波能量轉(zhuǎn)換的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及波能量轉(zhuǎn)換。
【背景技術(shù)】
[0002]針對當前所關(guān)注的全球變暖、碳排放及限制使用或獲得傳統(tǒng)的化石燃料，可替代的再生能源正變得越來越重要。
[0003]公知的是用于產(chǎn)生電能的太陽能、風能和波浪發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)在陽光充沛時正常工作，否則如果需要連續(xù)能量輸出的話，在日照時需要將能量存儲起來并且在夜晚釋放。這通常是通過相變的鹽(儲存熱能時液化，釋放熱能時再固化)來實現(xiàn)的。然而，如果在白天未能存儲足夠的熱能，則存在的風險是能量輸出有可能被耗盡。
[0004]顯然，風能需要足夠的空氣流動來產(chǎn)生電力形式的風力渦輪機。雖然風力渦輪機技術(shù)已經(jīng)進步了并且風能已變得更具有成本效益，但仍然存在中斷以及使多個風力渦輪機定位成足以產(chǎn)生所需量的可再生能量的挑戰(zhàn)。風力渦輪機在地上產(chǎn)生對當?shù)夭荒芸偸墙邮艿囊曈X和噪音影響。風電場最近已選址在海上，以便受益于更可靠的盛行風，并且減少存在的高大風力渦輪機對環(huán)境的影響。
[0005]從海洋中提取能量是可再生能源領(lǐng)域中的公認概念。波能量的主要好處在于，幾乎總是存在從波中提取的至少一些能量，由此使得波能比太陽能熱或風能潛在地更加可靠，并且在對當?shù)丨h(huán)境具有更低的視覺及潛在地更低的噪音的影響方面更加地環(huán)?？山邮?。
[0006]雖然波能量在概念上相對簡單，然而波能量是復(fù)雜的能源介質(zhì)。
[0007]能量通過海洋有效地“滾動”，以圓形或橢圓形(取決于水的深度)擺動運動(上下“垂蕩”和來回“浪涌”)移動水粒子，依靠水的流動性和粘度來將能量從一個地方傳遞到另一個地方。水在垂直和水平方向上不斷地改變方向，并且自然地不斷從勢能(高度)變化到動能(運動)以及其間的組合。
[0008]來自海洋的波浪同樣沒有規(guī)律。雖然在給定的地點和給定的時間可能存在平均周期和平均波高，但波與波之間以及在每個波內(nèi)仍然會存在差異。
[0009]這完全對試圖從波中提取能量的任何波能量轉(zhuǎn)換器(WEC)(有時也稱為波能量轉(zhuǎn)換裝置或WECD)造成了顯著的挑戰(zhàn)。為了提高效率，轉(zhuǎn)換器必須與波很好地“耦合”(即回應(yīng)或“追蹤”波動)，而在同時抵擋足以從波中提取能量的浪。轉(zhuǎn)換器還必須堅固以在暴風雨期間承受波浪力(特別不利的力)，并有效地降低能量損失，且具有成本效益。
[0010]先前已經(jīng)構(gòu)思出了許多不同的WEC。然而，同樣從波中提取能量足夠有效并且同樣充分可靠的具有成本效益的轉(zhuǎn)換器的開發(fā)至今被證明是難以捉摸的。
[0011]許多WEC非常大，并且其構(gòu)造和操作“機械”，從而導(dǎo)致高的制造、維護和/或操作成本，以及由于轉(zhuǎn)換器的高質(zhì)量和慣性而造成很難維持與波耦合。這導(dǎo)致低耦合(帶寬)和很差的現(xiàn)實世界性能。
[0012]一些WEC使用相對復(fù)雜的方法來捕獲、傳輸波能量以及將其轉(zhuǎn)換為電能，往往通過連續(xù)能量轉(zhuǎn)換進行，從波(流體)能量至機械至液壓至旋轉(zhuǎn)機械(渦輪機)至電能。轉(zhuǎn)換的每個階段都具有效率及系統(tǒng)復(fù)雜性成本，并導(dǎo)致能量損失。傳輸?shù)拿總€階段都具有摩擦損失，特別是當在高壓和速度比如液壓下與致密的流體(液體)工作時。
[0013]一些轉(zhuǎn)換器只專注于水中能量的一個方向分量(即垂直或水平分量)，并不試圖或有效地捕捉垂直和水平分量或者適應(yīng)波中能量流動的流體性質(zhì)。
[0014]其他WEC使用振蕩水柱(OWC)，依賴于移動大量的水進出開放室或腔，該運動在渦輪機上來回泵送空氣從而轉(zhuǎn)動發(fā)電機。這些OWC轉(zhuǎn)換器通常需要水改變方向并且圍繞非流線型邊緣流動。這增加了系統(tǒng)中的摩擦和能量損失，并且可以引入不必要的延遲，從而可能阻礙與波良好的耦合。相對于轉(zhuǎn)換器的功率輸出，這些轉(zhuǎn)換器在其建造、安裝或錨定中還需要相當量的材料。渦輪還暴露于汲有鹽的空氣，這可能會增加抵抗腐蝕的成本以及與保持葉片清潔來維持性能相關(guān)聯(lián)的維護成本。
[0015]許多WEC還位于近海并且在惡劣天氣條件下極其高力顯而易見的海面上。這相對于有效功率輸出增加了轉(zhuǎn)換器的成本。
[0016]已顯示出巨大潛力的WEC的一個領(lǐng)域可被表征為“膜”電力轉(zhuǎn)換器，更具體地說是膜-氣動電力轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器使用一系列低成本和低慣性膜或隔膜來與波相互作用并有效地將能量轉(zhuǎn)移到第二流體(通常是低慣性、低摩擦的流體比如空氣)，其將能量發(fā)送到渦輪機和發(fā)電機上。一般而言，因為低系統(tǒng)慣性(快速響應(yīng))以及用于其降低的復(fù)雜性，這些WEC比其他WEC可以表現(xiàn)出與波更好的耦合，并且有可能比上面所討論的其他類型的WEC在更寬范圍的波條件下更加成本有效地產(chǎn)生功率。
[0017]各種波能量轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)有專利文獻中得到討論。例如，20世紀60年代Semo的US3353787提出使用水或油作為第二(傳輸)流體。目的是具有能夠更好抵御風暴的堅固海底轉(zhuǎn)換器，并且利用在當時比其他更復(fù)雜的轉(zhuǎn)換器更大比例的現(xiàn)有波浪能。Semo提出了每個具有柔性上表面的一系列細長腔，以通過單向閥將不可壓縮的流體(液體)泵送至岸上流體電動機用于能量提取。流動在與流出相同的回路中從岸上返回，但是通過小孔進入腔。
[0018]20世紀70年代中期Lesster的US3989951討論了一種浸沒式轉(zhuǎn)換器，其使用可壓縮流體(比如空氣)作為傳輸流體，以通過降低傳輸流體的質(zhì)量和慣性來提高轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)性。Lesster還提供了更短的柔性壁單元，以提高操作的靈活性，并且使波浪依次在每個單元上沿著轉(zhuǎn)換器的長度行進。在回路中分離并流出回路使空氣從每個單元通過單向閥，并且在提供對氣流的“推拉”動作的閉環(huán)回路中導(dǎo)致一個或多個渦輪發(fā)電機。
[0019]20世紀70年代后期French的US4164383主張垂直于波陣面的轉(zhuǎn)換器的縱向(脊柱)設(shè)計和定向。此轉(zhuǎn)換器使用具有單向閥的閉環(huán)電路，并且將空氣用作傳輸流體，但是將轉(zhuǎn)換器移動成浮動的轉(zhuǎn)換器處于或略低于像長‘脊柱’的波浪的表面，并且使用像分隔成隔室的袋的單個柔性外殼。
[0020]20世紀80年代早期以后French的US4375151披露了一種控制系統(tǒng)，其使用波高度和多個閉環(huán)回路以及渦輪發(fā)電機，通過減少氣流脈動來提高能量提取的效率，并且提高轉(zhuǎn)換器的海保持，特別是槳距控制。
[0021]20世紀80年代早期Bellamy的US4441030公開了一種類似的浮動“脊柱”設(shè)計，但在“終端”模式下，即平行于波陣面，柔軟的“枕形袋”裝出脊柱的側(cè)面來捕捉波能量并減少磨損袋。主要重點是在袋設(shè)計上，但該專利文獻還公開了使用每單元單個自整流渦輪，而不是先前的閉環(huán)電路。
[0022]Bellamy后來的專利文獻US4675536在80年代中期進一步提出了一種圓形或環(huán)形設(shè)計來減少轉(zhuǎn)換器的尺寸和成本，提高其海保持，并且回復(fù)至使用一系列膜的選擇，但現(xiàn)在垂直定位，而不是袋捕獲波浪能。
[0023]然后，膜轉(zhuǎn)換器的發(fā)展出現(xiàn)停滯，直到在Turner的US2011-0185721和Bellamy等人的US2011-0162357中透露的發(fā)展在2008年進一步闡述了該原理。Turner文獻主要側(cè)重于具有用于膜的“S”形安裝邊緣的圓形轉(zhuǎn)換器以及膜的其他設(shè)計特征(尺寸、厚度、硬度、加強等)。Bellamy等人還提出了一種圓形轉(zhuǎn)換器(或‘無窮脊柱’)，但是引入了膜和振動水柱組合到一個轉(zhuǎn)換器。目的是通過與波能量的垂蕩(垂直)和浪涌(水平)分量接合來提高轉(zhuǎn)換器的效率和‘帶寬’(即與波親合)。Bellamy等人還回復(fù)到Lesster、French以及一定程度上Semo的止回閥、單向氣流(閉環(huán)回路)特征。
[0024]Winsloe 的 US7554216 和 Rasmussen 的 W02007/057013 均公開了一種具有多個單元的振蕩水柱(owe)和一種閉路氣流系統(tǒng)，其通過使用單向閥送入高壓歧管到渦輪發(fā)電機上，并且經(jīng)由低壓歧管返回。這兩種轉(zhuǎn)換器是浮動的OWC轉(zhuǎn)換器，并且完全暴露至惡劣的波浪條件。
[0025]可替代地，本發(fā)明所期望的是提供一種波能量轉(zhuǎn)換器(WEC)，其比上述已知的轉(zhuǎn)換器能夠更好地利用現(xiàn)有的波能量。
[0026]由于采用上述想法，本發(fā)明所期望的是通過優(yōu)選地提供能夠更好地承受風暴的子海波能量轉(zhuǎn)換器來克服這種轉(zhuǎn)換器的困難。
[0027]可替代地，本發(fā)明所期望的是提供一種與已知的波能量轉(zhuǎn)換器相比具有改善的操作效率的波能量轉(zhuǎn)換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028]鑒于以上考慮，本發(fā)明的一個方面提供了一種波能量轉(zhuǎn)換器(WEC)，包括主體和至少一個柔性膜，限制至少一部分的流體體積，所述至少一個膜的主要部分從垂直傾斜，為波能量提供流動平滑路徑以在WEC上行進，同時使所述至少一個膜朝向所述主體變形來壓縮流體，所述至少一個膜的傾斜有助于將波的勢能和動能轉(zhuǎn)化為流體內(nèi)的壓力。
[0029]本發(fā)明的另一方面提供了一種波能量轉(zhuǎn)換器(WEC)，包括主體部分和至少一個柔性膜，為加壓流體形成至少一部分的至少一個單元體積，所述至少一個膜從下部傾斜到上部，允許在WEC上撞擊的波流過所述至少一個膜，以及來自波的浪涌和升沉的力使所述至少一個膜朝向所述主體變形來壓縮所述至少一個體積中的流體。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的WEC來自流過所述WEC的膜的波的能量轉(zhuǎn)換成WEC中流體的一個或多個體積的壓力(能量)，然后能夠被用作有用的能量。具有傾斜膜的WEC與波有效地耦入口 ο
[0031]流動平滑可以為WEC上的波或波能量提供引導(dǎo)。
[0032]優(yōu)選地，對于通過WEC的垂直截面來說，所述膜的橫截面的長度與限制所述單元或體積的主體或面的表面的橫截面的長度大致相同。這允許膜在所述膜充分變形或被壓縮到主體或面時疊加到所述主體表面或面上。
[0033]所述WEC可以包括至少一個端口，優(yōu)選地設(shè)置位于或鄰近相應(yīng)單元的上后方部。當波壓力高于單元體積內(nèi)的流體的壓力時，對著所述膜撞擊導(dǎo)致所述膜變形，加壓的流體經(jīng)由位于或鄰近相應(yīng)單元的上后方部的至少一個端口被壓出所述單元。
[0034]所述主體可以包括至少一個面，其分別相對著所述至少一個柔性膜中的一個或多個，使得相應(yīng)的柔性膜發(fā)生變形或通過朝向相應(yīng)相對面的外部波的力而發(fā)生變形。
[0035]所述至少一個柔性膜可以朝向主體從下前部逐漸變形至上后部。
[0036]本發(fā)明的另一方面提供了一種波能量轉(zhuǎn)換器(WEC)，其包括主體部分和至少一個單元，每個所述單元由柔性膜和相對面至少部分地限定，相應(yīng)的柔性膜和面為單元內(nèi)的加壓流體提供體積，柔性膜可以通過來自膜上的波的外部力朝向面變形，從而經(jīng)由至少一個端口迫使流體流出單元，其中，波壓力高于單元體積內(nèi)的流體的壓力，