專利名稱：用于波浪能轉(zhuǎn)換器的多點系泊系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波浪能轉(zhuǎn)換器，其用于把海洋波浪能轉(zhuǎn)換成一種更加有用的形式，以及涉及該轉(zhuǎn)換器的改進。
背景技術(shù)：
21世紀初，各地人們?nèi)找骊P(guān)注可持續(xù)發(fā)展的能力。由于人們意識到礦物燃料是一種有限的能源，因此對于可再生的，清潔能源的研究就變得緊迫。全球變暖和氣候的變化讓我們注意到需要減少我們對于礦物燃料的依賴。波浪能就是其中一種最有前景的可再生能源。盡管利用波浪能產(chǎn)生動力這個愿望已經(jīng)有好幾百年了，但是過去的努力僅取得了有限的成就。取得成功僅有很小的比例，約為幾十到幾百千瓦而不是所需要的幾百兆瓦。過去，其中一個比較大的困難是設計一個足夠堅固以抵擋住海洋波浪所擁有的巨大能量的設備。在暴風雨的環(huán)境下，波浪能是巨大的，它會摧毀現(xiàn)有技術(shù)的許多陸基或者岸基系統(tǒng)。獲取波浪能的典型現(xiàn)有技術(shù)方法已經(jīng)用于輪機或者液壓系統(tǒng)。曾經(jīng)試圖使用被直接驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機和被直接驅(qū)動的線性發(fā)電機。然而最常用現(xiàn)有技術(shù)的能量獲取設備是擺動水柱(oscillatingwater column)或者液壓連動的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機。這些設備通常用在靠近海岸和海岸上的設施中。這些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的另一個缺點是需要靠近海岸，而在那里由于經(jīng)過海底的衰減可以利用的能量很小。在共同擁有的國際申請?zhí)枮镻C/AU2007/00940的申請中(其內(nèi)容合并在此處作為·參考)，公開了一種張緊系泊系統(tǒng)(tension mooring systemn)和一種波浪能轉(zhuǎn)換器,其可以用在海岸附近或遠離海岸，獲取最大量的海洋波浪能。波浪(深水中)中的水質(zhì)點(water particle)以圓形的軌道移動,這就是讓波浪遠距離、低損耗的傳送能量的機理。對于水面的水質(zhì)點，圓形路徑的直徑與波浪的高度是相等的。但是水面下的在任意給定深度的水質(zhì)點運動的直徑呈指數(shù)減少，所以在相當于波浪波長一半的深度處，圓形路徑的直徑與水面處相比減少了 95%。顯然，水面處有更大能量可以利用，但是為了有助于獲取最大量的能量，我們還需要一種從整個該能量梯度(energygradient)獲取能量的裝置。有鑒于要對波浪能轉(zhuǎn)換設備提供各種改進，而開發(fā)了本發(fā)明，包括用于使從水面下的能量梯度中獲取的波浪能最大化的結(jié)構(gòu)。本說明書中參考的現(xiàn)有技術(shù)僅是處于闡述性的目的且而不是承認這種現(xiàn)有技術(shù)在澳大利亞或者其它地方是公知常識的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于波浪能轉(zhuǎn)換設備的多點系泊系統(tǒng)，所述設備具有一結(jié)構(gòu)，設置與該結(jié)構(gòu)相連并至少部分地浸沒于平均水平面以下的浸沒構(gòu)件，所述多點系泊系統(tǒng)包括多個細長的柔性構(gòu)件，在一端連接到壓載裝置，每個細長的柔性構(gòu)件延伸到各自的衡重裝置，所述衡重裝置適用于經(jīng)由滑輪機構(gòu)從至少部分地浸沒構(gòu)件懸掛，且其中，細長的柔性構(gòu)件和衡重裝置彼此間隔開以便增加波動能轉(zhuǎn)換設備獲取能量的自由度。該多點系泊系統(tǒng)包括彼此等距隔開的三個細長的柔性構(gòu)件以便允許波浪能轉(zhuǎn)換設備能在所有的六個自由度上吸收能量。優(yōu)選地，每個細長柔性構(gòu)件包括具有多個線纜的線纜組。優(yōu)選地，用于每個線纜組的滑輪機構(gòu)包括可帶多個線纜的滑輪，該滑輪具有使線纜組中的線纜掛在(或繞在)滑輪上的線纜，其中，在使用中，線纜組有助于在多線纜的滑輪與線纜組的線纜之間形成良好的緊貼，以將所需的旋轉(zhuǎn)力矩傳遞到能量轉(zhuǎn)換裝置。整個說明書中，除非上下文需要，詞語“包括(comprise)”或其變化形式，如“包含”或“具有”應被理解為暗示包括所說的完整物體或者一組完整物體但是不排除任何其它完整物體或者一組完整物體。同樣詞語“優(yōu)選的”或者其變化形式如“優(yōu)選地”，被理解為暗示需要這樣的所述完整物體或者一組完整物體，但并不表明對本發(fā)明發(fā)揮功效來說是必不可 少的。


通過下文中參照附圖僅僅示例性地給出的本發(fā)明的波浪能轉(zhuǎn)換器、多點系泊系統(tǒng)以及改進的滑輪機構(gòu)的幾個具體實施例的詳細說明，可以更好地裂解本發(fā)明的原理，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明一個方面的用于波浪能轉(zhuǎn)換器的裙狀部優(yōu)選實施例的側(cè)視圖；圖2是圖I所示的帶有裙狀部的簡單的點能量吸收器的側(cè)視圖；圖3示意性地示出了在裙狀部表面上的水質(zhì)點的流動路徑，這個裙狀部適于從沿豎直方向行進的水質(zhì)點中獲取波浪能；圖4示意性地示出了在裙狀部表面上的水質(zhì)點的流動路徑，所述裙狀部適于從沿水平方向行進的水質(zhì)點中后去波浪能；圖5是連接有或者整合有圖I所示的裙狀部的根據(jù)本發(fā)明第二方面的波浪能轉(zhuǎn)換器的一個實施例的俯視透視圖；圖6是圖5所示的波浪能轉(zhuǎn)換器中的多點系泊系統(tǒng)一個實施例的透視圖，其中可看見根據(jù)本發(fā)明第三方面的衡重系統(tǒng)；圖7是圖6所示的波浪能轉(zhuǎn)換器的衡重系統(tǒng)的詳細放大視圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的一種波能轉(zhuǎn)換器的改進，如圖I到圖5所示，其包括一個大致剛性的裙狀部10，所述裙狀部適合于從波浪能轉(zhuǎn)換器上懸掛到水面下。所述裙狀部10包括豎直延伸的細長的大致圓柱形結(jié)構(gòu)12，以在該圓柱形結(jié)構(gòu)的表面上形成水質(zhì)點的流動路徑。該結(jié)構(gòu)的該表面被成形為有助于從行波(travelling wave)的橫截面的能量梯度中獲取能量。盡管大部分波浪能可在水面上得到，但為了有助于最大的能量獲取，希望能從水面下的能量梯度中獲取能量。使用細長結(jié)構(gòu)12能在更大比例的能量梯度中獲取行波的能量。如圖3所示，優(yōu)選的是，所述圓柱形結(jié)構(gòu)12的表面被成形為能沿豎直方向行進的水質(zhì)點形成起伏(undulating)的流動路徑。在這個實施例中，所述圓柱形結(jié)構(gòu)的該表面包括一系列的彎曲表面，以便為沿豎直方向行進的水質(zhì)點形成起伏的流動路徑。有利的是，該大致圓柱形的結(jié)構(gòu)12包括一系列的大致相等直徑的環(huán)形物14，所述環(huán)形物以豎直方向隔開地同心設置。所述環(huán)狀物14以隔開的間隔被多個細長支撐構(gòu)件16保持，配置為形成大致圓柱形的結(jié)構(gòu)12。有利的是，以遞減或者遞增的垂直次序來改變相繼的環(huán)狀物14的直徑或者/和相繼的環(huán)狀物14的橫截面的曲率半徑，以便有利于在更大比例的能量梯度中獲取最大能量。在圖3中我們可以清晰地看到，環(huán)狀物14的圓形橫截面所形成的彎曲表面，為在豎直方向上行進的水質(zhì)點形成了起伏的流動路徑。所述起伏的流動路徑迫使豎直流動的水質(zhì)點繞環(huán)狀物14所形成的彎曲表面而偏斜運動，以便一些垂直能量籍此被傳遞到環(huán)狀物·14。通過這種方式，從波浪的圓形水質(zhì)點的運動中獲取的波浪能的垂直分量得以最大化。同樣地，我們可以從圖4清晰的看到，在俯視圖中觀察，環(huán)狀物14的圓形形狀所形成的彎曲表面為沿水平方向行進的水質(zhì)點形成了彎曲流動路徑。該彎曲的流動路徑迫使水平行進的水質(zhì)點繞環(huán)狀物14的彎曲表面偏轉(zhuǎn)運動，以便一些水平方向的能量籍此傳遞到環(huán)狀物14。通過這種方式，從圓形的波浪水質(zhì)點運動中獲取的波浪能的水平分量也得以最大化。裙狀部10獲取的波浪的圓形水質(zhì)點運動的額外垂直和水平波浪能分量都經(jīng)由支撐構(gòu)件16傳遞到波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)。圖3和4顯示了流體如何繞裙狀部10流動才會使特定力施加到裙狀部上從而施加到WEC上。在圖3和4中可以看到，當繞裙狀部10運動時，在流體的流動中發(fā)生何種程度的邊界層分離。但是，實際上，壓差阻力的最大量與邊界層相互作用(boundarylayer interaction)的雷諾數(shù)相關(guān)?？紤]到這些，有利的設計要考慮的是確定裙狀部的尺寸來使該阻力最大。通過使用裙狀部10來在更大比例的能量梯度中獲取能量，通過WEC如何獲取能量的動力學特點被改變了。可將裙狀部10連接到幾乎任何WEC，以利于從行波橫截面的能量梯度中獲取能量。然而，裙狀部10特別能與點吸收器類型(Point — Absorber (PA)class)的波浪能轉(zhuǎn)換器一起很好地工作。PA通過創(chuàng)建一系列干擾形式的擺動來獲取能量，以便在PA的背風面產(chǎn)生駐波并且將未干涉的波浪從PA朝向海的方向送出。這些相位變動的擺動與那些正在接近的波浪越匹配，則PA所獲取的能量越多。在波浪能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的一種說法是，“好的波浪獲取器即是好的波浪產(chǎn)生器”。這有助于闡述當PA用于獲取波浪能時所需的動力學原理。實際上被每種現(xiàn)有技術(shù)的PA所使用的用于獲取波浪能的機構(gòu)固有地效率很低并且由于其可運行的頻率范圍而傾向于有局限性。一般來說，PA能在其共振頻率上很好地工作；然而對于這個共振峰值以外的所有頻率其性能會快速下降。為克服PA的這些運行局限性，可采用裙狀部以改變動力特點并且顯著改善能量獲取的性能。圖2示出了一種簡單的PA 18，根據(jù)該優(yōu)選的實施例，其包括球形浮體20，該浮體具有從它下面懸掛到水面下的裙狀部10。通過把裙狀部增加到PA 18，該系統(tǒng)從依賴于形成匹配的逆波(matching counterwave)的單純共振系統(tǒng)變?yōu)槌吮倔w的擺動外還能使用功效大的流體動力學原理來吸收朝其而來的波浪能的系統(tǒng)，如參照圖3和4在上文所述的。圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一方面的改進的WEC 30的優(yōu)選實施例，其具有部分浸沒在水面下的裙狀部10。同樣的流體動力學原理可應用于該固定有裙狀部10的WEC 30，以有助于改善從行波的橫截面的能量梯度中獲取能量。WEC 30的結(jié)構(gòu)和操作將參照圖6和7在下文中詳述。盡管在所述的實施例中，裙狀部10被顯示為是一系列具有適當大小的環(huán)形物14，然而可以使用能采用同樣的基本原理的各種其它形狀和結(jié)構(gòu)的裙狀部。這些可替換的結(jié)構(gòu)的一些例子包括
·實心或空心的光滑柱的結(jié)構(gòu)；·實心或空心的波紋狀柱；·實心或空心的具有徑向孔的柱結(jié)構(gòu)；· 一系列相互連接的水平柱形環(huán)和豎直柱，以形成柱形網(wǎng)狀物；·多邊形柱狀結(jié)構(gòu)，其也可用于代替圓形柱的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，如圖5和6所示的WEC 30帶有多點系泊系統(tǒng)32的優(yōu)選實施例。在用于PCT/AU2007/00940公開的WEC的現(xiàn)有技術(shù)張緊系泊系統(tǒng)中，所述WEC具有帶有水下構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，與所述結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)設置的該構(gòu)件位于平均水位以下。PCT/AU2007/00940的系泊系統(tǒng)包括單獨的細長柔性構(gòu)件，該構(gòu)件從壓載裝置延伸到衡重裝置，所述衡重裝置適用于經(jīng)由滑輪機構(gòu)懸掛在所述水下構(gòu)件上。圖5和6的WEC 30類似處在于其具有帶構(gòu)件34的機構(gòu)，該構(gòu)件與之關(guān)聯(lián)地設置為部分地浸沒在平均水位下。所述多點系泊系統(tǒng)32包括多個細長柔性構(gòu)件36。每個細長柔性構(gòu)件36在一端連接到壓載裝置38，并且延伸到各自的衡重配重40，所述衡重配重40適用于經(jīng)由滑輪機構(gòu)50從部分浸沒構(gòu)件34懸掛。圖6和7示出圖5的多點系泊系統(tǒng)的一部分，該部分容納在WEC 30的所述部分地浸沒在水下的構(gòu)件34內(nèi)。在圖5至7所示的多點系泊系統(tǒng)32的實施例中，提供了以線纜組36a、36b和36c形式的三種細長的柔性構(gòu)件，所有的這些構(gòu)件在一端代表性地錨固在配重塊38上，該配重塊用作壓載裝置且通常位于在海底(sea floor)上。各個衡重配重40a、40b和40c連接到各個線纜組36a、36b和36c的另一端。在這個實施例中，線纜組36的每組包括四根線纜。優(yōu)選的每個衡重配重40具有四個在其中延伸的穿孔42，各個線纜組36的四根線纜在它們返回配重塊38的路徑上可滑動穿過穿孔容納(參見圖7)。每個線纜36被環(huán)繞在滑輪52上，籍此，使用時，線纜36的線性移動能被滑輪52轉(zhuǎn)換為用于波浪能轉(zhuǎn)換設備30中的驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換設備的旋轉(zhuǎn)力矩。如圖7所示，滑輪52是一種普通的多線纜滑輪，其讓線纜組36a的四根線纜掛(或繞)在該滑輪上。結(jié)果線纜組36的線纜約1800地接觸滑輪。線纜組36的使用利于在滑輪52和線纜組36的線纜之間更好地緊貼以把需要的旋轉(zhuǎn)力矩傳遞到發(fā)電機(未示出)等。每個衡重配重40沿著導軌58上下移動。導軌58設計為阻止衡重配重40獨立于浮筒部分移動，作為一種安全特征。軌道58還限定了衡重配重40的移動，以便配重保持封閉在浮筒的保護殼罩內(nèi)。這提供了另一安全特征，在操作WEC 30時有助于防止任何海洋生物或人受到傷害。有利的是，線纜組36以固定的距離彼此間隔開以便增加波浪能轉(zhuǎn)換設備30獲取波浪能的自由度。具有多于一個的線纜組36的另一個好處是系統(tǒng)上的負載被分配到每個線纜組36上，而不是所有載荷被一個線纜承受。另一個好處是避免單個線纜繞其自身纏結(jié)的可能性。每個衡重配重40總是試圖把WEC 30返回到在其自身與海底上的系泊部之間的最短的距離處。因此，如果存在嚴重偏航(yaw)和線纜組36彼此扭絞的情況，則衡重配重40施加的力將使線纜36的扭絞散開，從而消除纏結(jié)狀態(tài)。此外，可以將用于每個線纜組36的各個導軌(未示出)連接到裙狀部10上，由此線纜組36可以穿過該裙狀部從而根本上消除線纜纏結(jié)的可能性。在PCT/AU2007/00940中，具有單個系泊點的WEC使得WEC從六個可能的自由度中的五個獲取能量。然而，具有三個或更多系泊線纜的多點系泊系統(tǒng)能從所有六個自由度獲取能量。從所有六個自由度上獲取能量的能力表明具有多點系泊系統(tǒng)的WEC是全方位的并且不管波浪涌來的方向如何都能從波浪中獲取能量。這意味著WEC不必再更換方向或者使 自身迎合波浪的方向并且由此即便在不一致的海域中也能產(chǎn)生最大動力。設置多點系泊系統(tǒng)是在WEC的開發(fā)中非常重要的一步，因為當前沒有其它的WEC能不管波浪的方向如何而實現(xiàn)能量的獲取。該構(gòu)造的衍生結(jié)果將顯著改善WEC的操作并最終增加其功率輸出、一致性、可靠性并且有助于降低發(fā)電成本。在本示例性實施例中，滑輪系統(tǒng)50經(jīng)由每個滑輪52直接驅(qū)動一個單獨的發(fā)電機，因此在三線纜多點系泊系統(tǒng)中在每個WEC 30中存在三個單獨的發(fā)電機(或其它能量轉(zhuǎn)換設備)。在另一個實施例中，可使用滑輪驅(qū)動器的合適的傳動裝置來提供比驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換裝置更好的機械優(yōu)勢。有利的是，裙狀部的圓柱結(jié)構(gòu)12還能作為引導件58和為衡重配重40的移動提供安全保護?，F(xiàn)在已經(jīng)詳細描述了波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)的改進的優(yōu)選實施例。很明顯，帶有裙狀部的改進WEC具有很多優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點，包括下述( i )裙狀部有助于從水面下的行波橫截面的能量梯度中獲取能量。(ii)它顯著地提高了由點吸收器獲取的能量，除了擺動外，將其動力學特點從簡單的效率不高的擺動系統(tǒng)變成利用功效大的流體動力學原理的系統(tǒng)，以吸收隨之而來的波浪能。(iii)多點系泊系統(tǒng)運允許WEC成為全方位的，以便它能從沿任何方向涌來的行波中獲取能量，而不必在它能獲取能量前重新確定自身方位。(iv)WEC的改進的滑輪機構(gòu)基本消除了纏結(jié)并且確保線纜的線性移動能被轉(zhuǎn)換為用于WEC中的驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換裝置的旋轉(zhuǎn)力矩。對于相關(guān)領(lǐng)域的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，除了已經(jīng)描述的那些內(nèi)容外，對前述實施例做出的各改變和改進是很明顯的，而不會偏離本發(fā)明的基本發(fā)明原理。例如，在每個所描述的實施例中，WEC的水下部件大致圓柱形的結(jié)構(gòu)。然而，這決不是必不可少的，因為它可以為任何適合的形狀或結(jié)構(gòu)。因此，應當理解的是本發(fā)明的范圍并不局限于所述的具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于波浪能轉(zhuǎn)換設備的多點系泊系統(tǒng)，所述設備具有一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有設置成與該結(jié)構(gòu)相連并至少部分地浸沒于平均水平面以下的構(gòu)件，所述多點系泊系統(tǒng)包括 多個細長的柔性構(gòu)件，在一端連接到壓載裝置，每個細長的柔性構(gòu)件延伸到各自的衡重裝置，所述衡重裝置適用于經(jīng)由滑輪機構(gòu)從至少部分浸沒在水下的構(gòu)件懸掛，且其中，細長的柔性構(gòu)件和衡重裝置彼此間隔開以便增加波動能轉(zhuǎn)換設備獲取能量的自由度。
2.如權(quán)利要求I所述的多點系泊系統(tǒng)，其中，該多點系泊系統(tǒng)包括彼此等距隔開的三個細長的柔性構(gòu)件以便允許波浪能轉(zhuǎn)換設備能在所有的六個自由度上吸收能量。
3.如權(quán)利要求2所述的多點系泊系統(tǒng)，其中，每個細長柔性構(gòu)件包括具有多個線纜的線纜組。
4.如權(quán)利要求3所述的多點系泊系統(tǒng)，其中，用于每個線纜組的滑輪機構(gòu)包括可帶多個線纜的滑輪，該滑輪具有使線纜組中的線纜掛在(或繞在)滑輪上的線纜，其中，在使用中，線纜組有助于在多線纜的滑輪與線纜組的線纜之間形成良好的緊貼，以將所需的旋轉(zhuǎn)力矩傳遞到能量轉(zhuǎn)換裝置。
全文摘要
一種用于波浪能轉(zhuǎn)換設備的多點系泊系統(tǒng)(32)，所述設備具有一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有設置成與該結(jié)構(gòu)相連并至少部分地浸沒于平均水平面以下的構(gòu)件(32)，所述多點系泊系統(tǒng)包括多個細長的柔性構(gòu)件(36)，在一端連接到壓載裝置(38)，每個細長的柔性構(gòu)件(36)延伸到各自的衡重裝置(40)，所述衡重裝置適用于經(jīng)由滑輪機構(gòu)從至少部分浸沒在水下的構(gòu)件懸掛，且其中，細長的柔性構(gòu)件(36)和衡重裝置(40)彼此間隔開以便增加波動能轉(zhuǎn)換設備獲取能量的自由度。
文檔編號F03B13/18GK102913372SQ20121042266
公開日2013年2月6日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者肖恩.D.穆爾 申請人:多樣能源澳大利亞有限公司