CN103221682A - 用于使用波浪能量进行可再生电力生产的系统及方法 - Google Patents

Abstract

系统通过波浪能量的转换来产生电。迎浪前驳船及后驳船通过铰链连接到中央惯性驳船，从而允许活节运动。附接到中央驳船的是阻尼器板以使所述中央驳船的起伏运动最小化，借此使中央驳船的垂直位移最小化且增加其稳定性。所述板的由侧桩支撑的集中重量产生钟摆动作，从而导致所述中央驳船的纵摇运动，所述纵摇运动增强驳船对的相对角运动。通过可移动压载配重来实现所述驳船的共振，所述可移动压载配重可定位于每一驳船中以调整所述驳船的质量惯性矩，借此改变自然纵摇频率。双作用液压泵使其输出通过控制系统来整流且通过蓄能器来平滑。

Description

用于使用波浪能量进行可再生电力生产的系统及方法

相关申请案交叉参考

本申请案主张2010年6月23日提出申请的第61/398,203号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案特此以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于将通过水的移动(优选地海洋波浪及/或海洋水流)赋予其的移动转换成有用能量的系统及方法。

本发明还涉及一种从水波提取有用动力的发电系统。特定来说，本发明涉及波浪驱动发电机单元的设计的各种元件的相互作用。更具体来说，本发明吸收波浪能量、将所述能量转换成电能并将所述电能从其离岸产生点输送到陆基电力网。因此，本发明为公用事业或大型工业用户经济地产生大量电力。

此外，本发明还涉及一种利用波浪发动机且更特定来说利用用于驱动发电机的波浪发动机的系统，其中波浪驱动发电机使用多个不同大小的浮舟向涌入波浪能量呈现黑体，借此将波浪能量非线性地耦合到液压泵送构件中。

背景技术

已知具有可移动部件的各种形式的设备，所述可移动部件由海洋波浪相对于固定结构移动且其移动被转换为可用能量。所述固定结构通常安装于海床上且此产生大量的工程问题及困难。其还意味着，此设备无法用于很深的水中。已知的设备通常可仅从水的一个方向(即，水平移动或垂直移动，但并非两者)提取能量。此大大减小了设备的效率。

多年来，已众所周知，借助于包括连接在一起以便可相对于彼此以枢转方式移动的两个或两个以上筏子或浮舟的设备来利用波浪能量。波浪动作导致相对枢转移动，且所述相对移动被转换成有用能量。

此外，发电技术中早就已知使用海洋波浪中可用的势能来举升浮舟。已开发出多种巧妙的机械链接以试图高效地捕获海洋波浪的能量。举例来说，参见第562,317号、第632,139号、第694,242号、第738,996号、第886,883号、第917,411号及第986,629号美国专利。所有这些早期专利均依赖于固定浮舟之间的机械链接来陷获摇动、举升、降落或纵向波浪运动。这些专利中所揭示的所有发动机在机械上为复杂的且为高度低效的。

尽管所有以上所引用的参考文献取决于波浪的势能来开发原动力，但过去的一些波浪电动机教示了波浪动能的使用，例如第1,072,272号美国专利。现有技术的悉心研究展示，大多数历史波浪电动机(1)通过例如桨轮的装置利用波浪的动能或(2)通过一浮舟或一系列浮舟利用波浪的势能。很少装置利用两种形式的能量。现有技术在其涉及依赖于波浪的举升动力(即，其势能)的波浪发动机的情况下依赖于单一浮舟(举例来说，第1,202,742号、第1,471,222号、第1,647,025号、第1,746,613号、第1,953,285号及第1,962,047号美国专利)或利用一系列相同大小的浮舟，举例来说，第1,925,742号、第1,867,780号、第1,688,032号、第1,567,470号及第1,408,094号美国专利。另外，许多早期波浪电动机在机械上为极其复杂的。举例来说，参见第1,528,165号、第1,169,356号及第1,818,066号美国专利。

许多现有技术波浪电动机教示浮舟的运动通过机械或液压构件到轴或活塞的运动的直接线性耦合。因此，此些波浪电动机必须非常坚固且沉重以耐受入射于其上的宽广波浪能量频谱。举例来说，新泽西州大西洋城(Atlantic City,N.J.)所安装的一个波浪电动机由4英尺高的六英尺筒式浮舟组成。每一浮舟重约3,100磅且每分钟11次地被波浪举起两英尺。所述浮舟借助于链条及棘轮来驱动水平轴，从而产生约11马力，通过使用沉重的飞轮来获得稳定性。此些现有技术波浪电动机的低效性、资本成本及复杂性致使其并不成功。(电力，1911年1月17日)。(史密斯(Smith)在机械工程(MechanicalEngineering，1927年，第995页)中提出了类似波浪电动机。)

现有技术所教示的大多数现代波浪电动机与本世纪初所教示的波浪发动机在操作方式上显著不同。举例来说，参见在1975年4月29日颁予山田喜一(Kiichi Yamada)的第3,879,950号美国专利，其是针对将结合离岸核电站使用的波浪发电机。此现代波浪电动机使用其运动线性地耦合到一系列气动活塞的多个相同浮舟。遗憾地，此线性耦合的收集器无法高效地陷获波浪能量。

海洋中的波浪在振幅或波浪高度上从零点几英尺到超过50英尺地变化，且在频率上从小于5英尺的波浪长度到超过1,000英尺地变化。为了从任何给定波浪提取最大势能，浮舟必须能够动态地耦合到波浪的移动。给定大小的浮舟将对仅一个波浪长度最高效地做出响应。为了高效，波浪电动机必须提供多个不同大小的浮舟，所述浮舟能够高效地耦合到不同波长的宽广频谱中，即，耦合到必须从其高效地提取动力的所有波浪。概括地，此概念称为“共振”。

除与波长的宽广频谱共振以外，高效波浪电动机的浮舟必须能够从低振幅及高振幅波浪两者提取动力。由于波浪在振幅上相差多达两个数量级，因此通过将波浪移动线性地耦合到齿轮或活塞来提取动力的任何装置将不得不在从波浪功率频谱的高振幅端或低振幅端提取动力时为低效的。

理论上，独自作用的单一浮舟，即使其为恰当大小，也可能仅从入射于其上的波浪吸收一定分数的可用动力。此由以下事实导致：波浪的能量的一部分由浮舟吸收，另一部分从浮舟往回反射，且另一部分通过浮舟传输到其所附接结构。此事实以及现有技术所教示的波浪电动机不高效地耦合到海洋波浪的频率或振幅谱中的事实已致使所有现有技术波浪电动机非常低效。

经设计以捕获波浪能量并其将转换成多种其它形式的有用能量的方法及设备描述于若干现有技术刊物及专利中，如上文所述。这些早期专利依赖于固定浮舟之间的机械链接来陷获波浪的摇动、举升、降落或纵向运动，但由于其机械复杂性而为高度低效的。在机械上最复杂的装置中的一些装置图解说明于第1,169,356号、第1,471,222号、第1,528,165号、第1,818,066号美国专利中。

第2113311A号英国专利申请案揭示一种特定筏子或浮舟布置，即：两个筏子，其彼此连接以围绕共同枢转轴进行相对枢转移动；及一阻尼机构，其用于阻尼枢转轴的移动以便使枢转轴相对于水的平均水位维持大致固定。所述筏子的相对运动驱动泵，所述泵将海水驱动到高架储存罐，可从所述高架储存罐释放水以产生电。

在例如描述于第4,098,084号美国专利(科克雷尔(Cockerell))中的现有技术波浪发电原动机中，浮箱或漂浮部件在某些长波浪条件中(即，当波浪长度大于个别浮箱的长度的四倍时)将变为波浪跟随器且因此将不会在任何大的程度上相对于彼此移动。现有技术的研究展示，经设计以将波浪能量转换成有用能量的大多数发明(1)通过例如桨轮的装置利用波浪的动能或(2)通过一浮舟或一系列浮舟利用波浪的势能。用于将波浪能量转换成有用能量的绝大多数的现有技术发明依赖于波浪的势能，即，波浪的举升动力。许多此类发明依赖于单一浮舟来吸收波浪的能量。举例来说，参见第562,317号、第738,996号、第1,202,742号、第1,471,222号、第1,647,025号、第1,746,613号、第1,953,285号、第1,962,047号及第3,487,228号美国专利。其它早期发明依赖于一系列浮舟将波浪的势能转换成其它形式，其实例包含第632,139号、第855,258号、第882,883号、第917,411号、第1,408,094号、第1,567,470号、第1,688,032号、第1,867,780号及第1,925,742号美国专利。

第Re31,111号美国专利涉及包括多个浮舟的波浪驱动发电机，所述多个浮舟经调谐以通过使用不同大小的浮舟而对涌入波浪做出响应，借此波浪能量由所述浮舟提取并被转换成液压能。接着采用此液压能来驱动涡轮机发电机并产生电。所述浮舟通过铰链连接在一起以便形成界定为“哈根(Hagen)阵列”的结构。每一浮舟以使得允许浮舟之间的相对移动的方式以枢转方式连接到较大浮舟。液压活塞及缸安装于所述浮舟之间。这些液压活塞及缸对经铰接浮舟之间的相对移动做出响应且响应于此移动而产生液压能。此液压能存储于蓄能器中，所述液压能接着由位于浮舟中的一者上的涡轮机发电机转换成电能。所述阵列通过缆绳以使得其自由旋转因此浮舟维持所要位置(即，面向涌入波浪)的方式系泊到海底。

波浪能量转换系统的概念呈现出现在ASME会报(Transactions of the ASME)中，第492页，第105卷，1984年12月。其中所描绘的系统包含由铰接在一起的各种长度的筏子或浮舟构成的阵列以及定位于所述浮舟之间以用于吸收波浪能量并将其转换成电能的液压活塞及缸。展示通过单锚腿系泊系统系泊到海底的活节筏系统或阵列。图解说明船上电力转换系统的示意性表示，其中系统的组件包含液压活塞及缸、蓄能器、涡轮机及发电机。图解说明用于传输所产生的电能的海底电缆。

经铰接筏子的哈根阵列系统遭受以下事实的影响：筏子的垂直于波峰(平行于入射线)的单位长度必须为入射波浪的约一个波浪长度。结果是相对于筏子的船宽尺寸为良好效率，但在每筏子大小或重量提取的能量方面为不良效率。不良效率是由于以下原因而产生：哈根阵列系统未利用筏子的除单位长度以外的物理参数来恰当地调谐系统以便对在海洋中发生的波浪频率的宽广频谱做出响应。

若干个其它专利揭示利用多个浮舟将波浪能量转换成有用能量。举例来说，第4,392,349号、第4,098,084号、第3,879,950号及第1,408,094号美国专利揭示经铰接在一起以便形成活节链条或阵列的筏子状浮舟。第4,241,579号、第4,073,142号、第4,048,801号、第1,757,166号美国专利揭示其中多个浮筒状浮舟定位成特定图案使得导致浮舟的上下往复运动的波浪能量被转换成有用能量的能量转换系统。第3,758,788号美国专利揭示一种其中漂浮结构通过枢转结构以及由所述漂浮结构之间的移动激活的波纹管连接在一起的能量转换系统。接着使用正空气或流体压力来驱动涡轮机发电机以产生电能。揭示用于将筏子或浮舟连接在一起的多种铰链。举例来说，参见第4,098,084号、第3,879,950号、第1,408,094号、第917,411号、第882,883号及第632,139号美国专利。另外，第4,118,932号美国专利揭示将两个浮舟铰接在一起，借此铰链还形成响应于浮舟围绕铰链线的相对旋转移动而产生液压能的泵。其它现有技术专利揭示用以将波浪能量转换成液压能的多种活塞或波纹管，例如第4,408,454号、第4,208,875号、第4,013,382号、第3,879,950号、第1,757,166号美国专利。另外，第3,928,967号美国专利中所揭示的称为沙尔特“点头鸭(nodding duck)”的装置利用可变冲程旋转泵将其能量移除部件的枢转运动转换成可用液压能。

第3,928,967号美国专利描述一种由多个波浪动力吸收器构成的系统，所述多个波浪动力吸收器经部署以便拦截来自平行于入射波浪波峰的线的动力，所述线与垂直于波浪波峰的尺寸相比为长的。此专利中所描述的装置为高效吸收器，但其具有缺少动力提取所必需的稳定参考的问题。虽然所述装置并入有改进能量捕获效率的数个特征，但所述概念未能并入有经济性波浪能量产生效率所必需的更重要的特征。

现有技术中揭示了若干种其它系泊或锚定构件。举例来说，参见第4,408,454号、第4,013,382号、第3,879,950号、第1,746,613号、第917,411号及第855,258号美国专利。然而，操作这些发明中的许多发明所需的支撑结构或系泊系统相当复杂且成本高昂。举例来说，参见第1,757,166号、第3,879,950号、第3,928,967号及第4,013,382号美国专利。若干个现有技术专利揭示将所捕获的波浪能量转换成电能。举例来说，参见第4,152,895号、第4,013,382号、第3,879,950号、第3,487,228号、第1,962,047号、第1,757,166号及第738,996号美国专利。

已发现最接近本发明的技术是第1,757,166号美国专利，其涉及一种从海洋波浪获得动力的设备及方法。然而，甚至此现有技术也教示了相同大小的多个单一未连接浮舟的使用。本发明人未发现现有技术教示将一浮舟群组以一阵列系链在一起以形成波浪捕集器以捕获反射及传输的波浪能量的优点。此外，本发明人未发现现有技术教示浮舟到其相关联动力提取装置的非线性耦合。

现有技术限制于借以将动力从波浪转移到漂浮结构的机构或将漂浮结构的运动转换为有用动力的方法。现有技术未通过使漂浮结构响应与波浪条件匹配来考虑到入射波浪的随机特征，所述波浪条件(1)针对世界各地的不同位置每年地变化，(2)每月(季节)波动，及(3)在短时间间隔内从入射波浪周期的分数到超过数个波浪周期地变化。此外，现有技术未使动力传动系阻抗与入射波浪特性匹配以便优化动力吸收及短时间能量存储以实现最大动力传动系效率。

现有技术未分析针对用以将基本负载电力提供到海岸设施的能量系统必须考虑的经济因素。举例来说，部署位点的选择包含例如以下各项等因素：用于系泊及电力传输的测深条件、距海岸的距离、使船上发电与岸边电力网规格匹配、系泊深度、从个别波浪能量发电单元的电力收集以及电力调节及到海岸的传输。

发明内容

本发明的主要目标是提供一种减轻现有技术中的个别组件的以上缺点以接着实现能够高效地从各种各样波浪长度的海洋波浪提取能量的系统的系统及方法。特定来说，本发明的目标是提供一种利用能漂浮且可使用常规或新颖的系泊技术通过缆绳等系泊的设备的系统及方法。

本发明的另一目标是提供一种利用可从水的垂直及水平移动提取能量的设备的系统及方法。

本发明的另一目标是提供一种利用以非线性方式耦合到海洋波浪的振幅频谱中以便高效地从高振幅及低振幅波浪两者提取动力的波浪发动机的系统及方法。

本发明的又一目的是提供一种利用多个驳船一起起作用以形成陷获入射波浪能量的黑体的波浪发电机的系统及方法。

本发明的又一目的是提供一种利用具有不同驳船的装配的波浪发动机的系统及方法，所述不同驳船共同充当波浪捕集器以将入射在其上的大百分比的波浪能量转换为液压动力。

本发明的再一目标是提供一种利用可容易地按比例放大以低廉地提供大量动力且足够简单以需要低维护水平的波浪电动机的系统及方法。

本发明的再一目标是克服现有技术的缺陷且提供一种高效地将波浪能量转换成电能且其构造及维护具成本效益的波浪驱动发电系统。依据以下描述，本发明的其它目标及优点将显而易见。

本发明是一种用于将波浪能量转换成有用能量的系统且包括三艘驳船：迎浪前驳船及后驳船，其各自通过铰链及铰链支撑件连接到中央惯性驳船，从而允许活节运动。附接到中央驳船的是阻尼器板，其经设计以使所述中央驳船的起伏运动最小化且借此使中央驳船的垂直位移最小化且增加其稳定性。所述板的由以可移动方式连接到桩孔(其附接到中央驳船)的侧桩支撑的集中重量将产生钟摆动作，从而导致所述中央驳船的纵摇运动，所述纵摇运动又将增强驳船对的相对角运动。通过可移动压载配重来实现所述前驳船及后驳船的共振，所述可移动压载配重可定位于每一驳船的船头与船尾之间的不同位置处以调整所述系统的质量惯性矩，借此改变自然纵摇频率。将驳船对的钟摆动作转变成动力泵及运动控制泵中的液压流体流动。具体来说，前驳船的钟摆动作致使动力泵迫使液压流体穿过对应高压液压进给线路流动到对应发电机中且穿过低压液压进给线路返回到动力泵。类似地，后驳船的钟摆动作致使运动控制泵迫使液压流体穿过其对应高压液压进给线路流动到对应发电机中且穿过低压液压进给线路返回到运动控制泵。所述动力泵及所述运动控制泵为其输出通过控制系统来整流且通过蓄能器来平滑的双作用液压泵。发电机经配置以从穿过其内部涡轮机的液压流体流产生电。控制系统经配置以控制从泵去往并穿过发电机的涡轮机的流以便使其在时间上为准整流正弦的。

驳船的结构响应可经调整以便与入射波浪的频谱相一致，借此可针对所述地区的现有海洋条件提供最大电力输出。

本发明具有以下目标及优点：

1.系泊结构经设计以抵抗作用于波浪激活漂浮结构上的波浪的力且使系统在水表面上保持于适当位置中，因此为动力移除提供稳定参考平台。

2.漂浮结构经设计以使反射、传输及自产生的波浪最小化，借此使从海洋波浪吸收的动力最大化。

3.漂浮结构采用船体的受控制质量惯性矩及几何形状的使用以使结构响应与入射波浪的频谱匹配，借此使动力提取效率最大化。

4.漂浮结构针对不需要用于固持压载、机械或用于承受高操作负载的所有元件采用轻量结构，借此减少资本成本。

5.动力提取装置并入有控制元件，所述控制元件允许动力提取阻抗变化以实现最大动力提取效率，借此允许在短时间间隔内实现最大发电效率。

7.船上发电容量可经设计以针对给定平均每年波浪环境提供最优操作效率，借此允许针对给定位置的最大电力转换频率。

8.并入有自动感测与控制装备以在组件故障的情况下隔离一部分或允许模块化停工以进行例行维护。

9.可替换系统的经受高磨损及严重腐蚀及负载的那些部分，借此允许最大的发电容量可用性及最小的操作与维护成本。

10.可将单元与系泊、控制及电力线切断连接以允许输送到海岸以进行维护及修理。此外，可安装储备单元以防止在波浪能量单元的入干船坞或海岸维护期间电力容量的损失。

由于本发明的独特特征，电力系统可由用户通过极大节省投资资本的模块化安装来安装以满足长期电力需求的变化。由众多个别波浪能量产生单元构成的系统仍将经济地产生电力，与常规电源不相上下。

由于对波浪能量的此高效吸收，直接在阵列后面的区域可为相对平静的。因此，本发明所教示的漂浮阵列可用作漂浮防波堤，但此并非本发明的主要目的。

根据本发明，提供用于将通过水的移动赋予其的移动转换成有用能量的设备，其包括两个或两个以上经互连部件，所述部件中的至少一者为能漂浮的且在所述设备的使用中所述部件可因水的运动而相对于彼此移动，所述部件中的至少一者具备或连接到在所述设备的使用中对水的水平运动做出响应的构件以及用于将所述经互连部件的相对移动及所述对水的水平运动做出响应的构件的操作转换成有用能量的构件。

本发明提供一种波浪发电原动机，其包括中央驳船及位于中央驳船下方比驳船的深度大许多倍的深度处的惯性阻尼装置；及通过第一铰链以枢转方式连接到所述中央驳船的至少一个波浪可移动驳船，借此在使用中，中央主体保持大致固定，而每一驳船由在宽广范围的波浪长度内的经过的波浪或涌浪移动且每一驳船独立地给其自己的泵提供动力，因此确保可适应动力的变化以高效地将波浪能量转换成电。中央驳船的使用允许波浪发电原动机在宽广范围的波浪条件内产生能量。特定来说，每一驳船与中央驳船之间的相对移动在波浪长度大于驳船的长度时仍发生。

方便地，阻尼装置包含至少一个阻尼板，所述至少一个阻尼板可相对于惯性驳船移动，借此可按现场条件调谐所述阻尼板。另外，可相对于驳船提升阻尼装置以使得原动机能够被牵引。

优选地，每一驳船具备可调整压载以控制每一浮箱的惯性性质，借此可按现场处的波浪频谱调谐原动机。

附图说明

现在将参考附图更特定地描述本发明，所述附图仅以实例方式展示根据本发明的波浪发电原动机的一个实施例，其中：

图1A到1D图解说明本发明的系统的第一实施例的各种视图，其中图1A展示驳船船体的内部结构及组件的至少一个实施例的前面图，图1B展示其侧面图，图1C展示其顶面图，且图1D展示其剖面图；

图2图解说明根据本发明的至少一个实施例的惯性阻尼板的总体视图；

图3图解说明用于系泊本发明的系统的一个实施例的总体视图；

图4展示用于使本发明的系统浸没及重新漂浮的装置的一个实施例；

图5A及5B展示用于使本发明的系统浸没及重新漂浮的操作的一个实施例；

图6展示本发明的系统的至少实施例的总体透视图，其图解说明可取决于所要的特定应用而应用于系统的元件的组合；且

图7A及7B展示本发明的系统的至少一个实施例的总体透视图，其图解说明可取决于所要的特定应用而应用于系统的增强件或补充元件的组合。

具体实施方式

第一优选实施例

在本发明的针对通过波浪能量的转换来产生电的系统的第一优选实施例中，如图1A到1C中作为实例所展示，一个或多个驳船将以入射波浪的频率纵摇；将接着形成经辐射波浪，此导致对径向及入射波浪的相消干涉，从而导致衍射在所述系统上聚焦。衍射是沿垂直于波浪行进方向的方向的能量移动。举例来说，如果波浪被障碍物阻断，那么衍射允许波浪能量填入在所述障碍物后面的“阴影”中。

浮体(即，驳船)对波浪能量的吸收与所述浮体产生抵消入射波浪的波浪的能力直接相关。本发明的系统既定产生向前面以及侧面辐射的波浪。此能力允许其也从侧面捕获波浪能量。

实验已展示，本发明的系统可从大于驳船的船宽的宽度吸收能量，因为波浪能量是从驳船的侧面引入的。尽管在将此动能转换成电能时必定存在显著能量损失，但所述系统可沿入射在驳船上的波浪的宽度捕获所有能量。

本发明使用衍射聚焦从大于装置的宽度的宽度引入能量。此衍射聚焦直接类似于聚光式太阳能收集器；实际上，聚光式太阳能收集器可由于朝向收集器引导日光的镜或透镜而吸收比直接入射在收集器自身上的日光多的能量。

作为优选实施例的实例，结构10包含三艘驳船：迎浪前驳船11及后驳船15，其各自通过铰链13及铰链支撑件14连接到中央驳船12，从而允许活节运动。附接到中央驳船12的是惯性阻尼板17，其经设计以使中央驳船12的起伏运动最小化且借此使中央驳船12的垂直位移最小化且增加其稳定性。板17的由以可移动方式连接到桩孔19(其附接到中央驳船12)的侧桩18支撑的集中重量将产生钟摆动作，从而导致中央驳船12的纵摇运动，所述纵摇运动又将增强驳船对11、15的相对角运动。

如图1D中所展示，通过可移动压载配重22来实现前驳船与后驳船的共振，可移动压载配重22可定位于每一驳船的船头与船尾之间的不同位置处以调整系统的质量惯性矩，借此改变自然纵摇频率。可使用(举例来说)安装于驳船(在此实例中，为前驳船11)的船体内的螺纹杆22b上的大块高密度材料22a来实施压载配重22以允许根据海洋条件需求进行前后调整以实现最大能量转移。

前驳船11及后驳船15中的每一者设计有伸长的矩形形状，由(举例来说)钢或复合材料制成以便在捕获并将波浪能量转移到泵21、25时使水动力效率最大化，同时对涌入波浪的持续不断冲击及海洋环境的腐蚀效应具结构弹性。然而，可使用所属领域的技术人员将理解的其它形状及配置，同时仍保持在本发明的范围及精神内。

类似地，中央驳船12设计有矩形形状且由钢或复合材料制成以便在从泵21、25捕获并将波浪能量转移到发电机16时使水动力效率最大化，同时具结构弹性以固持安装于其上的任何及所有组件(即，发电机、传感器、天线、危险警告灯、壳体)且仍耐受涌入波浪的持续不断冲击及海洋环境的腐蚀效应。然而，可使用所属领域的技术人员将理解的其它形状及配置，同时仍保持在本发明的范围及精神内。

如上文所述，驳船11、12、15由钢或复合材料(包含但不限于碳纤维加强聚合物、陶瓷、纤维层压钢、纤维层压铝、纤维层压陶瓷、纤维加强树脂衬底及凯夫拉尔加强结构)构造而成。如上文所描述的复合材料及结构的使用允许驳船11、12、15更耐用以在整个长的时间周期内耐受到波浪的力的连续暴露以及海水、日光及热量的腐蚀效应。

驳船对11、15的钟摆动作被转变成动力泵21及运动控制泵25中的闭环液压流体流动。具体来说，前驳船11的钟摆动作致使动力泵21迫使液压流体穿过对应高压液压进给线路22流动到对应发电机16中且穿过低压液压进给线路23返回到动力泵21。类似地，后驳船15的钟摆动作致使运动控制泵25迫使液压流体穿过其对应高压液压进给线路26流动到对应发电机16中且穿过低压液压进给线路27返回到运动控制泵25。动力泵21及运动控制泵25为其输出通过控制系统来整流且通过蓄能器来平滑的双作用液压泵。可使用此项技术中已知的经适当选择以符合与本发明的性能、耐用性及耐久性以及环境生存要求一致的特性的常规泵来实施动力泵21及运动控制泵25。

发电机16经配置以从穿过其内部涡轮机的液压流体流产生电。可使用所属领域的技术人员将理解的能够转移能量且借此使用涌入海洋波浪型式的脉冲动力及频率产生电的已知水轮发电机设计来实施此些发电机，包含但不限于基于贝尔顿式水轮机的装置及卡普兰涡轮机。控制系统经配置以控制从泵21、25去往并穿过发电机16的涡轮机的流以便使其在时间上为准整流正弦的。

与驳船11、12、15一样，结构10的与所述驳船安装在一起或位于同一地点的其它组件可由类似材料构造以便使其对于环境的效应来说为耐用的。另外，例如动力泵21、运动控制泵25及发电机16的组件可经定位以便装配于安装在驳船11、12、15顶部上的一个或一个以上壳体中(举例来说，参见图4、5A到5B、6及7A到7B)。

惯性阻尼板17经设计以使中央驳船15稳定，从而提供前驳船11及后驳船15可对抗的参考。其通过使用因在板17移动时周围水所致的力而如此操作。可将此水动力分解成三个分量：附加质量、辐射阻尼及粘滞阻尼。附加质量是由于在板17加速时被加速的水的惯性所致。板17在其移动时使大量的水移动，且因此所述板显现为具有比其自己的固体质量的惯性大得多的惯性。对抗所述板的加速的此惯性称为附加质量。

在板17移动时，其也产生波浪。这些波浪远离板17向外辐射，从而随之携带能量。在可能看似为悖论的论点中，良好的波浪吸收器必须也为良好的波浪制造者；为了吸收入射波浪，装置必须有效地形成抵消入射波浪的波浪，使得所述波浪在其经过装置时减小。因此辐射所致的力与板的速度异相180度，且因此其被描述为阻尼力。另一阻尼力由使板17移动穿过水的粘滞损失引起。板17在其摆动时产生漩涡，所述漩涡携带能量离开所述板。产生这些漩涡所需要的力称为粘滞阻尼。不同于辐射阻尼，此力并不具生产性，且仅仅表示能量的耗散。

如图2中所展示，惯性阻尼板17经设计以使附加质量及辐射阻尼最大化同时使粘滞阻尼最小化。平板设计在其移动时夹带大量周围的水且因此具有大的附加质量。同样地，此形状为良好的波浪制造者，因此其辐射阻尼也较大。通过将板17的边缘17a修圆且将所述板的拐角17b修圆，可大大地减少粘滞阻尼，从而满足波浪能量转换结构10针对此分量的水动力目标。

在结构10的实施方案中，惯性阻尼板17位于结构10下方比水表面的深度大许多倍的深度处以提供产生足以抵抗因随机波浪运动所致的结构10的移动的扭矩的力矩臂。

在用于系泊结构10的一个实施例中，如图3中所展示，结构10主要(但并不专门地)既定利用海洋涌浪(所述海洋涌浪为由于遥远位置处的风暴或干扰而横跨海洋的向岸涌浪且并非当地风生波浪或由潮汐导致的波浪的动力)的能量，且特定来说并不既定利用破碎或高潮波浪的动力。由于涌浪是朝向海岸，因此可通过附接到位于结构10的朝海侧的系泊浮筒28的系泊线来固定结构10。还可通过连接到位于朝向海岸处的辅助系泊浮筒或站29的辅助系泊线来防止结构10在风中摇摆。还可将其它系泊线(未展示)连接到阻尼板17。海洋涌浪的波浪长度在不同区域间变化，且依据特有的当地波浪长度来选择驳船11、12、15的尺寸以优化输出。

应注意，仅出于简化图解说明的目的，图4、5A到5B、6及7A到7B中将结构10展示为具有盖住发电机16及泵21、25的结构的至少一部分的壳体。应理解，如至少图1A到1D及3中所展示且如本文中所描述，结构10及/或其等效物的结构在本申请案中所揭示的所有图式及实施例中完全呈现及实施。

或者，系泊线可经修改以允许结构10的移动或重新定位以便以如下的方式来使结构10瞄准：使驳船对11、15与涌入波浪或水流之间的相互作用最大化，借此使波浪能量到结构10中的转移最大化。一个实例性实施方案将包含配置朝海系泊浮筒28或辅助系泊浮筒/站29中的至少一者以便为可移动的。朝海系泊浮筒28或辅助系泊浮筒/站29可具备电动机或其它形式的活动力使得控制器可相对于涌入波浪及/或水流的方向及条件对其进行重新定位。或者，可通过负责维护结构10的人员的操作来人工地使朝海系泊浮筒28及/或辅助系泊浮筒/站29移动。

然而，可用所属领域的技术人员已知的其它程序来替代以便以与本发明的范围及精神一致的方式实施结构10的系泊。特定来说，结构10的系泊将经设计以便在结构上及在操作上与用于使结构10浸没及重新漂浮的装置兼容，如下文将描述。

为了实施用于本发明的控制系统，此控制与通信系统将必须经配置以满足数个目的，包含其必须允许执行远程命令。举例来说，如果预报了威胁系统生存的天气，那么操作者可起始生存序列(即，浸没)且在危险已过去之后起始恢复序列。任选地，如果满足预定及经编程的准则，那么所述系统可使用已知的基于计算机的技术来自动地起始这些序列。

控制系统的主要功能将为通过使系统保持与涌入波浪共振(所述系统通过将控制泵加压到使结构10在各种刚性状态中均作为一整体所必需的程度外加使压载移动以便使涌入波浪寻址到其最优点处来完成)来维持最优性能。控制系统将必须经配置以感测在冲击之前三个或三个以上波浪循环的波浪条件、感测结构10的动量并应用用以进行校正的数学算法以维持共振。控制系统还必须感测并控制并入到如上文所描述的泵21、25的操作中的蓄能器操作以维持稳定的电力产生。或者，控制系统还可控制泵21、25的操作以便将其功能区分开。举例来说，可控制泵21中的液压流体中的压力以便使到发电机16中的能量转移最大化，同时控制泵25中的液压流体中的压力(即，回压)以较多地充当运动控制稳定器且较少地用于吸收波浪能量，或甚至反之亦然。

其次，控制系统必须经配置以监视电力产生且在生产率低于最小值时使结构停工以防止反向动力流。基于以上描述，应理解，所属领域的技术人员将理解且可使用已知的技术来实施此控制系统的物理组件。

第二优选实施例

在可能具毁坏性的高度活跃表面波浪的周期期间，所述系统可经配置以被浸没以便防止对系统组件或子系统中的任一者的损坏，同时仍与水表面下方的波浪运动或水流相互作用。如此项技术中已知，海洋波浪能量转换装置自然地选址在具有高能量波浪的位置处。平均来说，这些装置经调谐而以具有最高动力的波浪频率产生最大电力。然而，极端风暴可能会形成可损坏波浪能量转换装置的条件。最近，在离澳大利亚东海岸不远的Oceanlinx全尺寸原型机曾在2010年5月被风暴波浪从其系泊设备扯断且被毁坏。

根据本发明的海洋波浪能量转换系统的恶劣天气生存的新颖策略包含在波浪高度变得过高时使系统浸没。在表面下方，因表面波浪所致的运动大大减弱。本发明的系统将适于在极端风暴期间浸没，且接着在天气晴朗时重新漂浮。

在用于使结构10浸没及重新漂浮的系统30的一个实施例中，如图4中所展示，将使用两条主要系泊线松弛地系泊装置30：一条系泊线31附接到结构10的船头，其中在线31上具有中间浮舟33，且第二系泊线32在中央驳船12的底部处附接到惯性/阻尼板17的底部，其中在线32上具有中间配重34。船头线31上的浮舟33将使结构10保持定向到波浪中。中央线32上的配重34将在结构10针对极端天气事件而被浸没时设定结构10的深度。

参考图6，安装于结构10上的传感器40或远程安装于附近海岸上的传感器42(或甚至通过经设计及经配置以跟踪海洋波浪的移动的感测资源44(即，气象卫星))将与装置30通信以激活浸没或重新漂浮过程。

如图5A中所展示，当传感器检测到可能使结构10处于危险中的波浪时，浸没过程开始。驳船的顶部上的闸门11a、12a、15a打开，且驳船的底部上的闸门11b、12b、15b(也参见图1D)打开。驳船11、12、15的敞口腔被淹没，且结构10将开始下沉。结构10被附接到中央系泊线32的配重34下拉到表面下方。接着，一旦配重34最终搁置于底部上，系统就再一次处于平衡状态。在随着配重34最终搁置于底部上配重34中的一些被移除的情况下，结构10中的剩余浮力等于中央系泊线32上的配重的未支撑部分，使得结构10固定于表面下方。举例来说，在一个实施方案中，结构10固定在水表面下方20米处。然而，在其它实施方案中，浸没的深度可取决于例如结构10下方海底的深度、结构10的位置中固有的波浪运动的力以及在表面处或附近的结构10正设法避免其毁坏力的波浪或水流的强度及量值等因素而不同。

在被浸没时，结构10可能仍经受在水表面下方的水流的运动。因此，驳船对11、15仍将受变化强度及/或频率的水流或波浪运动(类似于由表面波浪导致的那些水流或波浪运动)的影响。在这方面，结构10的浸没操作可与表面上的操作相同或类似。对结构10的操作的修改将包含所属领域的技术人员将理解的任何类似操作。

如图5B中所展示，一旦极端天气已过去，驳船的顶部上的闸门11a、12a、15a就关闭，驳船的底部上的闸门11b、12b、15b就打开，且经压缩空气罐35或气体产生爆炸性炸药(参见剖面部分且还参见图1D)用来迫使水从驳船流出，从而使结构10返回到其正常操作浮力。驳船的底部处的闸门接着关闭以进行正常操作。通过使用经压缩空气罐或气体产生爆炸性炸药，不需要用于浸没/浮出表面操作的泵。此减少系统维护。在极端天气事件之后，将重新装填或替换空气罐或爆炸物。

通过使用上文所描述的新颖浸没/重新浮出表面过程，波浪能量转换结构10将能够避免最极端条件中的损坏，从而大大地减少对系统的严重损坏的风险。浸没过程为几乎完全被动的；一旦驳船上的闸门打开，系统就接着下沉到固定深度以避开极端天气；所述深度的控制仅仅基于重量及浮力，其中无移动部件。同样地，漂浮过程仅仅取决于关闭闸门及释放空气以进行漂浮。然而，可用所属领域的技术人员已知的其它程序来替代以实施与本发明的范围及精神一致的浸没/重新浮出表面过程。

其它实施例

除以上实施例以外，还可包含对结构10的结构及操作的各种变化以增强及/或补充结构10的操作。举例来说，如图7A中所展示，结构10可经构造以包含在安装于中央驳船12上的塔52顶部上的风力发电机50，其经设计以转换沿着海岸存在高度活跃波浪及风的世界各地中固有的风能。风力发电机的操作原本将与常规风力发电机的操作一致，但是以使海洋上面存在的风能的转移最大化的方式进行，所有这些将为所属领域的技术人员所理解。

类似地，如图7B中所展示，结构10可经构造以包含安装于中央驳船12上的太阳能电力阵列54，其经设计以转换沿着海岸存在高度活跃波浪及高程度的日光的世界各地中固有的风能。如所图解说明，太阳能电力阵列可以使得使在白天时间过程期间到日光的暴露最大化同时耐受到通常存在于海洋环境中的可能对太阳能电力装置有害的风、海水及其它元素的暴露的方式定位、成形或轮廓化。太阳能电力阵列的操作原本将与此项技术中已知的常规太阳能发电机的操作一致，但是以使海洋上面存在的太阳能的转移最大化的方式进行，所有这些将为所属领域的技术人员所理解。

另外，可使用用于将转变成驳船的钟摆运动的波浪的能量转换成电的其它方法及机构，如所属领域的技术人员将理解。举例来说，可使用可将机械能转换成电能的任何类似装置(例如基于感应的发电机或飞轮储能装置)来替换结合发电机16使用泵21、25的液压系统。实际上，由驳船11、15的钟摆动作产生的机械能用于操作基于感应的发电机，所述基于感应的发电机接着输出电能。或者，可类似地将机械能输入到飞轮储能装置中，所述飞轮储能装置将接着产生、存储并视需要输出电。此项技术中已知及/或已理解的其它变化及修改也可应用于所揭示的本发明。

应了解，在与所附权利要求书及以上详细描述及附图一起考虑时，本文中所揭示的本发明的各种方面及实施例仅仅图解说明用以制作及使用本发明的特定方式且因此并不限制本发明的范围。来自本文中所揭示的本发明的一个方面及实施例的特征可与来自本发明的其它方面及实施例的特征组合。

如此详细描述了本发明，应理解，对本发明的前述详细描述不既定限制本发明的范围。鉴于前述论述，所属领域的技术人员将认识到其它变化、修改及替代方案。

Claims (16)

1.一种用于转换波浪能量的结构，其定位于海水中在迎面波浪的路径中，所述结构包括：

迎浪前驳船；

后驳船；

中央驳船，所述前驳船及后驳船中的每一者以可移动方式连接到所述中央驳船(12)以便允许其之间的活节运动；

惯性阻尼器板，其连接到所述中央驳船的下部部分且以操作方式经连接以给所述中央驳船提供位移稳定性，所述惯性阻尼器经由桩元件连接到所述中央驳船以便在漂浮于海水中时产生所述中央驳船的钟摆运动；及

能量转换装置，其以操作方式连接到所述迎浪前驳船、所述后驳船及所述中央驳船以便从冲击并使所述迎浪前驳船及所述后驳船相对于所述中央驳船位移的波浪运动收集能量且转换所述能量。

2.根据权利要求1所述的结构，其中所述迎浪前驳船及所述后驳船中的每一者包含可以可控制方式定位于所述前驳船及所述后驳船内的船头与船尾位置之间的可移动压载配重以便以可控制方式调整对应驳船的质量惯性矩，借此改变所述对应驳船的自然纵摇频率。

3.根据权利要求1所述的结构，其中所述能量转换装置包含

多个泵，其以操作方式定位于迎浪前驳船与所述中央驳船之间及所述后驳船与所述中央驳船之间，其中所述迎浪前驳船及所述后驳船相对于所述中央驳船的钟摆动作迫使通过所述多个泵进行液压运动。

4.根据权利要求3所述的结构，其中所述能量转换装置进一步包含

多个发电机，其以操作方式连接到所述多个泵中的对应者以便将所述泵的所述液压运动转换成电。

5.根据权利要求1所述的结构，其进一步包括：

用于以可控制方式使所述结构浸没及重新漂浮以便在所述海水的表面与所述海水的所述表面下方之间以可移动方式重新定位所述结构的机构。

6.根据权利要求5所述的结构，其中所述用于以可控制方式使所述结构浸没及重新漂浮的机构包含附接到所述中央驳船的底部部分的配重，且所述迎浪前驳船、所述后驳船及所述中央驳船中的每一者具有可以可控制方式打开的栅板以允许海水在使所述结构浸没时淹没所述驳船中的每一者的敞口腔，且所述迎浪前驳船、所述后驳船及所述中央驳船中的每一者中的重新漂浮元件经配置以在使所述结构重新漂浮时迫使所述驳船的所述敞口腔中的所述海水流出。

7.根据权利要求1所述的结构，其中所述迎浪前驳船、所述后驳船及所述中央驳船中的每一者由钢、复合材料及两者的组合中的至少一者构造而成。

8.根据权利要求7所述的结构，其中所述复合材料包含碳纤维加强聚合物、陶瓷、纤维层压钢、纤维层压铝、纤维层压陶瓷、纤维加强树脂衬底及凯夫拉尔加强结构中的至少一者。

9.根据权利要求3所述的结构，其中所述多个泵包含双作用液压泵。

10.根据权利要求4所述的结构，其中所述多个发电机包含基于贝尔顿式水轮机的发电机及基于卡普兰涡轮机的发电机中的至少一者。

11.根据权利要求4所述的结构，其进一步包括：

控制系统，其经配置以控制从所述多个泵去往并穿过所述发电机的涡轮机的流以便使其在时间上为准整流正弦的。

12.根据权利要求5所述的结构，其进一步包括：

传感器，其经配置以检测并测量周围环境的当前波浪条件；及

控制系统，其经配置以控制所述用于以可控制方式使所述结构浸没及重新漂浮的机构，以便以可控制方式在确定当前波浪条件对所述结构具有破坏性时使所述结构浸没且在确定当前波浪条件对于正常表面操作来说为安全时使所述结构重新漂浮。

13.根据权利要求1所述的结构，其进一步包括：

保护壳体，其安装于至少所述中央驳船的顶部上以用于保护安装于所述结构的顶部上的组件。

14.根据权利要求1所述的结构，其进一步包括：

风力发电机，其安装于至少所述中央驳船的顶部上以用于捕获所述结构上方的风能。

15.根据权利要求1所述的结构，其进一步包括：

太阳能电力面板，其安装于至少所述中央驳船的顶部上以用于收集所述结构上方的太阳能。

16.一种用于收集并转换波浪能量的系统，其包括：

多个漂浮结构，其定位于海水中在迎面波浪的路径中，其中

所述结构中的每一者包含：迎浪前驳船；后驳船；中央驳船，所述前驳船及后驳船中的每一者以可移动方式连接到所述中央驳船以便允许其之间的活节运动；惯性阻尼器板，其连接到所述中央驳船的下部部分且以操作方式经连接以给所述中央驳船提供位移稳定性，所述惯性阻尼器经由桩元件连接到所述中央驳船以便在漂浮于海水中时产生所述中央驳船的钟摆运动；能量转换装置，其以操作方式连接到所述迎浪前驳船、所述后驳船及所述中央驳船以便从冲击并使所述迎浪前驳船及所述后驳船相对于所述中央驳船位移的波浪运动收集能量且转换所述能量，所述能量转换装置包括：多个泵，所述多个泵以操作方式定位于迎浪前驳船与所述中央驳船之间及所述后驳船与所述中央驳船之间，其中所述迎浪前驳船及所述后驳船相对于所述中央驳船的钟摆动作迫使通过所述多个泵进行液压运动；及多个发电机，其以操作方式连接到所述多个泵中的对应者以便将所述泵的所述液压运动转换成电；及

用于以可控制方式使所述多个漂浮结构浸没及重新漂浮以便在所述海水的表面与所述海水的所述表面下方之间以可移动方式重新定位所述多个漂浮结构的机构。

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