CN102498285A - 系泊的水动力装置的纵摇、横摇和拖曳稳定 - Google Patents

系泊的水动力装置的纵摇、横摇和拖曳稳定 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水动力装置，用于从水流中提取能量。该水动力装置包括浮力体和连接到该浮力体、用于驱动发电机的转子。该浮力体和该转子共同确定浮力中心和重心，该浮力中心位于该重心的上方和上游。

Description

系泊的水动力装置的纵摇、横摇和拖曳稳定
对在先申请的交叉引用
本申请要求2009年6月30日提交的发明名称为“洋流涡轮机和水动力发电装置以及相关方法，以及停泊和偏航布置、卷紧转子深度控制以及其中使用的系泊保护带”(OCEAN CURRENT TURBINE ANDHYDROKINETIC POWER GENERATION APPARATUSES AND RELATEDMETHODS，ALONG WITH MOORING&YAW ARRANGEMENTS，FURLING ROTOR DEPTH CONTROL，AND MOORING HARNESSESFOR USE THEREWITH)的美国临时申请No.61/221,676的优先权和权益，其全文通过援引并入本申请。本申请还要求2009年8月24日提交的发明名称为“自给的可变纵摇控制转子毂、最大化能量输出和控制洋流涡轮机的运行深度的方法、可变深度水平舵板”(SELF-CONTAINED VARIABLE PITCHCONTROL ROTOR HUB；METHOD OF MAXIMIZING ENERGYOUTPUT AND CONTROLLING OPERATING DEPTH OF AN OCEANCURRENT TURBINE；AND VARIABLE DEPTH HYDROPLANE SLED)的美国临时申请No.61/236,222的优先权和权益，其全文通过援引并入本申请。本申请还要求2010年4月28日提交的发明名称为“锚泊系统以及抛锚、定位和恢复方法”(FLOODED ANCHORING SYSTEM AND METHOD OFDEPLOYMENT，POSITIONING AND RECOVERY)的美国临时申请US61/328,884的优先权和权益，其全文通过援引并入本申请。
背景技术
1、技术领域
本发明涉及一种利用水流的动能产生电能的方法、系统和装置，包括该装置的纵摇、横摇和拖曳稳定。更具体地，本发明涉及一种利用海流或河流的动能产生电能的方法、系统和装置，包括该装置的纵摇、横摇和拖曳稳定。
2、相关技术
海流的动能构成清洁可再生能源的重要来源。世界海洋里的水是持续运动的，在许多地方，存在着反复、持续且快速运动的洋流，其速度超过1.5米/秒(m/s)。这些洋流的例子包括墨西哥湾流(the Gulf Stream)，洪堡流(Humboldt)、黑潮(Kuroshio)、厄加勒斯海流(Agulhas)以及其他。这些流源于海洋热量梯度和盐度梯度、科氏力(Coriolis)以及其它海洋热量传输机制。
这些水流表现为“海洋中的河流”，主要位于底部深度超过300米的大陆架区域。此深度需要将水动力装置用缆或链系泊到上游的固定到海床的锚上。上游的系泊缆绳能将不稳定的纵摇力矩引入到水动力装置上，该水动力装置需要施加相反力矩以维持水平平衡稳定状态的姿态，该姿态提供了转子的旋转轴和自由水流流向的对准。转轴和自由水流流向的错位(卷起角度)会快速降低水平轴转子的能量转换性能。该水平轴转子的转动会带来其他不稳定的横摇力矩或不良力矩。此外，提供一种手段来模拟或代理当转子停止运行时会消失的转子拖曳力，以维持深度控制和防止水动力装置在位置上向前冲是十分有利的。
上游系泊缆绳的张力起表观重量作用，并试图将水动力装置往更深处拉动，其具有垂直分力，也称为“下沉力”。因为通常有利的是将系泊缆绳连接到水动力装置前缘的附近位置以提高与自由流方向变化的方向对准性，下沉力还产生了前缘朝下的纵摇力矩，称为“下沉力矩”，该力矩一定会被水动力装置产生的回复力矩抗衡。当系泊缆绳相对于水平方向的角度(系泊缆绳“偏转角”)变得陡峭时，下沉力随之增加，因此，要增加下沉力矩和要求更大的前缘向上回复力矩以为了保证最大的能量转换性能来维持水平平衡稳定状态的姿态。
已知有许多抗衡不稳定纵摇力矩的方法，包括，例如，前后水平舵升力面，其采用杠杆系统，通过改变系泊缆绳的连接点或使装置半潜入水中、在水位线上方存储浮力来抵消下沉力矩。这些众所周知的方案试图通过增加卷起角度或通过产生显著的卷起角度或尾流，以装置的稳定性换取能量转换性能的损失，从而，向下漂流并冲向转子扫及区的转子的上游将流倾角引入到该转子扫及区。
例如，在Robson提出的美国专利No.7,291,936中，水动力装置采用了一个杠杆传动系统，其改变上游系泊缆绳的连接点，以及采用了一个附属系统，其在前端和尾部改变重心的位置，以使整个装置的俯仰角发生变化，从而改变所连接的水平舵翼的攻角以产生更多或(更少)的升力来补偿下沉力的变化，这样该装置保持在或靠近一个恒定的运行深度。该Robson装置的转子的主轴通过抬高或降低整个装置的前缘随迎面而来的水流方向卷起，从而实现恒定深度运行。Robson移动重心的位置，改变杠杆支点的位置，不保证转子的转轴与自由水流对准，但是将整个装置定位到一个恒定的深度运行。Robson还建议系泊缆绳的偏转角“应当保持合理地小”。浅的系泊缆绳偏转角暗示着系泊缆绳冗长、成本更高、更沉，以及对自然资源的有效利用更低，因为以常规排列方式部署相同数量的装置时其需要更大的计划地理区域。
Mackie的公开号为US2008/0050993的美国专利申请提出前后平衡流体动力学表面，以及高于表面的浮力元件，用以抵消不良的纵摇力矩，从而“接近水平平衡以确保水平轴船用汽轮机最佳性能”。这些解决方案都损害了水平轴转子的能量转换性能。前后平衡表面在提供升力以产生力矩来维持水平平衡的同时，还产生了水流下洗倾角，或尾流，其向下漂流并冲向转子扫及区，从而在转子处出现明显的卷起角度，从而降低了能量转换性能。进一步地，表面上方的浮力元件使装置面临风/波对该表面的干扰，该干扰转换成整个装置和转子的周期性或正弦振动，进而降低了能量转换性能。Robson和Mackie都宣称浮力中心直接位于重心上方以“确保装置的稳定性”，但没有提供其他关于重心和浮力中心的相对位置的信息或示例。
转子的转动会引发显著的不良横摇力矩，因为转子的直径和扭矩相对于水动力装置的剩下部分而言尺寸较大。该不良扭矩使该整个水动力装置自身有以相同于转子的旋转方向旋转的趋势，就水平轴转子而言，这导致出现横摇力矩与转子吸收的扭矩的量成正比。水动力装置因此呈现出一个回复力矩来抵消由转子产生的不良力矩，以保持处于优选的垂直方位。
已知的水动力装置，包括美国专利No.6,091,161和No.7,291,936以及美国专利申请公开号为No.2008/0018115的申请所述的水动力装置，通常采用等尺寸但旋转方向相反的第二转子来提供抵消扭矩。两个反方向转动的转子在使用中是有问题的，且需要转子的扭矩同步，因此在其中一个转子意外停止工作的情况下，机器的可用性降低，因为这时需要故意停止第二个工作的转子以防止倾覆的风险。
美国专利No.4,025,220和专利申请公开号为US 2007/023107以及WO 2009/004420A2的申请提出多点系泊方案，其通过增加额外的连接到装置上某些点的系泊缆绳，借助系泊缆绳张力提供强制力和力矩来维持合适的装置姿态。如果深度是几百米，则附加的系泊缆绳是很长的，费用很高，这增加了系统的重量，并带来了更大的缠结风险以及额外的维修问题。
鉴于运行的转子产生的拖曳力几乎等同于同等扫及区的平板产生的力，作用在水动力装置的总拖曳力会，例如，在转子运行状态和转子非运行状态间发生百分之几百的变化。结果，上游的系泊缆绳会松弛为悬链线状态，引起水动力装置在位置上向前冲，对系泊于洋流农田阵列中的其它邻近水动力装置有撞击的风险。另外，转子拖曳力的消失会导致下沉力显著减小，从而水动力装置的深度控制将成为问题，有可能导致失控的快速上升或至少偏离指定的深度。已知的系泊的水动力装置通常没有考虑转子不运行时的拖曳稳定性问题。
因此，需要一种解决系泊水动力装置的纵摇和横摇的稳定性的方法，其不能如已知装置那样以牺牲能量转换性能作为妥协。进一步地，需要一种方法，其能够在转子不运行的情况下，模拟或代理转子拖曳以协助深度控制，并避免装置在位置上快速向前冲。
本发明提供了一种水动力装置，其利用流动水流的动能来提供清洁的可再生能源，本发明还提供了一种用于稳定该水动力装置的纵摇、横摇和拖曳的系统和方法。
发明内容
本发明提供了一种利用流动的水流的动能来提供清洁的可再生能源方法、系统和水动力装置，以及一种用于稳定该水动力装置的纵摇、横摇和拖曳的系统和方法。
根据本发明的一个方面，公开了一种从水流提取能量的水动力装置。该装置包括：浮力体；和连接到该浮力体用于驱动发电机的转子，其中该浮力体和该转子共同确定浮力中心和重心，该浮力中心位于该重心的上方和上游。该水动力装置进一步包括：用于调整该重心的可移动配重块；用于调整该重心的可变压载；具有升降控制面的水平舵翼；或连接到该浮力体的龙骨，该龙骨包括连接到远端的静负载。该转子配置为选择性地对准或偏离水流。
根据本发明的另一方面，公开了一种从水流提取能量的水动力装置。该装置包括：浮力体；和连接到该浮力体用于驱动发电机的转子；连接到该浮力体的龙骨；连接到该龙骨的远端的静负载。该装置进一步包括：许多横向分离的压载舱，其配置为交替地排除水或加入水；水动力升力面，其配置为提供横摇力矩；拖曳诱导器，其配置为展开不同的拖曳状态，其中，该不同的拖曳状态包括高拖曳状态、低拖曳状态或中间拖曳状态；或拖曳诱导器，其配置为展开高拖曳状态、低拖曳状态或中间拖曳状态。该静负载相对于该浮力体的对称垂直平面偏离。该静负载在前端和尾部之间或左边和右边之间是可移动的。
根据本发明的另一方面，公开了一种从水流提取能量的水动力装置。该装置包括：浮力体；连接到该浮力体、用于驱动发电机的转子；和拖曳诱导器，其配置成展开不同的拖曳状态，其中，该不同的拖曳状态包括高拖曳状态、低拖曳状态或中间拖曳状态。该装置进一步包括：连接到该浮力体的龙骨，其包括连接到远端的静负载；用于调整重心的可变的压载；或具有可变倾角机制或升降控制面的水平舵翼。该转子配置成对准或偏离水流。当该转子被使用时，该拖曳诱导器配置为不工作。当该转子不被使用时，该拖曳诱导器配置为工作。
本发明的其他特征、优点和实施例可通过下面的具体实施方式和附图详细阐述或显现出来。此外，可以理解的是，上述的发明内容以及下文的具体实施方式和附图均是示意性的，旨在提供进一步的解释，并不限定本发明的范围。
附图说明
用于对本发明进一步理解的所附附件，包括附图，纳入并构成本说明书的一部分，其展示了本发明的实施例，并与具体实施方式一起解释了本发明的原理。没有试图展示更多的结构细节，而只展示了为基本了解本发明和可以实施的多种方式所必需的细节。其中：
图1A和图1B分别为根据本发明原理的水动力装置的透视图和侧视图；
图2A是根据本发明的一个实例的水动力装置的侧视图，该装置具有基本处于该装置长度方向上同一位置的浮力中心(CB)和重心(CG)；
图2B是根据本发明的一个实例的水动力装置的侧视图，该装置的浮力中心(CB)在重心(CG)上方，两者位于该装置长度方向上的相同位置；
图2C是根据本发明的一个实例的水动力装置的侧视图，该装置的浮力中心(CB)在重心(CG)的上方和上游；
图3A是根据本发明的一个实例的洋流农田阵列的水动力装置的侧视图，该装置具有浅的系泊缆绳偏转角；
图3B是根据本发明的一个实例的洋流农田阵列的水动力装置的侧视图，该装置具有中等的系泊缆绳偏转角；
图3C是根据本发明的一个实例的洋流农田阵列的水动力装置的侧视图，该装置具有陡峭的系泊缆绳偏转角；
图4A是图1A的水动力装置的侧视图，该装置带有压载和配重块，其中该装置的CG位于尾部位置；
图4B是图1A的水动力装置的侧视图，该装置带有压载和配重块，其中该装置的CG位于前端位置；
图5A是图1A的水动力装置的前视图，该装置的转子正在运行且该装置向右边横摇；
图5B是图1A的水动力装置的前视图，该装置的转子没有运行且该装置向左边横摇，其龙骨载重处于垂直于该设备对称平面的位置；
图5C是图1A的水动力装置的前视图，该装置的转子正在运行且该装置处于垂直方位，其龙骨载重处于垂直于该设备对称平面的位置；
图6A是图1A的水动力装置的透视图，该装置的拖曳诱导器展开至高拖曳状态；
图6B是图1A的水动力装置的前视图，该装置的拖曳诱导器展开至高拖曳状态；
图7是洋流农田阵列的侧视图，其包括多个处于不同运行状态的图1A所示的水动力装置；
图8显示了对根据本发明的水动力装置的纵摇、横摇和拖曳进行检测和控制的过程的例子。
本发明将在下面的具体实施方式中得以进一步描述。
具体实施方式
本发明的实施例以及其中的各种特征和优势部分，通过相应附图中的描述和/或展示，以及下面的描述中详细说明的非限制性实施例和示例，得以更充分地解释。应该注意的是，附图中显示的特征并非必须按比例绘制，只要本领域技术人员能够意识到，一个实施例中的特征可以应用到其他实施例中，即便此处没有明确表述。已知的组件和生产工艺将会省略，以避免不必要地使本发明的实施例模糊。此处选择的示例仅旨在便于理解实施本发明的方法，进而使本领域技术人员能够实施本发明的实施例。因此，本文的示例和实施例不应理解为对本发明的范围的限制，该范围仅由所附权利要求书和适用法律来定义。此外，应注意到在附图的多个视图中相同的附图标记表示相同的部件。
“计算机”，在本发明中，表示任何机器、装置、电路、组件或模块，或者机器、装置、电路、组件、模块等的任一种，其能够根据一个或多个指令操纵数据，“计算机”诸如，但不限于，例如，处理器、微处理器、中央处理单元、通用计算机、超级计算机、个人计算机、膝上型计算机、掌上型计算机、笔记本电脑、台式计算机、智能计算机、服务器等，或一批处理器、微处理器、中央处理单元、通用计算机、超级计算机、个人计算机、膝上型计算机、掌上型计算机、笔记本电脑、台式计算机、智能计算机、服务器等。进一步地，所述计算机包括用于通过通信链路进行通信的电子设备。该电子设备包括，但不限于，例如，移动电话、个人数据助理(PDA)、便携式计算机、固定式计算机、智能电话、移动站、用户设备等。
“网络”，在本发明中，表示两个或更多个通信链路的配置。网络可包括，例如，互联网、局域网络(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)、个人网络(PAN)、校园网、企业网、全球网络(GAN)、宽带网络(BAN)，上述网络的任何组合，等等。所述网络可用于通过无线和/或有线通信介质来传送数据。所述网络可包括以下拓扑结构的任何一个或多个，包括，例如，点至点的拓扑结构、总线拓扑结构、线性总线拓扑结构、分布式总线拓扑结构、星形拓扑结构、扩展的星形拓扑结构、分布式星形拓扑结构、环形拓扑结构、网状拓扑结构、树形拓扑结构，等等。
“通信链路”，在本文中，是指在至少两点之间传输数据或信息的有线、无线和/或声波媒介。该有线、无线或声波媒介可包括，例如，金属导线链路、射频(RF)通信链路、红外线(IR)通信链路、光通信链路等，但不限于此。所述RF通信链路可包括，例如，WIFI、WiMAX、IEEE802.11、DECT、0G、1G、2G、3G或4G蜂窝移动通信标准、蓝牙等等。
术语“包含”、“包括”和其它类似说法，在本文中，是指“包括，但不限于”，除非有特别说明。
术语不定冠词和定冠词(“a”，“an”，“the”)，在本文中，表示“一个或多个”，除非有特别说明。
除非特别说明，相互通信的装置不需要持续地彼此通信。此外，相互通信的装置可直接地或通过一个或多个中介间接地通信。
尽管程序步骤、方法步骤、算法等会按前后顺序描述，但这些程序、方法和算法也可交替操作。换句话说，本文中，步骤的任何顺序并非表明该步骤必须以该顺序执行，本文所描述的程序、方法、算法的步骤可按照任意可行的顺序执行。此外，有些步骤可同时进行。
本文描述单个装置或物品时，很明显地，可使用多于一个的装置或物品来取代单个装置或物品。同样，当本文描述多于一个的装置或物品时，很明显地，可使用单个装置或物品来取代多于一个的装置或物品。装置的功能或特征可由具有相同功能或特征而未明确描述的一个或多个其它装置替换性地实施。
“计算机可读介质”，在本文中，表示任何参与提供数据(例如，指令)的可被计算机读取的介质。这种介质可采取多种形式，包括非易失性介质、易失性介质以及传输介质。非易失性介质可包括，例如，光盘或磁盘和其他永久内存。易失性介质可包括动态随机存取存储器(DRAM)。传输介质可包括同轴电缆、铜线和光纤，包括这种线路，其包含了连接到处理器的系统总线。传输介质可包括或传输声波、光波和电磁辐射，例如在射频(RF)和红外(IR)数据通信时产生的介质。计算机可读介质的常见形式包括，例如，软磁盘、软盘、硬盘、磁带、任何其他的磁介质，CD-ROM(只读光盘)、DVD(数字多功能光盘)、任何其他光学介质、穿孔卡片、纸带、任何其他带有孔的物理介质、RAM(随机存取存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、FLASH-EEPROM(闪存-可擦除可编程只读存储器)，任何其他的内存芯片或盒式磁带、如下文所述的载波、或任何其他可被计算机读取的介质。
各种形式的计算机可读介质可参与传送指令序列至计算机。例如，指令序列(i)可从RAM传送到处理器，(ii)可通过无线传输介质传送，和/或(iii)可根据众多的格式、标准或协议而格式化，例如，WiFI、WiMAX、IEEE802.11、DECT、0G、1G、2G、3G或4G蜂窝移动通信标准、蓝牙等。
根据本发明的一个方面，公开了一种水动力装置100，其具有位于该装置重心(“CG”)上方和上游的浮力中心(“CB”)。该水动力装置100的结构提供了回复纵摇力矩，该力矩可称为主体纵摇力矩。该主体纵摇力矩抗衡下沉力矩并将该水动力装置100维持在卷起角基本为零的水平稳定状态平衡运行姿态，提供了最大的能量转换性能。随着主体纵摇力矩的产生，该水动力装置100可配置成包含更小或基本不存在的前和/或后升力面。进一步地，该水动力装置100可采用更短、费用更低、更轻的系泊缆绳来支持更陡峭的系泊缆绳偏转角，从而在每平方公里内可部署更多数量的水动力装置100和更加高效地利用自然资源。另外，该水动力装置100的纵摇状态可通过前后移动配重块或通过向前后压载舱注入和排出水或通过改变前后水动力面上的升、降力来改变。
根据本发明的另一个方面，公开一种水动力装置100，其产生横摇力矩以抗衡由运行的转子产生的不良扭矩。该水动力装置100可包括具有连接到远端的静负载的向下依靠腹侧龙骨结构以产生横摇力矩。在这方面，该腹侧龙骨起加权摆的作用，当出现横摇角偏转时，该加权腹侧龙骨在转子旋转方向上呈角度偏移并被动地产生回复横摇力矩以将整个水动力装置100旋转回复到预定的垂直方位。
另外，该腹侧龙骨远端的静负载可相偏离于水动力装置100的对称垂直平面，使得当转子运行以及转子不良扭矩出现时，该腹侧龙骨位于接近垂直的方位，而当转子不运行时，该腹侧龙骨位于倾斜的或角度偏离的方位。可设置该腹侧龙骨的长度和位于远端的静负载以使产生的反向横摇力矩基本消除运行的转子所产生的任何不良的扭矩。
根据本发明的另一个方面，公开一种水动力装置100，其采用或提供了转子拖曳代理装置或拖曳诱导器，在转子不动时，模拟运行的转子产生拖曳，使得上游的系泊缆绳不会松弛成悬链线状态而导致水动力装置在位置上向前冲和对临近的系泊在图案部署的农田阵列附近的水动力装置造成撞击或系泊缆绳缠结的风险。此外，拖曳诱导器提供了一种调整作用在水动力装置100上的拖曳力的手段，从而调整有助于在转子不运行的情况下协助维持深度控制的下沉力。
图1A示出了根据本发明原理的水动力装置100的一个例子。图1B示出了水动力装置100的侧视图。
水动力装置100包括船身101、转子109、在船尾安装的发电机(未示出)、龙骨105、龙骨套筒111、水平舵翼106和保护带102。该水动力装置100可包括计算机(未示出)和无线电收发机(未示出)。该水动力装置100可包括一个或多个用于检测外界环境的检测器，诸如，例如，检测水温、压力、深度、临近目标(诸如，例如，其它水动力装置、哺乳动物、鱼、船只等)、水流的速度和/或方向，等等。进一步地，转子109可包括机载毂控制器(未示出)和无线电收发机。船身101可包括为该水动力装置100提供主要浮力源的主压力容器。另外，船身101可包括一个或多个可交替注入或排出水以调节重量(压载)并调节水动力装置100的重心位置的内置压载舱(未示出)。
转子109可包括具有多个转子叶片107和变距控制转子毂108的下游水平轴转子。该变距控制转子毂108可连接到安装在船尾的发电机(未示出)，该发电机用于产生电流。
该龙骨105可包括腹侧龙骨结构，具有例如能够向船前和船尾移动的可移动配重块(未示出)。该龙骨105可连接到龙骨套筒111，并相对于水动力装置100的对称垂直平面偏离一个距离117。该龙骨套筒111可包括静负载。该龙骨105和/或龙骨套筒111提供了多种用途，包括，例如，用于被动式偏航校准的固有的舵、有助于消除转子不良扭矩的加权摆、有利于将CB置于CG的上方和上游以利于产生船体纵摇力矩的装置、用于安装一个或多个拖曳诱导器112以便于拖曳调节的大表面、为系泊系统提供连接点的前沿根部延伸(LERX)114，等等，以及文中所述的其他有利用途，或者对本领域技术人员来说显而易见的有利用途。一个或多个拖曳代理装置112可包括，例如，分裂式阻力板。该水平舵翼106通常安装在船身101上方，或者，该水平舵翼106可安装在与船身101平齐的位置或船身101下方。LERX 114可为保护带102提供向前的前缘连接点。或者，保护带102可连接到船身101上。
水平舵翼106可用于提供变化的偏转角偏转或后缘升降控制面偏转，以在水动力装置100上产生升、降力。
保护带102可包括万向接头系泊装置。该保护带102可允许水动力装置100在纵摇和偏航方位上自由转动，例如，图1B中的箭头120所示。该保护带102可连接到一个或多个系泊缆绳103。该系泊缆绳103可连接到锚104，该锚104可固定到表面110，诸如，例如，海床、河床、水下平台等。当水动力装置100绕保护带102侧滑时，该系泊缆绳103可设置为阻止向左边或右边平移运动。该系泊缆绳103与水平面或水流流速矢量C的横向分量形成一个偏转角121，如图1B所示。
水动力装置100部署在图案部署阵列或洋流农田阵列，(例如，如图3A-3C所示)。给定的农田阵列中的相邻水动力装置100可共用锚104。每个机载发电机(未示出)产生的电可送到，例如，相邻的水动力装置100或一个或多个位于水里或陆地上的电站(未示出)以在电流传输到例如位于水上或陆上的使用电网之前从每个水动力装置100收集电能。电流可通过电缆传输(未示出)，电缆可连接到例如，系泊缆绳103，并通向相邻的水动力装置100或一个或多个基站。
水动力装置100设置为维持完全水平稳定状态的平衡运行姿态，自由流以例如箭头C所指的方向流动。在这方面，水动力装置100可基本维持转子109的转轴115与迎面而来的自由流流向C平行，从而最大限度地将运动的流体的动能转换为有用的电能。
在所述水平稳定状态的平衡运行姿态，水动力装置100将CB维持在CG上方和上游，以产生主体纵摇力矩来抗衡下沉力矩。船身101内部的前后压载舱(未示出)可排出或注入水以改变CG相对于CB的位置，从而调整主体纵摇力矩的幅度以准确抵消随变化的自由流状态实时浮动的下沉力矩，进一步地，位于龙骨套筒111内部的可移动配重块或龙骨载重(未示出)可前后移动以改变CG相对于CB的位置以调节主体纵摇力矩的幅度。前后的平衡面(未示出)可用于去除任何过多的纵摇力矩，以维持水平稳定状态的平衡运行状态。
转子109配置为以例如图1A箭头所示方向(从水动力装置100前方看为逆时针方向)绕转轴115旋转。转子109的转动方向116产生施加到水动力装置100上的横摇力矩或不良力矩，其也是沿箭头116所示的方向。该转子不良扭矩可导致龙骨105角度偏转到例如左边，从而引起龙骨套筒111(包括，例如，其中包括的静负载和配重块)移动到左边一侧，从而产生回复横摇力矩以抗衡转子的不良力矩。如图1A所示，龙骨套筒111可相对于水动力装置100的对称垂直面偏离一个横向距离117。
拖曳诱导器112可包括，例如，一对连接到龙骨105、邻近龙骨105后缘的分裂式阻力板，如图1A所示。拖曳诱导器112可模仿和代理转子109不运行时的转子109的拖曳力。为增加拖曳力，拖曳诱导器112可基本同时朝相反方向偏转，例如，如图6A所示。拖曳诱导器112可逐渐偏转，随着角度的增加提供一个逐渐变大的前部区域。为减少拖曳力，拖曳诱导器112可向内收缩并几乎同时向彼此移动，随着角度的减小提供一个逐渐变小的前部区域。在转子109不运行或在预定的界限范围内运行时，可随时使用拖曳诱导器112，以防止水动力装置100在位置上向前冲，或控制和/或维持特定的深度。
根据本发明的原理，水动力装置100内的计算机(未示出)可配置成控制水动力装置的多个机械方面的情况。该计算机可以控制，例如，将水注入或排出一个或多个内部压载舱(未示出)、控制转子109的运行、控制与变距控制转子毂108相关的转子叶片俯仰角、控制拖曳诱导器112、控制水平舵翼106的运行、控制后缘升降控制面的偏转、控制与一个或多个基站(未示出)和/或电网(未示出)的通信、控制可移动配重块的运作、或控制位于龙骨套筒111内的龙骨载重，等等。机载计算机与例如基站和/或电网的通讯可通过本领域普通技术人员已知的机载无线电收发机(未示出)和通信链路(未示出)实现。
每个基站和/或电网可包括计算机(未示出)，该计算机通过一个或多个无线电收发机、或一个或多个通信链路、优选地通过网络，通信连接到许多水动力装置100。该计算机可用于远程监视和控制每个水动力装置100。
图2A至图2C示出了三个不同水动力装置200、220和240的示例，每个水动力装置的构造与其它两个都不同。特别地，图2A示出了水动力装置200的侧视图，该装置的浮力中心(CB)与重心(CG)大体位于该装置长度方向上的同一位置。图2B示出了水动力装置220的侧视图，该装置的浮力中心(CB)与重心(CG)大体位于该装置长度方向上的同一位置，CB在CG的上方。图2C示出了水动力装置240的侧视图，该装置的浮力中心(CB)处于重心(CG)上方和上游。图2A至图2C示出了通过，例如，将CB置于CG的上方和上游而获得的机械优势。
图2A示出了水动力装置200，其CB 219和CG 214并置在该装置长度方向上的大体相同位置和相同水位线处，该CB 219和CG 214之间有一个几乎为零的纵向分量215。该水动力装置200可受系泊缆绳208的控制。该系泊缆绳208可有，例如，相对于水平参考面的浅的偏转角207。从这点上说，该系泊缆绳208可传递矢量力209、210、211到水动力装置200，包括下沉力211。
在转子201运行之前，水动力装置200可处于水平状态(未示出)。当该转子201开始运行，该转子201产生一股大的施加于水动力装置200的下游拖曳力，引起水动力装置200前缘朝下地旋转，如图2A所示。该水动力装置200将前缘朝下地旋转直至下沉力211产生的力矩基本等于并反向于翼202引起的前缘朝上的力矩和作用于CG214上方的转子201的拖曳力产生的前缘朝上的力矩之和。该翼202引起的前缘朝上的力矩可通过升降控制面203的后缘向上角度偏转212而增加。由于水动力装置200的前缘朝下转动，相对于转子201的转轴204，出现了卷起角度206，从而因为一个近似等于角206的余弦的三次方的因数导致能量转换性能的降低。
为了使水动力装置200回复到水平平衡姿态，升降控制面偏转器203可用于进一步向上偏转后缘到角度212，从而向翼202增加向下的力并导致水动力装置200的前缘朝上力矩的产生。该翼202上增大的向下的力会产生一个后缘下洗流倾角(或尾流)以向下游漂移并冲向转子201，从而使该转子201经历一个明显的卷起角度212，该卷起角度212是已经存在的几何卷起角度206之外的卷起角度，两者都会降低转子201的能量转换性能。在浅偏转角207的情况下，系泊缆绳208必定是长的、更重的、费用更高的。
在一个更陡峭的偏转角207的情况下，下沉力211的幅值将增加，从而作用在水动力装置200的下沉力矩增加。由于该更陡峭的偏转角207，转子201变得更加卷起，更加低效，其需要一个更大和费用更高的翼202来产生所需的前缘朝上回复力矩以平衡水动力装置200。若系泊缆绳连接点向后移向CG214位置以试图通过缩短与下沉力211有关的杠杆臂来减少下沉力矩，则水动力装置200会损失方向稳定性以及损失将偏航中的自己同迎面而来的流向对准的能力。
图2B示出了水动力装置220，其CB239和CG234基本处于该装置长度方向的相同位置处。尽管如此，当水动力装置220基本处于水平平衡姿态(未示出)时，CB239直接位于CG234的上方。该水动力装置220受系泊缆绳228控制，该系泊缆绳228相对于水平面的偏转角227比图2A中水动力装置200的更陡峭。该系泊缆绳228可传递矢量力229、230、231到水动力装置220，包括下沉力231，如图2B所示。
在转子221开始运行之前，该水动力装置220呈水平状态(未示出)。当该转子221开始运行时，它将产生一股大的拖曳力，引起水动力装置220前缘朝下地旋转，如图2B所示。由于该水动力装置220前缘朝下地旋转，CB 239上升到CG 234的上游。当下沉力231产生的力矩基本等于并反向于翼222引起的前缘朝上的力矩、作用在CG234上方的转子221的拖曳力产生的前缘朝上的力矩和CB 239与CG 234之间的纵向间距235产生的前缘朝上的力矩之和，该水动力装置220的前缘朝下的转动将停止。由翼232引起的前缘朝上的力矩可由升降控制面223的后缘向上角度偏转232而增加。该纵向间距235可能成为水动力装置220前缘朝下转动的唯一结果。CG 234相对于CB 239会有一个高度间距236。由于CG 234和CB 239之间的纵向间距235所代表的附加力矩作用，相对于图2A所示卷起角度206，卷起角度226减小了。
为了使水动力装置220回复到水平平衡姿态，需要增加后缘升降控制面223的偏转角232，从而将流倾角引入或增加到下游转子221。该流倾角会使转子221经历除先前描述的几何卷起角度226以外的另一个明显的卷起角度232，从而降低了转子221的能量转换性能.
在浅的偏转角227的情况下，系泊缆绳228必定是长的、费用更高和更重的。在更陡峭的偏转角227的情况下，转子221变得更加卷起和更加低效，其要求更大、费用更高的翼222来为水动力装置220产生所需的前缘朝上回复力矩。若系泊缆绳连接点向后移向CG234的位置以试图通过缩短与下沉力231有关的力臂来减少下沉力矩，则水动力装置220将损失方向稳定性和失去将偏航中的自己同迎面而来的流向对准的能力。
图2C示出了根据本发明原理的水动力装置240(或100)的示例。当水动力装置240基本处于水平平衡姿态时，该装置的CB259位于CG254上方和上游。CG 254相对于CB 259有一个高度间距256.。水动力装置240受系泊缆绳248控制，该系泊缆绳248有一个比图2A、图2B中的偏转角207或227更陡峭的相对于水平面的偏转角247(或图1B中的角121)。该系泊缆绳248可传递矢量力249、250、251到水动力装置240，包括下沉力251.
在转子241(或109)运行之前，水动力装置240呈前缘有一定高度的姿态(未示出)，其中该水动力装置240的前缘向上旋转，CB 259与CG 254之间的间距255最小。当转子241开始运行时，它将产生一股大的向下的拖曳力，导致水动力装置240的前缘从，例如前缘具有一定高度的姿态，朝下旋转。当下沉力251产生的力矩基本等于作用在水动力装置240上的、CG上方的转子拖曳力产生的前缘朝上的力矩和CB 259与CG 254之间的纵向间距255产生的主体纵摇力矩之和，并且方向相反时，水动力装置240的前缘朝下转动将停止。通过使CB 259位于CG 254上方和上游，该水动力装置240将基本保持在水平稳定状态的平衡运行姿态，此时，该装置240相对于转子241的转轴244的几何卷起角度几乎为零。由于不再需要翼242(或106)的平衡力矩，后缘升降控制面243的偏转角252为零，流倾角会被避免或最小化，因此，不会引入到转子241。相应地，转子241将保持在最高效的运行状态，提供最佳的能量转换性能。
如图2C所示，该偏转角24明显比图2A、图2B中所示的偏转角207、227更加陡峭。相应地，系泊缆绳248将比图2A、图2B中所示的系泊缆绳208、228更短，费用更低且更轻。通过调整CB 259和CG 254之间的纵向间距255，水动力装置240可配置为抵消从系泊缆绳248传递而来的更大下沉力矩，而不出现由转子241的几何或明显的卷起角度引起的效率损失。因此，可以在将能量转换性能进行最大化的同时保证水动力装置240的纵摇稳定性和水平平衡姿态。
如前所述，龙骨套筒260(或111)可包括可移动配重块(未示出)，船身101可包括一个或多个压载舱(未示出)。可通过调整龙骨套筒260的配重块(例如，在龙骨套筒260内将配重块向前或向后移动)和/或改变一对前和后压载舱(位于船身内)之间的水压载来调整CG 254的位置。此外，通过调整龙骨套筒260内的配重块和改变前和后压载舱之间的水压载来调整CB 259和CG 254之间的纵向间距255的大小，使水动力装置240保持在水平稳定状态得平衡运行姿态，同时转子卷起角度246几乎为零且几乎没有翼242(或106)产生的升力，从而避免转子241经历任何几何或明显的卷起角度。相应地，水动力装置240的纵摇会得以稳定，水平稳定状态的平衡运行姿态将得以保持而不牺牲转子241的能量转换性能。
根据本发明的一个实施例，翼242(或106)可完全从水动力装置240(或100)去除。在本实施例中，被系泊的水动力装置240的纵摇、横摇和/或拖曳的稳定性可由其余的手段完成。
根据本发明的另一个实施例，翼242(或106)可位于接近CG254的位置，从而可单独用于使水动力装置240提升、下沉。或者(或附加地)，翼242可置于远离CG 254的位置，并用作配平装置和提升装置。
根据本发明的原理，保护带102位于水动力装置240上前方合理远的位置以实现方位稳定和该装置偏航对准性能的最大化。CB 259和CG 254之间的纵向间距255产生的主体纵摇力矩有助于抗衡增加的由作用在保护带102的连接点的合理远的前方的下沉力所产生的下沉力矩。
图3A-3C示出了农田阵列的完全沉浸在水中运行的水动力装置300、310、320的多个例子，自由流水流流向如箭头C所示。特别地，图3A示出了在浅的系泊缆绳偏转角301(或207)情况下洋流农田阵列的水动力装置300(或200)的示例的侧视图。图3B示出了在中等系泊缆绳偏转角311(或227)情况下洋流农田阵列的水动力装置310(或220)的示例的侧视图；图3C示出了在陡峭的系泊缆绳偏转角321(或121，或247)情况下洋流农田阵列的水动力装置320(或240，或100)的示例的侧视图。
参照图3A，水动力装置300大体对应于图2A所示的水动力装置200。水动力装置300配置在农田阵列中，每个水动力装置300连接到具有浅的偏转角301的系泊缆绳。如图3A所示，浅的系泊缆绳偏转角301要求的系泊缆绳303比图3B或3C所示农田阵列要求的更长、费用更高且更重。此外，会产生一个显著的卷起角度305，其导致水平轴转子的能量转换性能显著下降。除了系泊缆绳303的成本和长度增加外，此类系泊缆绳更沉，因此需要更大且费用更高的水动力装置、浮力容积、或更大的翼升力面来支撑系泊缆绳303增加的重量。
系泊重叠距离302表示上游水动力装置300的位置与相邻下游水动力装置300的表面床锚固位置306之间的距离。为了在装置300的图案部署阵列内增加水动力装置300的密度，以及通过使用最小的总地理面积来最大化地使用自然资源，可增加系泊重叠距离302，从而使下游方向的连续行的装置300移动到离装置300的上游行更近的位置。由于带有冗长的系泊缆绳303，考虑到例如，系泊缆绳303可能相互缠结、相邻的装置300可能相互撞击、维修锚固位置316或水动力装置300的系泊缆绳303会更加困难，因为只有去上游相邻的运行中的水动力装置300的正下方才能接近它们，因此会使增加系泊重叠距离302成为问题。
参照图3B，水动力装置310基本对应于图2B的水动力装置220。在农田阵列的水动力装置310中，多个系泊缆绳313的偏转角311比图3A中农田阵列的系泊缆绳303的偏转角更陡峭。相应地，相比图3A农田阵列的系泊缆绳303，采用的系泊缆绳313更短、费用更低、更轻。与图3A的重叠距离302相比，系泊缆绳重叠距离312减小了，但增加了给定的地理区域中水动力装置310的密度。
此外，虽然比图3A中水动力装置300引入的卷起角305小，水动力装置310也引入了显著的卷起角315，该卷起角315造成水平轴转子的能量转换性能显著下降。
参照图3C，水动力装置320大体对应于图2B中的水动力装置240，或图1A、图1B中的水动力装置100。凭借CB 259位于CG 254上方和上游，如图2C所示，水动力装置320可利用产生的主体纵摇力矩以允许最陡峭的系泊缆绳偏转角321，从而，允许采用最短、最轻且费用最低的系泊缆绳323，同时允许水动力装置320维持在卷起角度325几乎为零(几何或明显的)的水平稳定平衡运行姿态，该卷起角度提供最佳的能量转换性能。进一步地，可在更小的地理区域内部署更多数量的水动力装置320，从而最大限度地利用自然资源，同时最大限度地减小了上游水动力装置320的位置与相邻下游水动力装置300的表面床锚固位置326之间的系泊缆绳重叠距离322，以避免系泊缆绳缠结的风险和维修锚或相邻水动力装置320的系泊缆绳的复杂化。
图4A是类似于或基本相同于图1A所示的水动力装置100或图2C所示的水动力装置240的水动力装置400的侧视图。该水动力装置400包括至少两种机制将CG 404(或254)相对于CB 416(或259)前后移动以改变水动力装置400的主体纵摇力矩的幅值。例如，该水动力装置400可包括一对位于前端和尾部的压载舱401、402。如图4A所示，前面放置的压载舱401被示为近似空的而压载舱402被示为几乎满的。该水动力装置400可进一步包括泵(未示出)，其用于在压载舱401和402之间转移水。该水动力装置400可进一步包括位于龙骨套筒260(或111)内的可移动的配重块403。该配重块403可配置为沿着龙骨套筒260的长度纵向地移动，从前往后移动，或从后往前移动。转轴由405表示。
该水动力装置400内几乎满的压载舱402和配重块403的最向后的位置代表最大载荷状态。该最大载荷状态可包括，例如，CG 254位于最向后的位置404，对应于水动力装置400上产生的主体纵摇力矩的最大幅值。
图4B是水动力装置400(由410表示)的侧视图，该装置的载荷状态为CG 254位于最前端的位置414，对应于水动力装置400上产生的主体纵摇力矩的最小幅值。可见，置于前方的压载舱401(由411表示)是接近满的而置于后方的压载舱402(由412表示)是接近空的。进一步地，可移动的配重块403(由413表示)位于前端。压载舱401、402和/或配重块403可用于调整CG 254的位置，从而改变水动力装置400的主体纵摇力矩的幅值，以维持基本水平稳定状态的平衡运行姿态，进而通过将转子241(或109)转轴与自由流流向对准来实现能量转换性能的最大化。转轴由415表示。
图5A是类似于或几乎完全相同于图1A所示的水动力装置100或图2C所示的水动力装置240的水动力装置500的前视图。参照图5A，自由流水流C流入到水平轴转子501(或109，或241)以例如逆时针方向502绕转轴旋转的面，其流入方向与该面的表面垂直。该水动力装置500具有CB 259(由505表示)和CG 254(由508表示)。
在运行过程中，转子501施加一个横摇力矩，称为不良扭矩，到水动力装置500，试图例如以逆时针方向502横摇动水动力装置500。例如，该水动力装置500横摇到倾斜角507，这时，不良扭矩基本被静负载503的重量和/或通过杠杆臂距离506作用的配重块403(由503所示)的重量产生的横摇回复力矩抵消。该倾斜角507的幅值与龙骨105(由510表示)的长度、静负载503的重量、和/或配重块503的重量成反比。因此，通过使用更长的龙骨510、更重的静负载503和/或更重的配重块503，只需要较小的倾斜角507便可产生抗衡的横摇力矩来抵消运行的转子501产生的不良扭矩。因此，加重的龙骨510可起矫正摆的作用。
尽管如此，如图5A所示，水动力装置500可能会与垂直参考平面509成角度偏移，例如向右边倾斜，而不位于优选的正直垂直方向。当水动力装置500的对称垂直平面504与垂直参考平面509一致时，该优选的正直垂直方向出现。为了提供所需的横摇力矩以抵消转子501产生的不良扭矩并同时获得水动力装置500的优选的正直垂直方向，龙骨载重513可相对水动力装置500的对称垂直平面504横向偏离，如图5B所示。
图5B是水动力装置500的前视图，其中，转子501处于非运行状态且水动力装置500转动到左边，龙骨载重513处于垂直于水动力装置500的对称垂直面504的位置，并连接到龙骨510或与龙骨510形成一个整体。龙骨载重513可配置为相对于水动力装置500的对称垂直平面504偏离一段距离516。如图5B所示，转子不运行时，水动力装置500将横摇到左边，从而将CB515和CG 518与垂直参考面509垂直对准。
图5C是水动力装置500的前视图，其中转子501处于运行状态且水动力装置500处于优选的垂直方向，即水动力装置500的对称垂直平面504与垂直参考平面509一致。龙骨载重513位于与水动力装置500的对称垂直面504基本垂直的位置。
图5C中，转子501正在运行且以，例如，方向522旋转，水动力装置500从先前的左边倾斜位置(图5B所示)转动到右边位置，从而将水动力装置500矫正到与垂直参考平面509对齐或平行的优选垂直方向。在该运行状态下，CG 528横向移动并置于，例如，CB 525的左侧，从而产生持续的横摇力矩以抗衡运行着的转子501产生的不良扭矩。
如图5C所示，水动力装置500可包括一个或多个不同的控制面偏转器533，其可设置于翼106(由531表示)上。偏转器533可提供额外的可抗衡转子501所产生的不良扭矩的矫正力矩。
进一步地，水动力装置500可包括多个连接到翼531或与翼531形成一个整体的翼舱532。该翼舱532可置于翼531的远端(例如，图5C所示的翼尖舱)，或处于翼531的远端和船体101之间的位置。可通过交替地往翼舱532注入或排出水来提供额外的矫正力矩以抗衡运行着的转子501所产生的不良扭矩。
进一步地，水动力装置500可包括位于龙骨524的远端的控制面偏转器535，如图5C所示。
图6A是类似于或几乎完全相同于图1A所示的水动力装置100或图2C所示的水动力装置240的水动力装置600的透视图。图6A中，水动力装置600具有处于完全平展的不运行状态的转子叶片601以及位于腹侧龙骨603、处于偏转位置的拖曳诱导器602，从而产生高拖曳状态。所示的拖曳诱导器602包括，例如，一对分裂式阻力板。
图6B是水动力装置600的前视图，其中拖曳诱导器602配置成高拖曳状态。在图6B中，可偏转拖曳诱导器602的分裂式阻力板以提供大的前部区域，从而在自由流水流C的力量作用下给予实质性的拖曳。
系泊缆绳下沉力与转子拖曳力(例如，图2C中的下沉力251)的幅值成正比。相应地，转子拖曳力的存在或移除会引起系泊缆绳下沉力幅值大的变化，并从而改变维持水动力装置600运行的特定深度所需的垂直力平衡。每当转子拖曳力不存在或最小的时候，拖曳诱导器602都会提供代理或代替该转子拖曳力的拖曳力。该拖曳诱导器602提供防止在水动力装置600的位置处出现大的前后移动的代理转子拖曳力的拖曳力，该前后移动会发生在转子叶片俯仰角度从转子运行状态到转子不运行状态的过度过程中。水动力装置600位置上出现大的前后移动可能会是一个大的问题，因为该移动会使上游的系泊缆绳松弛，这在常规布置的、相邻的装置600可能有相互碰撞的风险(例如，图7所示)的洋流农田阵列中是一个特别需要考虑的问题。
拖曳诱导器602在转子不运行时可配置成高拖曳状态，在转子运行时可回缩至低拖曳或无拖曳状态。进一步地，在通过例如，使用可变节距控制转子毂使转子叶片602俯仰角产生或消除的过程中，拖曳诱导器602可以一定的方式和速率缩回或伸展，以将作用在水动力装置600上的总拖曳力(或总垂直力)保持在一个恒定值，从而在转子运行状态与转子不运行状态间提供无缝转换。
拖曳诱导器602可包括多个高拖曳装置，包括，例如，分裂式拖曳阻力板、可偏转的襟翼或类似物、位于翼或前后平衡面的可展开的襟翼、位于水动力装置600的其它表面的弹出或突出的防失速拦板、可90度倾斜偏转的翼或平衡面、可从水动力装置600的内舱弹出的系泊减速气球或系泊降落伞，或其它可缩回至低拖曳或无拖曳状态的可展开的高拖曳装置。
图7是洋流农田阵列的侧视图，该洋流农田阵列包括处于不同运行状态的多个水动力装置700、701、702、703和706。每个水动力装置700、701、702、703和706都与图1A所示的水动力装置100或图2C所示的水动力装置240类似或基本相同。为了更好地说明，水动力装置700、701、702、703和706将参照图1A所示的水动力装置100进行描述。
水动力装置700、701和702以基本水平平衡稳定状态运行在额定速度出现、从而预定功率由机载发电机产生(未示出)的深度。水动力装置703使其转子109处于空闲状态，以及为了说明，使拖曳诱导器112缩回至无拖曳或低拖曳状态。相应地，系泊缆绳705处于悬链线状态，导致水动力装置703在位置上向前冲，对紧邻的上游水动力装置701产生撞击的风险。通过将拖曳诱导器112展开至高拖曳状态，水动力装置703会将系泊缆绳705拉紧并向下退至位置704，从而降低与水动力装置701撞击的风险。
水动力装置704的转子叶片完全展开，转子109不运行，并且拖曳诱导器112展开至高拖曳状态，在其翼106上的下沉力和压载舱增加的海水的帮助下(例如，图4A中的401，402)，水动力装置704可维持在额定速度出现的深度并处于转子不运行(或基本不运行)的闲置耗能状态。
所示水动力装置706处于表面半淹没的状态，其转子109不运行，拖曳诱导器112展开至中等偏转角度，从而产生足够数量的拖曳力使系泊缆绳705绷紧，但又不至于将下沉力增加到可以将水动力装置706拉至更深位置的程度。在此情况下，水动力装置706可通过来自水面舰船707的工作人员进行维护和修理。为了下降到运行深度，水动力装置706可完全展开拖曳诱导器112至高拖曳状态，从而增加下沉力并将水动力装置706向下拉至水面下方。一旦位于水面下方，翼106便可旋转至负偏转角以产生下沉力。同时(或不同时)，压载舱(例如，如图4A、4B所示)可被注入海水以增加水动力装置706的重量并使装置706下降至位置708，在该位置处，额定速度出现。在该深度处，可在逐渐缩回至低拖曳状态的拖曳诱导器112和正处于将转子叶片俯仰角调整到运行状态的角度的转子109之间发生拖曳力转换，从而增加由转子109在自身进入运行状态时所产生的拖曳力。在转子代理(由拖曳诱导器112产生)和特定深度的转子109之间出现的该拖曳力转换，使得作用在整个水动力装置706上的垂直力平衡保持基本为零，且该装置在正在减少下沉力的翼106和在转子工作过程中进行卸载的压载舱401，402的帮助下，以额定速度维持在特定深度，此处的额定功率由水动力装置706产生。当转子109转换到非运行状态时，会出现类似但反向的拖曳力转换，其中在水动力装置706受控上升前，出现拖曳力从转子109向拖曳诱导器112的转移。这两个拖曳转换顺序，包括，从转子109运行状态到转子109不运行状态，和从转子109不运行状态到转子109运行状态，分别被称为转子闲置转换协议和转子使用转换协议。其描述在共同未决的美国专利申请序列号NO.______(代理人Dkt.No.2056997-5007US)，与该即时申请同日提出，发明名称为“包含阵列的水动力装置的电力控制协议”(POWER CONTROL PROTOCOL FOR A HYDROKINETIC DEVICEINCLUDING AN ARRAY THEREOF)，其公开的全文通过援引并入本申请，用于本文前面所描述的一切目的。
水动力装置100可借由系泊系统保持在水中，例如，该系泊系统为在共同未决的美国专利申请序列号为NO.______(代理人Dkt.No.2056997-5006US)、与本即时申请同日提出的发明名称为“系泊的水动力的系泊系统及其阵列”(MOORING SYSTEM FOR A TETHERED HYDROKINETICAND AN ARRAY THEREOF)中描述的系泊系统，该公开的全文通过援引并入本申请，用于所有在此处描述的目的。
进一步地，水动力装置100可包括自身带有能量存储储存器的可变控制转子毂，例如，在共同未决的美国专利申请序列号为NO.______(代理人Dkt.No.2056997-5005US)、与本即时申请同日提出的发明名称为“带有自给的能量存储储存器的可变控制转子毂”(VARIABLE CONTROL ROTOR HUBWITH SELF-CONTAINED ENERGY STORAGE RESERVOIR)中描述的转子毂，其公开的全文通过援引并入本申请，用于所有此处描述的目的。
图8显示了根据本发明的原理，用于探测和控制水动力装置的纵摇、横摇和拖曳的程序800。请同时参照图1A和图8，该程序800包括检测和确定水动力装置100的纵摇(步骤810)、检测和确定水动力装置100的转动(包括垂直对准)(步骤814)和/或水动力装置100的拖曳力(步骤818)。
如果确定水动力装置100的纵摇角超出俯仰角的预定范围(步骤820的“是”)，则通过，例如，可控性地、交替地往多个纵向分离的压载舱注入或排出水来调整水动力装置100的俯仰角，直至水动力装置100的俯仰角回到俯仰角的预定范围内(步骤830)，否则，不进行俯仰角调整(步骤820的“否”)。另外(或者)，可通过在龙骨套筒111内可控地移动配重块来调整俯仰角，直至水动力装置100的俯仰角回到俯仰角的预定范围内(步骤830)。另外(或者)，可通过可控地调整水平舵翼106的某些部分来改变俯仰角，包括，例如，可变的偏转角或一个或多个后缘，直至水动力装置100的俯仰角回到俯仰角的预定范围(步骤830)。
若确定水动力装置100的垂直对准位置位于预定的垂直对准位置范围之外(步骤824的“是”)，则可通过，例如，图5C所述的方法，其包括附加地(或者)往翼舱532注入或排出水、偏转升降控制面533或偏转舵控制面535(步骤834)来调整水动力装置100的垂直对准，否则，不进行转动对准(步骤824的“否”)。
若确定水动力装置100的拖曳力超出拖曳力的预定范围(步骤828的“是”)，则通过，例如，可控地缩回或展开拖曳诱导器112来调整水动力装置100的拖曳力，直至转子109产生的拖曳力和拖曳诱导器112产生的拖曳力的总和回到拖曳力的预定范围内(在步骤838)，否则，拖曳调整不会进行(步骤828的“否”)。附加地(或者)，可通过改变转子叶片107的俯仰角来调整作用在水动力装置100上的拖曳力，直至该拖曳力回复到可接受范围(步骤828的“是”)。转子109产生的拖曳力和拖曳诱导器112产生的拖曳力的总和可等于转子109在正常的运行状态中单独产生的拖曳力。
尽管所示检测和确定步骤810和818为同时进行，但也可在不同时间进行。类似地，确定步骤820、828和调整步骤830、838也可基本同时或不同时进行。
根据本发明的一个方面，提供的计算机可读介质可包括带有许多植入代码段的计算机程序。该计算机程序可包括用于程序800中步骤810到838中的每个步骤的代码段。当在水动力装置100内的机载计算机(未示出)中执行时，该计算机程序会引起对水动力装置100的纵摇、横摇和/或拖曳的探测和控制。
根据本发明的多个实施例，本文描述的方法旨在作为运行在计算机上的软件程序进行操作。专用硬件设施也可构建来实施本文所述的方法，包括，但不限于，应用专门的集成电路、可编程逻辑阵列和其他硬件设备。此外，替代性的软件设施也可构建来实施本文所述的方法，包括，但不限于，分布式处理或组件/对象的分布式处理、并行处理或虚拟机处理。
尽管本说明书参考了特定的标准和协议来描述在实施例中实施的部件和功能，本发明并不限于此类标准和协议。相应地，具有相同功能的替换标准和协议被认为是等效的。
虽然本发明以示例性实施例来描述，本领域技术人员将意识到本发明在应用过程中可在所附权利要求的精神和范围内进行变形。前面所给的这些例子仅用于阐述，并不意味着其为本发明所有可能的设计、实施例、应用或变形的总清单。

Claims (20)

1.一种用于从水流中提取能量的水动力装置，该装置包括：
浮力体；和
连接到该浮力体、用于驱动发电机的转子；
其中，该浮力体和该转子共同确定浮力中心和重心，该浮力中心位于该重心的上方和上游。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
用于调整所述重心的可移动配重块。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
用于调整所述重心的可变压载。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
具有升降控制面的水平舵翼。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
连接到所述浮力体的龙骨，该龙骨包括连接到远端的静负载。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转子配置成选择性地对准或偏离水流。
7.一种用于从水流中提取能量的水动力装置，该装置包括：
浮力体；
连接到该浮力体并用于驱动发电机的转子；
连接到该浮力体的龙骨；和
连接到该龙骨的远端的静负载。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述静负载相对于所述浮力体的对称垂直平面偏离。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述静负载在前端和尾部之间，或左边和右边之间是可移动的。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
多个横向分离的压载舱，其配置成交替地排出水或加入水。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
水动力升力面，其配置成提供横摇力矩。
12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
配置成展开不同的拖曳状态的拖曳诱导器，其中，所述不同的拖曳状态包括高拖曳状态、低拖曳状态或中间拖曳状态。
13.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
配置成展开高拖曳状态、低拖曳状态或中间拖曳状态的拖曳诱导器。
14.一种用于从水流中提取能量的水动力装置，该系统包括：
浮力体；
连接到该浮力体并用于驱动发电机的转子；以及
配置成展开不同的拖曳状态的拖曳诱导器，其中，所述不同的拖曳状态包括高拖曳状态、低拖曳状态或中间拖曳状态。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述转子配置成对准或偏离水流。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，当所述转子被使用时，所述拖曳诱导器配置成不工作。
17.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，当所述转子不被使用时，所述拖曳诱导器配置成工作。
18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
连接到所述浮力体的龙骨，该龙骨包括连接到远端的静负载。
19.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
用于调整重心的可变压载。
20.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
具有可变倾角机制或升降控制面的水平舵翼。
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PB01 Publication
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