專利名稱：潮汐響應式屏障的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及裝置和方法，用于保護海岸線或者沿著水道的城市區(qū)域抵御與潮汐涌浪或者高水位洪水相關聯(lián)的周期性高水位。更具體地說，本發(fā)明涉及潮汐響應式屏障，該屏障包括可塌縮的高強度延展膜，該延展膜在底端錨定到海底或河底，而在該膜的頂端具有球膽，其中所述球膽可以有選擇地膨脹，以使所述膜的前導邊緣(例如，響應潮汐變化)升高到海水或河水的表面，以使所述膜從海底或河底牽拉到水面以及水邊，所述膜在水邊錨定到結構性塔臺。
背景技術：
下個世紀中，洪水的主要威脅并不必然來自海平面本身的升高，而是來自高潮和暴風雨過程中極端情形的增多，這將導致在相對較短的期間對現(xiàn)有防洪設施造成破壞。永久性提壩、堰提或者防波提先前已經(jīng)用于保護海岸線并且針對高潮或者暴風雨中的這種周期性極端情形提供一些保護，但是這些設備通常包括混凝土塊、碎石或者其他沉重的增強材料，這些材料為永久結構，不允許海洋船只通過，抑制了自然海洋生態(tài)系統(tǒng)，限制了完全享受海岸線地區(qū)并且建造和部署(cbploy)昂貴。一種現(xiàn)有技術的防波提結構采用固緊到海底的漂浮網(wǎng)用于保護海岸線，這種結構在美國專利公開US2005/0036839中描述。這種現(xiàn)有技術的防波提結構采用漂浮支撐件，諸如填充空氣的球膽、聚乙烯浮標或者其他材料在海底和低潮水位36之間牽拉所述網(wǎng)。在高潮水位，防波提結構的網(wǎng)完全浸入水中，并且因此無法有效阻止周期性的極端潮汐變化或涌浪淹沒海岸線。此外，所公開的現(xiàn)有技術防波提結構披露為永久部署，這帶來與限制海洋船只通過、海洋生物以及完全享受部署防波提結構的海岸線地區(qū)類似的問題。因此，需要能克服上述問題的潮汐屏障，并且該潮汐屏障響應與潮汐涌浪或者高水位洪水相關聯(lián)的周期性高水位，以保護海岸線或者沿著水道的城市區(qū)域免受這種周期性高水位的影響。
發(fā)明內(nèi)容
符合本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法提供了一種潮汐響應式屏障，該屏障為輕型且環(huán)境敏感的系統(tǒng)，設計用于保護與內(nèi)陸水道接壤的城市區(qū)域免受與潮汐涌浪或者高水位洪水相關聯(lián)的高水位。所述潮汐響應式屏障根據(jù)浮力固有原理以及與延展網(wǎng)膜相關聯(lián)的結構有效性來操作。符合本發(fā)明的潮汐響應式屏障可以較之永久提壩和局部洪水保護結構以顯著更低的成本制造并實施在局部水道中，而不會損害生態(tài)以及這些水域的商業(yè)。根據(jù)符合本發(fā)明的裝置，提供了一種響應潮汐變化的潮汐屏障。所述潮汐屏障包括具有延展膜的網(wǎng)。所述延展膜具有上邊緣和下邊緣。所述下邊緣具有多個錨定點，用于將下邊緣附連到水體下的海底。所述潮汐屏障還包括附連到上邊緣的球膽，并且所述球膽具有有選擇地膨脹和收縮球膽的閥。所述球膽具有足夠大的體積，以便在以氣體膨脹該體積時，所述膜的上邊緣升高到水體的表面。所述潮汐屏障還包括設置在所述延展膜附近的泵，該泵與所述球膽的閥流體連通。所述泵具有控制器，用于有選擇地促動所述泵以氣體膨脹和收縮所述球膽。在一種實施方案中，所述潮汐屏障的網(wǎng)進一步包括多條內(nèi)部纜繩，所述內(nèi)部纜繩在所述延展膜的下邊緣和上邊緣之間延伸，以便在所述球膽的體積膨脹并且所述膜的上邊緣相應地升高到水體表面時，所述內(nèi)部纜繩加強所述延展膜的拉伸強度。所述潮汐屏障還可以包括多個塔臺，每個塔臺相對于海底錨定并且在水體處于預定深度時，在水體表面上延伸預定的高度。在這種實施方案中，所述潮汐屏障的網(wǎng)進一步包括附連到所述延展膜的上邊緣并沿著所述延展膜的上邊緣長度延伸的頂部纜繩。所述頂部纜繩一端連接到一個塔臺而另一端連接到另一個塔臺，以使在所述球膽的體積膨脹并且所述膜的上邊緣相應升高到水體表面時，所述延展膜的上邊緣以水體流動限定的弧線從一個塔臺延伸到另一個塔臺。在這種實施方案中，當所述網(wǎng)一側水體的水位隨著水流升高時，所述延展膜的上邊緣相應地升高，導致所述延展膜在水流方向上形成懸鏈弧，以使水位升高受到限制而不能越過所述網(wǎng)的一側。在另一種實施方案中，所述潮汐屏障可以進一步包括在所述泵和所述球膽的閥之間流體連通的罐。在這種實施方案中，所述泵適配成將用于膨脹所述球膽的體積的一定量的氣體泵送到所述罐中進行儲存。所述罐具有輸出閥，所述輸出閥適配成響應輸入而將所儲存的一定量的氣體釋放到所述球膽中。在另一種實施方案中，所述泵可以包括活塞，所述活塞適配成在其被促動時將空氣(作為所述氣體)壓縮到所述罐中；和漂浮設備，所述漂浮設備設置在所述潮汐屏障所處的水體中。所述漂浮設備連接到所述活塞，以使所述漂浮設備響應水體水位的潮汐變化而促動所述活塞。在另一種實施方案中，所述潮汐屏障可以包括電磁漂浮發(fā)電機，用于為所述泵提供動力。所述電磁漂浮發(fā)電機包括容納導電線圈的內(nèi)腔，所述導電線圈一端電連接到所述泵；漂浮系統(tǒng)，所述漂浮系統(tǒng)具有漂浮在水體表面上的漂浮組件；外腔，所述外腔連接到所述漂浮系統(tǒng)，以使所述漂浮系統(tǒng)讓所述外腔響應所述發(fā)電機所處水體中的波動而上下浮動；和設置在所述外腔的內(nèi)壁上的永磁體。所述外腔包封容納所述線圈的所述內(nèi)腔的至少一部分并相對于這部分運動，以使所述外腔響應水體中的波動而上下浮動時，所述線圈的至少一部分有效地在所述磁體產(chǎn)生的磁場中運動，從而在所述線圈中產(chǎn)生電流，為所述泵提供動力。在另一種實施方案中，所述泵可以連接到設置在所述潮汐屏障所處水體的表面或該表面上的太陽能發(fā)電機或風力輪機，并由所述太陽能發(fā)電機或風力輪機提供動力。在另一種實施方案中，所述潮汐屏障可以包括連續(xù)的混凝土底腳系統(tǒng)，所述混凝土底腳系統(tǒng)沿著海底設置以沿著海底表面錨定并基本上密封所述延展膜的下邊緣。在另一種實施方案中，潮汐屏障進一步包括測量浮筒，所述浮筒可操作地配置成漂浮在水面上，與潮汐屏障的網(wǎng)隔開預定距離，用于監(jiān)控高潮水位。所述測量浮筒包括潮汐高度傳感器，所述傳感器可操作地配置成感知并輸出潮汐水位變化；無線發(fā)射器；和控制器，所述控制器可操作地連接到所述傳感器和所述無線發(fā)射器。所述控制器經(jīng)過編程，以接收來自所述傳感器的潮汐水位變化輸出，判斷所述輸出是否超過預定閾值，并且在超過預定閾值時，經(jīng)由所述無線發(fā)射器發(fā)射警報信號。在這種實施方案中，所述泵包括無線接收器，所述無線接收器可操作地配置成接收來自所述發(fā)射器的警報信號并向所述泵控制器輸出相應的警報信號。響應接收到相應的警報信號，所述泵控制器激活所述泵，以膨脹所述球膽。所述泵還可以包括海洋船只警告系統(tǒng)，并且所述泵控制器激活所述海洋船只警告系統(tǒng)， 以響應從所述無線接收器接收到所述相應的警報信號而指令立即部署所述潮汐屏障。在另一種實施方案中，所述球膽是多個球膽中的一個，每個球膽沿著所述延展膜的上邊緣附連。每個球膽具有各自體積，以便在每個球膽的體積利用氣體膨脹時，共同導致所述膜的所述上邊緣上升到水體表面。在這種實施方案中，所述潮汐屏障進一步包括集流管和存儲罐。所述集流管具有輸入部和多個輸出部。每個集流管輸出部與相應一個球膽流體連通，例如經(jīng)由相應的撓性管路連通。所述罐在所述潮汐屏障的所述泵和所述集流管輸入部之間(例如經(jīng)由撓性管件)流體連通。在這種實施方案中，所述泵適配成將用于膨脹每個球膽的體積的一定量的氣體泵送到所述罐中進行儲存，并且所述罐具有輸出閥，該輸出閥適配成響應輸入而將存儲的一定量的氣體經(jīng)由所述集流管釋放到所述球膽中。在每種實施方案中，所述球膽的所述閥可以具有控制輸入，用于控制所述閥的開度，并且所述泵控制器可以可操作地連接到所述控制輸入，用于打開所述閥，以響應反映水體中潮汐變化威脅已經(jīng)過去的輸入信號而收縮所述球膽。當所述球膽收縮時，所述延展膜的上邊緣的至少一部分下降，以抵靠海底。在審視下面附圖以及詳細描述之后，本領域技術人員將會或者將變得理解本發(fā)明的其他裝置、系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)勢。宗旨是全部這些額外的方法、系統(tǒng)、特征和優(yōu)勢包括在本說明書內(nèi)，本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且受到附帶的權利要求書的保護。
包含在本說明書中并構成本說明書一部分的附圖，圖示了本發(fā)明的實施方案，并連同說明內(nèi)容一起用來解釋本發(fā)明的優(yōu)勢和原理。在附圖中圖IA是符合本發(fā)明的示例潮汐屏障的透視圖，其中示出所述潮汐屏障處于非部署狀態(tài)；圖IB是如圖1所示的潮汐屏障的另一幅透視圖，其中示出圖1所示包括高強度延展膜的潮汐屏障的一部分根據(jù)本發(fā)明而處于非部署狀態(tài)，抵靠在安裝所述潮汐屏障的水體中的海底上；圖2是圖1所示潮汐屏障的側視圖，其中示出所述潮汐屏障處于非部署狀態(tài)；圖3A是圖1所示潮汐屏障的透視圖，其中示出所述潮汐屏障處于部署狀態(tài)；圖IBB是如圖1所示潮汐屏障的另一幅透視圖，其中示出所述潮汐屏障的高強度延展膜根據(jù)本發(fā)明而處于部署狀態(tài)，在海底和水體表面之間延伸；圖4是圖1所示潮汐屏障的側視圖，其中示出所述潮汐屏障處于部署狀態(tài)；圖5是圖1所示潮汐屏障的功能方塊圖，示出了嵌入所述延展膜的球膽根據(jù)本發(fā)明與潮汐屏障的罐和泵流體連通；圖6A是圖5所示潮汐屏障的延展膜的切除部分的放大視圖，示出了符合本發(fā)明的延展膜的一種示例結構和材料構成；圖6B是圖6A所示延展膜部分的截面圖；圖6C描繪了連續(xù)加強混凝土底腳的截面圖，所述混凝土底腳可以沿著海底放置，以便沿著海底表面錨定并基本上密封圖5所示的延展膜的下邊緣；圖6D是球膽系統(tǒng)的一種實施例的方塊圖，所述球膽系統(tǒng)可以根據(jù)本發(fā)明應用或連接到圖5中的延展膜，其中所述球膽系統(tǒng)包括連接到集流管的多個球膽，所述集流管與潮汐屏障的存儲罐流體連通，用于同時膨脹所述球膽；圖7描繪了氣動活塞促動器，所述促動器可以用作潮汐屏障中的泵，以壓縮空氣或其他氣體，用于膨脹延展膜中或連接到延展膜的球膽，以部署所述潮汐屏障；和圖8描繪了電磁漂浮發(fā)電機，所述發(fā)電機可以用作為泵提供電力的設備，所述泵壓縮空氣或其他氣體，用于膨脹延展膜中或連接到延展膜的球膽，以部署所述潮汐屏障。
具體實施例方式現(xiàn)在將根據(jù)與附圖中所示的本發(fā)明相符合的方法、系統(tǒng)和產(chǎn)品，詳細討論實施方案。在下個世紀，洪水的主要威脅并非必然來自于海平面本身升高，而是來自于高潮和暴風雨過程中的極端情形的增多，這將在相對較短的期間對現(xiàn)有的防洪設施造成破壞。 符合本發(fā)明的潮汐響應式屏障可操作地配置成防止極端潮汐事件的峰值，同時保持海洋與內(nèi)陸水道之間的自然潮汐交換。圖1和2描繪了符合本發(fā)明的示例潮汐屏障100，其中潮汐屏障100在圖中示出處于非部署狀態(tài)，此時潮汐屏障抵靠在海底50上。圖3和4描繪了潮汐屏障100處于部署狀態(tài)，此時潮汐屏障100響應潮汐涌浪威脅被觸發(fā)而從海底50升高，用作臨時提壩并且阻止與潮汐涌浪關聯(lián)的水平面升高而越過潮汐屏障100，由此保護海岸線或者沿著海岸線接壤的城市地區(qū)。圖5描繪了用來結合延展膜104部署潮汐屏障網(wǎng)102以保護相應的海岸線和海岸線上的結構免受潮汐變化和涌浪影響的潮汐屏障100的部件的功能方塊圖。雖然圖1 至5描繪了潮汐屏障100有選擇地部署以橫跨暴露于海洋和來自海洋的潮汐變化的內(nèi)陸水道，但是符合本發(fā)明的潮汐屏障100可以沿著其他水道安裝，諸如橫跨河流以保護內(nèi)陸水濱線以及沿著內(nèi)陸水濱線的結構。如圖1至5所示，潮汐屏障100包括具有延展膜104的網(wǎng)102。延展膜104由拉伸強度大于或等于270ksi(1865MPa)的材料構成，以便對來自潮汐變化或者涌浪的作用力提供阻力，文中將進一步詳細解釋。延展膜材料可以是以鋼弦強化的塑料或者再生橡膠、碳纖維、高強度特富龍涂覆的織物(例如，以合成含氟樹脂或者聚四氟乙烯涂覆的織物，以防止粘結)、包括以聚氯乙烯涂覆的聚對苯二甲酸乙二醇酯絲線的織物等等。延展膜利用高強度不銹鋼或者碳纖維纜繩強化。所有的延展膜和強化構件都耐腐蝕。如圖6A和6B中描繪的延展膜104的實施方案所示，延展網(wǎng)膜104可以包括摻雜或交織不銹鋼導線404的再生橡膠或塑料的實體片材或者機織絲線402。在這種實施方案中，高強度不銹鋼纜繩406(比單一不銹鋼導線404具有更大的直徑和拉伸強度)也嵌入再生橡膠或者塑料的實體片材或機織絲線402中，如圖6B所示，以進一步加強延展膜104。不銹鋼導線404和纜繩406可以在延展膜104的橡膠或塑料材料的片材或絲線402中交織成網(wǎng)格圖案，如圖6A所示，其中所述網(wǎng)格圖案延伸延展膜104的寬度和長度(或者延伸到邊緣)。延展膜104具有上邊緣106和下邊緣108。下邊緣108具有多個錨定點IlOA至 110L，用于將下邊緣108附連到水體52下方的海底50。錨固件可以包括被驅(qū)動到海床中的樁基礎、灌漿高強度繩纜地錨、重載混凝土壓載物等等。在如圖2和4所示的潮汐屏障的側視圖中，一部分網(wǎng)102和錨固件110A、110B和IlOC顯示穿過水體52，否則水體將會遮掩潮汐屏障100的這些部件。網(wǎng)102還可以包括在延展膜104的下邊緣108和上邊緣106之間延伸的內(nèi)部纜繩 112(附加于或者對應于嵌入延展膜104中的纜繩406)，以便在如文中所述部署潮汐屏障時，內(nèi)部纜繩112增強延展膜104。在圖6C所示的替代實施方案中，帶有下邊緣108的延展膜104可以利用連續(xù)的增強混凝土底腳系統(tǒng)510連續(xù)錨定到海底。增強混凝土底腳系統(tǒng)510包括增強混凝土底腳 512，該底腳沿著海底50形成連續(xù)線條(在圖5中為513)，其中線條513限定延展膜104的下邊緣的位置。增強混凝土底腳系統(tǒng)510進一步包括多個嵌入底腳512內(nèi)的耐腐蝕球窩接頭514，每個接頭514的每個球窩515限定底腳512中的開口 516的相應部分，并且所述開口沿著底腳512的長度共同形成通道或者連續(xù)開口 516。保留在相應接頭514的球窩515 中的球頭517附連到延展膜104內(nèi)的一條或多條內(nèi)部纜繩112的下端，以便延展膜的下邊緣108設置在底腳512內(nèi)的通道或連續(xù)開口 516中，使得延展膜104的下邊緣108基本上密封到底腳512，從而阻止水經(jīng)過延展膜104的下邊緣108下方。球窩接頭514與連續(xù)通道或開口 516協(xié)作，允許內(nèi)部纜繩112和延展膜104發(fā)生多方向運動。抗剪短桿518可以附連到每個球窩515，以進一步增強包括底腳512的混凝土材料中的球窩515(以及相應球窩接頭514)的錨定效果。樁基礎519可以用于支撐連續(xù)的增強混凝土底腳512并將其錨定到海底50。如圖2、3A、;3B、4、5和6D所示，網(wǎng)102進一步包括附連到延展膜104的上邊緣106 的球膽114。在圖IB中，潮汐屏障100處于非部署狀態(tài)，此時上邊緣106和收縮的球膽114 被抵靠在海底50上的延展膜104擋住而看不到。球膽可以由橡膠、聚乙烯或者其他材料構成，以便可以膨脹以保持預定體積的空氣或者氣體。球膽114具有閥(在圖5和6D中為 502)，用于有選擇地膨脹和收縮球膽114。球膽114具有足夠大的體積，以使在球膽114的體積利用空氣或者其他氣體膨脹時，所述膜的上邊緣106升高到水體52的表面M。為了部署延展膜104，潮汐屏障100可以包括設置在延展膜104附近并與球膽114 的閥502流體連通的泵116(如圖5所示)，以使泵116可以直接地或者通過存儲罐118間接地膨脹或者收縮球膽114。泵116可以具有控制器120，該控制器可操作地配置成促動泵 116內(nèi)的活塞122，以壓縮空氣或者其他氣體，以便膨脹球膽114。所述泵還可以包括設置在水體52中并連接到活塞122的漂浮設備504，以使漂浮設備504響應水體水位的每日潮汐變化而致動活塞122。如圖5所示，測量浮筒530可以放置在海中并錨定以便保持漂浮在海洋中的預定區(qū)域，從而監(jiān)控高潮汐水位。測量浮筒530可以包括潮汐高度氣壓計或者傳感器532，該傳感器可操作地配置成感知并輸出海拔高度或者潮汐水位變化。測量浮筒530可以進一步包括無線發(fā)射器534和可操作地連接到傳感器532以及無線發(fā)射器534的控制器536。控制器536利用軟件(例如，運行存儲在控制器的存儲設備中的程序的CPU)或者硬件邏輯電路 (例如，通過商業(yè)上可以獲得的專用電路(ASIC)設備或者可編程邏輯電路(PAL))編程，以便(1)接收傳感器532輸出的海拔或者潮汐水位變化；(2)確定所述輸出是否超過預定閾值；和C3)在超過所述預定閾值時，經(jīng)由無線發(fā)射器534發(fā)射警報信號538。在這種實施方案中，泵116包括無線接收器539，該無線接收器可操作地配置成接收來自發(fā)射器532的警報信號538并向泵控制器120輸出相應的警報信號。響應接收到所述相應的警報信號，泵控制器120致動泵116以部署潮汐屏障100并致動海洋船只警告系統(tǒng)M0，以指令立即部署潮汐屏障100。球膽114的閥502可以具有用于控制閥502的開啟的控制輸入506。泵控制器120 可以可操作地連接到控制輸入506以打開閥502，從而響應反映水體中潮汐變化的威脅已經(jīng)過去的輸入信號而收縮球膽114。當球膽收縮時，延展膜104的上邊緣106的至少一部分下降到抵靠海底50，如圖1和2所示。當存儲罐118用在潮汐屏障100中時，罐118設置成讓罐118在泵116和球膽114 的閥502之間流體連通，如圖5所示。在這種實施方案中，泵116適配成將用于膨脹球膽 114的一定量的空氣或者其他氣體泵送到罐118中用于存儲。所述罐具有輸出閥119，該輸出閥適配成響應來自泵控制器120或者手動杠桿(圖中未示出)的輸入，將罐118內(nèi)存儲的所述一定量的氣體釋放到球膽114中，以便比泵116泵送空氣更快地填充球膽114的體積。例如，存儲的壓縮空氣的量能將球膽114填充至其最大體積的罐118可以具有閥119， 在該閥打開時，罐中的全部壓縮空氣幾乎立刻填充球膽114，并且延展膜104的上邊緣106 此后快速升高到水體52的表面54(例如，在小于10分鐘內(nèi))。因此，符合本發(fā)明的潮汐屏障100適配成響應潮汐變化的威脅或者水體52內(nèi)的涌浪而快速地部署。在一種實施方案中，球膽114沿著延展膜104的上邊緣嵌入。在如圖5所示的這種實施方案中，延展膜104在球膽114的閥502和罐118或者用于膨脹或收縮球膽114的泵116之間限定氣體通道或者撓性管路508。如附圖所示，球膽114可以是多個球膽114其中之一，每一個球膽沿著延展膜104 的上邊緣106附連。每個球膽114可以具有經(jīng)由通道508或者撓性管路串聯(lián)連接到泵116 或罐118的相應閥502。每個球膽114具有各自的體積，以便在每個球膽114的體積利用空氣或者其他氣體經(jīng)由泵116和/或罐118膨脹時，共同使得延展膜104的上邊緣106升高到水體52的表面M。在這種實施方案中，泵控制器120可操作地配置成促動泵活塞122 來利用空氣或者其他氣體膨脹或收縮每個球膽114。在如圖6D所示的替代實施方案中，每個球膽114的閥502可以經(jīng)由單獨的通道或撓性管路508連接成與泵116和/或罐118并行地流體連通。在這種實施方案中，每個球膽114較之串聯(lián)連接到泵116和/或罐118的情況，可以更快地膨脹和收縮。在圖6D所示的實施方案中，在潮汐屏障110中采用了集流管550以通過向共同構成球膽系統(tǒng)552的單個球膽114有效地部署空氣或者其他氣體而提高潮汐屏障100的延展膜104的部署速度。 集流管550利用單一撓性管件508連接到存儲罐118，使得空氣或者其他氣體能借助連接到每個球膽114的單獨撓性管路508a-508c直接分布到球膽114中。在這種實施方案中，存儲在存儲罐118中的空氣或者其他氣體可以經(jīng)由集流管550有效地同時分布到球膽114，以膨脹球膽114并隨后部署延展膜104。泵116可以電連接到可更新能源并由其提供動力，可更新能源諸如太陽能發(fā)電機 520、風力輪機522等。這種可更新能源可以設置在潮汐屏障所處的水體的表面處或表面上方。圖7描繪了示例氣動活塞促動器602，該氣動活塞促動器可以用作潮汐屏障100中的泵116，以壓縮空氣或者其他氣體，用于膨脹延展膜104中或者連接于其上的球膽114，從而部署所述潮汐屏障。促動器602由連接到漂浮系統(tǒng)606的氣動活塞604構成，該漂浮系統(tǒng)響應促動器602所處位置的水體52中的波動而上下起伏。漂浮系統(tǒng)606包括漂浮在水體52表面上的漂浮組件618 ；和耐腐蝕鋼結構614，所述鋼結構將永久漂浮組件616直接連接到用來壓縮空氣或者其他氣體的氣動活塞604。靜止的耐腐蝕鋼制缸體610用在促動器 602中，以容納活塞604的頭部605并將經(jīng)由漂浮組件618而來自活塞604的促動的壓縮空氣或者其他氣體包含在缸體內(nèi)部611中。缸體610經(jīng)由永久基礎系統(tǒng)612錨定在海底，該永久基礎系統(tǒng)可以包括基礎樁等。閥616將缸體610的內(nèi)部611連接到管件608，管件608 連接用于潮汐屏障100中的存儲罐118，用于將壓縮空氣或者氣體分散到球膽114中，正如文中進一步描述。如圖7所示，漂浮組件618可以包圍或者設置在缸體610的一側，并且連接到延伸出缸體610的一端的活塞604的桿部620。在這種實施方案中，當水體52中發(fā)生波動時，漂浮組件618致動缸體610內(nèi)的活塞604，以壓縮空氣或者其他氣體(可能經(jīng)由軸所延伸的缸體中的入口從周圍大氣中引入到缸體內(nèi))，以使壓縮空氣或者氣體通過閥616 和管件608排放到存儲罐118中。圖8描繪了示例的電磁漂浮發(fā)電機800，該發(fā)電機可用來向潮汐屏障100中的泵 116提供電力，以壓縮空氣或者其他氣體，用于膨脹延展膜104中或者與其相連的球膽114。 雖然電磁漂浮發(fā)電機800描述為為泵116產(chǎn)生電力，但是發(fā)電機800可以用來向潮汐屏障 100的其他電氣部件或者其他設備提供電力。電磁漂浮發(fā)電機800包括內(nèi)腔802，該內(nèi)腔由耐腐蝕材料(諸如不銹鋼)構成，并容納由金屬或合金(諸如銅或鋼)構成的導電線圈803。 纜繩或?qū)Ь€804將線圈803電連接到供電件或者泵116的輸入部(在圖8中未示出)。內(nèi)腔802的一端805經(jīng)由混凝土樁錨定到海底50，或者連接到用于發(fā)電機800的殼體結構，正如以下進一步詳細解釋。 電磁漂浮發(fā)電機800進一步包括漂浮系統(tǒng)806和外腔808，該外腔連接到漂浮系統(tǒng) 806，使得漂浮系統(tǒng)806導致外腔808響應發(fā)電機800所處位置的水體52中的波動而上下浮動。外腔808由鋼或者其他耐腐蝕材料構成。漂浮系統(tǒng)806包括漂浮在水體52的表面 54上的漂浮組件810 ；和由耐腐蝕材料構成的結構812，該結構812將漂浮組件810直接連接到外腔808。漂浮組件810可以包圍外腔803的一側或者設置在該側上。如圖8所示，一個或者多個永磁體814設置在外腔808的一個或者多個內(nèi)壁816 上。外腔808包封或者封閉容納線圈803的內(nèi)腔802的至少一部分并相對于該部分運動， 以使磁體814相對于線圈803周期性地定位。雖然線圈803因內(nèi)腔802錨定在海底而實際上靜止，但是隨著外腔808 (以及磁場)響應水體52中的波動而上下浮動，線圈803至少一部分在由磁體814產(chǎn)生的磁場內(nèi)有效運動或者進出該磁場。線圈803在該磁場內(nèi)的運動或者進出該磁場的運動，在線圈803內(nèi)產(chǎn)生相應的A/ C電流，該電流流出線纜804，提供電力為泵供電。雖然在圖8中示出了纜繩804連接到線圈804的一端，但是纜繩804中的一條導線可以連接到線圈804的一端而纜繩804中的另一條導線可以連接到線圈804的另一端，使得纜繩804中連接到線圈804的端部的這兩條導線可以電連接泵116的供電件或者電力輸入部，以完成A/C電源電路。在一種實施方案中，電磁漂浮發(fā)電機800包括由不銹鋼或者其他耐腐蝕材料構成的殼體818。殼體818包封內(nèi)腔802、外腔808和漂浮系統(tǒng)806。殼體818的一端820經(jīng)由永久基礎系統(tǒng)822錨定到海底50，該永久基礎系統(tǒng)822由鋼罩殼8 構成，鋼罩殼8 嵌入海底50，混凝土擬6填充罩殼824以便進一步將罩殼824以及發(fā)電機800錨定到海底50。 在這種實施方案中，內(nèi)腔802的一端805附連到殼體818或者罩殼822。殼體818利用一個或多個開口 8 穿孔，允許水流入該殼體，使得殼體內(nèi)的水50的水位隨著波動而變化，導致漂浮系統(tǒng)806以及外腔808連同磁體814沿著內(nèi)腔802的中軸線830上下運動，這種運動由圖8中的方向箭頭832所表示。殼體818可以包含用于潮汐屏障100的更大的塔臺端錨定件124A和1MB，或者成為該錨定件的一部分。多個電磁漂浮發(fā)電機800和鋼基礎罩殼822 可以用于每個塔臺124A和124B。每個殼體818和用于錨定殼體818的基礎罩殼822由鋼或者其他厚度足夠大的高強度材料構造而成，使得電磁漂浮發(fā)電機800適配成耐受因發(fā)電機800放置在淺水區(qū)域52而產(chǎn)生的橫向波動和作用力。返回到圖1至5，潮汐屏障100還可以包括多個塔臺124A-1MB，每個塔臺相對于海底50錨定，并且在水體52如圖2所示處于預定深度(d)時，在水體52的表面M上方延伸預定高度(h)。例如，預定高度(h)可以根據(jù)水體52的歷史平均深度推算，并且預定高度 (h)可以基于先前或預測的潮汐變化或涌浪根據(jù)水體52深度平均增量而推算。在圖1至5所示的實施方案中，采用兩個塔臺124A和1MB，并且它們設置在水邊或海岸線附近的水體52的相對側部。在這種實施方案中，網(wǎng)102包括附連到延展膜104的上邊緣并且延伸上邊緣106的長度的頂部纜繩1 (如圖3-4最佳顯示)。頂部纜繩1 具有連接到或者錨定到一個塔臺124A的一端128，和連接到或者錨定到另一個塔臺125B的另一端130，使得在球膽114(或者多個球膽)的體積膨脹并且膜104的上邊緣相應地升高到水體52的表面M時，延展膜104的上邊緣106從一個塔臺124A向另一個塔臺124B以水體 52流動限定的弧線(例如與潮汐變化或涌浪相關)延伸，如圖3和4所示。當如文中所述部署潮汐屏障，并且網(wǎng)102的一側132的水體水平隨著潮汐流如圖3至4所示那樣升高時， 延展膜104的上邊緣106相應地升高，導致延展膜在潮汐流的方向(由圖4中的附圖標記箭頭136所反映)上形成懸鏈弧，使得水位升高被阻止越過網(wǎng)的一側132到達另一側134。 在潮汐變化或者涌浪導致水位深度(d)升高超過塔臺124A和124B的預定高度(h)而導致峰值的情況下，潮汐屏障100的展開的延展膜104仍舊會“削掉”在網(wǎng)102的另一側134進入內(nèi)陸水道的該峰值。延展膜104上的主要作用力來自網(wǎng)102和延展膜104的部署過程中的拖曳以及接收潮汐變化或涌浪的網(wǎng)102的一側132(例如，海洋側)和與內(nèi)陸水道中的水體關聯(lián)的另一側134之間由于水位差(如圖4最清楚地示出)而導致的靜水失衡，其中潮汐屏障100保護內(nèi)陸水道的水岸免受潮汐變化或涌浪影響。產(chǎn)生的懸鏈弧(見圖3至幻是對所施加的這些作用力的直接反應。網(wǎng)102以及延展膜104的曲率從網(wǎng)102處接收到潮汐變化或者涌浪時內(nèi)陸水道入口的深度⑷以及塔臺124A和124B的位置來推算。可能需要清淤來實現(xiàn)網(wǎng)102和延展膜104的優(yōu)化懸垂性，用于抵抗潮汐變化或涌浪，以網(wǎng)102和延展膜104所需的最少結構材料對負載產(chǎn)生最大的阻力。因此，在傳感器(圖中未示出)指示威脅級別的潮汐涌浪接近時，潮汐屏障100可以部署，以便一個或多個球膽114(經(jīng)由泵116或罐118)膨脹，延展膜104的上邊緣106隨后升高到水體52的表面54，并且延展膜104從水邊(例如，塔臺124A和124B之間)以懸鏈弧牽拉到海底52。當潮汐變化或涌浪消退并且不再需要潮汐屏障100時，(例如，經(jīng)由泵控制器120)將球膽114收縮，并且延展膜104(或者至少其中間部分)下沉并抵靠在海底 50。 雖然描述了本發(fā)明的各種實施例，但是本領域技術人員應該理解，更多可行的實施例和實施方案也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，除了依據(jù)附帶的權利要求書及其等同文本之外，本發(fā)明并不受到限制。
權利要求
1.一種潮汐屏障，包括具有延展膜的網(wǎng)，所述延展膜具有上邊緣和下邊緣，所述下邊緣具有多個錨定點，用于將所述下邊緣附連到水體下的海底；附連到所述上邊緣的球膽，并且所述球膽具有有選擇地膨脹和收縮所述球膽的閥，所述球膽具有足夠大的體積，以便在以氣體膨脹該體積時，所述膜的所述上邊緣升高到水體的表面；和設置在所述延展膜附近的泵，該泵與所述球膽的閥流體連通，所述泵具有控制器，用于有選擇地促動所述泵以氣體膨脹和收縮所述球膽。
2.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，所述延展膜包括拉伸強度大于或等于 270ksi (1865MPa)的材料。
3.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，所述延展膜包括以下述形成的材料鋼纜加強的橡膠、鋼纜加強的塑料、碳纖維、或者包括以聚氯乙烯涂覆的聚對苯二甲酸乙二醇酯絲線的織物。
4.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，所述網(wǎng)進一步包括多條內(nèi)部纜繩，所述內(nèi)部纜繩在所述延展膜的下邊緣和上邊緣之間延伸，以便在所述球膽的體積膨脹并且所述膜的上邊緣相應地升高到水體表面時，所述內(nèi)部纜繩加強所述延展膜的拉伸強度。
5.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，所述球膽沿著所述上邊緣嵌入所述延展膜。
6.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，所述延展膜在所述球膽的所述閥與所述泵之間限定一氣體通道。
7.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，所述球膽是多個球膽中的一個，每個球膽沿著所述延展膜的上邊緣附連并且具有用于有選擇地膨脹和收縮各個球膽的閥，每個球膽具有各自的體積，以便在每個球膽的體積借助氣體膨脹時，共同使得所述膜的所述上邊緣升高到水體的表面。
8.如權利要求7所述的潮汐屏障，其特征在于，所述泵與每個球膽的所述閥流體連通， 所述泵具有用于有選擇地促動所述泵而借助氣體膨脹和收縮每個球膽的控制器。
9.如權利要求1所述的潮汐屏障，進一步包括多個塔臺，每個塔臺相對于海底錨定并且在水體處于預定深度時，在水體表面上方延伸預定的高度，所述網(wǎng)進一步包括附連到所述延展膜的上邊緣并沿著所述延展膜的上邊緣長度延伸的頂部纜繩，所述頂部纜繩一端連接到一個塔臺而另一端連接到另一個塔臺，以使在所述球膽的體積膨脹并且所述膜的上邊緣相應升高到水體表面時，所述延展膜的上邊緣以由水體流動限定的弧線從一個塔臺延伸到另一個塔臺。
10.如權利要求9所述的潮汐屏障，其特征在于，當所述網(wǎng)一側水體的水位隨著水流升高時，所述延展膜的上邊緣相應地升高，導致所述延展膜在水流方向上形成懸鏈弧，以使水位升高受到限制而不能越過所述網(wǎng)的一側。
11.如權利要求1所述的潮汐屏障，進一步包括在所述泵和所述球膽的閥之間流體連通的罐，所述泵適配成將用于膨脹所述球膽的體積的一定量的氣體泵送到所述罐中進行儲存，所述罐具有輸出閥，所述輸出閥適配成響應輸入而將所儲存的一定量的氣體釋放到所述球膽中。
12.如權利要求11所述的潮汐屏障，其特征在于，所述泵包括活塞，所述活塞適配成在其被促動時將作為氣體的空氣壓縮到所述罐中；和漂浮設備，所述漂浮設備設置在所述水體中并連接到所述活塞，以使所述漂浮設備響應水體水位的潮汐變化而促動所述活塞。
13.如權利要求11所述的潮汐屏障，其特征在于，所述球膽的所述閥具有控制輸入，用于控制所述閥的開啟，并且所述泵控制器可操作地連接到所述控制輸入，以響應反映所述水體中的潮汐變化威脅已經(jīng)過去的輸入信號而打開所述閥以收縮所述球膽。
14.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，在所述球膽收縮時，所述延展膜的所述上邊緣的至少一部分下降到抵靠在海底上。
15.如權利要求1所述的潮汐屏障，其特征在于，所述球膽是多個球膽中的一個，每個球膽沿著所述延展膜的上邊緣附連，每個球膽具有各自體積，以便在每個球膽的體積利用氣體膨脹時，共同導致所述膜的所述上邊緣上升到水體表面，并且所述潮汐屏障進一步包括集流管，所述集流管具有輸入部和多個輸出部，每個集流管輸出部與相應一個球膽流體連通；在所述泵和所述集流管輸入部之間流體連通的罐，其中所述泵適配成將用于膨脹每個球膽的體積的一定量的氣體泵送到所述罐中進行儲存，并且所述罐具有輸出閥，該輸出閥適配成響應于輸入而將存儲的一定量的氣體經(jīng)由所述集流管釋放到所述球膽中。
16.如權利要求1所述的潮汐屏障，進一步包括測量浮筒，所述浮筒可操作地配置成漂浮在水面上，與所述潮汐屏障的網(wǎng)隔開預定距離，所述測量浮筒包括潮汐高度傳感器，所述傳感器可操作地配置成感知并輸出潮汐水位變化；無線發(fā)射器；和控制器，所述控制器可操作地連接到所述傳感器和所述無線發(fā)射器，所述控制器經(jīng)過編程，以接收來自所述傳感器的潮汐水位變化輸出，判斷所述輸出是否超過預定閾值，并且在超過預定閾值時，經(jīng)由所述無線發(fā)射器發(fā)射警報信號。
17.如權利要求15所述的潮汐屏障，其特征在于，所述泵包括無線接收器，所述無線接收器可操作地配置成接收來自所述發(fā)射器的警報信號并向所述泵控制器輸出相應的警報信號，并且響應接收到所述相應的警報信號，所述泵控制器致動所述泵以膨脹所述球膽。
18.如權利要求1所述的潮汐屏障，進一步包括連續(xù)的混凝土底腳系統(tǒng)，所述混凝土底腳系統(tǒng)沿著海底設置，所述底腳系統(tǒng)沿著海底錨定并基本上密封所述延展膜的下邊緣。
19.如權利要求18所述的潮汐屏障，其特征在于，所述網(wǎng)進一步包括多條內(nèi)部纜繩，所述內(nèi)部纜繩在所述延展膜的下邊緣和上邊緣之間延伸，以便在所述球膽的體積膨脹并且所述膜的上邊緣相應地升高到水體表面時，所述內(nèi)部纜繩加強所述延展膜的拉伸強度；所述混凝土底腳系統(tǒng)包括沿著海底形成的混凝土底腳和嵌入所述底腳中的多個球窩接頭；每個接頭的球窩限定所述底腳中的連續(xù)開口的相應部分，并且所述連續(xù)開口沿著所述底腳的長度延伸；保持在每個接頭的球窩中的球頭附連到相應一條內(nèi)部纜繩的下端，以使所述延展膜的所述下邊緣設置在所述底腳中的所述連續(xù)開口中。
20.如權利要求1所述的潮汐屏障，進一步包括電連接到所述泵而為所述泵提供動力的太陽能發(fā)電機和風力輪機其中之一。
21.如權利要求1所述的潮汐屏障，進一步包括電磁漂浮發(fā)電機，用于為所述泵提供動力，所述電磁漂浮發(fā)電機包括容納導電線圈的內(nèi)腔，所述導電線圈一端電連接到所述泵，所述內(nèi)腔一端錨定到海底；漂浮系統(tǒng)，所述漂浮系統(tǒng)具有漂浮在水體表面上的漂浮組件；外腔，所述外腔連接到所述漂浮系統(tǒng)，以使所述漂浮系統(tǒng)讓所述外腔響應所述發(fā)電機所處水體中的波動而上下浮動；和設置在所述外腔的內(nèi)壁上的永磁體；其中所述外腔包封容納所述線圈的所述內(nèi)腔的至少一部分并相對于這部分運動，以使當所述外腔響應水體中的波動而上下浮動時，所述線圈的至少一部分有效地在由所述磁體產(chǎn)生的磁場中運動，從而在所述線圈中產(chǎn)生電流。
22.如權利要求21所述的潮汐屏障，進一步包括包封所述內(nèi)腔、所述外腔和所述漂浮系統(tǒng)的殼體，所述殼體一端錨定在海底，所述殼體穿孔以具有一個或多個允許水流入所述殼體的開口，以便所述殼體內(nèi)的水體高度隨著波動變化，導致所述漂浮系統(tǒng)和所述外腔隨著所述磁體沿著所述內(nèi)腔的中軸線上下運動。
23.一種潮汐屏障，包括具有延展膜的網(wǎng)，所述延展膜具有上邊緣和下邊緣，所述下邊緣具有多個錨定點，用于將所述下邊緣附連到水體下的海底；附連到所述上邊緣的球膽，并且所述球膽具有有選擇地膨脹和收縮所述球膽的閥，所述球膽具有足夠大的體積，以便在以氣體膨脹該體積時，所述膜的所述上邊緣升高到水體的表面；設置在所述延展膜附近的泵，該泵與所述球膽的閥流體連通；和在所述泵和所述球膽的閥之間流體連通的罐，所述泵適配成將用于膨脹所述球膽的體積的一定量的氣體泵送到所述罐中進行儲存，所述罐具有輸出閥，所述輸出閥適配成響應輸入而將所儲存的一定量的氣體釋放到所述球膽中。
24.一種泵，所述泵用于膨脹設置在容易發(fā)生潮汐變化的水體中的球膽，所述泵包括活塞；設置在所述水體中并連接到所述活塞的漂浮系統(tǒng)，以使所述漂浮系統(tǒng)響應所述水體中的潮汐變化而致動所述活塞。
25.如權利要求M所述的泵，進一步包括缸體，所述缸體容納所述活塞的頭部并且保持經(jīng)由所述漂浮系統(tǒng)從所述活塞的促動而來的壓縮空氣，所述缸體具有用于向所述球膽分配所述壓縮空氣的閥，其中所述漂浮系統(tǒng)包括漂浮在水面上的漂浮組件，和將所述漂浮組件直接連接到所述活塞的結構。
26.一種用于為泵提供動力以膨脹球膽的電磁漂浮發(fā)電機，所述發(fā)電機包括容納導電線圈的內(nèi)腔，所述導電線圈一端電連接到所述泵，所述內(nèi)腔一端錨定到水體下的海底；漂浮系統(tǒng)，所述漂浮系統(tǒng)具有漂浮在水體表面上的漂浮組件；外腔，所述外腔連接到所述漂浮系統(tǒng)，以使所述漂浮系統(tǒng)讓所述外腔響應所述發(fā)電機所處水體中的波動而上下浮動；和設置在所述外腔的內(nèi)壁上的永磁體，其中所述外腔包封容納所述線圈的所述內(nèi)腔的至少一部分并相對于這部分運動，以使當所述外腔響應水體中的波動而上下浮動時，所述線圈的至少一部分有效地在由所述磁體產(chǎn)生的磁場中運動，從而在所述線圈中產(chǎn)生電流。
27.如權利要求沈所述的電磁漂浮發(fā)電機，進一步包括包封所述內(nèi)腔、所述外腔和所述漂浮系統(tǒng)的殼體，所述殼體一端錨定在海底，所述殼體穿孔以具有一個或多個允許水流入所述殼體的開口，以便所述殼體內(nèi)的水體高度隨著波動變化，導致所述漂浮系統(tǒng)和所述外腔隨著所述磁體沿著所述內(nèi)腔的中軸線上下運動。
全文摘要
提供了一種潮汐屏障，所述潮汐屏障可以響應潮汐變化有選擇地部署。所述潮汐屏障包括具有延展膜的網(wǎng)，所述延展膜具有上邊緣和下邊緣。所述下邊緣具有多個錨定點，用于將下邊緣附連到水體下的海底。所述潮汐屏障還包括附連到上邊緣的球膽，并且所述球膽具有有選擇地膨脹和收縮球膽的閥。所述球膽具有足夠大的體積，以便在以氣體膨脹該體積時，所述膜的上邊緣升高到水體的表面。泵設置在所述延展膜附近，該泵與所述球膽的閥流體連通。所述泵具有控制器，用于有選擇地促動所述泵以氣體膨脹和收縮所述球膽。
文檔編號E02B3/04GK102472027SQ201080035980
公開日2012年5月23日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權日2009年8月14日
發(fā)明者克雷格·W·哈特曼, 馬克·P·薩爾基西安 申請人:Som設計事務所