CN103038422A - 连接至海上平台支柱的利用振荡水柱的波能提取装置 - Google Patents

Abstract

一种海上平台，包括一支撑结构，该支撑结构用于将水体中的工作站支撑在海上位置处。该支撑结构具有一安装部和安装至该安装部的至少一个导管。该导管设置为用于接收来自水体的振荡水柱，其中，振荡水柱的振荡产生用于驱动能量提取组件的流体流。

Description

连接至海上平台支柱的利用振荡水柱的波能提取装置

技术领域

本发明涉及可持续能源发电的领域。更特别地，本发明涉及海洋波浪能提取装置及其方法的改进。

发明背景

以下对现有技术进行探讨，以将本发明内容结合适当的技术背景，使其优点被更充分地理解。然而，贯穿本说明书的对现有技术的任何论述都不应被认为是对现有技术是广为人知的或形成本领域公知常识的一部分的明示或默示的承认。

环境问题以及意识到有限的传统易燃碳氢燃源资源已引起了对可持续无污染能源的研究，诸如波、风、潮汐、地热及太阳能。

已经提出了许多种不同类型的波力发电装置。许多装置是基于利用波浪运动所固有的垂直运动的原理来影响涡轮机的转动，以直接或间接地驱动发电机发电。此类系统的一个固有的缺点在于系统的性能强烈地依赖于系统相对进入海浪的方向的事实。已经做出了一些努力来克服与盛行海浪的方向变化有关的问题。然而，此类系统可能极其昂贵，因而并非商业可行的。为了使此类系统在商业上可行并为投资者提供投资回报，利用可再生能源必然要求降低成本支出。

将定制的独特能量提取单元配置在相对盛行海浪的特定方向必然导致设计和结构的复杂性增加，因而导致这些单元和作为一个整体的系统的成本相关联地增加。

许多已知波力发电装置的另一个缺点在于，此类装置通常包括连接至单个能量转换装置的多个导管，诸如一涡轮机，其必然需要合并了来自单独振荡水柱(OWC)的各个流体流的复杂系统。此类流体的合并又必然会提高这些波力发电装置的设计和制造成本。

已发现，与试图处理上述问题有关的额外费用常常是如此之高，以至于他们可能提供了商业上不可行的装置。此外，建立迄今为止已提出的那些装置所需要的显著的资本支出充当商业投资的障碍。特别地，资本支出的程度常常会充当投资者的障碍，因为投资回报在某种程度上受到装置的资本支出与装置的运行效率之间的关系的限制。

海洋波能提取器的效率还可能会受波浪通过装置时装置相对海底的上下浮动的负面影响。旨在抵消这些非期望波动的系泊系统通常是复杂且极其昂贵的。此外，一般来说，此类系泊系统在阻止装置的浮动方面是不够的。

本发明的目的是克服或改善现有技术的一或多个缺点，或至少提供一种有用的替代。

发明内容

本发明第一方面提供一海上平台，包括：

一支撑结构，用于将一水体中的工作站支撑在一离岸的位置，该支撑结构具有一安装部；以及

至少一个导管，安装至所述安装部，该导管设置为用于接收来自水体的一振荡水柱，其中，该振荡水柱的振荡产生一流体流，用于驱动一能量提取组件。

优选地，两个或两个以上导管安装至安装部。优选地，导管或每个导管安装至安装部的方式使得导管的入口浸没在水体内，而导管的出口在水体之上。优选地，各导管的入口位于所预期的最低波谷之下，而出口在所预期的最高波峰之上。优选地，各导管的安装使得导管的入口保持在该水体底部(例如，海底)以上一预定固定高度处。

优选地，各导管保持在海底之上的相同高度处。在其他实施例中，至少两个导管保持在海底之上的不同高度处。在一些实施例中，各导管分别保持在海底之上的不同高度处。优选地，使用中，各导管保持处在海底之上的高度大体上是固定的。

优选地，使用中，支撑结构位于水体中，使得安装部大约布置在水体的平均水平面处。

优选地，支撑结构为一刚性支柱或塔架的形式。在某些实施例中，该支撑结构包括两个或两个以上刚性支柱，两个或两个以上刚性支柱互相连接，并且彼此相互之间保持固定间距。优选地，刚性支柱布置在水体中以便具有一大体上垂直的方向。在某些优选实施例中，支撑结构包括四个刚性支柱。优选地，当从上面看时，该四个刚性支柱经布置形成一正方形或矩形构造。在某些实施例中，刚性塔架由钢和/或混凝土组成。

优选地，海上平台为固定的。优选地，刚性支柱固定地锚定至海底。在其他实施例中，支撑结构的刚性支柱经由一系泊系统固定至海底。在一些实施例中，一压载元件或系统连接至刚性支柱以稳定该支撑结构。

两个或两个以上导管优选以围绕支撑结构对称的形式布置。在某些实施例中，相同的对称形式围绕支撑结构的各支柱布置。优选地，导管围绕海上结构的支腿环绕地布置。优选地，导管为圆形构造。在其他优选实施例中，导管围绕支撑结构的一或多个支柱以不对称的形式布置。在另外的其他形式中，一种对称形式和不对称形式的组合安装至支撑结构的各个支柱。

在某些实施例中，安装装置适应于加强支撑结构，从而提高支撑结构的额定负载。在其他实施例中，使用中，单独的加强装置固定至支撑结构以提高其额定负载，用于支撑由安装至支撑结构的导管施加至支撑结构的静力和动力。优选地，加强装置固定在支撑结构的安装部上或邻近支撑结构的安装部固定。

在一些优选实施例中，安装部为一凹陷的形式，以使得导管安装在该凹陷内。在某些优选形式中，安装部包括一系列不连续的凹陷，用以安装各导管。在其他形式中，凹陷围绕支撑结构连续地延伸，使得安装部构成支撑结构的横截面积减小的一区域。在一些实施例中，凹陷设置为使得导管收容在该凹陷内，导管的外表面与支撑结构的外表面大体上齐平。或者，凹陷可以设置为使导管的一部分接收在该凹陷内，导管的其余部分凸出于支撑结构的外表面。

在其他优选实施例中，安装部为一凸起的形式，该凸起自支撑结构的外表面向外凸起。安装部可包括多个凸起，各凸起设置为用于安装单独的导管。或者，导管可以安装至成对或成组的凸起。在其他形式中，凸起为环绕支撑结构的连续带或小环形式，以使得两个或两个以上导管可安装至该带或小环。

优选地，能量提取组件包括与导管成流体连通的一涡轮机，以使得涡轮机可由振荡水柱产生的流体流驱动。优选地，振荡水柱产生的流体流为一气流，更优选为一双向气流。

在某些实施例中，来自各导管的双向气流用以驱动单个涡轮机。在其他实施例中，单独的涡轮机分别连接至各导管，并由相关的振荡水柱产生的气流驱动。

优选地，能量提取组件包括连接至单个涡轮机或各涡轮机的一发电装置，用于产生电能。优选地，发电装置为一发电机。在某些实施例中，各能量提取组件分别具有一发电机，其设置为靠相关联的涡轮机而转动以产生电能。在其他实施例中，单个发电机连接至能量提取组件的各涡轮机，并通过其转动。

在某些实施例中，发电机产生的电能供应给一电栅。在其他形式中，电能供应给一能量储存装置，例如，供以后使用的电池组。在一些优选实施例中，储能用以向工作站供给能源。

优选地，海上平台为一石油钻塔或天然气钻塔。优选地，工作站为石油或天然气钻塔的甲板。优选地，工作站经由支撑结构保持在水体之上。

在一些实施例中，各能量提取组件直接连接至相关联导管的出口。在其他形式中，一单独流道，例如以一管道形式，从导管的出口伸出，并连接至能量提取组件的涡轮机。管道可安装为沿着或邻近支撑结构的外表面延伸。或者，支撑结构可具有一内部通道，该通道构成了用以驱动涡轮机的双向气流的流道。

本领域的技术人员应理解，管道和内部流道能够有利地使得能量提取组件相对导管定位在各种不同位置处。在一些实施例中，能量提取组件靠近相关联导管安装在支撑结构上。在其他实施例中，一支撑结构布置在工作站之下，用于支撑能量转换组件。在另外的其他实施例中，能量提取组件布置在工作站或甲板的上工作面上。

在特定的优选实施例中，导管是直的。在其他优选实施例中，导管为L形、U形、J形之一，或为使得导管内的振荡水柱随着水流过导管而改变行程的其他形状。

在一些优选实施例中，各导管通常为J形，以使得导管的一部分比另一部分长。优选地，入口部分比第二出口部分短。优选地，入口孔和出口孔分别布置在第一部分和第二部分的可操作的上表面。

优选地，各能量提取组件的导管至少具有一第一部分和一第二部分，第一和第二部分大体上平行，以使得振荡水柱随着水柱从第一部分流进第二部分而大约180度地改变行程，或反之亦然。在其他实施例中，各能量提取组件的导管至少具有一第一部分和一第二部分，第一和第二部分大体上垂直的，以使得振荡水柱随着水柱从第一部分流进第二部分而大约90度地改变行程，或反之亦然。在特定实施例中，导管具有三个或三个以上部分，其中，振荡水柱随着水柱从一部分流进下一部分而改变行程。优选地，导管的构造使得振荡水柱具有一双向交互的流道。

优选地，各导管和各能量提取组件分别具有大体上相同的构造。在其他形式中，各导管和各组件分别具有不同的配置，以便特定组件相对盛行海浪预期地定位和/或有助于保养程序。

优选地，各组件的导管经由一安装装置安装至海上结构。安装装置优选为一安装支架，更优选为一刚性安装支架。优选地，各导管安装在大体上垂直的方向。优选地，各导管(或优选地，导管的各部分)的纵轴大体上平行于牢固地安装导管的塔架的纵轴。

使用中，优选地，各导管设置为使得在振荡水柱与出口孔之间形成一空气室。

本发明第二方面提供了一种位于一水体中的海上平台的支撑结构，该支撑结构包括：

一支柱；

与支柱相关联的一安装部；及

至少一个振荡水柱导管，用于一波能提取装置，振荡水柱导管安装至安装部，以使得导管相对于水体的平均水平面保持在一预定固定高度处。

优选地，安装装置用于加强支柱，从而提高支柱的额定负载。在其他实施例中，单独的加强装置固定至支柱以提高其额定负载，用于支承由安装至支柱的至少一个振荡水柱导管施加至支柱的静力和动力。优选地，加强装置固定在支柱的安装部上或邻近支柱的安装部固定。

在某些优选实施例中，支柱形成了在导管内振荡的振荡水柱所产生的流体流的一流道，其中流体流可用以驱动一能量提取组件。流道可以是允许在支柱内流动的一内空通道。或者，流道可由布置在支柱的外表面形成的一凹槽中的一管道来限定。

本发明第三方面提供一种波能提取装置，其包括：

一支撑结构；

连接至支撑结构的两个或两个以上能量提取组件，各能量提取组件具有用于接收一振荡水柱的一导管、与导管成流体连通并可由振荡水柱所产生的流体流驱动的一涡轮机、可操作地连接至涡轮机以用于产生电能的一发电机；

其中，两个或两个以上能量提取组件具有大体相同的构造，并以对称的形式排布，以使得由两个或两个以上能量提取组件产生的结合总电能大体上恒定，与盛行波方向无关。

优选地，支撑结构为一支撑架，用于将能量提取组件的导管彼此相对以固定间隔的关系保持。优选地，该支撑结构形成一中心轴。优选地，两个或两个以上能量提取组件的对称形成围绕中心轴布置，更优选地，围绕中心轴同轴地布置。

优选地，两个或两个以上能量提取组件位于水体中，诸如海洋，以使得各水柱分别独立地响应于通过相关联导管的波浪的涨落而自由地振荡。

优选地，两个或两个以上能量提取组件布置在海洋中，相对于彼此并因此相对于盛行海浪面对不同的方向。在一些实施例中，能量提取组件具有两组或两组以上，其中，第一组组件相对于第二组组件面对不同的方向。

在特定的优选实施例中，两个或两个以上能量提取组件围绕中心轴排布成圆形结构。在一个优选实施例中，圆形结构包括围绕中心轴同心地布置的六个能量提取组件，其中一个能量提取组件直接面向来波，一个组件相对于来波面向+60度，一个组件相对于来波面向-60度，一个组件相对于来波面向+120度，一个组件于相对来波面向-120度，一个组件相对于来波面向+180度。

应了解，能量提取组件的对称排布的形式并不限于圆形结构，也可以同样如上所述的具有六个组件的形式，但是可为任何适当的对称排布方式，或者可以具有任何适当或期望数目的组件以满足所期望的设计和/或性能要求。特别地，对称排布可以构成为任何适当的对称多边形的形状。

在特定实施例中，能量提取组件设置为处于并排关系。在各个实施例中，处于并排关系的组件共享共同的侧壁。应了解，共同侧壁简化了波能提取装置的设计和结构，并有利地降低相关结构的成本。

也应了解，在各个大体上相同的能量提取组件相对于其它组件面向不同方向的情况下，与各组件相关的振荡水柱优选取决于能量提取组件相对于盛行海浪所面向的方向，在不同大小的波峰与波谷之间振荡。

优选地，支撑架和能量提取组件通过一系泊系统在水体中保持所期望的位置和方向。优选地，系泊系统将导管保持在水体底部之上的一预定高度处。优选地，系泊系统为一张紧-系泊系统。在特定实施例中，用于促进支撑架和能量提取组件浮动的一浮力元件或机构可与系泊系统组合使用，以帮助将导管维持在水体底部之上的预定高度处。

在其他优选实施例中，系泊系统可选自包括固定-系泊系统、浮动-系泊系统和松弛-系泊系统的组。

在特定的优选实施例中，整个波能提取装置仅需要单个系泊系统。本领域的技术人员应了解，使用单个系泊系统是有利的，因为这显著地降低了整体结构的复杂性，因而降低了与建造、调试和保养程序相关的总成本。

应了解，在某些实施例中，能量提取组件相对于盛行海浪保持固定关系，各组件的性能将取决于具体组件相对来波的方向。例如，直接面向来波的能量提取组件优选以接近100％的工作能力运行，背向来波“α”角度的那些组件将取决于取向角而低于最大能力运行。在特定实施例中，组件的工作能力随组件背向波的角度的增加而降低。

例如，相对于来波以60度的角度定位的能量提取组件可以以85％的能力运行，相对于来波成120度角度的组件可以以大约75％的能力运行，而那些背向来波(即，以180度定位)的组件可以以大约60％的能力运行。应了解，以上列出的数字仅出于说明的目的，且能量提取组件的实际性能将取决于组件的配置和盛行波活动。

优选地，如果波的方向改变，各能量提取组件将取决于其相对来波方向的取向角而以不同的工作能力运行。特别地，随着波的方向改变，至少一些单元将以更小的角度定位，或将更直接地面向来波并将开始以更高的能力运行。同样地，一些能量提取组件将以更大的角度定位或更进一步背向来波，因而以更低的工作能力运行。然而，优选地，对于所有的波方向来说，系统的总功率输出将基本保持相同。

优选地，各振荡水柱产生的流体流为双向的。优选地，与各流体流有关的流体为气体或液体之一。在某些实施例中，流体流为一气流。在这些实施例中，涡轮机可以例如为一空气驱动涡轮机，其优选地但非必然地，位于水体的平均水平面之上。在其他实施例中，流体流为一水流。在这些实施例中，涡轮机可以例如为一水轮机，其优选地但非必然地，浸没在水体的平均水平面之下。因此，应了解，涡轮机可由与振荡水柱有关的流体流直接或间接地驱动。

优选地，导管具有浸没在水体例如海洋中的一入口部分，以及设置为当入口部分浸没时在水体之上延伸的一出口部分。入口部分形成用于接收振荡水柱的一入口孔，由此，振荡水柱响应于通过导管的波的涨落而振动。

各入口孔优选背向中心轴，在其他实施例中，各入口孔设置为面向中心轴。在另外的其他形式中，一些导管设置为使它们的入口孔背向中心轴，一些入口孔则面向中心轴。

优选地，出口部分形成一位于振荡水柱之上的空气室，由此，来自波峰的向上压力引起振荡水柱上升，产生气流形式的一流体流，其穿过导管的出口孔。当波谷通过导管时，向下压力施加于振荡水柱上，以使得气体朝向振荡水柱流入出口腔室。在任一方向的气流作用于相关的涡轮机，引起涡轮机转子的机械转动。

优选地，涡轮机响应于双向流体流单向地运转。各涡轮机可以是气动涡轮机或水力涡轮机(即气动的或水力的)。在某些实施例中，涡轮机设置为使其旋转轴垂直于导管的纵轴。在其他实施例中，涡轮机设置为使其旋转轴大体上平行于导管的纵轴。在一些实施例中，涡轮机的旋转轴与导管同轴。

优选地，导管具有一恒定的内横截面。优选地，该内横截面为正方形、矩形及圆形之一。应了解，导管的内横截面可以为包括不规则形状的任何适当形状，且可以沿着导管的长度方向可变化大小和形状。

在一些实施例中，各导管具有锥形的侧壁，优选地，最宽处指向或靠近相关导管的入口孔。应了解，使用锥形导管简化了圆形或多边形构造的结构，特别是具有共享共同侧壁的组件的那些构造。

海洋波能提取装置可包括用于将导管停泊在期望位置处的一系泊系统。优选地，系泊系统为固定-系泊系统、浮动-系泊系统、张紧-系泊系统及松弛-系泊系统之一。

海洋波能提取装置可包括用于促进能量提取组件浮动的一浮力元件。在某些实施例中，浮力元件安装至导管和/或支撑架。

优选地，各能量提取组件具有一动态谐振控制件，角于动态地改变相关组件的导管的谐振频率。优选地，该动态谐振控制件用于将导管的谐振频率与盛行海浪的频率相匹配。在特定实施例中，动态谐振控制件包括相关导管的壁中的一调节孔，以及一可选择地移动的盖子或门，用于在全开位置与闭合位置之间选择性地调整调节孔的尺寸。盖子优选移动至全开位置与闭合位置之间的中间位置，以便为盛行海浪的频率提供可变长度导管的微调。优选地，盖子可滑动地安装在调节孔之上。

在其他优选形式中，动态谐振控制件包括用于选择性地调节导管长度的装置，从而将导管的谐振频率调节至大体上与盛行海浪的周期一致，并考虑到盛行波周期随时间的变化。在多种实施例中，导管具有用于改变导管长度的一可伸缩配置。导管的可伸缩配置可包括多个分离的部分，诸如多个管子，使管子之间可以相对滑动，以改变导管长度。优选地，各对可伸缩部分具有一相关锁定装置，用于将管子彼此之间相对锁定，以设置期望长度的导管。

优选地，动态谐振控制件包括用于传感导管内振荡水柱的振荡幅度的传感装置，其指示盛行海浪的周期。优选地，盖子与传感装置相连通，以使得传感器的信号用以移动盖子，调节导管的谐振频率，以符合当前波状况的频率。

优选地，导管设置为使得传感装置测量OWC的垂直振荡，而调节孔和门布置在导管入口部分的顶壁上，使得门响应于传感器信号大体水平地移动，以打开或关闭调节孔。

本发明第四方面提供一种波能提取装置，其包括：

两个或两个以上能量提取组件，以彼此相对固定的关系连接，各能量提取组件具有用于接收一振荡水柱的一导管、一涡轮机以及一发电机，涡轮机与导管成流体连通以使得涡轮机可由振荡水柱产生的一流体流驱动，发电机可操作地连接至涡轮机用于产生电能；

其中，两个或两个以上能量提取组件具有大体上相同的配置，且以对称的形式布置，以使得两个或两个以上能量提取组件产生的结合总电能大体上是恒定的，与盛行波方向无关。

本发明第五方面提供一种波能提取装置，其包括：

位于水体中的一海上刚性支撑结构；

牢固地安装至海上刚性支撑结构的至少一个能量提取组件，某能量提取组件或各能量提取组件具有用于接收来自水体的一振荡水柱的一导管，及一涡轮机，涡轮机与导管成流体连通，以使得该涡轮机可由振荡水柱产生的一流体流驱动；

其中，某或各能量提取组件的导管保持在水体海底之上的一预定高度处。

优选地，海上刚性支撑结构是固定的。优选地，海上刚性支撑结构固定地锚定至海底。优选地，支撑结构为刚性塔架或支柱的形式。在某些实施例中，刚性塔架由钢和/或混凝土组成。优选地，刚性塔架为一海上平台的支腿。优选地，海上平台为一石油钻塔或天然气钻塔。

优选地，波能提取装置包括两个或两个以上能量提取组件。优选地，各组件的导管保持在海底之上的相同高度处。在其他实施例中，至少两个导管保持在海底之上的不同高度处。在一些实施例中，各导管保持在海底之上的不同高度处。优选地，使用中，各导管保持在海底之上的高度大体上是固定的。

优选地，波能提取装置包括连接至涡轮机的发电装置，用于产生电能。优选地，发电装置为一发电机。在某些实施例中，各能量提取组件具有一发电机，发电机设置为通过相关联的涡轮机而转动以产生电能。在其他实施例中，波能提取装置包括单个发电机，单个发电机连接至能量提取组件的各涡轮机，并通过其转动。

在某些实施例中，发电机产生的电能供应给电栅。在其他形式中，电能供应给能量储存装置，例如，供以后使用的电池组。在一些优选实施例中，储能用以向海上平台供给能源。

优选地，各能量提取组件具有大体上相同的配置。在其他形式中，组件具有不同的配置，以使得特定组件相对盛行海浪预期地定位。

优选地，两个或两个以上能量提取组件围绕海上平台的支腿以对称的形式布置。在某些实施例中，相同的对称布置形式围绕海上平台的各支腿。在其他优选实施例中，能量提取组件围绕海上平台的一或多个支腿以不对称的形式布置。在另外的其他形式中，一种对称和不对称形式的组合安装至海上平台的各个支腿。

优选地，各组件的导管经由一安装装置安装至海上结构。安装装置优选为一安装支架，更优选为一刚性安装支架。

优选地，导管围绕海上结构的支腿呈圆环布置。导管优选为圆形构造。在一些实施例中，各导管安装至海上结构，以使得各导管邻接海上结构。在其他形式中，各导管安装的方式使其与安装导管的塔架的支腿间隔开。

优选地，各能量提取组件的导管具有至少一个第一部分和一第二部分，第一和第二部分大体上是平行的，以使得振荡水柱随着水柱从第一部分流进第二部分而改变行程，或反之亦然。优选地，具有至少一个第一部分和一第二部分的各导管大体上为U形。在某些实施例中，导管具有三个或三个以上部分，其中振荡水柱随着水柱从一部分流进下一部分而改变行程。优选地，导管设置为以使得振荡水柱具有一来回连接的流道。

优选地，各导管安装在大体上垂直的方向。优选地，各导管(或优选地，导管的各部分)的纵轴大体上平行于固定安装导管的塔架的纵轴。优选地，各导管具有浸没在水体内的一入口孔，及布置在水体之上的一出口孔，以使得在使用中振荡水柱与出口孔之间形成一空气室。优选地，使用中，入口孔布置在导管的第一部分与第二部分之间的带或连接处之上。优选地，入口孔是浸没的，使得入口孔布置在所预期最低波谷之下。

本发明第六方面提供一种波能提取装置，其包括：

至少一个能量提取组件，各能量提取组件具有用于接收振荡水柱的一导管、与导管成流体连通的一涡轮机，涡轮机可由振荡水柱产生的一流体流驱动；

其中，导管具有至少一个第一部分和一第二部分，第一和第二部分大体上是平行的，以使得振荡水柱随着水柱从第一部分流进第二部分而改变行程，或反之亦然。

优选地，各导管的第一部分和第二部分成形为使得导管或各导管大体上是U形的。在特定实施例中，导管具有三个或三个以上部分，其中，振荡水柱随着水柱从一个部分流进下一个部分而改变行程。优选地，导管的形状使得振荡水柱具有一来回连接的流道。

优选地，使用中，各导管安装在大体上垂直的方向。优选地，各导管(或优选地，导管的各部分)的纵轴大体上平行于固定安装导管的塔架的纵轴。优选地，各导管具有浸没在水体内的一入口孔及布置在水体之上的一出口孔，在使用中振荡水柱与出口孔之间形成一空气室。优选地，使用中，入口孔布置在导管的第一部分与第二部分之间的带或连接处之上。优选地，入口孔是浸没的，使入口孔布置在所预期最低波谷之下。

附图简要说明

下面将参照附图仅以举例方式描述本发明的优选实施例，其中：

图1是显示多个位置的一海上平台的侧视示意图，一能量提取组件可安装至该海上平台；

图2是根据本发明的一海上平台的第一实施例的部分侧视示意图；

图3是根据本发明的一海上平台的第二实施例的部分侧视示意图；

图4是一海上平台的一实施例的透视示意图，其中多个导管围绕一支柱以圆形构造布置；

图5为根据本发明的一波能提取器的一实施例的俯视示意图；

图6为图5的波能提取器的侧视图；

图7为图5和图6的波能提取器的能量提取组件的透视图；

图8为根据本发明的连接至一海上平台的一波能提取器的另一个实施例的侧视示意图；

图9为一局部俯视图，显示了波能提取器的能量提取组件的一种布置方式，波能提取器安装至海上平台的塔架；

图10为波能提取器的能量提取组件的另一种布置方式的俯视图，波能提取器安装至海上平台的塔架；

图11A至图11E显示了安装至一海上平台的塔架的能量提取组件的多种替代性的布置方式；

图12为一能量提取组件的侧视示意图，其中导管具有用于改变振荡水柱行程的一第一部分和一第二部分；

图13为一能量提取组件的侧视示意图，其中导管具有用于改变振荡水柱行程的四个部分；

图14为根据本发明的一波能提取装置的一实施例的侧视图，其采用图12所示的导管；

图15为采用四个或两个图12所示的导管的两个替代性布置的俯视图；

图16为根据本发明的一波能提取器的另一个实施例的侧视示意图，其连接至一海上平台且采用图12所示的导管。

具体实施方式

参照附图，本发明提供了一种海上平台1。平台1包括一呈四个互连刚性支柱2形式的支撑结构。刚性支柱2将诸如海洋4的水体中的呈甲板3形式的一工作站支撑于一海上位置处。刚性支柱2固定地锚定至海底。

参照图2所示的实施例，各支撑柱2具有一呈凹陷5形式的安装部。安装凹陷5围绕支柱2连续地延伸以形成一横截面减小的区域。支柱2位于水体中，使各凹陷大致布置在海洋的平均水平面(MSL)处。

多个导管6以围绕支柱2对称的形式安装在安装凹陷5中。各导管6成形为用于接收海洋的振荡水柱。振荡水柱响应于通过导管6的海浪的涨落而振动。

现参照图3所示的一替代实施例，安装部呈一凸起的形式，诸如一小环7，其自外表面向外凸起并环绕支柱2。如图3所示，若干导管6安装至小环7。

各导管6安装至安装凹陷5或小环7，以使得导管6的入口8浸没在海洋4内到达预期的最低波谷之下的深度，而导管6的出口9在预期的最高波峰之上。各导管牢固地安装至支柱2，以使得导管6的入口8保持在海底之上的一预定固定高度处。

加强装置10邻近安装部固定在支柱2上以提高其额定负载，用于支撑由安装至支撑结构的导管施加到支撑结构的静力和动力。

振荡水柱的振荡产生了双向气流形式的一流体流。双向气流用以驱动与导管6相关的一能量提取组件11。优选地，单独的能量提取组件11与各导管6相关联。

各能量提取组件包括与导管6成流体连通的一涡轮机12，以使得涡轮机12可由振荡水柱产生的双向气流驱动。

能量提取组件11包括发电机13形式的一发电装置，其连接至涡轮机或各涡轮机用于产生电能。

参见图1，能量提取组件11可相对导管6安装在多种不同的位置。一管道14或一穿过支柱2的内部通道15提供一流道，用于定向气流到达涡轮机12。如图1所示，能量提取组件11可邻近相关导管6安装在支柱2上。或者，一支撑平台16可布置在甲板3之下，用于支撑能量提取组件11。在其他替代中，能量提取组件11布置在甲板3的上工作面17上。

现参照图4图示的实施例，一组导管6以圆形构造安装至支柱2的安装部。各导管6大体呈J形，具有短于出口部分19的一入口部分18。入口孔和出口孔(20，21)分别布置在导管6的第一和第二部分的可操作的上表面中。

本领域的技术人员应了解，在其他优选实施例中，导管6和能量提取组件11可具有不同的配置，以使得特定组件相对盛行海浪预期地定位和/或有助于保养程序。例如，较小的导管6可安装至更难到达的支柱2的内侧。

现转向图5，其中图示了波能提取装置100的一实施例。装置100布置在水体，例如海洋200中。

波能提取装置100包括支撑架(未图示)形式的一支撑结构，多个能量提取组件300以彼此相对固定的关系连接至支撑结构。在图5所示的实施例中，支撑架形成一中心轴，六个能量提取组件300围绕该中心轴以对称六边形的形状同轴地分布。

应了解，能量提取组件的对称分布形式并不限于六边形，而是可为任何适当的对称形状，包括圆形、正方形或其他多边形。

各能量提取组件300具有用于接收海洋200的振荡水柱的一导管400。导管400具有浸没在海洋200的平均水平面(MSL)之下的用于接收振荡水柱的入口孔500，、在MSL之上延伸的一出口孔600，在振荡水柱与出口孔600之间形成一空气室。正如下文将更加详细描述的，振荡水柱响应横穿导管400的海浪的涨落而振动。这些振荡在空气室中引起压差，产生双向气流形式的一流体流。

一涡轮机700连接至各导管400的出口孔600，涡轮机700与导管400成流体连通。涡轮机700具有一转子(未图示)，其由振荡水柱产生的双向气流驱动。一发电机800可操作地连接至各涡轮机700，以通过转子的转动产生电能。

图5所示的实施例中，能量提取组件300包括导管400、涡轮机700及发电机800，能量提取组件300全都经有利地建造以具有大体上相同的配置。也就是说，各能量提取组件300的导管400、涡轮机700及发电机800利用相同的元件形成，并设置为相同的大小与形状，因而具有相等的最大运转能力。

本领域的技术人员应了解，利用以对称构造布置的大体上相同配置的能量提取组件300使得装置100产生的结合总电能大体上是恒定的，与盛行波的方向无关。利用同等配置的能量提取组件300在降低设计和建造成本方面提供了有利条件。这反过来为作为一个整体的装置100提供了改善且更具商业可行性的电力与成本比。

能量提取组件3布置在海洋200中，以相对彼此并因此相对盛行海浪的前进方向面向不同的方向。正如图6中最清楚图示的，支撑结构和能量提取组件300由一系泊系统900保持在海洋中所期望的固定位置和方向。系泊系统900将导管300保持在海底之上的一预定高度处。

对于整个波能提取装置100，图5和图6中图示的实施例有利的是仅需要单个系泊系统。应了解，使用单个系泊系统是有利的，因为这显著地降低了整体结构的复杂性，因而也降低了与建造、调试和保养程序有关的总成本。

在图5所示的实施例中，六边形构造包括围绕中心轴同心布置的六个能量提取组件3。一个能量提取组件直接面向来波，一个组件相对来波面向+60度，一个组件相对来波面向-60度，一个组件相对来波面向+120度，一个组件相对来波面向-120度，且一个组件相对来波面向+180度。

本领域的技术人员应了解，在每个大体上相同的能量提取组件300相对其他组件面向不同方向的情况下，取决于能量提取组件相对盛行海浪面向的方向，与各组件相关的独立振荡水柱将在不同大小的峰和谷之间振荡。

当能量提取组件300相对盛行海浪保持固定关系时，各组件300的性能将取决于特定组件300相对来波的方向。例如，直接面向来波的能量提取组件300将以接近100％的工作能力运行。相反地，背向来波“α”角度的那些组件300将取决于定向角度在最大能力以下运行。特别地，组件的工作能力随组件背向波的角度的增加而降低。

参见图5，例如，相对来波以±60度的角度定位的能量提取组件以大约85％的能力运行，相对来波成±120度的角度的组件以大约75％的能力运行，而背向来波(即以180度定位)的组件以大约60％的能力运行。

如果波的方向改变，各能量提取组件将取决于其相对来波方向的实时定向角度以不同的工作能力运行。特别地，当波的方向改变时，至少一些单元将以更小的角度定位，或将更直接地面向来波并开始以更高的能力运行。同样地，一些能量提取组件将以更大的角度定位，或更进一步背向来波，因而以更低的工作能力运行。然而，对于所有的波方向来说，系统的总功率输出将基本保持相同。

正如图7中最清楚地图示的，各导管具有锥形侧壁，最宽处指向或靠近相关导管的入口孔。应了解，利用锥形导管简化了圆形或多边形构造的结构，特别是组件共享共同侧壁或邻接侧壁的那些结构。

再参见图7，各能量提取组件具有一动态谐振控制件，用于动态地改变相关组件300的导管400的谐振频率。动态谐振控制件用以将装置100的导管400的谐振频率与盛行海浪的频率相匹配。动态谐振控制件包括相关导管4的壁111中的一调节孔110，及一可选择性地滑动的盖子或门120，用于在全开位置与闭合位置之间选择性地调整调节孔的尺寸。盖子120可滑动至完全打开位置与闭合位置之间的中间位置，以便微调孔110以将导管400的谐振频率与盛行海浪的频率相匹配。

动态谐振控制件包括幅度传感器130形式的传感装置，用于传感导管400内振荡水柱的振荡幅度，其指示盛行海浪的周期。可滑动盖子与幅度传感器130相连通，以使得传感器的信号用以引发盖子的运动，调节导管的谐振频率以符合当前波状况的频率。

正如图7中最清楚地图示的，导管可设置为使得幅度传感器130测量导管400的出口部分中OWC的垂直振荡，而调节孔101和门120布置在导管入口部分的顶壁上，以使得门响应于传感器信号大致水平地移动以打开或关闭调节孔。

现参照图8至图11所示的波能提取装置100的另一个实施例。正如图8中最清楚地图示的，固定石油平台或钻塔140形式的一海上刚性支撑结构位于诸如海洋200的水体中。石油钻塔140具有固定地锚定至海底的塔架150形式的四个支腿。优选地，各塔架150由钢和/或混凝土组成。

多个能量提取组件300经由一安装支架(未图示)等形式的一安装装置牢固地安装至石油钻塔的塔架。

各能量提取组件300具有用于接收海洋200的振荡水柱的一导管400。能量提取组件300的导管400保持在海底之上的一预定固定高度处。

在图示的实施例中，各组件300的导管400保持在海底之上的相同高度处。应了解，在其他优选实施例中，导管可保持在海底之上的不同相对高度处。

在这个实施例中，所有能量提取组件300具有大体上相同的构造。然而，在其他优选形式中，这些组件可设置为具有不同的构造，以使得特定组件相对盛行海浪预期地定位。

参见图9，能量提取组件300围绕海上平台140的四个塔架150以对称的形式分布。相同的对称分布围绕海上石油钻塔的各支腿形成。

参见图10，图中显示了组件300的一替代性分布，其中，能量提取组件安装在石油钻塔的支腿上，以相对盛行海浪面向不同的方向。图11A至图11E展示了用于安装至石油钻塔塔架的组件300的对称及不对称分布形式的其他实例。

现参见图12，图中显示了导管400的一实施例，其特别适用于安装至石油钻塔140的塔架150的能量提取组件300。在这个实施例中，各能量提取组件300的导管400具有限定了一入口孔170的一第一部分16，以及限定了一出口孔190的一第二部分180。导管400经配置大体为U形，其中第一和第二部分(160，180)大体上彼此平行，以使得振荡水柱随着水柱从第一部分160流进第二部分180而改变行程，或反之亦然。图12所示的实施例具有一可选的进水管220。在其他形式中，不使用这个进水管220，且入口孔190由第一部分160的末端来限定，并直接向上面对海洋200的表面。

图13显示了具有四个部分的导管的另外一个实施例，在这个导管中，当振荡水柱流过导管时，其随着水柱从一个部分流进下一个部分而四次改变行程。

参见图14和图16，图12和图13所示的导管在大体垂直的方向上安装至石油钻塔140的塔架150。也就是说，各导管(或导管的各部分)的纵轴大体上平行于固定安装导管的塔架150的纵轴。入口孔170浸没在海洋表面内，且在使用中布置在导管的第一和第二部分之间的带或连接处之上，以使得入口孔170安排在预期的最低波谷之下。

出口孔190布置在海洋表面之上，以使得使用中在振荡水柱与出口孔190之间形成一空气室210。

一涡轮机700与各导管400成流体连通，以使得涡轮机700可由振荡水柱产生的气流驱动。

优选地，波能提取装置包括发电机形式的发电装置，其连接至涡轮机，用于产生电能。

由发电机产生的电能可供应给一电栅。或者，电能可供应给能量储存装置，诸如供以后使用的一电池组。储能可用来向海上平台供电，因而可有利地利用其代替或至少降低通常用来向海上石油钻塔或偏远社区供电的柴油发电机的使用程度。

因此，本发明至少在其优选实施例中提供了一种波能提取装置，其通过使用一种刚性的大体上固定的支撑结构而方便且更有效地运行。由于结合了性能增强和显著的成本支出降低，本发明的优选形式使得一波能提取装置具有更进一步的商业可行性，由此改善了成本与电力比。某些优选形式中的系统可将波能转换效率提高至百分之五十。

有利地，系统的优选实施例使得系统的总功率输出主要地独立于盛行波方向。在优选形式中，有利地，系统通过使用一刚性的大体上固定的系统而更有效地运行。优选形式中的系统还提供了一种紧凑系统，其不仅建造和保养起来更简便，而且更靠近海洋表面有利地运行，从而使得在这些降低的深度处使用更高的能量是可行的。在这些方面及其他方面，与现有技术相比，本发明在其优选实施例中代表了一种实用及商业意义上的改进。

虽然已参阅具体实例描述了本发明，但是本领域的技术人员应了解本发明可实施于许多其他形式中。

Claims (33)

1.一种海上平台，包括：

一支撑结构，用于将一水体中的工作站支撑在一海上位置处，该支撑结构具有一安装部；及

至少一个导管，安装至安装部，该导管设置为用于接收来自该水体的一振荡水柱，其中振荡水柱的振荡产生用于驱动一能量提取组件的一流体流。

2.根据权利要求1所述的海上平台，其中，两个或两个以上导管安装至安装部。

3.根据权利要求1或2所述的海上平台，其中，一个导管或各导管安装至安装部，使导管的入口浸没在水体内，而该导管的出口在水体之上。

4.根据权利要求3所述的海上平台，其中，各导管的入口位于最低的预期波谷之下，出口在最高的预期波峰之上。

5.根据权利要求4所述的海上平台，其中，各导管的安装使得导管的入口保持在水体底部之上的一预定固定高度处。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的海上平台，其中，各导管保持在海底之上的相同高度处。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的海上平台，其中，至少两个导管保持在海底之上的不同高度处。

8.根据权利要求7所述的海上平台，其中，各导管分别保持在海底之上的不同高度处。

9.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，各导管所保持在海底之上的高度是基本固定的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，支撑结构位于水体中，安装部大约布置在水体的平均水平面处。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的海上平台，其中，支撑结构包括至少一个刚性支柱或塔架。

12.根据权利要求11所述的海上平台，其中，支撑结构包括两个或两个以上刚性支柱，该两个或两个以上刚性支柱互相连接并且相对彼此保持固定的间隔。

13.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，该海上平台是固定的。

14.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，刚性支柱固定地锚定至海底。

15.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，支撑结构的刚性支柱通过一系泊系统固定至海底。

16.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，一压载元件或装置连接至刚性支柱用于稳定支撑结构。

17.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，两个或两个以上导管围绕支撑结构以对称的形状分布。

18.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，加强装置固定至支撑结构以提高其额定负载，用于在使用中支承由安装至支撑结构的导管施加给支撑结构的静力和动力。

19.根据权利要求18所述的海上平台，其中，加强装置安装在支撑结构的安装部上或邻近支撑结构的安装部安装。

20.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，安装部为一凹陷，且导管安装在该凹陷内。

21.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，安装部包括用于安装各导管的一不连续的凹陷。

22.根据权利要求1至19中任一项所述的海上平台，其中，安装部为一凸起，该凸起自支撑结构的外表面向外凸出。

23.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，能量提取组件包括与导管成流体连通的一涡轮机，使得涡轮机可由振荡水柱产生的流体流驱动。

24.根据前述权利要求中任一项所述的海上平台，其中，来自各导管的流体流为双向的，用来驱动单个涡轮机。

25.根据权利要求23所述的海上平台，其中，单独的涡轮机与各导管相连接，且由相关的振荡水柱产生的流体流驱动。

26.根据前述权利要求之任一项所述的一种海上平台，其中，能量提取组件包括一发电装置，其连接至单个涡轮机或各涡轮机用于产生电能。

27.一种位于水体中的海上平台支撑结构，该支撑结构包括：

一支柱；

与该支柱相关联的一安装部；及

至少一个振荡水柱导管，用于一波能提取装置，该振荡水柱导管安装至安装部，使导管相对水体的平均水平面保持在一预定固定高度处。

28.根据权利要求27所述的支撑结构，包括用于将导管安装至支柱的安装装置，该安装装置用于加强支柱，以提高支柱的额定负载。

29.根据权利要求27或28所述的支撑结构，其中，单独的加强装置安装至支柱以提高其额定负载，用于支承由安装至支柱的至少一个振荡水柱导管施加给支柱的静力和动力。

30.根据权利要求27至29中任一项所述的支撑结构，其中，支柱形成由导管内振荡水柱振荡产生的流体流的流道，其中流体流能够用来驱动一能量提取组件。

31.根据权利要求30所述的支撑结构，其中，流道为支柱内的允许流动的一内空通道。

32.根据权利要求30所述的支撑结构，其中，流道由一管道形成，该管道设置于在支柱的外表面上形成的一凹槽中。

33.一种波能提取装置，包括：

一海上刚性支撑结构，该支撑结构位于一水体中；

至少一个能量提取组件，固定安装至海上刚性支撑结构，能量提取组件或各能量提取组件具有用于接收来自水体的振荡水柱的一导管、与该导管成流体连通的一涡轮机，该涡轮机能够由振荡水柱产生的一流体流驱动；

其中，能量提取组件或各能量提取组件的导管保持在水体的海底之上的一预定高度处。

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