专利名称：用在海浪能装置的水面下反应体的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够将水体海浪运动提取的能量转化为有用能量的发生装置及其所应用的反应体。
背景技术：
近年来，人们日益重视开发可再生能源的需要，以致它为全球能源生产作出重要
-Tj. 士 [>贝献。一种潜在的可再生能源是海浪能一在世界所有大洋和大海里可得到的一种丰富且持续的能源。各种海浪能产生装置已经作为捕获这种能源的潜在方法出现，然而，目前的装置有许多不足之处，没有一种装置有证明长期可靠开发可用能源的能力。正如我们在W020100007418中所描述的，用于从海浪能发电的现有设计可以分成六大类浮动衰减器，波涛转换器，振荡水柱装置，漫溢装置，水下压差装置和点吸收器。这些大多数要么浮动要么建在海床上。也有不容易分类的其它类型装置，例如是被波浪直接翻转的柔软灵活结构或者转子。每个这些不同的尝试有自己固有的优点和缺点。在已知的装置中，点吸收器提供了存在问题最少的从海浪中提取能量的解决方案。定位灵活、便于安装、耐用、适于运输和适于存活的这些优点使它们最有可能成为挑战从海洋中可靠地提取能量的装置。点吸收器的许多设计已经被提出。例如，US7245041公开了一种装置，其中一系列海浪操作漂浮物用偏置每一个漂浮物的弹簧悬着一常见的曲轴。常见曲轴的块体和周围的外壳阻止漂浮物的运动，但没有使其惯性能够进一步增加的方法，或者没有能使装置实现便利运输配置的方式。AU5581273公开了一种点吸收器装置，其具有一海底反应构件，该构件可以充满水以增加它的惯性。然而，反应构件不偏向漂浮物，也没有装置实现便利运输配置的方式。JP55125364公开了一种点吸收器装置，有一平板反应构件可移动地连接到水面漂浮物并受制于一线性发生器。然而，反应构件的惯性不能增加，装置没有便利运输的配置。US6229225公开了一种海底波涛装置，其中能量转换器靠弹簧偏置。然而，该装置通过固定在海床上来被限制，因此很难安装和维护。EP0265594和W02008/130295公开了点吸收器装置，其中能量转换器靠弹簧偏置。这种装置通过固定在海床上来被限制，因此很难安装和维护。上述W02010/007418中公开了一种点吸收器，包括在海浪运动影响下可移动的漂浮物和具有可调节浮力配置以及分别的最大和最小浮力配置的水面下反应体，水面下反应体通过柔性连接线与所述漂浮物连接，反应体具有惯性和/或阻力以抵制由海浪运动引起的所述漂浮物的运动。水面下反应体和漂浮物之间可以相对运动，能量转换器用于将相对运动转换成有用能量；漂浮物定向偏置水面下反应体。在最小浮力配置下通过所述连接线的长度来设定反应体从漂浮物悬挂下来的深度，在最大浮力配置下反应体在水体表面漂浮。在W02010/007418图示和描述中的设置至少减少了与一般的海浪能装置特别是点吸收器相关的困难。在W02010/007418中所描述的反应体或反应构件包含一个单一的能够选择性地充满空气或水的腔室。这可以满足装置内部空间充满空气时装置浮在水面配置和其内部空间充满水时装置沉入水中操作配置的要求。然而，由于反应体可能是一个大的容器，其内部空间的水是不受约束的，反应体内部水的晃动或者在一端的聚集可能会导致装置在展开和恢复过程中的稳定性问题。另外，当在W02010007418中公开的海浪能转换器的反应体上升或下降时，两个分散的浮力的配置可能并不足以使装置安全的展开和恢复。例如，如果内部空间完全地被水淹没以展开装置，则它可能由于下降太快，引起连接线、停泊线或能源线的问题；如果装置完全地充满空气来回收，则它可能上升太快也会引起问题。按照W02010/007418中大型容器的结构通常的制造方法是焊接钢，这是一个昂贵的工艺，可能导致昂贵的结构，这将会增加该装置生产能量的成本。并且该装置作为一个水密/气密壳体结构的制造是困难和昂贵的，需要焊接钢板专家来核查焊接点的水密性和/或气密性。
发明内容
相对于W02010/007418中所公开的配置，我们现在已经设计了改进的反应体，该反应体提供了新颖的结构特征和方法来在反应体上升和下降的过程中提供额外的浮力配置。因此，根据本发明，为海浪能装置提供一种具有权利要求I中记载的特征的反应体。本发明优选的特征记载在从属权利要求中。本发明进一步包括含有该反应体的海浪能发生装置。反应体优选地应用在装置中，该装置包含水面下反应体；能在海浪的影响下移动的浮体或漂浮物；通常安装在反应体上的至少一个能量转换器和偏置装置(例如弹性恢复装置或弹簧);以及至少一条连接浮体与能量转换器的连接线。优选地在最小浮力配置下从浮力装置以由连接线的长度设定的深度悬挂，并且在最大浮力配置下漂浮在所述水体表面。沉入水中的反应体通常是中空结构，并能够选择性地充满空气或水来调整它的浮力。装置有一个最小浮力配置(一个水中操作配置，在这个配置下反应体充满水)，和一个最大浮力或浮在水面配置，在这个配置下反应体充满空气，以及至少一个在最小和最大之间的中间浮力配置(根据本发明)。本发明优选的实施例是设置至少两个这样的中间浮力配置，一个是微负浮力配置，一个是微正浮力配置。在水中操作配置下，水中反应体从浮体悬挂下来足够的深度来确保反应体在海面海浪影响的下面。因此由海浪引起的浮体运动导致了反应体和浮体之间的相对运动，这能够被能量转换器所利用。沉入水中的反应体执行提供一平台的功能，漂浮物通过填充在其内的大量海水能够相对该平台起伏，海水给它相应的大质量和惯性。另外，反应体有一大的水面区域垂直于起伏力方向，从而通过大的拖拽和增加的质量提供进一步阻止运动的阻力。进一步地，反应体具有腔室，当充满水时不是水密的，但充满空气时是气密的，充满空气时的气密性是通过腔室中各自的充气气囊来实现的。在浮在水面配置下，反应体以海上容器的形式漂浮在海面上，以其足够的浮力来承载装置的所有其它部件，并能够穿过海面易于运输。包含反应体的装置在水中足够的高，所有停泊线和能源线的连接能够不沾水并易于接近。该装置也能够制造自己的稳定的服务平台，使所有可用组件远离水，以使维护时容易接近。空气通过依附到水面漂浮物的通气管线泵入到水面下反应体内。或者空气管线通过一服务容器被展开然后按照要求连接到反应体上。通气管线要么与主要连接线分离，要么与主要连接线成一体。如果需要，可以通过远离水面操作的阀门将反应体中的空气放掉。在本发明的具体实施中，水面下反应体包括设置隔板以抑制其内部的水的自由流动。“隔板”这个术语用在这里是表示垂直地或向下地扩展分隔海上容器为隔室，来限制通过容器的水的漫延。每一个这样的隔板都会进一步地连接在两层甲板之间(在这种情况下，它将会提供额外的结构刚性)或者它至少部分地垂直隔开一个或更多的甲板。隔板本身不需要垂直，只要它从反应体的各自的甲板向上或向下的延伸，无论与其成直角或是其他适当的角度。被用的隔板是“矩阵”的形式，“矩阵”在这里是表示隔板的设置是有序的，在这里它们被设置为行和列，其中典型的是彼此正交。在一些实施例中，水面下反应体被平面俯视呈网格状的隔板分隔成一系列腔室。这些腔室各自地选择性地充满空气或水。这些腔室彼此隔离可以阻止水从一个腔室流到另一个腔室，或者将它们打开以便水的流动。分隔为一系列腔室主要有以下三个功能第一，这些腔室可以防止在一个单一大的腔室空间内的水晃动，否则在展开和恢复的过程中会引起稳定性的问题；第二，腔室可以是大小的不连续浮力配置，其通过腔室完全充满水或空气的组合来实现；第三，这些腔室可以使反应体内的水被束缚以达到反应的目的，而不必完全封闭腔室或反应体。至少有四个浮力配置是确定的，即完全的正浮力(水面配置)；完全的负浮力(操作配置)；微正浮力(上升配置以恢复)；以及微负浮力(下降配置以展开)。除了确定的浮力配置外其他的浮力配置也是可能的。这些被隔板限定的腔室不必是水密和/或气密的密封腔室，而它们是部分地密闭腔室，在腔室中充入空气时通过腔室内的充气气囊来实现，腔室内充入水是通过将气囊放气让水涌入腔室内来实现的。所有这一切需要隔板从甲板、层板或反应体的外壳向上或向下延伸到反应体高度的至少一部分来形成一个内部屏障或隔板来阻止水的流动。当隔板仅延伸到反应体甲板之间的部分高度或空间时，它们形成部分地密闭腔室。采用这种设置可以避免制造水密和/或气密空间的花费，反应体的这种结构的制造能够大大地降低成本。相对于焊接结构钢空间来说，空气气囊的成本相对更低。可变浮力腔室也可通过相对开放的框架或篮筐结构笼住气囊来实现，根据浮力配置的要求来向气囊中充入空气或水。气囊周围的笼子应该能够约束气囊中的水或空气，因此传输负载给装置的结构以达到反应的目的。在同样的结构中能够设想部分封闭或不同程度禁闭的腔室和气囊的组合。既充入水又充入空气的气囊的组合，以及仅仅充入空气的气囊在同样的结构中也是可能的。如果反应体的主要结构不必被制造为含有水密和/或气密腔室的水密/气密壳体，它本身适于制造为一框架基本结构，它是由相互连接的柱或梁装配而成。当装置被用来传输大的负载时，框架结构可能是优选的结构。非水密腔室在框架结构中通过连接在框架构件上的隔板很容易被制造。这些隔板可以是成本低的材料，例如波纹钢板、玻璃钢或高强度织物。这些隔板不需要紧密嵌合框架或彼此。为了提供足够的下沉重量给反应体的结构，需要额外的压舱物。在节约成本方面灌注混凝土是获得大的压舱物的很好途径。根据本发明灌注混凝土也可以被用来形成或部分形成反应体内的腔室。特别是，混凝土能够被浇注成框架周围的平板以形成反应体的底部。
参照附图，对本发明优选的实施例做更加详细的描述，其中图I是在第一配置中本发明的第一实施例的透视图；图2是图I的装置在第二配置中的透视图；图3是图I的装置的部分在第三配置中的透视图；图4是图I的装置的部分在第四配置中的透视图；图5是图I的装置的部分的透视图；图6是图I的装置的部分的进一步的透视图；图7是本发明的第二实施例的透视图；图8是本发明的第三实施例的透视图；图9是图8的实施例在第二配置中的透视图。
具体实施例方式全部附图中相同的部件用相同的标号标注。应该结合W02010/007418来阅读本发明的以下描述，因为本发明可以被认为是W02010/007418中所描述的装置的反应体构件的改进。然而根据本发明的装置能够用来与其他的海浪能转换器结合，并不仅限于W02010/007418中描述的装置所使用的海浪能转换器。参照图I，在实施例中所示的装置包括以下部件位于海面18以下的反应体I (远离海面海浪的影响);被海浪移动的漂浮物2 ;以及连接线3，以由连接线3的长度设置的深度从漂浮物2悬挂反应体I。
如图2所示的配置，反应体在它的最大浮力配置下，它漂浮在海面18上，其上方便地存放漂浮物。所示装置进一步包括被设置在连接线3和反应体I之间操作的装载弹簧的能量转换器4。能量转换器4可以依附到或者安装到反应体I上。在所列实施例中提供的一水密的机械空间5以容纳动力输出和控制系统的额外组件。由海浪引起的海面漂浮物2的运动导致了海面漂浮物2和反应体I之间的相对运动。这种运动被装载弹簧的能量转换器4的工作冲程吸收利用产生能量，如上述W02010/007418中更加详细的描述。反应体I能够选择性地充满水或空气来调整自身的浮力。因此该装置具有一操作配置，在该配置下反应体I充满水(图1)，以及一水面配置，在该配置下反应体I充满空气(图2)。通气管线6和阀门7共同使空气注入或排出反应体I。能量母线8连接到该装置，使产生的有用能量被移送到所需要的地方。例如，该母线8可以连接到电网的电缆，或者是传送高压水到淡化厂的水管。一条或多条停泊线9 (图中仅显示一条停泊线)将该装置相对于海床(未示出)定位，通常呈松弛状态，允许诸如潮汐的较大海洋运动，还提供极端海浪情况下的救援。反应体I的深度根据连接线3的长度设定，而不是根据停泊线9。
如下,具体参照范例反应体I给出的解释反应体I如何能够用低成本的生产工艺被制造；反应体I如何能够完成多样的浮力配置；以及反应体I内部的水如何能够被约束以提供反应质量和防止晃动。所示反应体I围绕由一系列相互连接的柱或梁所组成的框架10构造。内部隔板11可以附加到图1-6的设置中的框架上(以及图8和9)，以制造反应体I内腔室12的网格设置。腔室12防止或抑制水通过框架10自由流动，从而防止或抑制晃动或不受控制的淹没或水浸，并允许包含在腔室12内的水给反应体I增加反应质量。图5所示为仅带有框架10的装置(为便于说明除去了隔板)，而图6所示为设置有隔板的框架，隔板跨于相邻的柱或梁之间。因为(为反应的目的)水仅需要被阻止在框架10 (而不是由一个密闭空间完全密封的)内自由流动，隔板11不需要在水密方式下被附加到框架10上，腔室12可以相应地对周围的水充分开放。为了本发明的目的，如图1-6所示的腔室具有充分敞开的顶13，如果需要的话，腔室12可以被进一步地封闭或完全密封。在第一实施例中，隔板11由波纹钢板制成，其他材料也可以被利用，例如高强度织物、玻璃钢或混凝土。反应体I端部设置的隔板Ilb可以成一定角度或形状使它们制造成一个类似于船的外壳，如W02010007418中所描述的。如果需要，为了抵抗海浪的冲击相对于其它(内部)隔板11，端部隔板Ilb可以增加强度。为了增加反应体11的下沉重量，压舱物14可以被添加到框架10底部。有益的是压舱物14在框架10上的位置尽可能低，可使反应体I的重心尽可能低以获得最佳的稳定性。在第一实施例中，混凝土可以被用来制作压舱物14。混凝土具有成本低以及容易制造的优点一它可以利用简单的模具灌注成平板作为框架10的底部。它将在框架10组件之间流动以及设置在它们周围提供一个可靠的机械附件，而同时在原位形成隔板11。腔室12不需要被完全密封来达到容纳水以给反应体I增加反应质量的目的，但当它们被要求充入空气调整反应体I浮力时需要被封闭。因此气囊15可以装配在腔室12中，这样当它被希望充入空气时，即使装置中采用的是非密封腔室12，气囊将会提供一个气密密封条件。相对于制造气密腔室，由于制造密封气密腔室带来的困难，气囊的使用成本低廉
MTv ο控制在反应体中空气和水的比例将可以对装置的展开和恢复进行控制，由于调整浮力使其慢慢地上升或下降。因此至少四个浮力配置被确定完全的正浮力(水面配置);完全的负浮力(操作配置)；微正浮力(上升配置以恢复)；以及微负浮力(下降配置以展开)。但是，控制腔室内的空气和水的比例适应不同深度和不同压力是困难的。如果腔室可以完全充满或完全清空空气或水以达到精确的浮力控制，这是更好的。因此腔室12的体积和位置可使反应体I能够由腔室12的在腔室内完全充满水或完全充满空气的上述组合获得所需的浮力配置，。因此避免了需要控制在任何给定腔室12中水与空气的比例，从而简化了装置的浮力控制。如果需要，腔室12可以部分填充空气或水。腔室12的选择性填充可以通过连接每个腔室12到一个共同的空气供给源来实现，空气供给源通过通气管线6传输到反应体I。单个的空气供给线16可以被连接到每个腔室并通过阀门7控制。连接到每个腔室12或气囊15或在其上的排气阀17使空气从腔室12被释放。阀门7和排气阀17可以从水面船只或自动地进行远程控制。在本发明的范围内传输空气到腔室12的其他方法也是可能的。例如压缩机或者使压缩空气供给成为反应体I的一部分。参照图2，当装置处在水面配置时，反应体I内的所有腔室12完全充满空气，装置置于海面18上。由此气囊充满空气。当装置处于水面配置时，漂浮物2可以装载在反应体I的上部。参照图1，当装置处于它的操作(在水中)配置(最小浮力)时，反应体I中的所有腔室12完全充满水，反应体I置于海面18以下，从海面漂浮物2悬挂下来的深度由连接线3的长度来决定。在这一配置下所有气囊是空的。参照图3，当装置处于上升配置时(微正浮力)，中端的腔室12b和边角的腔室12c是充满空气的，同时其余的腔室12是充满水的。被包含在反应体I内的空气总体积足以使反应体I获得微正浮力。因为腔室12是在压舱物14之上，则浮力中心在重心之上，因而确保反应体I在水中保持稳定，减小翻转过来的倾向。由于微正浮力和图3所示的在上升配置中反应体I的稳定性的结果，当反应体I被恢复时，它将缓慢而平稳地升出到海面18上。当反应体I到达海面18时，它将破坏后者到一定程度使重力和浮力平衡。一旦处于略低于海面18的位置，它将安全的在所有剩余腔室12充满空气使装置进入它的水面配置。参照图4，当反应体I处于它的下降配置时(微负浮力)，仅仅边角的腔室12c充满空气。被包含在反应体I内的空气总体积足以使装置获得微负浮力。在上升配置时，充满空气的腔室12在压舱物14之上，进而确保反应体I在水中保持稳定，在下降过程中减小翻转过来的倾向。由于微负浮力和反应体I在下降配置中的稳定性的结果，当装置被展开时，它将趋于缓慢而平稳地从海面18下沉，直到它由连接线从海面漂浮物2悬挂下来。一旦反应体I从海面漂浮物2悬挂下来，它将安全的在所有腔室12充满水使装置进入它的操作配置。参照图7，本发明的第二实施例所述。第二实施例近似于第一实施例，但反应体I仅是一个框架10，在其内部没有预制的隔板11。而被框架10约束的气囊15b可以充满空气或水(而不是第一实施例中仅空气)。在这种情况下，每一个气囊15b可以被认为相当于一个独立的腔室12。这些气囊自然是气密的但由框架10形成的腔室不是水密的。因为仅包括一个框架10的反应体I不会防止水自由地通过它，用气囊容纳水使反应体I的框架10内的水的质量被结构获得。通过气囊15b内水的质量使负载传输给框架10，进而有效地达到反应的目的。在水面配置下，气囊15b被充满空气，扩展到充满框架10所限定的空间。装置在水面的行为与之前的实施例相近似。参见图8和9，第三实施例所示的本发明还包括增加反应体I的反应有效性的装置。从反应体I侧面伸出的翼18，当反应体在通过海面18被移动时，它增加了额外质量和阻力。翼18可以根据抵抗通过水体运动的方向被定位。例如带有水平档距的翼18将抵抗垂直运动，同时带有垂直档距的翼18将抵抗水平运动。成角度的翼18将抵抗水平和垂直运动的组合。如图8和9的实施例所示，翼18位于反应体I侧面的高处，这样在主体处于水面配置时，翼18是远离水的而不会妨碍反应体穿过海面18的运输。优选地，翼18由轻质材料制成使它们不会显著地改变反应体I的重心。在图8和9的实施例中，翼18由高强度而轻质材料的片材制成，如织造的聚合物或玻璃纤维，通过连接到反应体I的框架10的顶角的杆19来支撑和保持张力。如果需要的话，可以增加额外的中间支撑杆。翼18是可伸缩的，可以使其更容易展开、恢复和海面运输。参照图11，通过向反应体I的中心折叠翼18来达到翼18b所示的缩回位置；但是，例如滑动、波纹管式折叠或展开的任何适当的缩回机构都能够被利用。
权利要求
1.一种用在将水体中海浪运动转化为有用能量的装置中的水面下反应体，水面下反应体被设置为选择性地充满空气达到最大浮力配置，并且充满水达到最小浮力配置，其中水面下反应体在最大和最小浮力配置之间具有至少一个另外的预设浮力配置，和/或具有腔室矩阵，当腔室充满空气时是气密的，但当腔室充满水时不是水密的。
2.根据权利要求I所述的反应体，其中设置腔室的一个目的是抑制通过反应体的水的自由流动。
3.根据权利要求2所述的反应体，其中腔室能够各自选择性地充满空气或水。
4.根据权利要求3所述的反应体，其中还至少提供一个另外的由腔室完全充满空气或完全充满水的组合的预设浮力配置。
5.根据权利要求4所述的反应体，其中预设浮力配置是一个微正浮力配置和一个微负浮力配置。
6.根据权利要求2所述的反应体，其中腔室是由隔板矩阵形成的。
7.
8.根据权利要求7所述的反应体，其中隔板附加到由相互连接的梁所组成的框架上。
9.根据权利要求7或8所述的反应体，其中腔室中至少一些是通过各自的气囊设置为水密的或设置为气密的。
10.根据权利要求7-9任一项所述的反应体，其中隔板中至少一个是由压舱材料组成。
11.根据权利要求7-10任一项所述的反应体，其中隔板中至少一些仅延伸到反应体相邻甲板之间高度的一部分。
12.根据权利要求1-11任一项所述的反应体，其中包括从其侧面伸出的可随意伸缩的翼，当反应体被移动通过水体时，设置的所述翼可以增加有效的质量和阻力。
13.将水体中海浪运动转化为有用能量的装置，装置包括 浮力装置，其在所述海浪运动影响下是可移动的； 水面下反应体，其通过柔性连接线与所述浮力装置连接并具有惯性和/或阻力以抵制由所述海浪运动引起的所述浮力装置的运动； 用于允许在所述水面下反应体和所述浮力装置之间相对运动的装置； 能量转换装置，其用于将所述相对运动转换成所述有用能量；以及 偏置装置，其用于相对于所述浮力装置定向偏置所述水面下反应体； 其中水面下反应体是如权利要求1-13任一项所限定的反应体，并且在最小浮力配置下，从浮力装置悬挂在由连接线的长度设定的深度，并且在最大浮力配置下漂浮在所述水体表面。
全文摘要
反应体(1)被设置为选择性地充满空气达到最大浮力配置，并且充满水从漂浮物(2)悬挂下来达到最小浮力配置，反应体在最小浮力配置下在海浪运动的影响下是可移动的，进而将所述运动转换为有用能量。反应体在最大和最小浮力配置之间具有至少一个另外的预设浮力配置，和/或具有腔室矩阵，当所述腔室充满空气时是气密的，当所述腔室充满水时不是水密的。发生装置优选地包括反应体和漂浮物；用于将反应体和漂浮物之间的相对运动转换成有用能量的能量转换器(4)；以及在最小浮力配置下通过连接线(3)的长度来设定反应体从漂浮物悬挂下来的深度，在最大浮力配置下反应体在水体表面漂浮。水面下反应体典型地包括纵向延伸和横向延伸的隔板(11)的矩阵，设置矩阵是为了抑制通过水面下反应体的水的自由流动。
文档编号F03B13/18GK102985681SQ201180030007
公开日2013年3月20日 申请日期2011年6月20日 优先权日2010年6月18日
发明者格雷厄姆·戴维·福斯特, 加雷思·伊恩·斯托克曼, 约翰·克里斯托弗·查普曼 申请人:海洋能源系统有限公司