CN109891087A - 波浪能转换器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种波浪能转换器，其包括：本体，其配置成在水中漂浮并响应于波浪动作而横摇和/或纵摇；由本体支撑的摆动件，其配置成响应于本体的横摇和/或纵摇而摆动；能量转换装置，其与摆动件相关联，并且被配置成将摆动件相对于本体的摆动转换成电能；摆动件调节装置，其配置成用以调节摆动件的摆动周期，其中摆动件调节装置包括一个或多个飞轮，所述一个或多个飞轮中的每一个均选择性地能够可操作地连接到摆动件；本体调谐装置，其配置成用以可调节地对本体的横摇特性进行调谐；以及控制器，其配置成用以控制本体调谐装置，以使得本体的横摇周期与波浪能峰值周期接近或匹配。
Description
技术领域
本发明涉及将水体中的波浪所提供的能量转换成电能的设备。
背景技术
波浪能是一种可再生能量形式，其是不可再生能源(诸如石油和煤炭)的理想替代品。利用波浪能的设备可以被称为波浪能转换器(WEC)。用于波浪能转换的当前技术尚处于其初期阶段，且因此已经提出了具有各不相同的设计的多种WEC。
一种WEC被设计为将水体(诸如海洋)中的波浪的机械能转换为电能。利用波浪运动来产生能量具有明显的益处，例如海浪波取之不尽、能源产生中的排放(如果有的话)较低、以及环境影响小。
在美国专利公开US 2015/0054285中公开了利用波浪能的一种尝试。该专利公开描述了具有摆动件(pendulum，摆锤)的WEC的多种实施例，该摆动件能在经受波浪作用的本体内摆动。该摆动件包括摆动件调节器，该摆动件调节器被配置成用以调节摆动件的重心，以使得摆动件以波浪的频率或接近该波浪的频率振荡。在至少一个实施例中，摆动件经由旋转轴连接到驱动一对发电机的轮。这种设计的缺点是，需要单独的机械系统(即，与摆动件分开)来将波浪的能量转换成电能。美国专利US 8,102,065和US 8,836,152公开了类似的WEC。
本发明的一个目的是提供一种WEC，其可以克服现有WEC的某些缺陷或缺点，或者至少是有用的替代方案。
在本说明书中对任何现有技术的引用并非是承认或暗示以下内容：该现有技术构成任何司法解释中的部分公知常识；或者该现有技术能合理地预期为被理解、被认为相关以及/或者通过本领域技术人员与其他现有技术相结合。
发明内容
在一个方案中，本发明提供了一种波浪能转换器，包括：
本体，所述本体被配置成漂浮在水中并且响应于波浪动作而横摇(roll，滚动)和/或纵摇(pitch，倾摆)；
摆动件，所述摆动件由本体支撑，并且被配置成响应于所述本体的横摇和/或纵摇而进行摆动；
能量转换装置，所述能量转换装置与摆动件相关联，并且被配置成将所述摆动件相对于所述本体的摆动转换成电能；
摆动件调节装置，所述摆动件调节装置被配置成用以调节摆动件的摆动周期，其中所述摆动件调节装置包括一个或多个飞轮，所述一个或多个飞轮中的每一个均能够选择性地以可操作方式连接到所述摆动件；
本体调谐装置，所述本体调谐装置被配置成以可调节方式来调谐(tune，协调)本体的横摇特性；以及
控制器，所述控制器被配置成用以控制所述本体调谐装置，以使得所述本体的横摇周期与波浪能峰值周期接近或匹配。
摆动件优选地由本体支撑在一可旋转轴上，该可旋转轴被配置成由于摆动件的摆动而旋转。所述一个或多个飞轮中的每一个均能够选择性地以可操作方式连接到上述可旋转轴，以调节可旋转轴的惯性矩，从而以可调节方式调谐上述摆动件的摆动周期(或摆动件的固有频率)。
能量转换装置或能量转换器优选地包括与摆动件相关联的一个或多个永磁体和与本体相关联的、呈一个或多个线圈形式的定子。所述一个或多个永磁体优选地布置在摆动件的远端处或靠近所述远端(所述远端即为与一枢轴相对的端部，摆动件以能绕该枢轴摆动的方式被支撑在可旋转轴上)。所述一个或多个线圈优选地围绕摆动件的摆动路径布置在本体上，使得由于所述一个或多个线圈与所述一个或多个永磁体的运动磁场的相互作用而在所述一个或多个线圈中感应出电动势(EMF)。
在一个实施例中，上述枢轴优选地是万向接头，使得摆动件能相对于可旋转轴在任何方向上摆动。在该实施例中，所述一个或多个线圈优选地布置在呈倒置的半球形的本体上，使得所述一个或多个线圈处于距所述枢轴相同的径向距离处。在替代实施例中，摆动件可被约束成在单个平面中摆动。在该实施例中，所述一个或多个线圈可以布置在本体上的弧形轨道中，使得所述一个或多个线圈处于距所述枢轴相同的径向距离处，或者所述一个或多个线圈可以布置在多个弧形轨道中，这些弧形轨道布置于摆动件的所述一个或多个永磁体的摆动路径的上方和下方。在这些实施例的任何一个中，所述一个或多个线圈可以对齐而使得线圈绕组的平面大致垂直于摆动件的摆动路径。多组的一个或多个磁体可以布置在摆动件上并相对于相邻组的一个或多个磁体水平偏移。类似地，多组的一个或多个线圈可以布置在本体上并相对于相邻组的一个或多个线圈水平偏移。在另一替代实施例中，所述一个或多个线圈可以与所述摆动件相关联，并且所述一个或多个永磁体可以与本体相关联。
通过控制摆动件的摆动幅度，可以改变波浪能转换器中能量从机械能转换成电能的速率。因此，能量转换装置优选地还包括可变阻尼装置或可变阻尼器，用于衰减(damp，抑制)摆动件的摆动。可变阻尼装置被配置成用以改变包括所述一个或多个线圈的电路的电感和/或电阻，从而抑制(dampen)摆动件的摆动。可变阻尼装置可包括开关，用以改变连接到所述电路的所述一个或多个线圈的数量。控制器优选地控制可变阻尼装置和开关以改变在所述一个或多个线圈中感应出的电流，由此以可调节方式抑制摆动件的摆动。
能量转换装置还可包括用于对电能进行整流的调节装置或调节器(conditioner)。能量转换装置还可以包括用于变换电能的变换装置或变压器(transformer，变换器)。电能可以从能量转换装置经由一个或多个电力电缆而被传递到位于岸上的配电站(power station，变电站)。所述一个或多个电力电缆可以经由可铰接的连接件而连接到本体，该可铰的接连接件被配置成用以减轻(decouple，解耦)本体(由于波浪动作而)与一个或多个电力电缆之间的相对运动。可铰接的连接件可包括美国专利US 6,848,862或美国专利公开US 2012/0247809中公开的连接件/接口，这些公开文件中的每一个的全部内容均以援引方式而纳入本文。
本体优选地包括船体，该船体被配置成漂浮在水中。在一个实施例中，船体可关于竖直轴线而轴对称，使得其响应于波浪动作而进行的横摇和/或纵摇对于到来的波浪动作的方向不敏感。另外，与另一个轴线或方向(例如，梁)相比，船体在一个主轴线或方向(例如，纵向)上可以更长。在另一个实施例中，船体可关于轴线非对称。
当处于水中时，该船体可以通过扩展系泊系统或单点系泊系统而被系泊。扩展系泊系统优选地包括可释放地连接在船体的相对的纵向两端处的至少两个系泊缆。更优选地，至少两个系泊缆可释放地连接在船体的每个纵向端部处。所述系泊缆可通过布置在船体的每个纵向端部处的系泊臂连接到船体。每个系泊臂优选可释放地接收至少两个系泊缆，所述至少两个系泊缆中的每一个均优选地以可旋转方式连接到系泊臂。每个系泊臂均优选地布置在船体上，并且每个系泊臂均位于水线(water line，水位)处或靠近水线、且位于船体的纵向中心线处或靠近该纵向中心线。
如果上述扩展系泊系统与具有非对称形状的船体一起使用，则非对称船体优选地以可调节方式对准，使得当波浪动作的方向改变时，该非对称船体相对于近来的波浪动作而面向梁。
本体调谐装置或本体调谐器优选地包括处于船体中的两个或更多个分立的腔室，所述腔室被配置成接纳压舱物(优选为呈水状的液体压舱物)。本体调谐装置被配置成用以使液体压舱物在两个或更多个腔室之间移动，以调节本体的重心和/或本体的定倾中心高度(metacentric height，稳心高度)，从而以可调节方式来调谐本体的横摇特性。所述两个或更多个腔室可各自包括一个或多个分隔部，以减少液体压舱物的晃荡。如上所述，控制器被配置成用以控制本体调谐装置，以使得本体的横摇周期与波浪能峰值周期接近或匹配。有利地，波浪能峰值周期对应于具有最高能量的波浪周期。
摆动件调节装置或摆动件调节器也可被配置成调节摆动件的重心，从而调节摆动件的摆动周期。摆动件调节装置优选地包括悬吊件(bob)形式的质量块，该质量块能沿着摆动件的轴而选择性地移动，以调节摆动件的重心并从而调节其摆动周期。控制器优选地控制摆动件调节装置，以使得摆动件的摆动周期与本体的横摇周期成一比率。在优选实施例中，该比率介于0.8至1.2的范围内。有利地，该摆动件用作调谐质量块阻尼器/动态振动吸收器，以使本体的运动最小化。
波浪能转换器还优选地包括波浪测量装置，该波浪测量装置可通信地联接至控制器，并且被配置成用以测量波浪能峰值周期。控制器优选地从波浪测量装置接收波浪能峰值周期信息，随后：(1)控制本体调谐装置以可调节方式来调谐本体的横摇周期，使本体的横摇周期与所接收的波浪能峰值周期接近或匹配；(2)计算摆动件的最佳摆动周期和可变阻尼装置的最佳阻尼值，所述最佳摆动周期和最佳阻尼值对应于波浪能转换器的理论最大功率输出；(3)控制摆动件调节装置来以可调节方式对摆动件的摆动周期进行调谐，以使其与所计算出的最佳摆动周期匹配；以及(4)控制可变阻尼装置来以可调节方式对摆动件的阻尼进行调谐，以与计算出的最佳阻尼值匹配。
因此有利的是，根据本发明，本体的横摇周期、摆动件的摆动周期和摆动件的摆动幅度都是可协调的，以便将尽可能多的来自波浪动作的能量转换成电能。更有利地，不需要一个单独的(即，与摆动件分开的)机械系统来将波浪的能量转换成电能。
能量转换装置还可包括动力输出(takeoff)装置(PTO)。PTO装置可以与可摆动摆动件的可旋转轴相关联或连接到所述可旋转轴。当可旋转轴旋转时，PTO装置可以被配置成驱动(可选地经由齿轮箱驱动)电动机、发电机(generator)或交流发电机(3相，AC或DC)以通过摆动件的摆动而产生额外的电能。有利地，还可利用发电机(或者电动机或交流发电机)来调节摆动件的摆动周期(以作为摆动件调节装置的一个或多个飞轮或者能选择性地移动的质量块的替代)。在产生额外电能的过程中，发电机提供抗扭力。如果发电机包括用于调节抗扭力的装置，则通过对该抗扭力的主动控制可影响整个系统动态。诸如可变磁通发电机和机械致动的可变磁通发电机的装置可以实现这一点。一种这样的方式为通过使磁体滑入和滑出与发电机电动线圈的接近。通过使得波浪能转换器上的一个摆动件摆动循环中的扭矩(或抗扭力)交替或变化，可以改变系统的动态刚度。因此，通过调节与可摆动摆动件的可旋转轴连接的发电机的抗扭力，能够调节摆动件的摆动周期(或摆动件的固有频率)，并且因此系统被调谐(协调)以与不同的期望固有频率匹配。
摆动件调节装置的所述一个或多个飞轮可以在齿轮箱的低速侧上选择性地连接到可旋转轴。替代地，可将所述一个或多个飞轮选择性地连接在齿轮箱与发电机/交流发电机之间(即，在齿轮箱的高速侧上)。在包括一个以上飞轮的实施例中，每个飞轮可以独立于任何其他飞轮而选择性地连接到可旋转轴或齿轮箱的高速侧，以调节系统动态惯性并因此微调摆动件的摆动周期。
上述波浪测量装置还可测量其他波浪信息(诸如波浪高度信息和波浪方向信息)，并且可将所述其他波浪信息传送到控制器。波浪能转换器还可包括一个或多个其他传感器装置，所述其他传感器装置被配置成用以测量其他环境特征(例如风信息)，并且可将所述其他环境信息传送到控制器。然后，控制器可以利用其他波浪信息和/或其他环境信息来控制能量转换装置、本体调谐装置和摆动件调节装置中的一个或多个，以优化波浪能转换器的性能。
当用在本文中时，若非上下文另有要求，则术语“包括(comprise)”以及该术语的变体(例如“comprising”、“comprises”和“comprised”)并不旨在排除其他添加、部件、整体或步骤。
从以下通过示例并参考附图给出的描述中，本发明的其他方案以及前面段落中描述的方案的其他实施例将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的波浪能转换器的前视(局部)剖视图；
图2A是图1的波浪能转换器的船体的侧视立体图；
图2B是图2A的船体的前视图；
图3是图1和图2的波浪能转换器的工作效率图；
图4是图1和图2的波浪能转换器的功率输出图；
图5类似于图2B，但进一步示出了与图1的波浪能转换器关联的可铰接的电力电缆；
图6是用于系泊图1的波浪能转换器的系泊系统的俯视图；以及
图7是图1的波浪能转换器的各种部件的侧视图。
具体实施方式
参考图1，其示出了根据本发明实施例的波浪能转换器(WEC)10。WEC10包括：船体12(以部分切除的方式示出)形式的本体，所述船体被配置成漂浮在水中并响应于波浪动作而进行横摇和/或纵摇：摆动件14，所述摆动件由船体12支撑并且被配置成响应于船体12的横摇和/或纵摇而进行摆动。WEC10包括能量转换装置或能量转换器16，其与摆动件14相关联，并且被配置成将摆动件14相对于船体12的摆动转换成电能以供使用。WEC 10还包括摆动件调节装置或摆动件调节器90(图7)，其被配置成用以调节摆动件的摆动周期。摆动件调节装置90包括一个或多个飞轮92，每个飞轮均能够选择性地以可操作方式连接到摆动件14。WEC 10还包括本体调谐装置或本体调谐器50，其被配置成以可调节方式对在水中时的船体12(或WEC 10)的横摇特性进行调谐。WEC 10还包括控制器(未示出)，其被配置成控制或调谐WEC 10的多种不同特征，如稍后所述。有利的是，根据本发明，控制器能够以可调节方式调谐在水中时船体12的横摇特性，使得船体12的横摇周期与波浪能峰值周期接近或匹配，如稍后所述。
摆动件14由船体12支撑在可旋转轴29上，所述可旋转轴安装在刚性的向上延伸的支撑结构18上。可旋转轴29被配置成由于摆动件14的摆动而旋转。支撑结构18在壳体20内位于船体12的上甲板表面22上。在该支撑结构18的下端24处，支撑结构18安装在上甲板表面22上或者与上甲板表面一体地形成。在相对的上端26处，摆动件14通过可旋转轴29而可枢转地安装至支撑结构18。摆动件14绕枢轴28枢转，该枢轴沿着可旋转轴29的长度居中定位。在所示的实施例中，枢轴28包括万向接头，使得摆动件14在任何方向均可绕该枢轴摆动。在另一个未示出的实施例中，枢轴28可被配置成使得摆动件14被限制为仅在单个平面内摆动。有利的是，摆动件14用作质量块阻尼器/动态振动吸收器，以使船体12的运动最小化。
能量转换装置16包括：布置在摆动件14的远端17(即，与枢轴28相对的端部)处的永磁体30；以及一个或多个定子线圈(未示出)，布置在倒置的半球形盘状表面34的下方，所述盘状表面位于船体12的上甲板表面22上，并围绕摆动件14的摆动路径(或在其下方)。所述一个或多个定子线圈布置在倒置的半球形盘34的下方，使得每个线圈位于距摆动件14的枢轴28相同的径向距离处。此外，每个线圈被定向成使得与每个线圈的线圈绕组相对应的平面大致垂直于摆动件14的摆动路径。有利的是，所述一个或多个定子线圈围绕摆动件14的摆动路径而定位成，使得由于所述一个或多个定子线圈与永磁体30的运动磁场的相互作用而在所述一个或多个定子线圈中感应出电动势(EMF)。
通过控制摆动件14的摆动幅度，可以改变WEC 10中能量从机械能转换成电能的速率，如美国专利公开US 2015/0054285中详细描述的，该美国专利公开的全部内容以援引方式纳入本文。因此，能量转换装置16还包括可变阻尼装置或可变阻尼器(未示出)，用于阻尼(抑制)摆动件14的摆动。可变阻尼装置被配置成改变包括所述一个或多个定子线圈的电路(未示出)的电感和/或电阻，从而抑制摆动件的摆动。可变阻尼装置可包括开关(未示出)，用以改变连接到电路的一个或多个定子线圈的数量。
如上所述，WEC 10还包括控制器。所述控制器控制可变阻尼装置和开关，以改变在所述一个或多个定子线圈中感应出的电流，由此进而以可调节方式抑制摆动件14的摆动。
能量转换装置16还包括用于对由WEC 10产生的电能进行整流的调节装置或调节器(未示出)。能量转换装置16还包括用于电能变换的变换装置或变换器(未示出)，用以对由WEC 10产生的电能进行变换。所产生的电能可从能量转换装置16经由电力电缆110(图5)传递到位于岸上的变电站(未示出)。动力电缆110经由可铰接连接件112连接到船体12，该可铰接连接件被配置成减弱船体12(由于波浪动作)与电力电缆110之间的相对运动。有利地，可铰接连接件112限制了船体12的横摇/纵摇对电力电缆110的机械强度和可靠性上的影响。可铰接连接件包括在第一端处连接到船体12的连接器臂114、以及在相对的第二端处连接到连接器臂114的万向节116。万向节116被配置成提供可旋转的连接件，使得船体12的运动被消减或者不传递到电力电缆110。连接器臂114和万向节116包括用于供电力电缆110穿行的内部管道118。弯曲限制器120位于万向节116的远端(即远离连接器臂114)处，以抑制或限制电缆110的弯曲。
现在参考图2A和图2B，船体12具有大致倒置的“泪滴”形状(当在侧横截面中观察时)。为清楚起见，图2A和图2B中示出的船体12没有壳体20。船体12关于一竖直平面对称，所述竖直平面在甲板表面22与倒圆龙骨40之间延伸，并且在船体的整个较长长度上伸展(run)。船体的质量约为900吨，并且可包括钢材。有利地，所示的船体12被配置成使得其响应于波浪动作而产生的横摇和/或纵摇运动对于进入(输入)波浪动作的方向不敏感，然而这仅在船体关于穿过中心的竖直轴线通常为轴对称时才是实用的。船体12具有大约10米的梁宽度、在甲板表面22与龙骨40之间延伸的大约15米的高度、以及从船首42延伸到船尾44的大约25米的长度。龙骨40具有约1.64米的宽度。“泪滴形”船体12包括第一下部部分46，该第一下部部分具有平行的船体侧和约6米的长度。这些尺寸仅是示例性的。其他合适的尺寸或其他合适的船体形状(诸如半六边形设计)可与本公开的波浪能转换器一起使用。泪滴形状也可以是通海式的(free flooding，开式的)，以使浮力最小化并改善船体的稳定性，同时通过吸引更大的波浪力而使水利效益最大化。
参考图6，船体12在水中时可以通过扩展系泊系统系泊。扩展系泊系统80包括两个系泊缆82，所述系泊缆通过系泊臂84而可释放地连接在船体12的每个纵向端13处。当俯视观察时，每个系泊臂84大致呈Y形。系泊臂84在第一端86处连接到船体12。每个系泊缆82均在相对的第二端88处可旋转地连接到系泊臂84。每个系泊臂84在水线处或附近且在船体12的纵向中心线处或附近位置连接到船体12。
本体调谐装置50包括以一个在另一个之上的方式定位在船体12中的三个分立的腔室52、54、56，每个腔室均被配置成接收压舱物。最下面的压舱物腔室52包括固体压舱物材料，中间压舱物腔室54和上部压舱物腔室56分别包括液压压舱物。固体压舱物材料最好是混凝土，且具有约为265吨的质量。液体压舱物优选为水，并且也具有约为265吨的质量。
本体调谐装置50被配置成使液体压舱物在中间压舱物腔室54与上部压舱物腔室56之间移动，以调节WEC 10的重心和/或WEC 10的定倾中心高度，从而以可调节方式调谐船体12(或WEC 10)的横摇特性。中间压舱物腔室54和上部压舱物腔室56还包括一个或多个分隔部或挡板(未示出)，以减少液体压舱物的晃荡。有利地，根据本发明，控制器被配置成控制本体调谐装置50，以使得船体12的横摇周期与波浪能峰值周期近似或匹配，通常在8秒至12秒的范围内。有利地，波浪能峰值周期对应于具有最高能量的波浪周期。
摆动件调节装置60(图1)也可被配置成调节摆动件14的重心，从而调节摆动件14的摆动周期(以作为利用飞轮92的替代方案或补充)。摆动件调节装置60包括悬吊件62形式的质量块(mass，质量)，其可沿摆动件14的轴15选择性地移动，以调节摆动件14的重心，从而调节其摆动周期。控制器控制悬吊件62并使悬吊件62沿轴15移动，以使得摆动件14的摆动周期与船体12的横摇周期成一比率。在优选实施例中，该比率在0.8到1.2的范围内。对于图示的WEC 10，悬吊件62的质量为30吨。如本领域技术人员所知，当悬吊件62朝向摆动件14的远端17移动(即，进一步远离枢轴28)时，摆动件14的摆动周期增大(对于船体12和悬吊件质量62的给定横摇周期而言)。当悬吊件62沿着轴15朝向枢轴28移动时，摆动件14的摆动周期减小(对于船体12和悬吊件质量62的给定横摇周期而言)。
参照图7，能量转换装置16还包括与可摆动摆动件14的可旋转轴29相关或相连接的动力输出装置(PTO)。当可旋转轴29(由于摆动件14的摆动)而旋转时，PTO装置经由齿轮箱102驱动发电机100以产生附加电能(即，除了由磁体30与定子线圈之间的相互作用产生的能量之外的额外电能)。该附加电能可以经由一个或多个电力电缆被传输到变电站。有利的是，发电机100包括用于调节发电机的抗扭力的装置(未示出)。如前所述，通过对抗扭力的主动控制，可以调谐摆动件的摆动周期(或摆动件的固有频率)(以作为利用飞轮92或选择性的可移动的悬吊件质量62的替代或补充)。
如前所述，摆动件调节装置90包括一个或多个飞轮92，每个飞轮均可选择性地以操作方式连接到摆动件14的可旋转轴29。在图7所示的实施例中，三个飞轮94可操作地连接到可旋转轴29，以调节可旋转轴29的惯性矩，从而以可调节方式调谐摆动件14的摆动周期。每个飞轮94可选择性地连接到可旋转轴，彼此独立地微调摆动件14的摆动周期。
如上所述，本发明的WEC 10包括用于调节或微调摆动件的摆动周期(或摆动件的固有频率)的三种可选择的装置。具体而言，它们是可选择性地可操作地连接的飞轮92、可选择性地移动的悬吊件62、以及调节发电机100的抗扭力的装置。在一个实施例中，WEC 10可被配置成使得在给定时间仅使用仅上述装置中的一种来调节摆动件的摆动周期。然而，在一个替代实施例中，可以在给定时间使用上述装置中多于一种的组合来调节摆动件的摆动周期。
WEC 10还包括位于壳体20的上端处的波浪测量装置70(图1)。在未示出的替代布置中，波浪测量装置可定位于单独的系泊浮标中并且可以通过本领域技术人员已知的任何合适的方式(例如，通过射频传输)通信地联接至控制器。图1的波浪测量装置70通信地联接至控制器并且被配置成用于测量进入波浪动作的谱波浪高度(spectral wave height)和进入波浪动作的波浪能峰值周期。控制器从波浪测量装置70接收谱波浪高度和波浪能峰值周期信息，随后：
1.控制本体调谐装置50来以可调节方式调谐船体12(或WEC 10)的横摇周期以使其与接收的波浪能峰值周期(如上所述)接近或匹配；
2.计算摆动件14的最佳摆动周期和可变阻尼装置的最佳阻尼值，所述最佳摆动周期和最佳阻尼值对应于WEC 10的理论最大功率输出(如后所述)；
3.控制摆动件调节装置60来以可调节方式调谐摆动件14的摆动周期以与所计算出的最佳摆动周期匹配；以及
4.控制可变阻尼装置来以可调节方式调谐摆动件的阻尼以与所计算出的最佳阻尼值匹配。
因此有利的是，根据本发明，船体12(或WEC 10)的横摇周期、摆动件14的摆动周期和摆动件14的摆动幅度都是可调谐(tuneable，可协调)的，以便将尽可能多的能量从波浪动作转换为电能。
现已发现，可变阻尼装置的最有效/最佳阻尼值对应于最小可能阻尼，同时不超过摆动件14的摆动极限的实际幅度。此外，参考图3，WEC 10的峰值工作效率出现在1.3(大于1.0)的无量纲频率比处。该工作效率是所预测的由摆动件14提取的功率(power，电力)除以入射波浪能功率的比率。将图3中的“无量纲频率(Non-Dimensional Frequency)”轴线正规化，使得8秒的波浪周期被设定为值1.0。
现在参考图4，其示出了由WEC 10产生的与图3中所示的工作效率对应的典型功率值。图4中的峰值瞬时功率是每个波浪周期的时间平均功率。峰值功率显示为大约640kW，对应于沿25m波阵面、线性阻尼比值为ζ(zeta)＝0.24的1m波浪高度条件。
根据WEC 10所要工作到的波浪环境的某些特性来优选地设计/选择本发明的WEC10的各种特征。以下是可用于使WEC 10的能量输出最大化或最优化的逐步进行的过程：
1.确定场地特定波浪环境条件，诸如谱波浪高度和波浪能峰值周期；
2.基于将摆动件14的摆动幅度限制为船体12的可接受值来选择悬吊件质量62(与较重的悬吊件质量62相比，相对较轻的悬吊件质量62导致更大的摆动幅度，但更轻的悬吊件质量62导致更大的能量/功率输出)；
3.计算惯性比μ，其对应于摆动件14的惯性与船体12横摇惯性的比率；
4.计算摆动件14的频率比，等于1/(1+μ)；
5.对于每一海况，基于波浪激发频率比和谱波浪输入能量(其为频谱海洋及船体12波浪响应特性的函数)计算摆动件14的重心(长度)范围；
6.基于使WEC 10的能量/功率输出最大化而并非必须基于使船体12的运动最小化，来计算摆动件14的阻尼值(理想的阻尼值将取决于谱波浪输入能量)；
7.检查用于船体12的摆动件14的最大摆动幅度的值，如果其超过最大幅度则减小悬吊件质量62；
8.返回步骤2并基于频谱响应进行迭代，以对惯性比、摆动件频率比和摆动件阻尼值进行调谐(由于船体12和摆动件14系统具有频谱输入，因此这种迭代是必需的)；以及
9.确定最佳的悬吊件质量、摆动件周期和摆动件阻尼值，以使能量/功率输出最大化。
上面列出的步骤仅是用于使WEC 10的能量输出最大化或最优化的一种方法。本领域技术人员可以获知其他的方法。
本发明提供了经济上可行、可靠和有效的WEC。有利地，与上述现有WEC不同的是，不需要使用单独的机械系统(即，与摆动件相分离)来将进入波浪动作的能量转换成电能。
应当理解的是，在本说明书中公开和限定的本发明扩展到所提到的或者从文本或附图中显而易见的两个或更多个单独特征的所有替代组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替代方案。
Claims (20)
1.一种波浪能转换器，包括：
本体，所述本体被配置成漂浮在水中并且响应于波浪动作而横摇和/或纵摇；
摆动件，所述摆动件由所述本体支撑，并且，所述摆动件被配置成响应于所述本体的横摇和/或纵摇而摆动；
能量转换装置，与所述摆动件关联，并且所述能量转换装置被配置成将所述摆动件相对于所述本体的摆动转换成电能；
摆动件调节装置，所述摆动件调节装置被配置成用以调节所述摆动件的摆动周期，其中所述摆动件调节装置包括一个或多个飞轮，所述一个或多个飞轮中的每一个均能够选择性地以能操作方式连接到所述摆动件；
本体调谐装置，所述本体调谐装置被配置成以能调节方式对所述本体的横摇特性进行调谐；以及
控制器，所述控制器被配置成用以控制所述本体调谐装置，以使得所述本体的横摇周期与所述波浪能峰值周期接近或匹配。
2.根据权利要求1所述的波浪能转换器，其中，所述摆动件由所述本体支撑在一能旋转的轴上，所述能旋转的轴被配置成由于所述摆动件的摆动而旋转，并且其中，所述一个或多个飞轮中的每一个均能够选择性地以能操作方式连接到所述能旋转的轴，以调节所述能旋转的轴的惯性矩，进而以能调节方式对所述摆动件的摆动周期进行调谐。
3.根据权利要求1或2所述的波浪能转换器，其中，所述能量转换装置包括与所述摆动件关联的一个或多个永磁体以及与所述本体关联的呈一个或多个线圈形式的定子。
4.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，其中，所述一个或多个永磁体被布置为处于或靠近所述摆动件的远端处，并且其中，所述一个或多个线圈围绕所述摆动件的摆动路径布置，使得由于所述一个或多个线圈与所述一个或多个永磁体的运动磁场的相互作用而在所述一个或多个线圈中感应生成电动势(EMF)。
5.根据权利要求4所述的波浪能转换器，其中，所述一个或多个线圈布置在倒置的半球形构造的所述本体上，使得所述一个或多个线圈位于距枢轴相同的径向距离处。
6.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，还包括系泊系统，所述系泊系统具有连接在所述本体的相对纵向端部处的至少一条系泊缆，每条系泊缆均连接在所述本体的纵向中心线处或邻近位置，并且当所述波浪能转换器处于水中时所述系泊缆位于水线处或靠近水线。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的波浪能转换器，其中，所述能量转换装置还包括可变阻尼装置，所述可变阻尼装置能由所述控制器控制，并且所述可变阻尼装置被配置成选择性地改变包括所述一个或多个线圈的电路的电感和/或电阻，从而抑制所述摆动件的摆动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，其中，所述摆动件调节装置还包括质量块，所述质量块能由所述控制器选择性地控制为沿所述摆动件的轴移动，以调节所述摆动件的重心，进而调节所述摆动件的摆动周期。
9.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，其中，所述摆动件的摆动周期与所述本体的横摇周期的比率介于0.8至1.2的范围内。
10.根据权利要求9所述的波浪能转换器，其中，所述本体调谐装置包括位于所述本体中的两个或更多个分立的腔室，所述腔室被配置成用以接纳液体压舱物。
11.根据权利要求10所述的波浪能转换器，其中，所述本体调谐装置能由所述控制器控制为使所述液体压舱物在所述两个或更多个分立的腔室之间选择性地移动，以调节所述本体的重心和/或所述本体的定倾中心高度，从而以能调节方式对所述本体的横摇特性进行调谐。
12.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，还包括波浪测量装置，所述波浪测量装置通信地耦接至所述控制器，并且所述波浪测量装置被配置成测量所述波浪能峰值周期。
13.根据权利要求12所述的波浪能转换器，其中，所述控制器被配置成从所述波浪测量装置接收波浪能峰值周期信息，并且随后：
控制所述本体调谐装置来以能调节方式对所述本体的横摇周期进行调谐，使所述本体的横摇周期与所接收到的波浪能峰值周期接近或匹配；
计算所述摆动件的最佳摆动周期和所述可变阻尼装置的最佳阻尼值，所述最佳摆动周期和所述最佳阻尼值对应于所述波浪能转换器的理论最大功率输出；
控制所述摆动件调节装置来以可调节方式对所述摆动件的摆动周期进行调谐，以使所述摆动件的摆动周期与计算出的最佳摆动周期匹配；以及
控制所述可变阻尼装置来以能调节方式对所述摆动件的阻尼进行调谐，使所述摆动件的阻尼与计算出的最佳阻尼值匹配。
14.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，其中，所述能量转换装置还包括用于对所述电能进行整流的调节装置。
15.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，其中，所述能量转换装置还包括用于对电能进行变换的变换装置。
16.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能转换器，其中，所述能量转换装置还包括一个或多个电力电缆，所述电力电缆被配置成用以将电能传输到远离所述波浪能转换器的配电站。
17.根据权利要求16所述的波浪能转换器，其中，所述一个或多个电力电缆经由能铰接的连接件连接到所述本体，所述能铰接的连接件被配置成用以消减所述本体与所述一个或多个电力电缆之间的相对运动。
18.根据权利要求2至17中任一项所述的波浪能转换器，其中，动力输出装置连接到所述能旋转的轴，并且所述动力输出装置被配置成用以驱动发电机以通过所述摆动件的摆动而产生额外的电能。
19.根据权利要求18所述的波浪能转换器，其中，通过调节所述发电机的抗扭力，能够调节所述摆动件的摆动周期。
20.根据权利要求2至19中任一项所述的波浪能转换器，其中，摆动件能相对于所述能旋转的轴在任何方向上摆动。
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