專利名稱：用于使用波浪能量進(jìn)行可再生電力生產(chǎn)的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將通過(guò)水的移動(dòng)(優(yōu)選地海洋波浪及/或海洋水流)賦予其的移動(dòng)轉(zhuǎn)換成有用能量的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明還涉及一種從水波提取有用動(dòng)力的發(fā)電系統(tǒng)。特定來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及波浪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)單元的設(shè)計(jì)的各種元件的相互作用。更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明吸收波浪能量、將所述能量轉(zhuǎn)換成電能并將所述電能從其離岸產(chǎn)生點(diǎn)輸送到陸基電力網(wǎng)。因此，本發(fā)明為公用事業(yè)或大型工業(yè)用戶經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生大量電力。此外，本發(fā)明還涉及一種利用波浪發(fā)動(dòng)機(jī)且更特定來(lái)說(shuō)利用用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的波浪發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，其中波浪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)使用多個(gè)不同大小的浮舟向涌入波浪能量呈現(xiàn)黑體，借此將波浪能量非線性地耦合到液壓泵送構(gòu)件中。
背景技術(shù)：
已知具有可移動(dòng)部件的各種形式的設(shè)備，所述可移動(dòng)部件由海洋波浪相對(duì)于固定結(jié)構(gòu)移動(dòng)且其移動(dòng)被轉(zhuǎn)換為可用能量。所述固定結(jié)構(gòu)通常安裝于海床上且此產(chǎn)生大量的工程問(wèn)題及困難。其還意味著，此設(shè)備無(wú)法用于很深的水中。已知的設(shè)備通?？蓛H從水的一個(gè)方向(即，水平移動(dòng)或垂直移動(dòng)，但并非兩者)提取能量。此大大減小了設(shè)備的效率。多年來(lái)，已眾所周知，借助于包括連接在一起以便可相對(duì)于彼此以樞轉(zhuǎn)方式移動(dòng)的兩個(gè)或兩個(gè)以上筏子或浮舟的設(shè)備來(lái)利用波浪能量。波浪動(dòng)作導(dǎo)致相對(duì)樞轉(zhuǎn)移動(dòng)，且所述相對(duì)移動(dòng)被轉(zhuǎn)換成有用能量。此外，發(fā)電技術(shù)中早就已知使用海洋波浪中可用的勢(shì)能來(lái)舉升浮舟。已開(kāi)發(fā)出多種巧妙的機(jī)械鏈接以試圖高效地捕獲海洋波浪的能量。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)第562，317號(hào)、第632，139 號(hào)、第 694，242 號(hào)、第 738，996 號(hào)、第 886，883 號(hào)、第 917，411 號(hào)及第 986，629 號(hào)美國(guó)專利。所有這些早期專利均依賴于固定浮舟之間的機(jī)械鏈接來(lái)陷獲搖動(dòng)、舉升、降落或縱向波浪運(yùn)動(dòng)。這些專利中所揭示的所有發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)械上為復(fù)雜的且為高度低效的。盡管所有以上所引用的參考文獻(xiàn)取決于波浪的勢(shì)能來(lái)開(kāi)發(fā)原動(dòng)力，但過(guò)去的一些波浪電動(dòng)機(jī)教示了波浪動(dòng)能的使用，例如第1，072，272號(hào)美國(guó)專利。現(xiàn)有技術(shù)的悉心研究展示，大多數(shù)歷史波浪電動(dòng)機(jī)(I)通過(guò)例如槳輪的裝置利用波浪的動(dòng)能或(2)通過(guò)一浮舟或一系列浮舟利用波浪的勢(shì)能。很少裝置利用兩種形式的能量?，F(xiàn)有技術(shù)在其涉及依賴于波浪的舉升動(dòng)力(即，其勢(shì)能)的波浪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下依賴于單一浮舟(舉例來(lái)說(shuō)，第 I, 202，742 號(hào)、第 I, 471，222 號(hào)、第 I, 647，025 號(hào)、第 I, 746，613 號(hào)、第 I, 953，285 號(hào)及第1，962，047號(hào)美國(guó)專利)或利用一系列相同大小的浮舟，舉例來(lái)說(shuō)，第1，925，742號(hào)、第
I,867，780號(hào)、第I, 688，032號(hào)、第I, 567，470號(hào)及第I, 408，094號(hào)美國(guó)專利。另外，許多早期波浪電動(dòng)機(jī)在機(jī)械上為極其復(fù)雜的。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)第1，528, 165號(hào)、第1，169, 356號(hào)及第1，818，066號(hào)美國(guó)專利。許多現(xiàn)有技術(shù)波浪電動(dòng)機(jī)教示浮舟的運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械或液壓構(gòu)件到軸或活塞的運(yùn)動(dòng)的直接線性耦合。因此，此些波浪電動(dòng)機(jī)必須非常堅(jiān)固且沉重以耐受入射于其上的寬廣波浪能量頻譜。舉例來(lái)說(shuō)，新澤西州大西洋城(Atlantic City, N.J.)所安裝的一個(gè)波浪電動(dòng)機(jī)由4英尺高的六英尺筒式浮舟組成。每一浮舟重約3，100磅且每分鐘11次地被波浪舉起兩英尺。所述浮舟借助于鏈條及棘輪來(lái)驅(qū)動(dòng)水平軸，從而產(chǎn)生約11馬力，通過(guò)使用沉重的飛輪來(lái)獲得穩(wěn)定性。此些現(xiàn)有技術(shù)波浪電動(dòng)機(jī)的低效性、資本成本及復(fù)雜性致使其并不成功。(電力，1911年I月17日)。(史密斯(Smith)在機(jī)械工程(Mechanical Engineering,1927年，第995頁(yè))中提出了類似波浪電動(dòng)機(jī)。)現(xiàn)有技術(shù)所教示的大多數(shù)現(xiàn)代波浪電動(dòng)機(jī)與本世紀(jì)初所教示的波浪發(fā)動(dòng)機(jī)在操作方式上顯著不同。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)在1975年4月29日頒予山田喜一(Kiichi Yamada)的第3，879，950號(hào)美國(guó)專利，其是針對(duì)將結(jié)合離岸核電站使用的波浪發(fā)電機(jī)。此現(xiàn)代波浪電動(dòng)機(jī)使用其運(yùn)動(dòng)線性地耦合到一系列氣動(dòng)活塞的多個(gè)相同浮舟。遺憾地，此線性耦合的收集器無(wú)法高效地陷獲波浪能量。海洋中的波浪在振幅或波浪高度上從零點(diǎn)幾英尺到超過(guò)50英尺地變化，且在頻率上從小于5英尺的波浪長(zhǎng)度到超過(guò)1，000英尺地變化。為了從任何給定波浪提取最大勢(shì)能，浮舟必須能夠動(dòng)態(tài)地耦合到波浪的移動(dòng)。給定大小的浮舟將對(duì)僅一個(gè)波浪長(zhǎng)度最高效地做出響應(yīng)。為了高效，波浪電動(dòng)機(jī)必須提供多個(gè)不同大小的浮舟，所述浮舟能夠高效地耦合到不同波長(zhǎng)的寬廣頻譜中，即，耦合到必須從其高效地提取動(dòng)力的所有波浪。概括地，此概念稱為“共振”。除與波長(zhǎng)的寬廣頻譜共振以外，高效波浪電動(dòng)機(jī)的浮舟必須能夠從低振幅及高振幅波浪兩者提取動(dòng)力。由于波浪在振幅上相差多達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通過(guò)將波浪移動(dòng)線性地耦合到齒輪或活塞來(lái)提取動(dòng)力的任何裝置將不得不在從波浪功率頻譜的高振幅端或低振幅端提取動(dòng)力時(shí)為低效的。理論上，獨(dú)自作用的單一浮舟，即使其為恰當(dāng)大小，也可能僅從入射于其上的波浪吸收一定分?jǐn)?shù)的可用動(dòng)力。此由以下事實(shí)導(dǎo)致:波浪的能量的一部分由浮舟吸收，另一部分從浮舟往回反射，且另一部分通過(guò)浮舟傳輸?shù)狡渌浇咏Y(jié)構(gòu)。此事實(shí)以及現(xiàn)有技術(shù)所教示的波浪電動(dòng)機(jī)不高效地耦合到海洋波浪的頻率或振幅譜中的事實(shí)已致使所有現(xiàn)有技術(shù)波浪電動(dòng)機(jī)非常低效。經(jīng)設(shè)計(jì)以捕獲波浪能量并其將轉(zhuǎn)換成多種其它形式的有用能量的方法及設(shè)備描述于若干現(xiàn)有技術(shù)刊物及專利中，如上文所述。這些早期專利依賴于固定浮舟之間的機(jī)械鏈接來(lái)陷獲波浪的搖動(dòng)、舉升、降落或縱向運(yùn)動(dòng)，但由于其機(jī)械復(fù)雜性而為高度低效的。在機(jī)械上最復(fù)雜的裝置中的一些裝置圖解說(shuō)明于第1，169，356號(hào)、第1，471，222號(hào)、第
I,528, 165號(hào)、第1，818，066號(hào)美國(guó)專利中。第2113311A號(hào)英國(guó)專利申請(qǐng)案揭示一種特定筏子或浮舟布置，即:兩個(gè)筏子，其彼此連接以圍繞共同樞轉(zhuǎn)軸進(jìn)行相對(duì)樞轉(zhuǎn)移動(dòng)；及一阻尼機(jī)構(gòu)，其用于阻尼樞轉(zhuǎn)軸的移動(dòng)以便使樞轉(zhuǎn)軸相對(duì)于水的平均水位維持大致固定。所述筏子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)泵，所述泵將海水驅(qū)動(dòng)到高架儲(chǔ)存罐，可從所述高架儲(chǔ)存罐釋放水以產(chǎn)生電。
在例如描述于第4，098, 084號(hào)美國(guó)專利(科克雷爾(Cockerell))中的現(xiàn)有技術(shù)波浪發(fā)電原動(dòng)機(jī)中，浮箱或漂浮部件在某些長(zhǎng)波浪條件中(即，當(dāng)波浪長(zhǎng)度大于個(gè)別浮箱的長(zhǎng)度的四倍時(shí))將變?yōu)椴ɡ烁S器且因此將不會(huì)在任何大的程度上相對(duì)于彼此移動(dòng)?，F(xiàn)有技術(shù)的研究展示，經(jīng)設(shè)計(jì)以將波浪能量轉(zhuǎn)換成有用能量的大多數(shù)發(fā)明(I)通過(guò)例如槳輪的裝置利用波浪的動(dòng)能或(2)通過(guò)一浮舟或一系列浮舟利用波浪的勢(shì)能。用于將波浪能量轉(zhuǎn)換成有用能量的絕大多數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明依賴于波浪的勢(shì)能，即，波浪的舉升動(dòng)力。許多此類發(fā)明依賴于單一浮舟來(lái)吸收波浪的能量。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)第562，317號(hào)、第738，996號(hào)、第 I, 202，742 號(hào)、第 I, 471，222 號(hào)、第 I, 647，025 號(hào)、第 I, 746，613 號(hào)、第 I, 953，285 號(hào)、第1，962，047號(hào)及第3，487，228號(hào)美國(guó)專利。其它早期發(fā)明依賴于一系列浮舟將波浪的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成其它形式，其實(shí)例包含第632，139號(hào)、第855，258號(hào)、第882，883號(hào)、第917，411號(hào)、第 I, 408，094 號(hào)、第 I, 567，470 號(hào)、第 I, 688，032 號(hào)、第 I, 867，780 號(hào)及第 I, 925，742 號(hào)美國(guó)專利。第Re31，111號(hào)美國(guó)專利涉及包括多個(gè)浮舟的波浪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，所述多個(gè)浮舟經(jīng)調(diào)諧以通過(guò)使用不同大小的浮舟而對(duì)涌入波浪做出響應(yīng)，借此波浪能量由所述浮舟提取并被轉(zhuǎn)換成液壓能。接著采用此液壓能來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)并產(chǎn)生電。所述浮舟通過(guò)鉸鏈連接在一起以便形成界定為“哈根(Hagen)陣列”的結(jié)構(gòu)。每一浮舟以使得允許浮舟之間的相對(duì)移動(dòng)的方式以樞轉(zhuǎn)方式連接到較大浮舟。液壓活塞及缸安裝于所述浮舟之間。這些液壓活塞及缸對(duì)經(jīng)鉸接浮舟之間的相對(duì)移動(dòng)做出響應(yīng)且響應(yīng)于此移動(dòng)而產(chǎn)生液壓能。此液壓能存儲(chǔ)于蓄能器中，所述液壓能接著由位于浮舟中的一者上的渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。所述陣列通過(guò)纜繩以使得其自由旋轉(zhuǎn)因此浮舟維持所要位置(即，面向涌入波浪)的方式系泊到海底。波浪能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的概念呈現(xiàn)出現(xiàn)在ASME會(huì)報(bào)(Transactions of the ASME)中，第492頁(yè)，第105卷，1984年12月。其中所描繪的系統(tǒng)包含由鉸接在一起的各種長(zhǎng)度的筏子或浮舟構(gòu)成的陣列以及定位于所述浮舟之間以用于吸收波浪能量并將其轉(zhuǎn)換成電能的液壓活塞及缸。展示通過(guò)單錨腿系泊系統(tǒng)系泊到海底的活節(jié)筏系統(tǒng)或陣列。圖解說(shuō)明船上電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意性表示，其中系統(tǒng)的組件包含液壓活塞及缸、蓄能器、渦輪機(jī)及發(fā)電機(jī)。圖解說(shuō)明用于傳輸所產(chǎn)生的電能的海底電纜。經(jīng)鉸接筏子的哈根陣列系統(tǒng)遭受以下事實(shí)的影響:筏子的垂直于波峰(平行于入射線)的單位長(zhǎng)度必須為入射波浪的約一個(gè)波浪長(zhǎng)度。結(jié)果是相對(duì)于筏子的船寬尺寸為良好效率，但在每筏子大小或重量提取的能量方面為不良效率。不良效率是由于以下原因而產(chǎn)生:哈根陣列系統(tǒng)未利用筏子的除單位長(zhǎng)度以外的物理參數(shù)來(lái)恰當(dāng)?shù)卣{(diào)諧系統(tǒng)以便對(duì)在海洋中發(fā)生的波浪頻率的寬廣頻譜做出響應(yīng)。若干個(gè)其它專利揭示利用多個(gè)浮舟將波浪能量轉(zhuǎn)換成有用能量。舉例來(lái)說(shuō)，第4，392，349號(hào)、第4，098，084號(hào)、第3，879，950號(hào)及第I, 408，094號(hào)美國(guó)專利揭示經(jīng)鉸接在一起以便形成活節(jié)鏈條或陣列的筏子狀浮舟。第4，241，579號(hào)、第4，073，142號(hào)、第4，048，801號(hào)、第1，757，166號(hào)美國(guó)專利揭示其中多個(gè)浮筒狀浮舟定位成特定圖案使得導(dǎo)致浮舟的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的波浪能量被轉(zhuǎn)換成有用能量的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。第3，758，788號(hào)美國(guó)專利揭示一種其中漂浮結(jié)構(gòu)通過(guò)樞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以及由所述漂浮結(jié)構(gòu)之間的移動(dòng)激活的波紋管連接在一起的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。接著使用正空氣或流體壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能。揭示用于將筏子或浮舟連接在一起的多種鉸鏈。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)第4，098，084號(hào)、第3，879，950號(hào)、第I, 408，094號(hào)、第917，411號(hào)、第882，883號(hào)及第632，139號(hào)美國(guó)專利。另夕卜，第4，118,932號(hào)美國(guó)專利揭示將兩個(gè)浮舟鉸接在一起，借此鉸鏈還形成響應(yīng)于浮舟圍繞鉸鏈線的相對(duì)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)而產(chǎn)生液壓能的泵。其它現(xiàn)有技術(shù)專利揭示用以將波浪能量轉(zhuǎn)換成液壓能的多種活塞或波紋管，例如第4，408，454號(hào)、第4，208，875號(hào)、第4，013，382號(hào)、第3，879，950號(hào)、第I, 757，166號(hào)美國(guó)專利。另外，第3，928，967號(hào)美國(guó)專利中所揭示的稱為沙爾特“點(diǎn)頭鴨(nodding duck) ”的裝置利用可變沖程旋轉(zhuǎn)泵將其能量移除部件的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可用液壓能。第3，928，967號(hào)美國(guó)專利描述一種由多個(gè)波浪動(dòng)力吸收器構(gòu)成的系統(tǒng)，所述多個(gè)波浪動(dòng)力吸收器經(jīng)部署以便攔截來(lái)自平行于入射波浪波峰的線的動(dòng)力，所述線與垂直于波浪波峰的尺寸相比為長(zhǎng)的。此專利中所描述的裝置為高效吸收器，但其具有缺少動(dòng)力提取所必需的穩(wěn)定參考的問(wèn)題。雖然所述裝置并入有改進(jìn)能量捕獲效率的數(shù)個(gè)特征，但所述概念未能并入有經(jīng)濟(jì)性波浪能量產(chǎn)生效率所必需的更重要的特征。現(xiàn)有技術(shù)中揭示了若干種其它系泊或錨定構(gòu)件。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)第4，408，454號(hào)、第 4，013，382 號(hào)、第 3，879，950 號(hào)、第 I, 746，613 號(hào)、第 917，411 號(hào)及第 855，258 號(hào)美國(guó)專利。然而，操作這些發(fā)明中的許多發(fā)明所需的支撐結(jié)構(gòu)或系泊系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜且成本高昂。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)第I, 757，166號(hào)、第3，879，950號(hào)、第3，928，967號(hào)及第4，013，382號(hào)美國(guó)專利。若干個(gè)現(xiàn)有技術(shù)專利揭示將所捕獲的波浪能量轉(zhuǎn)換成電能。舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)第 4，152，895 號(hào)、第 4，013，382 號(hào)、第 3，879，950 號(hào)、第 3，487，228 號(hào)、第 I, 962，047 號(hào)、第1，757，166號(hào)及第738，996號(hào)美國(guó)專利。已發(fā)現(xiàn)最接近本發(fā)明的技術(shù)是第1，757，166號(hào)美國(guó)專利，其涉及一種從海洋波浪獲得動(dòng)力的設(shè)備及方法。然而，甚至此現(xiàn)有技術(shù)也教示了相同大小的多個(gè)單一未連接浮舟的使用。本發(fā)明人未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)教示將一浮舟群組以一陣列系鏈在一起以形成波浪捕集器以捕獲反射及傳輸?shù)牟ɡ四芰康膬?yōu)點(diǎn)。此外，本發(fā)明人未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)教示浮舟到其相關(guān)聯(lián)動(dòng)力提取裝置的非線性耦合?，F(xiàn)有技術(shù)限制于借以將動(dòng)力從波浪轉(zhuǎn)移到漂浮結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)或?qū)⑵〗Y(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為有用動(dòng)力的方法?，F(xiàn)有技術(shù)未通過(guò)使漂浮結(jié)構(gòu)響應(yīng)與波浪條件匹配來(lái)考慮到入射波浪的隨機(jī)特征，所述波浪條件(I)針對(duì)世界各地的不同位置每年地變化，(2)每月(季節(jié))波動(dòng)，及⑶在短時(shí)間間隔內(nèi)從入射波浪周期的分?jǐn)?shù)到超過(guò)數(shù)個(gè)波浪周期地變化。此外，現(xiàn)有技術(shù)未使動(dòng)力傳動(dòng)系阻抗與入射波浪特性匹配以便優(yōu)化動(dòng)力吸收及短時(shí)間能量存儲(chǔ)以實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)力傳動(dòng)系效率?，F(xiàn)有技術(shù)未分析針對(duì)用以將基本負(fù)載電力提供到海岸設(shè)施的能量系統(tǒng)必須考慮的經(jīng)濟(jì)因素。舉例來(lái)說(shuō)，部署位點(diǎn)的選擇包含例如以下各項(xiàng)等因素:用于系泊及電力傳輸?shù)臏y(cè)深條件、距海岸的距離、使船上發(fā)電與岸邊電力網(wǎng)規(guī)格匹配、系泊深度、從個(gè)別波浪能量發(fā)電單元的電力收集以及電力調(diào)節(jié)及到海岸的傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目標(biāo)是提供一種減輕現(xiàn)有技術(shù)中的個(gè)別組件的以上缺點(diǎn)以接著實(shí)現(xiàn)能夠高效地從各種各樣波浪長(zhǎng)度的海洋波浪提取能量的系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法。特定來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種利用能漂浮且可使用常規(guī)或新穎的系泊技術(shù)通過(guò)纜繩等系泊的設(shè)備的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種利用可從水的垂直及水平移動(dòng)提取能量的設(shè)備的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種利用以非線性方式耦合到海洋波浪的振幅頻譜中以便高效地從高振幅及低振幅波浪兩者提取動(dòng)力的波浪發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的又一目的是提供一種利用多個(gè)駁船一起起作用以形成陷獲入射波浪能量的黑體的波浪發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的又一目的是提供一種利用具有不同駁船的裝配的波浪發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)及方法，所述不同駁船共同充當(dāng)波浪捕集器以將入射在其上的大百分比的波浪能量轉(zhuǎn)換為液壓動(dòng)力。本發(fā)明的再一目標(biāo)是提供一種利用可容易地按比例放大以低廉地提供大量動(dòng)力且足夠簡(jiǎn)單以需要低維護(hù)水平的波浪電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的再一目標(biāo)是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷且提供一種高效地將波浪能量轉(zhuǎn)換成電能且其構(gòu)造及維護(hù)具成本效益的波浪驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)。依據(jù)以下描述，本發(fā)明的其它目標(biāo)及優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)。本發(fā)明是一種用于將波浪能量轉(zhuǎn)換成有用能量的系統(tǒng)且包括三艘駁船:迎浪前駁船及后駁船，其各自通過(guò)鉸鏈及鉸鏈支撐件連接到中央慣性駁船，從而允許活節(jié)運(yùn)動(dòng)。附接到中央駁船的是阻尼器板，其經(jīng)設(shè)計(jì)以使所述中央駁船的起伏運(yùn)動(dòng)最小化且借此使中央駁船的垂直位移最小化且增加其穩(wěn)定性。所述板的由以可移動(dòng)方式連接到樁孔(其附接到中央駁船)的側(cè)樁支撐的集中重量將產(chǎn)生鐘擺動(dòng)作，從而導(dǎo)致所述中央駁船的縱搖運(yùn)動(dòng)，所述縱搖運(yùn)動(dòng)又將增強(qiáng)駁船對(duì)的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。通過(guò)可移動(dòng)壓載配重來(lái)實(shí)現(xiàn)所述前駁船及后駁船的共振，所述可移動(dòng)壓載配重可定位于每一駁船的船頭與船尾之間的不同位置處以調(diào)整所述系統(tǒng)的質(zhì)量慣性矩，借此改變自然縱搖頻率。將駁船對(duì)的鐘擺動(dòng)作轉(zhuǎn)變成動(dòng)力泵及運(yùn)動(dòng)控制泵中的液壓流體流動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，前駁船的鐘擺動(dòng)作致使動(dòng)力泵迫使液壓流體穿過(guò)對(duì)應(yīng)高壓液壓進(jìn)給線路流動(dòng)到對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)中且穿過(guò)低壓液壓進(jìn)給線路返回到動(dòng)力泵。類似地，后駁船的鐘擺動(dòng)作致使運(yùn)動(dòng)控制泵迫使液壓流體穿過(guò)其對(duì)應(yīng)高壓液壓進(jìn)給線路流動(dòng)到對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)中且穿過(guò)低壓液壓進(jìn)給線路返回到運(yùn)動(dòng)控制泵。所述動(dòng)力泵及所述運(yùn)動(dòng)控制泵為其輸出通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)整流且通過(guò)蓄能器來(lái)平滑的雙作用液壓泵。發(fā)電機(jī)經(jīng)配置以從穿過(guò)其內(nèi)部渦輪機(jī)的液壓流體流產(chǎn)生電?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)配置以控制從泵去往并穿過(guò)發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)的流以便使其在時(shí)間上為準(zhǔn)整流正弦的。駁船的結(jié)構(gòu)響應(yīng)可經(jīng)調(diào)整以便與入射波浪的頻譜相一致，借此可針對(duì)所述地區(qū)的現(xiàn)有海洋條件提供最大電力輸出。本發(fā)明具有以下目標(biāo)及優(yōu)點(diǎn):1.系泊結(jié)構(gòu)經(jīng)設(shè)計(jì)以抵抗作用于波浪激活漂浮結(jié)構(gòu)上的波浪的力且使系統(tǒng)在水表面上保持于適當(dāng)位置中，因此為動(dòng)力移除提供穩(wěn)定參考平臺(tái)。2.漂浮結(jié)構(gòu)經(jīng)設(shè)計(jì)以使反射、傳輸及自產(chǎn)生的波浪最小化，借此使從海洋波浪吸收的動(dòng)力最大化。3.漂浮結(jié)構(gòu)采用船體的受控制質(zhì)量慣性矩及幾何形狀的使用以使結(jié)構(gòu)響應(yīng)與入射波浪的頻譜匹配，借此使動(dòng)力提取效率最大化。4.漂浮結(jié)構(gòu)針對(duì)不需要用于固持壓載、機(jī)械或用于承受高操作負(fù)載的所有元件采用輕量結(jié)構(gòu)，借此減少資本成本。5.動(dòng)力提取裝置并入有控制元件，所述控制元件允許動(dòng)力提取阻抗變化以實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)力提取效率，借此允許在短時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電效率。7.船上發(fā)電容量可經(jīng)設(shè)計(jì)以針對(duì)給定平均每年波浪環(huán)境提供最優(yōu)操作效率，借此允許針對(duì)給定位置的最大電力轉(zhuǎn)換頻率。8.并入有自動(dòng)感測(cè)與控制裝備以在組件故障的情況下隔離一部分或允許模塊化停工以進(jìn)行例行維護(hù)。9.可替換系統(tǒng)的經(jīng)受高磨損及嚴(yán)重腐蝕及負(fù)載的那些部分，借此允許最大的發(fā)電容量可用性及最小的操作與維護(hù)成本。10.可將單元與系泊、控制及電力線切斷連接以允許輸送到海岸以進(jìn)行維護(hù)及修理。此外，可安裝儲(chǔ)備單元以防止在波浪能量單元的入干船塢或海岸維護(hù)期間電力容量的損失。由于本發(fā)明的獨(dú)特特征，電力系統(tǒng)可由用戶通過(guò)極大節(jié)省投資資本的模塊化安裝來(lái)安裝以滿足長(zhǎng)期電力需求的變化。由眾多個(gè)別波浪能量產(chǎn)生單元構(gòu)成的系統(tǒng)仍將經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生電力，與常規(guī)電源不相上下。由于對(duì)波浪能量的此高效吸收，直接在陣列后面的區(qū)域可為相對(duì)平靜的。因此，本發(fā)明所教示的漂浮陣列可用作漂浮防波堤，但此并非本發(fā)明的主要目的。根據(jù)本發(fā)明，提供用于將通過(guò)水的移動(dòng)賦予其的移動(dòng)轉(zhuǎn)換成有用能量的設(shè)備，其包括兩個(gè)或兩個(gè)以上經(jīng)互連部件，所述部件中的至少一者為能漂浮的且在所述設(shè)備的使用中所述部件可因水的運(yùn)動(dòng)而相對(duì)于彼此移動(dòng)，所述部件中的至少一者具備或連接到在所述設(shè)備的使用中對(duì)水的水平運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)的構(gòu)件以及用于將所述經(jīng)互連部件的相對(duì)移動(dòng)及所述對(duì)水的水平運(yùn)動(dòng)做出響應(yīng)的構(gòu)件的操作轉(zhuǎn)換成有用能量的構(gòu)件。本發(fā)明提供一種波浪發(fā)電原動(dòng)機(jī)，其包括中央駁船及位于中央駁船下方比駁船的深度大許多倍的深度處的慣性阻尼裝置；及通過(guò)第一鉸鏈以樞轉(zhuǎn)方式連接到所述中央駁船的至少一個(gè)波浪可移動(dòng)駁船，借此在使用中，中央主體保持大致固定，而每一駁船由在寬廣范圍的波浪長(zhǎng)度內(nèi)的經(jīng)過(guò)的波浪或涌浪移動(dòng)且每一駁船獨(dú)立地給其自己的泵提供動(dòng)力，因此確?？蛇m應(yīng)動(dòng)力的變化以高效地將波浪能量轉(zhuǎn)換成電。中央駁船的使用允許波浪發(fā)電原動(dòng)機(jī)在寬廣范圍的波浪條件內(nèi)產(chǎn)生能量。特定來(lái)說(shuō)，每一駁船與中央駁船之間的相對(duì)移動(dòng)在波浪長(zhǎng)度大于駁船的長(zhǎng)度時(shí)仍發(fā)生。方便地，阻尼裝置包含至少一個(gè)阻尼板，所述至少一個(gè)阻尼板可相對(duì)于慣性駁船移動(dòng)，借此可按現(xiàn)場(chǎng)條件調(diào)諧所述阻尼板。另外，可相對(duì)于駁船提升阻尼裝置以使得原動(dòng)機(jī)能夠被牽引。優(yōu)選地，每一駁船具備可調(diào)整壓載以控制每一浮箱的慣性性質(zhì)，借此可按現(xiàn)場(chǎng)處的波浪頻譜調(diào)諧原動(dòng)機(jī)。


現(xiàn)在將參考附圖更特定地描述本發(fā)明，所述附圖僅以實(shí)例方式展示根據(jù)本發(fā)明的波浪發(fā)電原動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例，其中:圖1A到ID圖解說(shuō)明本發(fā)明的系統(tǒng)的第一實(shí)施例的各種視圖，其中圖1A展示駁船船體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組件的至少一個(gè)實(shí)施例的前面圖，圖1B展示其側(cè)面圖，圖1C展示其頂面圖，且圖1D展示其剖面圖；圖2圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的慣性阻尼板的總體視圖；圖3圖解說(shuō)明用于系泊本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的總體視圖；圖4展示用于使本發(fā)明的系統(tǒng)浸沒(méi)及重新漂浮的裝置的一個(gè)實(shí)施例；圖5A及5B展示用于使本發(fā)明的系統(tǒng)浸沒(méi)及重新漂浮的操作的一個(gè)實(shí)施例；圖6展示本發(fā)明的系統(tǒng)的至少實(shí)施例的總體透視圖，其圖解說(shuō)明可取決于所要的特定應(yīng)用而應(yīng)用于系統(tǒng)的元件的組合；且圖7A及7B展示本發(fā)明的系統(tǒng)的至少一個(gè)實(shí)施例的總體透視圖，其圖解說(shuō)明可取決于所要的特定應(yīng)用而應(yīng)用于系統(tǒng)的增強(qiáng)件或補(bǔ)充元件的組合。
具體實(shí)施例方式第一優(yōu)詵實(shí)施例在本發(fā)明的針對(duì)通過(guò)波浪能量的轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生電的系統(tǒng)的第一優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1A到IC中作為實(shí)例所展示，一個(gè)或多個(gè)駁船將以入射波浪的頻率縱搖；將接著形成經(jīng)輻射波浪，此導(dǎo)致對(duì)徑向及入射波浪的相消干涉，從而導(dǎo)致衍射在所述系統(tǒng)上聚焦。衍射是沿垂直于波浪行進(jìn)方向的方向的能量移動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，如果波浪被障礙物阻斷，那么衍射允許波浪能量填入在所述障礙物后面的“陰影”中。浮體(即，駁船)對(duì)波浪能量的吸收與所述浮體產(chǎn)生抵消入射波浪的波浪的能力直接相關(guān)。本發(fā)明的系統(tǒng)既定產(chǎn)生向前面以及側(cè)面輻射的波浪。此能力允許其也從側(cè)面捕獲波浪能量。實(shí)驗(yàn)已展示，本發(fā)明的系統(tǒng)可從大于駁船的船寬的寬度吸收能量，因?yàn)椴ɡ四芰渴菑鸟g船的側(cè)面引入的。盡管在將此動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能時(shí)必定存在顯著能量損失，但所述系統(tǒng)可沿入射在駁船上的波浪的寬度捕獲所有能量。本發(fā)明使用衍射聚焦從大于裝置的寬度的寬度引入能量。此衍射聚焦直接類似于聚光式太陽(yáng)能收集器；實(shí)際上，聚光式太陽(yáng)能收集器可由于朝向收集器引導(dǎo)日光的鏡或透鏡而吸收比直接入射在收集器自身上的日光多的能量。作為優(yōu)選實(shí)施例的實(shí)例，結(jié)構(gòu)10包含三艘駁船:迎浪前駁船11及后駁船15，其各自通過(guò)鉸鏈13及鉸鏈支撐件14連接到中央駁船12，從而允許活節(jié)運(yùn)動(dòng)。附接到中央駁船12的是慣性阻尼板17，其經(jīng)設(shè)計(jì)以使中央駁船12的起伏運(yùn)動(dòng)最小化且借此使中央駁船12的垂直位移最小化且增加其穩(wěn)定性。板17的由以可移動(dòng)方式連接到樁孔19 (其附接到中央駁船12)的側(cè)樁18支撐的集中重量將產(chǎn)生鐘擺動(dòng)作，從而導(dǎo)致中央駁船12的縱搖運(yùn)動(dòng)，所述縱搖運(yùn)動(dòng)又將增強(qiáng)駁船對(duì)11、15的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。如圖1D中所展示，通過(guò)可移動(dòng)壓載配重22來(lái)實(shí)現(xiàn)前駁船與后駁船的共振，可移動(dòng)壓載配重22可定位于每一駁船的船頭與船尾之間的不同位置處以調(diào)整系統(tǒng)的質(zhì)量慣性矩，借此改變自然縱搖頻率?？墒褂?舉例來(lái)說(shuō))安裝于駁船(在此實(shí)例中，為前駁船11)的船體內(nèi)的螺紋桿22b上的大塊高密度材料22a來(lái)實(shí)施壓載配重22以允許根據(jù)海洋條件需求進(jìn)行前后調(diào)整以實(shí)現(xiàn)最大能量轉(zhuǎn)移。前駁船11及后駁船15中的每一者設(shè)計(jì)有伸長(zhǎng)的矩形形狀，由(舉例來(lái)說(shuō))鋼或復(fù)合材料制成以便在捕獲并將波浪能量轉(zhuǎn)移到泵21、25時(shí)使水動(dòng)力效率最大化，同時(shí)對(duì)涌入波浪的持續(xù)不斷沖擊及海洋環(huán)境的腐蝕效應(yīng)具結(jié)構(gòu)彈性。然而，可使用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的其它形狀及配置，同時(shí)仍保持在本發(fā)明的范圍及精神內(nèi)。類似地，中央駁船12設(shè)計(jì)有矩形形狀且由鋼或復(fù)合材料制成以便在從泵21、25捕獲并將波浪能量轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)16時(shí)使水動(dòng)力效率最大化，同時(shí)具結(jié)構(gòu)彈性以固持安裝于其上的任何及所有組件(即，發(fā)電機(jī)、傳感器、天線、危險(xiǎn)警告燈、殼體)且仍耐受涌入波浪的持續(xù)不斷沖擊及海洋環(huán)境的腐蝕效應(yīng)。然而，可使用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的其它形狀及配置，同時(shí)仍保持在本發(fā)明的范圍及精神內(nèi)。如上文所述，駁船11、12、15由鋼或復(fù)合材料(包含但不限于碳纖維加強(qiáng)聚合物、陶瓷、纖維層壓鋼、纖維層壓鋁、纖維層壓陶瓷、纖維加強(qiáng)樹(shù)脂襯底及凱夫拉爾加強(qiáng)結(jié)構(gòu))構(gòu)造而成。如上文所描述的復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的使用允許駁船11、12、15更耐用以在整個(gè)長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)耐受到波浪的力的連續(xù)暴露以及海水、日光及熱量的腐蝕效應(yīng)。駁船對(duì)11、15的鐘擺動(dòng)作被轉(zhuǎn)變成動(dòng)力泵21及運(yùn)動(dòng)控制泵25中的閉環(huán)液壓流體流動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，前駁船11的鐘擺動(dòng)作致使動(dòng)力泵21迫使液壓流體穿過(guò)對(duì)應(yīng)高壓液壓進(jìn)給線路22流動(dòng)到對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)16中且穿過(guò)低壓液壓進(jìn)給線路23返回到動(dòng)力泵21。類似地，后駁船15的鐘擺動(dòng)作致使運(yùn)動(dòng)控制泵25迫使液壓流體穿過(guò)其對(duì)應(yīng)高壓液壓進(jìn)給線路26流動(dòng)到對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)16中且穿過(guò)低壓液壓進(jìn)給線路27返回到運(yùn)動(dòng)控制泵25。動(dòng)力泵21及運(yùn)動(dòng)控制泵25為其輸出通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)整流且通過(guò)蓄能器來(lái)平滑的雙作用液壓泵。可使用此項(xiàng)技術(shù)中已知的經(jīng)適當(dāng)選擇以符合與本發(fā)明的性能、耐用性及耐久性以及環(huán)境生存要求一致的特性的常規(guī)泵來(lái)實(shí)施動(dòng)力泵21及運(yùn)動(dòng)控制泵25。發(fā)電機(jī)16經(jīng)配置以從穿過(guò)其內(nèi)部渦輪機(jī)的液壓流體流產(chǎn)生電?？墒褂盟鶎兕I(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的能夠轉(zhuǎn)移能量且借此使用涌入海洋波浪型式的脈沖動(dòng)力及頻率產(chǎn)生電的已知水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)施此些發(fā)電機(jī)，包含但不限于基于貝爾頓式水輪機(jī)的裝置及卡普蘭渦輪機(jī)?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)配置以控制從泵21、25去往并穿過(guò)發(fā)電機(jī)16的渦輪機(jī)的流以便使其在時(shí)間上為準(zhǔn)整流正弦的。與駁船11、12、15 —樣，結(jié)構(gòu)10的與所述駁船安裝在一起或位于同一地點(diǎn)的其它組件可由類似材料構(gòu)造以便使其對(duì)于環(huán)境的效應(yīng)來(lái)說(shuō)為耐用的。另外，例如動(dòng)力泵21、運(yùn)動(dòng)控制泵25及發(fā)電機(jī)16的組件可經(jīng)定位以便裝配于安裝在駁船11、12、15頂部上的一個(gè)或一個(gè)以上殼體中(舉例來(lái)說(shuō)，參見(jiàn)圖4、5A到5B、6及7A到7B)。慣性阻尼板17經(jīng)設(shè)計(jì)以使中央駁船15穩(wěn)定，從而提供前駁船11及后駁船15可對(duì)抗的參考。其通過(guò)使用因在板17移動(dòng)時(shí)周?chē)碌牧Χ绱瞬僮??？蓪⒋怂畡?dòng)力分解成三個(gè)分量:附加質(zhì)量、輻射阻尼及粘滯阻尼。附加質(zhì)量是由于在板17加速時(shí)被加速的水的慣性所致。板17在其移動(dòng)時(shí)使大量的水移動(dòng)，且因此所述板顯現(xiàn)為具有比其自己的固體質(zhì)量的慣性大得多的慣性。對(duì)抗所述板的加速的此慣性稱為附加質(zhì)量。在板17移動(dòng)時(shí)，其也產(chǎn)生波浪。這些波浪遠(yuǎn)離板17向外輻射，從而隨之?dāng)y帶能量。在可能看似為悖論的論點(diǎn)中，良好的波浪吸收器必須也為良好的波浪制造者；為了吸收入射波浪，裝置必須有效地形成抵消入射波浪的波浪，使得所述波浪在其經(jīng)過(guò)裝置時(shí)減小。因此輻射所致的力與板的速度異相180度，且因此其被描述為阻尼力。另一阻尼力由使板17移動(dòng)穿過(guò)水的粘滯損失引起。板17在其擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生漩渦，所述漩渦攜帶能量離開(kāi)所述板。產(chǎn)生這些漩渦所需要的力稱為粘滯阻尼。不同于輻射阻尼，此力并不具生產(chǎn)性，且僅僅表示能量的耗散。如圖2中所展示，慣性阻尼板17經(jīng)設(shè)計(jì)以使附加質(zhì)量及輻射阻尼最大化同時(shí)使粘滯阻尼最小化。平板設(shè)計(jì)在其移動(dòng)時(shí)夾帶大量周?chē)乃乙虼司哂写蟮母郊淤|(zhì)量。同樣地，此形狀為良好的波浪制造者，因此其輻射阻尼也較大。通過(guò)將板17的邊緣17a修圓且將所述板的拐角17b修圓，可大大地減少粘滯阻尼，從而滿足波浪能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10針對(duì)此分量的水動(dòng)力目標(biāo)。在結(jié)構(gòu)10的實(shí)施方案中，慣性阻尼板17位于結(jié)構(gòu)10下方比水表面的深度大許多倍的深度處以提供產(chǎn)生足以抵抗因隨機(jī)波浪運(yùn)動(dòng)所致的結(jié)構(gòu)10的移動(dòng)的扭矩的力矩臂。在用于系泊結(jié)構(gòu)10的一個(gè)實(shí)施例中，如圖3中所展示，結(jié)構(gòu)10主要(但并不專門(mén)地)既定利用海洋涌浪(所述海洋涌浪為由于遙遠(yuǎn)位置處的風(fēng)暴或干擾而橫跨海洋的向岸涌浪且并非當(dāng)?shù)仫L(fēng)生波浪或由潮汐導(dǎo)致的波浪的動(dòng)力)的能量，且特定來(lái)說(shuō)并不既定利用破碎或高潮波浪的動(dòng)力。由于涌浪是朝向海岸，因此可通過(guò)附接到位于結(jié)構(gòu)10的朝海側(cè)的系泊浮筒28的系泊線來(lái)固定結(jié)構(gòu)10。還可通過(guò)連接到位于朝向海岸處的輔助系泊浮筒或站29的輔助系泊線來(lái)防止結(jié)構(gòu)10在風(fēng)中搖擺。還可將其它系泊線(未展示)連接到阻尼板17。海洋涌浪的波浪長(zhǎng)度在不同區(qū)域間變化，且依據(jù)特有的當(dāng)?shù)夭ɡ碎L(zhǎng)度來(lái)選擇駁船
11、12、15的尺寸以優(yōu)化輸出。應(yīng)注意，僅出于簡(jiǎn)化圖解說(shuō)明的目的，圖4、5A到5B、6及7A到7B中將結(jié)構(gòu)10展示為具有蓋住發(fā)電機(jī)16及泵21、25的結(jié)構(gòu)的至少一部分的殼體。應(yīng)理解，如至少圖1A到ID及3中所展示且如本文中所描述，結(jié)構(gòu)10及/或其等效物的結(jié)構(gòu)在本申請(qǐng)案中所揭示的所有圖式及實(shí)施例中完全呈現(xiàn)及實(shí)施?；蛘?，系泊線可經(jīng)修改以允許結(jié)構(gòu)10的移動(dòng)或重新定位以便以如下的方式來(lái)使結(jié)構(gòu)10瞄準(zhǔn):使駁船對(duì)11、15與涌入波浪或水流之間的相互作用最大化，借此使波浪能量到結(jié)構(gòu)10中的轉(zhuǎn)移最大化。一個(gè)實(shí)例性實(shí)施方案將包含配置朝海系泊浮筒28或輔助系泊浮筒/站29中的至少一者以便為可移動(dòng)的。朝海系泊浮筒28或輔助系泊浮筒/站29可具備電動(dòng)機(jī)或其它形式的活動(dòng)力使得控制器可相對(duì)于涌入波浪及/或水流的方向及條件對(duì)其進(jìn)行重新定位。或者，可通過(guò)負(fù)責(zé)維護(hù)結(jié)構(gòu)10的人員的操作來(lái)人工地使朝海系泊浮筒28及/或輔助系泊浮筒/站29移動(dòng)。然而，可用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它程序來(lái)替代以便以與本發(fā)明的范圍及精神一致的方式實(shí)施結(jié)構(gòu)10的系泊。特定來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)10的系泊將經(jīng)設(shè)計(jì)以便在結(jié)構(gòu)上及在操作上與用于使結(jié)構(gòu)10浸沒(méi)及重新漂浮的裝置兼容，如下文將描述。 為了實(shí)施用于本發(fā)明的控制系統(tǒng)，此控制與通信系統(tǒng)將必須經(jīng)配置以滿足數(shù)個(gè)目的，包含其必須允許執(zhí)行遠(yuǎn)程命令。舉例來(lái)說(shuō)，如果預(yù)報(bào)了威脅系統(tǒng)生存的天氣，那么操作者可起始生存序列(即，浸沒(méi))且在危險(xiǎn)已過(guò)去之后起始恢復(fù)序列。任選地，如果滿足預(yù)定及經(jīng)編程的準(zhǔn)則，那么所述系統(tǒng)可使用已知的基于計(jì)算機(jī)的技術(shù)來(lái)自動(dòng)地起始這些序列。
控制系統(tǒng)的主要功能將為通過(guò)使系統(tǒng)保持與涌入波浪共振(所述系統(tǒng)通過(guò)將控制泵加壓到使結(jié)構(gòu)10在各種剛性狀態(tài)中均作為一整體所必需的程度外加使壓載移動(dòng)以便使涌入波浪尋址到其最優(yōu)點(diǎn)處來(lái)完成)來(lái)維持最優(yōu)性能?？刂葡到y(tǒng)將必須經(jīng)配置以感測(cè)在沖擊之前三個(gè)或三個(gè)以上波浪循環(huán)的波浪條件、感測(cè)結(jié)構(gòu)10的動(dòng)量并應(yīng)用用以進(jìn)行校正的數(shù)學(xué)算法以維持共振?？刂葡到y(tǒng)還必須感測(cè)并控制并入到如上文所描述的泵21、25的操作中的蓄能器操作以維持穩(wěn)定的電力產(chǎn)生?；蛘?，控制系統(tǒng)還可控制泵21、25的操作以便將其功能區(qū)分開(kāi)。舉例來(lái)說(shuō)，可控制泵21中的液壓流體中的壓力以便使到發(fā)電機(jī)16中的能量轉(zhuǎn)移最大化，同時(shí)控制泵25中的液壓流體中的壓力(即，回壓)以較多地充當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定器且較少地用于吸收波浪能量，或甚至反之亦然。其次，控制系統(tǒng)必須經(jīng)配置以監(jiān)視電力產(chǎn)生且在生產(chǎn)率低于最小值時(shí)使結(jié)構(gòu)停工以防止反向動(dòng)力流?；谝陨厦枋?，應(yīng)理解，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解且可使用已知的技術(shù)來(lái)實(shí)施此控制系統(tǒng)的物理組件。第二優(yōu)詵實(shí)施例在可能具毀壞性的高度活躍表面波浪的周期期間，所述系統(tǒng)可經(jīng)配置以被浸沒(méi)以便防止對(duì)系統(tǒng)組件或子系統(tǒng)中的任一者的損壞，同時(shí)仍與水表面下方的波浪運(yùn)動(dòng)或水流相互作用。如此項(xiàng)技術(shù)中已知，海洋波浪能量轉(zhuǎn)換裝置自然地選址在具有高能量波浪的位置處。平均來(lái)說(shuō)，這些裝置經(jīng)調(diào)諧而以具有最高動(dòng)力的波浪頻率產(chǎn)生最大電力。然而，極端風(fēng)暴可能會(huì)形成可損壞波浪能量轉(zhuǎn)換裝置的條件。最近，在離澳大利亞?wèn)|海岸不遠(yuǎn)的Oceanlinx全尺寸原型機(jī)曾在2010年5月被風(fēng)暴波浪從其系泊設(shè)備扯斷且被毀壞。根據(jù)本發(fā)明的海洋波浪能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的惡劣天氣生存的新穎策略包含在波浪高度變得過(guò)高時(shí)使系統(tǒng)浸沒(méi)。在表面下方，因表面波浪所致的運(yùn)動(dòng)大大減弱。本發(fā)明的系統(tǒng)將適于在極端風(fēng)暴期間浸沒(méi)，且接著在天氣晴朗時(shí)重新漂浮。在用于使結(jié)構(gòu)10浸沒(méi)及重新漂浮的系統(tǒng)30的一個(gè)實(shí)施例中，如圖4中所展示，將使用兩條主要系泊線松弛地系泊裝置30:—條系泊線31附接到結(jié)構(gòu)10的船頭，其中在線31上具有中間浮舟33，且第二系泊線32在中央駁船12的底部處附接到慣性/阻尼板17的底部，其中在線32上具有中間配重34。船頭線31上的浮舟33將使結(jié)構(gòu)10保持定向到波浪中。中央線32上的配重34將在結(jié)構(gòu)10針對(duì)極端天氣事件而被浸沒(méi)時(shí)設(shè)定結(jié)構(gòu)10的深度。參考圖6，安裝于結(jié)構(gòu)10上的傳感器40或遠(yuǎn)程安裝于附近海岸上的傳感器42 (或甚至通過(guò)經(jīng)設(shè)計(jì)及經(jīng)配置以跟蹤海洋波浪的移動(dòng)的感測(cè)資源44( S卩，氣象衛(wèi)星))將與裝置30通信以激活浸沒(méi)或重新漂浮過(guò)程。 如圖5A中所展示，當(dāng)傳感器檢測(cè)到可能使結(jié)構(gòu)10處于危險(xiǎn)中的波浪時(shí)，浸沒(méi)過(guò)程開(kāi)始。駁船的頂部上的閘門(mén)11a、12a、15a打開(kāi)，且駁船的底部上的閘門(mén)lib、12b、15b (也參見(jiàn)圖1D)打開(kāi)。駁船11、12、15的敞口腔被淹沒(méi)，且結(jié)構(gòu)10將開(kāi)始下沉。結(jié)構(gòu)10被附接到中央系泊線32的配重34下拉到表面下方。接著，一旦配重34最終擱置于底部上，系統(tǒng)就再一次處于平衡狀態(tài)。在隨著配重34最終擱置于底部上配重34中的一些被移除的情況下，結(jié)構(gòu)10中的剩余浮力等于中央系泊線32上的配重的未支撐部分，使得結(jié)構(gòu)10固定于表面下方。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)10固定在水表面下方20米處。然而，在其它實(shí)施方案中，浸沒(méi)的深度可取決于例如結(jié)構(gòu)10下方海底的深度、結(jié)構(gòu)10的位置中固有的波浪運(yùn)動(dòng)的力以及在表面處或附近的結(jié)構(gòu)10正設(shè)法避免其毀壞力的波浪或水流的強(qiáng)度及量值等因素而不同。
在被浸沒(méi)時(shí)，結(jié)構(gòu)10可能仍經(jīng)受在水表面下方的水流的運(yùn)動(dòng)。因此，駁船對(duì)11、15仍將受變化強(qiáng)度及/或頻率的水流或波浪運(yùn)動(dòng)(類似于由表面波浪導(dǎo)致的那些水流或波浪運(yùn)動(dòng))的影響。在這方面，結(jié)構(gòu)10的浸沒(méi)操作可與表面上的操作相同或類似。對(duì)結(jié)構(gòu)10的操作的修改將包含所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的任何類似操作。如圖5B中所展示，一旦極端天氣已過(guò)去，駁船的頂部上的閘門(mén)lla、12a、15a就關(guān)閉，駁船的底部上的閘門(mén)lib、12b、15b就打開(kāi)，且經(jīng)壓縮空氣罐35或氣體產(chǎn)生爆炸性炸藥(參見(jiàn)剖面部分且還參見(jiàn)圖1D)用來(lái)迫使水從駁船流出，從而使結(jié)構(gòu)10返回到其正常操作浮力。駁船的底部處的閘門(mén)接著關(guān)閉以進(jìn)行正常操作。通過(guò)使用經(jīng)壓縮空氣罐或氣體產(chǎn)生爆炸性炸藥，不需要用于浸沒(méi)/浮出表面操作的泵。此減少系統(tǒng)維護(hù)。在極端天氣事件之后，將重新裝填或替換空氣罐或爆炸物。通過(guò)使用上文所描述的新穎浸沒(méi)/重新浮出表面過(guò)程，波浪能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10將能夠避免最極端條件中的損壞，從而大大地減少對(duì)系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p壞的風(fēng)險(xiǎn)。浸沒(méi)過(guò)程為幾乎完全被動(dòng)的；一旦駁船上的閘門(mén)打開(kāi)，系統(tǒng)就接著下沉到固定深度以避開(kāi)極端天氣；所述深度的控制僅僅基于重量及浮力，其中無(wú)移動(dòng)部件。同樣地，漂浮過(guò)程僅僅取決于關(guān)閉閘門(mén)及釋放空氣以進(jìn)行漂浮。然而，可用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它程序來(lái)替代以實(shí)施與本發(fā)明的范圍及精神一致的浸沒(méi)/重新浮出表面過(guò)程。其它實(shí)施例除以上實(shí)施例以外，還可包含對(duì)結(jié)構(gòu)10的結(jié)構(gòu)及操作的各種變化以增強(qiáng)及/或補(bǔ)充結(jié)構(gòu)10的操作。舉例來(lái)說(shuō)，如圖7A中所展示，結(jié)構(gòu)10可經(jīng)構(gòu)造以包含在安裝于中央駁船12上的塔52頂部上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)50，其經(jīng)設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)換沿著海岸存在高度活躍波浪及風(fēng)的世界各地中固有的風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的操作原本將與常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的操作一致，但是以使海洋上面存在的風(fēng)能的轉(zhuǎn)移最大化的方式進(jìn)行，所有這些將為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。類似地，如圖7B中所展示，結(jié)構(gòu)10可經(jīng)構(gòu)造以包含安裝于中央駁船12上的太陽(yáng)能電力陣列54，其經(jīng)設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)換沿著海岸存在高度活躍波浪及高程度的日光的世界各地中固有的風(fēng)能。如所圖解說(shuō)明，太陽(yáng)能電力陣列可以使得使在白天時(shí)間過(guò)程期間到日光的暴露最大化同時(shí)耐受到通常存在于海洋環(huán)境中的可能對(duì)太陽(yáng)能電力裝置有害的風(fēng)、海水及其它元素的暴露的方式定位、成形或輪廓化。太陽(yáng)能電力陣列的操作原本將與此項(xiàng)技術(shù)中已知的常規(guī)太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)的操作一致，但是以使海洋上面存在的太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)移最大化的方式進(jìn)行，所有這些將為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。另外，可使用用于將轉(zhuǎn)變成駁船的鐘擺運(yùn)動(dòng)的波浪的能量轉(zhuǎn)換成電的其它方法及機(jī)構(gòu)，如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解。舉例來(lái)說(shuō)，可使用可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的任何類似裝置(例如基于感應(yīng)的發(fā)電機(jī)或飛輪儲(chǔ)能裝置)來(lái)替換結(jié)合發(fā)電機(jī)16使用泵21、25的液壓系統(tǒng)。實(shí)際上，由駁船11、15的鐘擺動(dòng)作產(chǎn)生的機(jī)械能用于操作基于感應(yīng)的發(fā)電機(jī)，所述基于感應(yīng)的發(fā)電機(jī)接著輸出電能。或者，可類似地將機(jī)械能輸入到飛輪儲(chǔ)能裝置中，所述飛輪儲(chǔ)能裝置將接著產(chǎn)生、存儲(chǔ)并視需要輸出電。此項(xiàng)技術(shù)中已知及/或已理解的其它變化及修改也可應(yīng)用于所揭示的本發(fā)明。應(yīng)了解，在與所附權(quán)利要求書(shū)及以上詳細(xì)描述及附圖一起考慮時(shí)，本文中所揭示的本發(fā)明的各種方面及實(shí)施例僅僅圖解說(shuō)明用以制作及使用本發(fā)明的特定方式且因此并不限制本發(fā)明的范圍。來(lái)自本文中所揭示的本發(fā)明的一個(gè)方面及實(shí)施例的特征可與來(lái)自本發(fā)明的其它方面及實(shí)施例的特征組合。 如此詳細(xì)描述了本發(fā)明，應(yīng)理解，對(duì)本發(fā)明的前述詳細(xì)描述不既定限制本發(fā)明的范圍。鑒于前述論述，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其它變化、修改及替代方案。
權(quán)利要求
1.一種用于轉(zhuǎn)換波浪能量的結(jié)構(gòu)，其定位于海水中在迎面波浪的路徑中，所述結(jié)構(gòu)包括: 迎浪前駁船； 后駁船； 中央駁船，所述前駁船及后駁船中的每一者以可移動(dòng)方式連接到所述中央駁船(12)以便允許其之間的活節(jié)運(yùn)動(dòng)； 慣性阻尼器板，其連接到所述中央駁船的下部部分且以操作方式經(jīng)連接以給所述中央駁船提供位移穩(wěn)定性，所述慣性阻尼器經(jīng)由樁元件連接到所述中央駁船以便在漂浮于海水中時(shí)產(chǎn)生所述中央駁船的鐘擺運(yùn)動(dòng)；及 能量轉(zhuǎn)換裝置，其以操作方式連接到所述迎浪前駁船、所述后駁船及所述中央駁船以便從沖擊并使所述迎浪前駁船及所述后駁船相對(duì)于所述中央駁船位移的波浪運(yùn)動(dòng)收集能量且轉(zhuǎn)換所述能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述迎浪前駁船及所述后駁船中的每一者包含可以可控制方式定位于所述前駁船及所述后駁船內(nèi)的船頭與船尾位置之間的可移動(dòng)壓載配重以便以可控制方式調(diào)整對(duì)應(yīng)駁船的質(zhì)量慣性矩，借此改變所述對(duì)應(yīng)駁船的自然縱搖頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述能量轉(zhuǎn)換裝置包含 多個(gè)泵，其以操作方式定位于迎浪前駁船與所述中央駁船之間及所述后駁船與所述中央駁船之間，其中所述迎浪前駁船及所述后駁船相對(duì)于所述中央駁船的鐘擺動(dòng)作迫使通過(guò)所述多個(gè)泵進(jìn)行液壓運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中所述能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)一步包含 多個(gè)發(fā)電機(jī)，其以操作方式連接到所述多個(gè)泵中的對(duì)應(yīng)者以便將所述泵的所述液壓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括: 用于以可控制方式使所述結(jié)構(gòu)浸沒(méi)及重新漂浮以便在所述海水的表面與所述海水的所述表面下方之間以可移動(dòng)方式重新定位所述結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中所述用于以可控制方式使所述結(jié)構(gòu)浸沒(méi)及重新漂浮的機(jī)構(gòu)包含附接到所述中央駁船的底部部分的配重，且所述迎浪前駁船、所述后駁船及所述中央駁船中的每一者具有可以可控制方式打開(kāi)的柵板以允許海水在使所述結(jié)構(gòu)浸沒(méi)時(shí)淹沒(méi)所述駁船中的每一者的敞口腔，且所述迎浪前駁船、所述后駁船及所述中央駁船中的每一者中的重新漂浮元件經(jīng)配置以在使所述結(jié)構(gòu)重新漂浮時(shí)迫使所述駁船的所述敞口腔中的所述海水流出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述迎浪前駁船、所述后駁船及所述中央駁船中的每一者由鋼、復(fù)合材料及兩者的組合中的至少一者構(gòu)造而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述復(fù)合材料包含碳纖維加強(qiáng)聚合物、陶瓷、纖維層壓鋼、纖維層壓鋁、纖維層壓陶瓷、纖維加強(qiáng)樹(shù)脂襯底及凱夫拉爾加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的至少一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)泵包含雙作用液壓泵。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)發(fā)電機(jī)包含基于貝爾頓式水輪機(jī)的發(fā)電機(jī)及基于卡普蘭渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)中的至少一者。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括: 控制系統(tǒng)，其經(jīng)配置以控制從所述多個(gè)泵去往并穿過(guò)所述發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)的流以便使其在時(shí)間上為準(zhǔn)整流正弦的。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括: 傳感器，其經(jīng)配置以檢測(cè)并測(cè)量周?chē)h(huán)境的當(dāng)前波浪條件；及 控制系統(tǒng)，其經(jīng)配置以控制所述用于以可控制方式使所述結(jié)構(gòu)浸沒(méi)及重新漂浮的機(jī)構(gòu)，以便以可控制方式在確定當(dāng)前波浪條件對(duì)所述結(jié)構(gòu)具有破壞性時(shí)使所述結(jié)構(gòu)浸沒(méi)且在確定當(dāng)前波浪條件對(duì)于正常表面操作來(lái)說(shuō)為安全時(shí)使所述結(jié)構(gòu)重新漂浮。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括: 保護(hù)殼體，其安裝于至少所述中央駁船的頂部上以用于保護(hù)安裝于所述結(jié)構(gòu)的頂部上的組件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其安裝于至少所述中央駁船的頂部上以用于捕獲所述結(jié)構(gòu)上方的風(fēng)能。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括: 太陽(yáng)能電力面板，其安裝于至少所述中央駁船的頂部上以用于收集所述結(jié)構(gòu)上方的太陽(yáng)能。
16.一種用于收集并轉(zhuǎn)換波浪能量的系統(tǒng)，其包括: 多個(gè)漂浮結(jié)構(gòu)，其定位于海水中在迎面波浪的路徑中，其中 所述結(jié)構(gòu)中的每一者包含:迎浪前駁船；后駁船；中央駁船，所述前駁船及后駁船中的每一者以可移動(dòng)方式連接到所述中央駁船以便允許其之間的活節(jié)運(yùn)動(dòng)；慣性阻尼器板，其連接到所述中央駁船的下部部分且以操作方式經(jīng)連接以給所述中央駁船提供位移穩(wěn)定性，所述慣性阻尼器經(jīng)由樁元件連接到所述中央駁船以便在漂浮于海水中時(shí)產(chǎn)生所述中央駁船的鐘擺運(yùn)動(dòng)；能量轉(zhuǎn)換裝置，其以操作方式連接到所述迎浪前駁船、所述后駁船及所述中央駁船以便從沖擊并使所述迎浪前駁船及所述后駁船相對(duì)于所述中央駁船位移的波浪運(yùn)動(dòng)收集能量且轉(zhuǎn)換所述能量，所述能量轉(zhuǎn)換裝置包括:多個(gè)泵，所述多個(gè)泵以操作方式定位于迎浪前駁船與所述中央駁船之間及所述后駁船與所述中央駁船之間，其中所述迎浪前駁船及所述后駁船相對(duì)于所述中央駁船的鐘擺動(dòng)作迫使通過(guò)所述多個(gè)泵進(jìn)行液壓運(yùn)動(dòng)；及多個(gè)發(fā)電機(jī)，其以操作方式連接到所述多個(gè)泵中的對(duì)應(yīng)者以便將所述泵的所述液壓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電；及 用于以可控制方式使所述多個(gè)漂浮結(jié)構(gòu)浸沒(méi)及重新漂浮以便在所述海水的表面與所述海水的所述表面下方之間以可移動(dòng)方式重新定位所述多個(gè)漂浮結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)。
全文摘要
系統(tǒng)通過(guò)波浪能量的轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生電。迎浪前駁船及后駁船通過(guò)鉸鏈連接到中央慣性駁船，從而允許活節(jié)運(yùn)動(dòng)。附接到中央駁船的是阻尼器板以使所述中央駁船的起伏運(yùn)動(dòng)最小化，借此使中央駁船的垂直位移最小化且增加其穩(wěn)定性。所述板的由側(cè)樁支撐的集中重量產(chǎn)生鐘擺動(dòng)作，從而導(dǎo)致所述中央駁船的縱搖運(yùn)動(dòng)，所述縱搖運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)駁船對(duì)的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。通過(guò)可移動(dòng)壓載配重來(lái)實(shí)現(xiàn)所述駁船的共振，所述可移動(dòng)壓載配重可定位于每一駁船中以調(diào)整所述駁船的質(zhì)量慣性矩，借此改變自然縱搖頻率。雙作用液壓泵使其輸出通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)整流且通過(guò)蓄能器來(lái)平滑。
文檔編號(hào)F03B13/10GK103221682SQ201180038892
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者布萊恩·T·坎寧安, 丹尼爾·C·莫利 申請(qǐng)人:布萊恩·T·坎寧安, 丹尼爾·C·莫利