TWI496989B - 波浪能量轉換器之改良 - Google Patents

Description

波浪能量轉換器之改良

本發明系關於用於將海洋波浪能量轉換成一更可用形式之波浪能量轉換器及其改良。

在第三個一千年開始時，無論到那裏，人們越來越關心可持續發展。隨著人們識別到化石燃料系一有限能源，對可更新、清潔能源之搜索已變得更急迫。全球變暖及氣候變化已把注意力集中必須減少我們對化石燃料之依賴。最有希望的可更新能源之一系波浪能量。雖然數百年來人們一直期望利用波浪能量作動力，但過去的努力已獲得有限成功。成功已小規模地為大約數十至數百千瓦而不是所需之數百兆瓦。

過去，主要困難之一已在於設計一足夠穩鍵以經受住海洋波浪所擁有之巨大功率之單元。在風暴條件下，波浪能量可系巨大的，從而使許多先前技術基於陸地或海岸之系統受到破壞。用於提取波浪能量之典型先前技術方法一直系使用一汽輪機或液壓系統。已存在一些使用直接驅動旋轉發電機以及直接驅動線性發電機之努力。然而，最常見之先前技術能量提取單元系振盪水柱及液壓鏈接式旋轉發電機。此等單元通常用於近岸及岸上安裝。此等先前技術系統之另一缺點在於其需要靠近其中可用能量因海底之波浪衰減而低之海岸。

在第PCT/AU2007/00940號共同擁有國際申請案中，揭示一種張力繫泊系統及一種波浪能量轉換器，其可近岸或離岸使用以提取最大量之海洋波浪能量，該共同擁有國際申請案之內容以引用方式併入本文中。

波浪內(深水中)之水粒子沿圓形軌道移動且就是此機構才使波浪能夠在遠距離上輸送能量而損失極小。對於水之表面處之水粒子，圓形路徑之直徑等於波浪高度。然而，在水面以下，在任一給定深度下之水粒子運動之直徑以指數方式增大，從而在一等於波浪之波長二分之一的深度下，與水之表面相比較，圓形路徑之直徑減小95%。顯然，最大能量存在於水之表面處，然而，為了促進所提取能量之最大量，需要亦具有用於自整個該能量梯度之能量提取之構件。

本發明開發著眼於提供對波浪能量轉換裝置之各種改良，包括一用於使可自位於水面以下之能量梯度提取之波浪能量最大化之結構。

本說明書中對先前技術之參考提供僅旨在闡釋之目的而不應視為承認此先前技術為在澳洲或別處通用常識之一部分。

根據本發明之一態樣，提供一種對一波浪能量轉換之改良，該改良包含：一大致剛性裙部，其適於自一波浪能量轉換器懸掛於水之表面以下，該裙部包含一垂直延伸以在該結構之表面上形成一水粒子流動路徑之細長大致圓柱形結構，該結構之該表面適於促進自一行進波浪之截面之能量梯度之能量提取。

較佳地，該圓柱形結構之該表面經成形以形成一沿水平及垂直兩個方向行進之波狀水粒子流動路徑，其中在使用中可使自該等水粒子提取之水平及垂直波浪能量最大化。於一實施例中，該圓柱形結構之該表面包含一連串彎曲表面以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑。有利地，該大致圓柱形結構包含一連串具有大致相等直徑之環，該一連串環以隔開之垂直間隔同心地配置以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑。

根據本發明之另一態樣，提供一種用於一波浪能量轉換裝置之多點式繫泊系統，該裝置具有一包括一與其相連接提供於平均水位以下之淹沒部件之結構，該多點式繫泊系統包含：複數個細長撓性部件，其於一端處附接至一壓載構件，每一細長撓性部件皆延伸至一相應抵衡構件，該相應抵衡構件適於經由一滑輪機構自該淹沒部件懸掛。

較佳地，該等細長撓性部件彼此間隔開以增加該波浪能量轉換裝置可藉以提取能量之自由度。有利地，該多點式繫泊系統包含三個細長撓性部件，該三個細長撓性部件彼此等距離地間隔開以使該波浪能量轉換裝置能夠自所有六個自由度提取能量。

根據本發明之另一態樣，提供一種波浪能量轉換器，其包含：一結構，其具有一與其相連接提供至少部分地淹沒於該平均水位以下之部件；複數個細長撓性部件，其於一端處附接至一壓載構件，每一細長撓性部件皆延伸至一相應抵衡構件，該相應抵衡構件適於經由一滑輪機構自該至少部分淹沒部件懸掛。

較佳地，該波浪能量轉換器進一步包含一相連接該至少部分淹沒部件提供之大致剛性裙部，該裙部包含一細長大致圓柱形結構，該細長大致圓柱形結構垂直延伸以在該圓柱形結構上形成一水粒子流動路徑，該圓柱形結構之表面經成形以促進自一行進波浪之截面之能量梯度之能量提取。

較佳地，該滑輪機構包含複數個滑輪，每一滑輪皆適於接納一套繞在該滑輪上之相應細長撓性部件，藉此在使用中，該細長部件之線性移動可由該滑輪轉換成一用於驅動該波浪能量轉換裝置中之能量轉換構件之旋轉扭矩。

在整個本說明書，除非上下文另有要求，否則字詞"包含(comprise)"或其變化形式"comprises"或"comprising"應理解為隱含包含一所述整數或整數組，但並不排除任一其它整數或整數組。同樣，字詞"較佳地"或其變化形式(例如"較佳的")應理解為隱含一所述整數或整數組係合意的，但並非為本發明之工作所必需的。

如圖1至5中所示，一對根據本發明之波浪能量轉換器之改良之較佳實施例包含一大致剛性裙部10，該大致剛性裙部適於自一波浪能量轉換器懸掛於水之表面以下。裙部10包含一細長大致圓柱形結構12，該細長大致圓柱形結構垂直延伸以在該結構之一表面上形成一水粒子流動路徑。該結構之表面經成形以促進自一行進波浪之截面之能量梯度之能量提取。雖然波浪能量之大部分存在於水之表面處，但為了促進最大能量提取，期望自位於水面以下之能量梯度提取能量。使用一細長結構12使得能夠在一更大比例之能量梯度上提取行進波浪之能量。

較佳地，圓柱形結構12之表面經成形以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑，如圖3中示意性地顯示。於此實施例中，該圓柱結構之表面包含一連串彎曲表面以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑。有利地，大致圓柱形結構12包含一連串以隔開垂直間隔同心配置之具有大致相等直徑之環14。環14由複數個經配置以形成大致圓柱形結構12之細長支承部件16以隔開間隔固持。可有利地按遞降或遞升垂直次序來改變連續環14之直徑及/或連續環14之截面之曲率半徑，以促進一更大比例之能量梯度上之最大能量提取。

如可在圖3中最清楚地看到，由環14之圓形截面所形成之彎曲表面形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑。該波狀流動路徑迫使垂直行進之水粒子以環14之彎曲表面為中心偏離從而將一些垂直能量轉移至環14。以此方式，可使自波浪之圓形水粒子運動提取之波浪能量中之垂直分量最大化。

類似地，如在圖4中最清楚地看到，由在平面圖中所觀察到之環14之圓形形狀所形成之彎曲表面形成一沿一水平方向行進之彎曲水粒子流動路徑。該彎曲流動路徑迫使水平行進之水粒子以環14之彎曲表面為中心偏離從而將一些水平能量轉移至環14。以此方式，亦可使自波浪之圓形水粒子提取之波浪能量中之水平分量最大化。

由裙部10提取之波浪之圓形水粒子運動之附加垂直及水平波浪能量分量兩者經由支承部件16傳送至一波浪能量轉換器(WEC)。圖3及4圖解闡釋裙部10周圍之流體流如何將致使一特定力施加至該裙部且因此施加至該WEC。於圖3及4中，可以看到邊界層之一分離度如何隨著流體流在裙部10周圍移動而出現在流體流中。然而，實務中，最大壓力阻力量與邊界層互動之雷諾數相關。鑒於此，一有利之設計考慮因素係確定裙部之尺寸以使阻力最大化。

藉由使用裙部10來提取一更大比例之能量梯度上之能量，能量如何由一WEC提取之動力學改變。裙部10可附著至幾乎任一WEC以促進自一行進波浪之截面之能量梯度之能量提取。然而，裙部10特別適用於一點式吸收器(PA)類別之波浪能量轉換器。一PA藉由下述方式來提取能量：創建一組干涉型樣振盪以在該PA之背風側上產生一駐波並將一非干涉波自該PA朝向海方向驅逐。此等相移振盪與接近之波浪之相移振盪匹配越緊密，該PA就將能夠提取越多的能量。波浪能量轉換領域中之一俗語係"一好的波浪提取器係一好的波浪發生器"。此有助於闡釋當使用一PA來提取波浪能量時所需之動力學。

實際上所有先前技術PA所使用之波浪能量提取機構固有地效率極低下且因其可工作之頻率範圍而易受限制。通常，一PA往往在其共振頻率下適用；然而，對於超出此共振峰值之所有頻率，效能迅速減弱。

為了克服一PA之此等操作限制，可採用一裙部來改變動力學並動態改進能量提取效能。圖2顯示一單一PA 18，其包含一球形可浮本體20且具有一根據該較佳實施例自該球形可浮本體懸掛於水面以下之裙部10。藉由向PA 18添加一裙部，該系統由一依賴創建一匹配逆波浪之單獨共振振盪系統改變至一如上文參照圖3及4所述除本體之振盪以外還利用強大流體動力學原理來吸收入射波浪能量之系統。

圖5圖解闡釋一根據本發明之另一態樣具有一部分淹沒於水之表面以下之裙部10之改良式WEC 30之一較佳實施例。相同之流體動力學原理適用於上面附加有一裙部10以促進自一行進波浪之截面之能量梯度之改良式能量提取之此WEC 30。下文將參照圖6及7更詳細地闡述WEC 30之結構及運作。

雖然在所述實施例中將裙部10顯示為一連串適當大小之環14，然而亦可使用採用相同基本原理之裙部之各種其它形狀及組態。此等替代組態之一些實例包括：

‧一實心或空心平滑圓柱形結構；

‧一實心或空心波浪形圓柱體；

‧一具有徑向孔之實心或空心圓柱形結構；

‧一連串用於形成一圓柱形網格之互連水平圓柱形環及垂直圓柱體；

‧亦可使用一多邊形圓柱形結構來取代一圓形圓柱形結構。

圖5及6之WEC 30顯示具有一根據本發明之另一態樣之多點式繫泊系統32之一較佳實施例。於一揭示於PCT/AU2007/00940中之WEC之先前技術張力繫泊系統中，該WEC具有一包括一與其相連接提供於平均水位以下之淹沒部件之結構。

PCT/AU2007/00940之繫泊系統包含一單個細長撓性部件，該單個細長撓性部件自一壓載構件延伸至一抵衡構件，該抵衡構件適於經由一滑輪機構自該淹沒部件懸掛。

圖5及圖6之WEC 30相似，因為其具有一包括一與其相連接提供部分淹沒於平均水位以下之部件34之結構。多點式繫泊系統32包含複數個細長撓性部件36。每一細長撓性部件36皆於一端處附接至一壓載構件38，且延伸至一相應抵衡法碼40，該相應抵衡法碼適於經由一滑輪機構50自部分淹沒部件34懸掛。圖6及7圖解闡釋圖5之多點式繫泊系統32之一安置於WEC 30之部分淹沒部件34內之部分。

於圖5至7中所示之多點式繫泊系統32之實施例中，提供三個呈纜索組群36a、36b及36c形式之細長撓性部件，所有該等細長撓性部分皆於一端處錨定至一通常倚靠在海底上之配重塊38。相應抵衡法碼40a、40b及40c附接至相應纜索組群36a、36b及36c之另一端。於此實施例中，纜索組群36各自包含四根纜索。較佳地，每一抵衡法碼40配備有四個延伸穿過其之開孔42，經由開孔42相應纜索組群36之四根纜索滑動接納(參見圖7)接納於其至配重塊38之返迴路徑上。

每一纜索36皆套繞在一滑輪上，藉此在使用中，纜索36之線性移動可由滑輪52轉換成一用於驅動波浪能量轉換裝置30中之能量轉換構件之旋轉扭矩。如圖7中所示，滑輪52係一普通多纜索式滑輪，其將纜索組群36a中之四根纜索掛(或套)在該滑輪上。結果係纜索組群36中之該等纜索與該滑輪具有約180°之接觸。使用一纜索組群36促進滑輪52與纜索組群36中之該等纜索之間的更好夾持以將所期望之旋轉扭矩傳遞至一發電機(不可見)或諸如此類。

每一抵衡法碼40皆沿一導軌58上下移動。作為一安全特徵，導軌58經設計以阻止抵衡法碼40獨立於浮標區段移動。導軌58亦限制抵衡法碼40之行程以使其保持包封於該浮標之保護包體內。此提供將有助於防止任何海洋生物或人在WEC 30之運作期間受傷之另一安全特徵。

有利地，纜索組群36彼此間隔開一固定距離以增加波浪能量轉換裝置30可藉以提取波浪能量之自由度。具有多於一個纜索組群36之另一益處在於系統上之負載分佈於每一纜索組群36上，而不是全部由一根纜索承載。另一益處在於避免一單根纜索於其自身周圍纏結之可能性。每一抵衡法碼40將始終需要將WEC 30返回至其自身與海底上之繫泊處之間的最短距離。因此，在存在一嚴重側滑且纜索組群36彼此纏繞之情況下，抵衡法碼40所施加之力將用來解開纜索36從而打開一纏結。除上述以外，可將每一纜索組群36之一相應導軌(未顯示)附接至裙部10，纜索組群36可穿過裙部10從而將幾乎排除纜索纏結之可能性。

在PCT/AU2007/00940中，具有一單一繫泊點之WEC使該WEC能夠自該六個可能自由度中之五個自由度提取能量。然而，一具有三根或更多根纜索之多點式繫泊系統將能夠自所有六個自由度提取能量。能夠自所有六個自由度提取能量意謂一具有一多點式繫泊系統之WEC將係全向的且能夠自一波浪提取能量而不管其接近之方向如何。此意謂WEC將不必將其自身重定向或纖拉至主要波浪方向且因此將始終產生最大功率甚至在不均勻的海中。

在WEC開發中，提供一多點式繫泊系統係一非常重要的步驟，因為沒有別的WEC當前能夠達成與波浪方向無關之能量提取。此組態之結果將顯著改善WEC之運作且最終增加其功率輸出、其一致性、其可靠性，並有助於降低所產生功率之成本。

於所示實施例中，滑輪系統50直接經由每一滑輪52驅動一單獨的發電機，從而在一三纜索多點式繫泊系統中，將存在每一WEC 30中之三個單獨的發電機(或其它能量轉換構件)。於另一實施例中，可使用滑輪之一合適齒輪裝置來在驅動能量轉換構件之前提供一機械利益。有利地，裙部之圓柱形結構12亦能夠充當一導軌58及移動抵衡法碼40之安全保障。

現已詳細闡述對一波浪能量轉換器(WEC)之改良之較佳實施例，將易知具有裙部之改良式WEC提供若干相對於先前技術之優點，其包括如下：

(i)該裙部促進自一位於水之表面以下之行進波浪之截面之能量梯度提取能量。

(ii)將其動力學由一單一效率低下的振盪系統改變至一除振盪以外還利用強大流體動力學原理來吸收入射波浪能量顯著改善由一點式吸收器所提取之能量。

(iii)該多點式繫泊系統使一WEC能夠變成全向的以使其可自一相對於任何方向存在之行進波浪提取能量而不必在其可提取能量之前重定向其自身。

(iv)該WEC之改良式滑輪機構大致排除纏結並確保能夠將纜索之線性移動轉換成一用於驅動該WEC中之能量轉換構件之旋轉扭矩。

熟習此項技術者將易於得出，除已闡述之修改及改良以外，可對上述實施例進行各種修改及改良，而此並不背離本發明之基本發明概念。舉例而言，於每一所述實施例中，WEC之淹沒部件呈大致圓柱形組態。然而，此決非必需的，因為其可呈任一合適之形狀或組態。因此，應瞭解，本發明之範疇並非僅限於所述之具體實施例。

10．．．大致剛性裙部

12．．．細長大致圓柱形結構

14．．．環

16．．．細長支承部件

18．．．點式吸收器

20．．．球形可浮本體

30．．．波浪能量轉換裝置

32．．．多點式繫泊系統

34．．．部分淹沒部件

36a．．．纜索組群

36b．．．纜索組群

36c．．．纜索組群

38．．．壓載構件

40a．．．抵衡法碼

40．．．抵衡法碼

42．．．開孔

50．．．滑輪機構

52．．．滑輪

58．．．導軌

參照附圖，閱讀下文僅以實例方式給出之對本發明之一波浪能量轉換器、多點式繫泊系統及改良式滑輪機構之改良之若干具體實施例之詳細說明，將更好地瞭解本發明之性質，在附圖中：

圖1係一根據本發明之一態樣之波浪能量轉換器之一裙部之一較佳實施例之一側視圖；

圖2係一上面附接有圖1之裙部之單點式能量吸收器之一側視圖；

圖3示意性地圖解闡釋該裙部之一適於自沿一垂直方向行進之水粒子提取波浪能量之表面上之水粒子流動路徑；

圖4示意性地圖解闡釋該裙部之一適於自沿一水平方向行進之水粒子提取波浪能量之表面上之水粒子流動路徑；

圖5係一根據本發明之一第二態樣之上面附接或整合有圖1之裙部之波浪能量轉換器之一實施例之一俯視圖；

圖6係圖5之波浪能量轉換器之一多點式繫泊系統之一第一實施例之透視圖，其中可看到一根據本發明之一第三態樣之配重系統；及

圖7係圖6之一波浪能量轉換器之配重系統之一放大詳圖。

10．．．大致剛性裙部

12．．．細長大致圓柱形結構

14．．．環

16．．．細長支承部件

18．．．點式吸收器

20．．．球形可浮本體

Claims (14)

1. 一種對一波浪能量轉換器之改良，該改良包含：一大致剛性裙部，該裙部自一波浪能量轉換器懸掛至少部分地於水之表面以下，該裙部包含一細長大致圓柱形結構，該細長大致圓柱形結構垂直延伸以在該結構之一表面上形成一水粒子流動路徑，其中該大致圓柱形結構之該表面包含一連串彎曲表面以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑，該結構之該表面經成形以促進自一行進波浪之截面之能量梯度提取能量。
2. 如請求項1之對一波浪能量轉換器之改良，其中該圓柱形結構之該表面經成形以形成一沿水平及垂直兩個方向行進之波狀水粒子流動路徑，其中在使用中，可使自該等水粒子提取之水平及垂直波浪能量最大化。
3. 如請求項1或2之對一波浪能量轉換器之改良，其中該大致圓柱形結構包含一連串大致相等直徑之環，該一連串環以隔開之垂直間隔同心配置以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑。
4. 一種用於一波浪能量轉換裝置之多點式繫泊系統，該裝置具有一結構，而其一與之相連接提供之部件至少部分地淹沒於平均水位以下，該多點式繫泊系統包含：複數個細長撓性部件，其於一端處附接至一壓載構件，每一細長撓性部件皆延伸至一相應抵衡砝碼，該相應抵衡砝碼經由一滑輪機構自該至少部分淹沒部件懸掛。
5. 如請求項4之多點式繫泊系統，其中該等細長撓性部件彼此間隔開以增加該波浪能量轉換裝置可提取能量之自由度。
6. 如請求項5之多點式繫泊系統，其中該多點式繫泊系統包含三個細長撓性部件，該三個細長撓性部件彼此等距離地間隔開以允許該波浪能量轉換裝置自所有六個自由度提取能量。
7. 如請求項4至6中任一請求項之多點式繫泊系統，其中每一細長撓性部件皆包含一具有複數根纜索之纜索組群。
8. 一種波浪能量轉換器，其包含：一結構，其一與之相連接提供之部件至少部分地淹沒於平均水位以下；複數個細長撓性部件，其於一端處附接至一壓載構件，每一細長撓性部件皆延伸至一相應抵衡砝碼，該相應抵衡砝碼經由一滑輪機構自該至少部分淹沒部件懸掛。
9. 如請求項8之波浪能量轉換器，其進一步包含一與該至少部分淹沒部件相連接提供之大致剛性裙部，該裙部包含一細長大致圓柱形結構，該細長大致圓柱形結構垂直延伸以在該圓柱形結構之一表面上形成一水粒子流動路徑，其中該大致圓柱形結構之該表面包含一連串彎曲表面以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑，該圓柱形結構之該表面經成形以促進自一行進波浪之截面之能量梯度提取能量。
10. 如請求項9之波浪轉換器，其中該圓柱形結構之該表面經成形以形成一沿水平及垂直兩個方向行進之波狀水粒子流動路徑，其中在使用中，可使自該等水粒子提取之水平及垂直波浪能量最大化。
11. 如請求項9之波浪能量轉換器，其中該大致圓柱形結構包含一連串大致相等直徑之環，該一連串環以隔開之垂直間隔同心配置以形成一沿一垂直方向行進之波狀水粒子流動路徑。
12. 如請求項8至11中任一項之波浪能量轉換器，其中該滑輪機構包含複數個滑輪，每一滑輪接納一套繞在該滑輪上之相應細長撓性部件，藉此在使用中，該細長部件之線性移動可由該滑輪轉換成一用於驅動該波浪能量轉換裝置中之能量轉換構件之旋轉扭矩。
13. 如請求項12之波浪能量轉換器，其中每一細長撓性部件皆包含一纜索組群且每一滑輪皆包含一多纜索式滑輪，該多纜索式滑輪具有該纜索組群中掛在該滑輪上之纜索，一纜索組群之使用促進該滑輪與該等纜索之間的一較好夾持以將所期望之旋轉扭矩傳遞至該能量轉換構件。
14. 如請求項8至11中任一項之波浪能量轉換器，其進一步包含一用於每一抵衡砝碼之導軌，其中將該抵衡構件之移動限制於安全極限範圍內。