TWI659154B - 海岸保護暨波浪能源發電系統 - Google Patents

Abstract

本發明為有關於一種海岸保護的波浪能源發電系統。該波浪能源發電系統有一個設置於水體中之底座結構，且能保護海岸線不受波浪侵襲。該底座結構係一設於海床上之底座結構，該結構高度超過極端波浪的高度。該底座結構至少有一開口，從水體承接振盪水柱。水柱隨波浪運動而振盪，且形成一個能量擷取系統的部分，從該進來的波浪擷取能量。

Description

海岸保護暨波浪能源發電系統

本發明為有關於一種海岸保護解決方案及永續能源發電。更特定地說，本發明為有關於海岸管理解決方案之改善及波浪能源之擷取及其系統及方法。

本說明書中，先前技術的任何討論都不應被視為承認該先前技術廣為人知或形成本領域中一般知識的部分。

對環境的關懷，及對傳統碳氫燃料的有限資源的查覺，已導引人們研究永續非污染性能源，例如波浪、風、潮汐、地熱及太陽能。

目前已有各種形式之波浪能源發電系統被提出。有一種系統用的基本原理是用波浪運動中固有的垂直運動，造成渦輪的轉動，以直接或間接地驅使發電機發電。在這類系統中，波浪的振盪運動經常造成反向氣流情況。已有一些單一方向性的渦輪被設計使該渦輪在這種反向氣流情況下持續運作。

然而，在先述系統中就算不是全部，咎於在波浪的振盪運動轉換成轉動機械能時系統中的損耗，因而許多系統運轉效率較低。

此外，許多先述的波浪能源發電系統極依賴波浪的移動方向。許多現有的波浪能源發電系統被固定成朝一個方向，咎於自然潮汐變化造成波浪方向變化，其運作效率因此長期低於最佳效率。

許多已知以此原理(用波浪的垂直運動造成渦輪的轉動，以驅使發電機發電)運作的波浪能源發電系統的另一缺點是：這些系統通常依賴重力所造成共振放大原理以確保運作效率，藉以獲得所要的電能輸出程度。在此類系統中，須把水的振盪運動轉換成氣流。亦即，許多目前已知 的系統需要將液壓轉換到氣壓的過程，這更降低整體能量轉換過程的效率。

此外，許多已知的波能發電系統必須被建造成能承受從波浪而來巨大且不可預期的力量。為確保系統在工作年限中的永續性，須把某種程度冗餘(備餘)建於系統中。舉例而言，海洋發電系統一般的要求為能承受百年一次的風暴所造成的力量。在這些極端情形中的力量是大多數風暴造成的力量的許多倍，並在製造、安裝及維護系統時造成大量額外成本。這些額外成本通常高到使系統無法商業化。

能承受最為極端力量的系統尺寸必然較大，因此降低其美觀。永續能量系統，諸如波浪能源擷取系統，它的外觀或美觀是重要因素，這不只是為了降低對周遭環境的視覺衝擊，還為了讓公眾接受這些替代能源系統。

本發明的一個目的是克服或降低先前技術的一個或更多缺點，或至少提供一個有用的替代方案。

本發明的第一種態樣，為保護海岸的波浪能源發電系統，其包含：一個底座結構適於佈置在水體中以保護海岸線不受波浪侵襲。該底座結構之基部置於海床上並有一道牆從該基部延伸到一個超過最大預期浪高的高度的某點；及至少一個與底座結構關聯的相通道管，以從水體承接振盪水柱，振盪水柱因波浪運動而振盪。該道管形成一個能量擷取系統的部分，藉振盪水柱，從波浪擷取能量，並把擷取的能量轉換成電能。

該道管的第一段及第二段最好是有互相垂直的。在一些實例中，該道管是L形，第一段是水平下段，第二段是垂直上段。該道管的水平段有入口，且該道管的垂直段有出口。在某些最佳之實例中，L形道管的方向使水平段指向主要波浪方向。該道管的水平段的縱軸應平行於波浪的方向，使該入口面對波浪。

吾人發現，L形道管的入口指向波浪，能放大在該道管中的振盪水柱的升、降，使從波浪擷取的能量增加，系統的效率增高，且從假 定之波浪動作轉換成更多電能。

在最佳實例中，該道管在第一段與第二段之間有流速控制段，其抑制在該道管中振盪水柱的渦流。

在某些實例中，該道管的第一段、第二段及流速控制段被做成分開的元件，然後被連在一起。在其他實例中，該道管是一件式單元。

在一些實例中，該道管的第一段置於該底座結構的基部上，且該道管的第二段(少部分)形成該底座結構的牆。在其他實例中，該道管本身得作為該底座結構，或反過來。在一個最佳實例中，該道管的第一段直接放在水體的海牀上，且該道管的第二段(少部分)形成該底座結構的牆。

在一些實例中，該底座結構是防波堤。該防波堤的底座由巨石或人造石塊做成。該底座結構最好落座於一個較平坦的基部，例如混凝土板或整平的海牀。該防波堤的中心部分最好被趾堆保護，趾堆由較小的石頭形成，且包含有一防淘層以避免任何淘刷。一底層可垂直設置在該趾堆之上並定位依靠於該防波堤的中心部分，底層最好由更細的石頭或沈積物做成，以提供穩固的基部給主要保護層。該主要保護層最好被安排為可分散衝向防波堤的波浪的力量，以強化防波堤的耐用性，並抑制波浪運動造成的損害。後向保護層也可使用在防波堤上。一個混凝土頂結構可置於該防波堤上，以形成通道。舉例而言，該混凝土頂結構可被做成車道(最好沿防波堤的全長)供車輛沿該防波堤行駛及/或便道供輕型車輛及行人通行。

該底座結構可置於相對淺水區，例如最高約10米至15米。在其他應用中，該底座結構可置於深水區，例如最高約15米至30米。應瞭解，可針對特定波浪氣候及水深，設計該底座結構的形式及構造。此外，本發明的原理可用於超過30米的深度。

在各種以道管作為該底座結構且該底座結構直接坐落於海床上的實例中，該管道可為重力沉底式結構，因其重量而坐落於海床上。應瞭解，以重力沉底式結構為底座結構的優點是減少對海床的準備工作。舉例而言，在一些環境中，使用以重力沉底式結構為底座結構，可避免安裝基樁。

可用防水建材，例如鋼及混凝土，做成以重力沉底式結構為底座結構的振盪水柱結構。混凝土結構因對環境無或只有少量的危害而特別有優勢。

在一些實例中，該防波堤結構的一端連接海岸。在某實例中，該底座結構的第一部分連接海岸的一點，第二部分連接海岸的另一點。該底座結構的第一部分及第二部分的末端分開，以提供通道給船隻。在其他實例中，該底座結構不直接連接海岸。

在某些實例中，該底座結構平行於海岸線及/或主要波浪方向。在其他實例中，該底座結構垂直於海岸線及/或主要波浪方向。在一些實例中，該底座結構佈置為以預定角度延伸為相對於主要的波浪方向0和90度之間。

最好是該道管的下肢水平段縱軸設置延伸於以該底座結構的縱軸一事先決定的相對角度。在一些實例中，該道管下肢水平段的縱軸垂直於該底座結構的縱軸。在其他實例中，該道管水平段的縱軸平行於該底座結構的縱軸。在某些實例中，該道管水平段的縱軸與該底座結構的縱軸之間的角度介於垂直與平行之間。

該能量擷取系統最好包含一個渦輪與該道管的第二段相通，以致從該道管的第二段而來的流體流動驅動該渦輪，該流體的流動是由該道管中的振盪水柱的振盪所造成的。在一些實例中，該渦輪旋轉帶動一配置的發電機發電。該渦輪最好有多個轉子葉片，與該道管的第二段相通，以致從該道管而來的流體流動驅動該渦輪，該流體的流動是由該道管中振盪水柱的振盪所造成的，其中，該渦輪驅使一個發電機發電。

在其他實例中，該渦輪及該發電機組成一件式元件。該組合式渦輪/發電機元件包含一個永磁發電機。該永磁發電機有一個永久性磁鐵置於或靠近該渦輪的一個或多個葉片的末端。該永磁發電機最好有多極，以改變所產生的電力。該組合式渦輪/發電機元件最好有殼，以包住該渦輪的葉片。該組合式渦輪/發電機元件的優勢是安裝容易且降低安裝成本。

該道管最好置於水體裡，例如海裡，其中水柱隨著到達該底座結構的牆或通過該道管的波浪升、降，使水柱振盪。振盪水柱造成的流體的流動最好是雙向的。該流體是空氣或液體。在某些實例中，該流體 是空氣。在這些實例中，該渦輪最好，但非必要，設在該道管所處之水體的平均海平面以上。因此，應瞭解，振盪水柱造成的流體流動可直接或間接驅動該渦輪。

在最佳實例中，該流速控制段包括一有角度或有斜度的部分(舉例而言，有斜度的部分在橫剖圖中有圓角輪廓。有角度或斜度部分以一個角度延伸，使振盪水柱的方向有平順的且漸進的變化(例如從第一段到第二段的方向變化)，因此抑制在該導管裡的渦流。在某些實例中，有一或更多段有角度或斜度部分，以提供在第一段及第二段之間的方向的相對漸進的變化。

該有角度的斜度的部分有平整的內側及/或外側(在橫剖圖中)。該平整面之設計能把該道管做成模組化的、堅固的且有效率的構造，還能減少渦流，並因此改善該渦輪及整個系統的轉換效率。在一些實例中，該流速控制段有二弧形段，第一弧形段在該道管的第一段與該流速控制段的平坦外側的一端之間，第二弧形段在該道管的第二段與該流速控制段的平坦外側的另一端之間。

在其他實例中，該內側是圓形或弧形，且該外側是平的，為該流速控制段，提供有角度或斜度的特徵構造。

在一些實例中，該流速控制段的截面沿該流速控制段的長度變化。在某些實例中，該截面的變化能使流過該管道的水流或氣流加速。截面的變化可以是縮小該道管的通道，使流體在升降波浪循環的進水及排水階段都加速。

該道管的第一段、第二段及流速控制段可被做成一件式元件。該道管最好是L形管。在使用時，該道管的第一段水平設置，第二段垂直設置。在一個特定實例中，該流速控制段與該道管的第一段之間有鈍角。該流速控制段與該道管的第二段之間也有鈍角。

在某些實例中，該流速控制段坐落/延伸至海洋的平均海平面。在一些實例中，該流速控制段的內側/緣延伸至平均海平面且其外側在平均海平面以下，以致該流速控制段在平均海平面附近連接該道管的垂直段。

在一些實例中，在該道管的第一段與流速控制段之間的角 度為135°。在一些最佳實例中，在該道管的第二段與流速控制段之間的角度為135°。應瞭解，在該道管的第一段與第二段之間的角不限於這些例子，但可以是任何使流過該道管的水的方向漸漸改變並減少在該道管中的渦流的適當角度。在該道管的各段之間的角度是由各段之中心線(沿各段的縱軸延伸的線)來決定。

該道管的各段的長度是沿其中心線測量，以致該道管的有效長度是該道管的各段的長度的總和。舉例而言，該道管的總有效長度是第一段的長度、第二段的長度與流速控制段的長度的總和。

在某些最佳實例中，該道管的第一段的長度大於第二段的長度。在其他實例中，該道管的第二段的長度大於第一段的長度。在其他實例中，該道管的第一段的長度等於第二段的長度。應瞭解，該道管的各段的長度由本系統所佈放/安裝之海水深度決定。舉例而言，在約10米的相對淺水區，第一段(水平段)的長度大於第二段(垂直段)的長度，以得到所要的該道管的有效長度。應瞭解，在淺水區應用中，第二段的長度受海水深度限制。各段的不同長度的組合，配合與波浪週期有關的有效長度，使波浪能源擷取系統可應用於防波堤。

在最佳實例中，該道管的有效長度與波浪的週期T有關或成正比。決定該道管的有效長度與波浪週期的關係的公式是：L=T2/4，其中L是該道管的有效長度而單位是米，T是波浪週期而單位是秒。吾人可觀察到，把振盪水柱用於波浪能源擷取系統，並以此公式決定振盪水柱的有效長度與波浪週期之關係，特別是有利於提高運作效率。

在一些形式中，該道管的長度是波浪的波長的25%到45%，最好是37%。

吾人已發現，各段的不同長度的組合，配合與波浪週期有關的有效長度，使波浪能源擷取系統能應用於防波堤，以適應在特定區域的水深。

該道管的有效長度最好是固定的。在一些實例中，該道管的長度是10米、15米、20米、25米或30米。該道管不限於這些特定例子，可以是波浪能源擷取系統所要的應用(有周遭環境的特性及波浪氣候)所需的任何適當長度。

在一些實例中，該道管的長度可變，使其適應波浪週期。在各實例中，該道管的第一段有伸縮構造以改變其長度，並因此改變該管道的有效長度。第一段的伸縮構造有許多部分，例如管子，以利相對滑移。每一對伸縮段有一鎖定裝置，使彼此固定，以設定該道管的第一段的長度。在其他形式中，第二段的長度是可調的(第一段的長度是可調的或不可調的)。在其他實例中，用一個或更多個額外模組連接第一段，使長度增加到所要的長度。這些額外模組可以有不同長度，以快速適應波浪週期隨時間的變化。

該道管的內部截面可以是任何適當形狀，可為不規則形狀，並可沿該道管的每一段的長度在尺寸及形狀上變化。該道管朝該渦輪的開口變窄，使流體(例如氣流)在通到該渦輪時加速到最佳速度及壓力，以強化該渦輪的轉子的轉動效率，並因此提高能量轉換過程的整體效率。在一些實例中，用一條副管連接該道管的第二段，以改變流體通道的截面。該道管的流體通道的截面的變化使流體在波浪升、降時都加速。

在一些實例中，該道管有動態共振控制機構，以動態控制該道管的有效長度(即增長或縮短)，使該道管的共振頻率配合波浪的週期。在一些實例中，該動態共振控制機構包含一個在相關道管段的調整孔及一個可選擇性移動的閥，例如關閉件、掀蓋、蓋子或閘，閥選擇性使該調整孔的尺寸在全開及全關之間變化。閥可在全開及全關之間移動而調整該道管的長度，以對應波浪的頻率。

在一些實例中，該閥是藉鉸鏈接到該道管。在其他實例中，該閥可在該調整孔上滑動。

在某些實例中，在該道管裡提供單一動態共振控制機構。在其他實例中，在該道管裡裝設兩個或更多個動態共振控制機構。這些共振控制機構沿該道管的一段分開。每一個共振控制機構獨立於其他共振控制機構而運作，以致有一或更多個共振控制機構同時開或關，以改變該道管的有效長度。

在一些實例中，該動態共振控制機構設有感應裝置以感應在該道管裡的振盪水柱的振幅，此振幅代表波浪的週期。該閥與該感應裝置相通，以致從該感應器而來的訊號被用以移動該閥，以調整該道管的共 振頻率，以對應即時的波浪情況。在其他形式中，該閥是手動調整的。

該道管的構造使該感應裝置測量該振盪水柱的垂直振盪，且該調整孔及該閥設在該道管的入口段的上壁，以致該閥回應該感應器訊號而水平移動，以開、關該調整孔。

該動態共振調整機構係即時地且在現地調整該道管的有效長度，該道管的共振頻率，以對應即時的波浪情況。

該副管的入口小於該道管的垂直段的截面。該副管入口最好連結該道管的出口，在開口大小的不同能在升浪時的排氣階段使氣流加速。在一些實例中，把一或更多個擋板設在該通道裡或靠近在該道管與副管之間的連接處。在一些實例中，每一片隔板有對稱的橫剖輪廓。舉例而言，每一片擋板從它的中心向兩邊變細。在一個特定實例中，最好使用兩片隔板。

該副管的形狀使它與該道管相連時呈現S形。該副管有垂直段、弧形或有角度的中間管及水平段。該垂直段有入口，該水平段有出口，出口通往空氣。該渦輪/發電機元件設在該副管的出口裡或附近。該副管垂直段的開口小於該副管的水平段的開口，並因此在降浪的進氣階段，使從大氣流入的空氣加速。

在一些實例中，該道管的入口(靠海端)大於出口，以使流體加速。在一個最佳實例中，該入口是長方形，寬度大於高度。該長方形入口的寬度可能大到須用從該道管的第一段的天花板伸到地板的垂直支撐架以配合其跨幅。在一些實例中，用兩個垂直支撐件，平均裝設於該道管的寬面，以致於第一段道管提供三個通道。該支撐架終止於該流速控制通道之前，以致在每一條通道裡的水滙流進入該流速控制通道及該垂直段界定的單一流體通道。在一些實例中，該流速控制通道及/或該垂直段沿其長度變窄，使流體收縮且/或加速。

在一些實例中，加速源(亦即該道管的截面的變化)被安排在該渦輪的振盪水柱側或水側(與空氣側相反)，並在進氣或排氣階段使氣流透過渦輪加速。在其他實例中，在該渦輪的振盪水柱側或水側，設第一加速源，以在排氣階段，使氣流透過渦輪加速，並在該渦輪的空氣側，設第二加速源，以在進氣階段，使氣流透過渦輪加速。

在其他形式中，該道管有固定內截面。該道管的內截面可能是正方形或長方形。在其他實例中，該道管的內截面可能是圓形。該道管的內截面不限於此，可能是任何適當形狀，例如多邊形或不規則形。

該渦輪回應流體的雙向流動而單向運作。該渦輪最好是氣動渦輪，但在某特定實例中可以是水動渦輪。在一些實例中，該渦輪是反應式渦輪。

在一些實例中，該道管及副管的安排使氣流直接通過該渦輪。氣流直接進入該道管，配合該渦輪回應雙向氣流而單向運作的能力，達成簡單及有效率的構造，並避免用複雜的安排及機構，例如單向閥，以特定的適當的方式引導氣流。

該渦輪有轉子組件能從振盪水柱擷取能量，該渦輪轉子組件有一個繞中心軸線轉動的轂及多個葉片。這些葉片設於該轂上，在該中心軸線周圍。每一葉片有前緣及後緣，該前緣與該後緣在輪廓上互補，使這些葉片以邊緣接邊緣的方式緊鄰。

該等葉片依序排列而形成一個圓形陣列圍住該中心軸線。該等葉片不重疊地依序排列。

每一葉片最好有對稱的橫剖輪廓。但在一些實例中，每一葉片有不對稱的橫剖輪廓。該橫剖輪廓最好是翼形。該翼形最好是雙凸。在其他實例中，該翼形有一面是凹而另一面是凸。該翼形輪廓最好有放大的圓形前緣，並向內朝較薄的後緣變薄。在其他實例，每一個葉片有平面輪廓(例如平板)，有兩個平面。

在一些實例中，這些葉片可與不同輪廓的葉片互換而達到渦輪機的不同的操作特性。

該波浪能源擷取系統可能有多個道管，每一道管承接相關的振盪水柱。這些道管都被安排同一方向以面對主要波浪方向。這些道管可能沿一條共同軸線排列。這些道管可能排成一直線。在一些實例中，這些道管分成幾群，兩群或更多群形成陣列，且每一群可能有一條或更多條振盪水柱管道。在其他實例中，至少一群道管與其他群道管的排列形式不同。每一群道管最好沿共同軸線分佈。

在一些實例，在直線陣列道管中每一道管的長度不同。舉 例而言，這些道管的長度可能愈來愈長，可能是最靠近海岸的道管最短而離岸最遠的道管最長，或反過來。在中間的道管的長度是步進的。系統所在之處的海底地形及波浪狀況造成波浪特性變化，由不等長道管組成的陣列的優點是特別適應這類波浪特性變化。

該波浪能源擷取系統的構造，最好使每一道管的入口，在使用時，在系統所在的水體的平均海平面下同樣高度。在其他實例中，一或更多道管的入口與其他道管的入口在不同的高度。

每一道管最好配一個渦輪，以致在每一道管裡的振盪水柱獨立驅動對應的渦輪。替代地，從兩或更多道管而來的流體可驅動相同渦輪。

在某些實例中，該渦輪的配置使它的轉動軸線垂直於該道管的軸線。在其他實例中，該渦輪的配置使它的轉動軸線平行於該道管的軸線。在一些實例中，該渦輪的轉動軸線與該道管的軸線同軸。

在一些實例中，把該道管設置於海床上。在其他實例中，用錨定系統把該道管置於所要的位置及方向。該錨定系統能把該道管置於海床之上的預定高度。為維持該道管在相同高度，該錨定系統可能有浮力元件使該道管浮起來。

在各種較佳的實例中，該波浪能源擷取系統有兩道或更多道管而形成陣列，在陣列中每一道管承接一對應的振盪水柱。兩道或更多道管配置於相同方向面向主要波浪方向。在一些實例中，這些道管並排。然而，在一些實例中，可能使這些道管的方向不同，且未必都面向主要波浪方向。

在某些實例中，在陣列中全部道管有相同長度。在其他實例中，這些道管的長度不同，以對應不同波長的波浪。

在一些實例中，陣列的構造使每一振盪水柱驅動一個渦輪。在其他實例中，從全部道管而來的全部振盪水柱驅動一個共同的渦輪。在其他實例中，道管陣列可分成幾群，每一群道管共同驅動一個渦輪。在一些實例中，系統有一個支撐架使這些道管彼此分開。

在一些實例中，該道管(若形成該底座結構)或底座結構容納一條服務車道，使設備易於從岸上送到沿該底座結構的任何位置。在系統 裡設置服務車道的優點是容易且直接到達位在該防波堤的元件。

在一些實例中，該底座結構承載次要離岸能源擷取系統，例如風力發電機，以增加能源輸出。該底座結構可能採用離岸通訊及/或離岸控制塔，包括HF雷達設施以監測風、浪的狀況。在一些實例中，該底座結構協調多個系統的元件的電子設備的合作。

依本發明的另一個態樣，一種波浪能源擷取系統包括至少一條道管及一個渦輪。該道管承接一振盪水柱，該振盪水柱依海浪的升、降而振盪。該渦輪連接該道管，以致在該道管裡的振盪水柱造成流體的流動，這流動驅動渦輪，藉此從波浪擷取能量。該道管延伸到最大預期浪高以上，在波浪襲岸以前，攔截波浪，以減少波浪對海岸的衝擊。在一個實例中，該道管有至少一部分置於海牀上。

該能源擷取系統(或能源恢復機制)可被用在各種應用中，以提供主要獨立能源。在其他實例中，該能源擷取系統可能提供間歇的、補充的、再生的能源。該能源可能直接饋入電網立即使用，或貯存直到須用時(如電池中)。

依本發明的第三實例，一種波能抽取系統有一個底座結構及至少一道管。該底座結構在水體中。該底座結構從該水體的海床，向上伸到最大預期浪高之上。該道管置於該底座結構上，以承接因應波浪運動而振盪的振盪水柱。該道管與一個能量轉換件元相同，把與該振盪水柱有關的能量轉換成電能。

在一些實例中，該底座結構的形式是突堤、堤防、碼頭或其他。在一些實例中，在該底座結構上有一道或更多道管。在該底座結構上的道管的數量與能量擷取/轉換系統的數量可能有一對一的關係。亦即，在一些實例中，每一道管有其專屬的能量擷取/轉換系統。在其他實例中，兩道或更多道管與一個共同的能量擷取/轉換系統相通。這些道管可能沿該底座結構等分地分佈。在其他形式中，這些道管可能不規則地分佈。每一群道管中的數量與別群中道管的數量可能相同或不同。在一群中道管的數量及間距由該群離岸的距離決定。

在一些實例中，該底座結構可能形成一個海水淡化廠的殼的部分。在這類實例中，該渦輪可能當作一個幫浦。在一些形式中，該能 量擷取/轉換器產生的能量可能被用以驅動該海水淡化廠的一些元件。

在其他實例中，該底座結構的形式可能是浮動的，例如大船或鑽油平台，其中該能量擷取/轉換器附於該底座結構，並被用以驅動該底座結構的一些元件。在這類實例中，該底座結構不往下延伸到海床。

在另一個態樣中，一種從振盪工作流體擷取能量的渦輪組包含一個殼、一個轂及多數葉片。該轂裝置於該殼中，可繞一條中心軸線轉動。這些葉片設於該轂上，在該中心軸線周圍。該轂與一個永磁發電機相連而一起運作。

在一些實例中，該永磁發電機是多極發電機。該永磁發電機有一個或更多個永久磁鐵，在一個或更多葉片上。該永磁發電機有或一個更多個永久磁鐵，置於或靠近一個或更多葉片的末端。

在一些實例中，該殼設於一道管，該道管可置於水體中，該道管回應波浪的升、降而產生該振盪工作流體，且該殼的安裝使該轉子與該振盪流體相通，並可回應流過葉片的流體而運作。該流體造成雙向氣流，且該渦輪機回應該雙向氣流而單向運作。

1‧‧‧波浪能源擷取系統

2‧‧‧海洋

3‧‧‧道管

4‧‧‧振盪水柱

5‧‧‧第一段

6‧‧‧第二段

7‧‧‧流速控制段

8‧‧‧氣室

9‧‧‧渦輪

10‧‧‧組合式渦輪及發電機單元

11‧‧‧末端

12‧‧‧葉片

13‧‧‧殼

14‧‧‧底座結構

15‧‧‧基部

16‧‧‧海側趾堆

17‧‧‧港側趾堆

18‧‧‧關閉件

圖1是本發明中一海岸保護系統結合波浪能源擷取系統實例的橫剖圖。

圖2是本發明中另一海岸保護系統結合波浪能源擷取系統實例的橫剖圖。

圖3是本發明中另一海岸保護系統結合波浪能源擷取系統實例的橫剖圖。

圖4是本發明中一海岸保護系統結合多個波浪能源擷取系統實例的示意圖。

圖5是本發明中另一海岸保護系統結合多個波浪能源擷取系統實例的示意圖。

圖6顯示能源擷取系統的道管陣列，它們並排而形成防波堤底座結構。

圖7A及7B分別是能源擷取系統的顯示道管在波浪升、降時的橫剖圖。

圖8顯示本發明的另一實例的波浪能源擷取取系統所用的組合式渦輪/ 發電機元件。

圖9A至9C分別顯示使用動態共振控制機構的道管的關閉位置、第一開放位置及第二開放位置。

圖10顯示使用動態共振控制機構道管及三個獨立閘的側面圖。

圖11是本發明的另一實例的動態共振控制機構的立體圖，其包括掀蓋。

圖12顯示本發明的另一實例的波浪能源擷取系統，其用於海水淡化廠。

參考附圖，一個海岸保護暨波浪能源擷取系統1安置於水體，例如海洋2。波浪能源擷取系統1有一道管3，以承接海水，以形成一水柱4。如以下詳述，在道管3裡的水柱因流入波浪能源擷取系統1的波浪的升、降而振盪。

該道管3有互相水平的第一段5及垂直的第二段6，還有流速控制段7在二者之間。如圖1所示，道管3是L形，且第一段5、第二段6及流速控制段7形成一件式元。道管3的每一段都有開放端而形成連續通道。在圖示的實例中，道管3的通道的截面是長方形。然而，在其他實例中，道管3的通道的截面可以是其他形狀，並可能是一致或變異的開口。其中，該道管之水平下段為該第一段5，該道管的垂直上段的為該第二段6，該水平下段界定有一入口，該垂直上段界定有一出口。

道管3放大每一道通過波浪能源擷取系統1的波浪的振幅，以致在道管3裡的振盪水柱4的振幅大於通過控制的系統1的波浪的振幅。

流速控制段7抑制在道管3中的振盪水柱4的渦流，把水柱4的運動產生的氣流變成更受控制的、穩定的且一致的氣流。特定地，流速控制段7提供從第一段5到第二段6的方向的平順的且漸進的變化。這漸進的方向變化，在水柱4通過道管3時，減少在振盪水柱4裡的渦流。流速控制段7減少通過道管3的渦流，以致對波浪的振幅有正衝擊，由在道管3裡的水柱4的振盪的增加決定。渦流的減少導致系統1的整體效率的增加。其中，該流速控制段7具有一平面，該平面以一角度 傾斜於該第一段5與該第二段6之間，使得水流在流經傾斜的該平面時，藉以抑制流經該道管3中的振盪水柱形成渦流。

在圖示的實例中，振盪水柱4不充滿整個道管3，並因此未延伸到道管3的第二段6的末端。第二段6有一個氣室8，在振盪水柱4以上。當波浪上升，在道管3裡的振盪水柱4也上升，以產生一道向上的氣流。同樣，當波浪下降，在道管3裡的振盪水柱4也下降，以產生一道向下的氣流。

一個單向渦輪9安置於道管3的第二段6以上，與第二段6相通。渦輪9被向上、向下氣流驅動。雖然氣流因波浪的升、降而是雙向的，但渦輪9應對這雙向氣流而單向運作。

在圖示的系統1的實例中，渦輪9與一個永磁發電機合作，二者組成組合式渦輪及發電機單元10。如圖8清楚顯示，組合式渦輪及發電機單元10有永久磁鐵，其靠近渦輪9的一個或更多葉片12的末端11。永磁發電機最好有多極，以改變所產生的電。組合式渦輪及發電機單元10最好有一個殼13，以包住渦輪9的葉片12。殼13引導氣流到葉片12。組合式渦輪及發電機單元10的優勢是安裝容易且成本低。

參考圖1至3，7A-7B，從道管3到渦輪/發電機元件10的通道小於道管3的垂直段的截面。在排氣階段，在升浪的作用下，產生氣流，移向渦輪9的葉片12，此時，通道截面積的變化使氣流加速。此外，通道指向海牆(或道管3)的海側。這減少異常波浪情況(例如暴風)沖刷至組合式渦輪及發電機元件10而濺起浪花的機會。因此通道指向海側或向後，所以任何可能到達組合式渦輪及發電機元件10的高度的浪花，撞到道管3的氣室的天花板後，落回振盪水柱4。

以下將參考圖1至3描述各種底座結構14。

參考圖1，道管3置於該底座結構14上，其形式是石頭構成的基部15。海側趾堆16在基部15的靠海測，港側趾堆17在基部15的靠港側。這些趾堆16及17維持基部15的石頭的位置。在此實例中，道管3的水平段停在基部15上，入口面向海側，並因此指向波浪的方向。

在此，底座結構14的基部15完全在平均海平面下，坐落在海床上。道管3從基部15延伸到水面上，並超過該特定區域波浪情況的最 大預期浪高。道管3因此當作海牆，以保護海岸線不受波浪侵襲。

參考圖2，道管3的水平段直接坐落在海床上。道管3的垂直段從海床延伸到水面以上，並超過該特定區域波浪情況的最大預期浪高。道管3因此當作海牆，以保護海岸線不受波浪侵襲。

在此實例中，道管3因其重量而坐落在海床上。應瞭解，以重力沉底式結構的底座結構的優點是減少對海床的準備工作。舉例而言，在一些環境中，以重力沉底式結構的底座結構的使用避免基樁的安裝，如圖2所示。可用防水建材，例如鋼及混凝土，做成以重力沉底式結構的底座結構的振盪水柱結構。混凝土管結構因對環境無或只有少的危害而特別有優勢。

圖3顯示底座結構14的另一個實例。在此實例中，底座結構14有一石頭做成的基部15。基部15的中心部分16由巨石或人造石塊做成。用小石頭做成許多保護層，把這些保護層置於基部15的中心部分16周圍，以維持基部15的中心部分16的巨石的位置。可把底層垂直設在該趾堆上，底層安裝在基部15的中心部分16上。底層由更細的石頭或沈積物做成，以提供主要裝甲穩固之基部。該主要裝甲能分散衝向防波堤的波浪的力量，以強化防波堤的耐用性，並抑制波浪運動造成的損害。防波堤還有後保護層。一個混凝土頂結構可置於該防波堤上，以形成通道。舉例而言，如圖4及5所示，該混凝土頂結構被做成車道(最好貫穿防波堤的全長)供車輛沿該防波堤移動及/或便道供輕型車輛及行人通行。

圖4顯示在海洋2裡的海岸保護暨波浪能源擷取系統1的實例。在此實例中，許多道管3併排而形成防波堤底座結構。每一道管3上依規律的間隔設置渦輪/發電機元件。道管3的頂部有一條車道，供車輛在維修、服務及其他需要時通行。

在圖5的實例中，一個海岸保護系統使用雙源能量擷取系統。此雙源系統使用上述之波浪能源擷取系統及一個風能擷取系統。底座結構提供方便的離岸結構以承載風能擷取系統。在圖示的實例中，風力發電機的數量可對應相同之道管的數量，但非必要如此。熟悉此技術者將瞭解風力發電機通常設在岸上。因此，穩定及堅固的離岸底座結構，結合擷取雙能源(波能及風力)的能力，因增加可用電力的生產，而有足夠的商業及 運作上的優勢。

雖未見於圖4及5，防波堤的一端連接海岸，另一端被水包圍，以致船隻能從空出來的海側航向被保護的岸側。此外，底座結構可成為船隻在大海中的避難所。

參考圖6，能源擷取系統的道管併排成陣列而形成圖4或5所示的防波堤的底座結構。在每一道管中，每一個入口有兩個垂直結構支撐件，以支撐道管的水平段的跨幅。

底座結構可能置於10米15的相對淺水區中。在特定應用中，道管可能置於15米到30米的較深水域中。底座結構被設計成適應特定波浪情況及水深。此外，本發明的原理亦可被用在水深大於30米的水域中。

底座結構最好平行於海岸線及/或主要波浪的方向。

參考圖9至11，該道管的一些實例使用一個動態共振控制機構，以動態改變該道管的有效長度，使該道管的共振頻率配合波浪的週期。

參考圖9A至9C，道管所用的動態共振控制機構是用鉸鏈連接的可活動式關閉件18的形式。在圖9A中，關閉件在關閉位置，以致有效長度由道管自己的尺寸決定。在圖9B及9C中，關閉件18在兩個不同位置，使道管有不同的有效長度，因此允許道管的有效長度因應波浪的週期而變化，以強化道管提供的放大效果。

圖10所示的實例有三個用鉸鏈連接的關閉件18在道管的第一段的頂部。每一個關閉件18獨立地開或關，以調整道管的共振頻率。可瞭解，多個關閉器18的構造的優勢是提供更多的開及關的形式，因此增加道管的有效長度的調整的可能性。

圖11是一個動態共振控制機構的立體圖，道管的蓋子被鉸鏈連接而成為一個關閉件。此實例的優點是構造簡單且使用容易。

圖12顯示波浪能源擷取系統的一個實例被合併應用於海水淡化廠中。在此實例中，波浪能源轉換器產生的能量可能被用以驅動該海水淡化廠的一些元件。

綜合上述，本發明有至少一個實例的優點是結合海岸保護系統與波浪能源擷取系統。波浪能源擷取系統可以被併入石頭做成的防波 堤底座結構或海牆。在替代實例中，系統的一道管因其重量直接坐落於海床上，並延伸到海面上，因此形成底座結構及海牆。

防波堤的各種實例可能被設置在深水區或淺水區，且以對環境不造成或只造成很少的危害的材料做成。在淺水應用中，防波堤的底座結構是以重力沉底運作的結構，它因己身的重量而坐落在海床上，可避開打樁的需要，打樁需要昂貴的人力，且耗時甚久。

此外，一些實例的優勢是減少有多條道管及多個渦輪的陣列的完整系統所需的電子設備的數量。舉例而言，可藉著共用設備，例如變壓器、電子驅動器及電纜，而減少設備成本(例如多群渦輪(以五個為一群)可共用該設備。

本系統可以為模組化製品，離岸製造，並使各單位機組漂浮運送佈放地點。岸上建造之成本比離岸建造較為低。舉例而言，可以組合預製之鑄鐵/混凝土板而建造振盪水柱，然後拖到佈放地點。用耐用的混凝土建造振盪水柱管道具有優勢，因它大幅減低任何未來的維修成本。

本發明的實例可被用於新造的海岸管理結構中，或改善既有的防波堤、突堤、碼頭、船塢及其他可當作基構結構的建築物。本發明至少一個實例的另一個優勢是提供能減少對周遭環境的視覺衝擊的波浪能源擷取系統。此外，底座結構可以藉促進海洋生物在其上生長而提供環境利益。本發明在這些及其他方面對先前技術提出實用且有商業意義的改良。

雖然參考特定實例描述本發明，應瞭解，熟悉此技術者可用許多其他方式實施本發明。

Claims (31)

1. 一種能保護海岸的波浪能發電機，包括：一個底座結構，設置於水體中，以保護海岸線抵抗波浪侵襲，該底座結構具有一個基部及一道牆，該基部設置於水體的底部，該牆從該基部延伸，超過使用中最大預期浪高；至少一個道管，與該底座結構相連，以從水體承接振盪水柱，振盪水柱因波浪運動而振盪；其中，該道管具有形成該道管之水平下段的一第一段，及形成該道管之垂直上段的一第二段，該水平下段界定有一入口，該垂直上段界定有一出口；一動態共振控制機構，包括至少一關閉件，該關閉件可活動地連接於該道管的一管壁，並藉由該關閉件的位置來改變該道管的有效長度；一渦輪，具有多數葉片且與該道管的第二段相通，以致從該道管的第二段而來的流體驅動該渦輪，在該道管中水柱的振盪造成該流體的流動，其中該渦輪驅使一個發電機發電。
2. 如申請專利範圍第1項所述的波浪發電機，其中，該L形管的水平下段指向波浪的方向，該入口因此面對波浪。
3. 如申請專利範圍第2項所述的波浪能發電機，其中，該道管的第一段設置於該底座結構的基部上，且該道管的第二段形成該底座結構的牆的部分。
4. 如申請專利範圍第1所述的波浪能發電機，其中，該道管當作該底座結構。
5. 如申請專利範圍第4項所述的波浪能發電機，其中，該道管的第一段直接放在水體的海床上，且該道管的第二段形成該底座結構的牆的部分。
6. 如申請專利範圍第1所述的波浪能發電機，其中，該底座結構形成一個防波堤。
7. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該渦輪及該發電機組成一件式單元的組合式渦輪及發電機單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述的波浪能發電機，其中，該組合式渦輪及發電機單元有一個永磁發電機。
9. 如申請專利範圍第8項所述的波浪能發電機，其中，該永磁發電機有一個永久性磁鐵置於或靠近該渦輪的一個或多個葉片的末端。
10. 如申請專利範圍第9項所述的波浪能發電機，其中，該永磁發電機有多極，以改變所產生的電。
11. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該道管置於水體中，到達該底座結構的牆且通過該道管的波浪，該波浪的升、降使水柱振盪，而使流體產生雙向流動，其中該渦輪被該流體以無方向性方式驅動。
12. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該道管更具有界於該第一段與該第二段之間的一流速控制段，該流速控制段的截面沿該流速控制段的長度變化，以使流過這段的水加速。
13. 如申請專利範圍第12項所述的波能發電機，其中，該流速控制段的截面的變化是縮小該道管的通道以限制道管的流量，以致在波浪升降循環中的進氣及排氣階段，該道管的流速控制段使水加速。
14. 如申請專利範圍第12項所述的波浪能發電機，其中，該流速控制段穿過平均海平面。
15. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該道管的第一段的有效長度大於第二段的有效長度。
16. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該道管的有效長度與波浪週期成正比。
17. 如申請專利範圍第16項所述的波浪能發電機，其中，該道管的長度是波浪的波長的25%至45%。
18. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該道管概呈L型，且具有界於該第一段與該第二段之間的一流速控制段，該流速控制段具有一平面，該平面以一角度傾斜於該第一段與該第二段之間，使得水流在流經傾斜的該平面時，藉以抑制流經該道管中的振盪水柱形成渦流。
19. 如申請專利範圍第1項至第18項之任一項所述的波浪能發電機，其中，該關閉件的一端連接於該道管的第一段；該關閉件的另一端位於該入口，且能以該端為軸地上下擺動。
20. 如申請專利範圍第1項至第18項之任一項所述的波浪能發電機，其中，該動態共振控制機構包括多個該關閉件，這些關閉件沿該道管的其中一段分佈。
21. 如申請專利範圍第20項所述的波浪能發電機，其中該道管具有數量相同於該些關閉件的調整孔，每一關閉件分別設置對應的調整孔，每一關閉件分別可選擇性地移動，以使對應的調整孔的尺寸在全開及全關之間變化。
22. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該動態共振控制機構有感應裝置，以感應在該道管中的振盪水柱的振幅。
23. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該道管的開口面積向該渦輪收縮小，使水流加速，以致水流達到所要的速度及壓力，以通過該渦輪。
24. 如申請專利範圍第23項所述的波能發電機，其中，該道管的第二段的出口連接一條副管的入口，該副管的該入口小於該第二段的截面，該渦輪設在副管的出口裡或附近。
25. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，有許多道管，每一條道管承接一道有關的振盪水柱。
26. 如申請專利範圍第25項所述的波浪能發電機，其中，每一條道管的入口面海並因此指向波浪的方向。
27. 如申請專利範圍第25項或第26項所述的波浪能發電機，包括一個支撐架使該些道管彼此分開。
28. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該底座結構包含一條服務車道，使車輛可到達該底座結構的遠端。
29. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該底座結構承載一個次要離岸能量擷取系統。
30. 如申請專利範圍第29項所述的波浪能發電機，其中，該次要離岸能量擷取系統有一或更多個風力發電機。
31. 如申請專利範圍第1項所述的波浪能發電機，其中，該底座結構有一座通訊及控制塔可監控風及浪。