CN109844303B - 一种波浪能量转换系统以及由波浪能量产生电力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种波浪能量转换系统。该系统具有浮子(101)和具有通过轴附接件旋转地附接到浮子(101)的鼓壳体的发电鼓(102)。轴附接件允许鼓壳体和浮子(101)相对于彼此至少部分地旋转运动。鼓壳体保持带有缆线(104)的缆线卷筒，该缆线具有第二端部和连接到缆线卷筒的第一端部，其中缆线卷筒是与鼓壳体成一体的部分或被连接到鼓壳体，以与鼓壳体一起旋转。发电鼓(102)可以包括发电机，该发电机被设置在鼓壳体内，用于响应于鼓壳体的旋转运动而旋转或转动。通过使缆线的第二端部附接到浸没结构(106)或附接到海床，浮子(101)可以定位在海中。当浮子(101)定位在海中时，浮子可以通过波浪移动，该移动可以引起鼓壳体的旋转运动，其中电力由发电机产生。

Description

一种波浪能量转换系统以及由波浪能量产生电力的方法
技术领域
本公开涉及一种波浪能量转换系统和用于从波浪作用产生电力的方法。
背景技术
US 7,444,810公开了一种呈杆操作的枢转浮子形式的波浪能量转换系统，该波浪能量转换系统将波浪的上升和下降转变成不同形式的能量。该系统包括可枢转地附接到杆臂的第一端的浮子，其中浮子位于海上的第一水平位置且杆臂处于第一位置，其中杆臂的第二端向上定向成向上超出海洋面，并且其中，浮子和杆臂两者都可以变换到竖向位置以及被浸没在海洋中。该系统包括弹簧部件，该弹簧部件使杆臂返回到其第一位置。浮子具有允许杆臂的第二端通过的中心开口，并且杆臂的第二端被用固定长度的缆线附接到海床，其中枢转的浮子和杆臂可以改变定向至浸没的稳定目标。该系统还包括在浮子中的发电机，该发电机由杆臂的使旋转轴转动的枢转运动供能，由此通过波浪的上升和下降产生电力。
US 2008/0272600公开了在US 7,444,810中公开的系统的进一步改进。对于在US2008/0272600中公开的系统，杆臂由杆臂舱或壳体代替，其中发电机与杆臂舱设置在一起，并且其中在杆臂舱中还设置有扭转弹簧系统，用于在浮子的由于波浪的上升和下降而引起的运动期间使杆臂舱返回到其开始位置。
对于在US 7,444,810和US 2008/0272600中公开的系统，杆臂的第二端部被用固定长度的缆线附接到海床，并且浮子在海中的位置将随着变化的潮汐而改变，由此浮子将或多或少地浸没在海中，降低了浮子的整体能量转换效率。
US 2011/0018275公开了一种包括浮标和传输单元的波浪能转换器。浮标在其底部侧具有突出支柱，该支柱构成框架，并且驱动轴在其两端处轴颈支承在支柱上。缠绕锚鼓安装成绕驱动轴旋转，并且锚线缠绕在缠绕锚鼓周围，其中锚线的外部端附接到海床上的地基。在波浪的移动期间，浮标与底部地基之间的距离改变。由于锚鼓与锚线的耦接，当水表面上升时，锚鼓在第一方向上转动，并且然后被锁定到驱动轴，该驱动轴由此通过锚鼓旋转。当在浮标处的水表面下降时，该驱动轴被锁定，通过轴支柱中的反向机构沿相反方向向后旋转该驱动轴。驱动轴又连接到发电机。在一个实施方式中，驱动轴和发电机之间的耦接可以包括机械齿轮，该机械齿轮例如具有固定的齿关系或固定的齿轮比，并且该机械齿轮使发电机的转速加快。为了能够在第二相反方向上向后转动锚鼓，并且当在浮标处的水位下降时保持锚线处于张紧状态，需要某种类型的返回进给机构，并且在一个实施方式中，该返回进给机构是螺旋弹簧。螺旋弹簧的内端固定地安装在其中一个支柱上，螺旋弹簧的外端安装到齿轮的壳体，齿轮与驱动轴一起旋转，驱动轴又与锚鼓一起旋转。
US 2007/0089409公开了一种使用海浪的能量产生系统。该系统包括具有移动壳体的单元，该移动壳体相对于水平静态轴以旋转方式安装，其中水平轴安装到一结构。连接缆线围绕移动壳体缠绕，其中缆线的外部端连接到中间浮标，中间浮标通过压载链而连接到海床。该系统具有以螺旋弹簧形式的能量回收装置，其中弹簧的内部端连接到静态轴并且其中弹簧的外部端附接到移动壳体的内部。螺旋弹簧配备有一定的预张力，以确保压载链和连接缆线的张力，并且当单元作为整体随着海浪的移动而下降时，螺旋弹簧具有将缆线重新缠绕在壳体上的任务。
US 2011/0018275和US 2007/0089409中公开的两种系统都具有缠绕在缠绕鼓壳体上的缆线，其中缆线在其外部端处直接地或间接地连接到海床。两个系统都具有螺旋弹簧，其中一端固定地附接到框架并且其中另一端连接到缠绕鼓壳体或齿轮，该齿轮连接到缠绕鼓壳体，由此螺旋弹簧用于在随着波浪的移动而鼓壳体下降时在缠绕鼓壳体上重新缠绕缆线。当在US 2007/0089409中公开的系统安装在海中时，螺旋弹簧配备有一定的预张力，以确保连接缆线的张力。然而，系统在海中的位置将随着潮汐的变化而改变，由此缆线的张力将随着潮汐的变化而改变，从而降低了浮子的整体能量转换效率。
具有如下波浪能量转换系统将是有利的：该波浪能量转换系统可以被调节以在由潮汐变化引起的不同的海平面上操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调节的波浪能量转换系统，该波浪能量转换系统可以在不同的海平面上操作。
根据第一方面，该目的通过提供一种波浪能量转换系统来实现，该波浪能量转换系统包括：
浮子和发电鼓，该发电鼓具有通过轴附接件旋转地附接到浮子的鼓壳体，其中，轴附接件允许鼓壳体和浮子相对于彼此的至少部分地旋转运动，并且其中鼓壳体包括具有缆线的缆线卷筒，该缆线具有第二端部和连接到缆线卷筒的第一端部，所述缆线卷筒是与鼓壳体成一体的部分或是连接到鼓壳体，以与鼓壳体一起旋转。
在一实施方式中，发电鼓包括发电机，该发电机设置在鼓壳体内，用于响应于鼓壳体的旋转运动而旋转或转动。
在一实施方式中，轴附接件固定地连接到浮子，并且鼓壳体通过防水连接而旋转地连接到轴附接件。
在一实施方式中，通过使缆线的第二端部附接到浸没结构或附接到海床，将浮子定位在海中。
通过固定到鼓壳体的缆线卷筒将缆线附接到浮子，该缆线可以用于将浮子连接到海床，能够通过导致在缆线卷筒上的缆线的卷绕或解卷的鼓壳体的旋转容易地调节缆线的长度。因此，可以调节缆线的长度以跟随海平面的变化，由此浮子可以定位在海中用于最大的能量转换。在一实施方式中，鼓壳体包括具有两个相对地设置的侧盖的筒形鼓部。
在一实施方式中，轴附接件包括两个轴部，第一轴部和第二轴部，其中每个轴部具有固定地连接到浮子的一端以及设置在鼓壳体内的另一端，其中每个轴部的轴跟随鼓壳体的中心轴，其中轴部在鼓壳体内的设置允许鼓壳体相对于轴部旋转。
在一实施方式中，第一轴部具有固定地连接到浮子的第一端以及通过一个或多个滚珠轴承而被支撑在鼓壳体的第一侧盖的内侧上的另一端，该滚珠轴承可以是双组滚珠轴承；并且第二轴部具有固定地连接到浮子的第一端以及通过一个或多个滚珠轴承而被支撑在鼓壳体的第二侧盖的内侧上的另一端，该滚珠轴承可以是双组滚珠轴承。
在一实施方式中，轴附接件在浮子的开口内固定地连接到浮子，并且鼓壳体在所述开口内旋转地设置在轴附接件上。
在一实施方式中，浮子包括限定所述开口的一部分的两个相对地设置的臂，其中轴附接件固定地连接到两个臂。
在一实施方式中，浮子包括连接两个臂的前部件，并且轴附接件连接到两个臂，其中鼓壳体旋转地设置在所述两个臂内。前部件可以将两个臂的第一相对的端部连接。
在一实施方式中，浮子大致呈“U”形。
在一实施方式中，浮子的前部件或前端具有弯曲形状。
在一实施方式中，与浮子的前部件相对的一个或多个后部件具有弯曲形状。
在一实施方式中，浮子的臂具有弯曲形状。
在一实施方式中，前部件具有背对该鼓的外表面，组合的鼓和浮子具有重心，并且鼓的中心定位在距前部件的外表面的一距离处，该距离大于从重心到前部件的外表面的距离。
在一实施方式中，当沿臂的方向测量时，从鼓的中心到重心的距离是浮子总长度的至少5％。
在一实施方式中，当沿臂的方向测量时，从鼓的中心到重心的距离不大于浮子总长度的30％或不大于浮子总长度的20％。
在一实施方式中，缆线卷筒具有的半径大于鼓的中心与重心之间的距离。
在一实施方式中，然后当浮子定位在海上的大致水平位置时，缆线从缆线卷筒延伸到达浸没结构，其中缆线面向浮子的前部件。
在一实施方式中，鼓被构造成：当通过使缆线的第二端部附接到浸没结构而将浮子定位在海中时，将缆线卷绕在缆线卷筒上以便获得缆线的张力或预张力，该张力或预张力可以是预定的张力或预定的预张力。
在一实施方式中，鼓壳体包括弹簧系统，该弹簧系统包括扭转弹簧，其具有非旋转地连接到轴附接件的第一端部和操作性地连接到鼓壳体的第二端部，并且其中对于操作的至少一个连接模式，鼓壳体的旋转在弹簧中建立张力，从而对轴附接件施加扭矩。
在一实施方式中，扭转弹簧的第二端部构造成在第一操作模式下操作性地连接到鼓壳体，以通过使鼓壳体沿着将缆线从缆线卷筒上解卷的方向旋转而在弹簧中建立张力，并通过释放弹簧的张力以沿着用于将缆线卷绕在缆线卷筒上的相反方向来旋转该鼓壳体。
在一实施方式中，扭转弹簧操作性地连接到鼓壳体，用于在第一操作模式和第二操作模式之间切换，其中对于第二操作模式，弹簧的第二端部操作性地连接到鼓壳体，用于通过使鼓壳体沿着将缆线卷绕在缆线卷筒上的方向旋转而在弹簧中建立张力。
在一实施方式中，鼓壳体包括弹簧系统和齿轮系统，该弹簧系统包括扭转弹簧，其具有非旋转地连接到轴附接件的第一端和经由齿轮系统操作性地连接到鼓壳体的第二端，所述齿轮系统被构造成具有第一非旋转操作模式和第二旋转操作模式，在该第一非旋转操作模式中扭转弹簧的第二端保持在相对于鼓壳体的固定位置，在该第二旋转操作模式中齿轮系统被构造成相对于轴附接件并且相对于扭转弹簧的第二端来旋转鼓壳体。
在一实施方式中，当处于旋转操作模式时，齿轮系统被构造成使鼓壳体相对于轴附接件沿第一方向旋转，以将缆线卷绕在缆线卷筒上，并且当由于缆线中的张力而在缆线卷筒和鼓壳体上施加力时，所述齿轮系统还构造成使扭转弹簧的第二端相对于轴附接件沿与第一方向相反的第二方向旋转，扭转弹簧的第二端的所述旋转在弹簧中建立张力并对轴附接件建立扭矩。
在一实施方式中，齿轮系统包括盘系统，其中扭转弹簧的第二端固定到所述盘系统，其中将盘系统相对于轴附接件和鼓壳体旋转地设置，并且其中盘系统的外周缘部保持带有旋转轴的马达，所述旋转轴保持第一齿轮，该第一齿轮与固定地连接到鼓壳体的第二齿轮啮合，由此所述马达轴的旋转使鼓壳体和保持弹簧的第二端的盘系统相对于彼此沿着相反方向旋转。
在一个或多个实施方式中，当马达轴沿第一方向旋转时，鼓壳体相对于轴附接件沿第一方向旋转，用于将缆线卷绕在缆线卷筒上，并且当由于缆线中的张力的力而在缆线卷筒和鼓壳体上施加力时，保持该弹簧的第二端的盘系统相对于轴附接件沿与第一方向相反的第二方向旋转，扭转弹簧的第二端的所述旋转在弹簧中建立张力并且对轴附接件建立扭矩。
轴附接件上的扭矩取决于由弹簧的张力施加的力，该扭矩还取决于鼓壳体和缆线卷筒上的缆线的张力。因此，缆线的张力可以确定为轴附接件上的扭矩除以缆线卷筒的半径。
在一个或多个实施方式中，当齿轮系统处于非旋转操作模式时，其中扭转弹簧的第二端保持在相对于鼓壳体的固定位置，扭转弹簧的第二端跟随鼓壳体旋转，因此鼓壳体在从缆线卷筒解卷缆线的方向上的旋转在弹簧中建立张力并且对轴附接件建立扭矩。
当将浮子放入海中时，应在缆线中建立张力或预张力，同时应在弹簧中建立张力。为此目的，扭转弹簧可以操作性地连接到鼓壳体，用于在第二或旋转操作模式下操作，其中齿轮系统构造成使鼓壳体相对于轴附接件并且相对于扭转弹簧的第二端旋转。
当浮子已经定位在海中时，浮子因波浪而向上和向下运动，该运动可以用于产生电力。为此目的，扭转弹簧可以操作性地连接到鼓壳体，用于在第一或非旋转操作模式下操作，在该第一或非旋转操作模式中齿轮系统构造成将弹簧的第二端保持在相对于鼓壳体的固定位置。
在第一操作模式中，当波浪抬起浮子时，缆线从缆线卷筒解卷，并且其中弹簧的第二端保持固定到鼓壳体，弹簧的第二端随着缆线卷筒转动同时在弹簧中建立进一步的张力。当波浪再次下降时，弹簧的张力会将缆线卷绕在缆线卷筒上。
在第二操作模式中，齿轮系统可以使具有缆线卷筒的鼓壳体和弹簧的第二端沿相反方向旋转，从而当齿轮系统使鼓壳体旋转以卷起缆线时，弹簧的第二端可以被旋转并伴随在弹簧中建立张力。因此，对于第一操作模式和第二操作模式，当在弹簧中建立张力时，鼓壳体沿相反方向旋转。
在一实施方式中，鼓包括传感器系统，该传感器系统被构造成用于感测轴附接件上的扭矩。
在一实施方式中，能量转换系统还包括控制系统，该控制系统被构造成用于基于所感测到的扭矩或至少部分地基于所感测到的扭矩来控制鼓壳体的旋转和缆线卷筒的卷绕。
在一实施方式中，控制系统被构造成用于基于所感测到的扭矩而确定缆线张力、并且用于控制鼓壳体的旋转和缆线卷筒的卷绕，直到对缆线确定了预定的张力或预张力。
在一实施方式中，当浮子定位在海中时，控制系统还被构造成：在数个波浪的运动期间确定缆线的张力，将所获得的张力值与预定的预张力进行比较，以及基于所述比较来对鼓壳体的用于将缆线卷绕在缆线卷筒上和/或从所缆线卷筒上解卷所述缆线以改变所述缆线中的预张力的旋转进行控制。
在一实施方式中，控制系统构造成用于控制齿轮系统的操作模式。
在一实施方式中，控制系统被构造成用于通过控制马达轴的旋转来控制鼓壳体的旋转。
在一实施方式中，扭转弹簧是钟表弹簧，并且盘系统包括两个相对设置的盘，其中钟表弹簧设置在所述两个盘之间。
在一实施方式中，第二齿轮比第一齿轮大。
在一实施方式中，传感器系统包括多个应变仪，这些应变仪在鼓壳体内附接到轴附接件。
在一实施方式中，发电机被设置成仅在一个方向上旋转或转动。
在一实施方式中，发电鼓还包括将鼓壳体和发电机互连的齿轮驱动器。
在一实施方式中，齿轮驱动器包括加速齿轮。加速齿轮可以使相对缓慢旋转的鼓加速至少1:10或至少1:20。
在一实施方式中，齿轮驱动器包括单向齿轮。
在一实施方式中，齿轮驱动器包括单向离合器。
在一实施方式中，发电机、加速齿轮、单向齿轮和单向离合器都是居中的，以绕由轴附接件限定的轴进行旋转运动。
在一实施方式中，发电鼓还包括操作性地连接到发电机的飞轮。
在一实施方式中，鼓包括角度检测系统，该角度检测系统构造成当鼓壳体绕轴附接件从第一位置转动或旋转到第二位置时确定鼓壳体的旋转角度。第一位置是当缆线响应于因波浪的向上运动使浮子背离浸没结构移动而从缆线卷筒解卷、因而鼓壳体停止旋转时到达的；并且其中，第二位置是当缆线响应于因波浪的随后的向下运动使浮子移动成更靠近浸没结构而卷绕在缆线卷筒上因而鼓壳体停止沿相反方向旋转时到达的。
在一实施方式中，控制系统还被构造成：当一个或多个所确定的旋转角度等于或超出预定的旋转角度时，对鼓壳体的用于将缆线卷绕在缆线卷筒上以使浮子浸没到海中的旋转进行控制。
在一实施方式中，浮子是浮标。
根据第二方面，提供了一种波浪能量转换系统，该波浪能量转换系统包括：
浮子，该浮子保持有发电鼓，该发电鼓具有通过轴附接件而旋转地附接到浮子的鼓壳体，其中轴附接件允许鼓壳体和浮子相对于彼此至少部分地旋转运动；
所述鼓壳体包括：
带有缆线的缆线卷筒，该缆线具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到缆线卷筒，并且所述缆线卷筒是与鼓壳体成一体的部分或被连接到鼓壳体，以与鼓壳体一起旋转；
扭转弹簧，该扭转弹簧在第一操作模式下操作性地连接到鼓壳体，用于通过使鼓壳体沿着从缆线卷筒解卷缆线的方向旋转而在弹簧中建立张力，并且用于通过释放弹簧的张力使鼓壳体沿着用于将缆线卷绕在缆线卷筒上的相反方向上旋转；以及
发电机，该发电机设置成响应于鼓壳体的旋转运动而旋转或转动，从而产生电力。
在第二方面的系统的第一种可能的实施形式中，扭转弹簧操作性地连接到鼓壳体，用于在第一操作模式和第二操作模式之间切换，其中对于第二操作模式，弹簧操作性地连接到鼓壳体，用于通过使鼓壳体沿着将缆线卷绕在缆线卷筒上的方向的旋转而在弹簧中建立张力。
应当理解，根据第二方面的系统还覆盖了许多可能的实施方式，其等同于第一方面的系统的未被第二方面的上述系统覆盖的可能实施方式。
第二方面还提供了一种通过使用根据第二方面的能量转换系统从海面波浪产生电力并且包括第二方面的系统的第一种可能的实施形式的方法，所述方法包括：
通过将缆线的第二端部附接到浸没结构或附接到海床来将浮子定位在海中；
在第二操作模式中，将扭转弹簧设置成操作性地连接到鼓壳体；
将缆线卷绕在缆线卷筒上，以在缆线和扭转弹簧中建立预张力；
在第一操作模式中，将扭转弹簧设置成操作性地连接到鼓壳体；
允许所述鼓壳体响应于因波浪使所述浮子背离所述浸没结构移动而沿着从所述缆线卷筒解卷所述缆线的方向旋转，所述鼓壳体的解卷旋转使所述弹簧的张力增大并且启动所述发电机的旋转；
允许所述鼓壳体响应于所述缆线由于在所述浮子因海浪而移动成更靠近所述浸没结构时释放所述弹簧的张力因而被卷绕在所述缆线卷筒上而沿相反方向旋转，所述鼓壳体的卷绕旋转启动所述发电机的旋转；以及
从发电机提取电力。
在第二方面的方法的实施方式中，所提取的电力存储在电池中。
在第二方面的方法的一实施方式中，执行将缆线卷绕在缆线卷筒上以在缆线和扭转弹簧中建立预张力的步骤，直到达到预定的缆线张力，其中预定的缆线张力可以与缆线的当浮子大致半浸没到海中时张力对应。
在第二方面的方法的一实施方式中，该方法还包括：在数个波浪的运动期间监测缆线的张力；将获得的张力值与预定的张力进行比较；以及当监测的张力的平均值与预定的预张力之间的差超过预定值时，执行在缆线卷筒上卷绕和/或解卷缆线，以改变缆线中的预张力。
在第二方面的方法的一实施方式中，该方法还包括当鼓壳体绕轴附接件从第一位置转动或旋转到第二位置时确定鼓壳体的旋转角度，
其中第一位置是当缆线响应于因波浪的向上运动使浮子背离浸没结构移动而从缆线卷筒解卷、因而鼓壳体停止旋转时到达的；并且其中，第二位置是当缆线响应于因波浪的随后的向下运动使浮子移动成更靠近浸没结构而卷绕在缆线卷筒上因而鼓壳体停止沿相反方向旋转时到达的。
在第二方面的方法的一实施方式中，当一个或多个所确定的旋转角度等于或超出预定的旋转角度时，执行缆线在缆线卷筒上的进一步卷绕以使浮子浸没到海中。
通过独立权利要求的特征实现前述和其他目的。根据从属权利要求、说明书和附图，另外的实施形式是显而易见的。从下面描述的实施方式中，本发明的这些和其他方面将是显而易见的。
附图说明
在本发明的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例实施方式更详细地解释本发明，在附图中：
图1a和图1b是根据示例实施方式的两个不同尺寸的波浪能量系统的透视图；
图2是图1a的波浪能量系统的俯视图；
图3示出了根据示例实施方式的定位于海中的图1a的波浪能量系统。
图4a、图4b和图4c示出了波浪对根据示例实施方式的图3的波浪能量系统的作用；
图5是示出了根据示例实施方式的能量系统的鼓内的弹簧系统和齿轮系统的设置的示意图；
图6是示出了根据示例实施方式的图5的弹簧和齿轮系统的细节的分解图；
图7是示出了根据示例性实施方式的能量系统的鼓内的另外的细节的示意图；
图8是示出了根据示例实施方式的位于海中的波浪能量系统的框图，该波浪能量系统具有用于存储电力的电池、用于将电力从鼓传递到电池的缆线、用于从电池提取电力到用户平台的缆线、以及用于外部通信到鼓内的控制系统的光纤连接；
图9是示出了根据示例实施方式的图8的波浪能量系统的电力和数据控制部件的框图；
图10是根据示例实施方式的产生电力的方法的流程图；
图11是根据示例实施方式的调节波浪能量系统的预张力的方法的流程图；
图12是根据示例实施方式的将波浪能量系统浸没的方法的流程图。
具体实施方式
图1a和图1b是两种不同尺寸的波浪能量系统100a和100b的透视图，并且图2是图1a的波浪能量系统100a的俯视图。系统101a和101b各自具有浮子101a、101b以及具有鼓壳体102a、102b的发电鼓。鼓壳体102a、102a通过轴附接件105a、105b旋转地附接到浮子101a、101b，并且轴附接件105a、105b允许鼓壳体102a、102b和浮子101a、101b相对于彼此的至少部分地旋转运动。鼓壳体102a、102b保持带有缆线104a、104b的缆线卷筒103a、103b，该缆线104a、104b具有第一端部和第二端部，第一端部连接到缆线卷筒103a、103b。缆线卷筒103a、103b是鼓壳体102a、102b的一体式部分、或是被连接到鼓壳体102a，102b，并且缆线卷筒103a、103b与鼓壳体102a、102b一起旋转。
优选地，浮子101是浮标，其大致呈“U”形，具有由两个相对设置的臂和连接这两个臂的前部件限定的开口。轴附接件105a、105b固定地连接到浮子101的两个臂，并且鼓壳体102旋转地设置成位于两个臂之间。前部件具有背对鼓壳体102的外表面。优选地，前部件的外表面具有弯曲形状，并且还优选地两个臂中的每个臂的背表面具有弯曲形状。
组合的鼓和浮子101具有重心，并且轴附接件105a、105b在该重心后面固定到浮子101。因此，鼓和鼓壳体102的中心定位成在距前部件的外表面的一距离处，该距离大于从重心到前部件的外表面的距离。优选地，当沿臂的方向测量时，从鼓的中心到重心的距离是浮子101的总长度的至少5％。还优选的是，缆线卷筒103具有比介于重心与鼓的中心之间的距离大的半径。
鼓壳体102a、102b通过诸如防水旋转密封件之类的防水连接而旋转地连接到轴附接件105a、105b，以便在鼓壳体102a、102b内提供干燥气氛，用于保护设置在鼓壳体102a、102b内的机械和电气部件。
图3示出了根据示例实施方式的定位在海中的对应于图1a的系统100a的波浪能量系统100。缆线104具有第二端部，该第二端部连接到放置在海床107上的锚块106。缆线4的第二端部可以比锚块106延伸得更远，因为缆线可以被构造成将所产生的电力输送到电池系统，这将结合图8进行讨论。优选的是，当浮子101设置在海中而没有波浪作用时，缆线4卷绕在缆线卷筒103上，直到达到缆线104的预定的预张力。当浮子101根据波浪高度而被强加浮子的在水下的总自由可用浮力的一半(+/-20％)时，可以达到最大电力输出的理想预张力。因此，可以将预张力确定为使得浮子101通过缆线104中的张力而大致一半(+/-20％)被浸没到海中。
通过借助固定到鼓壳体102的缆线卷筒103将用于将浮子101定位到海床107的缆线104附接到浮子101，可以通过使鼓壳体102旋转以将缆线104卷绕于缆线卷筒103上或解卷缆线卷筒103上的缆线104来容易地调节缆线104的长度。因此，可以调节缆线104的长度以跟随海平面中的变化，由此可以将浮子101在海中定位成用于最大的能量转换。
为了产生电力，鼓壳体102包括发电机522，参见图7，该发电机522被设置成用于响应于鼓壳体的旋转运动而旋转或转动，从而产生电力。当浮子101被定位在具有上升和下降波浪的海中时，获得鼓壳体102的旋转运动。鼓壳体还包括扭转弹簧510，参见图5，该扭转弹簧510在第一操作模式下能够操作性地连接到鼓壳体102，其中通过鼓壳体102沿着用于从缆线卷筒103解卷缆线104的方向的旋转而在弹簧510中建立张力。当浮子101被上升波浪所提升和/或水平移动时，获得了缆线104的这种解卷。当波浪到达波浪的下降时，浮子101随波浪向下移动，并且扭转弹簧510将起作用以释放在波浪上升期间获得的张力，由此通过扭转弹簧510使鼓壳体102在用于将缆线104卷绕在缆线卷筒103上的相反方向上旋转。鼓壳体102的这种旋转启动发电机522。
浮子101和鼓壳体102随着上升和下降波浪的运动在图4a、图4b和图4c示出。在图4a中，浮子101处于没有波浪作用的位置，并且浮子101处于大致水平的位置，并且缆线104的张力大致等于预张力。在图4b中，上升波浪使浮子101向上移动，其中浮子101转动到更竖向的位置。浮子101的向上移动导致缆线104从缆线卷筒103解卷，由此鼓壳体102与缆线卷筒103一起旋转，并且在扭转弹簧510中建立张力。浮子101的转动可以进一步用于在弹簧510中建立张力。当波浪再次下降时，浮子101将向下移动并返回到图4a的位置。在浮子101从图4b到图4a的向下移动和转动期间，在扭转弹簧510中建立的张力释放并且使鼓壳体102旋转，由此缆线104被卷绕在缆线卷筒上，从而保持缆线104中的预张力。在常规波浪作用期间，浮子101将在图4a和图4b所示的位置之间移动，但是当波浪太大时，缆线104的解卷不能跟随波浪的上升，并且浮子101将被上升波浪转动到基本竖向的位置，这在图4c中示出。因此，对于图4c所示的情况，波浪已经变得很大，以至于是时候将浮子或浮标101拉到水下处在风暴保护模式中。
扭转弹簧510在鼓壳体102内的设置和操作将在下面结合图5和图6进行说明，其中图5是示出根据示例实施方式的能量系统100的鼓内的弹簧系统和齿轮系统的设置的示意图，而图6是示出图5的弹簧系统和齿轮系统的细节的分解图。
在图5和图6中，鼓壳体102具有左侧盖502a、右侧盖502b和筒形鼓部502c。鼓壳体102、502a、502b、502c旋转地设置在轴附接件105a、505a、105b、505b上，轴附接件105a、505a、105b、505b具有两个轴部，左轴部105a、505a和右轴部105b、505b；轴部105a、505a和105b、505b两者都具有固定地连接到浮子101的一端和设置在鼓壳体102、502a、502b、502c内的另一端，其中每个轴部505a、505b的轴跟随鼓壳体102、502a、502b、502c的中心轴。左轴部505a的另一端通过双组滚珠轴承被支撑在左侧盖502a的内侧，并且右轴部505b的另一端通过双组滚珠轴承被支撑在右侧盖502b的内侧。通过使用双组滚珠轴承将轴部505a、505b旋转地连接到鼓侧盖502a、502b，滚珠轴承连接将在操作期间在海中支撑两个轴部505a、505b上的径向载荷和弯曲载荷。
鼓壳体502a、502b、502c包括弹簧系统和齿轮系统，其中弹簧系统保持扭转弹簧510，该扭转弹簧510可以是钟表弹簧，具有非旋转地连接到左轴部505a的第一端。该齿轮系统包括具有两个相对设置的盘511a和511b的盘系统，盘511a和511b相对于左轴505a和鼓壳体502a、502b、502c旋转地设置，并且扭转弹簧或钟表弹簧510设置成位于两个盘511a、511b之间，其中弹簧510的第二端通过弹簧支撑件512固定到两个盘511a、511b。齿轮系统还保持电马达513，电马达513固定到内盘511b的外周缘部，该马达513具有延伸穿过内盘511b和外盘511a的旋转轴514。在盘511a的面向左鼓盖502a的一侧上延伸的旋转轴514的外部保持第一小齿轮515，该第一小齿轮515与第二且更大的齿轮516啮合，该第二且更大的齿轮516固定地连接到鼓壳体。通过弹簧510设置在鼓壳体502a、502b、502c中的这种设置，马达轴514和第一齿轮515的旋转可以使鼓壳体502a、502b、502c和对弹簧510的第二端进行保持的盘511a、511b相对于彼此在相反方向上旋转。
当马达513操作以使第一齿轮515旋转，从而使鼓壳体502a、502b、502c相对于盘511a、511b和弹簧510的第二端旋转时，扭转弹簧510通过齿轮系统以第二旋转操作模式操作性地连接到鼓壳体502a的左盖。当马达旋转轴513被保持在固定的非旋转位置时，弹簧510的第二端通过齿轮系统以第一非旋转操作模式操作性地连接到鼓壳体502a的左盖。
当弹簧和齿轮系统处于第一非旋转操作模式——其中扭转弹簧510的第二端相对于鼓壳体502a被保持在固定位置中——时，扭转弹簧的第二端跟随鼓壳体502a、502b、502c的旋转，由此鼓壳体102、502a、502b、502c沿着从缆线卷筒103解卷缆线104的方向的旋转在弹簧510中建立张力以及对左轴部505a建立扭矩。在第一操作模式中在弹簧510中已经建立了张力之后，弹簧510可以起作用以通过弹簧510的张力的释放而使卷筒壳体102、502a、502b、502c在将缆线104卷绕在缆线卷筒103上的方向上旋转。
当弹簧和齿轮系统处于第二旋转操作模式时，齿轮系统被构造成使马达轴514和第一齿轮515沿旋转方向旋转，由此第二齿轮516和鼓壳体102、502a、502b、502c相对于轴附接件105a、105b、505a、505b沿第一方向旋转，用于将缆线104卷绕在缆线卷筒103上。只要缆线104松弛，缆线104就被卷起，并且盘511a、511b和弹簧510的第二端被保持在弹簧510中仅建立小的相对张力的位置中。当缆线104不再松弛时，由于缆线104中的在缆线104被进一步卷绕在卷筒103上时建立的张力，力被施加在缆线卷筒103和鼓壳体102、502a、502b、502c上；现在盘系统511a、511b和弹簧510的第二端将相对于轴附接件105a、105b、505a、505b沿与鼓壳体502a、502b、502c的第一方向相反的第二方向旋转。扭转弹簧501的第二端的这种旋转在弹簧510中建立张力以及对左轴部505a产生扭矩。应注意，对于第一和第二操作模式，当在弹簧510中建立张力时，鼓壳体102、502a、502b、502c沿相反方向旋转。
当将浮子101定位在海中时，在缆线104中应建立张力或预张力，同时应在弹簧510中建立张力。为此目的，扭转弹簧510操作性地连接到鼓壳体102、502a、502b、502c，用于在第二操作模式或旋转操作模式下操作。当浮子101已经被定位在海中时，浮子101因波浪而向上和向下移动，该移动可以用于产生电力。为此目的，扭转弹簧510操作性地连接到鼓壳体102、502a、502b、502c，用于在第一操作模式或非旋转操作模式下操作，在该操作模式中齿轮系统被构造成用于将弹簧510的第二端保持处于相对于鼓壳体102、502a、502b、502c的固定位置中。
在第一操作模式中，然后当波浪使浮子101上升时，缆线104从缆线卷筒103解卷，并且其中弹簧501的第二端被保持固定到鼓壳体102、502a、502b、502c，弹簧510的第二端随着缆线卷筒103而转动，同时在弹簧501中建立进一步的张力。当波浪再次下降时，弹簧510的张力将缆线卷绕在缆线卷筒上。
在第二操作模式中，齿轮系统使鼓壳体与缆线卷筒和弹簧501的第二端一起沿相反方向旋转，由此当齿轮系统使鼓壳体102、502a、502b、502c旋转以卷起缆线104时，弹簧510的第二端被旋转或转动，伴随有在弹簧510中建立张力。
图5和图6进一步示出了块520，其旋转地连接到右轴部505b。该块520保持发电机522和将鼓壳体502a、502b、502c和发电机522互连的齿轮传动系统，参见下面结合图7的讨论，图7示出了根据示例性实施方式的发电鼓的另外的细节。
在图7中，左轴部505a固定地连接到浮子101的左臂501a，且右轴部505b固定地连接到浮子101的右臂501b，由此壳体102、502a、502b、502c旋转地附接到浮子101、501a、501b。图7中所示的鼓壳体502a、502b、502c还包括传感器系统517，该传感器系统517构造成用于感测左轴部505a上的扭矩。传感器系统517可以包括在鼓壳体内附接到左轴部505a的多个应变仪，由此可以通过已知技术测量轴部505a上的扭矩。在示例实施方式中，四个应变仪可以附接到轴部505a并且相对于轴部505a的中心线以+/-45°图案定向。在一实施方式中，还将角度检测系统518在鼓壳体502a、502b、502c内连接到轴部505a，其中角度检测系统可以被构造成当鼓壳体102、502a、502b、502c绕该轴105a、105b、505a、505b从第一位置转动或旋转到第二位置时用于确定鼓壳体102、502a、502b、502c的旋转角度。在一实施方式中，角度检测系统包括光学角度编码器。
在图7中还示出了具有发电机522的壳体，发电机522设置在鼓壳体102、502a、502b、502c内，用于响应于鼓壳体102、502a、502b、502c的旋转运动而旋转或转动。发电机522的壳体还包括飞轮(图7中未示出)，该飞轮操作性地连接到发电机522，以便存储旋转能量。设置有双组滚珠轴承523，用于允许发电机和飞轮绕轴部505b的旋转。发电机522可以设置成仅在一个方向上旋转或转动。为了通过鼓壳体102、502a、502b、502c的旋转来获得发电机522的旋转，设置有发电机齿轮驱动器，用于使鼓壳体102、502a、502b、502c和发电机522互连。发电机齿轮驱动器包括加速齿轮524，其可以使鼓壳体102、502a、502b、502c的相对缓慢的旋转加速10或20倍。齿轮驱动器包括单向齿轮525和单向离合器526，这允许发电机522仅在一个方向上旋转，而鼓壳体102、502a、502b、502c改变旋转的方向。
在一实施方式中，具有飞轮、加速齿轮524、单向齿轮525和单向离合器526的发电机522都居中，用以绕由轴部505a、505b限定的轴进行旋转运动。加速齿轮524操作性地连接鼓壳体502a和单向齿轮525，并且单向离合器526操作性地连接单向齿轮524和发电机522，并且发电机522操作性地连接到飞轮。
鼓壳体102、502a、502b、502c还包括控制系统521，控制系统521可以被构造成用于基于由传感器系统517感测到的轴部505a的扭矩来控制鼓壳体102、502a、502b、502c的旋转以及将缆线104卷绕在缆线卷筒103上。这里，控制系统521可以被构造成用于基于所感测到的扭矩来确定缆线张力并且用于控制鼓壳体102、502a、502b、502c的旋转以及缆线卷筒103的卷绕，直到确定了用于缆线104预定的张力或预张力。控制系统521可以设置在发电机齿轮驱动器系统上，并且在图7中，控制系统521附接到单向齿轮525。
为了控制鼓壳体102、502a、502b、502c的旋转以用于卷绕缆线104，控制系统被构造成用于通过控制马达轴514的旋转来将组合的弹簧和齿轮系统的操作模式控制为处于第一操作模式或第二操作模式。
角度检测系统518可以被构造成用于确定鼓壳体102、502a、502b、502c相对于轴部105a、105b、505a、505b的第一位置与第二位置之间的角度差。这里，响应于浮子101因波浪的向上移动而运动背离浸没结构106，缆线104从缆线卷筒103解卷，由此鼓壳体102、502a、502b、502c停止旋转，此时可以到达第一位置；并且，响应于浮子101因随后的波浪的向下运动而运动成更接近浸没结构106，缆线104卷绕在缆线卷筒103上，由此鼓壳体102、502a、502b、502c停止沿相反的方向旋转，此时可以到达第二位置。
控制系统521还可以被构造成：当一个或多个所确定的第一位置与第二位置之间的角度差等于或超过预定的最大角度差时，对鼓壳体102、502a、502b、502c的用于将缆线104卷起在缆线卷筒103上的旋转进行控制，用以将浮子101浸没到海中。
控制系统还可以被构造成用于：在数个波浪的运动期间确定缆线104的张力，将所获得的张力值与预定的预张力进行比较，以及基于比较来对鼓壳体102、502a、502b、502c的用于将缆线104卷绕在缆线卷筒103上和/或在缆线卷筒103上解卷的旋转进行控制，从而改变缆线104中的预张力。
还设置多个滑环(图7中未示出)，并且该多个滑环操作地连接到轴部505a、505b，以便允许在旋转鼓壳体102、502a、502b、502c内的旋转装置和固定轴部505a、505b之间传输电力和电信号，该旋转装置包括马达513、控制系统521和发电机522。滑环可以被设置在左壳体盖和右壳体盖502a和502b两者的内部。
图8是示出根据示例实施方式的定位在海中的波浪能量系统的框图，且图9是示出图8的波浪能量系统的电力和数据控制部件的框图。图8的波浪能量系统保持有图1的能量系统100的部件并且包括浮标或浮子101、发电鼓102，其中缆线104卷绕在缆线卷筒103上(图8中未示出)。对于图8的系统，浮标101保持有卫星通信单元108，从而可以通过卫星通信诸如Inmarsat VSAT和Iridium系统将数据抄送到控制系统521和从控制系统521传出。通信单元108还可以或替代地被构造成用于移动电话通信，诸如3G、4G或GPS通信。
浮标101通过缆线104定位在海中，缆线104具有连接到海床107上的锚块106的第二端部。在一实施方式中，标记浮标806定位成靠近波浪能量浮标101，其中标记浮标806通过缆线固定到海床107上的小锚块807。小锚块807可以通过缆线固定到主锚块106。
缆线104是铠装电力缆线，其还保持有光纤，并且缆线104的第二端部进一步连接到海底系统，该海底系统可以封装在集装安装件804中，并且该海底系统保持有用于传感器的数据和电力集线器单元801和电池组802，并且该海底系统还保持有负载和充电控制单元805，参见图9。在一实施方式中，电气和光纤滑环旋转接头(在图8中未示出)可以设置为在浮子或浮标101与锚块106的浸没结构之间的电力缆线104的一部分，将缆线104的上部与缆线104的下部连接。滑环旋转接头的使用将允许浮标101在水中转动而不会扭曲缆线104的连接到锚块106的那部分。
海底系统可以可选地保持有声学遥测单元803，该声学遥测单元803被构造成通过声学遥测发送和接收数据。海底系统的部件也在图9中示出，图9还示出了设置在鼓壳体102和浮标101内的海面系统的电力和数据控制部件。除了设置在浮标101处的卫星通信单元108之外，海面系统包括电力输出单元903、PLC I/O控制器907、充电控制单元904、机载(船载)电池905和成为控制系统521的一部分的预张力控制器906。
在优选实施方式中，所产生的电力从发电机522通过电力输出单元903和滑环、沿电力缆线104向下供应到负载和充电控制单元805，从该负载和充电控制单元那里对电池组802充电。电力输出单元903还经由充电控制单元904对机载电池905充电，并且机载电池905向具有预张力控制器906的控制系统521和卫星通信单元108供应电力。数据是经由在铠装电力缆线104内的光纤通过光纤通信在海面系统和海底系统之间通信的。数据通信由海面系统内的PLC I/O控制器907控制，其中控制器907与卫星通信单元108和电力输出单元903通信数据，电力输出单元903再与充电控制单元904、机载电池905和具有预张力控制器906的控制系统521通信。经由缆线104的光纤连结，控制器907与数据和电力集线器单元801、负载和充电控制单元805以及电池组802通信数据。数据和电力集线器单元801保持有电力和通信线路，用于对向用户输送电力进行控制以及与用户进行数据通信。
图10是示出根据示例实施方式的产生电力的方法的流程图。在第一步骤1001中，浮子101将被定位在海中。这要求扭转弹簧510操作性地连接到鼓壳体102以处于第二操作模式，步骤1002。在第二操作模式中，马达513和齿轮515、516受控制而旋转，由此将缆线104卷绕在缆线卷筒103上，直到控制系统521根据在轴附接件505上测量到的扭矩确定所需的预张力，步骤1003。自此，扭转弹簧510操作性地连接到鼓壳体102以处于第一操作模式，其中马达513和齿轮515、516被控制为不旋转，步骤1004。
当处于第一操作模式时，浮子101和具有扭转弹簧510的鼓壳体102处于常规能量产生操作模式，其中在步骤1005中，允许鼓壳体102响应于浮子101因波浪而背离浸没结构106移动从而在缆线104从缆线卷筒103解卷的方向上旋转，其中鼓壳体102的解卷旋转增加了弹簧510的张力并且启动了发电机522的旋转。在步骤1006中，当浮子101因海浪而移动成更靠近浸没结构106时，通过释放弹簧510的张力，允许鼓壳体102响应于缆线104被卷起在缆线卷筒103上而沿相反方向旋转，其中鼓壳体102的卷绕旋转启动发电机522的旋转。通过发电机522的启动产生的电力被提取并且可以存储在电池组802中，步骤1007。
图11是示出根据示例实施方式的调节波浪能量系统的预张力的方法的流程图。在第一步骤1101中，在数个波浪的运动期间监测和确定缆线104的张力。然后，在步骤1102中，将所获得的张力值与预定的预张力进行比较，并且当所监测到的张力的平均值与预定的预张力之间的差超过一预定值时，在第二操作模式中将扭转弹簧510操作性地连接到鼓壳体102，步骤1103；执行将缆线卷绕在缆线卷筒103上和/或缆线104在缆线卷筒103上的解卷，以调节缆线104中的预张力，步骤1104；以及在第一操作模式中使扭转弹簧510返回到操作性地连接到鼓壳体102，步骤1105。在步骤1104中，可以调节预张力以达到所监测到的缆线104的张力的平均值。
因此，通过在许多连续波浪时段期间监测缆线张力的变化和平均值，可以校正潮汐水平的变化并且可以优化缆线104的平均预张力以在给定的波浪气候中使能量产生最大化。
图12是示出使根据示例实施方式的波浪能量系统浸没的方法的流程图。在步骤1201中，当鼓壳体102在波浪运动期间绕轴附接件105从第一位置转动或旋转到第二位置时确定鼓壳体102的角度旋转，其中第一位置是在鼓壳体102响应于浮子101因波浪的向上运动而背离浸没结构106移动从而通过从缆线卷筒102解卷缆线104而停止旋转时到达的；并且其中第二位置是在鼓壳体102响应于浮子101因随后的波浪的向下运动而移动成更靠近浸没结构106从而通过将缆线104卷起在缆线卷筒103上而在相反的方向上停止旋转时到达的。如果一个或多个所确定的角度旋转值等于或超出预定的旋转角度，则在步骤1202中，扭转弹簧510在第二操作模式下操作性地连接到鼓壳体102，并且缆线104进一步卷绕在缆线卷筒103上以使浮子101浸没到海中，步骤1203。
因此，通过测量固定到浮子101的中心轴附接件105与鼓壳体102之间的角度变化，当鼓壳体102在波浪中前后转动时，可以监测近似的波浪高度，并且可以决定何时波浪变得太大以至于是时候以风暴保护模式将浮标拉到水下了。
在下文中给出了波浪能量转换系统或波浪能量浮标的示例的材料和尺寸的列表，其表示具有大约300W的峰值功率性能的小浮标或浮子101。
用于波浪能量浮标的材料和尺寸：
U形浮子或浮标101由玻璃增强聚酯、GRP制成，并涂覆有耐候和耐海水环氧树脂涂料。U形中的每个“腿”的长度为900mm，且每个腿的宽度为300mm。根据鼓壳体102的长度，U形的间隙宽度最小为300mm并且最高达900mm。对于此示例，宽度为900毫米。腿和前部件的高度为200mm，且前部件和后部件以及侧部件的曲率(侧部件或腿的曲率是可选的)由直径为200mm的半圆形成，等于浮标或浮子101的高度。
用于轴部105a、505a、105b、505b的材料是高级不锈钢316。每个轴部105a、505a、105b、505b的直径为30mm且长度为100mm。
用于鼓壳体102的材料是耐海水铝，且直径为600mm，且宽度略小于900mm，以配合到U形开口中。
用于缆线卷筒103的材料是聚氨酯类、PU、弹性体。外卷筒直径为900mm，且内卷筒直径为650mm。
用于缆线104外部的材料是超强镀覆的钢丝，且缆线直径为10mm。根据海洋的深度，缆线的长度可以在30米到200米的范围内。
浮标或浮子和鼓壳体的总重量约为150Kg。
较大的环形齿轮516具有500mm的外直径，而较小的第一齿轮515具有30mm的外直径。保持该弹簧510的两个盘511a、511b的直径为580mm。
扭转弹簧510具有550mm的直径、60mm的宽度以及500Nm的弹簧力。
预定的缆线预张力可以设定为750N，并且可以选择缆线的长度，使得从缆线104中的张力开始到达所需的预张力需要缆线卷筒103的与11/2圈之间。当达到所需的缆线104的预张力时，扭转弹簧510可以设置成达到250Nm的预张力。
在1m波浪的常规波浪提升期间，鼓壳体102可以前后转动+/-1/4圈。
当水位变化1/4m时，缆线预张力的调整被激活。
当波浪高度超过3米时，启用浮标或浮子的完全浸没，并且鼓壳体102转动11/2转以使浮标或浮子101浸没。
对于具有上述尺寸的300W的波浪能量浮标，发电量随着波浪高度而增加，其中第一个结果显示如下：
在0.5米波浪中＝25W。
在1.0米波浪中＝100W。
在1.5米波浪中＝225W。
在2.0米波浪中＝400W。
通过在所有三个维度上调整比例以适应更高的功率水平，可以获得分别为2kW、5kW、10kW和20kW的更大波浪能量浮标，并且波浪高度随着比例因子而增加。分别为3和4的因子的调整比例表示2kW和5kW的波浪能量浮标，并且相应地对波浪高度调整比例。
已经结合本文的各种实施方式描述了本发明。然而，在实践所要求保护的发明中，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一种”不排除复数。

Claims (44)

1.一种波浪能量转换系统(100a、100b)，所述系统包括：
浮子(101、101a、101b、501a、501b)和发电鼓，所述发电鼓具有通过轴附接件(105a、105b、505a、505b)而旋转地附接到所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)的鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)；
其中，所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)允许所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)和所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)相对于彼此至少部分地旋转运动；
并且其中，所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)包括带有缆线(104、104a、104b)的缆线卷筒(103a、103b)，所述缆线具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到所述缆线卷筒(103a、103b)，所述缆线卷筒(103a、103b)是与所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)成一体的部分或被连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)，以与所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)一起旋转；
其中，所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)包括弹簧系统，所述弹簧系统包括扭转弹簧(510)，所述扭转弹簧具有非旋转地连接到所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)的第一端部和操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的第二端部，其中，对于操作的至少一个连接模式，所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转在所述弹簧(510)中建立张力，由此对所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)施加扭矩；以及
所述扭转弹簧(510)的所述第二端部被构造成：在第一操作模式中操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)，以通过所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的沿着用于从所述缆线卷筒(103a、103b)解卷所述缆线(104、104a、104b)的方向的旋转而在所述弹簧(510)中建立张力，以及通过释放所述弹簧(410)的张力使所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)沿着用于将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上的相反方向旋转；其特征在于：
所述扭转弹簧(510)操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)以在所述第一操作模式与第二操作模式之间切换，其中，对于所述第二操作模式，所述弹簧(510)的第二端部操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)，以通过所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的沿着用于将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上的方向的旋转而在所述弹簧(510)中建立张力。
2.根据权利要求1所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)是通过使所述缆线(104、104a、104b)的第二端部附接到浸没结构或附接到海床(107)而定位在海中的。
3.根据权利要求2所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)在所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)的开口内固定地连接到所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)，且所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)在所述开口内旋转地设置在所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)上。
4.根据权利要求3所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)包括限定所述开口的一部分的两个相对设置的臂(501a、501b)，且所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)固定地连接到该两个臂(501a、501b)。
5.根据权利要求4所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)包括连接所述两个臂(501a、501b)的前部件，并且其中，所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)连接到所述两个臂，且所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)旋转地设置在所述两个臂(501a、501b)内。
6.根据权利要求5所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)大致呈“U”形。
7.根据权利要求6所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述前部件具有背对所述鼓的外表面，经组合的所述鼓和浮子(101、101a、101b、501a、501b)具有重心，并且所述鼓的中心位于距所述前部件的所述外表面的一距离处，所述距离大于从所述重心到所述前部件的所述外表面的距离。
8.根据权利要求7所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，当沿着所述臂(501a、501b)的方向测量时，从所述鼓的中心到所述重心的距离是所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)的总长度的至少5％。
9.根据权利要求7或8所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述缆线卷筒(103a、103b)的半径大于所述鼓的中心与所述重心之间的距离。
10.根据权利要求2所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，当所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)定位在海上的大致水平位置时，所述缆线(104、104a、104b)从所述缆线卷筒(103a、103b)延伸到达所述浸没结构，其中所述缆线(104、104a、104b)面向所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)的前部件。
11.根据权利要求1所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述鼓被构造成：当通过使所述缆线(104、104a、104b)的第二端部附接到浸没结构而将所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)定位在海中时，将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上以便获得所述缆线(104、104a、104b)的预定的预张力。
12.根据权利要求2所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)包括弹簧系统和齿轮系统，所述弹簧系统包括扭转弹簧(510)，所述扭转弹簧具有非旋转地连接到轴(105a、105b、505a、505b)的第一端和经由所述齿轮系统而操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的第二端；所述齿轮系统被构造成处于第一非旋转操作模式和第二旋转操作模式，在所述第一非旋转操作模式中所述扭转弹簧(510)的第二端相对于所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)保持在固定位置，在所述第二旋转操作模式中所述齿轮系统被构造成用于使所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)相对于所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)且相对于所述扭转弹簧(510)的第二端旋转。
13.根据权利要求12所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，当所述齿轮系统处于所述旋转操作模式时，所述齿轮系统被构造成用于使所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)相对于所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)沿着第一方向旋转，以将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上，并且当由于所述缆线(104、104a、104b)中的张力而在所述缆线卷筒(103a、103b)和鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)上施加力时，所述齿轮系统还被构造成用于使所述扭转弹簧(510)的第二端相对于所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)沿着与所述第一方向相反的第二方向旋转，所述扭转弹簧(510)的第二端的所述旋转在所述弹簧(510)中建立张力并且对所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)建立扭矩。
14.根据权利要求12或13所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述齿轮系统包括盘系统(511a、511b)，其中所述扭转弹簧(510)的第二端固定到所述盘系统(511a、511b)，其中，所述盘系统(511a、511b)相对于所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)和所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)旋转地设置，并且其中，所述盘系统(511a、511b)的外周缘部保持有带有旋转轴(514)的马达(513)，所述旋转轴(514)保持第一齿轮(515)，所述第一齿轮与固定地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的第二齿轮(516)啮合，由此所述旋转轴(514)的旋转使所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)和保持所述弹簧(510)的第二端的所述盘系统(511a、511b)相对于彼此沿着相反方向旋转。
15.根据权利要求14所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，当所述旋转轴(514)沿第一方向旋转时，所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)相对于所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)沿着第一方向旋转以将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上，并且当由于所述缆线(104、104a、104b)中的张力而在所述缆线卷筒(103a、103b)和鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)上施加力时，保持所述弹簧(510)的第二端的所述盘系统(511a、511b)相对于所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)沿着与所述第一方向相反的第二方向旋转，所述扭转弹簧(510)的第二端的所述旋转在所述弹簧(510)中建立张力并且对所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)建立扭矩。
16.根据权利要求15所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，当所述齿轮系统处于所述扭转弹簧(510)的第二端相对于所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)保持在固定位置的非旋转操作模式时，所述扭转弹簧(510)的第二端跟随所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转，由此所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的沿着从所述缆线卷筒(103a、103b)解卷所述缆线(104、104a、104b)的方向的旋转在所述弹簧(510)中建立张力并且对所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)建立扭矩。
17.根据权利要求16所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述鼓包括传感器系统(517)，所述传感器系统被构造成用于感测所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)上的扭矩。
18.根据权利要求17所述的能量转换系统(100a、100b)，还包括控制系统(521)，所述控制系统(521)被构造成用于基于所感测到的扭矩来控制所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转以及所述缆线卷筒(103a、103b)的卷绕。
19.根据权利要求18所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述控制系统(521)被构造成用于基于所感测到的扭矩来确定缆线张力，并且用于控制所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转以及所述缆线卷筒的卷绕，直到对所述缆线(104、104a、104b)确定预定的张力或预张力。
20.根据权利要求19所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述控制系统(521)被构造成用于控制所述齿轮系统的操作模式。
21.根据权利要求19所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述控制系统(521)被构造成用于通过控制所述旋转轴(514)的旋转来控制所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转。
22.根据权利要求14所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述扭转弹簧(510)是钟表弹簧，并且其中，所述盘系统(511a、511b)包括两个相对设置的盘(511a、511b)，其中所述钟表弹簧(510)设置在所述两个盘(511a、511b)之间。
23.根据权利要求14所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述第二齿轮(516)大于所述第一齿轮(515)。
24.根据权利要求17所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述传感器系统(517)包括在所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)内附接到所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)的多个应变仪。
25.根据权利要求1所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述发电鼓包括发电机(522)，所述发电机设置在所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)内以用于响应于所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转运动而旋转或转动。
26.根据权利要求25所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述发电机(522)设置成用于仅在一个方向上旋转或转动。
27.根据权利要求26所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述发电鼓还包括齿轮驱动器，所述齿轮驱动器将所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)与所述发电机(522)互连。
28.根据权利要求27所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述齿轮驱动器包括加速齿轮(524)。
29.根据权利要求28所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述齿轮驱动器包括单向齿轮(525)。
30.根据权利要求29所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述齿轮驱动器包括单向离合器(526)。
31.根据权利要求30所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述发电机(522)、所述加速齿轮(524)、所述单向齿轮(525)和所述单向离合器(526)都是居中的以用于绕由所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)限定的轴旋转运动。
32.根据权利要求27所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述发电鼓还包括扭转地连接到所述发电机(522)的飞轮。
33.根据权利要求2所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述鼓包括角度检测系统(518)，所述角度检测系统被构造成用于在所述鼓壳体绕所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)从第一位置转动或旋转到第二位置时确定所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转角度。
34.根据权利要求33所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述第一位置是当所述缆线响应于因波浪的向上运动使所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)背离所述浸没结构移动而从所述缆线卷筒解卷、因而所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)停止旋转时到达的；并且其中，所述第二位置是当所述缆线(104、104a、104b)响应于因所述波浪的随后的向下运动使所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)移动成更靠近所述浸没结构而卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上因而所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)停止沿相反方向旋转时到达的。
35.根据权利要求19所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述控制系统(521)还被构造成：当一个或多个所确定的旋转角度等于或超出预定的旋转角度时，对所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的用于将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上以使所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)浸没到海中的旋转进行控制。
36.根据权利要求20、21和35中任一项所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述控制系统(521)还被构造成：在数个波浪的运动期间确定所述缆线(104、104a、104b)的张力，将所获得的张力值与预定的预张力进行比较，以及基于所述比较来对所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的用于将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上和/或从所述缆线卷筒(103a、103b)上解卷所述缆线(104、104a、104b)以改变所述缆线(104、104a、104b)中的预张力的旋转进行控制。
37.根据权利要求1所述的能量转换系统(100a、100b)，其中，所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)是浮标。
38.一种波浪能量转换系统(100a、100b)，包括：
浮子(101、101a、101b、501a、501b)，所述浮子保持有发电鼓，所述发电鼓具有通过轴附接件(105a、105b、505a、505b)旋转地附接到所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)的鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)，其中，所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)允许所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)和所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)相对于彼此至少部分地旋转运动；
所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)包括：
带有缆线(104、104a、104b)的缆线卷筒(103a、103b)，所述缆线具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到所述缆线卷筒(103a、103b)，并且所述缆线卷筒(103a、103b)是与所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)成一体的部分或被连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)，以与所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)一起旋转；
扭转弹簧(510)，所述扭转弹簧在第一操作模式下操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)，以通过所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的沿着用于从所述缆线卷筒(103a、103b)解卷所述缆线(104、104a、104b)的方向的旋转而在所述弹簧(510)中建立张力、以及通过释放所述弹簧(510)的张力而使所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)沿着用于将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上的相反方向旋转；以及
发电机(522)，所述发电机设置成响应于所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的旋转运动而旋转或转动，从而产生电力；其特征在于：
所述扭转弹簧(510)操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)以在所述第一操作模式与第二操作模式之间切换，其中，对于所述第二操作模式，所述弹簧(510)操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)以通过所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的沿着用于将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上的方向的旋转而在所述弹簧(510)中建立张力。
39.一种通过使用根据权利要求38所述的能量转换系统(100a、100b)来从海面波浪产生电力的方法，所述方法包括：
通过将所述缆线(104、104a、104b)的第二端部附接到浸没结构或附接到海床(107)来将所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)定位在海中；
在所述第二操作模式中，将所述扭转弹簧(510)设置成操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)；
将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上，以在所述缆线(104、104a、104b)和所述扭转弹簧(510)中建立预张力；
在所述第一操作模式中，将所述扭转弹簧(510)设置成操作性地连接到所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)；
允许所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)响应于因波浪使所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)背离所述浸没结构移动而沿着从所述缆线卷筒(103a、103b)解卷所述缆线(104、104a、104b)的方向旋转，所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的解卷旋转使所述弹簧(510)的张力增大并且启动所述发电机(522)的旋转；
允许所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)响应于所述缆线(104、104a、104b)由于在所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)因海浪而移动成更靠近所述浸没结构时释放所述弹簧(510)的张力因而被卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上而沿相反方向旋转，所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)的卷绕旋转启动所述发电机(522)的旋转；以及
从所述发电机(522)提取电力。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，经提取的电力被存储在电池(802)中。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，执行将所述缆线(104、104a、104b)卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上以在所述缆线(104、104a、104b)和所述扭转弹簧(510)中建立预张力的步骤直到达到预定的缆线张力，所述预定的缆线张力与所述缆线(104、104a、104b)的当所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)大致半浸没到海中时的张力对应。
42.根据权利要求41所述的方法，该方法还包括：在数个波浪的运动期间监测所述缆线(104、104a、104b)的所述张力；将所获得的张力值与所述预定的预张力进行比较；以及，当所监测到的张力的平均值与所述预定的预张力之间的差超出预定值时，在所述缆线卷筒(103a、103b)上执行所述缆线(104、104a、104b)的卷绕和/或解卷以改变所述缆线(104、104a、104b)中的预张力。
43.根据权利要求39所述的方法，还包括：当所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)绕所述轴附接件(105a、105b、505a、505b)从第一位置转动或旋转到第二位置时确定所述鼓壳体的旋转角度，
其中，所述第一位置是当所述缆线(104、104a、104b)响应于因波浪的向上运动使所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)背离所述浸没结构移动而从所述缆线卷筒(103a、103b)解卷、因而所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)停止旋转时到达的；并且其中，所述第二位置是当所述缆线(104、104a、104b)响应于因所述波浪的随后的向下运动使所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)移动成更靠近所述浸没结构而卷绕在所述缆线卷筒(103a、103b)上、因而所述鼓壳体(102、102a、102b、502a、502b、502c)停止沿相反方向旋转时到达的。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，当一个或多个所确定的旋转角度等于或超出预定的旋转角度时，执行所述缆线(104、104a、104b)在所述缆线卷筒(103a、103b)上的进一步卷绕以使所述浮子(101、101a、101b、501a、501b)浸没到海中。
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