波浪能捕获装置的制作方法

本公开涉及一种可再生能源捕获装置，具体涉及一种用于捕获波浪能并将其转换为有用能量的波浪能捕获装置。

背景技术：

1、波浪能捕获通常涉及将由于波浪运动而移动的物体的运动转换为能量转换器的运动，以转换为有用的能量形式，例如电能。

2、捕获波浪能的常见方法涉及例如摆动襟翼的运动，由于作用在其上的波浪力，该摆动襟翼的运动常常移动通过有角度的工作冲程。这种设计常常不能使来自波浪运动的能量吸收最大化，因为当波浪力冲击到襟翼的一侧时，襟翼在其移动时总是在其另一侧传播(辐射)波浪。另外，这种双向襟翼不能实现从波浪运动产生的各种方向力中捕获的能量的最大化。

3、类似的波浪传播问题也存在于多方向波浪能捕获装置的形式中，例如全向浮点或浸没点吸收器。这种吸收器无法在波浪力的推动下移动以捕获其能量，而不会在某种程度上向所有其他方向辐射波，从而过度地浪费了一部分所捕获的能量。

4、因此，期望提供一种具有改进的能量捕获能力的波浪能捕获装置，特别是被设置成优化由波浪运动产生的可用方向力的捕获的装置，优选地该装置不会由此产生波浪传播。

技术实现思路

1、本公开涉及一种波浪能捕获装置以及一种用于支撑波浪能捕获装置的浮力海上可再生能源捕获系统。该装置包括浮力波浪能吸收器，该浮力波浪能吸收器联接到枢转点，该枢转点位于：直接位于吸收器主体上或者邻近该吸收器主体；或者可选地通过在枢转点和吸收器主体之间延伸的臂构件，吸收器和/或臂构件可绕枢转点旋转。该装置包括操作模式，在该操作模式期间该装置被设置成捕获波浪能以由能量转换器转换成有用能量。在操作或使用模式中，吸收器定位成与水体表面接合，枢转点支撑在水体表面上方。吸收器与水体接合的位置在本文中被称为“操作位置”，位于枢转点的顺波浪处。在本发明的上下文中，术语“顺波浪(downwave)”将被本领域技术人员理解为表示根据波浪方向的“下游”。具体地，术语“枢转点的顺波浪”是指沿波浪传播轨迹上相比与枢转点垂直对齐的点更远的点，或者比枢转点垂直下方的点更远的点。因此，在操作模式中，吸收器被定位为静止，使得吸收器的至少大部分位于枢转点的中心的一侧上，该侧比中心更沿着普遍的波浪传播轨迹。在优选实施例中，在操作模式下，吸收器可以完全定位在静止的枢转点的中心的一侧。本发明的上下文中的术语“静止”将被本领域技术人员理解为是指当吸收器不沿着旋转弧主动移动时的持续时间段，例如在仅具有最小或没有波浪运动的平静海况期间，或者当水体表面基本平坦时。在这种构造中，在包括臂构件的实施例中，臂构件定位成相对于由枢转点占据的竖直平面不平行于或倾斜。

2、吸收器以这种方式定位，同时可选地通过臂构件可旋转地联接到枢转点，限制吸收器或位于其上的点在水体内的波浪运动的推动下沿着旋转弧运动。具体地，在主波浪方向上的所述波浪运动导致吸收器沿着旋转弧往复运动，随着海平面的高度由于所述波浪运动而增加，首先在主波浪方向上向上，并且随后由于海平面随着所述波浪运动的降低而沿着旋转弧返回。因此，以下的往复的角度运动：吸收器；在枢转点和吸收器的远离该枢转点的外边缘之间延伸的虚线；和/或固定在吸收器和枢转点之间的臂构件，是由吸收器和波浪之间的相互作用引起的。吸收器沿旋转弧的往复运动，以及以下的可选的角度运动：吸收器；在枢转点和吸收器的远离该枢转点的外边缘之间延伸的虚线；和/或臂构件，允许吸收器吸收来自水体的所述波浪的升沉(垂直波分量)和涌动(水平波分量)的波浪能，从而提高波浪能捕获的效率。由于水体的波浪通常在特定时间点具有主波浪方向，所以本发明优选地优化捕获该方向上的波浪的这些升沉和涌动分量。

3、因此，根据本公开的第一方面，提供了一种波浪能捕获装置，被设置用于捕获波浪能并将其转换为有用能量，所述装置包括：枢转点；固定在所述枢转点上的浮力波浪能吸收器。所述装置进一步包括操作模式，在所述操作模式中，所述装置被设置成用于捕获所述波浪能，其中在所述操作模式中：所述枢转点被支撑在水体的表面上方并且相对于所述水体中的波浪运动保持基本静止；所述浮力吸收器被定位成在位于所述枢转点的顺波浪处的操作位置处与所述水体的所述表面接合；并且其中，所述吸收器被设置成在所述波浪运动的推动下围绕所述枢转点旋转，所述旋转限定了吸收器的旋转弧，所述吸收器被设置成在所述操作模式中沿着所述旋转弧往复运动。

4、在优选的实施例中，所述吸收器包括：波浪接合表面和弯曲的顺波浪表面；其中，所述弯曲的顺波浪表面在所述操作模式下位于波浪接合表面的顺波浪处；以及其中，所述顺波浪表面的至少一部分包括基本上沿着所述旋转弧的一部分从邻近所述波浪接合表面延伸的曲线。

5、吸收器优选地被专门成形以增强从波浪中的能量捕获。在优选实施例中，吸收器被设置成定向为面向平均或主波浪方向。例如，在具有波浪接合表面的实施例中，该装置优选地设置成将波浪接合表面定向成与所述平均或主波浪方向相反。因此，在优选实施例中，吸收器的截面形状(在平行于波浪方向的平面中)被优化从而使得波浪能捕获最大化。

6、在操作模式中静止时，当水体的表面基本平坦时，吸收器被设置成与水体的表面接合，部分地浸没在水中，吸收器的一部分位于水下，而吸收器的一部分高于水面。当吸收器在操作模式下由于波浪运动而移动时，其被设置成在波浪的推动下移动，这可能涉及进一步移入和移出水中。吸收器在水中移动的方式可能对能量捕获的效率有重大影响。因此，吸收器优选地被设置为，当沿可选地由臂构件限定的旋转弧移动时，提供对接近的波浪运动的阻力(以吸收其能量)，并且进一步优选地被设置成当沿着旋转弧移动时，不传播或仅最低限度地传播波浪(否则会浪费能量)。

7、为了优化能量捕获，吸收器优选地包括至少一个弯曲的顺波浪表面，在操作模式中，该弯曲的顺波浪表面面向与主波浪方向相反的方向，并且在所述方向上远离枢转点。在一些优选的实施例中，所述弯曲的顺波浪表面的曲线基本遵循所述旋转弧的一部分，使得所述弯曲的顺波浪表面与所述旋转弧同心或基本同心，在优选的此类实施例中，其中心基本位于所述枢转点处。凭借遵循或基本遵循旋转弧的一部分，当吸收器在所述波浪运动的推动下移动时，弯曲的顺波浪表面优选地设置成穿过水体，使得弯曲的顺波浪表面不会干扰或以其他方式对抗水体，因此优选地不传播波或仅引起波浪的最小传播。否则，通过弯曲的顺波浪表面的任何此类波浪传播都会浪费吸收器捕获的波浪能。

8、因此，弯曲的顺波浪表面优选地赋予波浪能捕获装置的此类实施例非常有利的特性：该装置能够吸收来自主波浪方向的波浪能，同时使得波浪在任何其他方向上的传播(辐射)最小化，否则这将浪费吸收器捕获的大部分能量。

9、其他波浪能捕获装置不具有此特性。例如，典型的振荡襟翼波浪能捕获装置包括移动经过角度工作行程的竖直襟翼。这种设计无法吸收来自襟翼一侧接近的波的能量，而不会在襟翼移动时以某种方式在襟翼的另一侧传播(辐射)波浪。类似地，典型的全向点吸收器无法吸收来自主波浪方向的波浪能，而不会在一定程度上向所有其他方向辐射波，从而浪费能量。

10、波浪接合表面设置成抵抗水体中的波浪运动，使得所述波浪运动为吸收器沿着旋转弧的运动提供动力。在优选实施例中，波浪接合表面与旋转弧相交。在这样的实施例中，波浪接合表面与旋转弧不对齐，并且优选地倾斜于旋转弧，这优选地在主波浪方向上提供最佳的波浪能捕获。波浪接合表面优选地基本上是平坦的。在优选实施例中，波浪接合表面基本上垂直于旋转弧，使得当吸收器在操作模式中静止时，波浪接合表面垂直定向并且基本上平行于由枢转点占据的竖直平面。

11、在一些实施例中，可能期望吸收器沿旋转弧的往复运动或振荡以与要从其吸收能量的所述波浪的频率相关联的往复运动或振荡频率进行。在特定实施例中，优选的是，所述往复运动或振荡的频率近似于或等于波浪的所述频率。所述往复运动或振荡的频率与波浪的频率的对准或者更接近地与波浪的频率的对准被称为并且在本文中被称为“调谐(tuning)”，并且优选地增加由吸收器捕获的能量的量。在一些实施例中，通过调节吸收器的浮力和/或质量，优选地根据装置的特性，例如吸收器沿着所述波浪的波浪周期，和/或吸收器沿着旋转弧的位置，和/或臂构件相对于枢转点占据的竖直平面的角度，和/或特定的海况，和/或水体的特性，使得这种调节成为可能。因此，在优选实施例中，吸收器的质量是可调节的。在示例性的此类实施例中，吸收器优选地包括至少一个内部隔室，并且任选地包括多个所述内部隔室。在优选实施例中，该装置还包括泵，该泵设置成用第二流体选择性地置换所述内部隔室中的第一流体，其中第一流体和第二流体包括在室温下不同的密度。第一流体优选为空气，第二流体优选为水，或反之亦然。将理解的是，实施例中，设置用于调节吸收器的质量和/或浮力的任何合适装置。

12、在优选实施例中，所述置换被设置为限定从预定的一组比率中选择的第一流体和第二流体的比率，每个所述比率与所述水体的相应特性相关联。因此，该装置优选地设置成根据水体的特性(例如可选地限定海况)来“谐调”吸收器沿旋转弧往复运动/振荡的频率。优选地，该特性可以是选自以下组中的一种或多种：波浪高度；波浪频率；波浪速度；波浪力和波浪形状。可以例如根据跨多个时间点测量的多个特性的测量值来选择所述比率。该特性可以例如构成从多个测量值确定或推断的值，例如其平均值或方差。该比率可以根据包括一种或多种所述性质作为变量的任何合适的公式来选择。应当理解的是，实施例中，该比率根据水体的任何合适的特性来选择的实施例，并且优选地选择为使吸收器沿着旋转弧的往复运动/振荡的频率与水体的波浪频率基本一致。

13、优选地，吸收器包含多个内部隔室，这些内部隔室设置成选择性地填充有预定比例的第一和/或第二流体，以给予吸收器针对不同海况的多个预定调谐状态。用第一或第二流体(例如水)完全填充较小的内部隔室，防止所容纳的流体晃动，并且优选地调整单个大的内部隔室中的流体量，在单个大的内部隔室中晃动可能导致不可预测的吸收器行为和/或不可预测的施加在吸收体结构上的力。在一些实施例中可以使用其他合适的机构，例如设置位于一个或多个内部隔室中的一个或多个挡板，以进一步防止所述晃动。

14、在一些实施例中，该装置优选地还包括：从枢转点延伸的所述臂构件，该臂构件设置成绕枢转点旋转；并且其中浮力波浪能吸收器固定在臂构件的远离枢转点的端部附近。在最优选的此类实施例中，吸收器可以固定至臂构件，使得吸收器不能相对于臂构件旋转。在具有臂构件的一些优选实施例中，当所述水体表面基本平坦时，臂构件优选地相对于枢转点的竖直平面以静止角度定位，该静止角度选自15°到70°之间。静止角度更优选地选自25°至65°之间。静止角度优选地限定臂构件的最佳取向，并因此限定吸收器的最佳取向，以便通过由于波浪运动的推动力而进行的往复运动来优化波浪能捕获。

15、在操作模式中，臂构件优选地设置成在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置和第二位置之间限定移动角度，移动角度围绕静止角度，且高达90°，并且可以例如定位成提供在静止角度的任一侧上高达45°的臂构件的运动。运动角度优选地位于静止角度周围高达60°，并且可以例如被定位成在静止角度的任一侧提供高达30°的臂构件运动。应当理解，可以使用任何合适的静止角度和移动角度，其中静止角度是枢转点占据的竖直平面的大于0°顺波的角度。在一些实施例中，任何这样的臂构件优选地尽可能短，以最小化围绕枢转点的扭矩，并且将理解的是，在一些实施例中，优选地不具有臂构件，使得吸收器主体直接固定至枢转点，以便使所述扭矩最小化。应当理解，在不存在臂构件的实施例中，本文中描述的与臂构件有关的任何特征可同样适用于在枢转点和吸收器的远离该枢转点的外边缘之间延伸的虚线。例如，本文中涉及臂构件的静止角度的讨论可以同样应用于不具有所述臂构件的实施例中的所述虚线。因此，静止角度可以代之以指的是虚线相对于枢转点的竖直平面的静止角度。

16、该装置优选地还包括偏航机构，该偏航机构设置成使枢转点和/或吸收器在垂直于旋转弧的平面(本文称为偏航平面)的平面上偏航。这种偏转优选地设置成重新定向该吸收器，并且优选地重新定向其波浪接合表面，使得吸收器的最大尺寸对抗主波浪方向。该特征可能是优选的，因为随着时间的推移，水体中的波浪可能不具有相同的主要方向，并且因此为了使得波浪能捕获最大化，可能需要装置或其操作员调整吸收器的取向，使得所述波浪方向充分相反，以便于装置捕获波浪能。在这样的实施例中，该装置还可以包括设置成通知所述偏航的波浪方向传感器。将理解的是，实施例中，使用确定主波浪方向的任何合适装置。本文所使用的术语“主波浪方向”在本发明的上下文中将被理解为意指在水体中提供或检测到最大波浪传播力的方向，并且可以构成所述波浪方向或多个波浪方向的平均波浪方向。

17、在一些优选实施例中，所述偏转被设置成将吸收器的波浪接合表面重新定位成与平均或主波浪方向相反。偏航机构优选地进一步设置成在所述重新定位之后限制所述偏航。因此，使用所述偏航机构的装置的旋转优选地对波浪运动具有鲁棒性，使得一旦吸收器重新定向，波浪的作用就不会引起装置沿着所述平面的进一步旋转。任何所述的进一步旋转都会造成能量浪费。优选实施例包括需要电源以便执行所述偏航的主动偏航机构。其它合适的实施例可以包括被动偏航机构，该被动偏航机构被设置成允许吸收器并且优选地其波浪接合表面自动呈现与主波浪方向相反的取向，例如使用鳍或舵机构。

18、在一些优选实施例中，偏航机构可以设置成允许设备在所述平面上自由旋转，例如完整的360°旋转。不希望受理论的束缚，与风向不同，在本发明所意图的水体中，例如大海或大洋中的离岸位置，波向通常面临随着时间的推移较少可能的方向变化，因此在其他优选实施例中，所述偏航可限于在小于360°的偏航角度内执行，例如高达90°，并且更优选地高达45°。

19、在优选实施例中，吸收器包括大于吸收器的长度或高度的宽度，其中在操作模式中吸收器的所述宽度被定位为垂直于平均或主波浪方向。作为吸收器的最大尺寸的宽度可以优选地使吸收器的表面积最大化，并且优选地使得被设置成与主要波浪运动/方向对抗的波浪接合表面最大化，并且因此使得从所述波浪捕获的能量最大化。在这样的实施例中，为了使得能量捕获最大化，吸收器相对于波浪的方向的正确对准是优选的。因此，这样的实施例优选地包括如本文所述的偏航机构，其被设置成将吸收器的波浪接合表面定向成与主波浪方向相反。

20、在优选实施例中，该装置还包括设置成将吸收器的旋转转换成有用能量的能量转换器，可选地设置成将吸收器引起的所述臂构件的旋转转换成有用能量。能量转换器优选地是旋转发电机(其可以例如是电动的或液压的)。将理解任何其他合适形式的能量转换器能够将波浪能转换成有用的能量，例如电能，例如：线性发电机；液压缸；与将旋转运动转换为线性运动的机构(例如曲柄臂或齿条和小齿轮)相结合的任何类型的线性发电机。旋转发电机还可以联接到齿轮装置，例如齿轮箱，齿轮装置设置成转换吸收器和/或臂构件绕枢转点的旋转速度，以更好地适合所使用的特定能量转换器类型。应当理解，在一些优选实施例中，能量转换器可以设置成提供吸收器和/或臂构件运动致动器或限制器的附加功能，并且可以接收用于执行该功能的电源。这种运动致动或限制的目的优选是例如在暴风雨生存模式下将吸收器移动并保持在水体表面上方。在一些实施例中，能量转换器可以使吸收器和/或臂构件绕枢轴旋转，以便将吸收器移动到悬挂位置，在该悬挂位置中吸收器定位在水体表面上方。能量转换器可以通过限制吸收器和/或臂构件的任何进一步移动来将吸收器保持在固定位置，或者可以使用诸如固定装置的另一移动限制机构来将吸收器保持在悬挂位置。移动限制机构优选地减少施加在能量转换器上的负载，否则可能需要电源来将吸收器维持在悬挂位置。将理解的是，可以采用任何合适的这种运动限制构件。还应当理解，可以使用任何合适的单独的部件或系统来提供所述能量转换和运动致动/限制的功能。

21、在优选实施例中，该装置还包括浮力平台，该浮力平台被设置成拴系到所述水体的床，该平台在操作模式下浸入水中并且被设置成将枢转点支撑在所述水体的表面上方。该平台优选地是任何合适的浮力平台，优选地设置成在操作模式中提供相对于所述波浪运动的固定枢转点。平台的浮力优选地设置成抵消系泊装置中的张力，该系泊装置设置成将浮力平台系到水体的底部，使得所述张力在操作模式下为平台提供稳定性，从而保持枢转点相对于所述波浪运动基本静止。所述系泊装置优选地设置成安装在期望位置处，使得平台可以被运输到期望位置，同时在安装之前将所述枢转点支撑在水体表面上方。浮力平台优选地是张力腿平台(tlp)，但是任何合适的平台都是可以理解的。

22、所述装置优选地还包括暴风雨生存模式，其中所述吸收器位于所述水体的所述表面之上，其中所述表面由所述水体的最大波浪高度限定。所述暴风雨生存模式不同于所述操作模式，因为所述吸收器位于所述水体的所述表面之上，使得其不捕获波浪能。所述暴风雨生存模式的目的是限制过度波浪力(例如在风暴期间经历的波浪力)对所述吸收器的影响，其中，所述力可能对所述装置的部件或与其耦合的能量转换系统造成损坏或过度磨损。具体地，在暴风雨生存模式中，水体的表面相对于吸收器的位置预期会改变，因为在风暴(或大的)海况期间，水体的波浪预期会变化并且比在平静的海况中更明显。因此，在暴风雨生存模式的上下文中，所述表面根据水体的最大波浪高度来确定。在所述实施例中，吸收器可以悬挂在水体的表面之上，例如，臂构件(或所述虚线)相对于由枢转点占据的垂直平面成角度定位。在这样的位置中，吸收器可以在臂构件和/或枢转点上施加向下的力，使得扭矩被施加到枢转点，并且其起作用以将吸收器和/或臂构件悬挂在悬挂位置处的任何运动限制机构。因此，该装置可以进一步包括固定装置，该固定装置设置成将吸收器和/或臂构件固定在悬挂位置处，使得枢转点(以及任何运动限制机构)减轻由吸收器和任选的臂构件的重量施加到其上的任何扭矩。将理解的是，实施例中，在风暴生存模式中，臂构件(或所述虚线)基本上平行于由枢转点占据的垂直平面，使得最小的旋转扭矩由吸收器和任选的臂构件施加到枢转点(和任何运动限制构件)。

23、该装置优选地还包括运输模式，其中吸收器定位在水体的所述表面上方，并且进一步定位成基本上在由枢转点占据的竖直平面中枢转点的下方。运输模式优选地设置成允许将装置运输到用于固定的期望位置。在运输模式中，枢转点优选地定位在一定高度处，使得臂构件(或所述虚线)设置成与枢转点占据的竖直平面对准，同时吸收器保持在水体表面上方。这种构造优选地将吸收器悬浮在水体表面上方所需的能量最小化。在没有臂构件的实施例中，应当理解，“基本上低于枢转点”意味着吸收器的大部分定位在枢转点下方。

24、在一些优选实施例中，枢转点被支撑在枢转点高度处，其中枢转点高度是可调节的。因此，任何合适的枢转点支撑结构或支撑枢转点的机舱的高度均可调节。枢转点高度的调节优选地提供了相对于由枢转点占据的竖直平面的臂构件(或所述虚线)的角度，该角度在所经历的潮汐和波浪的整个范围内是最佳的。枢转点高度的这种调整可以例如对应于检测到的平均海平面和/或平均波浪高度。这种高度调节优选地还允许本发明具有最小长度的臂构件，因此允许固定到臂构件并设置成由其围绕臂构件的旋转驱动的动力输出装置或能量转换器所经历的扭矩的减小。枢转点高度调节还可以允许枢转点在操作模式中移动靠近水体表面，但在大的海况下(例如在暴风雨生存模式中)远离水体表面。

25、优选地，枢转点由至少一个支撑臂支撑在枢转点高度处，该至少一个支撑臂可旋转地固定在其靠近枢转点的第一端处，其中该至少一个支撑臂围绕其远离第一端部的第二端部的旋转被设置成用于调节枢转点高度。枢转点最优选地由至少两个所述支撑臂支撑在枢转点高度处。该至少两个支撑臂优选地彼此平行地固定。在这样的实施例中，两个支撑臂形成平行四边形的平行边，这优选地为枢转点在枢转点高度处提供最佳稳定性，同时不允许任何枢转点支撑结构或机舱在所述高度调节期间围绕枢转点旋转。因此，在整个枢转点高度调节过程中，所述支撑结构或机舱保持基本恒定的定向。支撑臂围绕其第二端的旋转以调节枢转点高度可以通过任何合适的致动器(例如马达或液压油缸)来执行。引起一个或多个、优选两个或多个支撑臂绕其第二端旋转的致动器可以选择为适合于高力、偶尔使用，例如液压缸。可选择适合较低扭矩和连续使用的动力输出装置或能量转换器致动器，例如电机和变速箱。

26、根据本发明的另一方面，提供了一种包括根据第一方面的装置的浮力海上可再生能源系统。

27、应当理解，本文中被描述成适于并入本公开的一个或多个方面或实施例中的任何特征旨在可概括到本公开的任何和所有方面。