CN111094739B - 波浪动力产能器 - Google Patents

Abstract

提供一种用于捕捉波浪能并将波浪能转换为更有用的形式的产能器。产能器包括：至少一个能量捕捉浮子(2)，其响应于波浪运动而运动；反应构件(1)，定位在能量捕捉浮子下方；连接缆绳(5a、5b、5c、5d)，用于将至少一个能量捕捉浮子连接到反应构件并在能量捕捉浮子和反应构件之间限定间隔(D2)；能量转换器件(6a、6b、6c、6d)，用于将反应构件和所述至少一个相应能量捕捉浮子之间的相对运动转换为有用的能量；产能器包括深度设定器件，例如可调整系泊缆绳(3a、3b、3c、3d)，其将反应构件固定到海床SB，用于设定反应构件在海中的深度(D1)。浮子和反应构件具有正浮力，允许合适张紧力施加到系泊缆绳。改善通过净正浮力带来的张紧力具有在活跃的海水情况下改善稳定性的意料不到的效果。

Description

波浪动力产能器

技术领域

本发明涉及产能器，所述产能器可用于通过将水体中的波浪能转换为更易于使用的能量而从波浪提取能量。

背景技术

近年来，已经将更多的重点放在开发可再生能量的需要，使得其能对全球能量生产做出显著贡献。政府目标、与不可再生能源有关问题的媒体呈现、和不断增加的能量成本的组合已经对开发可再生能量系统形成了强有力的驱动力。

化石燃料对我们环境的负面影响是众所周知的，核能有关的问题和高成本也是如此。另一方面，对有巨大自然丰富性的可再生能量利用仅受限于我们以经济上可行的价格来捕捉和供应该能量的能力。

一种潜在的可再生能源是波浪动力——其是在全世界的大洋和大海中可利用的丰富且持续的能量资源。用于波浪动力产生能量的各种波浪装置已经被提出，但是这种装置具有许多限制，没有一个装置能长期可靠地开发波浪动力资源。

我们已经在WO2010007418、WO2011158006和WO2013068748中相继公开了用于将波浪运动转换有用的能量的产能器。所公开的产能器使用可潜入水下的反应本体来解决与现有的波浪能转换器有关的许多难题。

然而，WO2010007418、WO2011158006、和WO2013068748公开的波浪能转换器仍然具有进一步改善的可能。

发明内容

根据本发明，提供一种如所附的权利要求所述的产能器。

本发明的产能器用于将水体中的波浪运动转换为有用的能量，产能器包括：至少一个能量捕捉浮子，其可响应于所述波浪运动而运动；反应构件，定位在能量捕捉浮子下方；连接器件，用于将所述至少一个能量捕捉浮子连接到所述反应构件；能量转换器件，用于将所述反应构件和所述至少一个相应能量捕捉浮子之间的相对运动转换为有用的能量；其中产能器包括可调适的深度设定器件，用于在预定范围内设定反应构件在水体中的深度和反应构件距水体床的高度；其特征在于浮子和反应构件均具有正浮力。

参考现有技术，WO2010007418中所述和示出的设备具有总是持续在海表面上的能量捕捉浮子。这意味着，在非常活跃的海水情况下，例如风暴时，浮子将经历高负荷。这些高负荷必须被结构和功率提取系统所管控，使得设备过度工作。

WO2011158006和WO2013068748中所述和示出的设备对此提出了改善，但是水下反应构件的稳定性受到反应构件的质量和尺寸的限制，且因此在WO2011158006和WO2013068748公开的构型范围内会极大地变化。

我们现在已经构思了用于将水体中的波浪运动转换为有用的能量的产能器，该产能器在反应构件和能量捕捉浮子中具有正浮力，以响应于直接通过波浪和间接通过动力捕捉浮子对其施加的力而施加在其上的力来增加反应构件的稳定性。

我们的模拟工作显示，通过增加反应构件的浮力，可以向海底传输更多反作用力，且因此增加反应构件的稳定性，尤其是在活跃海水状态下。出于反应目的增加海床的利用率的进一步优势是反应构件的尺寸和质量可减小，同时改善稳定性。

在上述WO2013068748中描述的已知产能器包括：至少一个能量捕捉浮子，其响应于波浪运动而运动；反应构件，定位在能量捕捉浮子下方；连接缆绳，用于将至少一个能量捕捉浮子连接到反应构件并在能量捕捉浮子和反应构件之间限定间隔；能量转换器件，用于将所述反应构件和所述至少一个相应能量捕捉浮子之间的相对运动转换为有用的能量；其中产能器包括可调适的深度设定器件，用于在预定范围内设定反应构件在水体中的深度和反应构件距水体床的高度，且连接器件具有可调整长度，用于独立地调整能量捕捉浮子和反应构件之间的距离。

除非另有说明，否则本文对已知现有技术的任何参考并非承认这种现有技术在本申请的优先权日之前已经被本发明所述的本领域的技术人员所知。

优选地，连接器件限定所述能量捕捉浮子和所述反应构件之间的距离。最优选地，连接器件具有可调整长度，用于独立地调整能量捕捉浮子和反应构件之间的距离。

产能器优选包括可调适的设定器件，用于在预定范围内设定反应构件在水体中的深度。设定器件进一步布置为设置反应构件距水体床的高度。

“设定深度”意味着以这样的方式进行控制，该方式使得能以可修正的方式选择并固定精确深度。换句话说，如果希望改变设置深度，设定器件可以调整、改变和控制，使得可选择和固定进一步的精确深度。

在本发明的第一实施例中，深度设定器件包括至少一个柔性系泊缆绳，以将反应构件可调整地定位到水体床。在该实施例中，产能器具有净正浮力，其被柔性系泊缆绳(一个或多个)的张紧力所抵抗。

系泊缆绳相对于水体床的定位角度可改变，以优化反应本体的稳定性。系泊缆绳的期望角配置在水柱中是垂直的，即从反应本体笔直向下到水体床。

在上述实施例中，深度设定器件优选通过一个或多个绞盘联接到反应构件。

优选地，根据本发明的产能器中的连接件包括至少一个柔性管线，其具有可调整长度，长度调整通常通过将每一个缆绳围绕相应鼓轮卷绕而实现。由此，可通过将连接缆绳绕相应鼓轮卷入或卷出来调整反应构件和能量捕捉浮子之间的距离。

在本发明的优选实施例中，连接件具有可调整长度，以便允许能量捕捉浮子和反应构件之间的距离(或沿垂直方向的间隔)的独立调整，且因此允许水体中的能量捕捉浮子的深度的独立调整。

进而，优选的是，反应构件具有可调整浮力和多个浮力模式，包括至少一个水下运行模式，其中使用深度设定器件让反应构件和浮力浮子潜入水下，且包括最大浮力模式，其中反应构件在水体表面上浮动。在这些多个浮力模式中的任一个中，反应构件应该具有惯量和阻力，以抵抗通过波浪运动造成的能量捕捉浮子的可能运动。

反应构件宽度和/或可被选择以提供最大稳定性且可以与浮子直径、宽度和/或长度比例相关。在优选实施例中，反应构件长度和/或宽度从30到50米的范围选择，其中浮子直径、宽度和/或长度从10米到20米的范围选择。最优选地，反应构件的宽度和/或长度是40米且浮子直径、宽度和/或长度是15米。以这种近似的比例，在水中为反应构件提供最适宜的稳定性。反应构件和浮子的正浮力在深度设定器件的系泊缆绳上提供足够的张紧力，其还为水中的产能器赋予最适宜的稳定性水平。

浮子和反应构件之间的间隔也对产能器的稳定性是关键的，尤其是在非常活跃的海水情况中，其中产能器经历强有力的波浪力。反应构件和浮子之间的最适宜的分离距离优选从20到40米的范围选择。更好的实施例包括浮子和反应构件之间间隔为30米。

参考附图，现在详细描述本发明的优选实施例，其中相同的部分通过相同的附图标记表示。为了避免对附图的清楚造成妨碍，不是所有的部分都在附图中标出。

具体实施方式

现在将参考附图仅通过例子描述具体实施例，其中：

图1是根据本发明的波浪产能器的优选实施例在水体(通常是海)表面上时的透视图；

图2是图1的波浪产能器在潜入水体表面下方时的透视图；和

图3是图2的能量转换器系泊到水体床的正视图。

首先参见图1和图2，显示了根据本发明的示例性波浪动力的产能器，其包括：海面下的反应构件1；能量捕捉浮子2，其响应于波浪而运动；一系列能量转换器6a、6b、6c、6d，安装在反应构件1上；和具有可调整长度的相应的连接缆绳5a、5b、5c、5d，其可将能量捕捉浮子2连接到相应能量转换器6a、6b、6c、6d。

连接缆绳5a、5b、5c、5d围绕相应能量转换器6a、6b、6c、6d上的鼓轮卷绕在图1中，到达最满或最大程度，使得能量捕捉浮子2和反应构件1之间的间隔最小。在这种情况下，反应构件1和能量捕捉浮子2一起在水体的表面S上浮动。

相反地，在如图2所示的结构中，每一个连接缆绳5a、5b、5c、5d被放出(围绕相应鼓轮卷绕)，使得能量捕捉浮子2和反应构件1之间的间隔最大。在这种情况下，能量捕捉浮子2显示为正好在水体的表面S下方。

图2和图3显示了具有系泊缆绳3a、3b、3c、3d的波浪能产能器，其将产能器系到海底SB，由此保持产能器就位。

系泊缆绳3a、3b、3c、3d可以经由对应长度调整器件4a、4b、4c、4d而连接到反应本体1，使得反应构件1的水下深度变化。

应注意，在本发明的第一实施例中，系泊缆绳3a、3b、3c、3d总是保持拉紧，使得产能器不能在水柱(water column)中自由地上下运动。浮子2和反应构件1的正浮力(分别是B2和B1)使得反应构件1在系泊缆绳3a、3b、3c、3d上形成张紧力Ta、Tb、Tc、Td，在非常活跃的海水情况下为反应构件1和浮子2提供稳定性。

在所示的实施例中，浮子具有7.5米的半径R(15米的直径)且反应构件具有40米的长度和宽度L。浮子1和反应构件2间隔的距离D2为30米。在该构造中，产能器布置为在开放的海水环境中最佳地执行。

反应构件1通常具有中空构造且适于选择性地填充有空气或水以调整其浮力。根据本发明的波浪动力产能器具有正的净浮力，包括反应构件1的浮力B2、和能量捕捉浮子2的浮力B1。产能器具有永久的正浮力，但是可以包括如图1所示的表面构造和如图2和图3所示的水下构造。水下构造是系泊缆绳3a、3b、3c、3d被用作深度设定器件的结果。

在表面构造(图1)时，反应构件1通过足够的浮力在水体(例如海)的表面S上漂浮，以让其承载设备的所有其他部件。在该情况下，根据本发明的产能器可容易地从系泊缆绳3a、3b、3c、3d断开并被运输经过水体的表面S。波浪动力产能器可在水中处于足够高，使得所有与系泊缆绳3a、3b、3c、3d和功率带缆(umbilical)7的所有连接可离开水，且可容易地操作。波浪动力产能器还可形成其自身的稳定服务平台，所有可服役的部件离开水，以易于维护操作。

参考图2，在波浪发生器处于水下操作构造时，通过能量捕捉浮子2和系泊缆绳3a、3b、3c、3d的组合保持浮力反应构件1被悬挂。产能器的净浮力通过反应构件1和能量捕捉浮子2的浮力值(B1+B2)之和限定。

反应构件1具有大的质量，其能对通过浮子2经由连接缆绳5a、5b、5c、5d施加的力和通过波浪直接对其施加的力所造成的运动进行抵抗。反应构件1还在垂直于起伏力的方向上具有大表面面积，其由此通过大的阻力和增加的质量而进一步提供对运动的抵抗。

反应构件1可以使用系泊缆绳3a、3b、3c、3d在能量捕捉浮子2和海底SB之间在深度D1处保持悬挂，其足以确保反应构件1通常低于海表面上的波浪的影响。因此，通过波浪造成的能量捕捉浮子2的运动实现能量捕捉浮子2和反应构件1之间的相对运动。这种运动通过能量转换器6a、6b、6c、6d的相应做功行程被吸收并由此被利用，以产生功率。

在示出的实施例中，显示了单个浮子2，但是应理解如果适当则可提供多于一个的这种浮子，其每一个具有其自己的安装在反应构件1上的一系列能量转换器，以及相应连接缆绳。

在所述的实施例中，浮子半径显示为7.5米(直径15米)且反应构件的长度和宽度显示为40米。替换实施例可以包括浮子，其可以是具有10米到20米的直径、宽度和/或长度的任何形状。替换实施例还可以包括具有任何形状的反应构件，其具有20米到40米的长度和/或宽度或直径(球形时)。

Claims (12)

1.一种用于将水体中的波浪运动转换为有用能量的产能器，所述产能器包括：至少一个能量捕捉浮子，其能响应于所述波浪运动而运动；反应构件，定位在能量捕捉浮子下方；连接器件，用于将所述至少一个能量捕捉浮子连接到所述反应构件；能量转换器件，用于将所述反应构件和所述至少一个相应能量捕捉浮子之间的相对运动转换为有用的能量；其中，产能器包括可调适的深度设定器件，用于在预定范围内设定反应构件在水体中的深度和反应构件距水体床的高度，其中，浮子和反应构件中的每一个均具有正浮力，使得产能器具有永久的净正浮力，产能器的净正浮力通过反应构件和能量捕捉浮子的浮力值之和限定，其中反应构件具有可调整浮力和多个浮力模式，且其中产能器包括至少一个水下运行模式，其中使用深度设定器件让反应构件和浮力浮子潜入水下，其中在所述水下运行模式中，产能器布置为水体中的波浪运动转换为有用的能量。

2.如权利要求1所述的产能器，其中连接器件限定所述能量捕捉浮子和所述反应构件之间的距离。

3.如权利要求2所述的产能器，其中连接器件具有可调整长度，用于独立地调整能量捕捉浮子和反应构件之间的距离。

4.如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的产能器，其中浮子和反应构件的正浮力在深度设定器件中造成足够的张紧力，以在水下时为反应构件提供稳定性。

5.如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的产能器，其中连接器件包括具有可调整长度的至少一个柔性缆绳，其中通过将所述柔性缆绳或每一个柔性缆绳围绕相应鼓轮卷绕来实现长度调整。

6.如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的产能器，其中连接器件可调整地安装到反应构件，使得连接器件的几何结构能够改变。

7.如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的产能器，其中深度设定器件包括具有可调整长度的至少一个柔性系泊缆绳，以将反应构件可调整地定位在水体床上方。

8.如权利要求7所述的产能器，其中产能器具有被所述至少一个柔性系泊缆绳的张紧力所抵抗的净正浮力。

9.如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的产能器，其中深度设定器件通过绞盘联接到反应构件。

10.如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的产能器，其中以下中的至少一个：

a.反应构件长度；

b.反应构件宽度；

c.反应构件直径；

是从20到60米的范围选择的。

11.如权利要求1、权利要求2或权利要求3任一项所述的产能器，其中以下中的至少一个：

a.浮子直径；

b.浮子长度；

c.浮子宽度；

是从10到20米的范围选择的。

12.如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的产能器，其中浮子和反应构件之间的间隔是从0到50米的范围选择的。

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