浮力致動(dòng)器的制造方法

浮力致動(dòng)器的制造方法11月02日,創(chuàng)造名稱為“浮力致動(dòng)器”的創(chuàng)造專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】[0002]本創(chuàng)造涉及波動(dòng)能量的提取,更特殊地,涉及對(duì)波動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)的浮力致動(dòng)器以及該致動(dòng)器的操作方法。

本創(chuàng)造同樣涉及波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和該系統(tǒng)的操作方法。

[0003]盡管并非肯定是獨(dú)一無(wú)二地,本創(chuàng)造被特殊地設(shè)計(jì)成能針對(duì)波動(dòng)作出反應(yīng)并將波動(dòng)結(jié)合到可操作的裝置上的致動(dòng)器。

本創(chuàng)造致動(dòng)器的一種特殊應(yīng)用涉及海洋波能的利用和將被利用的能量轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的線性運(yùn)動(dòng),該轉(zhuǎn)換裝置例如可以是流體泵或線性發(fā)電機(jī)。

在這樣的布置中,該致動(dòng)器可以被可操作地連接到能量轉(zhuǎn)換裝置,該致動(dòng)器懸浮在所述轉(zhuǎn)換裝置上方的海水體中,但一般位于水面下方。

通過(guò)該布置,波動(dòng)的動(dòng)力提升被轉(zhuǎn)換成用于操作能量轉(zhuǎn)換裝置的單軸力。

[0004]本創(chuàng)造實(shí)際上包括浮標(biāo),該浮標(biāo)在某些狀況下被當(dāng)成致動(dòng)器,由于該浮標(biāo)具有水體上擾動(dòng)的大部分波長(zhǎng)的尺寸,并且在靠近水體表面處攔截大部分波動(dòng)的能流。

【背景技術(shù)】[0005]獵取海洋波的能量是世界上快速進(jìn)展起來(lái)的業(yè)務(wù),大量商業(yè)的波能裝置在海上試驗(yàn)并進(jìn)行小規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

這些裝置中比較重要的一類是通過(guò)轉(zhuǎn)變海洋的升降運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行操作以產(chǎn)生氣械裝置的線性運(yùn)動(dòng),該機(jī)械裝置隨后被用于驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置例如流體泵或線性發(fā)電機(jī)。

[0006]對(duì)于通過(guò)反滲透膜來(lái)直接脫鹽和制造電力的高壓海水來(lái)說(shuō),波能的獵取和轉(zhuǎn)化是幾個(gè)早期建議的焦點(diǎn),這些建議尤其包括在2023001187中公開(kāi)的建議,在此處其內(nèi)容通過(guò)引用的方式被并入。

[0007]在海洋環(huán)境中技術(shù)的勝利應(yīng)用、操作和維護(hù)所遇到的問(wèn)題被那些從事近海工業(yè)的人,特殊是從事石油和自然?氣工業(yè)的人所了解,并且該學(xué)問(wèn)能夠被應(yīng)用到如海洋波能轉(zhuǎn)換這樣的新技術(shù)中。

最初的海洋能量系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)是非常簡(jiǎn)單的任務(wù),其需要探尋最大的能量獵取和轉(zhuǎn)換,同時(shí)要將結(jié)構(gòu)的成本保持在合理的水平,并且要保證全部者的花費(fèi)在整個(gè)技術(shù)生命周期中是可以接受的。

在維護(hù)成本方面,必需對(duì)關(guān)鍵受損部件的牢靠性和系統(tǒng)的故障模式有徹底的了解。

[0008]如何掌握暴風(fēng)雨環(huán)境的問(wèn)題可能也需要被提及。

特殊地,需要波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠響應(yīng)海水狀態(tài)的變化,并且在超過(guò)最大運(yùn)行水平常,其能夠回復(fù)成平安備用模式,優(yōu)選地,其能夠自動(dòng)回復(fù)。

一旦海水狀態(tài)已經(jīng)退回到正常運(yùn)行水平,該裝置抱負(fù)地應(yīng)當(dāng)自身重新裝配以用于正常操作,優(yōu)選地,其會(huì)自動(dòng)重新裝配。

由例如暴風(fēng)雨大事引起的任何對(duì)部分機(jī)械的持續(xù)損害不應(yīng)當(dāng)阻擋裝置的剩余功能部分的運(yùn)行。

換而言之,波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的全部故障模式都應(yīng)當(dāng)是“軟”的。

[0009]浮力致動(dòng)器具有這些特征將會(huì)是非常有利的。

[0010]浮力致動(dòng)器可以是大型實(shí)體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的直徑或線性尺寸范圍達(dá)到10米,并且排水體積達(dá)到一千立方米。

為了滿意大規(guī)模商業(yè)的電力需要,波能設(shè)備會(huì)需要包括大量通常為數(shù)百個(gè)這樣的致動(dòng)器,該致動(dòng)器用于一批數(shù)百個(gè)的海水泵或能量轉(zhuǎn)換裝置。

當(dāng)個(gè)別裝置具有也許是一兆瓦的功率輸出力量而整個(gè)元件場(chǎng)地具有幾百兆瓦的瞬時(shí)輸出功率時(shí),這批裝置有必要按比例提升功率輸出。

[0011]將數(shù)百個(gè)浮力致動(dòng)器運(yùn)輸?shù)綉?yīng)用位置會(huì)造成很大的困難,并且假如它們不得不以實(shí)際尺寸來(lái)運(yùn)輸,將花費(fèi)巨大。

[0012]同樣非常有利的是,浮力致動(dòng)器在陸地上被制造,并隨后被折疊和包裝以用于將其運(yùn)輸?shù)浇Ｎ恢?在此浮力致動(dòng)器可被配置成實(shí)際尺寸并在之后被應(yīng)用。

[0013]本創(chuàng)造針對(duì)【背景技術(shù)】產(chǎn)生。

【創(chuàng)造內(nèi)容】[0014]依據(jù)本創(chuàng)造的第一方面,供應(yīng)一種響應(yīng)波動(dòng)的浮力致動(dòng)器,該浮力致動(dòng)器包括本體,該本體形成了用于容納物質(zhì)的腔體,所述本體的流體動(dòng)力性能可通過(guò)轉(zhuǎn)變腔體內(nèi)的物質(zhì)來(lái)有選擇地變化。

[0015]流體動(dòng)力性能的變化可以包括浮力的變化增加或者削減,或者本體的響應(yīng)區(qū)域的變化例如體積或外形,也可以是這兩種變化的組合。

[0016]所述物質(zhì)的變化可以包括向腔體添加物質(zhì)或從腔體中取出物質(zhì)。

[0017]所述物質(zhì)可以包括固體、液體或氣體,也可以是這些物質(zhì)的組合。

[0018]該物質(zhì)可以采納任何合適的形式。

舉例來(lái)說(shuō),該物質(zhì)可以由空氣、水特殊包括從致動(dòng)器的運(yùn)行環(huán)境中提取的水構(gòu)成,或者由一個(gè)或多個(gè)固體插入物構(gòu)成,例如固體球體或其它分別元件,也可以是這些物質(zhì)的組合。

[0019]添加到腔體中的物質(zhì)的形式可以與該腔體中已經(jīng)存在的物質(zhì)相同,也可以不同。

舉例來(lái)說(shuō),在一種布置中,在腔體內(nèi)已經(jīng)存在一些海水也可能組合有一個(gè)或多個(gè)其它形式的物質(zhì)的狀況下,可以將海水添加到該腔體中。

在另一種布置中,在所述腔體中的物質(zhì)沒(méi)有包括海水的狀況下,可以將海水添加到該腔體中。

[0020]在腔體中所容納的物質(zhì)包括多種形式的狀況下,從所述腔體中取出的物質(zhì)可以包括任何一個(gè)或多個(gè)所述形式。

[0021]當(dāng)該浮力致動(dòng)器被應(yīng)用時(shí),其優(yōu)選定位在水下并距水面一最小距離,從而該致動(dòng)器總是被沉沒(méi)在水中,除非在特別的大洋中。

[0022]最抱負(fù)的狀況是,浮力致動(dòng)器定位在水柱中的一位置處,在該位置該致動(dòng)器能攔截最多的能量,并且在波能設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中能保持該致動(dòng)器完全被沉沒(méi)在水中,只有當(dāng)海洋中波谷通過(guò)期間超過(guò)了裝置的運(yùn)行限制,該致動(dòng)器才會(huì)顯露出來(lái)。

因此,該浮力致動(dòng)器需要在一深度處被應(yīng)用,從而致動(dòng)器的上表面一般會(huì)在中性水線下方幾米處。

而且,浮力致動(dòng)器與機(jī)械裝置的組合優(yōu)選形成了最小總長(zhǎng),該機(jī)械裝置例如泵與浮力致動(dòng)器可操作地連接在一起,影響到水深運(yùn)用的該最小總長(zhǎng)優(yōu)選不少于10米并且不大于100米。

[0023]浮力致動(dòng)器的外形可能也是本創(chuàng)造的重要特征。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用以確定在能量獵取方面何種外形能產(chǎn)生最佳效果。

當(dāng)分析被應(yīng)用到尺寸小于或等于四分之一波長(zhǎng)該標(biāo)準(zhǔn)被稱為“點(diǎn)汲取體的致動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí),該分析會(huì)排解任何寬厚比過(guò)度的致動(dòng)器外形。

因此以點(diǎn)汲取體的觀點(diǎn)來(lái)看,罩蓬狀或降落傘狀致動(dòng)器作為能量聚集裝置效率較低。

當(dāng)允許較薄的罩蓬狀汲取體在點(diǎn)汲取體規(guī)章外延長(zhǎng)時(shí),即當(dāng)較薄的罩蓬狀汲取體的長(zhǎng)度大于四分之一波長(zhǎng)時(shí),這一結(jié)論將不適用于較薄的罩蓬狀汲取體例如在前述2023001187文件中所提到的。

在這些狀況中,優(yōu)化操作是不同的并且罩蓬結(jié)構(gòu)是有用的。

而且,罩蓬保留了多個(gè)連接點(diǎn),從而其不易于旋轉(zhuǎn)。

[0024]對(duì)于點(diǎn)汲取體,分析指出球體、短倒錐體或短圓柱體是帶有單個(gè)系繩的浮力致動(dòng)器的適合外形。

分析證明了外形上越長(zhǎng)越薄,則越多的能量能夠被轉(zhuǎn)換成浮力致動(dòng)器的旋轉(zhuǎn),由此不會(huì)在系繩中產(chǎn)生有用的張力并且會(huì)導(dǎo)致結(jié)合了波浪擾動(dòng)的較低能量,該系繩可操作地將浮力致動(dòng)器與機(jī)械裝置連接。

考慮到球形的對(duì)稱性,球形是比較抱負(fù)的外形,由于在波浪擾動(dòng)和浮力致動(dòng)器間沒(méi)有旋轉(zhuǎn)結(jié)合,由此可知,升降力被最大地轉(zhuǎn)換成系繩上的線性張力。

[0025]當(dāng)其它的因素例如工藝性和穩(wěn)健性也被考慮的時(shí)候,球體、短圓柱體和短倒錐體之間在能量聚集性能上的區(qū)分并沒(méi)有大到把這些外形排解在球體之外。

因此,有一系列的外形具有可接受的能量聚集性能和可接受的穩(wěn)健性等級(jí)。

[0026]優(yōu)選地,本體包括柔韌薄膜,該薄膜在腔體邊界處形成了外殼,該薄膜適于對(duì)本體內(nèi)的物質(zhì)變化作出響應(yīng)并產(chǎn)生偏斜。

該偏斜能夠使得本體的流體動(dòng)力性能產(chǎn)生變化。

[0027]優(yōu)選地,所述外殼形成了一個(gè)空腔,該空腔構(gòu)成了腔體并且能夠通過(guò)接口與四周的海水相連通。

該空腔可以包括封閉的水密空腔。

腔體的水密并非必要,只要可以在正常運(yùn)行期間保持和隔離內(nèi)部的海水體積且具有最小漏出量,從而其猶如系留塊般相抵于致動(dòng)器的外部水力起作用。

[0028]在一種布置中,腔體可以是大致的球形結(jié)構(gòu)。

通過(guò)此布置,所述腔體可以通過(guò)大致球形的壁結(jié)構(gòu)形成,該結(jié)構(gòu)包括由柔韌薄膜形成的外殼。

該外殼可以由織物加固的聚合物材料的板條粘結(jié)而成。

[0029]該壁結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步包括在本體上下位置間延長(zhǎng)的加固裝置。

該加固裝置可以包括多個(gè)加固帶,其具有卡箍結(jié)構(gòu),沿著表面圓周延長(zhǎng)并穿過(guò)所述上下位置。

該加固帶的材料可以與外殼材料相同從而材料混用性和粘附性得到優(yōu)化。

致動(dòng)器的頂部和底部具有額外加固的圓環(huán),該圓環(huán)也是由相同的織物加固聚合物構(gòu)成。

[0030]在本體上底部位置處可以設(shè)置定位點(diǎn),該定位點(diǎn)用于將浮力致動(dòng)器拴在適當(dāng)位置處。

在本體上頂端處可以設(shè)置提升點(diǎn)。

[0031]所述定位點(diǎn)可以包括將加固帶拴在其上的下部孔眼。

另一根加固帶還可以穿過(guò)下部孔眼并被粘附到球形外殼的底部上。

該加固帶以及另一根帶在正常運(yùn)行過(guò)程中承受著負(fù)載。

當(dāng)浮力致動(dòng)器通過(guò)波動(dòng)被提升時(shí),該加固帶繃緊,并且張力通過(guò)下部孔眼被向下傳輸?shù)较道K,以此將提升力傳送到下方的機(jī)械裝置。

在波浪通過(guò)后,浮力致動(dòng)器受到由下方機(jī)械裝置所施加的回復(fù)力的影響而下落,并導(dǎo)致下部孔眼上的負(fù)載減小,加固帶收縮。

[0032]由于此設(shè)置,致動(dòng)器中有一些彈性,從而當(dāng)波浪的提升力拖拉系繩時(shí),能夠有一些對(duì)波浪負(fù)載的緩沖。

[0033]容納在大致球形腔體中的物質(zhì)可以包括被放入的浮力物質(zhì),這些浮力物質(zhì)用來(lái)向致動(dòng)器供應(yīng)必要的浮力。

該物質(zhì)可以是任何密度小于致動(dòng)器四周的流體密度的材料和物質(zhì)。

該物質(zhì)可以任何適當(dāng)?shù)姆绞椒湃肭惑w內(nèi),例如通過(guò)設(shè)置在外殼上的接口。

[0034]優(yōu)選地,該物質(zhì)包括泡沫材料。

該泡沫材料可以由泡沫球體構(gòu)成。

[0035]該腔體可以被填充泡沫球體,使得致動(dòng)器的外殼被內(nèi)部泡沫球體的向外的力拉到緊繃的狀態(tài),從而促使該致動(dòng)器呈現(xiàn)其設(shè)計(jì)的外形。

泡沫球體相互之間可以接觸以能夠相互抵靠著滾動(dòng)。

該球體可以共同地作用以保持致動(dòng)器的形狀,并且在照舊保持著致動(dòng)器的外形的狀況下,該球體受致動(dòng)器上外力的影響彼此抵靠著滾動(dòng)。

由于此布置,球體有效地用作滾動(dòng)軸承,從而假如點(diǎn)負(fù)荷被施加到致動(dòng)器外殼上時(shí),任何單個(gè)泡沫球體上都沒(méi)有力的集中。

[0036]在此方式中,浮力致動(dòng)器可以被制造,以及被進(jìn)行泄漏和負(fù)荷試驗(yàn),之后內(nèi)部不帶有泡沫浮力材料的致動(dòng)器被運(yùn)送。

該泡沫可以在補(bǔ)給站其可能在船上被添加,該補(bǔ)給只要在致動(dòng)器在運(yùn)行位置上被應(yīng)用前完成即可。

[0037]泡沫球體所占體積總量仍小于致動(dòng)器的封閉容積總量,每個(gè)球體四周存有間隙區(qū)域。

這些間隙區(qū)域可以被填充有流體以調(diào)整浮力。

[0038]所述浮力可以被設(shè)定或預(yù)先設(shè)定,隨后假如有需要,該浮力可以通過(guò)掌握任一種流體容量例如氣壓或水量,或它們的組合的方式被有效地掌握。

[0039]在另一個(gè)布置方式中,腔體可以是大致圓環(huán)形而不是球形。

在此布置中,本體可以包括圓環(huán),該圓環(huán)具有環(huán)形外殼,該圓環(huán)形外殼由與上述球形外殼相像的材料和方法產(chǎn)生。

[0040]優(yōu)選地,內(nèi)浮力結(jié)構(gòu)容納在由圓環(huán)的內(nèi)部邊界形成的空間中,優(yōu)選地,圓環(huán)面的外殼外表面的一部分與該內(nèi)浮力結(jié)構(gòu)粘接。

該浮力結(jié)構(gòu)可以包括兩個(gè)浮力元件例如剛性泡沫片,每個(gè)所述浮力元件的外形都適配于圓環(huán)從頂部究竟部形成的中心孔中。

連接器例如張緊繩索在兩個(gè)浮力元件中延長(zhǎng)并與這兩個(gè)浮力元件固定連接。

在底部浮力元件的下偵1,肯定位點(diǎn)被結(jié)合到連接器中或被連接在連接器上。

[0041]被外殼封閉的該圓環(huán)形空腔可以被布滿流體形式的物質(zhì),該流體可以被增壓到肯定程度,以使外殼處于張緊狀態(tài)下并且外形是剛性的。

優(yōu)選地,流體是水。

該流體可以通過(guò)接口被導(dǎo)入并可被密封以形成水密密封。

[0042]假如流體是水,當(dāng)浮力致動(dòng)器被布滿流體時(shí),該致動(dòng)器會(huì)接近中性浮力。

正向浮力通過(guò)元件供應(yīng)給所述致動(dòng)器。

[0043]在暴風(fēng)雨?duì)顩r下浮力致動(dòng)器的自動(dòng)關(guān)閉可以通過(guò)經(jīng)由所述接口存取腔體中的流體以及實(shí)時(shí)掌握流體壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這可能牽涉到收縮至少一部分腔體以使致動(dòng)器具有一削減的表面區(qū)域,由此其不易受增加的波浪力的影響。

當(dāng)暴風(fēng)雨通過(guò)后,該腔體可以再次膨脹。

[0044]在另一個(gè)布置中,本體可以包括浮力部件,所述腔體設(shè)置在浮力部件的下方。

腔體可由從浮力部件上垂下來(lái)的圓柱形側(cè)壁以及底壁形成。

該側(cè)壁和底壁由柔韌材料構(gòu)成。

該底壁可以帶有加固裝置,該加固裝置包括從外圍邊界處向內(nèi)延長(zhǎng)至一中心位置的帶,在該中心位置處有肯定位點(diǎn),并且所述帶被連接到該定位點(diǎn)。

該加固裝置還包括底壁邊界處的圓環(huán),可以將所述帶的外端連接到所述圓環(huán)上。

[0045]腔體中的物質(zhì)優(yōu)選包括流體,優(yōu)選為來(lái)自浮力致動(dòng)器運(yùn)行地點(diǎn)四周的水典型為海水。

該腔體可以通過(guò)在肯定條件下允許吸入或釋放流體的裝置來(lái)與周固的水連通。

該裝置可以包括閥門(mén)裝置,該裝置具有兩個(gè)閥,一個(gè)是單向進(jìn)口閥,其只允許流體進(jìn)入腔體,另一個(gè)是單向出口閥,其只允許流體從腔體中流出并進(jìn)入四周的海水。

[0046]浮力致動(dòng)器的浮力通過(guò)腔體上方的浮力部件來(lái)供應(yīng)。

該浮力部件可以包括較短的注入有容積量的圓柱形泡沫。

[0047]在一般的運(yùn)行模式下,浮力致動(dòng)器被完全地布滿海水并且兩個(gè)單向閥都關(guān)閉。

波浪擾動(dòng)的升降移動(dòng)作用于本體上,從而導(dǎo)致本體向上移動(dòng)并在系繩上施加張力,通過(guò)該系繩浮力致動(dòng)器被連接到下方的機(jī)械裝置。

由于浮力致動(dòng)器的結(jié)構(gòu),材料中有肯定程度的固有彈性,從而致動(dòng)器的一些彈性伸長(zhǎng)消失在提升的最高點(diǎn)處。

這種程度的彈性變形在系繩承受負(fù)載時(shí)有利于限制系繩的振動(dòng)效應(yīng)。

[0048]除了由于彈性而在伸長(zhǎng)上產(chǎn)生的細(xì)小變化,形成腔體的本體的外形在一般運(yùn)行期間大致保持不變,并且沒(méi)有流體通過(guò)各個(gè)閥,包含在腔體中的流體體積也基本保持不變。

[0049]當(dāng)海水的狀態(tài)將浮力增加超過(guò)一個(gè)預(yù)定的等級(jí)時(shí),浮力致動(dòng)器上的動(dòng)壓負(fù)載也增力口,迫使單向出口閥打開(kāi)并使少量的流體從出口中流出。

同時(shí),單向進(jìn)口閥照舊關(guān)閉,因此實(shí)際的效果是腔體中流體的體積被削減并且腔體容積被壓縮。

不再處于內(nèi)部壓力下的外殼材料會(huì)松弛下來(lái)并折疊起來(lái)。

[0050]施加在致動(dòng)器上的波浪力與致動(dòng)器的容積成比例,所以削減了的容積狀態(tài)對(duì)應(yīng)于削減了的精確的波能攝取率,該波能攝取率用于在暴風(fēng)雨期間限制能量汲取。

[0051]在暴風(fēng)雨通過(guò)之后,波浪的高度漸漸轉(zhuǎn)變成常規(guī)等級(jí)并且腔體外海水的動(dòng)壓會(huì)變得大于腔體內(nèi)的壓力,單向進(jìn)口閥會(huì)打開(kāi)以允許流體流回到致動(dòng)器容積中。

這個(gè)過(guò)程會(huì)逐步消失直到致動(dòng)器再次完全膨脹,此時(shí)不再有任何壓力差橫穿