TW200827544A - Wave energy converter - Google Patents

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200827544 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於波浪能量轉換器，其用於將海浪能量轉換 成電能’且尤其（但非全部）係關於基於浮力、流體壓力及 振盛原理操作之波浪能量轉換器。本發明更尤其係關於用 • 於波浪能量轉換器之張力繫泊系統。 • 【先前技術】 第三個千年伊始，永續性問題日益牽動全球。當吾人意 ^ 識到化石燃料始終有限，尋求可再生乾淨能源之願望變得 更為迫切。全球暖化及氣候變遷已使很多人注意到減少吾 人對化石燃料之依賴的必要性。最具前景之可再生能源之 一為波浪能量。據估計，全球波浪能潛力為2萬億瓦特， 相當於約2000萬億瓦特小時/年之全球資源——足以滿足世 界上大部分電能需求。儘管數百年來，吾人想要駕馭波浪 能量，但過去的努力收穫有限。成功僅僅是小規模的，大 約數十至數百千瓦特，而非所需之數百兆瓦特。 〇 過去所遇到的主要困難之一是如何設計出充分強健能承 受海浪之巨大力量的單元。在發生暴風雨時，波浪能量可 ， 極大，導致許多先前技術之陸上或岸上系統毀壞。典型的 先前技術波浪能量提取方法係使用渦輪或液壓系統。曾有 一些方法嘗試使用直接驅動旋轉式發電機以及直接驅動線 性發電機。然而，最為常見的先前技術能量提取單元為振 盪水柱及液壓聯動旋轉式發電機。這些單元通常用於近 厗、罪岸或岸上裝備。該等先前技術系統之另一主要缺點 122482.doc 200827544 =需要靠近海岸，而歸因於摩擦損失，海岸線波浪之能 量損失很高，從而失去了大多數存在於"深”水中之波浪能 量。 本發明著眼於提供一種張力繫泊系統及波浪能量轉換 器’該波浪能量轉換器在近岸或離岸皆可用以提取最大數 置之海浪能量。 本說明書中參考先前技術僅為說明之目的，不應理解為

Ο 是承認該先前技術為澳洲或其他地方之通常知識之部分。 【發明内容】 根據本發明之-態樣，提供—種張力繫泊系統，其係用 於將海浪能量轉換成更為可用之職之裝置，該裝置具有 -結構’該結構有一水下部件在平均水位以下與之相連， 該繫泊系統包含： -細長可撓性部件’其自一配重構件延伸至一平衡構 件’該細長可撓性部件適於經由—滑輪機構自水下部件懸 掛下來；及 " 一阻尼構件，其用於將阻尼作用施加至水下部件之運 動’該阻尼構件經由滑輪機構將阻尼作⑽加至細長可於 性部件。 〜 較佳地’平衡構件包含一容器，該容器具有經設置成盘 其相連接之質量，以提供一經由細長可撓性部件施加至水 下部件之平衡力。 車乂佳地’平衡構件包含—可調整浮力容器，該可調整浮 力容器具有經設置成與其相連接之質量，丨中平衡構件之 122482.doc 200827544 浮力可經調整以改變經由細長可撓性部件施加至水下部件 :平衡力。較佳地，平衡構件之浮力可藉由經由一空氣軟 官將空氣泵送至浮力容器而達成調整。 有利地，繫泊系統進一步包含一繫泊盒叩 caddy)，且結構中之水下部件適於與該繫泊盒銜接。水下 部件較佳藉由-鎖定機構緊固至繫泊盒。阻尼構件及滑輪 機構較佳收納於繫泊盒中。

Cy 、根據本發明之另一態樣，提供一種用於將海浪能量轉換 成更為可用之形態之裝置，該裝置包含·· #細長支撐結構，其設計成延伸至平均水位以上，具有 -設置在平均水位以下且與其相連接的水下部件，及一使 得該μ結構_以—大致直立之定向在海洋中漂浮之浮 力構件； 一正 >于力洋動部件，其可滑動地安震於支撐結構上，以 便可在垂直方向移動；及 一能量提取構件，其安置成與支揮結構及浮動部件相 連’如此使得當波浪運料致浮動部件與支#結構之間的 適當差動時，該能量提取構件將傳人能量轉換成更為可用 平乂 1主地 水翼表®，該水翼表面適於將 <運動之水平分量轉換成浮動部件之垂直移動，因此增 :洋動部件之能量提取能力。通常，浮動部件具有一細 :平橫截面，該橫截面具有一前端及一後端，前端適於 向逼近之波浪的大致方向。該前端較佳收縮成-尖頭。 122482.doc 200827544 «亥水翼表面較佳為複數個實質上平行之水翼表面中之一 者，該複數個水翼表面實質上垂直於且沿著浮動部件之個 別第-及第二側面而延伸。較佳地，該複數個水翼表面自 浮動部件之前端至後端向下傾斜，其中波浪中之水粒子被 水翼表面向下壓’產生向上作用於水翼表面之流體動力， 流體動力加至歸因於浮動部件之正浮力而作用於复之 上力。 、 Ο ϋ 根據本發明之另·—離，js /»£ . ^ ^樣如供一種在用於將海浪能量轉 換成可用能量之裝置中之改良浮動部件，該浮動部件包 含·· -正浮力部件’其可滑動地安裝於—支撐結構上，以便 回應於波浪運動可在垂直方向移動，且具有一水翼表面， 該水翼表面適於將波浪運動之水平分量轉換成浮動部件之 垂直移動’因此增強了浮動部件之能量提取能力。 車又佳地’該用於轉換波浪能量之裝置進一步包含一繫泊 7件，用於將結構繫泊於海床。在_實施例中，該水下部 件及子力構件適於在使用中具有實質中性浮力，且該繫泊 構件包含-繫欖’該繫繞適於阻止裝置漂遊，但仍留有自 動追蹤盛行波浪方向之餘地。 且實施例中，該水下部件及浮力構件適於在使用中 制^用貝正浮力’且該繫泊構件包含-制動系統，用於將 争统、商繫泊構件施加至支揮結構。較佳地，該制動 η於當能量提取構件提取之能量增加時增加制動作 g可最大化浮動部件與支律結構之間的差動，且產 122482.doc 200827544 生之可用能量數量得到最佳化。相反，告 3 女At 3 田有極少能量或、、会 有成1正被能量提取構件提取時， 里次叹 田 审』動系統不施加制動作 用，且由於繫泊構件空轉，去 利動作 最小化。 肖Μ結構上之機械應力可得到 在一實施例中，該繫泊構件 一平_方基#路 自一配重構件延伸至 撥==料索經由—滑輪機構自水下部件懸 至纜孛•通I:該制動系統經由滑輪機構將制動作用施加 ==地，該制動系統為螺線管啟動系統，螺線管 =電力由線性發電機經由-分流電路來供應。該制動 糸統較佳為電腦控制系統。 在整個說明書部分’除非上下文中另有要求，否則"包 L 一詞應理解為表示包括說明之完整單元（inte㈣或完整 早兀之群’但不排除任何其他完整單元或完整單元之群。 類似地，"較佳”應理解為表示說明之完整單元或完整單元 之群為所期望的，但對本發明之運作而言並非必要。 自以下[實施方式]部分中參考隨附圖式對張力繫泊系統 皮浪能量轉換器之若干具體實施例進行的僅為例示性的 評細描述，可更好地理解本發明之特性。 【實施方式】 一海浪中之能量經由兩個正交能量亦即水平能量與垂直能 量傳播。垂直能量含於波浪内之水粒子的稱作垂盈(heave) 的垂直運動中，且佔有一半的可得波浪能量。水平能量含 於波浪内之水粒子的稱作橫盪（surge)的水平運動中，且亦 佔有一半的波浪能量。為進行波浪能量提取，需要自這些 122482.doc 200827544 正交能量中之一者或兩者吸收能量。 垂盈運動描述波浪之2轴（或上下）運動，1因此其與波浪 内之垂直成篁具有極高相關性。垂盛運動與波浪高度之間 的友善性（armeability)使得自波浪提取垂直能量成為風行 且潛在有效之方式。波浪中垂直能量之提取可在一使用單 個垂盪體或兩個垂盪體之波浪能量轉換器(WEC)中實施。 單個垂盈體在水面上使用一浮力物質塊來提取波浪垂直能 量。為提取能量，需要存在差動，通常在單個垂盈體之情 形中，第二參考框架為海底。藉由將海底用作參考框架， 獲取最大數篁之相對移動成為可能，且從而可能獲取在盡 可能廣之頻率範圍内提取的最大數量之能量。 單個垂盪體設計之建構可藉由兩種基本組態達成。第一 種疋一浮體漂浮於水上，一附接件將該浮體聯接至其參考 框架；該浮體接著將在海面上隨波浪移動，產生相對於參 考框架之差動。第二組態使用一固定至海底之結構，該結 構位於平均水位以下或以上，且將有一浮體附著至其；該 浮體將接著在水平上隨波浪振盪，產生與固定參考框架相 對之差動。 在雙垂盪體設計中，兩個振盪體之間的差動用以產生能 量’這與單垂盪體設計中一個垂盪體相對於一固定參考點 之相對運動不同。然而，對雙垂盪體設計作為振盪系統在 典型海浪頻率範圍内之效率做出的分析表明雙垂盈體設計 對任何重要的波浪能量提取並不實用。這亦由並無工業設 施使用此種類型之差動這一事實得到進一步證實。現有的 122482.doc -11 - 200827544 垂盈浮體之玉業版本使用各種單振盪體實施例。

Ο 本發明相關之波浪運動的另一態樣為橫逢運動。如前所 =橫盪為^軸之運動，且對於自波浪之水平能量提取 月匕里’、有極间友善性。橫i體能夠提取—半的波浪能量， 亦即波浪之水平能量分量。藉由結合橫i與錢，理論上 可能提取卿/。之海浪能量。採用能夠自全部兩個向量提 取能量之方法無疑存在巨大利益。事實上這僅在理論上可 達成’因為諸如波浪非線性、多方向波浪及其他變數之其 他因素影響浮體之運動。大體而言，本發明之較佳實施例 設法利用橫m與垂i兩者’以便達成最佳波浪能量提取。 有利地，本發明之WEC採用水葉或水翼以得使用海浪中之 水平能篁。水翼可用以使波浪中行進的大部分水轉向，且 從而在任意方向產生淨力。 本發明之W E C之較佳實施例通常採用橫盪與垂盪體設 计，其使用多個自由度自行進海浪提取能量。WEc將水粒 子的這些垂盪及橫盪運動#換成垂直力，該等垂直力又移 動線性發電機之平動子，使之與該線性發電機之定子發生 差動。線性發電機將此差動轉換成可施加至負載之感應電 位差’從而使得海浪之混亂能量可被用來完成有用的工 作0 在本發明之WEC之較佳實施例中，垂盪回應並不僅用以 轉換波浪内之能量。在本發明中，垂盪回應亦可用以，，調 讀”作業頻率，如此使得其調諧頻率以下之頻率將經受最 小衰減。根據本發明之張力繫泊系統與WEC聯合使用以達 122482.doc -12- 200827544 成此調諧性。垂盪之該新穎用途增加了 WEC之耐久性，而 同時不會犧牲能量提取效率。此措施不同於先前技術裝 置’先前技術中僅使用浮體之垂盪回應來產生能量。明確 而言’垂盪回應是浮體回應於波浪之垂盪而經受之垂直振 盈。垂|回應僅僅是浮力與質量之典型產物。根據本發明 之張力繫泊系統之一可能實施例自身亦可用以自波浪之垂 盪提取能量，以下將做出更為詳細的描述。 Ο ϋ WEC之一較佳没汁為其具有僅僅一個移動（或工作）部 件，此部件位於平均水位以上，在通常稱作飛濺區的區域 之内。该系統為使用自波浪内水粒子之橫盪及垂盪獲得之 力的振盈系統。這些力接著用以迫使部分位於水下之結構 下沈，同時迫使浮動部件上升。張力繫泊系統較佳與該 WEC相關聯以相對於海底拉緊水下結構。水下結構與浮動 部件之間的反向運動確保最大數量的差動，且因此確保自 波浪提取最大數量的能量。 W /听說明，本發明第一實施例 ，〜㈠不 貝娜列I敗 >艮 能量轉換裝置Η)包含—設計成延伸至海洋平均水位以上之 細長支撐結構12。裝置1〇#用烀湯 耕“+ 使用榼盪力、垂盪力、浮力及流 體動力來將理論最大能量提取自單垂盈體 _。支撐結構12呈框架形 '、 ΤΓ 0 ^ ^^ ^ /、具有一在平均水位以 =…、相連接的水下部件14。切結構 構件在用以使得支擇結構以一大致直二 子。在所說明之實施例中 #料中你 之内的浮力罐16之形態，以下將做2^置於水下部件Η 、出更為詳細的描述。在 122482.doc -13 - 200827544 此實施例中，浮力罐16通常被注入足夠的空氣以給予水下 部件14一整體正浮力。因此，水下部件14在此實施例中被 稱作正浮力水下部件（PBSM)14。PBSM 14浮出平均水位， 如此使得若水位上漲，則相關聯浮力亦將增加。在一替代 實施例中，水下部件14被注入足夠的空氣以確保水下部件 k 具有等於其排開水之質量的總質量，亦即，其具有中性浮 k 力。 裝置10進一步包含一具有正浮力之浮動部件18，該浮動 部件18可滑動地安裝於支撐結構12中，以便可在支撐結構 12内於垂直方向移動。裝置1〇亦包含一線性發電機2〇，該 線性發電機20具有一與支撐結構12相連之定子22，及一與 浮動部件18相連之平動子24。此實施例之定子22具有平 坦、細長構造，且沿支撐結構12之中心平面垂直延伸，始 於平均水位以下之正浮力水下部件（pBSM)14而止於平均 水位以上之位置。在此實施例中，平動子24整合至浮動部 (J 件18之本體，以下將做出更為詳細的描述。由線性發電機 20產生之電力經由安置於定子22頂端之電力端子％分接， 且可經由適當的海底電纜（未圖示）或藉由無線（微波）傳輸 . 載運至海岸。 PBSM 14之浮動部件18為一浮力部件，i具有其所排開 之水一半的密度。其通常亦具有小於或等於水下部件“之 體積的體積。這兩個參數之組合使得浮動部件18之質量小 於或等於PBSM U之質量的一半。pBSM 14之浮力提供足 以與線性發電機2〇在其向下回行衝程產生之向下力相抗衡 122482.doc -14- 200827544 之反抗力:洋動部件18經由低摩擦導軌沿定子η自由地垂 直移動。适些低摩擦導執可通常建構為一位於浮動部件Μ 上之由-塑膠或橡膠套管圍繞之密封軸承(不可見），其在 位於定子22處具有一對應通道或導軌。熟習此項技術者將 明瞭其他可能的低摩擦導軌組態。當波浪運動促成浮動部 件I8與支樓結構之間的適當差動，平動子μ相對於定子 22發生平動，且線性發電機2〇產生電力。 Ο Ο 浮動部件18較佳具備—水葉/水翼表面30,該表面適於 將波浪運動之水平分量轉換成浮動部件18之垂直運動，從 而增強浮動部件18之能量提取能力。浮動部件叫有一細 長水平橫截面，該橫截面具有一前端32及一後端“，前端 32適於朝向逼近之波浪的大致方向。前端32收縮成—ν形 尖頭。水翼表面30較佳為複數個實質上平行之水翼表面3〇 中之一者，該複數個水翼表面3〇垂直於且沿著浮動部件“ 之個別第一及第二側面而延伸◊水翼表面3〇自浮動部件Η 之前端32至後端34向下傾斜。此組態確保逼近之波浪中之 水粒子被水翼表面30向下壓，產生向上作用於水翼表面3〇 之流體動力，流體動力加至歸因於浮動部件之浮力而作用 於其之一向上力。 PBSM 14亦具有一細長水平橫截面，該橫截面具有一前 端36及一後端38，前端36適於朝向逼近之波浪的大致方 向。前端36收縮成一 V形尖頭，且PBSM 14具有一與船相 似之v形外殼，圖1中可看得極為清楚。PBSM 14較佳^有 一實質上平坦之上表面40。上表面4〇自水下部件之前端％ 122482.doc •15- 200827544 至後端38向上傾斜，其中自前方逼近之波浪中之水粒子被 平坦上表面40向上壓，產生作用於pBSM 14之向下力。 PBSM 14如此設計，以使得該部件向下移動所受之阻力 被盡可能地減小。另一方面，PBSM 14之向上移動(且因此 整個支撐結構12之向上移動）藉由使用自向上移動之平坦 上表面40之黏滞力獲取的流體動力及張力繫泊系統的繫留 力而受到阻礙。當波浪波峰中之水粒子與浮動部件“相 遇，它們被水翼表面30向下壓。如此產生浮動部件18上之 一向上力。另一方面，當水粒子與pBSM 14相遇時，它們 被傾斜之上表面40向上壓。如此產生PBSM 14上之一向下 力。因此，當波浪與裝置10相遇，歸因於波浪之水平運 動，將有一向上力作用於浮動部件18，及一向下力作用於 PBSM 14。施加至PBSM 14之向下力將受到線性發電機2〇 長:供之阻尼之對抗。經由水翼3 〇施加至浮動部件18之向上 力與浮力結果造成線性發電機2〇之平動子24之向上移動。 藉由這些浮力及流體動力之相互作用，可能達成浮動部件 18與支撐結構12之間的差動最大化，以便最佳化裝置1〇自 波浪之能量提取。 為抵消PBSM 14上之向上浮力，本發明提供一種新賴張 力繫泊系統，圖4及圖5說明其之一較佳實施例--繫泊構 件60。繫泊構件60包含一配重62，用於錨定設備；及一平 衡構件64，用於抵消PBSM 14之過剩浮力。配重62與平衡 構件64經由一鏈條或纜索66相連，鏈條或纜索66穿過—位 於PBSM 14底部之滑輪機構68(參見圖5)。呈機械制動系統 122482.doc -16- 200827544 70之形悲的阻尼構件安置成與滑輪機構68相連，但亦可使 用諸如電力或液壓或氣動阻尼器之某種其他阻尼構件。制 動系統經由滑輪機構68將制動或阻尼作用施加至纜索。制 動系統7 0經由繫泊構件6 〇將制動作用有效地施加至p B s μ 14,且因此施加至裝置1〇之支撐結構12。制動系統7〇通常 為螺線管啟動系統’螺線管（未圖示）所用之電力由線性發 ' 冑機20經由—分流電路來供應。因此，若無電產生，則制 〇 冑系統7〇將不會嚙合。制動比例將取決於所產生電流之數 $。若只是滿足小功率要求，或波浪頻率在線性發電機2〇 之作業參數之外，則制動系統7〇將鬆開，然而，隨著產生 之電力增加’制動作用亦將增大，從而最大化兩個部件之 間的差動’且最佳化產生之能量的數量。該制動系統較佳 為電腦控制系統。 圖6說明制動系統7〇之操作。當具有期望頻率之波浪穿 過裝置10’歸因於自身正浮力及作用於水翼表面3〇之流體 (J 動力浮動部件1 8將向上移動（圖6a)。在該波浪能量提取 模式下，線性發電機2〇產生電力，且這將導致經由制動系 統70將制動作用施加至繫泊構件6〇之纜索66。因此，平衡 • 構件64將不會移動，且PBSM 14保持靜止。另一方面，當 • 汙動部件18返回至其低位時（如圖6b所示），其歸因於被制 動系統70固持於適當位置之PBSM 14的過剩浮力而產生電 力。當制動系統70鬆開時，平衡構件64能夠在纔索66上自 由地上下移動。 藉由該簡單的控制系統，使得建構控制PBSM 14運動之 122482.doc -17- 200827544 有效且可調適之構件成為可能。藉由僅在產生能量的過程 中使制動系統70嚙合，將會全面減小在不產生能量過程中 系統所受之不必要的應力。制動系統70可具有一位於 PBSM 14頂部之接觸開關（不可見），若浮動部件18移動至 其允許移動之限度，該接觸開關將會斷開。一旦該開關打 開，到螺線管之分流將會斷開，從而允許pBSM 14海拔上 . 升，且從而解除由浮動部件18帶來之向上應力。該海拔調 整將會持續，直至達成平衡狀態。 繫泊構件60設計成一全自動調整系統，其將會將裝置10 之平均水位保持在一貫的高度。若裝置1〇偏離開配重與 PBSM之間的最短距離，則一修正力開始起作用，將會使 系統返回至彼兩點之間的最短距離。歸因於重力，該修正 力將為一全自動力。裝置10之自動控制系統使得預定義作 業範圍之外的所有波浪頻率將被整個支撐結構12而非僅僅 浮動部件18放過。該方法將允許系統針對盛行的平均水位 〇 校正自身，從而允許其經調整適應於潮汐變化、風暴湧浪 及其他低頻率現象，若不針對這些低頻率現象預先做好準 備’會導致波浪能量轉換器毀壞。 ， 圖7說明裝置10之該針對平均水位之自動校正。在此情 - 开>中，波浪頻率在裝置10之預定義作業範圍之外，且因此 洋動部件18不管水位怎樣都相對於pBSM 14保持基本靜 止，且無差動用來經由線性發電機2〇產生電力。因此，制 動系統70保持非啟動狀態，且繫泊系統6〇空轉。平衡構件 64P思著平均水位的變化上下移動，如圖及圖所示。 122482.doc -18- 200827544 在該實施例中，繫泊構件建構成繫泊盒72之形態，支撐 結構12之PBSM 14適於在使用中銜接於其中。圖5說明繫 /白益72之一較佳實施例。PBSM 14藉由一適當鎖定機構緊 固於繫泊盒72申，該鎖定機構可於pBSM 14銜接於繫泊盒 72中時自動緊固pBSM u。在所說明之實施例中，pBSM 14係經由緊固螺釘74手動緊固至繫泊盒72。制動系統川及 滑輪機構68較佳收納於繫泊盒72中。建構該實施例之波浪 月b里轉換裝置所需之所有組件皆可收納於繫泊盒π中。繫 泊盒72較佳自身具有浮力罐76(不可見），浮力罐％於銜 接、維護或作業情形中需要在水中抬升或降低盒72時，可 被注入或抽出壓縮空氣。 繫泊構件60之平衡構件64將基本上為一物質塊，但期望 平衡塊將不是完全不會發生變化之物質塊。平衡構件料較 仏包含岔度大於水之物質（如混凝土）及該物質之内的一空 氣腔室（不可見）。 空氣腔室設計成當其注入空氣時，將提供足以將平衡構 件64抬升至水面之浮力。當空氣腔室注入水時，其將為系 統增加額外質量，從而增進系統在較低頻率下之效能。平 衡構件64之另一態樣為遠程及/或直接將空氣再注入其内 空氣腔室之能力。當空氣腔室再注入空氣時，平衡構件將 上升至水面，而此時盒72將位於平衡構件64頂部，從而容 許在PBSM 14上執行提取或維護。 平衡構件64之第二種用途為用作一自動試運轉系統。該 系統之試運轉功能將使得繫泊構件6〇被設定，包括設定配 122482.doc -19- 200827544 置ίο:::構件64。平衡構件64將維持其浮力狀態直至裝 置10準備好即將試運轉。者 r 接至裸露之盒72,之後平=10即將試運， 裝置,。設定至其正一從…將 作位置而不需要潛水員及高度特殊

蝴轉裝置10之新賴方式將有助於將試運轉、 停止運轉、修復及維護成本保持在最小。一替代組態為平 衡構件64隻以密度大於水之材料（諸如混凝土）建造，且盒 72為用以提昇及降低平衡構件64之可調整浮力腔室。 裝置10所用之線性發電機2G設計成提供最佳頻率回應及 電動勢(EMF)以允許自海浪提取最大數量之能量。該最佳 化係藉由將線性發電機2G之效能參數與機㈣統之阻尼要 求相匹配以使得振H統在滿負載下將達成系統之臨界阻 尼而達成。 裝置10内之線性發電機20為如此：定子22是一振盪體系 統之部分，其在一很大程度上靜止之參考框架中，而平動 子24附接至很大程度上移動之參考框架。在所說明之實施 例中，定子22連接至水下部件14，而平動子24連接至浮動 部件1 8。事實上，這兩個部分皆會移動，但為了遵循風行 之命名慣例，仍使用”定子"及”平動子"來指代預定義WEC 結構。由於定子22及平動子24之運動係人為定義的 (subjective)，銅線、磁體及磁可滲透材料亦可置於定子或 平動子上。這些材料的位置將取決於裝置建構之特定要求 及設計準則。 波浪能量轉換裝置10經組態以易於船拖曳，從而允許其 122482.doc -20- 200827544 容易且迅速地完成試運轉。PBSM 14之¥形外殼有助於有 效拖突波浪能量轉換裝置1G。為試運轉或停止運轉裝置 1〇’高壓空氣施加至-位於平均水位以上之和。在所說 明之實施例中，閥42位於定子22之頂部，且連接至一向下 延伸穿過定子22到達PBSM 14本體中之浮力罐⑽流體通 路（不可見）。經由閥42且經由一流體通路泵送至浮力罐16 ' 之高壓空氣經由另一流體通路排出浮力罐16内之配重水， 從而促使PBSM 14升出平均水位。當浮力部件14在平均水 ^ 位以上時，能量生產將停止且整個支撐結構丨2將成為一隻 船，從而得以輕鬆地輸送裝置〗〇。 當武運轉裝置1G時’浮力部件14之任何過剩浮力藉由相 反過程得以釋放，從而再浸沒支撐結構12及再恢復能量生 產。此種快速配置及復原幫助將試運轉、修復及維護成本 保持在最小，且確保能量之最可靠供應。 裝置10之S -有利態樣為其可設計成對特定波浪頻率範 〇 圍做出回應，以產生電力。在所說明之實施例中，裝置10 之水平長度大約為5公尺，其對應於具有2〇公尺波長之海 浪的四分之一波長。該特徵在應用於海洋時特別有用，因 • 為海浪内可獲得之能量增加則頻率變低。在過去，由於暴 路於過高的波浪能量密度，許多波浪能量轉換器在暴風雨 中毀於一旦。而具備了裝置1〇之頻率調諧能力，則可能僅 自預定義頻率提取能量，而讓毁滅性高能量密度波浪完全 不經衰減地通過。裝置10之耐久性所帶來之影響意義重 大，更不必說其能夠在其他波浪能量轉換器不得不停止使 122482.doc -21 · 200827544 用以確保不被損毀時產生電力。 波浪能量轉換裝置1G可構造成—模組化單元，且可為連 接在-起成為波浪能量轉換電力陣列或電力矩陣之複數個 該模組化單元中之一者。在所說明之實施例中’支樓結構 • 之j架八有κ冑上矩形之、組態、。該形狀有助於複數個模 組化單元並排在兩個正交方向互連。 圖8至圖1〇說明根據本發明第二實施例之波浪能量轉換 I置44及其相關聯張力繫泊系統5〇。波浪能量轉換裝置44 包含-设什成延伸至海洋平均水位以上之細長支撲結構 45。支撐結構45呈垂直定向之柱的形 平均水位以下且與其相連接之水下部件46。丄= 撐結構45亦具備-浮力構件，以使得支撐結構能夠以大致 直立之定向在海洋中漂浮。在所說明之實施例中，浮力構 件呈安置於水下部件46之内的浮力罐47(不可見）之形態。 如同前一實施例，浮力罐47通常被注入足夠的空氣以給予 g 水下部件46—整體正浮力。 裝置44進一步包含一具有正浮力之浮動部件“，該浮動 部件48可滑動地安裝於支撐結構45上，以便可在垂直方向 • 移動。在此實施例中，浮動部件48具有球形組態，且可滑 動地安裝於支撐結構45之垂直柱上。裝置44亦包含一線性 發電機49 ’该線性發電機49具有一安置成與支撐結構45之 垂直柱相連之定子，及一整合至浮動部件48之本體之平動 子。該實施例之波浪轉換裝置44用於將海浪能量轉換成電 力之操作與第一實施例之波浪能量轉換裝置1〇相似，在此 122482.doc •22- 200827544 不再詳細描述。球形浮動部件48之流體動力及浮力性質將 產生線性發電機49之平動子相對於定子之差動，如前一實 施例。有利地，水下部件46之上表面具有實質上半球形之 組態，以便充當水之偏向表面（並非不同於第一實施例之 上表面40)，以進一步增強該差動。 該實施例之張力繫泊系統50包含一細長可撓性部件，該 細長可撓性部件呈一纜索5 1之形態，自一配重構件52延伸 至一平衡構件53，缆索5 1適於經由一滑輪機構54自水下部 件46懸掛下來。配重構件52可呈大塊混凝土之形態，或者 可運用適當之海床繫泊來將纜索51之一端錨定至海底。平 衡構件5 3包含一物質塊，該物質塊具有一經設置成與其相 連接之可調整浮力罐，如圖9所示。 該實施例之平衡構件53呈一中空容器55之形態，其具有 具有預定質量之固體基底56，以充當水下部件46之衡 重。容器55之剩餘容器可經由一空氣軟管57注入壓縮空氣 以調整容器55之浮力。一閥58可安置於容器55之壁中，以 將空氣排出至周圍海洋。纜索51之另一端連接至容器“之 頂邛且向上延伸至滑輪機構54，其又回頭向下穿過一沿 容器5 5之中心軸線垂直延伸之中空通路5 9到達配重構件 52。 藉由調整容器55之浮力，經由緵索51施加至水下部件46 平衡力可發生變化。以此方式’波浪能量轉換裝置44及 其相關聯張力繫泊系統5G之諧振頻率可經調整 _

海洋條件進行"㈣，，。容器55之基底56的質量較佳設定I 122482.doc -23- 200827544 與系統之最小期望操作頻率相匹配。歸因於基底56給予系 統之低浮心及低質心，該質量亦幫助將波浪能量轉換裝置 44保持在直立定向。隨著容器5 5之質量減小，系統之諧振 頻率增加。

滑輪機構54收納於一繫泊盒80中，圖11及圖12說明具有 透明壁之繫泊盒80。在該實施例中繫泊盒8〇具有圓柱形狀 以與水下部件46之形狀相匹配，且可永久或可釋放地附接 至水下部件46之底部。圖11顯示得極為清楚，滑輪機構54 包含一固定安裝於一機械軸84上之滑輪82，該機械軸84可 旋轉地安裝於一對旋轉式發電機86a與86b之間。當機械轴 84振遷時，發電機8以及861)將產生一 eMf，且向機械轴之 旋轉運動提供阻力。發電機86從而提供一用於將阻尼作用 施加至機械軸84之旋轉且因此施加至滑輪82之旋轉的阻尼 構件。當一負載施加至發電機86，發電機86將阻尼作用經 由滑輪82有效地施加至纜索51，且因此借助於平衡構件53 有效地施加至水下部件46之運動。 若須要，發電機86產生之電能可儲存於收納於盒8〇中之 電池88中。一電子能轉換與控制模組經提供以將發電機 86產生之交流（AC)電流轉換成直流（DC)電流，以供電池88 儲存。能量轉換與控制模組9〇亦可經組態以使得盒自身成 為波浪能量轉換裳i ’以下將做出t為詳細的言兒曰月。一微 處理器操作控制系統92亦安置於繫泊盒80之内，亦提供對 張力繫泊系統50之所有組件的自動控制。控制系92監控波 浪之頻率’且相應地調整平衡構件之質量。 122482.doc -24- 200827544 一空氣壓縮機94安置於繫泊盒8〇内，用於經由空氣軟管 將工氣向下泵送至平衡構件53。可使用發電機％產生的 二電力來對空氣壓縮機94供電。空氣壓縮機Μ亦在控制 系統92之控制下。—空氣導管％將來自大氣之空氣供:至 空氣壓縮機94，且向上延伸穿過水下體仏到達水線以上之 一點^衡構件53之中空容器55内部的空氣不需排出至周

Ο 圍海洋π疋可以向上泵送回至一收納於繫泊盒⑽或水下 部件46之内的壓力容器（未圖示）。 以下將參考圖8至圖11描述張力m统5G之典型操作 順序： ” 在一特定作業環境下，控制系統92將經由諸如加速計之 適田構件里測及計算系統面臨之波浪頻率。主要及/或最 為能量密集之頻率將藉由使用熟知公式進行計算而判定。 一旦敎最佳作業頻率，亦可自熟知公式算得達成最多能 量提取之最佳系統質量。 控制系統92接著將計算當前系統質量，且判定待加入系 統或自系統移除以達成該最佳質量之水的體積。若诗 少質量’則控制系統92將啟動空氣壓縮機94將空氣果送至 中空容器55’從而藉由潛水艇中使用之正壓置換排空存在 於中空：器55中之水。若需要增加質4，則控制系統92將 打開二氣間5 8以排出中空交哭 併T二谷态55之内的空氣，或啟動空 壓縮機94謂Μ料至—替代料罐，從而允許水注二 已排空之谷積，且從而增加系統質量。 以此方式’控制系統92將會增加及減少張力繫泊系統5〇 122482.doc -25- 200827544 之貝ϊ，從而藉由質量變化來改變系統之作業特性，且允 許系統經調諧以在瞬息萬變的環境中展現最佳效能。 可在繫泊盒80中運用任何適當阻尼構件，用於將阻尼作 用施加至水下部件46之運動。發電機86可直接用作電源尤 其有利。然而，液壓泵亦可用以提供阻尼作用。圖12說明 繫泊盒80之一替代實施例，與圖w實施例實質上相同， /、疋以一對液壓泵98代替旋轉式發電機86以提供阻尼構 件。液壓泵98&與9813皆藉由一個別帶及滑輪系統99a及99b 以刼作方式耦接至機械軸84。液壓泵98可（例如）用以經由 一軟管將液壓流體（油、海水）泵送至一液壓式操作發電機 或液壓儲壓器。亦可以氣動泵取代液壓泵98。 圖8及圖10中所示之波浪能量轉換裝置44併有一安裝於 裝置之支撐結構45頂部的風力渦輪機1〇〇。風力渦輪機1〇〇 提供-用以捕集另-可再生能源——海洋風之構件。該渦 輪機定向成繞一垂直轴旋轉，且具備一系列輪葉1〇2以捕 〇 集風且產生電力。旋轉式發電機（不可見）收納於風力渦輪 機100之基底中。由風力渦輪機100產生之電力可儲存於電 池88中或經由電纜或使用微波發射器（未圖示）以無線方式 • 傳輸至海岸。在渦輪機之頂部可見一圓頂室1〇4，其可用 以收納該發射器及/或一 GPS或某個其他形態之定位信標。 當然，若無渦輪機100，波浪能量轉換裝置44之操作亦 將極為令人滿意。圖13中說明了不帶渦輪機之裝置44之一 實施例。若須要，波浪能量轉換裝置44亦可裝配有太陽電 池板108以利用第三種可再生能源――陽光。圖14說明具 122482.doc -26- 200827544 有安裝於風力渦輪機⑽頂部之複數個太陽電池板⑽之褒 置44之一實施例。在其他方面，該實施例（及前一實施例） 之波浪能量轉換裝置44及其相關聯張力繫泊系統5〇與圖8 至圖11中所說明之實施例實質上相同，且在此不再描述。 圖15說明本發明第四實施例之波浪能量轉換裝置㈣， 其與圖8至圖11中實施例之波浪能量轉換裝置44相似，且 因此以下使用相同元件符號標識相似部分。

Ο 在該實施例之裝置110中，繫泊盒80之外殼於底部開 放，以便允許海水注人其中空内部之内未被張力繫泊系統 50之組件佔據之空間。在每一前述實施例中，收納於盒⑽ 之内的張力繫泊盒之所有組件皆密封於氣密水密罩殼中， 以保護它們不受海水腐蝕。 繫泊盒80之開放底部建立一空氣腔室112，其可部分注 ，空氣’以便給予繫泊盒中性浮力。當腔室m與周圍海 洋相通時’其浮力將隨著歸因於波浪運動之流體靜壓力變 化而變化。當每次波峰通過時，中性浮力繫泊盒⑽之浮力 將因為流體靜廢力增加而降為負浮力。當裝置ιι〇進入波 谷時，繫泊盒接著將因為發生正浮力而上升。直接連接至 水下部件46之繫泊盒之浮力中的這些變化將與浮動部制 之垂直運動成180。異相’且因此將幫助進—步增加線性發 電機之定子與平動子之差動。 如前所述’本發明之張力繫泊系統自身可用作一波浪能 量轉換裝置。圖16說明本發明之—實施例之張力繫泊系统 m，其自身經組態為-波浪能量轉換裳置。在該實施例 122482.doc -27- 200827544 中，繫泊盒80直接安裝至一浮力筒122之下側。該實施例 中並無前面實施例中之線性發電機。在該實施例中，筒 122具有一安裝於頂部之風力渦輪機1〇〇，與圖8至圖 實施例相似。張力繫泊系統丨2〇操作方式與圖8至圖丨丨之實 施例相似，除了在此情形下由於發電機86不被要求用來充 當阻尼構件，控制系統經組態以使得發電機86能夠以最大 效率操作以產生電力。張力繫泊系統12〇還用作一振盪系 統，其可針對海浪頻率進行調諧，以自筒丨22之垂盪回應 提取最大能量。 現已詳細描述了波浪能量轉換裝置及張力繫泊系統之若 干實施例，很明顯’所描述之裝置實施例提供相較於先前 技術之若干優勢，包括：

(π)張力繫泊系統使得波浪能量轉換裝置能夠針對盛行 海洋條件進行調諧，以維持最大效率。 (111)張力繫泊系統可適用於任何浮力類型 轉換裝置以改良其操作效率。 (iv)其應用範圍廣，能夠自霜芸4 ，能夠自覆蓋較廣範圍之波浪高度、 波浪頻率及波浪方向的波浪提取能量

及流體動Μ力原理以自波浪提取最大數量

念的前提下可對前述實施例做出 背離本發明之基本發明概 已描述内容以外的各種修 122482.doc -28- 200827544 正及改良。舉例而言，定子不需位於裝置之中心平面或軸 線上，而可以位於波浪能量轉換裝置之支撐結構的其他地 方。因此’應瞭解，本發明之範疇不限於所描述之特定實 施例，而是將由隨附申請專利範圍決定。 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明之波浪能量轉換裝置之第一實施例的 頂前透視圖； 圖2為圖1之波浪能量轉換裝置與其根據本發明之相關聯 張力繫泊系統在一起時的頂前透視圖； 圖3為圖2之波浪能量轉換裝置的正面圖； 圖4為與圖1之波浪能量轉換裝置一起使用之張力繫泊系 統之頂前透視圖； 圖5為併入圖4之張力繫泊系統中之繫泊盒之底後透視 圖； 圖6a及圖6b說明分別在逼近之波浪的波峰及波谷中的圖 1及圖3之波浪能量轉換裝置； 圖7a及圖7b說明圖丨及圖2之波浪能量轉換裝置在平均水 位變化期間之操作； 圖8為波浪能篁轉換裝置之第二實施例與其根據本發明 之相關聯張力f泊系、统在一起時的頂部透視圖； /圖9為作為與圖8之波浪能量轉換裝置相關聯之張力繫泊 系統之部分的平衡構件的部分透明頂部透視圖； 圖1〇為圖8之波浪能量轉換裝置及其相關聯張力繫泊系 統之放大透視圖； 122482.doc -29- 200827544 圖11為作為與圖8之波浪能 泊系統之部分的繫泊盒之第_ 圖； ΐ轉換裝置相關 實施例之部分透 聯之張力繫 明頂部透視 圖12為作為可與波浪能量轉換裝置 之張力繫泊系統之部分的繫泊盒之第 頂部透視圖； 相關聯之根據本發明 二實施例之部分透明 Ο 圖13為波浪能量轉換裝置之第- 复<弟二實施例與其根據本發明之相關聯張力繫泊系統在-起時的頂部透視圖；圖14為波浪能量轉換裝置之第四實施例與其根據本發明 之相關聯張力繫泊系統在一起時的頂部透視圖； 圖15為波浪能量轉換裝置之第五實施例與其根據本發明 之相關聯張力繫泊系統在一起時的底部透視圖；及 圖16為波浪能量轉換裝置之第六實施例與其根據本發明 之相關聯張力繫泊系統在一起時的頂部透視圖。【主要元件符號說明】 Ο 10 波浪能量轉換裝置 12 細長支撐結構 14 水下部件 16 浮力罐 18 浮動部件 20 線性發電機 22 定子 24 平動子 26 電力端子 122482.doc -30- 水翼表面 前端 後端 前端 後端 上表面 閥 波浪能量轉換裝置 細長支撐結構 水下部件 浮力罐 浮動部件 線性發電機 張力繫泊系統 纜索 配重構件 平衡構件 滑輪機構 中空容器 固體基底 空氣軟管 閥 中空通路 繫泊構件 -31 - 200827544 Ο Ο 62 配重 64 平衡構件 66 纜索 68 滑輪機構 70 機械制動系統 72 繫泊盒 74 緊固螺釘 76 浮力罐 80 繫泊盒 82 滑輪 84 機械軸 86a 旋轉式發電機 86b 旋轉式發電機 88 電池 90 電子能轉換與控制模組 92 微處理器操作控制系統 94 空氣壓縮機 96 空氣導管 98a 液壓泵 98b 液壓泵 99a 滑輪系統 99b 滑輪系統 100 風力渦輪機 102 輪葉 122482.doc .32· 200827544 104 108 110 112 120 122 Γ 圓頂室 太1%電池板 波浪能量轉換裝置 空氣腔室 張力繫泊系統 浮力筒 122482.doc •33 ·

Claims (1)

1. 200827544 十、申請專利範圍·· 1 · 一種張力繫泊系統，其用 更為可用之形態之裝置， 有一設置在平均水位以下 繫泊系統包含： 於一用於將海浪能量轉換成一 該裴置具有一結構，該結構具 且與其相連接之水下部件，該 一細長可撓性部件，其自-配重構件延伸至—平衡構 件，該細長可撓性料適於經由—滑輪機構自該水下部 件懸掛下來；及 -阻尼構件’其用於將—阻尼㈣施加至該水下部件 之運動，該阻尼構件經由該滑輪機構將該阻尼作用施加 至該細長可撓性部件。 2_如請求項1之張力繫泊系統，其中該平衡構件包含一容 器，該容器具有一經設置成與其相連接之質量，以提2 一經由该細長可撓性部件施加至該水下部件之平衡力。 3·如請求項2之張力繫泊系統，其中該平衡構件包含一可 調整浮力容器該可調整浮力容器具有一經設置成與其相 連接之貝里，其中该平衡構件之浮力可經調整以改變該 經由该細長可撓性部件施加至該水下部件之平衡力。 4. 如請求項3之張力繫泊系統，其中該平衡構件之浮力可 藉由經由一流體輸送機構將一流體移進及移出該浮力容 器而得到調整。 5. 如請求項4之張力繫泊系統，其進一步包含一空氣愿縮 機，用於經由一空氣軟管將空氣泵送至該浮力容器。 6·如請求項1至5中任一項之張力繫泊系統，其進一步包八 122482.doc 200827544 7· 8. 9.Ο ίο. 11. 12.ϋ 13. 14. •一繫泊* I ’且其中該結構之該水下部件適於耦接至該繫 泊盒。 ” 、、項6之張力繫泊系統，其中該水下部件藉由一鎖 定機構緊固於該繫泊盒中。 立月^項7之張力繫泊系統，其中該鎖定機構在該水下 邛件銜接於該繫泊盒中時自動將該水下部件緊固至該繫 泊盒。 ' 東項6之張力繫泊系統，其中該阻尼構件、滑輪機 構及空氣壓縮機皆收納於該繫泊盒中。 如明求項6之張力繫泊系統，其中該阻尼構件、滑輪機 構、空氣壓縮機及-可調整浮力罐皆收納於該繫泊各 中。 ^ " 月求項1至5中任一項之張力繫泊系統，其中該阻尼構 件包含一旋轉式發電機。 如請求項1至5中任一項之張力繫泊系統，其中該阻尼構 件包含一制動系統。 如請求項1至5中任一項之張力繫泊系統，其中該阻尼構 件包含一能量轉換或提取系統。 一種用於將海浪能量轉換成一更為可用之形態之裝置， 該裝置包含： t 一細長支撐結構，其設計成延伸至一平均水位以上， 具有一被設置在平均水位以下且與其相連接之水下部 件，及一使得該支撐結構能夠以一大致直立之定向在海 洋中漂浮之浮力構件； 122482.doc 200827544 -正浮力浮動部件，其可滑動地安裝於該支樓結構 上，以便可在一垂直方向移動；及 一能量提取構件’其安置成與該支撐結構及該浮動部 件相連’如此使得當波浪運動導致該浮動部件與該支撐 結構之間的—適當差動時’該能量提取構件將傳入能量 轉換成一更為可用之形態。 Ο Ο Κ如請求項U之用於轉換海浪能量之裝置，其中該能量提 取構件包含一線性發電機，在該線性發電機中，一定子 安置成與該支撐結構相連，且—平動子叫安置 成與該浮動部件相連。 16.Ι=Γ或15之用於轉換海浪能量之裝置，其中該浮 。〃備-水翼表面’該水翼表面適於將該波浪運動 =水平分量轉換成該浮動部件之—垂直移動，從而增 強该淨動部件之能量提取能力。 17·如請求項14或15之用於轉換海浪能量之裝置，其中該水 ::::備一水翼表面，該水翼表面適於將該波浪運動 之一水平分量轉換成該水下部 強該水下部件之能量提取能力。 冑’從而增 18.==或15之用於轉換海浪能量之裝置，其中該水 悦、備一可變浮力流體靜壓力腔室， 體靜壓力腔室適於將在-怪定海拔處之流體靜壓力之⑽ 力變化轉換成該部件之浮力之-增加或減少，=: 水下部件之-相二垂直： 從而導致該水下部件在波浪高度增大時下降，且在 122482.doc 200827544 波浪高度減小時上升。 19. 如請求項16之用於轉換海浪能量之裝置，其中該浮動部 件具有-細長水平橫截面’該細長水平橫截面具有一前 端及-後端，該前端適於朝向一逼近之波浪的大致方 向0 20. 如請求項16之用於轉換海浪能量之裝置，其中該水翼表 面為複數個實質上平行之水翼表面中之—者，該複數個 Ο ϋ 水翼表面實質上垂直於且沿著該浮動部件之個別第一及 第二側面而延伸。 21. 如請求項20之用於轉換海浪能量之裝置，其中該複數個 水翼表面自該洋動部件之該前端至該後端向下傾斜，其 中-波浪中之水粒子被該等水翼表面向下壓，產生二 作用於該等水翼表面之流體動力’該等流體動力加：歸 因於該浮動部件之正浮力而作用於該浮動部件之一向上 力。 Ν上 22. -種在一用於將海浪能量轉換成可用能量之袭置 良、/于動部件，該浮動部件包含·· 正子力部件，其可滑動地安裝於一支撑 便回應於波浪運動可在一垂直方向移動，且：’以 表面’該水翼表面適於將該波浪運動之^ 一水翼 成該浮動部件之一垂直 ^ 量轉換 量提取能力。U移動…增強該浮動部件之能 23.如請求項14或15之用於轉換海浪能量之裝置 j 置進一步包含泊系 /、中该裝 系統，用於將該結構繫泊至海床。 122482.doc 200827544 24. 如請求項23之用於轉換海浪能量之裝置，其中該水下部 件及浮力構件適於在使用中具有實f上正浮力;^且該^ 泊系統包含-阻尼構件，用練由該繫泊系統將—阻尼 作用施加至該支撐結構。 25. 如請求項24之用於轉換海浪能量之裝置，其中該阻尼構 件適於當該能量提取構件提取之能量增加時增加該阻尼 作用’藉此可最大化該浮動部件與該支撐結構之間的該 差動’且最佳化提取之能量數量。 26·如吻求項25之用於轉換海浪能量之裝置，其中當有極少 能量或沒有能量正被該能量提取構件提取時，該阻尼構 件不施加阻尼作用，且由於該繫泊系統空轉，該支撐結 構上之機械應力可得到最小化。 27.如δ月求項25之用於轉換海浪能量之裝置，其中該繫泊系 統包含一自一配重構件延伸至一平衡構件之纜索，該纜 索經由一滑輪機構自該支撐結構懸掛下來。 〇 122482.doc