CN117501004A - 波浪能捕获装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种波浪能捕获装置，该装置设置成当位于操作模式时捕获波浪能并将其转换为有用能量。该装置包括：枢转点；以及固定在枢转点上的浮力波浪能吸收器；该装置还包括操作模式，在该操作模式中，该装置被设置为捕获所述波浪能，其中，在该操作模式中：该枢转点被支撑在水体的表面上方并且相对于水体中的波浪运动保持基本静止；该浮力吸收器定位成在位于枢转点的顺波浪的操作位置处与该水体的表面接合；并且其中，该吸收器被设置成在所述波浪运动的推动下围绕枢转点旋转，所述旋转限定了吸收器的旋转弧，吸收器被设置成在操作模式中沿着该旋转弧往复运动。本公开旨在提供改进的波浪能捕获以将其转换成有用能量。

Description

波浪能捕获装置

技术领域

本公开涉及一种可再生能源捕获装置，具体涉及一种用于捕获波浪能并将其转换为有用能量的波浪能捕获装置。

背景技术

波浪能捕获通常涉及将由于波浪运动而移动的物体的运动转换为能量转换器的运动，以转换为有用的能量形式，例如电能。

捕获波浪能的常见方法涉及例如摆动襟翼的运动，由于作用在其上的波浪力，该摆动襟翼的运动常常移动通过有角度的工作冲程。这种设计常常不能使来自波浪运动的能量吸收最大化，因为当波浪力冲击到襟翼的一侧时，襟翼在其移动时总是在其另一侧传播(辐射)波浪。另外，这种双向襟翼不能实现从波浪运动产生的各种方向力中捕获的能量的最大化。

类似的波浪传播问题也存在于多方向波浪能捕获装置的形式中，例如全向浮点或浸没点吸收器。这种吸收器无法在波浪力的推动下移动以捕获其能量，而不会在某种程度上向所有其他方向辐射波，从而过度地浪费了一部分所捕获的能量。

因此，期望提供一种具有改进的能量捕获能力的波浪能捕获装置，特别是被设置成优化由波浪运动产生的可用方向力的捕获的装置，优选地该装置不会由此产生波浪传播。

发明内容

本公开涉及一种波浪能捕获装置以及一种用于支撑波浪能捕获装置的浮力海上可再生能源捕获系统。该装置包括浮力波浪能吸收器，该浮力波浪能吸收器联接到枢转点，该枢转点位于：直接位于吸收器主体上或者邻近该吸收器主体；或者可选地通过在枢转点和吸收器主体之间延伸的臂构件，吸收器和/或臂构件可绕枢转点旋转。该装置包括操作模式，在该操作模式期间该装置被设置成捕获波浪能以由能量转换器转换成有用能量。在操作或使用模式中，吸收器定位成与水体表面接合，枢转点支撑在水体表面上方。吸收器与水体接合的位置在本文中被称为“操作位置”，位于枢转点的顺波浪处。在本发明的上下文中，术语“顺波浪(downwave)”将被本领域技术人员理解为表示根据波浪方向的“下游”。具体地，术语“枢转点的顺波浪”是指沿波浪传播轨迹上相比与枢转点垂直对齐的点更远的点，或者比枢转点垂直下方的点更远的点。因此，在操作模式中，吸收器被定位为静止，使得吸收器的至少大部分位于枢转点的中心的一侧上，该侧比中心更沿着普遍的波浪传播轨迹。在优选实施例中，在操作模式下，吸收器可以完全定位在静止的枢转点的中心的一侧。本发明的上下文中的术语“静止”将被本领域技术人员理解为是指当吸收器不沿着旋转弧主动移动时的持续时间段，例如在仅具有最小或没有波浪运动的平静海况期间，或者当水体表面基本平坦时。在这种构造中，在包括臂构件的实施例中，臂构件定位成相对于由枢转点占据的竖直平面不平行于或倾斜。

吸收器以这种方式定位，同时可选地通过臂构件可旋转地联接到枢转点，限制吸收器或位于其上的点在水体内的波浪运动的推动下沿着旋转弧运动。具体地，在主波浪方向上的所述波浪运动导致吸收器沿着旋转弧往复运动，随着海平面的高度由于所述波浪运动而增加，首先在主波浪方向上向上，并且随后由于海平面随着所述波浪运动的降低而沿着旋转弧返回。因此，以下的往复的角度运动：吸收器；在枢转点和吸收器的远离该枢转点的外边缘之间延伸的虚线；和/或固定在吸收器和枢转点之间的臂构件，是由吸收器和波浪之间的相互作用引起的。吸收器沿旋转弧的往复运动，以及以下的可选的角度运动：吸收器；在枢转点和吸收器的远离该枢转点的外边缘之间延伸的虚线；和/或臂构件，允许吸收器吸收来自水体的所述波浪的升沉(垂直波分量)和涌动(水平波分量)的波浪能，从而提高波浪能捕获的效率。由于水体的波浪通常在特定时间点具有主波浪方向，所以本发明优选地优化捕获该方向上的波浪的这些升沉和涌动分量。

因此，根据本公开的第一方面，提供了一种波浪能捕获装置，被设置用于捕获波浪能并将其转换为有用能量，所述装置包括：枢转点；固定在所述枢转点上的浮力波浪能吸收器。所述装置进一步包括操作模式，在所述操作模式中，所述装置被设置成用于捕获所述波浪能，其中在所述操作模式中：所述枢转点被支撑在水体的表面上方并且相对于所述水体中的波浪运动保持基本静止；所述浮力吸收器被定位成在位于所述枢转点的顺波浪处的操作位置处与所述水体的所述表面接合；并且其中，所述吸收器被设置成在所述波浪运动的推动下围绕所述枢转点旋转，所述旋转限定了吸收器的旋转弧，所述吸收器被设置成在所述操作模式中沿着所述旋转弧往复运动。

在优选的实施例中，所述吸收器包括：波浪接合表面和弯曲的顺波浪表面；其中，所述弯曲的顺波浪表面在所述操作模式下位于波浪接合表面的顺波浪处；以及其中，所述顺波浪表面的至少一部分包括基本上沿着所述旋转弧的一部分从邻近所述波浪接合表面延伸的曲线。

吸收器优选地被专门成形以增强从波浪中的能量捕获。在优选实施例中，吸收器被设置成定向为面向平均或主波浪方向。例如，在具有波浪接合表面的实施例中，该装置优选地设置成将波浪接合表面定向成与所述平均或主波浪方向相反。因此，在优选实施例中，吸收器的截面形状(在平行于波浪方向的平面中)被优化从而使得波浪能捕获最大化。

在操作模式中静止时，当水体的表面基本平坦时，吸收器被设置成与水体的表面接合，部分地浸没在水中，吸收器的一部分位于水下，而吸收器的一部分高于水面。当吸收器在操作模式下由于波浪运动而移动时，其被设置成在波浪的推动下移动，这可能涉及进一步移入和移出水中。吸收器在水中移动的方式可能对能量捕获的效率有重大影响。因此，吸收器优选地被设置为，当沿可选地由臂构件限定的旋转弧移动时，提供对接近的波浪运动的阻力(以吸收其能量)，并且进一步优选地被设置成当沿着旋转弧移动时，不传播或仅最低限度地传播波浪(否则会浪费能量)。

为了优化能量捕获，吸收器优选地包括至少一个弯曲的顺波浪表面，在操作模式中，该弯曲的顺波浪表面面向与主波浪方向相反的方向，并且在所述方向上远离枢转点。在一些优选的实施例中，所述弯曲的顺波浪表面的曲线基本遵循所述旋转弧的一部分，使得所述弯曲的顺波浪表面与所述旋转弧同心或基本同心，在优选的此类实施例中，其中心基本位于所述枢转点处。凭借遵循或基本遵循旋转弧的一部分，当吸收器在所述波浪运动的推动下移动时，弯曲的顺波浪表面优选地设置成穿过水体，使得弯曲的顺波浪表面不会干扰或以其他方式对抗水体，因此优选地不传播波或仅引起波浪的最小传播。否则，通过弯曲的顺波浪表面的任何此类波浪传播都会浪费吸收器捕获的波浪能。

因此，弯曲的顺波浪表面优选地赋予波浪能捕获装置的此类实施例非常有利的特性：该装置能够吸收来自主波浪方向的波浪能，同时使得波浪在任何其他方向上的传播(辐射)最小化，否则这将浪费吸收器捕获的大部分能量。

其他波浪能捕获装置不具有此特性。例如，典型的振荡襟翼波浪能捕获装置包括移动经过角度工作行程的竖直襟翼。这种设计无法吸收来自襟翼一侧接近的波的能量，而不会在襟翼移动时以某种方式在襟翼的另一侧传播(辐射)波浪。类似地，典型的全向点吸收器无法吸收来自主波浪方向的波浪能，而不会在一定程度上向所有其他方向辐射波，从而浪费能量。

波浪接合表面设置成抵抗水体中的波浪运动，使得所述波浪运动为吸收器沿着旋转弧的运动提供动力。在优选实施例中，波浪接合表面与旋转弧相交。在这样的实施例中，波浪接合表面与旋转弧不对齐，并且优选地倾斜于旋转弧，这优选地在主波浪方向上提供最佳的波浪能捕获。波浪接合表面优选地基本上是平坦的。在优选实施例中，波浪接合表面基本上垂直于旋转弧，使得当吸收器在操作模式中静止时，波浪接合表面垂直定向并且基本上平行于由枢转点占据的竖直平面。

在一些实施例中，可能期望吸收器沿旋转弧的往复运动或振荡以与要从其吸收能量的所述波浪的频率相关联的往复运动或振荡频率进行。在特定实施例中，优选的是，所述往复运动或振荡的频率近似于或等于波浪的所述频率。所述往复运动或振荡的频率与波浪的频率的对准或者更接近地与波浪的频率的对准被称为并且在本文中被称为“调谐(tuning)”，并且优选地增加由吸收器捕获的能量的量。在一些实施例中，通过调节吸收器的浮力和/或质量，优选地根据装置的特性，例如吸收器沿着所述波浪的波浪周期，和/或吸收器沿着旋转弧的位置，和/或臂构件相对于枢转点占据的竖直平面的角度，和/或特定的海况，和/或水体的特性，使得这种调节成为可能。因此，在优选实施例中，吸收器的质量是可调节的。在示例性的此类实施例中，吸收器优选地包括至少一个内部隔室，并且任选地包括多个所述内部隔室。在优选实施例中，该装置还包括泵，该泵设置成用第二流体选择性地置换所述内部隔室中的第一流体，其中第一流体和第二流体包括在室温下不同的密度。第一流体优选为空气，第二流体优选为水，或反之亦然。将理解的是，实施例中，设置用于调节吸收器的质量和/或浮力的任何合适装置。

在优选实施例中，所述置换被设置为限定从预定的一组比率中选择的第一流体和第二流体的比率，每个所述比率与所述水体的相应特性相关联。因此，该装置优选地设置成根据水体的特性(例如可选地限定海况)来“谐调”吸收器沿旋转弧往复运动/振荡的频率。优选地，该特性可以是选自以下组中的一种或多种：波浪高度；波浪频率；波浪速度；波浪力和波浪形状。可以例如根据跨多个时间点测量的多个特性的测量值来选择所述比率。该特性可以例如构成从多个测量值确定或推断的值，例如其平均值或方差。该比率可以根据包括一种或多种所述性质作为变量的任何合适的公式来选择。应当理解的是，实施例中，该比率根据水体的任何合适的特性来选择的实施例，并且优选地选择为使吸收器沿着旋转弧的往复运动/振荡的频率与水体的波浪频率基本一致。

优选地，吸收器包含多个内部隔室，这些内部隔室设置成选择性地填充有预定比例的第一和/或第二流体，以给予吸收器针对不同海况的多个预定调谐状态。用第一或第二流体(例如水)完全填充较小的内部隔室，防止所容纳的流体晃动，并且优选地调整单个大的内部隔室中的流体量，在单个大的内部隔室中晃动可能导致不可预测的吸收器行为和/或不可预测的施加在吸收体结构上的力。在一些实施例中可以使用其他合适的机构，例如设置位于一个或多个内部隔室中的一个或多个挡板，以进一步防止所述晃动。

在一些实施例中，该装置优选地还包括：从枢转点延伸的所述臂构件，该臂构件设置成绕枢转点旋转；并且其中浮力波浪能吸收器固定在臂构件的远离枢转点的端部附近。在最优选的此类实施例中，吸收器可以固定至臂构件，使得吸收器不能相对于臂构件旋转。在具有臂构件的一些优选实施例中，当所述水体表面基本平坦时，臂构件优选地相对于枢转点的竖直平面以静止角度定位，该静止角度选自15°到70°之间。静止角度更优选地选自25°至65°之间。静止角度优选地限定臂构件的最佳取向，并因此限定吸收器的最佳取向，以便通过由于波浪运动的推动力而进行的往复运动来优化波浪能捕获。

在操作模式中，臂构件优选地设置成在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置和第二位置之间限定移动角度，移动角度围绕静止角度，且高达90°，并且可以例如定位成提供在静止角度的任一侧上高达45°的臂构件的运动。运动角度优选地位于静止角度周围高达60°，并且可以例如被定位成在静止角度的任一侧提供高达30°的臂构件运动。应当理解，可以使用任何合适的静止角度和移动角度，其中静止角度是枢转点占据的竖直平面的大于0°顺波的角度。在一些实施例中，任何这样的臂构件优选地尽可能短，以最小化围绕枢转点的扭矩，并且将理解的是，在一些实施例中，优选地不具有臂构件，使得吸收器主体直接固定至枢转点，以便使所述扭矩最小化。应当理解，在不存在臂构件的实施例中，本文中描述的与臂构件有关的任何特征可同样适用于在枢转点和吸收器的远离该枢转点的外边缘之间延伸的虚线。例如，本文中涉及臂构件的静止角度的讨论可以同样应用于不具有所述臂构件的实施例中的所述虚线。因此，静止角度可以代之以指的是虚线相对于枢转点的竖直平面的静止角度。

该装置优选地还包括偏航机构，该偏航机构设置成使枢转点和/或吸收器在垂直于旋转弧的平面(本文称为偏航平面)的平面上偏航。这种偏转优选地设置成重新定向该吸收器，并且优选地重新定向其波浪接合表面，使得吸收器的最大尺寸对抗主波浪方向。该特征可能是优选的，因为随着时间的推移，水体中的波浪可能不具有相同的主要方向，并且因此为了使得波浪能捕获最大化，可能需要装置或其操作员调整吸收器的取向，使得所述波浪方向充分相反，以便于装置捕获波浪能。在这样的实施例中，该装置还可以包括设置成通知所述偏航的波浪方向传感器。将理解的是，实施例中，使用确定主波浪方向的任何合适装置。本文所使用的术语“主波浪方向”在本发明的上下文中将被理解为意指在水体中提供或检测到最大波浪传播力的方向，并且可以构成所述波浪方向或多个波浪方向的平均波浪方向。

在一些优选实施例中，所述偏转被设置成将吸收器的波浪接合表面重新定位成与平均或主波浪方向相反。偏航机构优选地进一步设置成在所述重新定位之后限制所述偏航。因此，使用所述偏航机构的装置的旋转优选地对波浪运动具有鲁棒性，使得一旦吸收器重新定向，波浪的作用就不会引起装置沿着所述平面的进一步旋转。任何所述的进一步旋转都会造成能量浪费。优选实施例包括需要电源以便执行所述偏航的主动偏航机构。其它合适的实施例可以包括被动偏航机构，该被动偏航机构被设置成允许吸收器并且优选地其波浪接合表面自动呈现与主波浪方向相反的取向，例如使用鳍或舵机构。

在一些优选实施例中，偏航机构可以设置成允许设备在所述平面上自由旋转，例如完整的360°旋转。不希望受理论的束缚，与风向不同，在本发明所意图的水体中，例如大海或大洋中的离岸位置，波向通常面临随着时间的推移较少可能的方向变化，因此在其他优选实施例中，所述偏航可限于在小于360°的偏航角度内执行，例如高达90°，并且更优选地高达45°。

在优选实施例中，吸收器包括大于吸收器的长度或高度的宽度，其中在操作模式中吸收器的所述宽度被定位为垂直于平均或主波浪方向。作为吸收器的最大尺寸的宽度可以优选地使吸收器的表面积最大化，并且优选地使得被设置成与主要波浪运动/方向对抗的波浪接合表面最大化，并且因此使得从所述波浪捕获的能量最大化。在这样的实施例中，为了使得能量捕获最大化，吸收器相对于波浪的方向的正确对准是优选的。因此，这样的实施例优选地包括如本文所述的偏航机构，其被设置成将吸收器的波浪接合表面定向成与主波浪方向相反。

在优选实施例中，该装置还包括设置成将吸收器的旋转转换成有用能量的能量转换器，可选地设置成将吸收器引起的所述臂构件的旋转转换成有用能量。能量转换器优选地是旋转发电机(其可以例如是电动的或液压的)。将理解任何其他合适形式的能量转换器能够将波浪能转换成有用的能量，例如电能，例如：线性发电机；液压缸；与将旋转运动转换为线性运动的机构(例如曲柄臂或齿条和小齿轮)相结合的任何类型的线性发电机。旋转发电机还可以联接到齿轮装置，例如齿轮箱，齿轮装置设置成转换吸收器和/或臂构件绕枢转点的旋转速度，以更好地适合所使用的特定能量转换器类型。应当理解，在一些优选实施例中，能量转换器可以设置成提供吸收器和/或臂构件运动致动器或限制器的附加功能，并且可以接收用于执行该功能的电源。这种运动致动或限制的目的优选是例如在暴风雨生存模式下将吸收器移动并保持在水体表面上方。在一些实施例中，能量转换器可以使吸收器和/或臂构件绕枢轴旋转，以便将吸收器移动到悬挂位置，在该悬挂位置中吸收器定位在水体表面上方。能量转换器可以通过限制吸收器和/或臂构件的任何进一步移动来将吸收器保持在固定位置，或者可以使用诸如固定装置的另一移动限制机构来将吸收器保持在悬挂位置。移动限制机构优选地减少施加在能量转换器上的负载，否则可能需要电源来将吸收器维持在悬挂位置。将理解的是，可以采用任何合适的这种运动限制构件。还应当理解，可以使用任何合适的单独的部件或系统来提供所述能量转换和运动致动/限制的功能。

在优选实施例中，该装置还包括浮力平台，该浮力平台被设置成拴系到所述水体的床，该平台在操作模式下浸入水中并且被设置成将枢转点支撑在所述水体的表面上方。该平台优选地是任何合适的浮力平台，优选地设置成在操作模式中提供相对于所述波浪运动的固定枢转点。平台的浮力优选地设置成抵消系泊装置中的张力，该系泊装置设置成将浮力平台系到水体的底部，使得所述张力在操作模式下为平台提供稳定性，从而保持枢转点相对于所述波浪运动基本静止。所述系泊装置优选地设置成安装在期望位置处，使得平台可以被运输到期望位置，同时在安装之前将所述枢转点支撑在水体表面上方。浮力平台优选地是张力腿平台(TLP)，但是任何合适的平台都是可以理解的。

所述装置优选地还包括暴风雨生存模式，其中所述吸收器位于所述水体的所述表面之上，其中所述表面由所述水体的最大波浪高度限定。所述暴风雨生存模式不同于所述操作模式，因为所述吸收器位于所述水体的所述表面之上，使得其不捕获波浪能。所述暴风雨生存模式的目的是限制过度波浪力(例如在风暴期间经历的波浪力)对所述吸收器的影响，其中，所述力可能对所述装置的部件或与其耦合的能量转换系统造成损坏或过度磨损。具体地，在暴风雨生存模式中，水体的表面相对于吸收器的位置预期会改变，因为在风暴(或大的)海况期间，水体的波浪预期会变化并且比在平静的海况中更明显。因此，在暴风雨生存模式的上下文中，所述表面根据水体的最大波浪高度来确定。在所述实施例中，吸收器可以悬挂在水体的表面之上，例如，臂构件(或所述虚线)相对于由枢转点占据的垂直平面成角度定位。在这样的位置中，吸收器可以在臂构件和/或枢转点上施加向下的力，使得扭矩被施加到枢转点，并且其起作用以将吸收器和/或臂构件悬挂在悬挂位置处的任何运动限制机构。因此，该装置可以进一步包括固定装置，该固定装置设置成将吸收器和/或臂构件固定在悬挂位置处，使得枢转点(以及任何运动限制机构)减轻由吸收器和任选的臂构件的重量施加到其上的任何扭矩。将理解的是，实施例中，在风暴生存模式中，臂构件(或所述虚线)基本上平行于由枢转点占据的垂直平面，使得最小的旋转扭矩由吸收器和任选的臂构件施加到枢转点(和任何运动限制构件)。

该装置优选地还包括运输模式，其中吸收器定位在水体的所述表面上方，并且进一步定位成基本上在由枢转点占据的竖直平面中枢转点的下方。运输模式优选地设置成允许将装置运输到用于固定的期望位置。在运输模式中，枢转点优选地定位在一定高度处，使得臂构件(或所述虚线)设置成与枢转点占据的竖直平面对准，同时吸收器保持在水体表面上方。这种构造优选地将吸收器悬浮在水体表面上方所需的能量最小化。在没有臂构件的实施例中，应当理解，“基本上低于枢转点”意味着吸收器的大部分定位在枢转点下方。

在一些优选实施例中，枢转点被支撑在枢转点高度处，其中枢转点高度是可调节的。因此，任何合适的枢转点支撑结构或支撑枢转点的机舱的高度均可调节。枢转点高度的调节优选地提供了相对于由枢转点占据的竖直平面的臂构件(或所述虚线)的角度，该角度在所经历的潮汐和波浪的整个范围内是最佳的。枢转点高度的这种调整可以例如对应于检测到的平均海平面和/或平均波浪高度。这种高度调节优选地还允许本发明具有最小长度的臂构件，因此允许固定到臂构件并设置成由其围绕臂构件的旋转驱动的动力输出装置或能量转换器所经历的扭矩的减小。枢转点高度调节还可以允许枢转点在操作模式中移动靠近水体表面，但在大的海况下(例如在暴风雨生存模式中)远离水体表面。

优选地，枢转点由至少一个支撑臂支撑在枢转点高度处，该至少一个支撑臂可旋转地固定在其靠近枢转点的第一端处，其中该至少一个支撑臂围绕其远离第一端部的第二端部的旋转被设置成用于调节枢转点高度。枢转点最优选地由至少两个所述支撑臂支撑在枢转点高度处。该至少两个支撑臂优选地彼此平行地固定。在这样的实施例中，两个支撑臂形成平行四边形的平行边，这优选地为枢转点在枢转点高度处提供最佳稳定性，同时不允许任何枢转点支撑结构或机舱在所述高度调节期间围绕枢转点旋转。因此，在整个枢转点高度调节过程中，所述支撑结构或机舱保持基本恒定的定向。支撑臂围绕其第二端的旋转以调节枢转点高度可以通过任何合适的致动器(例如马达或液压油缸)来执行。引起一个或多个、优选两个或多个支撑臂绕其第二端旋转的致动器可以选择为适合于高力、偶尔使用，例如液压缸。可选择适合较低扭矩和连续使用的动力输出装置或能量转换器致动器，例如电机和变速箱。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括根据第一方面的装置的浮力海上可再生能源系统。

应当理解，本文中被描述成适于并入本公开的一个或多个方面或实施例中的任何特征旨在可概括到本公开的任何和所有方面。

详细说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开的实施例，其中：

图1描绘了根据第二方面的在浮力海上可再生能源系统上支撑的操作模式下的根据第一方面的波浪能捕获装置的立体图；

图2描绘了图1的实施例在第一主波浪方向的侧视图；

图3描绘了图2的实施例的平面图；

图4描绘了图1的实施例的平面图，其中，波浪能捕获装置在其偏航机构上旋转以与第二主波浪方向对准；

图5描绘了第一方面的另一实施例的剖面侧视图，其包括具有内部隔室的吸收器；

图6描绘了图5的实施例的枢转点的特写立体图；

图7描绘了图1的实施例示出为在暴风雨生存模式下的侧视图；

图8描绘了图1的实施例示出为在运输模式下的侧视图；

图9描绘了根据第二方面的浮力海上可再生能源系统的替代实施例的立体图；

图10A示出了根据第一方面的波浪能捕获装置的另一实施例在操作模式下的侧视图，该波浪能捕获装置被支撑在根据第二方面的浮力海上可再生能源系统上，并且具有被支撑在第一枢转点高度的枢转点；以及

图10B描绘了图10A的实施例，其中枢转点被支撑在第二枢转点高度处。

参照图1，示出了根据本公开的第一方面的波浪能捕获装置100的示例实施例的立体图。装置100被设置成用于捕获来自水体(透明)的波浪能并将其转换为有用能量(其在所示的示例实施例中为电能)，并且包括：枢转点104；从枢转点104附近延伸的细长臂构件106，该臂构件106设置成绕枢转点104旋转。装置100还包括浮力波浪能吸收器108，其固定在臂构件106的远离枢转点104的端部附近。

图2示出了装置100在操作模式下的侧视图，其中，该装置被设置成在该操作模式下捕获波浪能，其中，在所示的该操作模式中，枢转点104被支撑在水体102的表面110上方并且相对于沿水体102内的主波浪方向112的波浪运动保持基本静止。此外，在所示的操作模式中，浮力吸收器108定位成在操作位置处与水体102的所述表面110接合，该操作位置位于枢转点104所占据的竖直平面118的顺波浪116定位的平面114中。在所示的操作模式中，吸收器108设置成在所述波浪运动的推动下从静止位置120绕枢转点104在第一位置122以及第二位置124(每个在图2中使用虚线示出)之间旋转。所述旋转限定了吸收器108的旋转弧，吸收器108设置成在操作模式中沿着该旋转弧往复运动。

在所示的示例性实施例100中，吸收器108包括基本平坦的波浪接合表面126，该波浪接合表面126设置成平行于由处于静止位置120的枢转点104所占据的竖直平面118定位。吸收器108进一步包括弯曲的顺波浪表面128；在所示的操作模式中，弯曲的顺波浪表面128定位在波浪接合表面126的顺波浪116处。在所示的实施例100中，波浪接合表面128位于吸收器108的与枢转点104沿直径相对的末端处。如图所示，顺波浪表面128的至少一部分包括从邻近波浪接合表面126延伸的曲线，波浪接合表面126基本上沿着由吸收器108的顺波浪表面128的轨迹所形成的旋转弧的一部分。

在图2的实施例中，波浪能捕获装置的枢转点104被示出为支撑在浮力平台130上，平台130包括基部、从基部延伸的桅杆、以及支撑在桅杆132的远离该基部的一端。基部由中空框架136形成，中空框架136上分布有多个浮力箱138。在所示的操作模式中，从基部延伸出系泊装置(未示出)，其将浮力平台130系到水体102的床(未示出)，使得基部浸没在水体102的表面110下方，并且枢转点104支撑在水体102的表面110上方的上部134。

由浮力箱138提供的浮力设置成在系泊装置中引起张力，从而在操作模式下为平台130提供稳定性，使得枢转点104相对于所述波浪运动保持基本静止。

在使用中，当吸收器108在所述波浪运动的推动下从静止位置120沿着旋转弧在第一位置122和第二位置128之间旋转时，其弯曲的顺波浪表面128基本上遵循旋转弧并且基本上是与其同心。这样，在所述旋转期间，最小的反作用力由顺波浪表面128施加到水体102。这样，吸收器108仅用于最小程度地抵抗作用在其波浪接合表面126上的沿主波浪方向112的波浪力，因此仅引起最小的(如果有的话)波浪传播，从而允许波浪接合表面126从所述波浪运动捕获最大量的波浪能。

图2所示的装置的平面视图如图3所示。如图3中可以更清楚地看到的，吸收器108包括大于其任何其他尺寸的宽度W。该宽度W使得吸收器108的波浪接合表面126能够抵抗即将来临的波浪运动，从而捕获最大量的波浪能。

在图2和图3所示的示例100中，该装置还包括定位在平台130的上部134和枢转点104之间的偏航机构140。偏航机构140被设置成由电机142驱动以使枢转点104以及位于与旋转弧的平面垂直的平面上的固定的吸收器108偏航，使得吸收器108可以重新定位，使其波浪接合表面126抵抗与所示的主波浪方向112不同的主波或平均波浪方向。当比较图3的平面图时，可以更清楚地看到偏航机构140的偏航动作。图4所示的平面视图描绘了通过偏航机构140重新定位在偏航平面上的吸收器108，使得其波浪接合表面126抵抗与图2和图3中描绘的主波浪方向112不同的主波浪方向144相对。在如图4所示的重新定位之后，偏航机构140设置成限制吸收器108沿着偏航平面的进一步运动，以便使得通过所述运动的能量损失最小化，提供对抗所述运动的刚性并且能够实现吸收器108在主波浪方向112、144上捕获最大量的波浪能。

总之，图1至图4的实施例的特征形成根据第二方面的浮力海上可再生能源系统的示例性实施例。

图5示出了波浪能捕获装置200的另一实施例的简化剖面侧视图。实施例200大部分与图1的实施例相同，并尽可能使用对等编号。图5的实施例200包括具有多个内部隔室202的吸收器108，相邻的隔室202通过隔室壁204彼此分隔开。装置200还包括泵(未示出)，其设置成将水从水体102泵入，并从每个隔室202排出，以便排出其中的一定量的空气。这种泵送重新限定了每个隔室内的空气:水的比例，并由此调整吸收器108的质量。在所示的实施例中，泵被设置成选择性地基于水体102的特性来调整或“调谐(tune)”吸收器108的质量。装置200还包括多个传感器(未示出)，其被设置为检测和测量水体的特性，并且处理器被设置为根据所述测量来确定该水体的特性在多个预定义的范围之一内。在所示的示例200中，每个预定义的特性范围对应于相应的空气:水比率，使得在确定水体的特性在预定义的范围之一内时，处理器被设置成控制泵以实现与所述范围相关的相应空气:水比率。在所示的示例性实施例中，该特性是根据一系列波高测量确定的平均波浪高度。将理解的是，实施例中，该特性是水体或装置的任何合适的特性，如本文所述。

图1至图3的实施例的枢转点104的特写立体图在图6中示出。如图6更清楚地所示，该装置还包括波浪能转换器(WEC)146，其围绕枢转点104定位并且设置成通过臂构件106和吸收器108围绕枢转点104的旋转而被驱动。在所示的实施例中，WEC146采用旋转发电机的形式，该旋转发电机设置成将臂构件106和吸收器108的旋转运动转换成电能，用于输出到电能存储器(未示出)。将理解的是，实施例中，WEC是如本文所描述的任何合适的能量转换装置。该装置可以包括设置成将电能传送到远程存储装置或用于立即使用的电力线，或者替代地，该装置可以包括诸如电池的机载电存储设备，用于延迟传输或使用。

图1的实施例100显示为在暴风雨生存模式下的侧视图在图7中示出。在所示的暴风雨生存模式中，WEC146用作臂构件106的运动致动器和运动限制器，使得吸收器108升高到位于最大波浪高度150上方的悬挂位置148，最大波浪高度150由水体102的表面110的最大高度限定。在所示的实施例中，WEC146的旋转轴线在臂构件106和吸收器108的负载下受到扭矩作用。将理解的是，实施例中，一旦吸收器108达到悬挂位置148时，固定装置用于将臂构件106固定就位，使得WEC不需要持续的电力来将吸收器108维持在悬挂位置148。与当臂构件106处于图2所示的静止位置120时相比，该臂构件106在所示的暴风雨生存模式中，相对于所述枢转点104占据的竖直平面118以更大的角度定位。

当检测到或预测到过大的波浪力时，例如在暴风雨期间所经历的那些波浪力，使用如图7所示的暴风雨生存模式。本领域技术人员将理解，过大的波浪力是大于预定安全阈值的任何波浪力，从而可能发生对设备的损坏。

参照图8，图1的实施例100的侧视图以运输模式或水面模式示出，其中，平台130被定位为漂浮在水体102的表面110上。在所示的示例中，处于运输模式的臂构件106与由枢转点104占据的竖直平面对齐。在该位置中，吸收器108保持在水体102的表面110的上方。因此，在所示的运输模式中，WEC146需要最小的负载或不需要负载，以便将吸收器108保持在水体102的表面110的上方。在所示的运输模式中，吸收器108可能优选地保持在水体102的表面110的上方，使得波浪力不作用在吸收器108上，否则可能会破坏水体102中漂浮且不受束缚的装置的稳定性，而对装置的运输的便利性产生负面影响。

在所示的运输模式中，装置设置成由部署船152沿水体102的表面110拖曳至期望的部署位置。在期望的部署位置处，所示示例中的部署船152设置成通过固定在部署船152和电机142之间的临时电源线154为电机142供电。设置成驱动该装置的绞车(未示出)，该绞车在其上卷绕系泊装置(未示出)，例如锚定到水体102的床(未示出)的绳索或链条，以便淹没该装置，以实现如图2所示的操作模式。

图9的立体图中示出了浮力海上可再生能源系统300的另一实施例。实施例300基本上如本文中有关图1至图8中所描述的那样，但包括两个波浪能捕获装置302。实施例300的平台304通过系泊装置拴系到水体(透明)的床306，该系泊装置包括固定到相应锚定点310的一对链条30，使得平台在所示操作模式下最大程度地被稳定，并且该装置302的枢转点316相对于水体中的波浪运动保持基本静止。在一些实施例中，平台304的中央桅杆318可以支撑风力涡轮机(未示出)，并且在所示的实施例中支撑由操作人员在系统300的部署和维护期间所占用的控制、维护和存储设施。

图10A示出了根据第一方面的波浪能捕获装置的另一实施例400。实施例400被示出为处于根据第二方面的浮力海上可再生能源系统所支持的操作模式中。该系统包括基本上如图1的实施例100所描述的枢转点402、细长臂构件404和浮力波浪能吸收器406。与图1的实施例100一样，臂构件404相对于由枢转点占据的垂直平面成一定角度定位，使得吸收器406的波浪接合表面定位在由枢转点402占据的垂直平面的顺波浪的平面中。枢转点402位于机舱408上，机舱408容纳动力输出装置(未示出)，该动力输出装置设置成，在浮力吸收器406与水体412的表面410上的波浪接合时，由细长臂构件404围绕枢转点402的旋转驱动。机舱408的每一侧由一对相应的平行支撑臂414支撑，支撑臂414在其第一端处可旋转地固定至机舱408。平行支撑臂414还可旋转地固定至直立在浮力平台420上的中心桅杆418的上部部分416。所示的实施例400包括采取液压油缸形式的高度调节机构422，在所示的示例中，液压油缸可旋转地固定在中央桅杆418和一对平行支撑臂414中的一个支撑臂之间。平台420通过一系列系泊线425固定到水体412的床424，平台420的浮力抵消了桅杆418和支撑在其上的波浪能捕获装置的部件上的重力的作用力。

在所示视图中，示出了实施例400，其中枢转点402由高度调节机构422定位在相对于水体412的表面410的平均高度428的第一枢转点高度426处。在如图所示的操作模式中，枢转点402通过高度调节机构422始终保持在水体412的表面410的平均高度之上，使得细长臂构件404的所述角度得以保持。在这样的角度下，吸收器406的波浪接合表面被设置为最佳地捕获波浪能，如本文所述。图10B描绘了与图10A所示相同的实施例400。现在参考图10A，其中示出了水体412的表面410的不同的、较高的平均高度430。在图10B的构造中，高度调节机构422已将枢转点402定位在相对于水体412的表面410的较高平均高度430不同的较高枢转点高度432处，使得所述最佳臂构件角度得以保持。

所示实施例400中的平行支撑臂414提供基本平行四边形的支撑结构，其在高度调节机构422的整个高度调节过程中最佳地将机舱408维持在基本恒定的定向。这优选地使得能够更容易地维持所述最佳臂构件角度。为了一致性，本描述涉及相对于该枢转点所占据的竖直平面的最佳臂构件角度。应当理解，保持吸收器的波浪接合表面相对于由枢转点占据的竖直平面的最佳角度对于通过本发明提供持续的最佳波浪能捕获同样重要。

可以设想上面未描述的在本公开的范围内的其他实施例，例如，可以存在如本文所描述的平台上的可再生能源转换器的任何组合。如本文所述，应当理解，其中装置不包括所述臂构件的实施例，并且在这样的实施例中，本文中与臂构件相关的任何讨论可以同等地应用于在枢转点和位于该枢转点远端的吸收器的外边缘之间延伸的虚线。臂构件和吸收器的所述虚线沿着旋转弧的旋转以及装置沿着偏航平面的旋转可以以如本文所述的任何合适的角度发生。

Claims (26)

1.一种波浪能捕获装置，被设置用于捕获波浪能并将其转换为有用能量，所述装置包括：

枢转点；和

固定在所述枢转点上的浮力波浪能吸收器；

所述装置进一步包括操作模式，在所述操作模式中，所述装置被设置成用于捕获所述波浪能，其中，在所述操作模式中：

所述枢转点被支撑在水体的表面上方并且相对于所述水体中的波浪运动保持基本静止；

所述浮力吸收器被定位成在位于所述枢转点的顺波浪处的操作位置处与所述水体的所述表面接合；并且

其中，所述吸收器被设置成在所述波浪运动的推动下围绕所述枢转点旋转，所述旋转限定了吸收器的旋转弧，所述吸收器被设置成在所述操作模式中沿着所述旋转弧往复运动。

2.根据权利要求1所述的波浪能捕获装置，其中，所述吸收器包括：波浪接合表面和弯曲的顺波浪表面；其中，所述弯曲的顺波浪表面在所述操作模式下位于波浪接合表面的顺波浪处；以及

其中，所述顺波浪表面的至少一部分包括基本上沿着所述旋转弧的一部分从邻近所述波浪接合表面延伸的曲线。

3.根据权利要求2所述的波浪能捕获装置，其中，所述曲线与所述旋转弧同心或基本同心。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的波浪能捕获装置，其中，所述波浪接合表面与所述旋转弧相交。

5.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述枢转点被支撑在枢转点高度处，其中，所述枢转点高度是可调节的。

6.根据权利要求5所述的波浪能捕获装置，其中，所述枢转点由至少两个支撑臂支撑在所述枢转点高度处，所述至少两个支撑臂可旋转地固定在其靠近所述枢转点的第一端处，其中，所述至少两个支撑臂围绕其远离所述第一端的第二端的的旋转被设置用于调节枢转点高度。

7.根据权利要求6所述的波浪能捕获装置，其中，所述至少两个支撑臂彼此平行地固定。

8.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述吸收器的质量是可调节的。

9.根据权利要求8所述的波浪能捕获装置，其中，所述吸收器包括至少一个内部隔室。

10.根据权利要求9所述的波浪能捕获装置，其中，所述吸收器包括多个内部隔室。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的波浪能捕获装置，其中，所述装置还包括泵，所述泵设置成用第二流体选择性地置换所述内部隔室中的第一流体，其中，所述第一流体和所述第二流体包括在室温下不同的密度。

12.根据权利要求11所述的波浪能捕获装置，其中，所述第一流体是空气，并且所述第二流体是水。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的波浪能捕获装置，其中，所述置换被设置成用于限定从预定的一组比率中选择的第一流体和第二流体的比率，每个所述比率与所述水体中的相应特性相关。

14.根据权利要求13所述的波浪能捕获装置，其中，所述特性是选自以下组中的一个或多个特性：波浪高度；波浪频率；波浪速度；波浪力和波浪形状。

15.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，所述装置还包括：

从所述枢转点延伸的臂构件，所述臂构件设置成围绕所述枢转点旋转；以及

其中，所述浮力波浪能吸收器被固定在所述臂构件的远离所述枢转点的端部附近。

16.根据权利要求15所述的波浪能捕获装置，其中，当所述水体表面基本平坦时，所述臂构件相对于所述枢转点的竖直平面以静止角度定位，所述静止角度选自15°至70°之间。

17.根据权利要求16所述的波浪能捕获装置，其中，在所述操作模式中，所述臂构件被设置成在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置和所述第二位置之间限定移动角度，所述移动角度围绕所述静止角度以高达90°的角度定位。

18.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述装置还包括偏航机构，所述偏航机构被设置成使得所述枢转点和/或所述吸收器在与所述旋转弧所在的平面相垂直的平面上偏航。

19.根据权利要求18所述的波浪能捕获装置，其中，所述偏航被设置成将所述吸收器的波浪接合表面重新定位成与平均或主波浪方向相反。

20.根据权利要求19所述的波浪能捕获装置，其中，所述偏航机构还被设置成在所述重新定位之后限制所述偏航。

21.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述吸收器包括大于所述吸收器的长度或高度的宽度，其中，所述吸收器的所述宽度在所述操作模式下定位成垂直于平均或主波浪方向。

22.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述装置还包括能量转换器，所述能量转换器被设置成将所述吸收器的旋转转换成所述有用能量。

23.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述装置还包括浮力平台，所述浮力平台被设置为拴系到所述水体的床，所述平台在所述操作模式下浸没并被设置成支撑位于所述水体的所述表面上方的所述枢转点。

24.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述装置还包括暴风雨生存模式，其中，所述吸收器被定位在所述水体的所述表面上方，其中，所述表面由所述水体的最大波浪高度限定。

25.根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置，其中，所述装置还包括运输模式，其中，所述吸收器定位在所述水体的所述表面上方，并且进一步定位在由所述枢转点占据的竖直平面中的所述枢转点下方。

26.一种浮力海上可再生能源系统，被设置成支撑根据前述权利要求中任一项所述的波浪能捕获装置。