CN106489024A - 波浪能转换器 - Google Patents

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Abstract

一种波浪能转换器系统包括：多个波浪能转换器单元，所述多个波浪能转换器单元安装在海岸线处或者与海岸线相邻安装，以接收由接近海岸线的海洋波浪引起的水流，所述波浪能转换器单元中的每个均包括：具有转子轴的发电机，所述发电机被构造成根据所述转子轴的旋转来发电；以及附接到所述转子轴的多个叶片，所述多个叶片致使所述发电机的所述转子轴响应于撞击在所述叶片上的水流而旋转，由此发电；以及功率调节器，所述功率调节器安装在岸上，以接收所述多个波浪能转换器单元中的每个所生成的电力，所述功率调节器向外部电网提供合并后的电力。

Description

波浪能转换器
技术领域
本发明涉及波浪能转换器系统，更特别地，涉及将近岸/在岸波浪能转换成电力的波浪能转换器系统。本申请特此以引用方式并入2014年7月15日提交的美国临时申请No.62/024,790的全部内容。
背景技术
近年来，已经进行了利用地球上的可再生能量作为现有能源的补充或替代的众多努力。特别地，已经对诸如离岸海洋波浪能、近岸波浪能和在岸波浪能的海洋能量进行了深入的研究和开发。对波浪能技术的回顾可见于例如以下被作为非专利文献(NPL)1列出的Lopez等人的综述文章。
如NPL 1中所示的，例如，直至最近，提出和验证了各种类型的波浪能转换器。其中一些使用水面上的悬浮主体和利用来自离岸海洋波上的竖直振动运动的海洋能量。另一个使用竖直容器将波浪运动转换成气流，空气涡轮机跟在竖直容器后面用于发电。然而，这些研发中的大部分由于以下原因而失败：(1)低的能量转换效率；(2)风暴状况中的机械故障；(3)高成本的安装，由此不满足经济需要；和/或(4)对于长时间段操作而言是不可靠的设计。
引用列表
非专利文献
NPL1：I.Lopez等人的“Review of wave energy technologies and thenecessary power-equipment”(Renewable and Sustainable Energy Reviews 27(2013)413-434)
发明内容
技术问题
因此，已经提出和验证了诸如水面和底部之间的离岸、近岸、在岸波浪或压力差异的不同形式的波浪能的各种系统。不同的系统具有不同的优点和缺点。然而，还没有建立和创建经济且高效的发电系统。本领域中的研究人员和工程师在不断追求利用波浪能进行发电的新型、经济且高效的设计。
本发明涉及波浪能转换器单元/系统，更特别地，将近岸/在岸波浪能转换成电力的波浪能转换器单元/系统。
本发明的目的是提供新型的改进的波浪能转换器单元和装有该波浪能转换器单元的发电系统，以消除现有技术的一个或多个问题。
问题的解决方案
为了实现这些和其他优点并且按照本发明的目的，如所实施和概括描述的，一方面，本发明提供了一种波浪能转换器系统，该波浪能转换器系统包括：多个波浪能转换器单元，所述多个波浪能转换器单元安装在海岸线处或者与海岸线相邻安装，以接收由接近海岸线的海洋波浪引起的水流，所述多个波浪能转换器单元中的每个均包括：具有转子轴的发电机，所述发电机被构造成根据所述转子轴的旋转来发电；以及和附接到所述转子轴的多个叶片，所述多个叶片致使所述发电机的所述转子轴响应于撞击在所述叶片上的水流而旋转，由此发电；以及功率调节器，所述功率调节器安装在岸上，以接收所述多个波浪能转换器单元中的每个所生成的电力，所述功率调节器向外部电网提供合并后的电力。
另一方面，本发明提供了一种波浪能转换器单元，所述波浪能转换器单元具有自适应性俯仰叶片，所述波浪能转换器单元用于将海洋波浪能量转换成电力，所述波浪能转换器单元包括：具有转子轴的发电机，所述发电机被构造成根据所述转子轴的旋转来发电；以及附接到所述转子轴的多个自适应性俯仰叶片，所述多个自适应性俯仰叶片致使所述发电机的所述转子轴响应于撞击在所述叶片上的海洋波浪的水流而旋转，由此发电，其中，各个自适应性俯仰叶片均具有在该叶片的前沿处的翼梁轴，所述翼梁轴固定到所述转子轴并且从所述转子轴径向延伸；并且其中，所述叶片的至少一些片段被构造成能相对于预定中立静止位置围绕所述翼梁轴弹性旋转，使得所述叶片的所述至少一些片段能响应于撞击在所述叶片上的海洋波浪的水流而改变相对于所述翼梁轴的俯仰角。多个这种波浪能转换器单元可用于上述的波浪能转换器系统。
本发明的有利效果
根据本发明的一个或更多个方面，变得可以提供有效且经济的波浪量转换器和装有该波浪能转换器的系统。在本文中公开的本发明的至少一些实施方式中，设计是简单且智能的。安装将是在岸的(非常靠近海岸)，因此容易进行维护。通过与诸如四脚底部的现有波浪耗散结构组合，将大幅减少安装成本。另外，对于环境将是无害的，相反它有助于破浪结构。此外，根据用于具有可调节俯仰叶片的波浪能转换器单元的本发明的至少一些方面，可有效应对大范围的环境改变(诸如，由于恶劣天气条件而导致的极高水流速)并且可以以低维护成本来处置该环境改变。
本发明的另外或单独的特征和优点将在随后的描述中阐述并且部分地将根据描述而清楚，或者可通过实践本发明而获知。将通过书面描述及其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和得到本发明的目的和其他优点。
要理解，以上的总体描述和以下的详细描述是示例性和说明性的，旨在提供对要求保护的本发明的进一步说明。
附图说明
[图1]
图1示意性示出根据本发明的实施方式的与海岸相邻安装的波浪能转换器单元。
[图2]
图2是示出根据本发明的实施方式的与海岸相邻安装的波浪能转换器系统的示意图。
[图3]
图3更详细地示出图1的波浪能转换器单元的实施例。
[图4A]
图4A是图1的波浪能转换器单元的另一个实施例的正视图。
[图4B]
图4B示出图4A的波浪能转换器单元的侧视图。
[图5]
图5是示出根据本发明的实施方式的波浪能转换器系统的电构造实施例的示意图。
[图6]
图6示出对于带固定叶片的涡轮机和带可变俯仰叶片的涡轮机而言的流体速率与电力输出之间的关系的曲线图。
[图7]
图7示出根据本发明的实施方式的波浪能转换器中使用的叶片的操作原理。
[图8]
图8示出当水流率极高时的图7中示出的叶片的操作原理。
[图9]
图9示出缠绕根据本发明的实施方式的自适应性俯仰旋转叶片的螺旋帘线层的示例性方式。
[图10]
图10示出按照参照图9说明的方法的缠绕有螺旋帘线层的自适应性俯仰旋转叶片。
[图11]
图11示出根据本发明的实施方式的自适应性俯仰旋转叶片。
[图12]
图12示出根据本发明的实施方式的自适应性俯仰旋转叶片。
[图13]
图13示出根据本发明的实施方式的已经实际建立的WEC单元。
[图14]
图14示出根据本发明的实施方式的WEC单元安装在海岸线处的另一个实施例。
[图15]
图15示出根据本发明的实施方式的WEC单元安装在海岸线处的又一个实施例。
具体实施方式
一方面，本公开内容提供了一种用于波浪能转换器(WEC)的具有被适当设计的旋转叶片的涡轮机，WEC用于利用海洋能量从在岸破浪波中的水流转换成电力。在一些实施方式中，多个这样的涡轮机安装在海岸旁边，使得靠近海岸线的近岸波的前后流致使叶片旋转，由此构成发电的波浪能转换器系统。海洋波一般混有涡流和气泡。因此，涡轮机必定在高度不均一的多相流内部运行。当海洋波接近海岸时，波峰的向前运动变成主导。因为海底充当阻力，所以波峰比底部更快地前行，从而开始破浪。在本文中公开的实施方式中的至少一些中，这种快速运行的水坡已经被用于冲浪；这里，本公开内容使用它来生成能量。
相比于靠近海岸的波浪动态，在深水中，水粒按圆形运动进行移动。这种上下运动已经被用作以上列出的NPL NO.1中描述的WEC中的一些。
<波浪能转换器单元>
图1示出根据本发明的实施方式的与海岸相邻安装的波浪能转换器单元。靠近海岸线(在这个实施例中，岸106)，WEC单元102安装在海床105上。WEC单元102具有沿着连接到发电机101的轴旋转的多个旋转叶片103。在一个设计中，WEC单元靠近四脚底部107安装，以面对离岸，使得例如海水104的平均高度主要碰到旋转叶片103，使得到来的波峰将使叶片高效旋转。因此，本实施方式的WEC单元利用波浪中的水平水流。在一个实施方式中，可在WEC单元中利用仅单向流来发电，但是如下所述，在某些其他实施方式中，可以利用双向流。破浪波致使叶片103旋转，并且由于穿过发电机101的旋转，导致生成电力。
叶片优选地由柔性材料制成，使得水流的极高速率不容易使叶片的完整性受损。另外，如以下公开的，在一些实施方式中，叶片103可被构造成按照由于波浪而到来的水流速度来改变其攻角(即，俯仰或扭曲角度)，以使电力转换效率最大并且避免了叶片上的应力过大。
图2是示出根据本发明的实施方式的与海岸相邻安装的波浪能转换器(WEC)系统的示意图。该图示出从海岸向着海洋水平线204看到的WEC系统。如该图所示的，多个WEC单元201(例如，以上图1中示出的WEC单元)可沿着海岸线安装，使得可生成大量电力，并且使得所生成的时间上平均的总电力相当恒定并且能容易管理。根据海洋波浪理论，当海洋波浪202正接近海岸时，由于水面和海床的斜坡之间的边界变窄，导致波浪能量聚集在水面周围。结果，波浪高度变得越来越高，最后它到达临界点和破浪。恰在波浪202破浪之前，水流的速率在典型的波浪条件(几米高)下在面对海岸的方向上达到大约5至10m/s。通过将旋转涡轮机置于该水流中，可生成电力。由于这个过程是直接的并且没有中间过程，因此能量守恒效率相当高。使多个这种类型的发电机阵列，可以利用大量波浪能。通过将所生成的电力暂时储存在电容器组中，调节后的AC电可以通过正确的功率调节器被传输到电网。来自破浪的波浪冲刷或其他形式的脉动可以达到平均。可以使发电机的尺寸小。例如，叶片的直径可以是大约2m，因此操纵和安装没有构成重大问题。通过利用现今的来自电动汽车的高级技术(发电机、电池和电力转换器)，可以以低成本制造这种类型的可靠WEC。这种类型的WEC单元和现有的消灭波浪的四脚底部203的组合是优选的构造；可以从波浪中提取能量并且可以保护海岸不遭受土壤流失和盐水。
图3更详细地示出根据本发明的实施方式的图1的波浪能转换器(WEC)单元的实施例。如该图所示，这个实施方式的WEC单元包括鼻锥301、在方向304上旋转的叶片302和用于容纳发电机306的外壳305。这些部件一起构成涡轮机303。涡轮机303由固定在支承底座309上的支承轴308支承。线缆307附接到发电机306，以将所生成的电力传递到海岸。
图3的WEC单元可以靠近海岸安装在平均海水深度是例如大约1m至5m的位置。海岸线波浪产生反复地向着在岸方向并且向后的快速水平水流。WEC单元被布置成WEC单元的涡轮轴线大致垂直于海岸线或者在到来波浪的前进方向上取向，使得叶片响应于到来的波浪(如以下公开的，另外，响应于回流/向后的波浪)而高效地旋转。
图4A是波浪能转换器(WEC)单元的另一个实施方式的正视图。图4B是图4A的波浪能转换器单元的侧视图。如图4B所示，在这个实施方式中，设置六(6)个转子叶片409。叶片409(在图4A中被示出为叶片402)由用交叉帘布层加固的橡胶材料构成。可拆卸地安装叶片409，以便进行维护。为各叶片设置作为翼梁的金属杆408，并且金属杆408附接到转子轴407。该WEC单元还包括：推进器鼻锥406，其由附接到转子轴407的纤维加固聚合物(FRP)或玻璃纤维加固聚合物(GFRP)制成；用于容纳发电机411的外壳412，其由例如FRP或铝制成；吊钩410，其用于安装；墩轴405，其用于支承外壳411；以及输出电力线缆413，其用于连接到电力转换站。墩轴405由底部钢锭404支承，底部钢锭404的重量是例如10吨并且布置在形成在海床上的沙或破碎岩石地基403上。图4A和图4B中的小数字符号指示以毫米为单元的各个大小的大致优选尺寸。所估计的旋转速度是大约1至3Hz；60至180rpm。叶片402(409)的形状和尺寸取决于诸如水深和速度的场所条件，并且可使用例如空气动力模拟进行适宜设计。
<波浪能转换器系统>
图5是示出根据本发明的实施方式的波浪能转换器系统的电构造实施例的示意图。多个WEC单元WEC 1至WEC 40安装在海洋中，靠近海岸(或在海岸处)，以构造(可以说)相对小规模的WEC场。在这个实施方式中，各WEC单元具有2m直径的涡轮机，该涡轮机对于标称2m的波浪高度而言具有100kW峰值输出和25kW平均额定输出。这些WEC单元以5m的间隔布置，沿着海岸遍及总共200m的长度。所生成的输出电力被600V，100A的三相电力线缆504独立发送，三相电力线缆504可以铺设几百米(例如，300m)的长度。WEC单元中的WEC 1至WEC40中的每个接收随机到达的波浪501并且生成均通常持续几秒的电流脉冲。
用于处理各个WEC单元WEC1至WEC 40所生成电力的功率调节器503安装在海岸上。如图5所示，来自对应WEC单元的各线缆504通过连接开关506和整流器507连接到电容器组508，使得所生成的AC电被暂时作为DC电储存在电容器组508中。DC/AC转换器509将储存在电容器组508中的DC电转换成AC电并且将它发送到升压变压器510。升压变压器510将AC电的相位和电压与外部电网的相位和电压进行匹配并且将调节后的AC电发送到外部电网。由于波浪随机到达海岸，因此各WEC单元所生成的电力变成在时间上随机的脉冲，各脉冲的持续时间是几秒。来自WEC的脉冲能量被转换成DC并且被储存在电容器组508中。因此，来自多个WEC的组合电流505被储存在电容器组508中。重要的是，所储存的能量因为整流器507而没有泄露到WEC。因此，整流器507起到两个作用：AC/DC转化和当WEC单元由于没有波浪和/或机器故障而停止发电时将WEC单元与电容器组508隔离。为了进行维护，可通过连接开关506将各WEC单元隔离。
电容器组508中储存的能量通过DC/AC转换器509和升压变压器510被发送到电网。如以上提到的，通过DC/AC转换器509调节电压和相位，以匹配电网电力条件的电压和相位，从而将电力平稳且高效低传递到电网。如以上描述的，根据这个实施方式的WEC系统，可用到达海岸的破浪和/或波浪来生成相对大量的电力。在适宜的情形下，该构造(即，旋转叶片的阵列)还可应用于离岸波浪、潮汐发电和河道水流中的水力发电。
发明人已经通过以下实验确认了上述WEC单元和WEC系统的可操作性。图13示出根据本发明的实施方式的已经实际建立的WEC单元1300。图13的左图是正视图而图13的右图是侧视图。WEC单元1300具有五(5)个叶片1301，叶片1301均用四(4)个螺栓固定到转子毂1303并且由插入其中的碳轴支承，以耐受由到来的波浪所产生的阻力。各叶片1301按照NACA0020-0018混合规范进行成形并且使用3D打印机由ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)树脂制成。叶片的旋转跨度被设置成600mm的直径。鼻锥1302附接到转子毂1303。三相AC发电机1304附接到转子毂1303，以将叶片1301的旋转能量转换成电力。该图中的数值表示以毫米为单位的各个部分的尺寸。由Winpowertech制造的WPT100-20WE型发电机用作发电机1304。针对126.6W的输入功率，该发电机的标称输出功率是100.1W，效率是79.03％。
WEC单元1300被置于日本冲绳县内的前田海滩(Maeda beach)处的海水中。在该实验中，涡轮机(WEC单元1300)的大致下半部被浸没在平均海平面中。实验场所的波浪高度是大约几十厘米至几米。通过与三相整流器的输出端子连接的电阻是233欧的负载电阻器来评价所生成的电力，该三相整流器整流从发电机1304输出的三相AC。在负载电阻器处，所观测到的最大功率是101.7W。计算出的水速是1.4m/s，该水速与大约200rmp的旋转速度对应。该实验结果表明电力转换中的显著效率，并且已经成功确认了本文中描述的WEC单元以及WEC系统的实际功用和可行性。
<WEC单元的自适应性俯仰旋转叶片>
在本发明的一些实施方式中，WEC单元(即，涡轮机)的叶片被构造成具有可变俯仰，该俯仰响应于到来的水流/波浪运动是自适应性的。图6是示出根据本实施方式的对于带固定叶片的涡轮机和带可变俯仰叶片的涡轮机而言的流体速率与电力输出之间的关系的曲线图。固定俯仰叶片具有相对于叶片所附接的杆(诸如，图4B中的金属杆408)的固定角度。如图6中的针对固定俯仰叶片的曲线中所示，当到来的流体(海水)速率增大时，通过固定俯仰所生成的电力输出增加。然而，当流体速率极高时，通过海水施加到叶片的机械应力会致使固定俯仰叶片破裂。因此，当使用固定俯仰叶片时，必须在考虑到安装场所处的典型和最差波浪条件下谨慎地设计对应的WEC单元，以确保不达到图6的叶片破裂点。如上所述，诸如橡胶的相对柔性材料可用于叶片302(或402/409)的材料，用于吸收极高的流体流动带来的压力。然而，作为这种固定俯仰设计的替代方式，可更直接地利用材料或弹性结构的弹性来更有效地应对叶片破裂的问题。本公开内容提供了如下所述的用于这些结构的一些创新实施方式。
因此，在本发明的一些实施方式中，在涡轮机中引入自适应性机构，该机构使得叶片的扭曲角能够根据波浪的流动方向和本地速率而自动地并且顺从地改变。根据这些实施方式的叶片可由柔性材料(例如，橡胶)制成。在一个实施方式中，杆式翼梁在叶片的前沿附近实现，用于在没有水流/波浪的情况下保持柔性叶片是笔直的，而叶片的另一侧的另一端可围绕杆翼梁旋转。可利用橡胶的机械弹簧或弹簧动作将翼面转矩保持在优化值，以使能量守恒效率最大。在一些实施方式中，随着波的周期性交替的流动方向，叶片可响应于流动方向的改变而自动地改变扭曲角的方向；因此，涡轮保持在同一方向上旋转。换句话讲，不仅到来的波浪，而且回流的波浪可促成叶片在同一预定方向上旋转，由此促成发电。
此外，在破浪中存在大速率梯度，即，在水面处的速率高而在底部处的速率低。如果使用固定扭曲角叶片，则叶片获得表面附近的速度，但它损失了底部处的能量，因此会牺牲能量守恒效率。通过使用自适应性俯仰设计，叶片在底部成小角度并且使阻力最小，结果，涡轮机没有损失其底部处的能量。另外，在风暴条件下，该设计提供了转矩限制功能。在极高速流动时，叶片快速翻转成与流动方向对准，即，成为中立位置(零攻角，从而升力系数变成接近零)并且减小了来自高能量流的升力。结果，由于浪涌电流，导致可保护它不受破坏性冲击。以下，在描述特定实施方式的背景下，进一步说明该操作原理。
在本发明的一个方面，各叶片或叶片的一部分以它能绕着翼梁轴弹性(对应于图4B中的金属杆408)旋转这样的方式附接到翼梁轴。图7示意性示出根据本发明的这个实施方式的这种叶片的操作原理。图7示出从径向方向向着旋转的轴/中心看到的叶片701的剖视图。到来/向前的水流在图中是从左到右的。参照图7，更详细地描述以上提到的操作原理。当没有水流时，叶片701处于其中立位置(即，扭曲(俯仰)角是零(顶部的图))。换句话讲，叶片701在与水流/波浪移动的方向垂直的旋转平面上保持平坦。当向前的波浪到来时，水的向前流动使叶片701扭曲，从而致使叶片701围绕转子轴旋转(中间的图)。当向外(向后)的波浪到来时，水的向后流动使叶片701在相反方向上扭曲，结果，叶片701致使涡轮机在同一方向上旋转(底部的图)。
图8示出当水流速极高时的根据本发明的这个实施方式的叶片701的操作原理。在诸如台风的极端条件下，波浪变得非常高，水以极高的速度流动。由于所得的大压力，叶片701进一步扭曲，并且流动相对于叶片表面的攻角变小，即，叶片(或叶片的片段)相对于初始静置位置以几乎90度扭曲。结果，叶片701的升力受限制，从而导致旋转速度受限制。当极高的向后流速从后方撞击涡轮机时，出现相同的受限制(或自动调节)旋转。用这种机制，撞击到涡轮机上的波浪/海水的非常高的流速没有造成叶片701或涡轮机上的不允许的高应力，由此以自动调节/自适应性方式保持WEC单元的完整性。换句话讲，上述的结构是转矩自限制的。在以上讨论的图6中总结了这种效果。如图6中的针对可变俯仰叶片的曲线所示出的，即使当到来的流速变得非常大时，电力输出也达到饱和，这表明在流速非常大的情况下，旋转受到了限制。因此，保护WEC单元/系统不受恶劣天气条件的影响。因此，根据本发明的这个方面的自适宜性俯仰旋转叶片的特征提供了用于应对大范围的波浪/海洋条件的经济且高效的方式。换句话讲，本发明的这个特征提供了自动调节的转矩限制效果，使得即使安装场所偶尔经受极大的水流速时，叶片也没有经受不期望的大应力和压力。
<自适应性俯仰旋转叶片的示例>
以上参照图7和图8描述的自适应性俯仰旋转叶片的剖面结构可以通过径向方向上的叶片的整体长度来提供，或者在一些实施方式中，可以例如只设置在纵向方向上的叶片的一个或更多个片段处。
根据本发明的实施方式的自适应性俯仰旋转叶片可由柔软材料(例如，合成橡胶或天然橡胶)制成，该柔软材料可以与汽车的充气轮胎中常用的相同的材料。可在这些材料中添加炭黑，以增强和改善由于波浪而导致的叶片上重复应力下的寿命。
自适应性俯仰旋转叶片的剖视图具有流线形。在一些实施方式中，可利用国家航空咨询委员会(National Advisory Committee for Aeronautics，NACA)开发的NACA翼面的形状数据。在某些情形下，对于WEC的本发明的实施方式(诸如，四位数族的NACA0020)而言，优选的是对称的翼型，因为这些形状可响应于波浪对称方式的向前和向后流动。
例如，叶片尺寸的实施例是：涡轮直径为2m；叶片长度为0.9m；叶片宽度0.3向着0.1m变细。
在一些实施方式中，自适应性俯仰旋转叶片具有靠近前沿的用于允许翼梁插入其中的长孔。在一些实施方式中，孔的直径比翼梁的直径大几毫米，以允许叶片自由扭曲。在一些实施方式中，孔的中心位置是从前沿起测得的弦长的大约5％至15％。
在一些实施方式中，扭曲的中立角度被设置成零，即，叶片在静置条件下平坦放置。当波浪到来时，水流将推动后沿成为下游方向，并且自适应性地创建适宜的扭曲角。在一些实施方式中，可以构造叶片，使得当生成目标电力时，例如，扭曲角在底部(靠近转子轴)处是30至60度并且在翼梢处是0至3度。
根据本发明的各种实施方式的叶片的翼梁可由例如CFRP(碳纤维增强型聚合物)、GFRP(玻璃纤维增强型塑料)、或金属(不锈钢或钢)制成。翼梁可具有圆形横截面(即，杆形)。翼梁可具有减缩形状，即，靠近发电机轴有较大直径而朝向翼梢有较小直径。在一些实施方式中，翼梁的直径可被设置成在底部(靠近转子轴)处的30mm至100mm和翼梢处的10mm至30mm。
图11示出根据本发明的实施方式的自适应性俯仰旋转叶片。在这个实施方式中，通过将翼梁插入叶片的翼梢1104中形成的孔窝中，将翼梢1104固定到翼梁1105，翼梢1104由GFRP、CFRP或金属(不锈钢或铝)制成。翼梁1105的另一端附接到转子毂1101。翼梁1105可设置有滑动环1106，滑动环1106由特氟龙(Teflon)或碳塑料制成，以减少摩擦，使得叶片(除了翼梢1104外)的这些片段可容易地围绕翼梁1105旋转。叶片具有由例如橡胶制成的柔性叶片主体1107。柔性叶片主体1107由肋1108支承，并且肋1108可用轴承1103连同机械密封件1102旋转附接到翼梁1105。用这种构造，由于叶片主体1107的顶部附连到翼梢1104并且由于叶片主体1107的其他片段被制成能自由旋转，因此叶片主体1107的弹性控制响应于到来的波浪而产生的叶片主体1107的扭曲角。如图11所示，由于以上提到的本实施方式的结构，导致叶片的下部响应于水流而具有大范围的扭矩角度，并且叶片的较高部分具有较窄范围的扭曲角。由于这种弹性，叶片(叶片片段)的扭曲角响应于水流而改变。
参照图9和图10，说明根据本发明的自适应性俯仰旋转叶片的另一个实施方式。图9示出缠绕根据本发明的实施方式的自适应性俯仰旋转叶片的螺旋帘线层的示例性方式。在这个实施方式中，如该图所示，帘线903的层以螺旋方式缠绕橡胶层904，以保持橡胶层的形状并且提供用于扭曲运动的弹簧动作。如该图所示，肋905和肋902设置在各个端部。用于接受翼梁轴的孔901设置在叶片的前沿处。帘线903的取向和密度确定了机械性能。横向帘线层还沿着流线设置，以保持在遭遇流动水的动态压力时翼型不变。这样，翼面的空气动力L/D(升力/阻力)系数可保持高，并且能量守恒效率保持高。例如，L/D系数可高于20并且能量守恒效率可高达30％。横向层允许橡胶主体不费力地扭曲。在没有横向层的情况下，在某些情形下，橡胶叶片可在升力的作用下容易弯曲，并且劣化空气动力性能，例如，L/D变成低于10，由此降低能量转换效率。围绕翼梁孔的帘线903的螺旋层提供用于扭曲叶片的正确弹簧作用。帘线903可以是尼龙、聚酯、或芳纶或凯芙拉(Kevlar)。例如，帘线的直径可以在0.01mm至0.5mm的范围内。层和叶片的制作过程可遵循与充气轮胎制作相同的过程。
图10示出按照参照图9说明的方法缠绕有螺旋以及横向帘线层的自适应性俯仰旋转叶片。如以上说明的，这个实施方式的叶片包括缠绕内部橡胶层1002的横向帘线1006、螺旋层帘线1005和螺旋帘线层1001。另外，以上参照图9说明的结构被外部橡胶层1007缠绕，由此构成用于WEC单元的该实施方式的叶片1008。孔1004设置在叶片的前沿处，以接受具有轴线1003的翼梁轴。如该图所示的，在这个实施方式中，帘线层设置在叶片内部。这样，使用本实施方式的叶片1008，所得的WEC单元可具有自适应性俯仰旋转叶片，自适应性俯仰旋转叶片的俯仰(扭曲角)可响应于冲击波浪(水流)而弹性改变。换句话讲，出现自动调节的转矩限制。
图12示出根据本发明的又一个实施方式的自适应性俯仰旋转叶片。在这个实施方式中，用的翼梁1204将更靠近叶片1201底部的部分(最靠近转子轴的一侧)固定到转子毂1203，其中具有大的初始扭曲角(例如，30至60度)。叶片1201的横截面具有呈不对称凹形设计的翼型。可利用用于翼面设计的NACA数据来确定这种类型的横截面形状。直到靠近空气动力中心，即，从前沿起的弦长的25％，在叶片1201中制成用于翼梁1204的孔。翼梁位置转变到外部片段的前侧，而叶片可向着后侧向后弯曲。翼梁1204是笔直的翼梁(中轴)，其具有被插入各叶片的孔中的圆形横截面并且通过转子毂1203固定到主转子轴。叶片1201由柔软材料制成，并且被构造成容易围绕中轴扭曲。使中立扭曲(在没有水流的情况下的静置条件)向着翼梢较小。当水流速率增大时，因为叶片上的升力并且力的中心偏离中轴(翼梁1204)，所以形成转矩，该转矩使叶片翻过来并且减小了作用在叶片上的力，从而保护叶片，使其不破裂。如图12中插入的叶片的剖视图中所示，靠近其顶端，叶片1201响应于到来的水流/波浪以较大角度弹性扭曲，并且在中间以相对小的角度弹性扭曲。在底部处，叶片1201几乎不扭曲。本实施方式以这种方式实现了自适应性俯仰。
上述自适应性俯仰旋转叶片的任一个实施方式可用于例如图1、图3和图4A至图4B中示出的WEC单元。在图3中示出的WEC单元设置有这种自适应性俯仰叶片的情况下，当波浪到达涡轮机304时候，水流碰到叶片，形成阻力，从而使叶片扭曲成推进器形状，之后叶片开始在水中旋转和运转。结果，出现流体动力升力，从而进一步加速涡轮机旋转。通过发电机306将旋转的动能转换成电力，并且所生成的电力通过电力线307被发送到在岸发电站。至于向后流动，扭曲角使涡轮机在同一方向上逆向旋转。
图14示出根据本发明的实施方式的WEC单元安装在海岸线处的另一个实施例。到来的海洋波浪1401被防波堤(或码头)1407的壁(在这个实施例中，竖直壁)反弹，并且反弹波浪1403和到来的波浪1401的组合在水面处创建振荡驻波1402，这造成靠近防波堤的壁附近的水竖直上下移动。重要的是，驻波的振幅是到来的波浪的几乎两倍。因此，存在快速竖直流动。本实施方式的涡轮机利用来自该竖直水流的能量。具体地，涡轮机1408(本文中描述的WEC单元中的任一个)与发电机1404一起沿着防波堤1407的竖直壁安装，而非安装在海底1410上，使得通过发电机1404将竖直水流(即，振荡水流1409)转换成电力。涡轮机1408和发电机1404由安装于防波堤1407的支承结构1406支承。为了应对或有效利用由于潮汐而导致的平均水高度的改变，两个或更多个涡轮机(叶片组)1408可被安装在同一转子轴1405上，如图14所示。另外，通过利用来自振荡水流的能量，该WEC可有效地充当破浪结构。
图15示出根据本发明的实施方式的WEC单元安装在海岸线处的又一个实施例。当防波堤或码头1507具有斜坡时，水沿着斜坡流动。为了利用能量，涡轮机(即，本文中描述的WEC单元中的任一个)可平行于斜坡安装，而非安装在海底1509上。到来的波浪1501由于与反弹波浪1503组合而创建了驻波1502，并且所得的振荡水流1508致使涡轮机1504旋转，从而造成转子轴1505旋转，由此在发电机1506处生成电力。类似于图14中示出的结构，考虑到由于潮汐导致的海平面改变，可设置多个涡轮机(叶片组)1504。另外，通过利用来自振荡水流的能量，该WEC还可充当有效的破浪结构。
本领域的技术人员应该清楚，可在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在本发明中进行各种修改和变形。因此，本发明旨在涵盖落入随附权利要求书及其等同物的范围内的修改形式和变化形式。特别地，明确料想到，上述实施方式中的任两个或更多个的任何部分或整体或其修改形式可被组合并且被视为在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种波浪能转换器系统，该波浪能转换器系统包括：
多个波浪能转换器单元，所述多个波浪能转换器单元安装在海岸线处或者与海岸线相邻安装，以接收由接近海岸线的海洋波浪引起的水流，所述多个波浪能转换器单元中的每个均包括：
具有转子轴的发电机，所述发电机被构造成根据所述转子轴的旋转来发电；以及
附接到所述转子轴的多个叶片，所述多个叶片致使所述发电机的所述转子轴响应于撞击在所述叶片上的水流而旋转，由此发电；以及
功率调节器，所述功率调节器安装在岸上，以接收所述多个波浪能转换器单元中的每个所生成的电力，所述功率调节器向外部电网提供合并后的电力。
2.根据权利要求1所述的波浪能转换器系统，其中，所述多个波浪能转换器单元安装在与海岸线相邻的海底上。
3.根据权利要求1所述的波浪能转换器系统，其中，所述多个波浪能转换器单元安装在防波堤或码头结构的竖直或倾斜壁上。
4.一种波浪能转换器单元，所述波浪能转换器单元具有自适应性俯仰叶片，所述波浪能转换器单元用于将海洋波浪能量转换成电力，所述波浪能转换器单元包括：
具有转子轴的发电机，所述发电机被构造成根据所述转子轴的旋转来发电；以及
附接到所述转子轴的多个自适应性俯仰叶片，所述多个自适应性俯仰叶片致使所述发电机的所述转子轴响应于撞击在所述叶片上的海洋波浪的水流而旋转，由此发电，
其中，各个自适应性俯仰叶片均具有在该叶片的前沿处的翼梁轴，所述翼梁轴固定到所述转子轴并且从所述转子轴径向延伸；并且
其中，所述叶片的至少一些片段被构造成能相对于预定中立静止位置围绕所述翼梁轴弹性旋转，使得所述叶片的所述至少一些片段能响应于撞击在所述叶片上的海洋波浪的水流而改变相对于所述翼梁轴的俯仰角。
5.根据权利要求4所述的波浪能转换器单元，其中，所述预定中立静止位置使得所述叶片位于由所述转子轴限定的旋转平面内。
6.根据权利要求4所述的波浪能转换器单元，其中，随着海洋波浪的水流的流速增大，所述俯仰角逐渐从零变成接近90度的角度。
7.根据权利要求4所述的波浪能转换器单元，其中，所述叶片在所述预定中立静置位置处具有相对于由所述转子轴限定的旋转平面的对称横截面。
8.根据权利要求4所述的波浪能转换器单元，其中，所述叶片的被构造成能围绕所述翼梁轴弹性旋转的所述至少一些片段设置有帘线层，所述帘线层沿着所述叶片的流线横向缠绕，以响应于撞击在所述叶片上的海洋波浪的水流而保持所述叶片的翼型。
9.根据权利要求4所述的波浪能转换器单元，其中，所述叶片的被构造成能围绕所述翼梁轴弹性旋转的所述至少一些片段包括：
内部叶片层；
帘线层，所述帘线层沿着所述内部叶片层的流线横向缠绕；以及
外部叶片层，所述外部叶片层覆盖上面缠绕有所述帘线层的所述内部叶片层，以响应于撞击在所述叶片上的海洋波浪的水流而保持所述叶片的翼型。
10.根据权利要求9所述的波浪能转换器单元，其中，所述叶片的所述至少一些片段还包括螺旋缠绕在所述内部叶片层上的帘线层。
11.根据权利要求9所述的波浪能转换器单元，其中，所述内部叶片层和所述外部叶片层由橡胶制成。
12.一种波浪能转换器系统，该波浪能转换器系统包括：
多个根据权利要求4所述的波浪能转换器单元，所述波浪能转换器单元安装在海岸线处或与海岸线相邻安装，以接收由接近海岸线的海洋波浪引起的水流；
功率调节器，所述功率调节器安装在岸上，以接收由多个根据权利要求4所述的波浪能转换器单元中的每个所生成的电力，所述功率调节器向外部电网提供合并后的电力。
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