CN106170624A - 波浪能量转换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于从海洋波浪中获取能量的波浪能量转换器(1)，包括：浮标(2)，其被布置为相对于基准点(3)围绕平衡位置(4)振荡；以及负弹簧装置(10)，其连接在该浮标(2)和该基准点(3)之间，其中当该浮标(2)移动远离该平衡位置(4)时，该负弹簧装置(10)用于在位移方向上提供正力。

Description

波浪能量转换器
技术领域
本发明涉及一种用于从海洋波浪中获取能量的波浪能量转换器以及一种从海洋波浪中获取能量的方法。所获取的能量可以例如用于生产电力。
背景技术
能量被海洋波浪运输。在追求具有低碳排放的能源的情况下，将海洋波浪能量转换为有用的能量形式(例如电力)的工作已有很多。这种工作的一个领域专注于所谓的点吸收器。点吸收器实际上就是漂浮在海洋表面上的个体浮标，这些浮标由于传入的海洋波浪会产生位移。这种位移可以被用于将波浪能量转换为有用的能量形式。WO99/22137中给出了这种点吸收器的示例。
此外，在波浪能量转换领域中使用预张紧的浮标是众所周知的。浮标的预张紧(例如通过以某种方式强制它浸入大于其自然漂浮深度的深度)具有为振荡系统提供负质量的效果，从而有效地降低浮标的惯性，并且增大其对传入波浪的响应。
发明内容
从第一方面看，本发明提供一种用于从海洋波浪中获取能量的波浪能量转换器，其包含：浮标，其被构造成相对于基准点围绕平衡位置振荡；以及负弹簧装置，其连接在浮标和基准点之间，其中所述负弹簧装置用于在浮标移动远离平衡位置时在位移方向上施加正力。
通过使用负弹簧，可能增加浮标的运动范围，因为负弹簧效应将会抵消浮标的静刚度和浮标对振荡的自然阻力，该阻力例如由于浮力和重力之间的平衡而产生。通过使用负弹簧，可以使得浮标具有在给定的运动范围内很低的表观刚度，这意味着它能设计为当被波浪运动激励时以比现有浮标更大的运动振幅在比影响现有浮标的更大的频率范围内振荡(即增加了将提升浮标的共振振荡的波频率带宽)。这样的结果是，如上所述具有负弹簧的浮标能够在更大波频率范围内被更容易且更有效地用作能量转换来源。已经发现负弹簧的使用对于起伏浮标系统的传递能量能够至少增加100％。也就是说，在具有负弹簧的起伏浮标和标准起伏浮标(没有负弹簧)的试验对比中，其平均功率输出相较于标准系统被至少加倍。浮标的更大运动范围也能够简化耦合浮标到用于能量转换的其他设备(例如到机械设备或机电设备)。本发明可以用于预张紧浮标或非预张紧浮标。然而，使用预张紧浮标可以进一步增加浮标对传入波浪的响应。
与波浪能量转换相关的传入海洋波浪通常具有在4s到14s之间的周期，并且通常具有高达5m的波浪高度，并且在一些极端情况下会达到10m或更高。
浮标的平衡位置是浮标振荡时不存在由浮标经受的恢复力/加速度的位置。这通常是当没有波浪能量存在时(即当静止不动时)并且在没有可能源自于负弹簧装置的任何效应的情况下浮标相对于基准点将处于的位置。浮标可以漂浮在海洋表面上，或者可以半浸入或浸入。
基准点是浮标进行振荡所围绕的点。负弹簧装置耦合在浮标和基准点之间，从而当浮标相对于基准点运动时，弹簧装置释放或存储能量。基准点可以是固定点。基准点可以相对于海床或相对于一个结构(例如比浮标经历明显较少运动的结构)是固定的。这样的结构可以是桥墩或大型漂浮/浸入/半浸入结构(即比漂浮的浮标明显更大的结构)。该结构不应该由于传入波浪能量而以与浮标相同的频率明显振荡，从而浮标能够由于传入波浪能量而相对于该结构振荡。当该固定点被连结到海床时，其可以被视为绝对固定点。
该振荡可以是线性运动振荡或旋转振荡或二者的组合。整体运动可以是几个平移运动和/或振荡运动的叠加。类似地，该弹簧装置可以包含弹簧元件，所述弹簧元件在存在线性或振荡运动时释放或存储能量。例如，螺旋弹簧、蜗卷弹簧或气体活塞弹簧可以被线性运动压缩并存储能量，该能量在弹簧扩张时被释放。螺旋扭转弹簧或扭力杆在经历旋转运动时将变形并存储能量。
该负弹簧装置可以是当浮标从其平衡位置移位时能够在浮标的位移方向上产生力的弹簧装置。当浮标位于其平衡位置时，该负弹簧装置可以在浮标的振荡运动方向上不提供力。由负弹簧装置在浮标的位移方向上提供的力的大小可以随着浮标移动远离其平衡位置而变化。这种力的变化可能是由于系统的几何结构引起的。当浮标从其平衡位置移位时，这种力的变化可能开始起作用。由负弹簧装置产生的力可以用于沿振荡位移方向推动浮标。通过仔细设计该负弹簧装置，有可能使来自弹簧的力与系统中的其它力(例如，由于浮标的浮力和重力所产生的力)相匹配。在一个示例布置中，该负弹簧可以在浮标移动远离平衡位置时提供一个最初随位移增加的力。
该负弹簧装置可以通过如下方式提供这样的力：当浮标位于其平衡位置时该负弹簧装置处于压缩状态，并且当浮标从其平衡位置移位时允许该负弹簧装置扩张。当浮标位于其平衡位置时，该负弹簧可以处于最大压缩状态，例如对于线性弹簧，当浮标位于其平衡位置时，基准点到该负弹簧与该浮标连接的点之间的距离可以处于最小值。随着浮标从其平衡位置移位，该负弹簧装置可以通过相对于固定点推动浮标来起作用。
该负弹簧装置可以被构造成提供用以对抗浮标的静刚度的负刚度。该负弹簧装置可以在平衡点附近产生总刚度，该总刚度小于静刚度(在没有负弹簧的情况下)。该静刚度通常可以降低大约4/5或更多，这取决于浮标系统的其他性质。该静刚度可以降低9/10或更多。对于平衡点附近的给定运动范围，可以以此方式降低该刚度。对于线性运动振荡器，该刚度可以针对大约±1到5m的位移被充分降低。该刚度可以贯穿浮标的可用行程被降低。对于旋转振荡器，该刚度通常针对大约±0.1到0.5rad的位移被充分降低。对于不在平衡点附近的位移，可以允许增加该系统的刚度。
平衡点附近的刚度的降低导致了存在极大降低的整体恢复力。该刚度的降低导致振荡浮标的增加的带宽，这导致对于更大范围的传入波浪频率，该浮标具有更大的振荡振幅。因为它允许在更宽的波浪频率范围内有更多的波浪能量被转换，所以增加了波浪能量转换器的效率。
静刚度S是浮标受到的恢复力与浮标从其平衡点的位移之间的比例系数(或常数)。它是仅与具有相当大的起伏运动的半浸入系统和围绕接近于平均海平面水平的轴线旋转的系统的振荡相关的概念。静刚度类似于标准的质量/弹簧机械振荡器中的弹簧常数k。对于线性运动振荡器，静刚度S通过关系式S＝F/z与恢复力大体相关，其中F为恢复力，并且z为从平衡位置起的位移。对于旋转振荡器，该静刚度通过关系式S＝τ/θ与恢复力大体相关，其中τ为恢复力矩，并且θ为从平衡位置起的角位移。因此减小该静刚度可以认为类似于减小浮标受到的恢复力或力矩(从现在起统称为“恢复力”)。随着浮标从其平衡位置移位，来自负弹簧装置的总力可以降低。在某一位移处，来自负弹簧装置的总力(并且因此力在浮标位移方向上的分量)可以为零。此位移在这里被称为阈值位移。在大于阈值位移的位移处，弹簧装置可以提供在与浮标从其平衡位置起的位移方向相反的方向上的力。在这种情况下，在某一位移之后，该负弹簧装置起到正弹簧的作用。
这种正弹簧能力可以有助于避免或降低对使用末端止动件的依赖。通常需要末端止动件来限制该浮标远离其平衡点的最大位移。从负弹簧到正弹簧的转换可以起到末端止动件的作用，这意味着不需要额外的末端止动件组件。可替代地，正弹簧效应可以意味着可以使用较弱的末端止动件。因此正弹簧能力可以减少系统中存在的组件的数量并降低系统中的磨损，因为该浮标不再需要撞击末端止动件来限制其位移或用较小的力撞击末端止动件。
由弹簧装置提供的总力可以最初随着位移增加而增加，然后它在阈值位移处变为正力之前可以减小。由于系统的几何结构，来自弹簧装置的力在与浮标位移方向相反的方向上的分量可以进一步减小，并且自从超出阈值位移之后，由该负弹簧装置产生的总力可以随着其扩张而增大。
随着浮标移动超出阈值位移，并且负弹簧装置开始以正的总力起作用，该波浪能量转换器可以存储能量。这种能量可以被看做是存储在波浪能量转换器中的势能，其通过转换浮标的动能和/或浮标的静势能来产生。该能量可以被存储在负弹簧装置中。被存储的能量可以稍后使用。该能量可以被存储在一个或多个流体(例如气体或液体)蓄能器中。加压流体可以被存储在蓄能器中，该流体已经用浮标的动能和/或静能压缩。该蓄能器可以附加于负弹簧装置，并且可以连接到负弹簧装置。然而，在负弹簧装置包含液压/气动/气压弹簧(见下文)的情况下，该蓄能器可以形成为负弹簧装置的一部分，即蓄能器可以直接促成负弹簧装置的弹簧特性。在此情况下，也可以提供额外的蓄能器以提高能量存储容量。
负弹簧装置可以通过任意合适的耦合件连接在浮标和基准点之间。在浮标的振荡运动期间，这种耦合件可以允许负弹簧装置相对于浮标和基准点的铰接旋转。该耦合件可以具有本领域中已知的适合这种目的的任何形式。在波浪能量转换器的操作过程中，负弹簧装置相对于弹簧装置处于平衡的位置具有围绕基准点在-90°到+90°之间的最大旋转。优选地，该区间是-70°到+70°之间、-50°到+50°之间或-30°到+30°之间。
该负弹簧装置可以包含机械弹簧。该负弹簧装置可以包含多个机械弹簧。该机械弹簧可以是螺旋弹簧、气压/气动弹簧或液压弹簧。气压/气动弹簧或液压弹簧可以特别有效地产生负弹簧效应。该机械弹簧可以优选包含液压缸/动力缸和气体蓄能器。在此情况下，较大的压力范围可以由该负弹簧装置处理。
气压/气动弹簧或液压弹簧可以包含流体缸。
该负弹簧装置可以包含受控阀或被动阀。这些阀可以被用于调节和/或调整液压/气动/气压弹簧内的压力。因此它可能改变、调整和/或优化负弹簧装置的操作。例如，它可能改变、调整和/或优化由负弹簧装置提供的负弹簧力/力矩；可选的阈值位移；和/或由负弹簧装置提供的可选的正弹簧力/力矩。
这些阀可以是电磁阀、液压阀、气体驱动阀或气动阀。这些阀可以由控制器控制。可以对波浪能量转换器的状态和/或波浪能量转换器周围的水的状态进行测量或产生估计。测量结果/估计结果可以是波浪能量转换器和/或周围的水的瞬时状态。例如，测量结果/估计结果可以是浮标的运动、功率移送(take off)动态变量和/或波浪动态变量中的一个或多个。测量结果/估计结果可以被控制器用于控制这些阀。
在一个实施例中，基准点可以被提供在相对于海床或结构固定的支撑构件上，浮标被构造成相对于该支撑构件振荡，弹簧装置被耦合在浮标的内部与该支撑构件之间。
该支撑构件可以是刚性支撑构件(例如杆或柱)。该支撑构件可以附连到海床或结构上。
该支撑构件可以能是柔性支撑构件(例如缆绳或柔性管)。该支撑构件可以例如在海床和结构之间保持拉紧。
该浮标可以被构造成经历平移/线性运动振荡。当浮标从其平衡位置移位时，来自负弹簧装置的力可以具有沿线性位移方向的分量。基准点可以位于振荡浮标的平衡位置处。
可替代地或附加地，浮标可以被构造成经历旋转振荡。浮标可以围绕枢转点以角位移振荡。该枢转点可以在浮标之外。浮标可以通过连接构件连接到枢转点。该连接构件可以是刚性的并且可以连接到浮标的中心。负弹簧装置可以耦合在浮标的中心和基准点之间。基准点距离浮标的平衡位置越近，由弹簧提供的切向力将会越大。可替代地，扭转弹簧装置可以被用作负弹簧装置。当浮标从其平衡位置移位时，来自负弹簧装置的力具有沿振荡浮标的切线方向的分量。
基准点可以位于或接近于沿着平衡位置和枢转点的连线的任意位置，并且优选位于平衡位置和枢转点之间的位置，进一步优选位于当浮标在其平衡位置时的中心到枢转点之间的位置。基准点可以位于相对于枢转点固定的位置。
该波浪能量转换器可以包含多个负弹簧装置。例如，当浮标被构造成经历线性运动时，则可以存在多个弹簧装置，这些弹簧装置沿从由平移运动方向限定的轴线起的径向方向延伸并围绕该轴线间隔开。当浮标被构造成经历旋转振荡运动时，则可以存在多个弹簧装置，这些弹簧装置在平衡点处沿与浮标的运动弧线的切线正交的平面延伸。因此，在每一种情况下，多个负弹簧装置可以被布置为沿着与平衡位置处的运动方向垂直的平面在不同方向上延伸。优选地，多个弹簧装置对称布置。优选地，所有的弹簧装置被连接在浮标和同一个基准点之间。
当使用多个气压、气动或液压弹簧时，所述多个弹簧装置中的至少两个可以相互流体连接，使得在相应的负弹簧装置内的流体的压力保持相等。这种流体连接可以防止浮标和基准点之间的不均匀负载。该流体连接可以是永久性的。该流体连接可以选择性地连接至少两个多弹簧装置，例如以阀的方式。该流体连接可以包含用于选择性地连接至少两个多弹簧装置的工具，例如阀。该流体连接可以包括管道或软管连接，并且可以进一步包括阀。该流体连接可以在弹簧的圆柱之间。
对于线性系统，负弹簧装置可以围绕沿运动方向的轴线排列成星形，例如，两角星、三角星或五角星。当存在这种类型的对称布置时，由于负弹簧装置在与支撑构件的方向垂直的方向上，则有利地在浮标和支撑构件之间可能没有净力。这可以使用具有相同特性的对称间隔开的负弹簧来实现。在这种情况下，来自弹簧的所有力将沿着运动方向，该方法可以是支撑构件的方向。例如，可以存在以120°分开的三个弹簧装置，所有三个装置在浮标和支撑构件之间提供基本相等的力。
该支撑构件可以穿过浮标的中心。由于浮标的浮力，该支撑构件可以被定向在振荡方向上，其可以是上文提到的平移运动方向。该方向可以是基本竖直的。
每个负弹簧装置可以只包含一个弹簧。这是最简单的布置并且可以例如由单个弹簧提供，该弹簧在平衡位置处于压缩状态并垂直于平移运动方向或旋转运动弧线的切线方向。
可替代地，所述负弹簧装置、所述一个或多个负弹簧装置或每一个负弹簧装置可以包含一组弹簧，例如一对V形成角弹簧，其在平衡位置处围绕垂直于平衡位置处的运动方向的垂线对称分布，此方向是例如平移运动方向或旋转运动弧线的切线方向。每一个负弹簧装置中的弹簧可以与该垂线和运动方向处于同一平面中。在这种情况下，该组弹簧可以从基准点的连接件(在V的尖端处)延伸到浮标的内平面上的相应点(在V的两端处)。各个点可以在与运动方向基本对齐的方向上分开。在离开平衡位置的运动过程中，该弹簧(或一组弹簧)将提供一个具有沿运动方向的分量的力，因此导致添加负刚度。应当理解，该弹簧装置远离垂线的角度将在运动过程中增加，这意味着由于力变得与运动方向更加一致，该力沿运动方向的分量将增加。
当使用气压、气动或液压弹簧时，该组弹簧中的至少两个弹簧可以相互流体连接，使得该组弹簧中的相应弹簧中的流体压力保持相等。这种流体连接可以降低系统中的摩擦。该流体连接可以是永久性的。该流体连接可以选择性地连接至少两个弹簧，例如以阀的方式。该流体连接可以包含用于选择性地连接至少两个弹簧的工具，例如阀。该流体连接可以包含管道或软管连接，并且可以进一步包含阀。该流体连接可以在弹簧的圆柱之间。
所使用的弹簧的示例可以是由美国俄亥俄州辛辛那提(Cincinnati)的Sheffer公司、英国诺里奇(Norwich)的Parker Hydraulics公司、美国北卡罗来纳州夏洛特(Charlotte)的Bosch Rexroth公司制造的那些弹簧。对于气动弹簧，其被设计为能承受的最大压力可以高达大约100bar，优选高达150bar，并且圆柱口径可以在10cm到100cm之间。气动弹簧所能承受的最大压力可以高达大约10bar，优选高达15bar，并且进一步优选高达20bar，而圆柱口径可以在30cm到100cm之间。对于液压弹簧，其被设计为能承受的最大压力可以高达大约200bar，并且圆柱口径可以为大约50cm。
在本发明中，浮标可以具有任何已知的形状。例如，它可以是大致柱形或球形的。
该波浪能量转换器可以用作泵或电能发生器。当起到泵的作用时，振荡浮标可以驱动液压系统或气动系统以便利用能源。该液压或气动系统可以随后被连接到发电机。可替代地，振荡浮标可以通过包含必要的磁体和电路的机电装置来直接产生电力，这在本领域中是已知的。这种机电装置可以是浮标的一部分，或者浮标可以机械地耦合到外部设备上。
在另一方面，本发明提供一种从海洋波浪中获取能量的方法，其包含：允许浮标由于波浪运动而相对于基准点围绕平衡位置振荡；以及使用负弹簧装置在浮标移动远离平衡位置时在该浮标和该基准点之间提供正力，该正力在该浮标和该平衡位置之间的位移方向上。
在另一方面，本发明提供一种从海洋波浪中获取能量的方法，其包含：允许浮标由于波浪运动而相对于基准点围绕平衡位置振荡；以及在该浮标和该基准点之间提供正力，该正力在该浮标和该平衡位置之间的位移方向上。
该(这些)方法可以包括如果位移大于阈值，则在该浮标和该基准点之间提供正力，该正力的方向与该浮标和其平衡位置之间的位移方向相反。
该浮标和该基准点之间的力可以由如上所述的负弹簧装置提供。该方法可以包含使用具有上述任何或所有特征的设备。该振荡可以是线性运动振荡或旋转振荡或二者的组合。
该(这些)方法中使用的负弹簧装置可以是如上所述关于本发明的第一个方面的负弹簧装置。
在第四方面，本发明提供一种用于先前描述的方法的波浪能量转换器，该波浪能量转换器包含通过负弹簧装置连接到基准点的浮标。该波浪能量转换器可以包含与本发明的第一方面相关的上述任何或所有特征。
附图说明
现在将仅通过示例的方式并参照附图来描述一些优选的实施例，其中：
图1、图4和图7示出根据本发明的波浪能量转换器的不同实施例；
图2、图3、图5、图6、图8和图9是示出各种力/力矩作为图1、图4和图7中的波浪能量转换器的位移的函数的曲线图。
具体实施方式
波浪能量转换器是通过发出与传入波浪产生相消干涉的波浪而从海洋波浪中吸收能量的动态系统。该系统可以以其动态响应为特征，该动态响应具有某一带宽。这意味着它具有一段频率范围，在该范围内它对传入波浪的激发有很好的响应。在此范围之外响应是较弱的，在这个意义上说它不能显著地从传入波浪中吸收能量。通常，该响应带宽比自然发生的海洋波浪的带宽更窄。这对于小型系统(即所谓的点吸收器如浮标)尤为正确。
在确保可靠性和持久性的同时，实现功率吸收的充足带宽是对波浪能量转换器的发展的主要挑战。
带宽也可以被认为是依据系统对激发力的响应速度。激发力与响应速度之间的关系对波浪能量的吸收是决定性的。在响应和激发之间的零相位差下，激发功率最大。对于最大吸收，速度振幅必须与传入波浪振幅具有最佳的比率。优选的实施例追求使相位差为零或接近于零。
图1示出本发明的波浪能量转换器1的示例性实施例。波浪能量转换器1包含浮标2，浮标2可以相对于基准点3围绕平衡位置4振荡。该波浪能量转换器进一步包含连接在浮标2和基准点3之间的负弹簧装置10。当浮标移动远离平衡位置4时，负弹簧装置10在位移方向(z)上施加正力。在图1的实施例中，该位移方向(z)为竖直方向。
在图1的实施例中，浮标2是球形并且包含密封的充气外壳6，该充气外壳一般为球形外壳的形状。外壳6为浮标2提供浮力。外壳6的内表面7限定中空的内腔8。腔8也可以为浮标2提供浮力。浮标2可以具有大约4m的半径，但是其他半径也是可能的。
支撑构件5(例如，杆、柱、缆绳)穿过外壳6中的相对孔9并穿过浮标2的中心，并且一般被定向在浮标2的位移方向(z)上。基准点3被固定在支撑构件5上，并且定位于浮标2的中心。
负弹簧装置10包含机械螺旋弹簧11并被固定在基准点3和外壳6的内表面7之间，使得当浮标2位于其平衡位置4时，负弹簧装置10垂直于支撑构件5和位移方向(z)。当浮标2位于其平衡位置时，负弹簧装置10处于最大压缩状态。连接点12和13允许负弹簧装置10相对于内表面7和基准点3铰接转动。
尽管没有在图1中示出，波浪能量转换器1包含多个负弹簧装置10，弹簧装置10如上所述在基准点3和内表面7之间延伸，并且具有基本相同的机械属性。多个负弹簧装置10围绕支撑构件5的轴线对称地分隔开。因此，负弹簧装置10围绕支撑构件5的轴线排列成星形，例如两角星、三角星或五角星。例如，可以存在以120°角隔开的三个负弹簧装置10，所有三个负弹簧装置在浮标2和支撑构件5之间提供基本相等的力。
很明显，由于传入的波浪能量，图1实施例中的浮标2可以经历平移/线性运动振荡。当浮标2从其平衡位置4移位时，来自负弹簧装置10的力具有沿线性位移方向(z)的分量。因此，当浮标2移动远离其平衡位置时，负弹簧装置10释放其存储的能量。
随着浮标2移动远离其平衡位置4，由负弹簧装置10在浮标2的位移方向(z)上提供的力的大小会变化。这种力的变化一部分是由于系统的几何结构引起的，因为随着浮标2远离平衡位置4的位移增加，由负弹簧装置10施加的总力的z方向分量相对于垂直于z方向的分量增加。此外，由于由负弹簧装置10产生的总力随着负弹簧装置10的长度变化而变化，因此该力会变化。因此，当浮标从其平衡位置移位时，这种力的变化开始起作用。由负弹簧装置产生的力用以沿振荡的位移方向(z)推动浮标。在一个示例布置中，当浮标2移动远离平衡位置4时，负弹簧装置10可以提供最初随位移增加的力。
负弹簧装置10提供用以抵抗浮标2的静刚度的负刚度，并因此降低系统的静刚度。然而，对于平衡点附近的阈值位移之外的位移(z)，该系统的刚度是被允许增加的。这可以在图2所示的示例中看出，其中虚线为浮标2的静刚度力(F(z))并且实线为由于负弹簧装置10引起的力(F(z))，二者都作为从平衡位置4起的位移(z)的函数。
图3中的实线示出该系统的合成刚度力(虚线同样为浮标2的静刚度力)。可以看出，在平衡点附近刚度有所降低。应该注意的是，在图2和3以及图5、图6、图8、图9的轴线上示出的精确值仅以说明性的方式举例。可能会遇到更大或更小的位移和力。这些值依赖于很多因素，包括传入波浪的能量和浮标的尺寸。
随着浮标2从其平衡位置4移位，来自负弹簧装置的总力减小。在阈值位移处(图2中标记为zt)，该总力(并且因此该力在浮标的位移方向上的分量)为零。从图2可以看出，在大于阈值位移(zt)的位移处，负弹簧装置10在与浮标2从其平衡位置4起的位移方向(z)相反的方向上提供一个力。因此，负弹簧装置10在某一位移(zt)之后起到正弹簧装置的作用，并且增加该系统的总刚度。
参考图2，由负弹簧装置10提供的总力最初随位移(z)增加而增加，然后在阈值位移(zt)处变为正弹簧(并且因此施加与位移方向相反的力)之前减小。由于系统的几何结构(如上所述类似的原因)，来自负弹簧装置的力在与浮标位移方向相反的方向上的分量可以进一步增加，并且自从超出阈值位移(zt)之后，由该弹簧装置产生的总力可以随着其扩张而增大。在大位移处的正弹簧效应可以用作限制浮标的最大位移的“末端止动件”系统的一部分。
参考图4，其展示的波浪能量转换器在很大程度上类似于图1所示的波浪能量转换器。然而，在这个实施例中，每个负弹簧装置10可以包含一组弹簧14，该组弹簧14包含关于垂直于平移运动方向(z)的平面对称布置的一对V形成角弹簧。该组弹簧14可以从到固定点3的连接件13延伸到浮标2的内表面7上的相应点12。相应点12在与支撑构件5的方向基本对齐的方向上分开。在这个示例实施例中，示出了气压弹簧。
从图5中可以看出，使用该组弹簧14允许调整负弹簧装置10的力特性。在图5中，来自该组弹簧中的每个弹簧的在浮标上沿z方向的力由F1和F2(实线)示出。合成力由Ftot(虚线)示出。选择每组弹簧中的各弹簧之间的角度和由每个弹簧产生的总力(总和F)，使得来自负弹簧装置的合成力(Fz气动)最佳地降低浮标在平衡点附近的静刚度(Fz球形)。这在图6中示出。该角度提供了另一个可控因素，其有助于工程师生产最有效的刚度缩减。
图7示出本发明的一个示例实施例，其中浮标2经历旋转振荡。浮标2可以与关于前面实施例所描述的浮标充分相似。然而，图8实施例中的浮标2仅包含一个孔9以允许连接构件15将浮标2的中心连接到枢转点(A)上，并且包含负弹簧装置10可延伸穿过的一个狭槽(未示出)。浮标2围绕枢转点(A)以角位移振荡，该枢转点(A)在浮标2之外。负弹簧装置10可以被耦合在浮标中心和基准点3之间。当浮标2从其平衡位置移位时，来自负弹簧装置的力具有在振荡浮标的切线方向上的分量。
基准点3沿着从枢转点(A)处在浮标的平衡角方向延伸的线定位。此外，它被定位于浮标2在其平衡位置处时的中心到枢转点(A)之间。
图7中的波浪能量转换器1的负弹簧组件10类似于图1至图4中的负弹簧组件10起作用，以降低系统的静刚度并因此增加波浪能量转换器的带宽。在图8和图9中可以看出静刚度的降低，其示出与图2和图3类似的效果。因此，在图8中，虚线为浮标2的静刚度力矩(τ(θ))，而实线为由于负弹簧装置10所导致的力距(τ(θ))，其均为从平衡点4起的角位移(θ)的函数。由图9中的实线示出系统的合成刚度力矩(τ(θ))(虚线同样为浮标2的静刚度力矩)。可以看出，在平衡点附近刚度有所降低。
如上所述，负弹簧的效果是极大地提高系统所能传递的能量。对于图4所示类型的线性振荡型浮标，已经与标准浮标设计做了实验对比，发现能量传递至少提高了100％。该实验采用传统的电阻负载装置来测量能量传递。因此，由本文所描述的波浪能量转换器提供的显著优点是与已知设计相比至少加倍的平均功率输出。

Claims (30)

1.一种用于从海洋波浪中获取能量的波浪能量转换器，其包含：
浮标，其被布置为相对于基准点围绕平衡位置振荡；以及
负弹簧装置，其连接在所述浮标和所述基准点之间，其中当所述浮标移动远离所述平衡位置时，所述负弹簧装置用于在位移方向上提供正力。
2.根据权利要求1所述的波浪能量转换器，其中，所述负弹簧装置被构造成当所述浮标位于其平衡位置时在所述浮标的振荡运动方向上不提供力。
3.根据权利要求1或2所述的波浪能量转换器，其中，所述负弹簧装置被构造成当所述浮标移动远离所述平衡位置时提供最初随位移增加的力。
4.根据权利要求1、2或3所述的波浪能量转换器，其中，所述负弹簧装置在所述浮标被使用时起到抵消所述浮标的静刚度的作用，使得位于所述平衡位置的所述浮标的总刚度相较于没有负弹簧的浮标被降低了。
5.根据权利要求4所述的波浪能量转换器，其中，位于所述平衡位置的所述浮标的总刚度相较于没有负弹簧的浮标至少降低4/5。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的波浪能量转换器，其中，所述负弹簧装置在使用中起到抵消所述浮标的静刚度的作用，以便由此增加所述浮标的共振振荡带宽。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的波浪能量转换器，其中，在大于阈值位移的位移处，所述负弹簧装置提供力，该力具有在与所述浮标从其平衡位置起的位移方向相反的方向上的分量。
8.根据权利要求7所述的波浪能量转换器，其中，所述负弹簧装置被构造成使得所述力在与所述浮标的位移方向相反的方向上的所述分量随着所述浮标超出所述阈值位移的位移增加而增大。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的波浪能量转换器，其中，所述负弹簧装置包含机械弹簧。
10.根据权利要求9所述的波浪能量转换器，其中，所述机械弹簧为螺旋弹簧或气压弹簧。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的波浪能量转换器，其包含多个负弹簧装置。
12.根据权利要求11所述的波浪能量转换器，其中，所述多个负弹簧装置在所述平衡位置处沿垂直于运动方向的平面在不同方向上延伸。
13.根据权利要求12所述的波浪能量转换器，其中，所述多个负弹簧装置被对称布置。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的波浪能量转换器，其中，每个/所述负弹簧装置包含一组弹簧。
15.根据权利要求14所述的波浪能量转换器，其中，所述一组弹簧包含一对V形成角弹簧，所述一对V形成角弹簧在所述平衡位置处关于运动方向的垂直方向对称布置并坐落于所述运动方向及其垂直方向的同一平面上。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的波浪能量转换器，其中，所述基准点被设置在支撑构件上，所述浮标被构造成相对于所述支撑构件振荡。
17.根据权利要求16所述的波浪能量转换器，其中，所述浮标被构造成进行平移/线性运动振荡。
18.根据权利要求17所述的波浪能量转换器，其中，所述支撑构件穿过所述浮标的中心。
19.根据权利要求17或18所述的波浪能量转换器，其中，所述支撑构件沿所述浮标的线性振荡方向定向。
20.根据权利要求16所述的波浪能量转换器，其中，所述浮标被构造成关于所述浮标外部的枢转点以角位移进行旋转振荡。
21.根据权利要求16至20中的任一项所述的波浪能量转换器，其中，所述负弹簧装置被耦合在所述浮标的中心与所述基准点之间。
22.根据权利要求20所述的波浪能量转换器，其中，所述基准点位于或接近于沿着所述平衡位置与所述枢转点的连线的任意位置。
23.一种从海洋波浪中获取能量的方法，其包括：
允许浮标由于波浪运动而相对于基准点围绕平衡位置振荡；以及
使用负弹簧装置在所述浮标移动远离所述平衡位置时在所述浮标与所述基准点之间提供正力，所述正力在所述浮标和所述平衡位置之间的位移方向上。
24.根据权利要求23所述的方法，其包括：当所述位移大于阈值位移时，在所述浮标与所述基准点之间提供正力，该正力在与所述浮标和其平衡位置之间的位移方向相反的方向上。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述负弹簧装置被用于抵消所述浮标的静刚度，使得所述浮标在所述平衡位置处的总刚度相较于没有负弹簧的浮标被降低。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述浮标在所述平衡位置处的总刚度相较于没有负弹簧的浮标至少降低4/5。
27.根据权利要求23、24、25或26所述的方法，其中，所述负弹簧装置被用于抵消所述浮标的静刚度，以便由此增加所述浮标的共振振荡带宽。
28.根据权利要求23至27中的任一项所述的方法，其中，所述浮标与所述基准点之间的力由根据权利要求1至22中的任一项所述的波浪能量转换器的负弹簧装置提供。
29.在根据权利要求23至28中的任一项所述方法中使用的波浪能量转换器，所述波浪能量转换器包含通过负弹簧装置连接到基准点的浮标。
30.一种波浪能量转换器、一种从海洋波浪中获取能量的方法或一种在所述方法中使用的波浪能量转换器，其大致如参考本文附图中的图1、2、3，图4、5、6或图7、8、9所描述。
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