量的垂直位移。这降低由来自波浪能转换装置的第一构件3与第二构件4之间的角度差的应力导致的对波浪能转换装置1的耦接体系5的损害的危险。
图3显示图2的细节，其示出阻尼部件7b，其中所述阻尼部件7b邻接第一构件3。由于第一构件3相对阻尼部件7b上下运动，因此阻尼部件可借助铰链连接到第一构件3。在该情况下，棒8应以铰接方式连结到外环6a。作为另外一种选择，阻尼部件7b可简单邻接第一构件3，使得第一构件3能够上下自由运动，滑过阻尼部件7b的末端。为了保护阻尼部件7a和7b，它们可包封在保护性外壳或包层9(9a和9b)内。
如上所述，保护性包层9(9a和9b)可具有自由空间10(10a和10b)，其使得第一构件3与第二构件4的自由相对运动适于低海况。
参见图4，在另一个优选的实施方案中，波浪能转换装置401为“虫”型，其中第一构件403与第二构件404为细长的主体，它们均漂浮在水面上并且它们尾对尾耦接(衰减器型装置)。由于第一构件和第二构件将在不同的时间升降，因此波浪将导致这两个构件之间的相对运动。阻尼部件407为圆柱形波纹状弹性管，其在压缩下阻尼波浪力，限制两个构件中一个相对于另一个的位移。如果需要，铰链能够用于控制主体之间允许的旋转轴。
参见图5，在另一个优选的实施方案中，波浪能转换装置501包括上构件503和下构件504。上下构件503和504借助柔性管511连接。当波浪入射在装置501上时，上下构件相对于彼此运动。假定构件504锚定在海床上或者固定到外部结构上，浮子501将由于波浪运动而具有其自身的运动，并且阻尼体系507在极度波浪情况下使用以限制浮子501的位移并保护柔性管511。相对运动交替压缩和松弛管子，泵送水通过。泵送的水用于捕集来自装置的能量。
图2至5所示的装置仅仅旨在示出其中阻尼部件工作的方式。第一构件与第二构件之间的许多其他构型也可能存在。只要阻尼部件为在压缩下发生作用的圆柱形波纹状弹性体构件，则波浪能转换装置为本发明所包括。
单词“包括/包含”与单词“具有/包括”在参照本发明用于本文时，用于表述指定特征、整数、步骤、组件的存在，但是也不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件或其组群的存在或添加。
应当认识到，为清楚起见描述于独立实施方案上下文中的本发明的某些特征也可以组合到单个实施方案中的形式提供。相反，为简明起见，在单个实施方案的上下文中描述的本发明的多个特征也可单独提供，或者以任何合适的子组合提供。
以下实施例进一步详细地描述了本发明并示出了当前设想实施本发明且旨在示出但不限于本发明的优选的模式。
实施例
阻尼部件通过波纹挤出制备以具有以下尺寸：P＝6mm，Rext＝29mm，T＝1.2mm，rc＝0.5mm，rs＝1.8mm(根据图6和7所定义的)。所用材料为具有聚对苯二甲酸丁二醇酯硬链段和聚(四亚甲基二醇)软链段的共聚醚酯。共聚醚酯具有以下物理/化学特征：
(a)用1A型样品、5mm/min的测试速度、23℃的环境温度和50％的相对湿度根据ISO 527-1/-2测量的高于50％的断裂伸长率；
(b)用1A型样品、5mm/min的测试速度、23℃的环境温度和50％的相对湿度根据ISO 527-1/-2测量的10MPa的拉伸屈服应力；
(c)用1A型样品、5mm/min的测试速度、23℃的环境温度和50％的相对湿度根据ISO 527-1/-2测量的150MPa的弹性拉伸模量。
将阻尼部件以与图2和3中所示类型相似的方式装配到1/60th标度模型中，添加成对的张力带体系。使装置经受位于Hydraulic and MaritimeResearch Centre，Cork，Ireland(HMRC)的波浪水槽中的波浪。负载传感器用于测量不同的力。
该体系通过利用八个保持垂直对齐的压缩阻尼部件成功地消除纵荡和纵摇以确保压缩带不受垂荡运动的影响。结果显示，该结构通过利用带波纹的压缩弹性体阻尼部件而成功地消除了纵荡力和纵摇力。

Claims (12)

1.波浪能转换装置，所述装置包括：
(a)能够响应于波浪运动的第一构件；
(b)机械连接到所述第一构件并且能够在波浪的影响下相对于所述第一构件相对地运动的第二构件，所述相对运动被转换为电能；以及
(c)至少一个能够在极端波浪条件下阻尼所述相对运动的阻尼部件；
其中所述阻尼部件为在轴向压缩下发生作用的圆柱形波纹状弹性体构件。
2.权利要求1的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件为中空的。
3.权利要求1的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件为在其侧壁具有波纹的中空圆柱。
4.权利要求1或2的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件由弹性体材料制成，所述弹性体材料为在应用中具有以下特征的热塑性材料：
(a)根据ISO 527-1/-2测量的在-20℃和+60℃之间高于15％的断裂伸长率，
(b)根据ISO 527-1/-2测量的介于5和100MPa之间的拉伸屈服应力，以及
(c)根据ISO 527-1/-2测量的低于20000MPa的拉伸弹性模量。
5.权利要求1或2的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件由共聚醚酯或共聚酯酯制成，所述共聚醚酯或共聚酯酯为具有多个通过酯键头尾连接的重复长链酯单元和短链酯单元的共聚物，所述长链酯单元由式(A)表示：
Figure FPA00001385380500011
并且所述短链酯单元由式(B)表示：
Figure FPA00001385380500021
其中：
G为从聚(亚烷基氧)二醇中去除末端羟基后余下的二价基团，所述聚(亚烷基氧)二醇优选具有介于约400和约6000之间的数均分子量；
R为从二元羧酸中去除羧基后余下的二价基团，所述二元羧酸具有小于约300的分子量；并且
D为从二醇中去除羟基后余下的二价基团，所述二醇具有优选小于约250的分子量；并且其中所述一种或多种共聚醚酯优选地包含约15至约99重量％的短链酯单元和约1至约85重量％的长链酯单元。
6.权利要求1或2的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件由热塑性聚氨酯制成，所述热塑性聚氨酯由直链嵌段式嵌段共聚物组成，所述共聚物由包括第一二异氰酸酯和短链二元醇的硬链段以及包括第二二异氰酸酯和长链多元醇的软链段组成，如式(C)所表示：
Figure FPA00001385380500022
其中：
X表示包括第一二异氰酸酯和短链二元醇的硬链段；
Z表示包括第二二异氰酸酯和长链多元醇的软链段；并且
Y表示连接X和Z链段的氨基甲酸酯键的二异氰酸酯化合物的残余基团。
7.权利要求1或2的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件由热塑性聚酰胺嵌段共聚物制成，所述共聚物由直链的饱和脂族聚酰胺链段和具有醚键和酯键两者的柔性聚醚或聚酯软链段组成，由通式(D)所表示：
Figure FPA00001385380500031
其中：
PA表示直链的饱和脂族聚酰胺序列；并且
PE表示由选自以下的部分形成的聚氧化亚烷基序列：含有醚键的直链脂族聚氧化亚烷基二醇、含有酯键的聚氧化亚烷基二醇、含有醚键和酯键的聚氧化亚烷基二醇、含有醚键的支链聚氧化亚烷基二醇、含有酯键的支链聚氧化亚烷基二醇、含有醚键和酯键的支链聚氧化亚烷基二醇、含有醚键的长链多元醇、含有酯键的长链多元醇、含有醚键和酯键的长链多元醇、它们的混合物、由它们衍生的共聚醚、以及由它们衍生的共聚酯。
8.权利要求1或2的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件由热塑性硫化橡胶制成。
9.权利要求1或2的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件由热塑性聚烯烃弹性体制成。
10.权利要求1或2的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件由苯乙烯类热塑性弹性体(TPS)制成。
11.权利要求1的波浪能转换装置，其中所述装置在所述阻尼部件的一端或两端还包括非啮合空间，从而所述阻尼部件在所述第一构件与第二构件的相对运动的有限范围内不啮合。
12.权利要求1的波浪能转换装置，其中所述阻尼部件被保护在外壳中，并且其中所述外壳提供非啮合空间，从而所述阻尼部件在所述第一构件与第二构件的相对运动的有限范围内不啮合。
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