CN110291289A - 用于从流体提取能量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于从振荡工作流体提取能量的设备和方法，该振荡工作流体诸如海洋波浪。设备(10)包含用于工作流体的内流动通道(40)、涡轮机(44)和流动控制装置(38)，所述涡轮机(44)和流动控制装置(38)中的每一个与流动通道(40)直接流体连通，其中在使用中，流动控制装置(38)可选择性地第一构型与第二构型之间移动，在第一构型中，所述流动控制装置(38)打开，以允许诸如空气的工作流体通过流动控制装置离开流动通道(40)的流动，在第二构型中，流动控制装置(38)限制所述工作流体通过所述流动控制装置的流动。在这种情况下，工作流体因而必须通过所述涡轮机(44)进入流动通道(40)，所述涡轮机可被利用来产生电力。

Description

用于从流体提取能量的设备和方法
技术领域
本公开总体上涉及能量产生，并且更具体地但并非排他地涉及使用海洋波浪能量提取系统的能量产生。本公开涉及设备的设计以及用于优化从这样的设备捕获能量的方法。
背景技术
本领域中已提议许多类型的波浪发电系统。这样的系统是基于使用波浪的运动来引起涡轮机的旋转移动以驱动发电机生产电力的原理。已知的波浪发电系统使用一个或多个流体流动输送管来容纳振荡水柱(OWC)，所述流体流动输送管连接到涡轮机。在这样的系统中，由于由波浪的向内和向外流动引起的OWC中的波浪的振荡运动，存在由输送管中的空气的位移引起的频繁地反向的空气流动条件。这些涡轮机通常具有构型复杂和制造昂贵并且不能在长时段内承受恶劣的环境条件(盐水、带来大的或不可预测的力的狂浪或大浪)的缺点。由于当在双向涡轮机中将OWC的运动转换成旋转机械能量时的损耗，这些现有技术系统中的许多以低效率操作。
需要可以高效方式从OWC捕获能量并且可降低执行这样的任务的成本的改进的系统设计。
发明内容
在第一方面，公开关于用于从振荡工作流体提取能量的设备的实施例，所述设备包含用于所述工作流体的流动通道、涡轮机和流动控制装置，所述涡轮机和所述流动控制装置中的每一个与所述流动通道直接流体连通，其中在使用中，所述流动控制装置可选择性地在第一构型与第二构型之间移动，在该第一构型中，所述流动控制装置打开以允许所述工作流体通过所述流动控制装置以离开所述流动通道的流动，在该第二构型中，流动控制装置限制所述工作流体通过所述流动控制装置的流动，使得所述工作流体经由所述涡轮机进入所述流动通道。
在某些实施例中，所述流动控制装置响应于所述振荡工作流体的压力和/或流动方向的变化而改变对所述流动通道的接入的构型。
在某些实施例中，所述流动控制装置可完全关闭，以便在所述第二构型中促进所述工作流体的仅通过所述涡轮机的流动。
在某些实施例中，所述流动控制装置配备有控制机构以控制其在所述第一构型与所述第二构型之间的移动。在这种情况的一个形式中，所述流动控制装置具有可通过所述控制机构移动以对所述工作流体的流动打开和关闭的元件。在这种情况的特定形式中，元件是铰链地、可滑动地或可旋转地可移动的中的一个，并且具有覆盖所述流动控制装置的横截面开放通道的形状。
在某些实施例中，所述流动控制装置是蝶形阀或止回阀中的一个。
在某些实施例中，所述涡轮机包括转子，所述转子包含中心轮毂和绕所述轮毂的周边配置并从所述周边延伸的多个叶片，所述转子设置在连接到所述流动通道的壳体内，借此所述叶片的形状和其相对于所述轮毂的取向促进所述涡轮机转子响应于通过所述壳体的工作流体的单向轴向流动的单向旋转。在这种情况的一个形式中，发电机被构造来用于通过所述涡轮机旋转以产生电能。在一个特定实施例中，驱动轴杆在其近侧末端处联接到所述轮毂并且在其远侧末端处联接到所述发电机。
在某些实施例中，所述工作流体是空气，并且所述空气的所述流动是通过振荡水柱的振荡产生，所述振荡水柱与所述流动通道流体连通，并且所述振荡水柱位于输送管中。
在某些实施例中，所述输送管包含：(a)第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的水体的平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分具有被配置来用于接收来自所述水体的输入波浪的开口，以及(b)第二部分，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，其中所述流动通道由所述第二部分的，在所述输入波浪流过所述第一部分之后，从所述输入波浪接收的水的最大水位以上延伸的区部限定。
在这种情况的一个形式中，所述输送管的所述第一部分和所述第二部分通过所述第一部分和所述第二部分中间的流动方向控制段接合，所述流动方向控制段通过配置在所述第一部分与所述第二部分之间的接合点处并在所述第一部分与所述第二部分之间延伸的平面倾斜部分限定。
在一个特定实施例中，所述输送管的所述第一部分和所述第二部分是大体上细长导管，所述第一部分具有大于所述第二部分的横截面积的横截面积。在这种情况的一个形式中，第一部分的所述开口处的所述横截面积具有相比于所述第一部分的剩余部分较大的横截面积，当在从所述开口处的外进入口区部朝向所述第二部分的方向上移动时，所述导管在横截面积上逐渐缩小，以便使从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的所述流动加速。在一个特定实施例中，所述第一部分的所述外进入口区部在使用中被配置以在其所在的水体的所述MSL以上延伸，以便捕获从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的较大流动。
在某些实施例中，所述输送管可操作以搁置在其设置于其中的所述水体的底部上。
在第二方面，公开了波浪能量提取系统的实施例，所述系统包括：
(a)用于接收振荡水柱的至少一个输送管，所述输送管包含：(i)第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的水体的平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分具有被配置来用于接收来自所述水体的输入波浪的开口，以及(ii)第二部分，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，使得在使用中，振荡水柱由于水进入和离开所述输送管的重复移动而建立在所述输送管内，离开所述输送管的所述水流动也通过所述开口，但是在与所述输入波浪的方向相对的方向上；
(b)可旋转空气涡轮机，其与位于所述输送管的所述第二部分内的流动通道直接流体连通；以及
(c)至少一个流动控制装置，其也与所述流动通道直接流体连通，所述流动控制装置在使用中被配置以在第一构型与第二构型之间移动，在该第一构型中，所述装置打开，从而当所述振荡水柱被接收到所述输送管的所述第二部分中时允许转移空气流动离开所述流动通道，在该第二构型中，所述装置限制空气流入所述第二部分中，因此，在所述振荡水柱在所述相对方向上流出所述输送管时，空气的流动通过所述可旋转空气涡轮机抽吸回到所述流动通道中。
在某些实施例中，所述流动控制装置响应于所述振荡工作流体的压力和/或流动方向的变化而改变对所述第二部分接入的构型。
在某些实施例中，所述系统进一步包括发电机，所述发电机被构造来用于通过所述涡轮机旋转以产生电能。在这种情况的一个形式中，所述涡轮机包括转子，所述转子包含中心轮毂和绕所述轮毂的周边配置并从所述周边延伸的多个叶片，所述转子设置在连接到所述第二部分的流动通道内，借此所述叶片的形状和其相对于所述轮毂的取向响应于通过所述流动通道的进入所述第二部分中的轴向空气流动而促进所述涡轮机转子的单向旋转。在这种情况的一个特定形式中，驱动轴杆在其近侧末端处联接到所述轮毂并且在其远侧末端处联接到所述发电机。
在某些实施例中，通过所述流动控制装置(多个)中的一个或多个在所述第一构型与所述第二构型之间的选择性移动，通过改变所述流动控制装置的所述横截面积相对在所述MSL以上延伸的所述第二部分的表面积的比例，使用中的所述振荡水柱的频率可加以变化。在这种情况的一个形式中，所述流动控制装置(多个)的所述横截面积相对在所述MSL以上延伸的所述第二部分的所述表面积的比例被配置为小于百分之15。在这种情况的特定形式中，所述比例被配置为小于百分之10。
在某些实施例中，第二方面的系统包括如第一方面中所限定的设备。
在第三方面，实施例公开控制振荡水柱中的水的移动频率以大致上对应于来自与所述柱流体连通的水体的输入和输出波浪的频率的方法，所述方法包含以下步骤：
(a)配置用于接收所述振荡水柱的输送管，所述输送管包含：(i)第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的所述水体的平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分具有被配置来用于接收来自所述水体的所述输入波浪的开口，以及(ii)第二部分，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，使得所述振荡水柱在使用中由于进入和离开所述输送管的水的重复移动而建立在所述输送管内，离开所述输送管的所述水流动也通过所述开口，但是在与所述输入波浪的方向相对的所述方向上；以及
(b)改变至少一个流动控制装置的所述构型，所述至少一个流动控制装置与在所述MSL以上延伸的所述输送管的所述第二部分的内部的流动通道直接流体连通，所述装置(多个)在使用中被配置以在第一构型与第二构型之间移动，在所述第一构型中，所述装置打开，从而当所述振荡水柱正被接收到所述输送管中时允许转移空气离开所述第二部分中的所述流动通道的流动，在所述第二构型中，所述装置限制空气通过所述装置流动到所述第二部分中的所述流动通道；使得流入和流出所述输送管的所述振荡水柱的所述频率大致上对应于来自所述水体的所述输入和输出波浪的所述频率。
在某些实施例中，所述方法进一步包含以下步骤：通过控制机构，响应于所述输入和输出波浪的所述频率的变化而连续地调整所述至少一个流动控制装置(多个)的所述构型。在这种情况的一个形式中，在使用中，所述控制机构选择性地使所述流动控制装置(多个)中的一个或多个在所述第一构型与所述第二构型之间移动。
在某些实施例中，第三方面的输送管、流动控制装置和控制机构如第一方面中所限定的。
在在第四方面，公开用于接收振荡水柱的输送管的实施例，所述输送管包含：(a)第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的所述水体的所述平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分包含导管，所述导管具有配置来用于接收来自所述水体的所述输入波浪的开口，以及(b)第二部分，其包含又一导管，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，其中所述第一部分的所述开口处的进入口在使用中被配置以部分地在其所在的水体的所述MSL以上延伸，以便捕获从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的较大流动。
在某些实施例中，所述第一部分在所述开口处具有相比于所述第一部分的剩余部分的较大横截面积，当在从所述开口处的所述进入口朝向所述第二部分的方向上移动时，所述导管在横截面积上逐渐缩小，以便使从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的所述流动加速。在这种情况的一个形式中，所述第一部分的所述进入口的最上和最外使用中区部在使用中被配置以部分地在所述水体的所述MSL以上延伸。在一个特定形式中，当在从所述开口处的所述进入口朝向所述第二部分的方向上移动时，所述第一部分的最上表面向下倾斜。
在某些实施例中，第四方面的输送管另外如第一方面中所限定。
在第五方面，公开用于从振荡工作流体提取能量的设备的实施例，所述设备包括：壳体，其限定用于所述工作流体的流动通道；能量转换单元，其设置在所述壳体处，所述能量转换单元在使用中与所述流动通道中的所述工作流体流体连通；以及与所述流动通道流体连通的流动控制构件，所述流动控制构件在使用中用于在有效构型与绕过构型之间选择性地改变所述流动通道的所述构型，在有效构型中，所述工作流体作用于所述能量转换单元上，在绕过构型中，所述工作流体绕过所述能量转换单元。
在某些实施例中，在使用中，所述流动控制构件和所述能量转换单元被构造来顺序地操作，使得工作流体的流动通过所述流动控制构件退出所述流动通道，并且工作流体的流动通过所述能量转换单元进入所述流动通道。
在某些实施例中，所述壳体被配置来容纳位于邻近大海的振荡水柱，并且作用于所述能量转换单元上的所述工作流体的方向与经过波浪的降落相关联。
在某些实施例中，所述能量转换单元包括涡轮机转子。
在某些实施例中，第五方面的设备另外如第一方面中所限定。
在第六方面，公开从振荡工作流体提取能量的方法的实施例，所述方法包括以下步骤：
(i)将壳体至少部分地定位于具有波浪的水体中，所述壳体限定用于接收所述振荡工作流体的流动通道；
(ii)将能量转换单元配置成与所述振荡工作流体流体连通；以及
(iii)提供流动控制构件，用于在有效构型与绕过构型之间选择性地改变所述流动通道的所述构型，在所述有效构型中，所述工作流体当在第一预定方向上流动时作用于所述能量转换单元上，在所述绕过构型中，所述工作流体当在第二方向上流动时绕过所述能量转换单元。
在某些实施例中，第六方面的方法另外如第三方面中所限定。
在第七方面，公开用于使振荡波柱能量捕获装置位于水体中的近海地点处的方法的实施例，所述方法包括以下步骤：
(i)使所述装置位于可操作地可潜式浮动平台上，所述装置自身配备有漂浮辅助工具；
(ii)使所述平台和所述装置变得漂浮在所述水体上；
(iii)将所述平台和装置移动到所述水体中的预定地点；
(iv)使所述平台变得浸没，并因而与所述装置分离，借此使所述装置通过其漂浮辅助工具漂浮在所述水体中；以及然后
(v)移除所述漂浮辅助工具，使得所述装置可变得部分地浸没并在所述预定地点处搁置在所述水体的所述底部上，用于所述装置的预期操作使用。
在某些实施例中，能量捕获装置另外如第一或第五方面中所限定。
在这个发明内容中并且遍及说明书，缩写MSL使用于“平均表面水位”或“平均海平面”，并且限定为特定地点处的水体中的平均低潮位与平均高潮位之间的中点。MSL因此指的是特定水体的表面的平均水位，并且因而也表示垂直深度数据点，波峰或波谷的变化可从所述垂直深度数据点测量。
结合附图，本发明的方面、特征，和优点将根据以下详细描述变得显而易见，附图是本发明的一部分并且通过实例的方式说明所公开的任何发明的原理。
附图说明
附图促进对将描述的各种实施例的理解：
图1是根据本发明的第一实施例的用于从诸如来自水体的波浪的振荡流体提取能量的设备的前透视示意图；
图2是根据图1的设备的后透视示意图；
图3A是根据图1的设备当沿着正交于MSL的截面平面A-A观察时，并且在朝向设备移动的波浪的开始时刻的示意性、部分横截面、侧立面视图；
图3B是根据图1的设备当沿着正交于MSL的截面平面A-A观察时，并且在波浪移动通过设备并且气体位移并流出流体控制装置(多个)的时刻的示意性、部分横截面、侧立面视图；
图3C是根据图1的设备当沿着正交于MSL的截面平面A-A观察时，并且在波浪朝向水域向回移出设备，流体控制装置(多个)关闭，并且气体在流动中通过单向涡轮机抽吸，以使涡轮机转动并产生电能的时刻的示意性、部分横截面、侧立面视图；
图4是根据本发明的又一实施例的用于从诸如来自水体的波浪的振荡流体提取能量的设备的前透视示意图；
图5是根据图4的设备的后透视示意图，其描绘到振荡波浪柱的内部的最下入口区部，和穿浪式唇部；
图6是根据本发明的又一实施例的用于从诸如来自水体的波浪的振荡流体提取能量的设备的示意性、部分横截面、侧立面视图；所述图描绘波浪移动通过设备，并且气体位移并流出流体控制装置(多个)(插图，阀打开)的时刻；
图7是根据图6的设备的示意性、部分横截面、侧立面视图；所述图描绘波浪朝向水体向回移出设备，流体控制装置(多个)关闭，并且气体在流动中通过单向涡轮机抽吸，以使涡轮机转动并产生电能的时刻；
图8是根据本发明的又一实施例的用于从诸如来自水体的波浪的振荡流体提取能量的设备的前透视示意图；所述波浪能量收集设备被展示为定位于可潜入水中的浮动船坞上。在非浸没状态中，船坞能够通过针对设备的水中地点而在运输船后面拖拽加以移动。振荡波浪柱装置自身配备有漂浮辅助工具；
图9是根据图8的用于提取能量的设备的前透视示意图；所述设备定位于描绘为处于非浸没位置中的所述可潜式浮动船坞上，并且现在设备和船坞展示为在呈拖船形式的运输船之后沿朝向设备的预定目的地的方向在水体上被拖拽；
图10是根据图8的用于提取能量的设备的前透视示意图，所述设备现在展示为与可潜式浮动船坞分离。船坞描绘为已被降低到水中，使得设备(通过其呈浮筒面板形式的漂浮辅助工具漂浮)然后可被向前牵引并与码头分离；
图11是根据图8的用于提取能量的设备的前透视示意图，所述设备现在展示为与可潜式浮动船坞分离，并且船坞现在已在水中再次升起，并且正在浮动。拖船拖拽波浪能量收集单元向前并远离船坞。
图12是根据图8的用于提取能量的设备的前透视示意图，所述设备现在展示为通过浮筒面板元件(漂浮辅助工具)中的一些从其外侧壁的移除而部分地浸没。这是因为设备现在已被移动到其在水体中的预定最终使用地点。单元沉降到其在海岸线海底上的位置中。
图13是根据图8的用于提取能量的设备的前透视示意图，所述设备现在展示为部分地浸没在其在水中的最终位置中，从而搁置在海底上，其中所述设备将捕获波浪并且产生能量。所有的浮筒面板元件(漂浮辅助工具)已从其侧面移除。浮动船坞和浮筒面板全部展示为通过拖船移除，以用于重复使用。
图14是根据本发明的又一实施例的用于从诸如来自水体的波浪的振荡流体提取能量的设备的前顶部透视图示意图；所述设备展示为定位于周围水体中；
图15是图14的设备的前透视示意图；所述设备展示为定位于周围水体中；这展示设备顶上的涡轮机的更多细节；
图16是基于本发明的设备的展示用于正开发的大规模原型单向空气涡轮机的预测效率曲线的图表；
图17是针对本发明的设备类型的排气式振荡水柱装置发现的能量平衡的图形描绘；
图18—来自实验数据，模型标度空气腔室压力的时间序列曲线图(上曲线图)；以及在下曲线图中：邻近入射波浪探针水位(虚线)和平均表面高程(实线)；
图19—来自实验数据，从规则波浪(237个数据点)导出的用于测试波浪能量捕获装置的气动功率结果；以及
图20—来自实验数据，从规则波浪(237个数据点)导出的用于测试波浪能量捕获装置的气动效率。
具体实施方式
本发明涉及用于从振荡工作流体提取能量的设备的特征，所述振荡工作流体例如重复地进入和离开使用中的设备的海洋波浪。本发明还涉及最大化输入波浪的捕获的设备的特征。本发明还涉及操作并控制设备以最大化所产生的能量的量的方法。
相比于本领域中已知技术，所述设备具有的设计每单位流体流动能够产生更多的能量。
参考附图，图1和2中所示的设备包含输送管10，所述输送管具有两个臂部分12、14，当从侧面观察输送管10时，每个臂包含在横截面上为大体上矩形的细长导管并且彼此正交地配置并且以大体上L形构型连接。(在另外的实施例中，为便于在这个说明书中参考，相同部分被给予相同附图标号)。
输送管10的第一导管12在使用中被布置为大致上浸没在其所在的水体16的平均表面水位(MSL)以下，例如以搁置在海洋海岸线处的砂和岩石基部18上，并且定向成其伸长轴线大体上水平地定向以与砂和岩石基部18对准。
第一导管12具有矩形开放口20，所述矩形开放口被配置来用于接收从水体流入的输入波浪，口20向外定向到水体中，所述水体为波浪的来源，例如海洋或湖泊。如图1中所示，口20的横截面积在面积上大于第一导管12中其他部分的任一点处，因为当在从开放口20向内进入输送管10的内部并朝向第二导管14的方向上移动时，第一导管12在横截面积上逐渐缩小。出于当在使用中创造振荡流动时将变得显而易见的原因，这样的实心壁第一导管12的一般渐缩的效应将使从水体16进入输送管10中的输入波浪的流动加速。
在所示的实施例中，第一导管12的上壁22的一部分向下倾斜并且朝向平坦基部底板24成角度，在使用中，所述平坦基部底板搁置在砂和岩石基部18上。垂直侧壁26在第一导管的平坦基部底板24与上壁22之间延伸。在所示的实施例中，第一导管12的渐缩进入区部延伸导管12的长度的约三分之一，但是这在其他实施例中可为不同比例。例如，第一导管可包含在其整个长度上的倾斜上壁，以及平坦基部底板24，并且其中垂直侧壁26在所述倾斜上壁与所述平坦基部底板之间延伸。在另一个实施例中，第一导管可具有上壁和基部底板，当在从开放口向内进入导管的方向上移动时，所述上壁和基部底板两者在导管的长度中的一些上朝向彼此向内倾斜。在又一个实施例中，第一导管的侧壁也可成角度以向内渐缩，以形成具有变窄宽度的导管，使得所述导管具有当在从开放口向内进入导管中的方向上移动时减少的横截面积。
在附图中所示的实施例中，第一导管12的口20的最外和最上区部28在使用中被配置以在所述第一导管所在的水体16的MSL以上延伸，以形成口20的穿浪式唇部30。这个特征可帮助将来自水体16的输入波浪的较大流动捕获并引导到输送管10中，尤其是如果水体的运动为风大浪急的或波涛汹涌的。
输送管10的第二导管14在使用中被配置为大致上在所述输送管所在的水体16的MSL以上延伸，定向成其伸长轴线大体上垂直于第一导管12的那个伸长轴线。第二导管14是细长的并从第一导管12延伸，并且被配置来用于在来自输入波浪的水已流过第一导管12之后接收所述水。在输入波浪流过第一导管12并流动到输送管10的第二导管14之后，所述输入波浪然后自由向回流出第二导管14，通过第一导管12，并且返回到水体16，借此在输送管10中建立振荡水流动，所述输送管可被配置来匹配水体16的海岸线处的波浪的输入和输出流动。第二导管14延伸到在输入波浪流过第一导管12之后从所述输入波浪接收的最大水位32以上的高度。位于那个最大水位32以上的气体(通常是空气)的体积可被转移出第二导管14的最上区部，并且然后被抽吸回到所述最上区部中，如不久后将描述的。
为辅助振荡水流动，导管12、14接合的过渡表面处的输送管10的内部的尺寸是相同的。第一导管12和第二导管14还具有呈配置在两个导管12、14的接合点处的平面倾斜部分34的形式的流动方向控制段，所述流动方向控制段促进输入水的流动，以便能够在输送管10内从水平轴向流动转向到垂直轴向流动取向，并且随后当水在相反方向上振荡并从输送管10朝向水体16向外流动时从垂直轴向流动转向到水平轴向流动取向。如果在流体行进到输送管10中时第一导管12的横截面积变得较窄，则流体速度将增加，这继而可驱动形成在输送管10内的流体柱以更快速地振荡。
在第二导管14的最上区部36中，并且在从输入波浪接收水时的最大水位32以上，是可通过呈蝶形或单向止回阀38的形式的若干流动控制装置离开最上区部36的可移置空气体积，所述蝶形或单向止回阀可自动打开，或被配置以摇摆或移开。第二导管14内侧(和最大水位32以上)的最上区部36限定流动通道40，所述流动通道还与单向涡轮机44流体连通。在本文所示的实施例中，阀38和涡轮机44与流动通道40直接流体连通，这意味进入和离开流动通道40的空气移动在其到达涡轮机之前不穿过阀，反之亦然。换句话说，这些阀和涡轮机并非彼此串联配置，而相反是以彼此并联操作构型配置，从而定位在第二导管14内侧的流动通道腔室40的壁中的离散、间隔开的开口处。这样的配置允许选择性地改变流动通道40的构型，使得工作流体(诸如空气)可单向地作用于涡轮机上，或替代地以绕过构型操作(也就是说，绕过涡轮机)以通过排出阀单向地流动。在流动通道40的最上末端处，这些阀和涡轮机在海洋、湖泊或其他水体的水位的能到达的范围以上，如将描述的。
现在参考图3A，示出朝向输送管10移动的波浪的开始时刻，其中第一导管12的穿浪式唇部30和变窄横截面积用来将输入波浪引导至输送管10中。在图3B中，波浪在箭头42的方向上穿过输送管10，并且最上区部36中的流动通道40中的空气中的一些被输送管10中的垂直上升水转移，并且流出蝶形或单向止回阀38并排放到大气。阀38被配置来具有轻羽式移动，使得离开流动通道40的空气流动足以打开所述阀，并且提供离开输送管10的阻力最小路径，而不是任何大量的空气通过单向涡轮机44离开流动通道。
在图3C中，波浪然后在箭头46的方向上通过口20并朝向水体16向回移动出输送管10，所述方向是在与如图3B中所描绘的输入波浪的方向42相反的方向上。由于向外方向46上的流动，大气空气通过由离开的水产生的吸力抽吸到最上区部36中的流动通道40中。因为蝶形或单向止回阀38现在是完全关闭的，所以空气仅可通过单向涡轮机44吸入，并且这个空气流动因而使涡轮机44转动以便产生电能。
在一些其他实施例中，当大气空气通过由离开的水产生的吸力抽吸到最上区部36中的流动通道40中时，阀可具有限制空气流过所述流动通道的类型，或配置在限制空气流过所述流动通道的部分关闭位置处，而不是对这样的空气流动完全关闭。然而，抽吸到流动通道40中的大多数空气通过单向涡轮机44。因而，进入和离开流动通道40的空气流动两者因此响应于输送管10中的振荡水柱的振荡，并且由所述振荡产生，所述振荡水柱由特定地点中的重复波浪流动频率建立。
在本文公开的其他配置中，可使图3B和3C中所示的流动情形反向，使得当波浪移动到输送管10中时，最上区部38中的流动通道40中的空气通过输送管10中的上升水转移，以流出单向涡轮机44以便被排放到大气。在这样的配置中，当波浪通过口20移出输送管10并朝向水体16移动时，大气空气则通过阀38被抽吸回到流动通道40中，所述阀被配置成在进入流动通道40中的一个方向上比可通过单向涡轮机44进入流动通道40中实现的空气流动更容易打开。然而，发明人的工作已证实这样的配置的效率显著地小于能够通过图3B和3C中所示的流动情形实现的。在进入流动通道40中的空气吸力的下行程(也就是来自振荡水腔室的波浪的降落或吸出)期间，提供最大发电特征，并且通过这个构型中的涡轮机44的旋转生产的能量显著地多于可使用(i)双向涡轮机，或(ii)使用诸如来自输入海洋波浪的进入导管中和朝向涡轮机的空气压力的上行程的压力实现的(后者就能量而言是最弱的)。
参考图4和5中所示的实施例，示出外观稍微不同的输送管10。在所有方面，其在功能上类似于先前描述的实施例。每个臂部分12、14包含在横截面上为大体上矩形的细长导管，并且这些部分彼此正交地配置并以大体上L形构型连接。
输送管10的第一导管12在使用中被配置为大致上浸没在水体的平均表面水位(MSL)以下，并且定向成其伸长轴线大体上水平地定向以与砂和岩石基部18对准。在第二导管14的最上区部36中是呈蝶形或单向止回阀38的形式的若干流动控制装置，所述蝶形或单向止回阀可自动打开，或被配置来摇摆或移开。第二导管14内侧(和最大水位32以上)的最上区部36限定流动通道40，所述流动通道也与单向涡轮机44流体连通。
发明人采用的几何设计特征包括引入图5中所示的倾斜前唇部和尖船首33，以减少输送管10的前面上的波浪负载。
参考图14和15中所示的实施例，示出外观稍微不同的输送管10。在所有方面，其在功能上类似于先前描述的实施例。相同零件编号用来说明功能。
在其他实施例中，阀38配备有控制机构以控制它们的打开和关闭构型。例如，阀可具有闸门，所述闸门可通过铰链式移动，或通过滑动移动或通过可旋转移动以至少覆盖阀的横截面开放通道的一部分对气体的流动打开和关闭。在其他实施例中，所使用的阀可以任何其他适当取向构造，以响应于进入和离开流动通道40的振荡空气的压力和/或流动方向的变化。
重要地，因为可通过一个或多个阀38(或其他形式的流动控制装置)以及通过单向涡轮机44接入第二导管14的最上区部36中的流动通道40中的可移置气体，所述系统可能被构造来单独地并相对于另一个顺序地操作对流动腔室的每个形式的接入。通过这样做，这意味涡轮机44的设计可显著地比用于发电的现有技术振荡水柱中的配置更简单，所述配置中的许多已集中于新涡轮机设计的开发，所述新涡轮机设计可使用在轴杆上单向地旋转的涡轮机解决双向空气流动。在这样的现有技术装备中，第二导管的最上区部中的流动通道中的气体通过输送管中的垂直上升水转移，并且流出单向涡轮机以排放到大气，但是当气体通过吸力抽吸回到流动通道中时，其需要通过相同单向涡轮机但是在相反方向上流动，这使得大复杂性的可调整流动涡轮机设计成为必须。
在本系统中，涡轮机44是基本已知的设计，并且包括转子48，所述转子包含位于可旋转轴杆的一个末端上的中心轮毂50，和绕轮毂50的周边配置并从所述周边延伸的多个叶片52，转子48安置在与流动通道40流体连接的壳体54内。涡轮机叶片52的形状和其相对于轮毂50的取向促进涡轮机转子48响应于通过涡轮机壳体54的单向轴向气体流动的单向旋转。
如在这种类型的涡轮机中典型的，发电机被构造来用于通过涡轮机旋转以产生电能，并且在驱动轴杆的相对于轮毂50的地点的另一末端处连接到涡轮机44的驱动轴杆的末端。
由于调整阀38的取向以响应于振荡空气的压力和/或流动方向的变化的能力，所描述的系统具有优于已知现有技术的其他显著操作优点。例如，可能通过打开和关闭在第二导管14处位于在MSL以上延伸的部分中的若干阀38来“调谐”输送管10中的振荡水柱的频率以匹配来自海洋的输入和输出波浪的移动频率。通过这样做，可调整抵靠输送管10中的上升水的第二导管14的最上区部36中的流动通道40中的空气压力抗性。如果流动到输送管10中并流出所述输送管的振荡水柱的频率大致上对应于来自水体16的输入和输出波浪的频率，则能量提取设备的操作将更平稳并且更有效，而不需要在输送管10中的振荡流动不断地与波浪失序，并且因此经受进入涡轮机44中的空气的额外湍流和低效抽吸的情形下操作。
对输送管中的振荡水流动的频率的这样的“调谐”可取决于盛行的海洋波浪条件而连续地执行，例如通过使阀开口的调整自动化，所述自动化通过使用响应于输入和输出波浪的压力的测量变化的控制机构。在这样的配置中，控制机构可选择性地打开或关闭(或部分地打开或关闭)阀38中的一个或多个。这样的调整可改变往返于输送管10的第二导管14的最上区部36中的流动通道40的开口的可利用横截面积，作为位于MSL以上的那个第二导管14的总表面积的比例，这样的比例现在由发明人限定为“最优排气比”。在一个实例中，最优排气比小于15％，但是小于10％的最优排气比也可为合适的。取决于平均波浪高度和波浪周期，(海浪状态可非常平静或非常风大浪急)，可需要较低或较高的最优排气比，例如低到1％，以便优化振荡水流动在输送管10中花费的时间。
在对输送管中的振荡水流动的频率的“调谐”的另一实例中，如果盛行的海洋波浪条件是危险的或狂暴的，例如在暴风雨期间，则阀开放控制机构可用来关闭并锁住充分数量的阀38，使得在流动通道40内建立空气压力头。这样的“解谐”可通过拒绝来自海洋的最强波浪到达进入输送管中并且在这样做时可能保护阀和涡轮机免受暴风雨损坏来充当安全特征。
如图2中所示，输送管的第二导管14的最上区部36具有展示在输送管10的后上垂直侧壁56上的四个蝶形阀38，和展示在第二导管14的最上区部36的顶部水平壁58上的三个蝶形阀38。在其他实施例中，取决于地点和将遭遇的预期海洋波浪严酷性，比这个数量更多或更少的阀38可在输送管的初始建造时被安装，因此是改变特定输送管的可能最大排气比的设计特征。在其他实施例中，阀的类型也可变化，并且不同类型的阀的组合也可能装配在一个输送管上(蝶形、单向止回阀等)。
一旦在波浪进入输送管10时打开阀(多个)38、接着在波浪离开输送管10时关闭阀(多个)38以及空气通过涡轮机44抽吸到第二导管14中的重复步骤已达到稳定模式，涡轮机44和发电机将产生电能，所述电能可通过绝缘高压铜电缆从输送管10(如果位于近海)传送到陆地(在海岸上)。
作为大小的一般和非限制性指示，典型的输送管具有大约8-10米的第一导管长度，和在所述输送管所在的水体或海洋海岸线的基部表面以上延伸15-18米的第二导管。输送管的结构通常由钢筋混凝土制成，以便具有能够在腐蚀性海洋环境中承受重复由海洋波浪冲击的压力的重量和强度。
发明人已使用新能量提取设备从实验结果发现，被构造以单向空气流动操作的单向涡轮机44相比被构造以双向空气流动操作的单向涡轮机的能量捕获显著增加。对于等效的操作周期，当波浪朝向水体16移出输送管10时，在空气通过涡轮机44抽吸并抽吸到流动通道40中时，所产生的能量比使用已知双向涡轮机设计在沿同一方向操作的流动的情况下实现的多16％。应相信，除了在其将水抽吸出输送管10时的水体16的吸力抽吸之外，这个改进的结果是由位于第二导管14中的振荡水柱的向下流体静压头的组合引起。因此，因为本系统可被构造以使用不同的装置隔离关于流动通道40的空气的排出和吸入步骤，能够仅从响应于来自输送管的波浪出流而操作的气体流动中捕获能量，所述波浪出流也是具有最高势能的流动。
发明人另外已使用新能量提取设备从实验结果发现，当将穿浪式唇部30的特征添加到第一导管12的开放口20时，存在能量捕获的显著增加。当与没有这样的特征的已知振荡输送管设备相比时，输入波浪到输送管10中的流动的加速输送导致能够产生的能量的20％的进一步改进。据信，这个特征将更多流体带到输送管10中，这随后继而在波浪离开输送管10时使更多空气通过涡轮机44抽吸到第二导管14中的流动通道40中。本发明的穿浪式唇部30被配置，使得其几乎总是在特定地点处的波浪的MSL以上可见的。
为了将诸如振荡流体输送管的重且坚固的设备安全地定位在水体边缘处的水内是充满困难的。发明人因此已设计出使用可潜式浮动船坞35(诸如干船坞)定位设备的方式。应参考图8至13的顺序。
在非浸没状态中，船坞35能够通过针对设备10的水中地点而在运输船37后面拖曳加以移动。振荡波浪柱装置10自身配备有用于在需要时使用于在最后阶段定位的漂浮辅助工具41。一旦组装的振荡流体输送管为安装做好准备，其被定位于所述可潜式浮动船坞上(或在建造阶段期间构建在所述可潜式浮动船坞的平台顶上)。非浸没浮动船坞和输送管可使用长缆绳39在例如拖船的运输船后面加以拖曳，以沿着朝向水体上设备的预定目的地诸如海洋边缘/拍岸浪边缘区部的方向移动。
当在最终地点附近时，浮动船坞可浸没并且输送管通过其自己的漂浮辅助工具保持漂浮在水中。这些漂浮辅助工具可呈许多形式，诸如中空浮筒面板、可充气气球等。一旦浮动输送管和浸没浮动船坞彼此分开，浮动输送管可独自被拖曳短距离，进入其所需要的最终操作位置中，并且漂浮辅助工具然后被移除，或放气等。单元然后将在重力下沉降到其在海岸线海底上的位置中，并且保持部分地浸没在其在水中最终位置中，其中其将捕获波浪并且产生能量。
使用可潜式船坞提供极大的优点，诸如当跨越开阔海洋移动以到达用于最后安装的遥远海岸线时处置这样的相当大的设备的稳定性。浮动船坞使输送管设备在风大浪急的天气中倾覆或沉没的风险最小。
实验部分
针对作为波浪能量转换器(WEC)的振荡水柱(OWC)的本实施例呈现实验性能结果。用于这个装置的操作原理利用空气阀，所述空气阀在正压力的时间期间打开，借此使空气腔室排气，并且当空气腔室压力为负时关闭，因而通过单向空气涡轮机功率输出轴(PTO)抽吸空气。针对规则海浪和不规则海浪两者呈现结果。
原型顶部唇部和前壁几何形状是看起来积极地影响装置的操作特性的设计特征。实验结果指示这个单向原型将在很宽的波浪频率范围内展现很好的能量收获能力。
OWC是部分地浸没并安放在海底上并且通过水下开口排气到海洋的大中空混凝土腔室。腔室还包括通向水位线以上的大气的小开口，空气涡轮机容置在所述腔室中。
在波峰和波谷经过常规OWC时，水通过所述腔室的浸没开口进入并且离开腔室。这个水在腔室内侧上升并降落，从而使截留在上方的空气的压力在正压力与负压力之间振荡。在一些过去的实施例中，这些压力波动迫使空气穿过腔室顶部处的双向涡轮机，以图在其这样做时稳定地产生电力。
本发明的OWC与常规OWC之间的基本概念差异在于涡轮机仅从一个方向暴露于空气流动。被动式空气流动阀允许空气逸出腔室但不允许返回。这导致较简单的涡轮机设计约束，所述较简单的涡轮机设计约束意味可针对单向空气流动优化涡轮机。另外，涡轮机展现低摩擦损耗。
即使仅针对半个波浪周期通过空气涡轮机导向空气，来自整个波浪周期的几乎所有能量(减去常规湍流损耗和摩擦损耗)可利用于提取。通过能量平衡进一步详细地解释这个过程，如图17中所描绘。
A.单向空气涡轮机功率输出轴
常规定子加转子类型的涡轮机设计由发明人开发来用于从由OWC的气动压力诱导的空气流动提取功率。单级涡轮机对在大范围压降条件内的单向空气流入操作。预测涡轮机效率与涡轮机差分空气压力(Δp)呈现在以Aoleus中线涡轮机性能分析产生的图16中。基于650RPM的恒定涡轮机旋转速度，在降至-30kPa的典型操作范围内的加权平均涡轮机效率(测量为扭矩乘以角速度，除以压降乘以体积流动速率的乘积)为77％。
B.WSE OWC几何形状
发明人采用的几何设计特征包括倾斜前唇部和尖船首的引入，这在图5中最清楚地示出。为了改进水力性能并减少OWC前面上的波浪负载，包括这些几何增强。
C.国王岛(King Island)原型
国王岛近似等距地在塔斯马尼亚(Tasmania)与澳大利亚大陆之间位于巴斯海峡的西部水域中。有近似1700个居民的岛屿通过其自己的由风力涡轮机、一些太阳能、电池存储器组成的电力系统供电，并且通过柴油发电补充。
国王岛上的中间试验厂工程位于10米的平均海面深度处，距海岸近似700m。用于这个工程的OWC装置的新设计将为20米宽，具有1MW的标称峰值发电容量。用于这个地点的波候大于45kW/m，这就波浪能量资源而言可列为世界上最好的之一。位于接近于合适的电网连接处的建议场地的深水勘探和海底地层剖析已经完成。
实验布置
实验是在35m长、12m宽并且能够为lm的但填充到333mm的深度，在原型满标度下相当于10m的深度的澳大利亚海事学院的模型测试试验池(MTB)中执行。MTB在一个末端处配备有16个活塞式造波机叶片并且在另一末端处配备有无源海滨。模型位于距造波机12m的MTB的中心处。
1:30的标度模型是由具有透明丙烯酸侧面的层压板制造的，以能够实现内腔室水位的视觉观察。3D印刷被动止回阀主体配备于模型的背部和侧面中，并且醋酸脂薄片松弛地铰接到主体的顶部边缘，从而允许阀在最小的正腔室空气压力的情况下打开。功率输出轴(PTO)使用孔口板加以模拟，所述孔口板展现类似于单级涡轮机的那个的非线性压力/流动关系。
空气腔室差压以腔室室顶的每个侧面上的一个和顶部透明盒的侧面中的一个的三个分离压力换能器(通过海洋控制仪表放大器KTA 284调节的lpsi Honeywell TSC传感器)监视。发现每个压力传感器产生近乎相同的值(例如参见图18)。腔室水表面高程通过六个电阻性波浪探头监视。波浪探头通过HR Wallingford波浪探头信号调节盒连接到数据获取系统。
数据是使用连接到BNC端子盒的16位National Instruments PCI卡(NIPCI-6254)以200Hz的速率获取。数据记录通过波浪叶片运动触发并且对于规则波浪记录30秒的持续时间并对于不规则波浪记录600秒(30分钟满标度等效值)的持续时间。
方法论
A.海浪状态
在这个分析中研究规则波浪和不规则波浪两者。满标度等效不规则波浪(JONSWAP)总结在表I中。测试的不规则波浪条件是基于预期发生在国王岛测试场地的那些加以选择。测试的规则波浪被选择以覆盖不规则波浪的波浪高度和频率。波浪校准测试是在没有试验池中的WEC模型的情况下执行。
表1-MTB中测试的满标度不规则波浪
B.气动功率
气动功率计算为
P＝ΔpQ (1)
其中Δp为空气腔室差压并且Q为空气体积流动速率。
由于选择的模型标度(1:30)，空气可压缩性被视为可忽略的。使用以下公式由空气腔室差压计算空气流入速率：
其中cd＝0.6为孔口排放系数，Ao＝0.00111m2为限流孔口横截面积并且ρa＝1.4kgm-3为空气密度。原位校准确定系数将为用于空气流入的Cd＝0.691，意味Cd＝0.6对于流动估计为合理的和保守的。因为腔室配备有空气阀；所以空气流出对功率生产没有促进作用，并且此外，不可能使用空气压差可靠地预测空气流出，因为Ao成为变量。
C.入射波浪功率
规则波浪功率是根据以下公式以利用中等水深度计算的线性理论加以计算
其中为能量密度(每单位表面积的能量)，Cg为针对中等水深度求出的波浪群波速，ρW＝1000kgm-3为水密度，g＝9.81ms-2为重力加速度，h为从波峰到波谷测量的波浪高度。平均不规则波浪功率为
其中，并且为第一谱矩(等于波浪记录的一个标准差)，
并且Te为能量周期(m-1/m0)(自谱分析导出)。
D.气动效率
气动效率定义为所提取的气动功率除以跨越装置的宽度的等效波浪功率的比
其中W为面向波浪前面的装置宽度。
E.结果的比例缩放
根据表II(λ＝30)使用简化的弗劳德(Froude)模拟比例缩放将结果比例缩放到满标度，忽视了水密度的差异。
表II弗劳德比例缩放
F.能量平衡
能量平衡是能量从来源，到暂时性存储器中和最终到槽中的流动的视觉表示。图17示出用于具有用于空气阀的另外的路径的OWC的能量平衡。实线和箭头示出系统中能量的可能流动方向。虚线示出不太显著的能量流动连接。对于100％气动转换效率，能量中的全部必须从输入波浪(来源)一直流动到功率输出轴(槽)。
实际上说来，不能提取水波浪中的所有能量，其中一些能量最后转换成无用形式(粘性损耗诸如边界效应或湍流损耗诸如旋涡脱离)，从WEC反射或在WEC周围衍射。用于任何类型的OWC WEC的能量流动的主路径是从输入波浪，到水柱起伏中，然后到通过空气腔室与大气之间的空气压差驱动的功率输出轴(空气涡轮机)。对于具有双向空气涡轮机的OWC，不存在空气阀，因此压力差对于整个周期驱动涡轮机。
对于其中空气阀存在的概念，水位在第一半转换周期期间上升，从而引起正空气腔室压力。空气随后流过空气阀，能量也以势能的形式被存储为水柱起伏。如通过公式(1)所定义，气动功率是空气差压(Δp)和空气流动速率(Q)的乘积。对于这半个周期通过空气阀(并且可能是PTO，取决于涡轮机几何形状)损失的能量是那个持续时间的气动功率的积分。
因为主要目标是使变换损耗最小，所以必须使由阀消耗的功率最小。在公式(1)的物理考虑之后，这仅可通过使压力差最小来实现，因为空气流动应不受阻碍以使得实现作为水柱起伏的最大能量存储。实际上，这通过使空气阀面积最大和利用具有低背后压力的阀来实现。
对于第二半个周期，水位开始降落，从而引起空气腔室负压力。空气阀关闭，从而导致所有输入波浪能量加存储在水柱起伏中的能量为在PTO处可利用的，所述PTO在WSE概念的情况下为定制单向空气涡轮机。
图18为实验数据的曲线图，其示出空气腔室压力、腔室水柱起伏(存储)与邻近于水柱(入射波浪)的经过水表面轮廓之间的关系。明显的是，空气腔室压力在腔室水位(通过空气阀的最小能量损耗)正上升时仅稍微为正，并且在腔室水位正在降落时显著地为负。
结果
对于暴露于规则波浪和不规则波浪两者时的顶头浪中的装置功率性能，结果呈现在以下部分中。呈现满标度外推结果和效率结果。
规则波浪结果
图19示出外推到满标度的规则波浪气动功率结果。结果是从造波机的237个分离运行编译。由于所产生波浪高度相对于所需要的偏差，应用对气动功率的线性校正(1+(hD-hA)/hD，其中hD为所需要的高度并且hA为实际波峰到波谷高度)。对于较大的波浪高度(2.7m和3.0m)，功率输出显得稍微不稳定，在腔室中的水位由于腔室与经过前唇部的大气之间的分离大气连接而充分地下降时，发现所述功率输出受来自腔室的压力损耗影响。
对于变化的波浪周期，可看出，存在8秒与12秒的周期之间的气动功率的几乎等高生产，接着是从13秒到16秒的下降和16秒到18秒之间的适度增加和调平。
图20示出在规则波浪中操作的装置的气动效率。看出峰值效率刚好发生在8秒以下，具有近似1与1.1之间的值(针对较低波浪高度改进)。在12秒处存在第二低峰值，其中气动效率为近似0.8-0.9，这个第二峰值被怀疑与前唇部和尖船首几何形状相关联。对于12秒以上的波浪周期，效率迅速下降，直到在14秒之后稳定在0.3与0.5之间。
用于较长波浪周期的效率损耗被视为稍微有害，因为较长周期的波浪也通常含有相比于较短周期的波浪的较多能量。但是参考回图19，对于13秒与15秒之间的波浪周期仍然存在气动性能的显著降低，这是未来研究搁置的某些事物。
不规则波浪结果
预测满标度气动功率矩阵结果是使用griddata函数执行2D线性插值由总共47个不同波浪记录计算。类似于在规则波浪结果中发现的；气动功率生产最好朝向较低周期的波浪，其中峰值平均功率生产发生在11秒与13秒的峰值周期(Tp)之间。类似地，对于所有Tp，直到13秒包括13秒，效率很好地超过0.5。
讨论
与弗劳德标度外推模型测试结果相比，已知空气可压缩性以得到用于真实海浪的较低气动性能。别人已经使用3D数值码研究问题，并且发现对于常规OWC PTO，过高估计约为12％。因此，这个简单的校正可通过减少气动功率外推结果应用于性能估计。然而，另外已知效率的降低是空气可压缩体积的函数。因为本发明的新概念OWC使腔室水高程上升得较高，所以因此减少腔室空气体积。然而，因为所述概念仅涉及稀薄而不涉及可压缩性，所以很可能比例缩放误差的12％估计是稍微极端的。另外，我们感觉0.6(而不是计算的0.691)的保守流动系数是这种情况下的充分保守估计，以补偿任何比例缩放问题。
与涡轮机效率(平均77.5％)和95％的采用的电气转换效率结合的这种新技术的增强气动功率生产(如先前部分中说明)导致与先前双向OWC相比的显著输出改进。当结合国王岛场地的测量波候考虑时，预测中间试验厂工程展现472kW的平均功率输出(暗示用于1MW峰值单位的47.2％的容量因子)。考虑到每年8,500小时的操作假设，这将导致超过4GWh的年发电量。
系统的波浪到电线效率用通俗语描述为“功率输出除以功率输入”提议的国王岛中间试验厂装置的平均“功率输出”已被估计(参见以上)在472kW处。“功率输入”定义为平均入射波浪能量密度(每米波峰kW)乘以装置的宽度(以米为单位)。国王岛场地处的波候的详细评估指示52.87kW/m的平均入射波浪能量密度。乘以20米的装置宽度暗示1057kW的入射在WSE装置上(“功率输入”)的平均波浪功率。因此，WSE装置的波浪到电线效率估计为44.6％。
与工程的预期全生活周期成本组合，这个能量生产水平指示这个第一一次性商业工程的每千瓦时US$0.13的平准化能量成本(LCOE)。利用相同技术的25MW或更多的多单元工程的直接规模经济指示每千瓦时低于US$0.07的LCOE。
结论
已呈现了OWC技术的细节，包括新颖的革新。技术解决了用于与有效单向空气涡轮机一起使用的OWC的空气精馏问题。在规则波浪和不规则波浪两者中以模型标度测试与定制几何形状修改组合的精馏系统。性能导致得到83％的峰值气动效率的不规则海浪。在规则波浪中，发现峰值气动转换效率超过100％。这是由于装置与输入波浪的共振，从而引起局部波浪场的修改。这个现象导致装置在相比于自然地入射在OWC的前面上的更多能量中抽吸。
新概念的OWC配置的转换效率的这个改进的最后结果是能量产生成本的同量降低。对于具有类似于国王岛的那个的波候的地点中的多单元波浪能量工程，严格的财务分析暗示在US$0.07上下的LCOE。在其商业化阶段开始时，这对于能量技术是异常的。学习曲线研究指示这个LCOE将在未来十年进一步降低。
本文公开的设备具有优于惯例发电装置以及先前OWC技术的许多优点：
-其可被操作来实现与入射波浪场的共振(使涡轮机阻尼特性匹配到OWC)；
-柱/输送管尺寸可被设计为具有OWC结构的最优水力转换效率(用于可能的入射波浪场的场地特定的OWC设计)；
-还可以优化用于预期压力/流动特性的涡轮性能/效率；
-装置可在暴风雨条件下通过切断阀机械地隔离以防止损坏。由于其坚固的构造，其在暴风雨中不会吹走；
-振荡水柱(OWC)设备的实验性能展现在宽范围的波浪频率上的很好能量收获能力，并且与先前双向OWC相比给予显著的输出改进；
-较简单和更有效的单向空气涡轮机可在波浪的作用上很好地安全定位并通过混凝土沉箱保护以免受元件影响，以经受住极端条件。示例性装置将测量为20米乘20米，并且为18米高。关于此，仅8米突出水位线以上。发电单元将通常位于距海岸一些距离处，在十米的水深度中。
-预期可使用近岸波浪能量转换器的场(或阵列)。通过使用这些装置作为沿海防浪堤(或防波堤)，因而为本地社区和工业提供功率和隐蔽港湾，同时还实现显著的成本共享和节约可能性。
-整个技术中的仅有移动部分是涡轮机和一些简单的成品阀，其中全部都很好地在水位线以上。不存在处于水中或水下的移动部分。这意味维护永远仅需要对很好地在海洋以上的容易接近区部执行。许多其他波浪能量装置的操作发生在水下，这使它们暴露于盐水的腐蚀和破坏效应并且使它们难以维护或修理。涡轮机和发电机保持在水位线以上，意味存在较少维护并且任何维修可在不需要水下呼吸器装备的情况下进行。
-因为在水下不存在移动部分，所以这排除了对海洋生物的伤害。可不释放油或污染物。
-海洋波浪的可靠性和可预测性是优于太阳能和风功率的巨大优点。例如，许多气象和冲浪网点已差不多提前一周准确地预测波浪条件——因而，这个可更新来源可被视为互补基载功率。
在某些实施例的先前描述中，为了清晰起见采用了特定的术语。然而，本发明不意图限于如此选择的特定术语，并且应理解，每个特定术语包括以类似方式操作来实现类似技术目的的其他技术等效物。术语诸如“上”和“下”、“以上”和“以下”等被用作便于提供参考点的词并且不被解释为限制性术语。
在本说明书中，词“包含”将以其“开放”意义上加以理解，即以“包括”的意义加以理解，并且因而不限于其“仅由……组成”的意义的“封闭式”意义。对应的含义将在对应的词出现的情况下归因于对应的词“包含(comprise,comprised和comprises)”。
前述描述是关于可共享共同特性和特征的若干实施例加以提供。应理解，任何一个实施例的一个或多个特征可与其他实施例的一个或多个特征组合。另外，实施例中的任何实施例中的任何单个特征或特征的组合可构成另外的实施例。
另外，前述内容仅描述本发明的一些实施例，并且可在不脱离所公开实施例的范围和精神的情况下对本发明做出变更、修改、添加和/或变化，所述实施例是说明性的而非限制性的。例如，附图中所示的输送管10的特定L形形式可为不同的，并且两个导管12、14不一定彼此正交。阀38在大小、形状和其总数上可为不同的。在任何特定输送管10上可存在多于一个涡轮机44，并且这些涡轮机可容置并通过其他构件(例如，通过管道)连接到第二导管14的最上区部36。虽然通常由混凝土制成，但是输送管10的构造材料也可具有其他材料诸如硬塑料或碳纤维，并且在海岸处锚定到基部18。虽然已对来自大海或海洋的波浪发电进行参考，但是波浪发电也可从湖泊、河流和潮水池发生，其中全部适合于使用本方法和设备。
此外，已结合目前视为最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开实施例，相反，意图涵盖包括在本发明的精神和范围内的各种修改和等效布置。另外，以上所描述的各种实施例可结合其他实施例来实现，例如，一个实施例的方面可与另一个实施例的方面结合来实现进一步其他实施例。此外，任何给定组件的每个独立特征或部件可构成另外的实施例。

Claims (44)

1.一种用于从振荡工作流体提取能量的设备，所述设备包含用于所述工作流体的流动通道、涡轮机和流动控制装置，所述涡轮机和所述流动控制装置中的每一个与所述流动通道直接流体连通，其中在使用中，所述流动控制装置可选择性地能够在第一构型与第二构型之间移动，在该第一构型中，所述流动控制装置打开以允许所述工作流体通过所述流动控制装置以离开所述流动通道的流动，在该第二构型中，所述流动控制装置限制所述工作流体通过所述流动控制装置的流动，使得所述工作流体通过所述涡轮机进入所述流动通道。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述流动控制装置响应于所述振荡工作流体的压力和/或流动方向的变化而改变对所述流动通道接入的构型。
3.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述流动控制装置可完全关闭，以便促进所述工作流体在所述第二构型中仅通过所述涡轮机的流动。
4.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述流动控制装置配备有控制机构以控制其在所述第一构型与所述第二构型之间的移动。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述流动控制装置具有能够通过所述控制机构移动以对所述工作流体的流动打开和关闭的元件。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述元件是铰链地、可滑动地或可旋转地可移动的中的一个，并且具有覆盖所述流动控制装置的横截面开放通道的形状。
7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述流动控制装置为蝶形阀或止回阀中的一个。
8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述涡轮机包括转子，所述转子包含中心轮毂和绕所述轮毂的周边配置并从所述周边延伸的多个叶片，所述转子设置在连接到所述流动通道的壳体内，借此所述叶片的形状和其相对于所述轮毂的取向促进所述涡轮机转子响应于通过所述壳体的工作流体的单向轴向流动的单向旋转。
9.如权利要求8所述的设备，其中发电机被构造来用于通过所述涡轮机旋转以产生电能。
10.如权利要求9所述的设备，其中驱动轴杆在其近侧末端处联接到所述轮毂并且在其远侧末端处联接到所述发电机。
11.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述工作流体是空气，并且所述空气的所述流动是通过振荡水柱的振荡产生，所述振荡水柱与所述流动通道流体连通，并且所述振荡水柱位于输送管中。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述输送管包含：
a.第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的水体的平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分具有被配置来用于接收来自所述水体的输入波浪的开口，以及
b.第二部分，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，
其中所述流动通道是通过所述第二部分的，在所述输入波浪流过所述第一部分之后，从所述输入波浪接收的水的最大水位以上延伸的区部限定的。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述输送管的所述第一部分和所述第二部分通过所述第一部分和所述第二部分中间的流动方向控制段接合，所述流动方向控制段通过配置在所述第一部分与所述第二部分之间的接合点处并在所述第一部分与所述第二部分之间延伸的平面倾斜部分限定。
14.如权利要求12或权利要求13所述的设备，其中所述输送管的所述第一部分和所述第二部分为大体上细长导管，所述第一部分具有大于所述第二部分的横截面积的横截面积。
15.如权利要求14所述的设备，其中第一部分的所述开口处的所述横截面积相比于所述第一部分的剩余部分是较大的横截面积，当在从所述开口处的外进入口区部朝向所述第二部分的方向上移动时，所述导管在横截面积上逐渐缩小，以便使从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的所述流动加速。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述第一部分的所述外进入口区部在使用中被配置以在其所在的水体的所述MSL以上延伸，以便捕获从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的较大流动。
17.如权利要求12至权利要求16中任一项所述的设备，其中所述输送管可操作以搁置在其设置于其中的所述水体的底部上。
18.一种波浪能量提取系统，所述系统包括：
a.用于接收振荡水柱的至少一个输送管，所述输送管包含：
i.第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的水体的平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分具有被配置来用于接收来自所述水体的输入波浪的开口，以及
ii.第二部分，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，
使得在使用中，振荡水柱由于进入和离开所述输送管的水的重复移动而建立在所述输送管内，离开所述输送管的水流动也通过所述开口，但是在与所述输入波浪的方向相对的所述方向上；
b.可旋转空气涡轮机，其与位于所述输送管的所述第二部分内的流动通道直接流体连通；以及
c.至少一个流动控制装置，其也与所述流动通道直接流体连通，
所述流动控制装置在使用中被配置为在第一构型与第二构型之间移动，在所述第一构型中，所述装置打开，从而当所述振荡水柱被接收到所述输送管的所述第二部分中时允许转移空气流动离开所述流动通道，在所述第二构型中，所述装置限制空气流动到所述第二部分内，因此，在所述振荡水柱在所述相对方向上流出所述输送管时，空气的流动通过所述可旋转空气涡轮机抽吸回到所述流动通道中。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述流动控制装置响应于所述振荡工作流体的压力和/或流动方向的变化而改变对所述第二部分接入的构型。
20.如权利要求18或权利要求19所述的系统，其进一步包括发电机，所述发电机被构造来用于由所述涡轮机旋转以产生电能。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述涡轮机包括转子，所述转子包含中心轮毂和绕所述轮毂的周边配置并从所述周边延伸的多个叶片，所述转子设置在连接到所述第二部分的流动通道内，借此所述叶片的形状和其相对于所述轮毂的取向促进所述涡轮机转子响应于通过所述壳体的工作流体的单向轴向流动的单向旋转。
22.如权利要求21所述的系统，其中驱动轴杆在其近侧末端处联接到所述轮毂并且在其远侧末端处联接到所述发电机。
23.如权利要求18至权利要求22中任一项所述的系统，其中通过所述流动控制装置(多个)中的一个或多个在所述第一构型与所述第二构型之间的选择性移动，所述振荡水柱的频率在使用中可通过改变所述流动控制装置(多个)的所述横截面积相对在所述MSL以上延伸的所述第二部分的所述表面积的比例而加以变化。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述流动控制装置(多个)的所述横截面积相对在所述MSL以上延伸的所述第二部分的所述表面积的比例被配置为小于百分之15。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述比例被配置为小于百分之10。
26.如权利要求18至权利要求24所述的系统，其包括权利要求1至权利要求17中任一项中限定的所述设备。
27.一种控制振荡水柱中的水的移动频率以大致上对应于来自与所述柱流体连通的水体的输入和输出波浪的频率的方法，所述方法包含以下步骤：
a.配置用于接收所述振荡水柱的输送管，所述输送管包含：
i.第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的所述水体的平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分具有被配置来用于接收来自所述水体的所述输入波浪的开口，以及
ii.第二部分，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，
使得所述振荡水柱在使用中由于进入和离开所述输送管的水的重复移动而建立在所述输送管内，离开所述输送管的所述水流动也通过所述开口，但是在与所述输入波浪的方向相对的所述方向上；以及
b.改变至少一个流动控制装置的所述构型，所述至少一个流动控制装置与在所述MSL以上延伸的所述输送管的所述第二部分的内部的流动通道直接流体连通，所述装置(多个)在使用中被配置以在第一构型与第二构型之间移动，在所述第一构型中，所述装置打开，从而当所述振荡水柱正被接收到所述输送管中时允许转移空气离开所述第二部分中的所述流动通道的流动，在所述第二构型中，所述装置限制空气通过所述装置到所述第二部分中的所述流动通道内的流动；
使得流入和流出所述输送管的所述振荡水柱的所述频率大致上对应于来自所述水体的所述输入和输出波浪的所述频率。
28.如权利要求27所述的方法，进一步包含以下步骤：通过控制机构，响应于所述输入和输出波浪的所述频率的变化而连续地调整所述至少一个流动控制装置(多个)的构型。
29.如权利要求28所述的方法，其中在使用中所述控制机构选择性地使所述流动控制装置(多个)中的一个或多个在所述第一构型与所述第二构型之间移动。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述输送管、所述流动控制装置和所述控制机构如权利要求1至权利要求17中任一项中所限定。
31.一种用于接收振荡水柱的输送管，所述输送管包含：
a.第一部分，其在使用中被配置为大致上浸没在其所在的水体的平均表面水位(MSL)以下，所述第一部分包含导管，所述导管具有配置来用于接收来自所述水体的输入波浪的开口，以及
b.第二部分，其包含又一导管，所述第二部分悬挂于所述第一部分，并且所述第二部分在使用中被配置以在所述MSL以上延伸，所述第二部分用于在所述输入波浪流过所述第一部分之后接收来自所述输入波浪的水，
其中所述第一部分的所述开口处的进入口在使用中被配置以部分地在其所在的水体的所述MSL以上延伸，以便捕获从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的较大流动。
32.如权利要求31所述的输送管，其中所述第一部分在所述开口处相比于所述第一部分的剩余部分具有较大的横截面积，当在从所述开口处的所述进入口朝向所述第二部分的方向上移动时，所述导管在横截面积上逐渐缩小，以便使从所述水体进入所述输送管中的输入波浪的所述流动加速。
33.如权利要求31或权利要求32所述的输送管，其中所述第一部分的所述进入口的最上和最外使用中区部在使用中被配置为部分地在所述水体的所述MSL以上延伸。
34.如权利要求31至权利要求33中任一项所述的输送管，其中当在从所述开口处的所述进入口朝向所述第二部分的方向上移动时，所述第一部分的最上表面向下倾斜。
35.如权利要求33至权利要求36中任一项所述的输送管，其另外如权利要求1至权利要求19中的任一项中所限定。
36.一种用于从振荡工作流体提取能量的设备，所述设备包括：
-壳体，其限定用于所述工作流体的流动通道；
-能量转换单元，其设置在所述壳体处，所述能量转换单元在使用中与所述流动通道中的所述工作流体流体连通；以及
-与所述流动通道流体连通的流动控制构件，所述流动控制构件在使用中用于在有效构型与绕过构型之间选择性地改变所述流动通道的构型，在所述有效构型中，所述工作流体作用于所述能量转换单元上，在所述绕过构型中，所述工作流体绕过所述能量转换单元。
37.如权利要求36所述的设备，其中在使用中，所述流动控制构件和所述能量转换单元被构造为顺序地操作，使得工作流体的流动通过所述流动控制构件离开所述流动通道，并且工作流体的流动通过所述能量转换单元进入所述流动通道。
38.如权利要求37所述的设备，其中所述壳体被配置为容纳位于邻近大海的振荡水柱，并且作用于所述能量转换单元上的所述工作流体的方向与经过波浪的降落相关联。
39.如权利要求36至38中任一项所述的设备，其中所述能量转换单元包括涡轮机转子。
40.如权利要求36至39中任一项所述的设备，其另外如权利要求2至17中任一项所限定。
41.一种用于从振荡工作流体提取能量的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将壳体至少部分地定位于具有波浪的水体中，所述壳体限定用于接收所述振荡工作流体的流动通道；
(ii)将能量转换单元配置成与所述振荡工作流体流体连通；以及
(iii)提供流动控制构件，用于在工作流体沿第一预定方向流动时的有效构型与工作流体沿第二方向上流动时的绕过构型之间选择性地改变所述流动通道的构型，在所述有效构型中，所述工作流体作用于所述能量转换单元，在所述绕过构型中，所述工作流体绕过所述能量转换单元。
42.如权利要求41所述的方法，其另外如权利要求28至30中的任一项中所限定。
43.一种用于使振荡波浪柱能量捕获装置位于水体中的近海地点处的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)使所述装置位于可操作地可潜式浮动平台上，所述装置自身配备有漂浮辅助工具；
(ii)使所述平台和所述装置变得漂浮在所述水体上；
(iii)将所述平台和装置移动到所述水体中的预定地点；
(iv)使所述平台变得浸没，并因而与所述装置分离，借此使所述装置通过其漂浮辅助工具漂浮在所述水体中；以及然后
(v)移除所述漂浮辅助工具，使得所述装置能够部分地浸没并在预定地点处搁置在所述水体的所述底部上，用于所述装置的预期操作使用。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述能量捕获装置另外如权利要求1至17，或权利要求36至40的所述设备中的任一个所限定。
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