CN109072863B - 波能转换/转换器 - Google Patents

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Abstract

波能转换器(WEC)100及相关控制方法。WEC具有可变体积的至少一个单元102，其包含能量传递流体并且至少部分地由可移动的柔性膜106界定，并且至少一个单元在相应的单元体积收缩和膨胀冲程的至少一部分期间具有基本恒定的膜压差。对于在膜/单元的收缩和膨胀期间的体积变化的大部分，相应单元的膜的外表面和内表面之间的压差可以保持尽可能稳定和恒定。膜和/或单元倾斜角度可以在35°和50°之间。在操作期间，至少一个单元的柔性膜的弦比可以在1.01和1.3之间。控制表面108可以改变膜的可用膜表面或操作极限，以便操作和/或改变单元的内壁或表面。

Description

波能转换/转换器
技术领域
本发明涉及利用波能传递流体的波能转换器和/或波能转换。
本发明的一个或多个特定应用涉及柔性膜型波能转换器/转换。
背景技术
通过海面的风产生波浪。表面波浪是由吹在海洋表面的风引起的，迫使水以轨道方式运动。
波浪高度取决于风速、风吹的持续时间、水区(风激发波浪的距离)以及深度和水深(可以聚焦或分散波浪的能量)。
通常，较大的波浪比较小的波浪更强大，但波功率也取决于波浪速度、波长和水密度。
波浪中水粒子的振荡运动在表面处最高，并随着深度而减小。然而，对于反射海岸附近的驻波(驻碎波)，波能也作为高深度的压力振荡而存在，产生微震。从波功率的角度来看，这些较大深度的压力波动被认为太小而不是重要的贡献者。
波浪在海面上传播，波能以群速度水平传输。通过与波峰平行的单位宽度的垂直平面的波能的平均传输速率被称为波能通量(或波功率)。这不应与WEC(有时称为波浪发电设备(WPD))产生的实际功率相混淆。
波能转换器(WEC)通常通过用于捕获波的能量的方法、通过位置和通过动力输出系统来分类。
位置通常是海岸线、近岸(相对浅水)和近海(相对较深的水)。
已知类型的WEC包括点吸收器浮标、表面衰减器、振荡水柱、浸没式压差装置和溢流装置。
大部分深水波能量通常包含在达深度为波浪的波长的1/2的水柱中。当波浪传到近岸时，能量集中在较短的水柱中。
在相对较浅的水深处，位于近岸海床上或从近岸海床上升起的水下WEC获取并捕获的水柱中每单位能量多于位于深水中的水下WEC。
许多WEC使用一些中间装置从波浪捕获能量并将其传递到第二流体以驱动涡轮机和发电机。波能本身非常复杂，中间机构的主要目的是响应波浪并有效地捕获能量并将能量传递给中间流体。已经认识到，有必要使WEC表现出比目前在一个或多个现有技术WEC系统/装置中所实现的将波能更有效地传递到WEC内的工作流体。提高波浪能量捕获的有效性有助于降低能源生产成本。
发明内容
根据本发明的一种或多种形式的WEC通过以下方式有效地捕获波能量：
·膜上的压力关系/耦合，以提高从波浪到单元中的能量传递流体的压力传递效率；和/或
·通过WEC在能量传递流体的相应体积变化期间，WEC内的能量传递流体的压力响应/控制。
当波经过本发明的WEC装置或系统的实施例时，至少一个膜使泵送空气偏转通过涡轮机以发电。该装置/系统同时解决能量成本和生存性挑战。
本发明的一方面提供了一种波能转换器(WEC)，具有至少一个单元，其具有的可变体积包含能量传递流体，其中可变体积至少部分地由可移动的柔性膜界定，并且其中柔性膜的弦比使用时在1.01和1.3之间，弦比是柔性膜的长度相对于柔性膜的相对点之间的直线距离的比率，柔性膜的有效长度大于相对点之间的直线距离，所述相对点位于共用的垂直平面上。
优选地，垂直平面与单元体积的最长轴线正交。
垂直平面可以与膜正交。例如，垂直平面可以穿过垂直于膜的前后轴线或垂直于WEC的纵向轴线的膜。
优选地，操作期间的弦比在1.01和1.2之间，更优选地在1.1和1.2之间，甚至更优选地在1.1和1.15之间。
本发明的另一方面提供了一种波能转换器(WEC)，包括至少一个单元，其具有的可变体积用于包含能量传递流体，其中可变体积至少部分地由可移动的柔性膜界定，并且其中柔性膜的相对点之间的弦与水平成20°至60°之间的角度，所述相对点位于同一垂直平面上。
优选地，一个或多个相对点可以是固定的。
可替代地，可以移动一个或多个相对点，例如通过调节装置的调节以控制柔性膜的有效长度和/或宽度和/或控制膜的弦比或弦角。
调节装置可以是动态控制的，例如通过具有基于波能、波浪强度、水深、来自WEC的功率需求、环境和/或海况以及膜状况寿命的反馈的控制系统。
控制表面可在单元收缩或膨胀冲程期间为膜提供行程限制，以控制或改变WEC的给定单元的性能。
作用在膜上的相同或另一控制表面或结构可在单元膨胀冲程期间为膜提供行程极限，这可有助于限制膜上的应力。
可以控制控制表面的形状和/或位置，例如通过调节装置，以改变单元体积和/或单元压力和/或膜压差和/或改变上下点之间的膜几何形状来控制膜弦比或弦角。
例如，可移动的斜坡比如平移运动和/或旋转(枢转)运动可由致动器驱动以改变斜坡的倾斜度。斜坡优选地作用在控制表面上，从而改变控制表面的斜率、形状和/或位置。
应当理解，控制表面可以形成单元的后壁或边界的全部或一部分。
控制表面可以通过滑动斜坡改变，其可以在滚轮或轮子上移动/驱动，或者在枢轴上旋转，或者由螺钉或液压致动器驱动。
控制表面可以由至少一个柔性构件作用，例如一个或多个柔性板，其可以优选地由一个或多个构件致动器驱动。
可以改变膜的弦长/比率以及控制表面形状和/或位置。可以连接调节装置以移动膜的上部或下部以及控制表面的上部或下部。
固定斜坡可以为控制表面提供倾斜支撑。调节装置的运动可以是气动、液压或机械驱动的。
通过由调节机构驱动的滚子机构126对膜的下部区域作用以改变弦比。
根据本发明的另一种形式的波能转换器(WEC)可以包括至少一个单元，其具有的可变体积用于包含能量传递流体，其中可变体积至少部分地由可移动的柔性膜界定，并且控制表面在单元收缩(泵送)冲程或单元膨胀冲程中限制膜的行程。
根据本发明的另一种形式的波能转换器(WEC)可以包括至少一个单元，其具有的可变体积用于包含能量传递流体，其中可变体积至少部分地由柔性膜界定，对于单元体积的大部分变化，WEC的所述或每个单元具有在零或其附近的膜压力-体积刚度，其中膜压力-体积刚度是膜压差相对于单元体积的变化率，膜压差是参考点处的外部压力和内部压力之间的差异。
优选地，参考点位于膜的所选上下点之间的高度差之间的一半处。
优选地，所选上和/或下点是固定的。
优选地，至少部分单元体积变化的膜压差范围基本上小于波浪压力在膜深度处随时间的范围。
例如，如果膜刚度非零，即使具有双稳定性，在泵送(收缩)冲程的部分期间膜压力的变化基本上小于波浪压力的幅度。这有助于确保WEC单元泵送并且不会失速或被“锁定”。
根据本发明的另一方面，提供了一种波能转换器(WEC)，包括至少一个单元，其具有的可变体积用于包含能量传递流体，其中可变体积至少部分地由柔性膜界定，对于至少部分收缩冲程，在相应的单元体积减小期间，所述或每个单元具有恒定或接近恒定的膜压差。
本发明的另一种形式提供了一种波能转换器(WEC)，其中至少一个单元的柔性膜上的拐点在膜的冲程期间保持基本上恒定的垂直高度或略微上升，拐点是膜表面上的点，在该点处膜的外部和内部的压力相等。
通过控制端口、阀门和/或一个或多个能量传递流体流动节流门/限流器，可以在收缩或膨胀冲程结束时使单元中的压力增加或减少。例如，当膜接近全冲程时，膜可以覆盖或露出一个或多个端口、阀门或节流门。
膜压力-体积刚度(膜压差相对于单元体积的变化率)已被确定为影响波能捕获效率或“捕获因子”的重要变量。
通过管理相对于入射或预测的外部压力的单元内的压力/压力变化来设定和/或控制单元的膜压力-体积刚度确定了膜对入射波的响应。
优选地，在外部(波)压力下的至少部分体积变化期间的膜压差被控制为基本恒定。例如，在膜压差与体积曲线图中，对于单元体积变化的至少一部分，表示膜压差的线基本上是水平的，优选在膜的收缩或膨胀的中间冲程部分期间。
优选地，在单元体积变化期间避免单元压力的降低，这可以通过在冲程期间维持和/或改变单元压力来实现。
优选地，在单个单元冲程期间避免增加和减小膜压差之间或者正负膜压力-体积刚度之间的变化，这可以通过在冲程期间维持和/或改变膜压力-体积刚度来实现。
考虑膜上的拐点(例如当波经过WEC时外部压力沿膜向上/向下移动时膜上的表面曲率的变化)。当膜行进通过泵送冲程(单元体积减小)时，这些拐点水平或向上行进(例如参见图3)。这与例如Turner的US2011/0185721的图3中所示的实施例明显形成对比，该实施例仅在冲程期间的各个点处识别膜70上的固定点(例如点80)(参见表示膜行进的2D侧视图的不同线符号)。
至少一个控制表面可以设置在相应的单元内或作为后壁。在收缩冲程期间，膜的至少一部分可以接触至少一个控制表面。优选地，至少一个控制表面提供/用作膜冲程的制动/阻尼和/或止挡。
至少一个控制表面可包括实心连续表面或可包括开放框架、网格或栅格。
至少一个控制表面可以在单元的内部或外部，或者可以包括相对于单元的内部和外部控制表面的组合。
至少一个控制表面可以用于支撑膜的下部。斜坡控制体积双稳定性。当存在两个或更多个具有相同膜压差的稳定单元体积时，存在体积双稳定性。
对于膜的下部，控制表面的下支撑部分可以提供斜坡作为直的或弯曲的控制表面或其组合。
优选地，控制表面可以从膜的下固定端或邻近其与水平成一角度。
控制表面可包括弯曲部分，例如相对于膜的凹入部分，其朝向/远离控制表面移动。优选地，弯曲的例如凹入部分设置成朝向相应单元的上部(例如朝向膜的上固定端)。
控制表面可以是相应单元的结构部分，或者可以设置为插入物或适应表面提供以改变WEC单元功能。例如，控制表面可以是要安装到WEC的选择的替代形状选项之一，以为WEC位置或入射波特性提供单元响应/性能特性。
控制表面与水平的优选角度可以确定为弦角相对于水平(弦正/负倾斜)和/或弦比的函数。
已经发现，当弦的倾斜角度等于或小于30°和/或操作期间的弦比等于或高于1.1时，单元/膜的膜压力-体积刚度倾向于表现出体积双稳定性。倾斜角度越小和/或弦长越大，存在双稳定性的压力范围越大。在该范围内，当膨胀单元膜在相同的膜压差下以不同的稳定体积停留在收缩单元膜上时，体积双稳定性引起滞后。在图1和2的示例中可以在弦比为1.15、倾角度为37.5°和弦长为1.1、倾斜角度为30°以及超出这些值的地方看到滞后(滞后显示为蓝色收缩和红色膨胀线)。
优选地，倾斜角度小于30°，以减小或避免对WEC的起伏和浪涌影响。然而，如图1和2所示，低于30°的角度倾向于表现出具有滞后的相对强的体积双稳定性。提供控制表面有助于减轻或消除这种影响。
图3示出了与没有控制表面的示例相比引入控制表面以消除双稳定性的示例。
控制表面可以设置为斜坡，其对于膜的整个冲程的至少一部分控制/限制膜的最大偏转。该控制/限制优选地位于膜的下部/用于其。然而，控制表面可朝向单元的端口/阀门向上延伸或延伸至其。
至少一个涡轮机可以由来自WEC的单元的压力流驱动。可以通过控制涡轮机速度来控制单元内的压力。
控制涡轮机速度和/或改变涡轮机叶片角度可用于改变到单元的背压，从而控制单元内的压力和单元体积相对于入射波的变化率。
应当理解，膜压力-体积刚度不受这种背压的影响。然而，来自单元的流速受到这种背压的影响。
可替代地或另外，可以设置和/或控制来自和/或至单元的阀门/端口控制压力流动和/或可以提供一个或多个节流门来控制单元体积的变化率。
后壁的形状可以单调上升，优选至少从控制表面的下部或底部区域(例如后壁)。
优选地，柔性膜可以在柔性膜的位移期间和/或在其完全位移时由后表面支撑。
例如，在使用中，优选地，膜可以在膜的部分位移时接触后表面，并且更优选地在膜的完全位移时。
优选地，在柔性膜或单元型WEC中提供所需的膜压力-体积刚度。
优选地，膜的弦角可以与水平成+/-20°和+/-60°之间。
包含至少一部分能量传递流体的主体的倾斜角度可以在与水平(即垂直膜/单元与水平成90°)成+/-20°至+/-60°的范围内。
在膜的上下固定点之间限定的直线“弦”可以在与水平(即垂直弦与水平成+/-90°)成+/-20°至+/-60°的范围内成角度(倾斜)。
关于柔性膜-可变单元体积型WEC，膜/单元的倾斜角度可以在与水平(即垂直膜/单元与水平成+/-90°)成+/-20°至+/-60°的范围内为正或负。
对于膜型WEC，倾斜角度优选地确定为从膜的一个固定端延伸到相同膜的相对固定端(即从下端到上端)的实线或虚线的倾斜度，该线与垂直平面重合。
包含至少一些能量传递流体的主体的优选倾斜角度可以在与水平成+/-35°和+/-50°之间的范围内，更优选地在+/-37.5°到+/-45°之间。
本发明的另一方面提供了一种波能转换器(WEC)控制方法，该WEC具有的可变体积包含用于实现来自波的能量传递的流体，该方法包括：
a)控制流体的压力和/或位移，使得流体的大部分位移在基本恒定的压力下发生。
优选地，在波浪压力峰值出现之后，至少一些流体位移发生。
优选地，通过测量或预测波传递到流体的压力来确定基本恒定的压力。
优选地，发生大部分位移的压力处于朝向入射在WEC上的最高压力的压力或处于其的压力。
优选地，根据本发明的至少一个实施例的WEC浸没并位于近岸环境中的海床上(例如水深5至15米)。这些特性使装置能够处于相对受保护的环境中，然而仍能获得显著且有效的波浪能量。
优选地，WEC可以具有负浮力的主体，其直接靠在海底或者与海底隔开地支撑，以为WEC提供风暴保护装置。
如果需要，可以结合系泊或基础系统以提供更大程度的对局部波浪载荷的约束，并适应一系列海底测深和岩土工程要求。
通过将WEC安装在海底上，可以避免船只发生碰撞，从而提供良好的龙骨间隙。优选地，WEC可以根据主要的水深和/或海况和/或船接近度的要求在水中升高或降低。
许多其他位置和WEC/WEC单元/膜配置已经设计和涵盖在公开为WO2014/026219的国际(PCT)专利申请PCT/AU2013/000869中，其内容以其整体并入本文。
大部分深水海浪能量通常包含在达主波浪波长的1/2深度的水柱中(例如约40m深)。水颗粒倾向于以轨道方式移动，能量通常在海洋中“滚动”。当波浪传递到近岸时，一些能量消散，但剩余部分集中在较短的水柱中，颗粒以更椭圆的方式移动。
有利地，本发明的一种或多种形式提供了相对低成本且相对轻质的柔性膜系统以有效地与波浪耦合。
WEC具有一个或多个单个单元，其包含“工作流体”(例如气体，其可以是空气、改性空气，例如含有比单独的空气更高比例的氮或其他元素，或其他气体)。
对于多个单元WEC，各个单元可以通过隔膜、壁或膜彼此分开。
由波浪压力作用的膜将波能传递给装置内的加压流体(例如空气)(气动)。
空气还具有轻质特性，与液体相比可减少惯性影响。
许多其他装置使用大而重的刚体与波浪相互作用，捕获能量并将其转移到液体系统。重体和液体系统都表现出高惯性或滞后，并且往往对复杂的波浪运动响应较小。
WEC优选地是浸没式膜装置，其以其新颖的倾斜或“斜坡”设计克服了其他膜波能量装置的波捕获限制。可选的V形单元阵列可以增强WEC性能。
根据本发明的一种或多种形式的WEC可包括多个单元，每个单元具有通过膜上的足够外部压力而变化的能量传递流体体积，WEC的至少第一单元面向入射波并且至少第二单元背离入射波。
WEC可以对入射波(捕获波能量)作出响应，其中单元既面向和非面向入射波。WEC可以包括面向入射波的多个所述单元和/或背离入射波的多个所述单元。
优选地，波面向和波非面向单元背对背地设置在WEC上。
可替代地，波面向和非波面向单元可以相对于彼此偏移(即不直接背对背对齐)，使得沿着WEC的单元压力响应在波面向和波非面向单元之间交替。在WEC的相对侧/面上相对于彼此偏移的这种单元布置可以帮助平滑沿WEC的压力响应。
背离入射波的一个或多个单元可以具有相对于即将到来的入射波下降的弦角，即负倾斜角度。例如，面向波的一个或多个单元可以具有倾斜的弦角，并且反向单元可以具有相对于入射波的负(倾斜)弦角。
WEC可以被提供为背对背配置的一对或多对单元的阵列，其可以布置成每对直接背对背或相对于彼此偏移。
可替代地，每个单元可以提供为模块化独立单元，其可操作地连接到一个或多个其他单元以形成WEC。
体现本发明的WEC可以通过将共同的歧管系统加压到驱动涡轮机和发电机来运行。当波浪经过该装置时，它在膜上施压，以在波峰下方的区域中产生一系列正系统压力，在波谷下方的区域中产生一系列负系统压力。这些正负压力在涡轮机上提供压差，并且最终在“源和汇”原理之后产生围绕闭环回路的流动。在隔膜单元之间引入止回阀以控制一个方向上的流动。
可以控制涡轮机或每个涡轮机和/或来自单元/至其的阀门，以改变排放和吸入阶段的定时来提取波峰周围的波能。
利用轻质柔性膜和低惯性介质(例如空气)允许WEC系统与复杂的真实世界波运动基本上同相响应。
流体介质(无论是空气还是其他气体、水或液压流体)的主要目的都是为了有效地整理能量，并将能量从与波(膜)接触的机构传递到涡轮机以将能量转换为旋转功率。
对于液体介质，系统中的摩擦损失是很大的，并且惯性相位滞后(由液体的加速和减速产生)使得WEC系统变慢并且对波没有足够响应以在宽范围运行条件内有效地捕获通过的波能量通量。
波能是一种可变的脉动形式的能量。为了“调节”或利用波能，膜和多单元布置是优选的。
选择单元数量和/或单元相对于入射波前的方向和/或单元相对于彼此的布置可以用于为给定的主波和环境条件创建WEC的所需响应性和性能特征。这可有助于在WEC上的每个单元的操作期间获得能量传递流体的相对稳定的流动(减少脉冲)，这导致在涡轮机处更有效的捕获。
优选地，WEC包括最少3个单元或4个单元，这可以限制单元之间“死空间”的比例。对于具有更多数量的单元阵列(例如5个或更高—例如参见图4)，单元膜之间的无响应“死空间”对于这种更大的WEC所需的额外复杂性和材料而言可以在不允许WEC性能的充分显著增加中起重要作用。
应当理解，因为柔性膜/单元型WEC可以优选地是固定体积“闭合”系统，所以在这种“闭合”系统中WEC内的流动由多个单元之间的压力差驱动。对于特定的波高，这种压力差受到波峰和/或波谷下方的多个单元的分布的影响。例如，仅在波峰下方分布的单元之间的压力差将小于在波峰和波谷下方分布的单元之间的压力差。
除了选择单元数量外，通过使用止回阀，公共压力和回流歧管以及源和汇原理，可以创建单向流动介质(例如气流)。这允许相对均匀地流向涡轮机，并且涡轮机比双向流动系统更优化且更便宜。
世界上大部分有用的海浪资源都包含在相对较小的沿海(近岸)海浪中。由于本发明的一种或多种形式的低摩擦和低惯性特征，WEC可以有效地吸收低海洋状态下的能量。
由于使用共同的源和汇，优选的是在WEC长度上的单元经历类似的动态压力/波压力范围。各个单元之间的高度差对能够排放的压力(例如进入输出管道)具有直接影响。因此优选地，单元上的高度范围保持显著小于入射波的高度范围。
附图说明
图1示出了在一系列膜长度比(LL)和角度(θ)下在膨胀(红色)和收缩(蓝色)期间的模拟WEC膜静态轮廓。尺寸以米为单位。
图2示出了在与图1所示的那些模拟相对应的一系列膜长度比(LL)和角度(θ)下在膨胀(红色)和收缩(蓝色)期间计算的静态平衡膜体积的膜压差曲线图。在膨胀和收缩线重叠的曲线图上，这些线表示膜压力-体积刚度。
图2所示的膨胀'I'曲线(在每个滞后曲线A1至E11中的下部曲线)和收缩'D'曲线(在每个滞后曲线A1至E11中的上部曲线)。。
当存在体积双稳定性时，一些模拟发生滞后，并且膨胀单元膜在相同的膜压差下以不同的稳定体积停留在收缩单元膜上。在这些情况下，图2所示的曲线图示出了膜压差作为单元体积沿体积变化的膨胀和收缩方向的函数，而不是实际的膜压力-体积刚度，这导致膜在存在双稳定性的体积范围内没有稳定的体积。横坐标：每单位装置长度的体积，以升为单位。纵坐标：膜压差，以kPa为单位。
图3示出了与本发明的一个或多个实施例相关的具有和不具有控制表面的膜压力-体积刚度(pV)函数的比较。
图4示出了作为所考虑的四个装置参数的函数的平均年捕获因子(标准化)。
图5A至5C示出了背靠背对齐(图5A)和交错/偏移(图5C)布置的背对背WEC单元的实施例的视图。图5B示出了通过图5A中的配置的线A-A的横截面。
图6A示出了背对背对齐的WEC单元的替代布置，而图6B示出了背对背偏移的对齐单元的替代布置。
图7至图12示出了根据本发明各个实施例的用于改变WEC的控制表面的形状和/或位置和/或改变膜的弦比的替代布置。
具体实施方式
在图1中，示出了在一系列膜长度与弦长比(LL)(弦比)和角度(θ)(在操作期间膜的一个固定端与该膜的相对固定端相比的斜角/倾斜角度)下在膨胀(红色)和收缩(蓝色)期间的模拟WEC膜静态轮廓。
如图2中的膜压力-体积刚度曲线所示，优选的刚度曲线落在与水平(即垂直膜/单元与水平成90°)成30°至60°的膜/单元角度范围内。
优选的膜/单元倾斜角度范围在与水平成35°和50°之间，更优选地约37.5°至45°。
优选的膜压力-体积刚度曲线在膜的收缩和膨胀期间使膜压差对于体积变化的大部分尽可能稳定且恒定。
优选地，膜压差的收缩和膨胀曲线作为单元体积的函数基本上彼此匹配；当然，一个是另一个的相反，即它们的膜压差曲线优选地彼此重叠。
在膨胀或收缩开始时膜压差的初始变化之后，优选地将差值保持尽可能接近恒定的优选差值。这允许从波浪中有效地提取能量，保持一致的能量提取并减少损失。
优选地，恒定压差对于所有单元是相同的。
当膜弦长度处于该范围的较长端时，在较浅(较小)的倾斜角度处发生双稳定性。这种双稳定性防止系统有效地响应产生小于存在双稳定性的压差范围的外部单元压力范围的波。有利地认识到，可以优化倾斜角度和膜弦长度以减少由于这种影响造成的损失并有效地从所有波中提取能量。
图3有助于说明根据本发明至少一个实施例的控制表面101(例如底板)对WEC的双稳膜107的稳定作用。
如关于图3所示实施例的左侧所示，控制表面101相对于水平设置成角度103，这允许膜107.1的弦105.1倾斜更接近朝向水平并避免体积双稳定性影响，而不是对于没有控制表面的膜107.2的弦105.2的情况(如图3右侧所示)，即单元膜可以较不直立，对入射波压力更敏感，并且与没有控制表面相比，有控制表面更不易发生起伏和浪涌影响。
如图3中的中心图所示，随着扫描单元的体积减小并且膜压差增加，指示的参考点V1和V2之间的曲线的实心部分表示对于体积减小的膜压差的平滑一致的增加。参考点V1和V2下方及之间的虚线图表示如果不存在底板的话膜压差和体积特性将如何表现。
可以看出，在部分体积减小期间膜压差将有效地降低，从而使膜在V1和V2之间不稳定并且导致在该体积范围之外的两个稳定性点。在这些双稳定点，体积相对于压力的变化率远低于在如果存在底板时存在的相应单一稳定性点。因此，提供小于双稳定性存在的范围的外部膜压力范围的波导致单元中的体积变化(泵送)小于如果存在底板时的情况。
当波浪压力通过膜时，随着膜在收缩期间弯曲，柔性膜的下部的增加比例接触单元的底板。发生稳定是因为防止膜过度弯曲并且单元内的更大比例的介质体积可朝向出口/止回阀朝向单元的上部集中。
图4表示数值模拟的结果，其中考虑了四个目标参数：WEC装置长度、单元数量、单元/膜膜压力-体积刚度(在单元体积的25％至75％的范围内测量)和阀门面积。
从图4中可以看出，特别是当考虑与图1至3中所示和上述的示例有关时，膜压力-体积刚度(膜/单元压差相对于单元体积的变化率)显著牵动/影响WEC性能。
如上所述并在图1至3中所示，膜角度和弦长比率对膜压力-体积刚度具有直接影响。对于体积变化的大部分，最佳膜压力-体积刚度接近零刚度。
对于体积变化的大部分的非零刚度可以容忍一定量，优选不超过+/-200Pa/m3，以获得可接受的(如果不是理想的话)性能。
然而，应当理解，当膜的动态响应过度阻尼时，对于体积变化的大部分的偏离零刚度直接降低了平均年捕获因子，从而不可能产生共振。在这些条件下，膜压力-体积刚度的增加只能减少响应波压力的单元体积变化。
WEC可以在一定波浪高度范围内工作，最好是0.5米及以上的波。一年中，波浪高度会随季节和主要海况和天气条件而变化。本发明实施例的膜/单元的响应性使全年能量产生成为可能。
相对低的膜压力-体积刚度(在体积变化的大部分期间相对平坦的膜压差斜率)和系统的低惯性使得能够响应低能量波/低波浪高度。
如图5A所示，两个线性阵列的单元背对背布置，每个背对背单元对彼此直接对齐。相对于即将到来的入射波使整个WEC结构(两个阵列)倾斜允许两个WEC单元阵列操作，但是当每个波经过WEC逐渐作用于交替前(波面向)和后(波非面向)单元时各单元之间具有时间差，这可以帮助平滑WEC对波浪压力的响应。
标记为Wi的箭头表示入射到WEC阵列的波。
图5C示出了WEC配置，其中单元在两个线性阵列中背对背，但每个线性阵列相对于另一个线性阵列偏移。沿着WEC的单元压力响应在波面向和波非面向单元之间交替，以产生沿着WEC优化/修改压力响应的机会，作为入射波角度的所需基准。
同样地，图6A中的平面图所示的背对背单元处于相应的线性阵列并且背对背对齐，而图6B中的WEC(平面图)所示的布置在WEC上相对于彼此偏移。
图7至12示出了用于改变控制表面的形状和/或位置和/或改变膜的弦比的替代布置。
特别地，图7至图12示出了WEC100的各种替代实施例的侧剖视图，该WEC100具有带有主体104和单元膜106的单元102。
每个单元包括控制表面108。控制表面的形状和/或位置受到控制，例如通过调节装置，以改变单元的体积和/或压力，和/或改变在上下点之间延伸的膜来控制膜弦比。
如图7所示，斜坡110由致动器111驱动，以改变斜坡的倾斜度。斜坡作用在控制表面108上，从而改变控制表面的斜率、形状和/或位置，如图8所示。
应当理解，控制表面可以形成单元的后壁或边界的全部或一部分。
如图9所示，控制表面108可以通过滑动斜坡112改变，滑动斜坡112可以在滚轮或轮子上移动/驱动，或者由螺钉或液压致动器驱动。
图10示出了替代实施例，其中控制表面由至少一个柔性构件118作用，例如一个或多个柔性板，其可由一个或多个构件致动器116驱动。
图11示出了一实施例，其中膜的弦长/比率以及控制表面形状和/或位置可以改变。连接调节装置122以移动膜的上部以及控制表面的上部。固定斜坡120为控制表面提供倾斜支撑。调节装置的运动可以是气动、液压或机械驱动的。
图12示出了一实施例，其中膜的下部区域由滚子机构126作用，滚子机构126由调节机构124驱动以改变弦比。

Claims (31)

1.一种浸没式使用的波能转换器，所述波能转换器包括具有可变体积的至少一个单元，用于包含能量传递流体，其中，所述可变体积至少部分地由可移动的柔性膜界定，其中所述至少一个单元在相应的单元体积随着波通过所述波能转换器时收缩或膨胀的至少一部分期间具有接近于零的相应的柔性膜的膜压力-体积刚度，其中膜压力-体积刚度是膜压差相对于单元体积的变化率，膜压差是参考点处的外部压力和内部压力之间的差异。
2.根据权利要求1所述的波能转换器，包括所述至少一个单元，其对于相应的单元体积收缩或膨胀的大部分具有基本恒定的膜压差。
3.根据权利要求2所述的波能转换器，包括所述至少一个单元，其在膨胀或收缩的大部分期间具有膜压差范围，该范围基本上小于波压力范围。
4.根据权利要求1所述的波能转换器，其中，在操作期间，所述至少一个单元的相应的柔性膜的弦比(LL)在1.01和1.3之间，所述弦比是柔性膜的长度相对于柔性膜的相对点之间的直线距离的比率，所述相对点位于共用的垂直平面上。
5.根据权利要求1所述的波能转换器，其中，所述柔性膜的相对附接点之间的弦与水平成20°至60°之间的角度，所述相对附接点位于共用的垂直平面上。
6.根据权利要求1所述的波能转换器，包括至少一个或多个端口、阀门和一个或多个能量传递流体流动节流门或限流器，以在相应的收缩或膨胀冲程期间能够增加或减少单元压力。
7.根据前述权利要求中任一项所述的波能转换器，包括至少一个控制表面，其用于在所述单元收缩或膨胀期间改变所述单元体积、单元压力、膜压力-体积刚度和柔性膜的冲程限制中的至少一个或多个。
8.根据权利要求7所述的波能转换器，其中，所述至少一个控制表面包括直的或弯曲的控制表面或者它们的组合。
9.根据权利要求7所述的波能转换器，其中，所述至少一个控制表面包括至少一部分，所述至少一部分从柔性膜的下端或邻近其与水平成一角度。
10.根据权利要求7所述的波能转换器，其中，所述至少一个控制表面包括弯曲部分。
11.根据权利要求10所述的波能转换器，其中，所述弯曲部分包括相对于所述柔性膜的凹入部分，所述凹入部分朝向/远离相应的控制表面移动。
12.根据权利要求11所述的波能转换器，其中，所述弯曲部分设置成朝向相应单元的上部或朝向柔性膜的上固定端或上点。
13.根据权利要求7所述的波能转换器，其中，所述至少一个控制表面提供相应单元的结构部分。
14.根据权利要求7所述的波能转换器，其中，所述至少一个控制表面在相应的单元内提供插入物。
15.根据权利要求7所述的波能转换器，所述至少一个控制表面包括实心连续表面或开放框架、网格或栅格。
16.一种用于浸没式波能转换器的波能转换器控制方法，所述波能转换器包括至少一个具有可变体积的单元，所述可变体积至少部分地由可移动的柔性膜限定并包含用于实现来自波的能量传递的流体，所述方法包括：控制流体的压力和位移的至少其中之一，从而使流体发生至少一部分位移，同时随着波通过所述波能转换器，将各个柔性膜的膜压力-体积刚度保持在接近零的水平，以使单元体积发生实质性变化，其中膜压力-体积刚度是膜压差相对于单元体积的变化率，膜压差是参考点处的外部压力和内部压力之间的差异。
17.根据权利要求16所述的波能转换器控制方法，其中流体的大部分位移发生在波压力和流体压力之间的基本恒定的压力差上。
18.根据权利要求16所述的波能转换器控制方法，其中：
流体的大部分排放被控制为朝向入射在波能转换器上的最高波压力或在其下发生，或者
流体的大部分吸入被控制为朝向入射在波能转换器上的最低波压力或在其下发生；或者
流体的大部分排放被控制为朝向入射在波能转换器上的最高波压力或在其下发生，和流体的大部分吸入被控制为朝向入射在波能转换器上的最低波压力或在其下发生。
19.根据权利要求17或18所述的波能转换器控制方法，其中，所述柔性膜的压力中心被控制为通过改变至少一个控制表面的形状和位置的至少其中之一在相应的单元体积收缩的至少一部分期间移动成相对于水平基本上水平或上升和/或在相应的单元体积膨胀的至少一部分期间移动成相对于水平基本上水平或下降。
20.一种用于控制浸没式的波能转换器的控制方法，所述浸没式的波能转换器是根据权利要求7至15中任一项所述的波能转换器，所述方法包括：控制至少一个控制表面的形状和位置的至少其中之一，从而在膨胀或收缩的大部分期间控制膜压差并且维持每个单元的柔性膜的膜压力-体积刚度，所述膜压差小于柔性膜深度处的入射波压力随时间的范围，其中膜压力-体积刚度是膜压差相对于单元体积的变化率，膜压差是参考点处的外部压力和内部压力之间的差异。
21.根据权利要求20所述的控制方法，包括控制相应单元的至少一个控制表面的形状和/或位置的至少其中之一，以在所述相应的柔性膜的相应的膨胀或收缩冲程的至少一部分期间改变所述单元体积、膜压差和最大单元膨胀或收缩的至少其中之一。
22.根据权利要求21所述的控制方法，其中，所述至少一个控制表面提供相应单元的壁部分和底板部分的至少其中之一，并且所述至少一个控制表面的控制包括控制所述壁部分和底板部分的至少其中之一的所述位置和形状的至少其中之一。
23.根据权利要求22所述的控制方法，其中，所述至少一个控制表面在外部设置。
24.根据权利要求20所述的控制方法，其中，所述至少一个控制表面用于控制所述柔性膜的长度以控制所述膜压差。
25.根据权利要求20所述的控制方法，当权利要求7引用权利要求4时，所述柔性膜的弦比用以控制所述膜压差。
26.根据权利要求20所述的控制方法，包括通过与所述至少一个控制表面接触来控制所述柔性膜的移动。
27.根据权利要求20所述的控制方法，其中，所述柔性膜与所述至少一个控制表面之间的接触为柔性膜行程提供制动影响、阻尼影响和行程停止的至少其中之一。
28.根据权利要求20所述的控制方法，还包括所述至少一个控制表面用于支撑所述柔性膜的下部。
29.根据权利要求20所述的控制方法，其中，所述至少一个控制表面包括所述单元或每个相应单元内的可控斜坡，所述斜坡的形状和位置的至少其中之一变化以控制相应单元的体积双稳定性。
30.根据权利要求29所述的控制方法，包括控制设置在两个或更多个单元中的所述斜坡，并用于控制单元体积以基本上均衡所述两个或更多个单元之间的膜压差。
31.根据权利要求20至30中任一项所述的控制方法，包括在相应的所述柔性膜的填充冲程期间将至少一个单元的柔性膜上的波浪压力中心基本上维持在恒定的垂直位置或高度或者下降，或者在相应的所述柔性膜的排放冲程期间维持在恒定的垂直位置或高度或者上升。
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