CN107082109B - 从波浪运动采集移动推力和电力的船舶 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种可以自己行进并导航的改进的航海船只。所记载的混合动力船只通过机械装置将波浪运动转化为移动推力，还将波浪运动转化为电力以存储在电池中。然后在波浪运动不足的期间和在部署过程中，电力可以被用来提供移动动力。电力还可以被用来使在船只的移动只由波浪运动提供动力时所产生的有波动的推力平稳。

Description

从波浪运动采集移动推力和电力的船舶
本申请是申请号为201280032587.3、申请日为2012年6月28日、发明名称为“从波浪运动采集移动推力和电力的船舶”的发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请根据美国35U.S.C.§119(e)，要求下面的美国临时专利申请的优先权：
·2011年6月28日提交的美国临时专利申请No.61/502,279：“Energy-harvestingwater vehicle(采集能量的水上交通工具)”；
·2011年9月15日提交的美国临时专利申请No.61/535,116：“Wave-poweredvehicles(波浪动力的交通工具)”；以及
·2012年1月10日提交的美国临时专利申请No.61/585,229：“Retractablenesting wing racks for wave-powered vehicle(用于波浪动力的交通工具的可缩回的嵌套翼架)”。
本申请另外要求下列专利申请的优先权权益，所有这些申请均于2012年3月19日提交并连同本申请由美国加利福尼亚州桑尼维尔的Liquid Robotics公司共同拥有：
·国际专利申请No.PCT/US2012/029718和美国专利申请No.13/424,239，两者名称均为“Autonomous wave-powered substance distribution vessels(自主的波浪动力的物质分发船只)”；
·国际专利申请No.PCT/US2012/029696和美国专利申请No.13/424,170，两者名称均为“Wave-powered vessels configured for nesting(被构造用于嵌套的波浪动力的船只)”；以及
·国际专利申请No.PCT/US2012/029703和美国专利申请No.13/424,156，两者名称均为“Wave-powered device with one or more tethers(具有一个或多个系链的波浪动力的设备)”。
就各方面而言，前述列出的优先权申请以及美国专利No.7,371,136、美国专利No.8,043,133以及公开的申请US 2008/188150A1、US 2008/299843A1和WO/2008/109022其整体特此并入本文作参考。
技术领域
下方公开并要求保护的内容总体上涉及船只运动和发电的领域。更具体而言，其提供被构造为自主操作，从波浪运动采集移动推力(locomotive thrust)和电力的船舶。
背景技术
波浪动力的船只已在美国专利7,371,136、美国专利8,043,133、以及公开的申请US2008/188150A1、US2008/299843A1和WO/2008/109022中说明。示例性船只以品牌Wave
Figure BDA0001136652830000021
由美国加利福尼亚州桑尼维尔的Liquid Robotics公司制造并销售。
之前不相关领域的进展包括近岸的大型固定系统，该固定系统使用波浪运动来产生用于陆地上的社区的电力。美国专利No.4,134,023讨论了用于在水上从波浪提取能量的装置。美国专利No.6,194,815提供压电旋转发电机。公开的申请US2004/0217597A1讨论了使用压力差的波浪能量转换器。美国专利3,928,967是所谓的“索尔特鸭(Salter's Duck)”专利，是提取波浪能量的装置和方法。波浪能量技术的状态和观点由Clément等人在2002年的Renewable and Sustainable Energy Reviews(可再生和可持续能源评论)6(5)第405-431页中进行了一般评述。
发明内容
本公开提供一种用于制造并部署可以自己行进并导航的航海船只的改进技术。所描述的混合动力船只通过机械装置将波浪运动转化为移动推力，还将波浪运动转化为电力以存储在电池中。然后在波浪运动不足的期间和在部署过程中，电力可以被用来提供移动动力(locomotive power)。电力还可以被用来使在船只的移动(locomotion)只由波浪运动提供动力时所产生的有波动的推力平稳。
本发明的一个方面是一种波浪动力的船只，具有：漂浮的船体；机械装置，其用于将由波浪运动产生的所述船体的移动转化为水平推力；以及发电机，其用于将由波浪运动产生的所述船体的移动转化为电力。将波浪运动转化为水平推力可以在水下组件或者游体通过一个或多个系链附在船体下方的构造中进行。在该构造中，游体的重量使其在船体下方的水中行进，且所述游体被构造来通过系链拉船体。游体具有鳍状物表面，当鳍状物表面由水中的游体的上升和下降致动时，该鳍状物表面在机械上提供向前推力。
板载发电机可以包括用于将由波浪运动产生的船体的垂直移动转化为电力的装置；用于将船体穿过水的水平移动转化为电力的装置；或者两者。图中示出的是波浪动力的船只，其中发电机包括由摆动臂提供动力的活塞，该摆动臂依据船体的垂直移动，从水平移动至垂直位置。摆动臂机械连接至游体，游体的重量使其在船体下方的水中行进。可选地，游体可以被调整使得鳍状物表面的运动可以被阻尼，以增加由发电机产生的电力。
另一个类型的发电机包括由船体穿过水的水平移动提供动力的旋转鳍状物或涡轮机。在这种情况下，所述旋转鳍状物或涡轮机被调整为当在一个方向旋转时产生电力；而当在相反方向旋转时充当经由所述水提供水平推力给所述船只的马达。利用波浪动力的其他类型的发电机之后在本公开中详细说明。
根据本发明的波浪动力的船只典型具有电动马达以提供水平推力，经由水向船只提供动力。还有电池，其被配置来存储由发电机产生的电力，并将电力馈送给马达来提供推进力。可选地，船只可以具有也提供电力给电池的一个或多个太阳能板。
电池可以在有储备电力且需要提高船只的速度的任何时间被用于向船内或者船外的电动马达提供动力。例如，电池可以在每个全波浪周期中的运动不足以提供充分的水平推力给船只的期间，向马达提供动力。
本发明的另一个方面是波浪动力的船只，其利用交替通过波浪运动和通过电力提供动力的移动推力，以便缓冲由波浪运动提供动力的推力。电力由电池提供，该电池反过来由已经说明的将波浪运动转化为电力的系统充电。
本发明的另一个方面是波浪动力的船只，其被构造用于从岸边部署。船只被保持为紧凑形式，并以电动马达的方式发动至深水，其中，船只的其他组件被向外并向下部署。这种性质的船只典型具有：漂浮的船体；游体，其被构造为抵靠船体缩回并固定；一个或多个系链，其将浮体连接至游体；电动马达，其被配置为经由水推进船只；以及电池，其向马达提供动力，具有足够的容量向船只提供使其从岸边至可以部署游体的位置的动力。再次，游体的重量使其在船体下方的水中行进，且所述游体被配置有鳍状物，以在由垂直移动致动时通过系链的方式拉船只。
该船只还可以具有可释放的拖曳浮标。船体和拖曳浮标被配置为使得拖曳浮标在岸上时可以可释放地容纳在船体内，且在部署了船只后拉在船体之后。
本发明的船只理想地使用于自主操作(在船上没有人值守)。船只具有被配置来感测船只的地理位置的电子设备。还有微处理器，其被编程以确定船只的当前位置，并操纵船只使其从其当前位置朝向目标位置。
本发明的其他方面会从下面的说明得知。
附图说明
图1A示出水如何在大致圆形的轨道中成波浪地移动；
图1B示出总体操作，是波浪动力的交通工具的侧视图；
图2示出用于将船只引向目标位置(地理位置)或者保持在目标位置(地理位置)的算法的示例；
图3示出作为年度周期的函数的太阳能的可用性；
图4是总结了能源的相互作用可以如何发生的框图；
图5A、图5B、图6A和图6B是船只的侧视图，示出波浪运动可以如何转化为电力；
图7、图8A和图8B示出使用波浪运动来从船只运动产生移动推力和电力二者的船只的示例；
图9是假设数据的图表，示出存储在电池中的电力可以如何在需要时被用于向电动马达提供动力并提供推进力；以及
图10是示出可以如何配置船体和拖曳浮标使得在岸上时拖曳浮标可以可释放地容纳在船体内，并在部署了船只后在船体后被拉的透视图。
具体实施方式
本发明提供通过波浪运动导出移动推力和电能的船舶。本发明的详细说明包含使用附于被加载弹簧的悬挂设备的系链来采集垂直移动的动力的船只。波浪能量被转化为弹簧中的势能，然后被用于驱动发电机。在另一个示例中，船只具有可以向后驱动的推进器(propeller)，当运动时作为发电机以产生电力。通过这些装置的任一个获得的电能可以被用于向电子设备提供动力，或者可以被存储在电池中供以后使用。存储的能量可以被用于在平静的日子里在波浪动作其自身没有提供足够的动力供船只以期望的速度行进时提供推进力。
将垂直波浪动力转化为移动推力
本发明的船舶的一个特征在于使用波浪运动将船只跨水体从一个地点驱动至一个地点的能力。
出于很多目的，波浪运动可以被近似为不同波长、周期和方向的大致正弦波的线性叠加。随着波浪沿着表面水平移动，水自身以随着深度对数减小的直径的大致圆形轨道移动。如图1A所示。在表面的轨道具有等于波浪高度的直径。随着深度的轨道直径是波长的函数：
Hy＝Hse-2πy/L
其中，L是波长，Hs是表面波高，Hy是在表面下方y深度的轨道直径。
船只可以例如以下面的方式被构造为利用Hs与Hy之间的运动的差异。船体位于表面或者表面附近，淹没的游体或者滑翔件组件位于深度y，并通过一个或多个系链连接至船体。随着波浪将浮体部分升起和降低，淹没部分的翼或鳍状物被动旋转，以便将周围水的相对运动转化为向前推力。推力矢量的方位可以通过在滑翔件后方的舵指引，完全独立于波浪的方向。船只具有多个翼，每个翼具有短弦尺寸。这使上冲程与下冲程之间的无效运动最小化，并能使甚至非常小的波浪成功转换为向前推力。
图1B是示出该原理的波浪动力的交通工具的侧视图。交通工具包括位于水面的浮体或者船体10、以及由一个或多个系链30悬挂的挂在下方的游体20。浮体10包括排水船身11和固定的龙骨鳍12。游体包括用于掌舵的舵21、以及连接至机架23的中央梁的翼或鳍状物22，以便在受限的范围内允许翼围绕横轴旋转并提供推进力。
在静水中(在最左边部分示出)，淹没的游体20通过系链30在浮体10正下方的方式水平挂着。当波浪抬升浮体10时(中间部分)，在系链30上产生向上力，将游体20向上拉，穿过水。这使游体的翼22绕横轴旋转，所述翼连接至机架23，并呈现向下倾斜的位置。随着水穿过游体被迫向下，向下倾斜的翼产生向前推力，游体将浮体向前拉。在波浪到达顶点后(最右边的部分)，浮体下降至波谷。因为游体比水更沉，所以游体也下沉，在系链上保持张力。翼以另一方向绕横轴旋转，呈现向上倾斜位置。随着水穿过游体被迫向上，向上倾斜的翼产生向前推力，游体再次将浮体向前拉。
因此，在上升和下降时游体都产生推力，导致整个船向前运动。
自主导航
波浪动力的船只可以被构造为跨水体自主导航(没有人的参与)，并执行其自身的动力管理。
当船只配备有确定船只的地理位置的装置、用于确定方向的装置、用于操纵船只的装置、用于操作操纵的装置时，可以进行自指引的导航，以便船只行进或停留在目标位置。操纵装置典型地是逆水转向旁侧的舵，以便使船只转向新的航向。替代地或者进一步地，可以是以副翼的方式在船只的相反侧向上并向下按的机械装置，因而使船只转到旁侧并到达新的航向。当船只包括由单个的系链连接的浮体和游体时，通常将操纵装置放在提供移动动力的游体上。在具有两个以上系链的配置中，舵可以置于浮体、游体、或者浮体与游体两者上。
感测船只的地理位置的电子设备可以将一系列参考点三角剖分(triangulateoff)。特别有效的是全球定位系统(GPS)、或者类似的位置发射源网络。船只另外还经常具有电子罗盘或者陀螺仪，以确定船只航向。关于地理位置和船只航向的位置数据在决策算法或者编程的微处理器中处理，其然后可以提供导航指令。所以，操纵装置依据指令来调节船只的航向。
图2示出用于将船只引向目标位置(地理位置)或者保持在目标位置(地理位置)的算法的示例。一旦输入了目标位置，目标位置与从GPS接收器输入的船只的当前位置比较。处理器计算适当的航向，并将其与从罗盘输入的航向比较。处理器然后向舵伺服输出指令，以将船只调节至正确航向。对于能够调节通行速度或者移动力的船只，处理器还可以输出指令来调节速度(未示出)。随着旅程继续，迭代执行通过将罗盘数据与GPS比较来测量并校正。
典型地，用于自导航的电子设备需要电力。这可以通过位于船只的甲板上的光伏电池来提供。对于低风阻，对于低可见性而言，为了减小对于太阳的方向的敏感度，该表面最好水平。例如，顶层甲板可以安装有SunPowerTM E20面板，每个面板含有96个MaxeonTM电池。在标准条件(1000Watts/m2的辐照度，AM 1.5，25℃的电池温度)下，6个面板会产生1962Watts(瓦)的总量。
将波浪移动转化为电力
本发明通过提供移动动力的2个源使波浪动力的船舶的领域前进。一个是将波浪运动直接高效地机械转化为移动推力，如本公开之前说明的那样。第二个是将波浪运动的转化为电力，该电力可以被存储并在以后使用。在船上有2个系统具有多个优点。
图3示出作为年度周期的函数以及作为时间的函数的太阳能的可用性(改编自MDAgeev的Advanced Robotics 16(l)：2002年、43-55页)。取决于光伏电池的尺寸和效率，可能有太阳能不足以给在船上的电子设备提供动力的期间。电池系统可以被用于缓冲并支撑贯穿昼夜变化的电子设备，但是如果船只例如在极北渡过了较长期间，太阳能可能不足。另一方面，在赤道或在赤道附近或在夏季的月份，使用波浪运动用于移动推力可能不够可靠。
本发明的发明人发现了当波浪运动高时，可以采集足够的动力来不仅推进船只穿过水，而且提供充足的电力。实际上，可以从波浪采集足够的电力来不仅对电子设备提供动力，而且产生之后可以用于移动力的能量供应。发电机可以被由波浪产生的船只的垂直和/或水平移动来驱动。船只被配置为使船只的垂直波动机械耦合于向船只(诸如鳍状物或翼架)提供水平移动动力的装置，并且还机械耦合于电力的产生器。
在这样配备的船只中，电力的其他源(比如用于太阳能的光伏电池)完全是可选的——波浪运动在机械上提供动力以驱动船只穿过水，并且还提供电力以运行船上的电子设备和微处理器。
当从波浪运动和/或从太阳能板产生的电力超过即时需要时，其可以存储在板载可充电电池中。存储的电力可以在以后用于向板载的电子设备和微处理器提供动力。还可以被用于对电驱动的推进系统(诸如耦合于推进器的电动马达或涡轮机)提供动力。因此，在平静的日子里，当波浪运动不足以以期望的速度驱动船只时，电池(可选地与光伏电池结合)可以对推进系统提供动力。相反地，波浪产生的电力可以被存储以在太暗而不能全部依赖太阳能的期间使用(例如夜晚)和/或补充移动推力。
图4是总结了能源的相互作用可以如何发生的框图。动力源被表明在最顶行，结果在底部。波浪运动可以通过机械互连提供移动推力，诸如在浮体部分被系链拴至潜水部分的2个部分的船只中。波浪运动还可以向适于在船只上实施的发电机提供动力，该发电机产生传送给可充电电池的电力。穿过水的船只运动(作为从波浪动作在机械上产生的推进的结果)可以向发电机自身提供动力，还馈送给电池。太阳能板(如果有)也提供电力给电池。尽管可以分离，但典型而言，用于这些能源中的任何2个或者3个的电池在存在的源之间共享。
来自电池的电力提供给板载电子设备，诸如导航装置、管理动力分配的微处理器、各种类型的传感器或检测器。电力还可以在其可用来提供船只推进的任何时候被拨出：或者用于在机械上补充从波浪运动获得的推力，或者用于当波浪运动不充分时替代机械推力。如下所述，电动马达可以是与由船只运动提供动力的发电机相同的机器，可以反向运行以提供船只推进。
图5A、图5B、图6A和图6B是船只的侧视图，示出波浪运动可以如何转化为电力。船只已被配备为采集用于移动力和电力的波浪运动。有将船体31连接至游体32的2个系链33a和33b，通过旋转铰链35固定在悬挂设备37的相对臂34a和34b。悬挂臂被加载弹簧以沿着与船只的长度平行的轴在相反方向上返回中性水平配置，围绕中心悬挂点36枢轴转动。
还示出了在船体31上的由电动马达42提供动力的推进器41、舵43、安装在顶层甲板45上的用于接收和发送数据和操作指令的总成44。该配置可以被调整为具有附在更多连杆臂上的更多系链，其向前和/或向后折叠且被安装在船体31上在此处所示悬挂设备37的旁边、前面、或者后面。
图5A将3个图像叠加，示出当船体31被波浪升起时会发生什么。在开始位置，悬挂设备37配置在中性位置，臂34a和34b在相反方向位于水平位置。随着波浪将船体31升起，其将游体32向上拉。然而，水的密度使游体32的向上移动变慢，因而将悬挂设备37的臂34a和34b向下拉。这用势能在每个臂上将弹簧加载。
图5B将3个图像叠加，示出当船只接近波浪的顶点时会发生什么。船体31的向上运动变慢，但是游体32由于在臂被向下拉时臂中的张力而仍然向上行进。随着游体32继续向上至臂34a和34b重新到达中性水平位置的点，悬挂设备37中的势能被释放，并可以由将弹簧中的势能转化为电力的发电机装置捕捉。
图6A将随着势能被释放的悬挂设备37的配置的3个图像叠加。在该示例中，枢轴安装35至连杆臂34a和34b的端部的2个系链绞盘33a和33b驱动活塞，具体而言为线性液压缸38，其反过来产生压力来驱动液压涡轮发电机(未示出)。为了简洁起见，此处示出的液压缸38仅附在一个连杆臂34a上，但更典型地，会有另一个液压缸附在另一连杆臂34b上。连杆臂34a和34b可以很好地封装在贯穿构造的中心，而不会从上述船体31的甲板45突出。可选地，连杆臂44a和44b可以被构造为当需要所有的波浪能量用于推力时，或者当不需要产生电时，锁定在中性水平位置。
图6B提供了在游体随着波浪到顶点而被船体31向上拉时，在连杆臂34a从中性水平位置移动至垂直趋向弹簧加载位置的周期中液压缸38的动作细节。当连杆臂位于中性位置时，液压缸延伸39a，并随着连杆臂34a向垂直方向下降被推在一起39b直至压缩位置39c。当随着波浪到波谷，连杆臂34a返回水平位置时，液压缸返回延伸位置39a，完成周期。
在这些图中示出的设置可以根据用户的喜好调节以适合特定安装。图5A、图5B、图6A和图6B所示的摆动臂系统可以位于游体上，而非浮体上。连杆臂被枢轴安装在朝向游体的上表面的近端，被加载弹簧以呈现水平中性位置。系链附在臂的远端，并连接至上述浮体。波浪运动再次将浮体与系链之间的距离伸展，但是在这种情况下，连杆臂被拉向向上方位，在弹簧中产生可以转化为电力的势能。
无论是安装在浮体上还是安装在游体上，发电系统都可以通过适当的装置来采集连杆臂的上下运动，其最终导致使磁场内的导电线或者条转动、或者经由导体使磁体转动的机械力。所包括的机械装置直接导致旋转运动(诸如旋转轴)，或者可以在机械上转化为旋转运动的往返动作(诸如充液活塞或者充气活塞)。
图5A、图5B、图6A和图6B所示的发电系统是以该系统如何能以高转化效率实现的示例的方式提供的。该示例不意味着限制请求保护的发明的实践，除非明确表明。在移动的船只上利用来自波浪动力的电力的其他系统可以取自现在已部署或开发中的固定岸上技术。
发电系统可以被构造为利用波浪周期中的水面的垂直振荡、或波峰的水平移动、或二者的组合。通过示例的方式，从垂直移动采集电力的系统可以包括垂直浮在水上并用系链拴至船只的管状物。管状物的上下颠簸运动被用于对存储在表面下方的管状物中的水加压。一旦压力到达一定程度，水被释放，涡轮机转动并产生电力。在另一个示例中，振荡的水柱经由韦尔斯涡轮驱动空气进出压力室。在第三示例中，发电系统包括活塞泵，被用系链拴至活塞的浮体固定在水面下方。波浪使浮体上升和下降，产生加压的水，该加压的水然后被用于驱动液压发电机。
为了采集水平波浪移动，发电系统可以包括一个或多个大振荡瓣，该振荡瓣随着波浪的经过捕获波浪。瓣响应于波浪运动向后和向前弯曲，反过来驱动活塞，这在高压下经由管将海水抽至水力发电机。另一个实施方式包括一系列由铰接头连接的半淹没圆筒段(section)。随着波浪沿着装置的长度经过，所述段彼此相对移动。所述段的波浪引起的运动被液压缸抵制，该液压缸经由液压马达通过平滑的液压蓄能器来抽取高压水或油。液压马达驱动发电机以产生电力。
将船只的水平移动转化为电力
将波浪运动转化为电力的另一个方式是两步处理。第一步使用波浪运动来产生移动推力，因而使船只经由水移动。第二步是采集围绕船只的水的由所述移动导致的移动，并将其转化为电力。
图7、图8A和图8B示出使用波浪运动来从船只运动产生移动推力和电力的船只的示例。在该示例中，游体或者翼架由前部系链和尾部系链拴至浮标或船体，该系链具有用于调节部署的系链的长度的绞盘。当浮标随着波浪上下移动时，游体架具有将垂直运动转化为横向移动运动的翼。然后，翼架拉船体，就像在微处理器的控制下由舵指引那样。
此处示出的电系统包括面向上的、提供电力的辅助源的太阳能板。用于产生电的动力模块在图8B中详细示出。该模块包括可充电电池、充当马达和发电机二者的旋转磁体导体装置、以及充当推进器和涡轮机二者的第三组件。如图7所示，当有丰富的波浪动力时，游体上的翼产生推力或者移动动力以使船只向前移动。随着波浪经由水向船只提供动力，推进器向后转动，向马达施加扭矩，以便产生电力来存储在电池中。当没有风力时，或者当翼架被缩回至船体中时，电池或太阳能板向马达提供动力，转动推进器，以便提供移动动力。
图8A所示的动力模块固定至双体船型浮体的一侧。这可以变化来将动力模块例如固定至其他侧，至具有中心龙骨的浮体的中间，或者至游体的侧轨或中间脊梁。可以使用两个或更多的动力模块，例如固定至双体船型浮体的两侧，或者固定至浮体与游体两者的任何组合。
在示出的示例中，船身类型是移位双体船，其具有的优点是在船身速度以下非常高效，并可以以最小的尾流比船身速度快3倍通电。其具有6个325瓦(watt)的SunPower面板，太阳能收集峰值将近2000watt。其还具有容纳在圆筒动力模块中的、能承受200m压力的2个特斯拉大小的锂离子电池组。这些组每个都具有大概7000个电池单元，总共25kWh的能量。动力模块的直径为12.75英寸，与Remus 600或者BlueFin 12D AUV相同。
在移动推力与发电之间平衡
在本发明的一些实施方式中，船只上的各种动力采集系统可以被构造为被调节使得以期望的比率从波浪运动优先向移动推力、或者发电发送动力。
发电系统可以被构造为锁住或可变地阻尼将波浪运动转化为旋转运动从而转化为电力的组件的移动。例如，图5A、图5B、图6A和图6B所示的连杆臂系统可以被设计使得连杆臂可以被夹钳或其他装置固定在水平中性位置。这会有效锁住发电系统而有利于波浪动力的推进系统，这在波浪运动不超过以预期的速度推进船只所需要的程度时和/或当不需要电力(例如，当电池被充电至满容量)时是理想的。在该系统的变化中，阻尼是可变的，以便用于发电的波浪运动的比率可以被精确调节。
相反地，波浪动力的推进系统可以被构造为锁住或可变地阻尼将波浪运动转化为推力的组件的移动。例如，图1B中示出的翼或鳍状物可以被设计使得它们可以被固定在中性位置。这会有效锁住推进系统而有利于发电系统，这在波浪运动超过以预期的速度推进船只所需要的程度时和/或当需要更多的电力向板上电子设备提供动力和/或对电池再充电时是理想的。在该系统的变化中，阻尼是可变的，以便用于移动推力的波浪运动的比率可以被精确调节。
除了调节推力与发电之间的波浪运动的使用，推进系统上的可变阻尼系统可以具有另外的好处：即，取决于当前可用的波浪运动量和期望的目标位置来调节船只的速度。例如，当期望船只停留在其当前位置时，可以进行推进器调整和转舵，采用恰好补偿影响船只的位置的底层水流、风和水平波浪力的净效应的方向和速度。这会有效使船只固定在其当前GPS位置，并防止船只为了维持其位置必须圆形行进。
因此，推进系统、或者发电系统、或者这两者可以配置有锁住或可变阻尼装置，以调节2个系统之间的优先级。
当安装了该调整系统时，其可以被板上微处理器控制，微处理器被编程以确定移动力与发电之间的适当的优先级，进而相应调节每个系统上的阻尼或锁住设备。微处理器可以被编程以考虑如下因素：例如编程至或者传送至微处理器中的垂直波浪运动、纬度(由GPS确定)、温度、其他天气因素、电池电量、距预期的目标位置的距离、可用太阳能的量、一天中的时间、有效载荷、传感器数据、以及操作参数。
使来自波浪运动和电动马达的移动推力交替以缓冲船只速度
当需要时，存储在电池中的电力可以被用于向电动马达提供动力并提供推进力。除了在波浪运动静止的期间向马达提供动力，其还可以持续用于缓冲由波浪运动提供动力的推力。
图9是假设数据的图表，示出其如何工作。通过逐步对气体或液体加压将波浪运动转化为移动动力的机构可以提供相当均一的推力。然而，其他机构使得在每个波浪周期会发生一次或两次推力的波动(undulation)。例如，在翼架被系链拴至浮体下方的配置中(如图1B)，当该架在波浪周期中向上或向下行进时，机构提供向前推力。当波浪到达顶点或其最低点时，系链上的张力相当恒定，向前推力最小。因此，在单个的波浪周期中(如图9所示)，向前推力达到顶点两次。
在波浪动力的船只的很多用途中，波动(undulation)影响甚微。然而，也存在恒定速度(因此相对恒定的推力)才是理想的实例：例如，当使用包括从船只向后流的流注的传感器时。由机械转化获得的推力的波动(undulation)可以通过以相同频率但是基本异相的波动模式向电动马达提供动力来缓冲。通过该方式，来自机械转化的推力和来自电动马达的推力交替，以便合并的移动推力被缓冲至更一致的水平。向电动马达提供动力的模式可以被船上的、编程为检测波浪周期的微处理器控制，预测机械导出的移动推力的波动，并将异相电动马达同步来进行补偿。
被构造用于自部署的船舶
本发明的混合动力交通工具的另一个优点在于在很多实例中，可以直接从岸边部署。这节省了雇用特殊的船只和人员以在深水中进行部署的麻烦和费用。反而，船只的组件被保持在一起，且电动马达向船只提供动力至深水用于全面部署。
例如，被构造用于从岸边部署的波浪动力的船只可以包括漂浮件的船体，被构造为抵靠船体缩回并固定的游体，将浮体连接至游体的一个或多个系链，被构造为经由水推进船只的电动马达，以及向马达提供动力的电池，所述电池具有足够的容量以向船只提供使所述船只从岸边至可以部署游体的位置的动力。在启动之前，电池被充电，游体被保持为固定至浮体。电动马达将船只带至深水，然后，或者自动地，或者通过遥控，系链被放下以将游体部署至浮体下方的操作位置。在部署之后，电池可以使用船上的发电系统持续地进行再充电。
图10提供进一步的示出。波浪动力的船只的一些项目要求船只采取实质上大量的有效载荷。如果将浮体或者游体保持在船上，有效载荷可能削弱垂直移动，并因此减小船只的将波浪运动转化为推力和电力的效率。典型而言，有效载荷或者在水面上或者在水面下在浮体或者游体之后的被称为“拖曳浮标”的容器或者平台中被拖曳。然而，难以从岸边分开部署船只和拖曳浮标。
图示出可以如何配置船体和拖曳浮标，以便拖曳浮标在岸上时可以可释放地容纳在船体内，并在部署了船只后在船体后被拉。示出的细节包含滚轴以在浮体内的一个或多个互补坡道向上引导拖曳浮标。为了将船只运输至启动点，拖曳浮标固定在浮体内，将翼架连接至浮体的系链被缩回，以便翼架牢固地套(nest)至浮体的底部。启动之后，预充电的电池向船只提供动力以至深水，在深水处翼架被向下部署，拖曳浮标在浮体后被部署出，以便被浮体牵引，而不会削弱由于波浪运动而来的浮体的垂直移动。
波浪动力的船舶的用途
本发明的混合波浪动力的船只可以出于由用户期望的任何有价值的目的被制造、销售并部署。例如，船只可以被用于调查并监控海洋或其他水体的区域，包含水和空气的化学组成、天气和海洋生命。船只可以被用于将来自水下或其他船只上的传感器的信号中继至数据处理中心。它们可以被用于监控岸上的活动和其他船舶的行为。它们还可以被用于将物质从船体或从拖曳浮标分配至海洋。
可以使用的传感器和相关设备包含以任何适当组合形式的下列中的一者或多者：
·针对空气或水中的气体浓度的传感器
·热通量传感器
·气象传感器：风速和方向、空气温度、太阳能强度、降雨、湿度、压强
·物理海洋学传感器：波谱和方向、洋流传感器、CTD轮廓
·经由水采样和视觉系统的微生物计数和分类
·诸如Vemco制造的、通过声音标签检测的鱼和野生动物追踪
·FAD构造以提供阴影并吸引海洋生物
·用于对海洋野生动物主动或者被动检测和分类的声音传感器。例如，用于听取鲸鱼的水听器、或者用于鱼计数的主动声纳
·检测由船只释放的物质的浓度的化学传感器。
便于数据收集的安装在本发明的船只上的设备可以包含用于在不同深度获得传感器数据的装置。这可以使用绞盘系统降低和升高装在比水沉的平台上的传感器来实现。另一个选项是装有传感器的拖曳浮标，其具有伺服控制的升降鳍状物，以更改拖体的节距，从而控制其在被拉时的深度。船只还可以具有数据存储系统和编程以处理并解释来自传感器的数据的微处理器，该微处理器被集成至船只上的位置和导航处理和控制系统，或者作为独立的微处理器系统。
本发明的配备传感器和/或有效载荷的船舶具有各种社会学上和商业上的重要用途。这样的用途包含给浮游生物施肥、喂鱼、从大气中隔离碳(PCT/US2012/029718)，进行地震勘测(US2012/0069702A1)或者勘探矿产或燃油的新的源。
术语
在本公开和之前的公开中可互换使用的术语“船只”、“船舶”和海洋航行“交通工具”是指可以跨任何水体行进和在任何水体周围在表面或表面附近行进的航海船只。
“波浪动力的”船只是从有关水面的水的运动导出用于移动(locomotion)的至少其大部分动力的船只。可选地，船只还可以从太阳能和其他自然源，和/或诸如电池和液体燃料动力引擎等人造源导出动力。在该背景下，“波浪”是在参考的点(诸如船只的浮动的中心)的水体的表面的任何向上和向下运动。
“船体”或者“浮体”是在水面上或在水面附近行进的船只的组件。它可以具有其自身的移动动力源、和/或依赖于被潜水组件拉。其通过具有比水小的密度(包含封入的气泡(air pocket)和向上开口腔)而可漂浮。
“游体”、“吊舱”、“潜水组件”、“潜水件”、“滑翔件”或者“翼架”是在水面下方和船体下方行进的船只的组件，其提供移动动力或者推进力。游体比水更沉，以便向下行进穿过水至由系链和船体和悬挂系统允许的程度，系链附在船体和悬挂系统上。典型地配备有多个“鳍状物”或者“翼”，可以围绕横贯行进方向的轴向上或向下旋转。本公开一般涉及具有单个的游体或翼架的船只。然而，船只可以配置有通常在不同深度接合于相同的两个或两个以上系链的多个游体，每个游体响应于波浪动作提供移动推力，可选地被构造为当缩回时嵌套(PCT/US2012/029696)。因此，从游体导出波浪动力的本发明的所有方面包含或者可以调整得准用于包含2个、3个、或者多于3个游体或翼架。
“自主”船只是被设计并被构造为跨水体行进，而不需要人在船上或者在远程位置始终主动控制的船只。其具有自包含的移动动力的源。通过船上的或者在远程位置的传感器、电子设备和微处理器的组合以及与船只的无线通信来控制导航。船只还可以被编程以管理从波浪动作和从电动马达机械导出的移动动力的比率。其还可以被编程以控制游体上的鳍状物的动作的阻尼。
“拖曳浮标”是在船只后方牵引的存储容器或设备平台，附于浮体或者游体，在水面上或在水面下方行进。该术语并非一定表明容器或平台具有一定程度的浮力。
船只上的“微处理器”或者“计算机处理器”或者本发明的控制单元输入数据，处理数据，然后提供诸如数据解释或者指令的输出，以指引另一装置或者组件的活动。对于具有以不同方式处理的不同数据集的船只或单元，用于每个算法的微处理器可以是分离的，但是更通常的是被配置并编程来在适当时用对应的算法处理各个不同的数据集的单个微处理器。
两个或两个以上的本发明的波浪动力的船只可以组织为船队，彼此交互和/或与中心控制单元交互。术语“控制单元”、“中心控制单元”和“控制中心”可互换地用于指电子组件或者器件组合，其接收在一个或多个位置的与水、天气、或者环境的其他方面的一个或多个状况有关的信息，做出有关哪里适合从一个或多个分配船只分配化肥或者其它物质的决定，以及据此向船队中的船只发送指令。控制单元可以位于岸上的、在接收和发送数据和指令的范围内的任何地点，或者其可以在船队中一个船只的船上，可选地与该船只的微电路集成。
在美国，出于所有目的，本文引用的每个公开文件和专利文献被并入本文作参考，如同每个公开文件或者文档被明确并单独表明要并入本文作参考。
虽然参考具体实施方式说明了本发明，但可以做出改变，可以替换为等同方式以适应特定环境或者预期用途，从而在没有脱离权利要求的范围的情况下实现本发明的益处。

Claims (23)

1.一种波浪动力的船只，其包括：
(a)漂浮的船体；
(b)推进系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动机械式地转换为移动推力；
(c)第一发电系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动转换为电力；以及
(d)第二发电系统，其被构造为将穿过水的所述船体的水平运动转换为电力。
2.如权利要求1所述的波浪动力的船只，其中所述第一发电系统包括表面部件和水下部件，该水下部件被栓住并受到重力以悬浮在所述表面部件下方，从而水体上的波浪运动导致所述表面部件相对于所述水下部件上升和下降，所述第一发电系统采集所述运动以产生电力。
3.如权利要求1或2所述的波浪动力的船只，其中所述第二发电系统包括旋转的鳍状物或涡轮机，其响应于穿过水的所述船体的水平运动旋转，所述第二发电系统采集所述旋转以产生电力。
4.一种波浪动力的船只，其包括：
(a)漂浮的船体；
(b)推进系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动机械地转换为移动推力；
(c)发电系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动转换为电力；
(d)电池，其被用导线连接以接收由所述发电系统产生的电力；
(e)电动马达，其被用导线连接以从所述电池接收电力并且被定位以经由水提供所述船只的移动推力；以及
(f)一或多个太阳能板，其被配置来提供电力给所述电池。
5.一种用于沿着水体的表面平滑地推进船只的双动力方法，所述方法包括：
(a)采集随着所述水体上的波浪振荡所导致的所述船只的运动；
(b)机械式地转化所采集的所述运动中的至少一些以便在特定方向上随着振荡推力水平推进所述船只；
(c)产生电力；
(d)存储所述电力；以及
(e)从存储中索取电力以与所述振荡推力的波动相同频率但是基本相异的波动模式驱动电动马达，从而在按交替模式与步骤(b)中所提供的所述振荡推力实质上相同的方向上推进所述船只且从而缓冲所述振荡推力。
6.如权利要求5所述的方法，其中步骤(c)包括通过由所述船只运动致动的机械式运行的发电系统将由所述水体上的波浪所导致的并随该波浪振荡的所采集的所述船只的运动中的至少一些转化为电力。
7.如权利要求5所述的方法，其中步骤(c)包括采集所述船只穿过所述水体的水平运动并将所采集的所述水平运动转化为电力。
8.如权利要求5所述的方法，其中步骤(c)包括采集太阳能并将所述太阳能转化为电力。
9.一种被配置用于在水体上部署的设备，其包括：
(a)漂浮的表面部件；
(b)分开的水下部件，其被配置为且其重量被设置为使其以在水下悬浮；以及
(c)一个或多个系链，其各自通过安装在所述表面部件或所述水下部件上的相应的摆动臂将所述表面部件连接至所述水下部件；
(d)发电系统，其可操作地连接至所述摆动臂；以及
(e)电池，其与所述发电系统电连接；其中，所述设备被构造为使得当该设备被部署在水体上时，所述水下部件通过所述系链从所述表面部件悬浮在水下，并且所述水体上的波浪运动使得所述表面部件相对于所述水下部件上升和下降，从而以随着所述波浪运动振荡的方式移动所述摆动臂，其中所述摆动臂的移动驱动所述发电系统产生电力，该电力然后被输送到所述电池，
其中所述摆动臂中的每一个均在近端处朝向所述表面部件的下表面枢轴安装，且对应的所述系链将所述摆动臂的远端连接至所述水下部件。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述摆动臂被枢轴安装且被加载弹簧以便在所述表面部件和所述水下部件在相应的所述系链上缺少张力时呈现水平中性位置，但在所述表面部件和所述水下部件通过相应的所述系链彼此拉动时呈现成角度的弹簧加载位置。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述发电系统被操作性地连接到所述摆动臂使得通过从所述弹簧加载位置返回到所述中性位置所释放的势能被所述发电系统转化为电力。
12.如权利要求10所述的设备，其中所述摆动臂被各自连接到线性液压缸使得所述弹簧加载位置产生压力以驱动液压涡轮发电机。
13.如权利要求9-12中任一项所述的设备，其中有至少两个与摆动臂连接的系链，其连接所述表面部件到所述水下部件，一个系链在水平方向上沿一个方向摆动，另一个系链在水平方向上沿相反的方向摆动。
14.如权利要求9-12中任一项所述的设备，其中所述水下部件是游体，所述游体包括多个鳍状物或翼，当所述鳍状物或翼由所述水中的所述游体的上升和下降致动时，所述鳍状物或翼在机械上提供水平推力，从而通过所述系链从所述水下部件水平地拉所述表面部件。
15.一种波浪动力的船只，其包括：
(a)漂浮的船体；
(b)推进系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动机械式地转换为移动推力；
(c)发电系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动转换为电力；其中所述发电系统包括表面部件，该表面部件通过一个或多个摆动臂连接到水下部件，使得当该船只被部署在水体上时，所述水体上的波浪运动使得所述表面部件相对于所述水下部件上升和下降，从而以随着所述波浪运动振荡的方式移动所述摆动臂。
16.如权利要求15所述的波浪动力的船只，其中所述表面部件相对于所述水下部件的上升和下降还为所述推进系统提供动力。
17.如权利要求15或16所述的波浪动力的船只，还包括摆动臂控制系统，其被配置成可变地阻尼所述摆动臂的运动，从而用于电力产生的波浪运动的比例能够减小，以有利于移动推力。
18.如权利要求17所述的波浪动力的船只，还包括微处理器，其被编程为确定移动与电力产生之间的合适的优先权，并且因此控制所述摆动臂控制系统。
19.一种波浪动力的船只，其包括：
(a)漂浮的船体；
(b)推进系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动机械式地转换为移动推力；
(c)发电系统，其被构造为将由波浪运动所导致的所述船体的运动转换为电力；其中所述推进系统包括水下部件，该水下部件包括多个鳍状物或翼，当所述鳍状物或翼由水中的所述水下部件的上升和下降致动时，所述鳍状物或翼在机械上提供水平推力，并且其中所述推进系统包括鳍状物控制系统，该鳍状物控制系统被配置成可变地阻尼所述鳍状物或翼的运动，从而用于移动推力的船只运动的比例能够减小，以有利于电力产生。
20.如权利要求19所述的波浪动力的船只，还包括微处理器，其被编程为确定移动与电力产生之间的合适的优先权，并且因此控制所述鳍状物控制系统。
21.如权利要求19所述的波浪动力的船只，其中所述发电系统包括表面部件，该表面部件通过一个或多个摆动臂连接到水下部件，使得当所述船只被部署在水体上时，所述水体的波浪运动使得所述表面部件相对于所述水下部件上升和下降，从而以随所述波浪运动振荡的方式移动所述摆动臂，并且其中所述船只还包括摆动臂控制系统，该摆动臂控制系统被配置为可变地阻尼所述摆动臂的运动，从而用于电力产生的波浪运动的比例能够减小，以有利于移动推力。
22.如权利要求21所述的波浪动力船只，还包括微处理器，其被编程为确定移动与电力产生之间的合适的优先权，并且因此控制所述鳍状物控制系统和所述摆动臂控制系统。
23.如权利要求20或22所述的波浪动力船只，其中所述微处理器被编程为根据在所述船只的操作期间从外部控制单元传送到所述微处理器的操作参数来控制所述鳍状物控制系统。
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