CN104755750A - 带有垂荡板的磁致伸缩的波浪能量采集机 - Google Patents

Abstract

用于发电的装置包括浮力结构、垂荡板、至少一个承力结构和至少一个磁致伸缩元件，该至少一个承力结构机械地与浮力结构和垂荡板两者耦合在一起。磁致伸缩元件构造为感受由承力结构所施加的力的变化，这是由作用在该装置上的流体动力所导致的。

Description

带有垂荡板的磁致伸缩的波浪能量采集机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年6月26日提交的美国临时申请61/664,444的优先权(标签编号OSC P016P)，该申请以其全文通过引用并入到本申请中。

背景技术

垂荡板(heave plates)(又称为挡水板或截水板)，已经在滨海区域中广泛地应用，其用于在波浪环境中阻尼对本体的垂荡反应(heave response)。其工作原理如下：大量的板材以这样的方式放置，即所述板材的最大的投影面积处于与垂直运动方向垂直的平面中，板材在水面之下附连以限制(例如：延缓、阻尼、减少等)在垂直运动方向的运动。这样通过在板的位置增加可观的阻力到系统中来增加系统的有效质量。为了使得板在垂直方向移动，围绕板的水也必须被加速。

发明内容

本申请描述了用于发电的装置的实施方式。用于发电的装置包括浮力结构、垂荡板、至少一个承力结构和至少一个磁致伸缩元件，该至少一个承力结构机械地与浮力结构和垂荡板两者耦合在一起。磁致伸缩元件构造为感受由承力结构所施加的力的变化，这是由作用在该装置上的流体动力所导致的。

从下面结合附图的详细说明中，本发明的实施方式的其他方面和优点是显而易见的。附图仅仅是示意性地，用于说明本发明的原理。

附图说明

图1描绘了使用了垂荡板的用于发电的装置的实施方式。

图2描绘了利用不对称的垂荡板的用于发电的装置的实施方式。

图3从一个替换的视角描绘了利用不对称的垂荡板的用于发电的装置的实施方式。

图4描绘了带有在垂荡板和浮标之间的松弛的安全线的用于发电装置的实施方式。

在整个说明书中，相同的附图标记用于表示相同的元件。

具体实施方式

应当容易地理解的是，一般在本文中描述的和在附图中图示的实施方式的元件可以以不同的结构设置和设计。因此，下面显示在附图中的多个实施方式的详细说明，并不是用于限制本发明的范围，而仅仅是表现多个不同的实施方式。而且在附图中图示了实施方式的多个方面，除非有特别的说明，附图并不是按照比例绘制的。

本发明可以以其他具体的没有脱离发明的精神或本质特征的形式表现。所描述的实施方式应当被完全认为是仅仅是示例性的，而非限制性的。因此，本发明的范围不是由详细的说明部分表明，而是由附带的权利要求所表明。所有在权利要求的等效的意义和范围内的变化都应当是包含在权利要求的保护范围内。

在整个说明书中描述的特征、优点或类似的术语并不是意味着本发明可以实现的所有的特征和优点都应当在本发明的任一个单独的实施方式中体现。而是，表示特征和优点的术语应当理解为具体的特征、优点或与实施方式描述相关的特征是被归入本发明的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中的特征和优点及类似的术语的论述，并不必然是指向相同的实施方式。

此外，所描述的本发明的特征、优点和特性可以以任何适当的方式组合到一个或多个实施方式中。本领域技术人员可以认识到，根据本文中的描述，本发明可以在不带有具体的实施方式的一个或多个具体的特征或优点的情况下实施。在其他情况中，额外的特征和优点可以某一个实施方式中认定，而不是存在于本发明的所有的实施方式中。

在整个说明书中，″一个实施方式″、″一实施方式″或类似的术语指的是一个具体的特征、结构或者描述与标明的实施方式有关的特征是包括在本发明的至少一个实施方式中的。因此，在整个说明书中，短语″在一个实施方式中″、″在一实施方式中″或者类似的术语可以但并不必然是指向相同的实施方式。

垂荡板(Heave plates)(又称为挡水板或截水板)，已经在滨海区域中广泛地应用，其用于在波浪环境中阻尼对本体的垂荡反应(heave response)。其工作原理如下：大量的板材以这样的方式放置，即所述板材的最大的投影面积处于与垂直运动方向垂直的平面中，板材在水面之下附连以限制(例如：延缓、阻尼、减少等)在垂直运动方向的运动。这样通过在板的位置增加可观的阻力到系统中来增加系统的附加质量。为了使得板在垂直方向移动，围绕板的水也必须被加速。板的面积和结构是这样设计的以最优化该增大的附加质量。这样的增加降低了系统的自振频率，并且实质上产生了一个高通滤波器，其将响应超低频波浪(即潮汐波浪)，但是对于由风引起的有规律的海浪并不是重要的。垂荡板通常也在一深度处放置，在该深度处波浪的运动与在表面处相比更缓和。

垂荡板可以用在波能转换器(WEC)中，以提供除海底之外的用于该装置的惯性基准。这是重要的，因为WEC依靠由波浪引起的相对运动以产生能量。在过去已经利用这个概念的WEC系统是柱状浮标，其包括作为柱结构的一部分的垂荡板，其中垂荡板和柱状浮标相对于彼此移动以产生能量。

该装置的实施方式是一种绷紧-系泊(taut-moored)的概念，其可以从垂荡板的使用中大大地获益。这不同于传统的柱状浮标设备，因为绷紧-系泊的实现依赖于垂荡板的阻尼运动以产生在系链中的张力变化(并不是依赖于让其他系统产生能量所必需的大的相对运动)。

图1描述了使用了垂荡板102的用于发电的装置100的实施方式。在一个实施方式中，垂荡板102是简单的板，其带有绷紧的系链104，系链向上延伸连接到在水108中浮动的水面浮标106。板102或者可以是固体表面，或者可以包括穿孔112，或者可以是开孔的从而使得水108可以流过该板，即使是以受限制的方式。

一个或多个动力输出装置(PTO)模块110可以部署在浮标106中，沿着系链104，在垂荡板102上，或者是这三种方式的任意的组合。系链系统允许该垂荡板102与那些刚性地固定到浮标106的结构相比被部署得更深，这增加了垂荡阻尼的效果。在一个实施方式中，垂荡板102的质量是与水面浮标106的浮力保持平衡的，以维持在所有期待的波浪状况中的系链104的拉伸载荷。该系统的频率响应也是调谐的，因此板102不在常规操作中响应波浪，但是它将会运动以完全或者部分地调节极端的波浪情形，并且将响应超低频情形，例如潮高变化。在一些实施方式中，垂荡板具有的固有周期比部署了该装置的地点的大部分普通的波浪的周期更高。在一些实施方式中，垂荡板具有的固有周期比部署了该装置的地点的大部分普通的波浪的周期高至少1.5倍。图1还描绘了通过索116连接到垂荡板102的锚114。

垂荡板结构极大地简化了绷紧-系泊的PTO模块的系泊系统。板允许在海底上的一个或多个系泊点与单个(或多个)垂曲线的系统的替换。没有垂荡板，系泊装置本身必须承载在系链中的全部载荷，这要求相当大的技术工作。垂荡板系统允许系泊点这样设置大小，以在足以保持位置的水平工作，但是不必承载全部的载荷。

系统的实施方式的绷紧-系泊处要求系链104始终保持有张力。如果系链经常性地出现松弛，那么系统有很大的概率会出现故障。由于在这样″松弛的情形″之后重新建立张力，因此急促的载荷将施加到系统，并可能带来灾难性的后果。垂荡板102还可以适合有助于避免这样的情形。这可以通过使得垂荡板的反应不对称的来实现，因此当施加的运动是上或者下时，垂荡板的响应是不同的。

图2描绘了利用不对称的垂荡板202的用于发电的装置100的实施方式。在一个实施方式中，板202在一个方向是更多流线型的，即，当板在一个方向运动时，阻力系数是下降的。这样的结构与在图2中的描绘看起来类似。在图中，当浮标106朝向水面拉动板时(排出的水和板的附加的质量是非常大的)，板收集相当多的水，但是板202可以更容易地向下运动，因为张力减小了(排出的水与板的附加的质量在向下的方向是相对小的)。这允许板202在沉入水下时比其上升时更容易，这可以允许系统调节更极端的波浪情形。如果在极端的波浪中浮标从峰顶掉落到谷底，这样的不对称的设计将允许板加速向下，这将有助于在系链上保持拉伸载荷，因此增加了耐受性。

在一个实施方式中，在对称的板102的描述中提及的穿孔112也可以适合于是不对称的形状202，因此穿孔112本身限制在一个方向的水流108多于另一个方向。这可以通过特别定位的角铁或者其它立体的板结构实现。

图3从一个替换的视角描绘了利用不对称的垂荡板202的用于发电的装置100的实施方式。图3描绘了许多与图1和2相同的特征。

图4描述了带有在垂荡板102和浮标106之间的松弛的安全线122的用于发电装置100的实施方式。在一些实施方式中，结构也可以是改良的以调节多个PTO模块，例如单个大PTO模块110，如图4所示。在这种情况下，有多根系链104从垂荡板102和浮标106两者的边缘在附连到PTO 110之前汇合成单根线120。这通过束缚它们各自的倾斜和翻转运动提高了板102和浮标106两者的稳定性。换句话说，依靠垂荡板102和支承结构元件的设计，可以有少数(例如单个系链)或多个系链连接到垂荡板结构。该实施方式也包括在垂荡板102和浮标106之间的松弛的安全线122，这将在板102和浮标106之间的绷紧的连接关系失效之后参与到运动中来。

本发明的一些实施方式包括用于发电的装置，该装置包括：至少一个磁致伸缩元件，至少一个浮力装置(或浮标)，至少一个垂荡板，并且当部署在水体中时，波浪与至少一个浮标相互作用引起一个或多个磁致伸缩元件在张力中变化。和位于一个或多个磁致伸缩元件的附近的内部的一个或多个电传导的线圈或回路，其中在一个或多个磁致伸缩元件中的磁通量密度相应地变化，从而在一个或多个电传导线圈或回路中产生电压和/或电流变化，其中在一个或多个磁致伸缩元件和一个或多个电传导线圈或回路之间没有实质的相对运动。

一些实施方式还可以包括至少一个位于水体的表面之下的实质上固定的位置的锚装置，其中浮标的第一端或者垂荡板的第一端耦合到锚装置。

一些实施方式还可以包括至少一根耦合在一个或多个磁致伸缩元件和浮力装置之间的刚性的系链。

一些实施方式可以包括至少一个耦合到一个或多个电传导线圈或回路的电池，电池存储至少一部分由一个或多个电传导线圈或回路产生的电能。

在一些实施方式中，至少一个磁致伸缩元件可以是至少一个磁通路的一部分。

在一些优选的实施方式中，至少一个磁致伸缩元件可以是至少一个实质上闭合的磁通路的一部分，并且所有的在磁通路中的元件具有超过10的相对导磁率。在一些优选的实施方式中，至少一个磁致伸缩元件可以是至少一个实质上闭合的磁通路的一部分，并且所有的在磁通路中的元件具有超过50的相对导磁率。

在一些实施方式中，一个或多个磁致伸缩元件的每一个包括磁致伸缩棒。

在一些实施方式中，至少一个电传导线圈或回路包括由磁致伸缩棒包裹的聚合物铜镀层线圈。

本发明的一些实施方式包括用于发电的方法，该方法包括：利用水体的运动(包括波浪运动)来引起一个或多个磁致伸缩元件的张力的变化，所述磁致伸缩元件并部署成使其一端机械地耦合到浮力装置(或浮标)并使其另一端机械地耦合到垂荡板；和利用对应于在磁致伸缩元件中的磁通量密度的变化来产生在位于磁致伸缩元件附近的一个或多个电传导线圈或回路中的电压和/或电流，其中在一个或多个磁致伸缩元件和一个或多个电传导线圈或回路之间没有实质的相对运动。

一些实施方式包括利用水体的运动，包括波浪运动，包括利用一个或多个浮标的运动，其依次促使一个或多个磁致伸缩元件的张力变化，该一个或多个磁致伸缩元件可以与一个或多个浮标和/或垂荡板机械地耦合；和利用在磁致伸缩元件中的磁通量密度的相应的变化来在位于磁致伸缩元件附近的一个或多个电传导线圈或回路中产生电压和/或电流。

本发明的一些实施方式包括用于发电的装置，其中该装置包括：部署在水体中的浮标；磁致伸缩元件，其机械地与至少一个浮标和至少一个垂荡板耦合，其中水体的运动，包括波浪运动，促使浮标运动，这依次促使磁致伸缩元件的张力变化；和在磁致伸缩元件附近的内部中的电传导线圈或回路，其中在磁致伸缩元件的磁通量密度中的对应的变化在电传导线圈或回路中产生电压和/或电流，其中在一个或多个磁致伸缩元件和一个或多个电传导线圈或回路之间没有实质的相对运动。

其他的实施方式可以与相关的描述的一个或多个其他的方面结合，包括在2012年7月3日提交的、名称为″用于从机械能中获取电能的设备″的美国申请13/541,250中描述和显示的主题，该申请以其全文并入到本文中。

在上面的描述中，提供了多个实施方式的细节。然而，一些实施方式可以在不需要所有这些细节的情况下实施。在其他的情况下，某些方法、过程、元件、结构和/或功能没有详细地描述以获得本发明的多个实施方式，这是为了简明和清除起见。

尽管本文中的操作方法以具体的顺序显示和描述，但是各个方面的操作顺序是可以改变的，因此某些操作可以在相反的顺序执行，或者某些操作可以至少部分地执行，同时进行其他的操作。在另一个实施方式中，不同的操作的指示或者子操作可以以间断的和/或交互的方式实施。

尽管已经描述和图示了本发明的具体的实施方式，但是本发明并不限制于该具体的形式或者所描述和图示的部件的配置。本发明的范围由在此的权利要求及其等效体所限定。

Claims (18)

1.一种用于发电的装置，该装置包括：

浮力结构；

垂荡板；

至少一个承力结构，其机械地与浮力结构和垂荡板两者耦合；

至少一个磁致伸缩元件，其中该磁致伸缩元件构造为感受由承力结构所施加的力的变化，这是由作用在该装置上的流体动力所导致的。

2.根据权利要求1所述的装置，其中垂荡板在水中一深度处放置，其中在该深度处波浪的运动与在水面处波浪的运动相比更缓和。

3.根据权利要求1所述的装置，其中垂荡板包括非对称的几何形状以促成对垂荡板在第一方向运动的第一级的阻力和对垂荡板在第二方向运动的第二级的阻力，其中第一级和第二级的阻力彼此不同。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个锚装置，该锚装置与该装置耦合，其中锚装置构造为相对于锚点保持该装置的位置。

5.根据权利要求1所述的装置，其中垂荡板包括穿孔，其中该穿孔促成对垂荡板在第一方向运动的第一级的阻力和对垂荡板在第二方向运动的第二级的阻力，其中第一级和第二级的阻力彼此不同。

6.根据权利要求1所述的装置，其中承力结构包括系链。

7.根据权利要求1所述的装置，还包括与磁致伸缩元件耦合的一个或多个电传导回路，其中在磁致伸缩元件的磁通量密度中的变化在一个或多个电传导回路中产生电压。

8.根据权利要求7所述的装置，还包括耦合到一个或多个电传导回路的电能存储装置，其中电能存储装置存储至少一部分在一个或多个电传导回路中产生的电能。

9.根据权利要求1所述的装置，其中磁致伸缩元件包括磁致伸缩棒。

10.一种用于发电的方法，该方法包括：

利用水体的运动来引起一个或多个磁致伸缩元件的张力的变化，所述磁致伸缩元件被部署成使其一端机械地耦合到浮力结构并使其另一端机械地耦合到垂荡板；和

利用在磁致伸缩元件中的磁通量密度的相应变化来在位于磁致伸缩元件附近的一个或多个电传导线圈中产生电压。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在一个或多个磁致伸缩元件和一个或多个电传导线圈之间没有实质的相对运动。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括利用非对称的几何形状的垂荡板以促成对垂荡板在第一方向运动的第一级的阻力和对垂荡板在第二方向运动的第二级的阻力，其中第一级和第二级的阻力彼此不同。

13.根据权利要求10所述的装置，其中垂荡板在水中一深度处放置，其中在该深度处波浪的运动与在水面处波浪的运动相比更缓和。

14.根据权利要求10所述的方法，其中一个或多个磁致伸缩元件是至少一个磁通路的一部分。

15.根据权利要求10所述的方法，其中一个或多个磁致伸缩元件是至少一个实质上闭合的磁通路的一部分。

16.根据权利要求10所述的方法，其中该方法还包括存储至少一部分在一个或多个电传导线圈中产生的电能。

17.一种用于发电的装置，该装置包括：

部署在水体中的浮力结构；

至少一个垂荡板；

至少一个磁致伸缩元件，其与浮力结构和垂荡板机械地耦合在一起，其中浮力结构和垂荡板与水体的流体动力学相互作用引起了磁致伸缩元件的张力的变化。和

与磁致伸缩元件耦合的电传导线圈或回路，其中在磁致伸缩元件中的磁通量密度的对应变化在电传导线圈或回路中产生电压和电流。

18.根据权利要求17所述的装置，其中在磁致伸缩元件和电传导线圈或回路之间没有实质的相对运动。