海浪能量提取的改進的制作方法

專利名稱：海浪能量提取的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及可持續的能量產生。更具體地，本發明涉及海浪能量提取的改進，并且涉及海浪能量提取的系統和方法。
背景技術：
在整個本說明書中對現有技術的任何討論決不能被認為是這些現有技術是公知的或形成本領域公知常識的一部分。對環境的關注和對傳統可燃碳氫化合物燃料源的有限資源的意識已經導致了對可持續的非污染能源的研究，例如，波浪、風、潮汐、地熱和太陽能。已經提出來多種不同類型的波浪發電系統。一種系統所采用的基本原理是利用波浪運動中固有的豎直運動來實現渦輪的旋轉運動，以直接或間接驅動發電機進行發電。在這樣的系統中，波浪的振蕩運動引起的氣流狀況會經常逆轉。多種特別構造的單向渦輪已經被設計成使得渦輪能響應這樣的逆轉氣流狀況而連續操作。然而，由于當波浪的振蕩運動轉換為旋轉的機械能量時系統中的損失，所以這些現有系統中的許多(即使不是全部)都以較低的效率操作。此外，許多現有波浪發電系統極大地依賴于主流海浪的行進方向。此外，許多已有的波浪發電系統錨泊成不變地面對一個方向并且由此由于自然潮汐變化所導致的波浪方向變化而長期低于最佳效率操作。利用波浪的豎直運動來實現渦輪的旋轉運動而接著驅動發電機發電的基本原理進行操作的許多已知波浪發電系統的另一個缺陷在于，這些系統通常依賴于重力感應共振放大原理以確保操作效率，從而獲得期望的電力輸出水平。在這樣的系統中，需要將水的振蕩運動轉換至氣流。也就是，許多當前已知的系統通常需要液壓至氣動的轉換過程，從而進一步降低了整個能量轉換過程的效率。此外，許多已知的波浪發電系統必須構建成承受住其所受到的來自海浪的大而不可預知的力。為了確保系統在其壽命期間的可持續性，在系統中需要構建一定程度的冗余度。例如，海洋發電系統通常需要承受住與“百年一遇的風暴”的大浪相關的力。在這些極端情況下力的大小是大多數風暴中產生的力的許多倍，因此，當制造、安裝和維護系統時必然產生極大的額外成本。已經發現，這些額外的成本通常非常高，從而其可能使得系統無法商業生存。構建成承受住最大極限力的系統的尺寸必然較大，因此降低了這些系統的視覺吸引力。諸如海浪能量提取系統的可持續能量系統的視覺吸引力或美觀性是重要的因素，不僅用于減小對周圍環境的視覺沖擊，而且用于獲得產生能量的這些可替代手段的公眾接受性。本發明的目的是克服或改進現有技術的一個或多個缺陷，或者至少提供有用的替代方案。

發明內容
根據本發明的第一個方面，提供一種海浪能量提取系統，其包括至少一個管道，其用于接收振蕩水柱，管道具有第一段、第二段和在所述第一段和第二段之間的流動控制段，第二段與第一段成橫向地布置，流動控制段被構造成抑制在管道中流動的振蕩水柱的湍流；渦輪，其與管道的第二段流體連通，使得渦輪被來自第二段的流體流驅動，流體流是通過管道內的振蕩水柱的振蕩而產生的；以及發電機，其被構造成由渦輪驅動旋轉，以產生電能。優選地，流動控制段是彎曲的段。流動控制段優選地具有不變的曲率半徑。然而， 在某些實施例中，曲率半徑可以是變化的。在其它的實施例中，流動控制段可以包括傾斜部分或者以其它的方式構造成使得振蕩水柱產生平穩且逐步的方向改變，由此抑制管道內湍流的程度。管道優選地位于諸如海洋的水體中，由此水柱響應經過管道的波浪的上升和下降進行振蕩。流體流優選地是雙向的。優選地，與流體流相關的流體是氣體和液體中的一種。在某些實施例中，流體是空氣。在這些實施例中，渦輪優選地但非必須地位于管道所處的水體的平均水平面之上。在其它實施例中，流體是水。在這些實施例中，渦輪可以是例如水力渦輪，其優選地但非必須地浸在水體的平均水平面之下。因此，應當理解，渦輪可以被與振蕩水柱相關的流體流直接地或間接地驅動。管道的第一段、第二段和流動控制段可以一體地形成為整體單元。優選地，管道為 L形管。管道優選地構造成使得在使用時第一段布置成基本上水平的定向，且第二段布置成基本上豎直的定向。在某些優選實施例中，管道的第一段的長度大于管道的第二段的長度。在其它的優選形式中，第二段的長度大于第一段的長度。在進一步的優選實施例中，第一段和第二段
的長度基本上相等。管道的第一段的長度優選地由公式Z = f確定，其中L為用米表示的
4
第一段的長度，并且T為用秒表示的海浪的周期。在一個優選的形式中，第一段的長度為大約25m。優選地，管道的第一段的長度是可變的，以將管道調整為適合于海浪的周期。在多種實施例中，管道的第一段具有用于改變第一段的長度的伸縮構造。第一段的伸縮構造可包括多個部分，例如管，該管布置成便于管的相對滑動。每對伸縮段都可以具有鎖定器件， 以將管道相對于彼此鎖定，從而設定管道的第一段的期望長度。在其它優選的形式中，第二段的長度可以類似地進行調節。優選地，管道具有不變的內截面區域。內截面區域優選地為圓形。在其它實施例中，內截面區域可以是方形或矩形。應當理解，管道的內截面區域可以是任何合適的形狀， 包括不規則形狀，并且沿著管道或段的長度其大小和形狀可以變化。在一個優選形式中，內截面區域的直徑為大約10m。優選地，渦輪響應雙向流體流而單向地操作。渦輪可以是空氣驅動的渦輪或者是水驅動的渦輪。海浪能量提取系統可以包括用于將管道錨泊在期望位置的錨泊系統。錨泊系統優選是固定錨泊系統、漂浮錨泊系統、張緊錨泊系統和松弛錨泊系統中的一種。海浪能量提取系統可以包括便于管道或每個管道漂浮的浮力元件。優選地，浮力元件側向地安裝到管道上。浮力元件可以側向地安裝到管道或每個管道的一側或兩側。更優選地，浮力元件可以側向地安裝到管道的第二段的一側或兩側上。海浪能量提取系統可以包括多個管道，每個管道都被構造成接收相關的振蕩水柱。多個管道中的每個管道都可以布置成相對于主流海浪面向相同的方向。或者，多個管道中的每個管道都可以布置成相對于彼此且由此相對于主流海浪面向不同的方向。海浪能量提取系統可以包括兩個彼此成180度布置的管道，使得一個管道面對主流海浪，另一個管道面離海浪。多個管道可以沿著公共軸線布置。或者，多個管道可以圍繞公共軸線布置。 優選地，多個管道布置成形成線性陣列和環形陣列中的一個。在某些優選實施例中，多個管道包括管道組，由此兩個或更多個組布置成形成管道陣列。在某些實施例中，每個管道組都具有相同的結構。在其它優選形式中，至少一個管道組具有與其它管道組中的一個或多個不同的結構。優選地，每個管道組中的管道沿著公共軸線或者圍繞公共軸線布置。在一個特別優選的形式中，每個管道都相對于與管道布置所沿著的或圍繞的公共軸線成橫向地延伸的軸線旋轉。例如，每個管道都可以以與公共軸線成例如大約15度的角度“ α ”旋轉。當然應當理解，角度“ α ”并不限于任何特定的角度并且可以選擇成適合于系統待安裝的位置的特定波浪氣候。在某些實施例中，第一管道組旋轉成與公共軸線成第一角度延伸，并且第二管道組旋轉成與公共軸線成第二角度延伸。在一個優選的形式中，第一管道組旋轉成以與公共軸線成大約15度的角度延伸，并且第二管道組旋轉成以與公共軸線成大約負15度的角度延伸。海浪能量提取系統優選地構造成使得每個管道的開口端(或進口)在使用時基本上處于系統所處水體的平均水平面之下相同的深度處。優選地，單獨的渦輪安裝至多個管道中的每個管道，使得每個渦輪被相關管道的振蕩水柱獨立地驅動。根據本發明的第二個方面，提供一種用于海浪能量提取系統的波浪幅度擴大裝置，波浪幅度擴大裝置包括多個管道，其用于擴大海浪的幅度，多個管道圍繞公共軸線布置，每個管道都從公共軸線橫向地延伸并且被構造成接收振蕩水柱，使得每個水柱的振蕩都產生用于驅動渦輪的對應流體流。由水柱產生的每個流體流都可以是液體流，例如水流，或者可以是氣體流，例如空氣流。每個流體流都優選地為雙向的。在一個優選的形式中，波浪幅度擴大裝置具有兩個圍繞公共軸線布置的管道，使得海浪能量提取系統的效率在很大程度上不依賴于海浪的行進方向。在另一個特別優選的形式中，波浪幅度擴大裝置具有三個圍繞公共軸線布置的管道，使得海浪能量提取系統的效率在很大程度上不依賴于海浪的行進方向。優選地，三個管道圍繞公共軸線彼此成大約120度均等地間隔開。本領域技術人員當然應當理解，管道的數量并不限于兩個或三個，而是可以為適合于降低波浪方向對系統性能影響的任意合適的數量。每個雙向流體流都可以用來驅動同一個渦輪。或者，每個流體流都可以驅動獨立的分開的渦輪。優選地，渦輪或每個渦輪響應雙向流體流而單向地旋轉。優選地，渦輪包括轉子，轉子包括中心轂；以及多個徑向地筆直延伸的翼狀截面葉片，每個葉片都與轂連接，每個葉片的截面都關于限定了最大拱形高度的線大致對稱并且大體沿著其徑向延伸長度保持不變，其中，葉片的大致對稱的形狀及其相對于轂的定向便于轉子響應通過的可逆軸向流體流而進行單向旋轉。優選地，每個管道都具有第一段、第二段和在所述第一段和所述第二段之間的流動控制段，第二段與第一段成橫向地布置，流動控制段被構造成抑制在管道中流動的振蕩水柱的湍流。優選地，每個第一段都為基本上水平的段，具有面離公共軸線的開口端(或進口)。優選地，多個管道被構造成使得每個管道的開口端(或進口)在使用時基本上處于系統所處水體的平均水平面之下相同的深度處。根據本發明的第三個方面，提供一種用于海浪能量提取系統的振蕩水柱接收管道，該管道包括第一段；第二段，其與第一段成橫向地布置；以及流動控制段，其在第一段和第二段之間，流動控制段布置成允許第一段和第二段之間的流體連通并且被構造成抑制在管道中流動的湍流。根據本發明的第四個方面，提供一種海浪能量提取系統，其包括至少一個管道，其浸在水體的平均水平面之下，至少一個管道接收水柱，水柱響應由經過至少一個管道的波浪的上升和下降所引起的壓差而在管道內振蕩；以及能量轉換單元，其與至少一個管道流體連通，以將振蕩水柱中的能量液壓地轉換為電能。在本發明的這個方面中，至少一個管道完全被浸沒，使得整個管道，包括管道的兩端和管道的操作上表面，都完全位于水體的平均水平面之下。本發明的第四個方面的管道可以是筆直的、L形、U形或任何其它的用于浸在水體的平均水平面之下的合適形狀。能量轉換單元優選地包括渦輪，其與振蕩水柱液壓連通，渦輪被振蕩水柱液壓地驅動；以及發電機，其被構造成被液壓地驅動的渦輪驅動旋轉，以產生電能。優選地，渦輪是水力渦輪。水力渦輪優選地被構造成響應振蕩水柱的雙向流動而單向地操作。在多種實施例中，水力渦輪選自包括Denniss-AulcU Wells、Setoguchi, Darrieus和Gorlov渦輪的組。然而，本領域技術人員應當理解，使用的渦輪類型并不限于這里所列的，而可以使用任何其它的合適渦輪。在某些實施例中，渦輪布置成使得其旋轉軸線與管道的縱向軸線成橫向。在其它的實施例中，渦輪布置成使得其旋轉軸線與管道的縱向軸線基本上平行。在某些實施例中， 渦輪的旋轉軸線與管道同軸。 在某些實施例中，管道坐落在水體的海底上。在其它的實施例中，管道優選通過錨泊系統保持在水體中的期望位置和期望定向。錨泊系統可以將管道保持在水體的海底上方的預定高度處。
為了將管道基本上保持在預定高度處，錨泊系統可以包括浮力元件，以便于管道的漂浮。優選地，浸沒的管道布置成基本上水平的定向。管道的長度優選地與水體的波浪的周期(并且因此與波長)相關。在某些優選實施例中，管道的長度處于主流波浪的波長的大約25%至45%的范圍內，更優選地為主流波浪的波長的大約37%。在某些優選實施例中，管道的長度是可變的，以將管道調整為適合于主流海浪的周期，并且能夠隨時間改變以適合于主流波浪的周期。在多種實施例中，管道具有用于改變管道的長度的伸縮構造。管道的伸縮構造可以包括多個離散部分，例如管，多個管布置成便于管的相對滑動以改變管道的長度。每對伸縮段都優選具有相關的鎖定器件，以將所述管相對于彼此鎖定，從而設定所述管道的期望長度。優選地，管道具有不變的內截面區域。在某些優選實施例中，內截面區域可以是方形或矩形。在其它的實施例中，內截面區域可以是圓形。應當理解，管道的內截面區域可以是任何合適的形狀，包括不規則形狀。在某些實施例中，管道的截面區域沿著管道的長度或者沿著管道的一個或多個截面變化。在各個優選的實施例中，海浪能量提取系統包括布置成形成管道陣列的兩個或更多個管道，陣列中的每個管道布置成接收相關的振蕩水柱。兩個或更多個管道優選地布置成相對于主流海浪面向同一方向。在某些優選實施例中，兩個或更多個管道以并排的關系布置。然而，在某些實施例中，有利的是，具有管道陣列，其中的兩個或更多個管道相對于彼此且由此相對于主流海浪沿不同的方向定向。在某些實施例中，管道可以彼此成橫向地對準。在一個優選的形式中，兩個或更多個管道彼此基本上垂直。在某些實施例中，管道陣列中的每個管道都具有與其它管道基本上相同的長度。 在其它優選的形式中，考慮到不同波長的波浪，管道陣列可以包括不同長度的管道。在某些實施例中，管道陣列被構造成使得相關的多個振蕩水柱中的每個都驅動單個渦輪。在其它的實施例中，來自相應管道的或管道組的每個振蕩水柱或振蕩水柱組均驅動相關的渦輪。在其它的實施例中，管道陣列可以由離散的管道組形成，由此每個組都具有由被構造的所述組驅動的相關的渦輪。優選地，海浪能量提取系統包括支撐框架，支撐框架用于將管道保持為彼此成相對間隔開的關系。根據本發明的第五個方面，提供一種從海浪中提取能量的方法，方法包括將至少一個管道放置到水體中，使得管道接收水柱，水柱響應由經過至少一個管道的波浪的上升和下降所引起的壓差而在管道內振蕩；以及將振蕩水柱中的能量液壓地轉換為電能。


現在將參考附圖，僅僅通過實例來說明本發明的優選實施例，其中圖1是根據本發明的海浪能量提取系統的實施例的示意圖；圖2是用于本海浪能量提取系統的管道的伸縮段的實施例的側視圖；圖3是繞公共軸線布置的多個管道的實施例的平面圖4是根據本發明的海浪能量提取系統的另一個實施例的示意圖；圖5是根據本發明的海浪能量提取系統的另一個實施例的示意圖；圖6是布置成基本上彼此垂直的管道陣列的透視圖；圖7是根據本發明的海浪能量提取系統的另一個實施例的透視圖；圖8是圖7的海浪能量提取系統的俯視平面圖；圖9是圖7的海浪能量提取系統的左側視圖；以及圖10是圖7的海浪能量提取系統的端視圖。
具體實施例方式參考附圖，海浪能量提取系統1位于諸如海洋2的水體中。海浪能量提取系統1 包括接收海水以形成水柱4的管道3。如以下將要更加詳細地所述，水柱4響應經過海浪能量提取系統1的海浪的升高和降低而在管道3內振蕩。管道3具有第一段5、布置成與第一段成橫向的第二段6以及在第一段和第二段之間的流動控制段7。如圖1所示，管道3基本上為L形并且被構造成使得第一段5、第二段6 和流動控制段7形成整體單元。管道3的各段在其端部敞開以沿著管道形成連續通孔。在附圖所示的實施例中，管道的孔具有圓形截面區域。然而，當然應當理解，在其它的實施例中，截面可以為任何合適的形狀，并且可以具有不變的或可變的區域。管道3放大了經過海浪能量提取系統1的各海浪的幅度，使得在管道內的振蕩水柱4的振蕩幅度大于經過的海浪的幅度。管道3的第一段5的長度L1比第二段6的長度L2對系統1的性能的影響大。具體地，第一段5的長度L1影響海浪的幅度被管道3放大的程度。優選的是，管道的第一段5 的長度L1大于管道的第二段6的長度L2。已經發現，當第一段5的長度與海浪的周期相關(用公式Z1 = f表示，其中L1為4
用米表示的第一段的長度，并且T為用秒表示的海浪的周期)時，管道3產生的放大率是有利的。例如，對于10秒的波浪周期，管道3的第一段5的優選長度L1為大約25m。流動控制段7彎曲成抑制在管道3中流動的振蕩水柱4的湍流。具體地，流動控制段7的彎曲被構造成當水從第一段5流動至第二段6時提供平穩的且逐步的方向改變。 這種逐步的方向改變減少了水柱流過管道時振蕩水柱4中湍流的量。應當理解，當水柱4 從第一段5經由彎曲的流動控制段7到第二段6通過管道3時或者相反，將仍然具有一定程度的湍流。然而，流動控制段7將經過管道3的湍流強度降低到對海浪的幅度放大具有積極影響的程度，如管道內水柱振蕩的增大所證實的。應當理解，湍流的這種減少導致系統 1的能量轉換的整體效率的對應增大。在圖1所示的實施例中，振蕩水柱4沒有填充整個管道3，并且由此沒有延伸至管道的第二段的端部。因此，如圖1最清楚地示出，第二段6限定了位于振蕩水柱4之上的空氣室8。當海浪上升時，管道3內的振蕩水柱4具有對應的向上振蕩。這種向上振蕩迫使來自管道3的第二段6的空氣室8的空氣體積產生向上的氣流。這種向上的氣流在圖1中用箭頭9表示。類似地，當海浪下降時，響應水柱4的向下振蕩而產生向下的氣流。然而應當理解，在其它的形式中，振蕩水柱填充第二段，使得渦輪被水流直接驅動。在這樣的實施例中，輸出線路可以將管道的第二段連接至渦輪。回到圖1，單向渦輪10布置在管道3的第二段6的上方，與第二段6流體連通。通過向上的和向下的氣流驅動或旋轉渦輪10。盡管氣流由于海浪的上升和下降而是雙向的， 但是渦輪10被構造成響應雙向氣流進行單向旋轉。發電機11聯接至渦輪10，使得渦輪的旋轉引起發電機的對應旋轉。發電機用來產生電能。在使用中，管道3的第一段5以基本上水平的定向浸在海洋2中，如圖1所示。第二段6的長度L2大于第一段浸在海洋表面之下的深度D。這樣，第二段6延伸過且豎立于海洋的表面，以便于安裝渦輪10和發電機11。參考圖2，應當理解，海浪的周期不是恒定的，而是隨著波浪變化，并且一區域的平均波浪周期隨著時間也可能是變化的。為了考慮到這種變化，在某些實施例中，管道3的第一段5被構造成是伸縮的，使得長度L1能夠變化，以使得管道3能夠被調節為適合于主流海浪的周期T。圖2中所示的伸縮段5包括多個管12，該多個管彼此嵌套，使得在管12之間能夠進行相對滑動。鎖定器件13設置成將管相對于彼此鎖定，以設定管道3的第一段5 的期望長度。參考圖3，其示出了用于海浪能量提取系統1的波浪幅度擴大裝置14的實施例。 波浪幅度擴大裝置14包括用于擴大海浪幅度的三個管道3。管道3圍繞公共軸線X-X以彼此成大約120度布置，使得海浪能量提取系統1的效率在很大程度上不依賴于主流海浪的方向。每個管道3都被構造成獨立地接收海水體積以形成振蕩水柱4。每個水柱4都產生對應的雙向氣流，以驅動海浪能量提取系統1的渦輪10。在圖3的實施例中，波浪幅度擴大裝置14將產生三個不同強度的氣流。這三個氣流被引導成驅動同一個渦輪10。應當理解，當海浪的行進方向改變時，主流氣流將相應地改變。也就是，對于某一個波浪方向，三個管道3中的一個將提供用于驅動渦輪10的主流氣流。其它兩個管道3也將產生用于驅動渦輪的氣流，但是這些氣流不會將渦輪驅動到主流氣流那樣的程度。然而，應當理解，三個氣流的組合增大了對渦輪的做功，并且相應地增大了發電機產生的發電量。當波浪方向改變時，來自管道的氣流也將改變，使得另外的管道3 將產生主流氣流。現在參考圖4、5和6，其示出了根據本發明的海浪能量提取系統100的另一個實施例。系統100還是位于諸如海洋102的水體中，并且包括用于接收海水以形成水柱104的管道103。管道103整個浸在海洋102的平均水平面之下。水柱104響應由于經過海浪能量提取系統100、尤其是沿著管道103的長度運動的海浪的上升和下降所產生壓差而在浸沒的管道103內振蕩。應當理解，壓差是沿著管道長度的水位差變化的結果。已經發現，為了獲得有利的能量轉換和來自海浪能量提取系統100的電力輸出， 管道103的長度應當為主流海浪的波長的大約37%。然而，管道103并不限于這個與波長有關的優選管道長度，并且應當理解，管道103的長度將被確定為適合于海浪能量提取系統100將要安裝的特定條件和位置。在圖4的實施例中，浸沒的管道103坐落在海洋102的海底105上大致水平的位置。在其它的實施例中，例如圖5中所示的實施例，錨泊系統106用來將浸沒的管道 103保持在海底105上方預定高度“H”處的大致水平位置上。應當理解，盡管管道103整個浸在海洋102的平均水平面之下，但是也能夠有這樣的實例，其中非常大的波浪導致水平面下降到管道103的上部在一段時間內不被浸沒的程度。這具有的效果是在管道103內產生空氣通道和/或氣穴。然而，已經發現，系統100在這樣的環境中連續操作，但是是以降低的效率和較小的輸出。一旦恢復到正常波浪狀況，系統100的效率和輸出也將恢復正常。這是本海浪能量提取系統100的特別有利的特征。具有水力渦輪108和發電機109的能量轉換單元107與浸沒的管道103流體連通。水力渦輪108布置成與管道103液壓連通，使得渦輪108被振蕩水柱104液壓地驅動。在圖4和圖5的實施例中，水力渦輪108與管道103對準，使得其旋轉軸線與管道103 的縱向軸線同軸。然而，應當理解，渦輪108不必與管道同軸。例如，也可以使用其它類型的水力渦輪，其中旋轉軸線與管道的縱向軸線成橫向。水力渦輪108被構造成響應振蕩水柱104的可逆或雙向流動而單向地旋轉。本領域技術人員應當理解，渦輪108的單向特征增強了海浪能量提取系統100的效率。能量轉換單元107的發電機107由水力渦輪108驅動。發電機109通過軸110聯接至水力渦輪108，使得渦輪108的旋轉引起發電機109的對應旋轉。發電機109用于產生供應至電網的電能。在圖4的實施例中，發電機109與水力渦輪108共線或同軸，使得管道103、水力渦輪108和發電機109完全地浸在海洋102的表面之下。在諸如圖5的實施例的海浪能量提取系統100的某些應用中，有利的是具有布置在海洋102的表面上方的發電機109。這可以通過渦輪108和發電機109之間合適的機械聯接111而容易地實現。在這個實施例中，水力渦輪108和發電機109也是完全地浸在海洋102的表面之下。現在參考圖6，示出了管道103的陣列112。陣列112中的每個管道103都布置成接收相關的振蕩水柱104。然后，每個水柱104的振蕩均用來驅動海浪能量提取系統100的水力渦輪108。本領域技術人員應當理解，因為單獨的管道的處理相對較為容易，所以當安裝該系統時使用多個較小的管道103以形成管道的陣列112是有利的。還應當理解，也可以使用不同長度的管道來形成所述陣列。本領域技術人員應當理解，通過將管道103浸在海洋102的表面之下，管道103將不會經受在海浪沖入該系統時產生的大而不可預知的動態力。從而，顯著地降低構建到系統中以確保系統在其壽命期間的可持續性所需的冗余水平。因此，顯著地降低了與系統相關的成本并且增強了系統的市場競爭力。現在參考圖7至10所示的實施例，所示的海浪能量提取系統201位于諸如海洋 202的水體中。系統201包括八個L形管道203的陣列。每個管道203都具有大致水平的第一段205和大致豎直的第二段206，該第二段與第一段成橫向地延伸，以形成L形。為傾斜部分207形式的流動控制段布置在各個管道的連接處，以減少或抑制相關管道內的湍流。每個管道203的第一段205都具有用于在使用時從水體接收水的開口端或進口 208。參考圖9和10，可以看到，管道203的陣列被構造成使得每個管道203的進口 208都浸在水體的平均水平面之下的基本同一深度處。由各個管道203接收的水形成振蕩水柱， 該振蕩水柱驅動與各個管道相關聯的獨立的渦輪216。每個管道203都具有浮力元件，以便于系統201漂浮在相對于水體的平均水平面的預定深度處。每個浮力元件都由側向地布置在相關第二段的相應左、右外側壁上的左浮力模塊209和右浮力模塊210形成。參考圖8，可以看到，浮力模塊為楔形結構形式，以有助于系統的組裝。如圖7和9中最清楚地示出，管道203被支撐框架結構保持成相對間隔開的關系。 支撐框架包括兩個外支柱框架211、212和內中間支柱框架213。系統201包括管道203的第一組214和第二組215。第一組214沿著公共軸線I-I 布置，該公共軸線I-I在左外支柱部件211和內支柱部件213之間且基本上與左外支柱部件211和內支柱部件213平行地延伸。如圖8中最清楚地示出，每個管道都以與公共軸線 I-I成大約15度的角度“ α ”定向。管道的第二組215沿著公共軸線II-II布置，該公共軸線II-II在內支柱部件213和右外支柱部件212之間且基本上與內支柱部件213和右外支柱部件212平行地延伸。第二組215中的管道以與公共軸線II-II成大約負15度的角度定向，使得第二組的管道的進口與第一組的管道的進口面向不同的方向，并且由此相對于主流海浪面向不同的方向。本領域技術人員應當理解，通過具有某些管道的進口相對于該陣列的其它管道的進口面向不同方向的管道陣列，波浪方向對系統的整體效率的影響將會降低。還應當理解，管道203相對于公共軸線旋轉的實際角度并不限于正/負15度，而是將被確定為最適合于當地的波浪氣候條件。因此，本發明的至少優選實施例的優點在于提供海浪能量提取系統，其中降低了湍流的強度，使得系統的發電效率更高。本發明的至少優選實施例的另一個優點在于提供用于海浪能量提取系統的波浪放大擴大裝置，其降低了波浪方向對系統效率的影響。本發明的至少優選實施例的另一個優點在于提供海浪能量提取系統，其中系統的一個或多個主要構件整個地浸在海洋表面之下，使得在很大程度上保護這些構件不受與主流海浪相關的較大的、不一致的且不可預知的動態力的影響。有利地，浸沒的管道和系統的其它元件幾乎不需要加固，這是因為它們不需要承受已知僅僅在極為罕見的風暴中才出現的力，從而顯著地降低系統的制造、安裝和持續維護成本。本發明的至少優選實施例的另一個優點在于提供海浪能量提取系統，其利用液壓轉換過程來高效地和有效地將振蕩水柱中的能量轉換為電能。本發明的至少優選實施例的另一個優點在于提供海浪能量提取系統，其降低了對周圍環境的視覺沖擊。盡管已經參考特定實例說明了本發明，但是本領域技術人員應當理解，本發明可以以許多其它的形式實施。
權利要求
1.一種海浪能量提取系統，其包括至少一個管道，其用于接收振蕩水柱，所述管道具有第一段、第二段和在所述第一段和第二段之間的流動控制段，所述第二段與所述第一段成橫向地布置，所述流動控制段被構造成抑制在所述管道中流動的所述振蕩水柱的湍流；渦輪，其與所述管道的所述第二段流體連通，使得所述渦輪被來自所述第二段的流體流驅動，所述流體流是通過所述管道內的所述振蕩水柱的振蕩而產生的；以及發電機，其被構造成由渦輪驅動旋轉，以產生電能。
2.根據權利要求1所述的海浪能量提取系統，其包括多個管道，每個所述管道都被構造成接收相關的振蕩水柱。
3.根據權利要求2所述的海浪能量提取系統，其中所述多個管道中的每個管道都布置成相對于彼此面向不同的方向。
4.根據權利要求2或權利要求3所述的海浪能量提取系統，其中所述多個管道沿著公共軸線布置。
5.根據權利要求2或權利要求3所述的海浪能量提取系統，其中所述多個管道圍繞公共軸線布置。
6.根據權利要求4或權利要求5所述的海浪能量提取系統，其中所述多個管道布置成形成線性陣列和環形陣列中的一個。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述多個管道布置成管道組。
8.根據權利要求7所述的海浪能量提取系統，其中每個管道組都具有相同的結構。
9.根據權利要求7所述的海浪能量提取系統，其中至少一個管道組具有與其它管道組中的一個或多個不同的結構。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的海浪能量提取系統，其中每個管道組中的管道沿著公共軸線或者圍繞公共軸線布置。
11.根據權利要求4至10中任一項所述的海浪能量提取系統，其中每個管道都相對于與所述管道布置所沿著的或圍繞的公共軸線成橫向地延伸的軸線旋轉。
12.根據權利要求11所述的海浪能量提取系統，其中每個管道都旋轉成使得所述管道以與所述公共軸線成大約15度的角度延伸。
13.根據權利要求11所述的海浪能量提取系統，其中第一管道組旋轉成與所述公共軸線成第一角度延伸，并且第二管道組旋轉成與所述公共軸線成第二角度延伸。
14.根據權利要求13所述的海浪能量提取系統，其中所述第一管道組旋轉成以與所述公共軸線成大約15度的角度延伸，并且所述第二管道組旋轉成以與所述公共軸線成大約負15度的角度延伸。
15.根據權利要求2至14中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述多個管道被構造成使得每個管道的開口端在使用時基本上處于所述系統所處水體的平均水平面之下相同的深度處。
16.根據權利要求2至15中任一項所述的海浪能量提取系統，其中單獨的渦輪安裝至所述多個管道中的每個管道，使得每個渦輪被相關管道的所述振蕩水柱獨立地驅動。
17.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述流動控制段是彎曲的段。
18.根據權利要求17所述的海浪能量提取系統，其中所述流動控制段具有不變的曲率半徑。
19.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述流體流是雙向的。
20.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中與所述流體流相關的流體是氣體和液體中的一種。
21.根據權利要求20所述的海浪能量提取系統，其中所述流體是空氣。
22.根據權利要求21所述的海浪能量提取系統，其中所述渦輪是空氣驅動的渦輪。
23.根據權利要求20所述的海浪能量提取系統，其中所述流體是水。
24.根據權利要求23所述的海浪能量提取系統，其中所述渦輪是水力渦輪。
25.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述第一段、所述第二段和所述流動控制段一體地形成為整體單元。
26.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道為L形管。
27.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的所述第一段的長度大于所述管道的所述第二段的長度。
28.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的所述第一段的長度由公式Z = f確定，其中L為用米表示的所述第一段的長度，并且T為用秒表示的海浪的周期。
29.根據權利要求27或權利要求觀所述的海浪能量提取系統，其中所述第一段的長度為大約25m。
30.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的所述第一段的長度是可變的，以將所述管道調整為適合于海浪的周期。
31.根據權利要求30所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的所述第一段具有用于改變所述第一段的長度的伸縮構造。
32.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道具有不變的內截面區域。
33.根據權利要求31所述的海浪能量提取系統，其中所述內截面區域為圓形。
34.根據權利要求32所述的海浪能量提取系統，其中所述內截面區域的直徑為大約10m。
35.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述渦輪響應雙向氣流而單向地操作。
36.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其包括用于將所述管道錨泊在期望位置上的錨泊系統。
37.根據權利要求36所述的海浪能量提取系統，其中所述錨泊系統是固定錨泊系統、 漂浮錨泊系統、張緊錨泊系統和松弛錨泊系統中的一種。
38.根據前述權利要求中任一項所述的海浪能量提取系統，其包括便于所述管道或每個管道漂浮的浮力元件。
39.根據權利要求38所述的海浪能量提取系統，其中所述浮力元件或每個浮力元件都側向地安裝到所述管道。
40.根據權利要求38或權利要求39所述的海浪能量提取系統，其中所述浮力元件側向地安裝到所述管道的一側或兩側。
41.根據權利要求38至40中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述浮力元件側向地安裝到所述管道的所述第二段的一側或兩側。
42.一種用于海浪能量提取系統的波浪幅度擴大裝置，所述波浪幅度擴大裝置包括多個管道，其用于擴大海浪的幅度，所述多個管道圍繞公共軸線布置，每個管道都從所述公共軸線橫向地延伸并且被構造成接收振蕩水柱，使得每個水柱的振蕩都產生用于驅動渦輪的對應流體流。
43.根據權利要求42所述的波浪幅度擴大裝置，其具有兩個圍繞所述公共軸線布置的管道，使得所述海浪能量提取系統的效率在很大程度上不依賴于海浪的行進方向。
44.根據權利要求42所述的波浪幅度擴大裝置，其具有三個圍繞所述公共軸線布置的管道，使得所述海浪能量提取系統的效率在很大程度上不依賴于海浪的行進方向。
45.根據權利要求44所述的波浪幅度擴大裝置，其中所述三個管道圍繞所述公共軸線彼此成大約120度均等地間隔開。
46.根據權利要求42至45中任一項所述的波浪幅度擴大裝置，其中每個雙向流體流都用來驅動同一個渦輪。
47.根據權利要求42至45中任一項所述的波浪幅度擴大裝置，其中每個雙向流體流都驅動獨立的分開的渦輪。
48.根據權利要求42至47中任一項所述的波浪幅度擴大裝置，其中所述渦輪或每個渦輪響應雙向流體流而單向地旋轉。
49.根據權利要求42至48中任一項所述的波浪幅度擴大裝置，其中所述渦輪包括轉子，所述轉子包括中心轂；以及多個徑向地筆直延伸的翼狀截面葉片，每個葉片都與所述轂連接，所述葉片中的每個的截面都關于限定了最大拱形高度的線大致對稱并且大體沿著其徑向延伸長度保持不變，其中，所述葉片的大致對稱的形狀及其相對于所述轂的定向便于所述轉子響應通過的可逆軸向流體流而進行單向旋轉。
50.根據權利要求42至49中任一項所述的波浪幅度擴大裝置，其中每個管道都具有第一段、第二段和在所述第一段和所述第二段之間的流動控制段，所述第二段與所述第一段成橫向地布置，所述流動控制段被構造成抑制在所述管道中流動的振蕩水柱的湍流。
51.根據權利要求50所述的波浪幅度擴大裝置，其中每個第一段都為基本上水平的段，具有面離所述公共軸線的開口端。
52.根據權利要求51所述的波浪幅度擴大裝置，其中所述多個管道被構造成使得每個管道的開口端在使用時基本上處于所述系統所處水體的平均水平面之下相同的深度處。
53.一種海浪能量提取系統，其包括至少一個管道，其浸在水體的平均水平面之下，所述至少一個管道接收水柱，所述水柱響應由經過所述至少一個管道的波浪的上升和下降所引起的壓差而在所述管道內振蕩；以及能量轉換單元，其與所述至少一個管道流體連通，以將振蕩水柱中的能量液壓地轉換為電能。
54.根據權利要求52所述的海浪能量提取系統，其中所述管道是筆直管道和L形管道中的一種。
55.根據權利要求53或權利要求M所述的海浪能量提取系統，其中所述能量轉換單元包括渦輪，其與所述振蕩水柱液壓連通，所述渦輪被所述振蕩水柱液壓地驅動；以及發電機，其被構造成被液壓地驅動的所述渦輪驅動旋轉，以產生電能。
56.根據權利要求55所述的海浪能量提取系統，其中所述渦輪是水力渦輪。
57.根據權利要求56所述的海浪能量提取系統，其中所述水力渦輪被構造成響應所述振蕩水柱的雙向流動而單向地操作。
58.根據權利要求56或權利要求57所述的海浪能量提取系統，其中所述水力渦輪選自包括 Denniss-Auld> Wells、Setoguchi、Darrieus 禾口 Gorlov 潤輪的組。
59.根據權利要求55至58中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述渦輪布置成使得其旋轉軸線與所述管道的縱向軸線成橫向。
60.根據權利要求55至58中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述渦輪布置成使得其旋轉軸線與所述管道的縱向軸線基本上平行。
61.根據權利要求55至58中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述渦輪的旋轉軸線與所述管道同軸。
62.根據權利要求53至61中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道坐落在水體的海底上。
63.根據權利要求53至61中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道通過錨泊系統保持在水體中的期望位置和定向。
64.根據權利要求63所述的海浪能量提取系統，其中所述錨泊系統包括浮力元件，以便于所述管道的漂浮。
65.根據權利要求53至64中任一項所述的海浪能量提取系統，其中浸沒的所述管道以基本上水平的定向布置。
66.根據權利要求53至65中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的長度是固定的。
67.根據權利要求53至66中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的長度處于主流海浪的波長的大約25%至45%的范圍內。
68.根據權利要求67所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的長度為主流海浪的波長的大約37%。
69.根據權利要求53至65中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的長度是可變的，以將所述管道調整為適合于主流海浪的周期。
70.根據權利要求69所述的海浪能量提取系統，其中所述管道具有用于改變所述管道的長度的伸縮構造。
71.根據權利要求70所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的所述伸縮構造包括多個離散部分，所述多個離散部分布置成便于所述部分的相對滑動以改變所述管道的長度。
72.根據權利要求71所述的海浪能量提取系統，其中每對伸縮段都具有相關的鎖定器件，以將所述管相對于彼此鎖定，從而設定所述管道的期望長度。
73.根據權利要求53至72中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述內截面區域是方形、矩形和圓形中的一種。
74.根據權利要求53至73中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道具有不變的內截面區域。
75.根據權利要求53至73中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的截面區域沿著所述管道的一個或多個截面變化。
76.根據權利要求75所述的海浪能量提取系統，其中所述管道的截面區域沿著所述管道的整個長度變化。
77.根據權利要求53至76中任一項所述的海浪能量提取系統，其包括布置成形成管道陣列的兩個或更多個管道，所述陣列中的每個管道布置成接收相關的振蕩水柱。
78.根據權利要求77所述的海浪能量提取系統，其中所述兩個或更多個管道布置成面向同一方向。
79.根據權利要求77所述的海浪能量提取系統，其中所述兩個或更多個管道相對于彼此沿不同的方向延伸。
80.根據權利要求79所述的海浪能量提取系統，其中所述兩個或更多個管道彼此成橫向地延伸。
81.根據權利要求80所述的海浪能量提取系統，其中所述兩個或更多個管道彼此基本上垂直。
82.根據權利要求77至81中任一項所述的海浪能量提取系統，其中所述管道陣列被構造成使得相關的多個振蕩水柱中的每個都驅動單個渦輪。
83.根據權利要求77至81中任一項所述的海浪能量提取系統，其中每個振蕩水柱均驅動獨立的分開的渦輪。
84.根據權利要求77至83中任一項所述的海浪能量提取系統，其包括支撐框架，所述支撐框架用于將所述管道保持為彼此成相對間隔開的關系。
85.—種從海浪中提取能量的方法，所述方法包括將至少一個管道放置到水體中，使得所述管道接收水柱，所述水柱響應由經過所述至少一個管道的波浪的上升和下降所引起的壓差而在所述管道內振蕩；以及將振蕩水柱中的能量液壓地轉換為電能。
86.根據權利要求85所述的方法，其包括將所述至少一個管道浸在水體中，使得所述管道完全地位于所述水體的平均水平面之下。
全文摘要
公開了一種改進的海浪能量提取系統。該系統包括至少一個用于接收振蕩水柱的管道。該管道具有第一段、與第一段成橫向的第二段以及在第一段和第二段之間的流動控制段。該流動控制段被構造成抑制在管道中流動的振蕩水柱的湍流。渦輪與管道的第二段流體連通，使得該渦輪被管道內的振蕩水柱的振蕩所產生的流體流驅動。渦輪使發電機旋轉，由此產生電能。
文檔編號F03B13/24GK102165183SQ200980134983
公開日2011年8月24日 申請日期2009年8月31日 優先權日2008年9月1日
發明者S·亨特, T·丹尼斯 申請人:海洋運輸有限公司