專利名稱：用于針對(duì)食物及能量的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此發(fā)明大體來(lái)說(shuō)涉及生物質(zhì)培養(yǎng)領(lǐng)域，且更特定來(lái)說(shuō)，涉及用于在具有自動(dòng)的位 置及深度控制的可移動(dòng)支撐系統(tǒng)上培養(yǎng)海洋植物的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
世界正相對(duì)快速地消耗掉石油。在美國(guó)，新的石油資源的發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)率在多年以 前達(dá)到頂峰。大致與美國(guó)的情形平行，世界石油生產(chǎn)的頂峰滯后發(fā)現(xiàn)頂峰幾十年，且預(yù)期其 發(fā)生在不遠(yuǎn)的未來(lái)。此之后將是長(zhǎng)期的下降，因?yàn)橛途a(chǎn)越來(lái)越少的石油，即使是在給予 其越來(lái)越多的精心“鼓勵(lì)”之時(shí)。有人說(shuō)生產(chǎn)在這個(gè)十年中將達(dá)到頂峰；也有其它人說(shuō)在達(dá) 到頂峰之前還要再有幾年。可以在價(jià)格及生產(chǎn)量方面充分替代石油的不足的替代能源尚不 明確。這個(gè)問(wèn)題是巨大的-當(dāng)前世界以大約1. 3xl013瓦的速率消耗能量，此針對(duì)地球上的 每個(gè)人連續(xù)是 2kW。在美國(guó)，人均消耗更接近10kW。在每桶石油100美元的情況下，能量 的原料成本為大約每千瓦-小時(shí)6美分(以熱量的形式，不是電的形式)。在每加侖汽油 3. 50美元的情況下，成本幾乎為每熱量kWh 10美分。社會(huì)所使用的能量的最大部分來(lái)自于 石油，以美元值計(jì)算為每年幾萬(wàn)億美元。假定石油生產(chǎn)大概像其在前一世紀(jì)成長(zhǎng)起來(lái)的方 式的鏡象一樣在下世紀(jì)下降。即使是沒(méi)有解決溫室氣體的巨大問(wèn)題的條件下，國(guó)家和世界 也需要提供替代能源來(lái)替代正被快速消耗的石油資源。太陽(yáng)能即使在擴(kuò)散的情況下也能充沛地落在地球上。連續(xù)到達(dá)地球的表面處的日 光功率為大約IO17瓦-幾乎是所有人類使用功率的速率的10，000倍?；蛟S最重要的是，此 功率可以不顛倒地球的熱平衡(因?yàn)槠錈o(wú)論如何都是自然地落在此處)或大氣中氣體的平 衡(因?yàn)槭褂盟龉β试诒举|(zhì)上并不涉及改變大氣的吸收或排放性質(zhì)的氣體的凈釋放)的 方式來(lái)收集及使用。太陽(yáng)能的關(guān)鍵問(wèn)題是其是如此的擴(kuò)散開(kāi)其在頂峰亮度時(shí)僅提供大約1000W/m2且 在地球的表面上的任一典型點(diǎn)處提供全年平均 160W/m2。在每kWh 6美分(等效于每桶 100美元的石油的熱)的情況下，此意指即使在以100%效率轉(zhuǎn)化的情形下，每平方米太陽(yáng) 能收集器每年僅產(chǎn)生按能量值計(jì)為大約86美元。太陽(yáng)能功率到電的轉(zhuǎn)換效率當(dāng)前在從大 約30%向下的范圍，以使得每平方米太陽(yáng)能收集器按每年每平方米的總經(jīng)濟(jì)回報(bào)計(jì)產(chǎn)生約 25美元(盡管電通常以熱能量?jī)r(jià)格的數(shù)倍出售)。此能量?jī)r(jià)格對(duì)于任何可行的“高科技” 解決方案來(lái)說(shuō)都太低，因?yàn)閭鹘y(tǒng)經(jīng)濟(jì)基本原則是資本投資不可大于三年總銷售額且希望更 少。當(dāng)前光伏太陽(yáng)能陣列(舉例來(lái)說(shuō))具有為其在一年中可產(chǎn)生的功率值的許多倍的資本 成本。舉例來(lái)說(shuō)，在每峰值瓦為3美元的典型光伏陣列成本及每年運(yùn)行等效于頂峰的1400 個(gè)小時(shí)的情況下，如果以每kWhlO美分出售電，則返回所述陣列的資本成本的時(shí)間為22年。 所提供替換石油且不導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)的巨變的任何基本能源必須具有接近或低于熱能量的 每kWh 6美分或電能量的每kWhlO到15美分的價(jià)格。在1970年代早期，美國(guó)海軍海洋系統(tǒng)中心(U. S. Naval Ocean Systems Center) 的霍華德Α.威爾科克斯(Howard A. Wilcox)博士提出此整個(gè)問(wèn)題的解決方案。(威爾科克斯博士于1994年逝世，他是本申請(qǐng)案發(fā)明者的父親。)此解決方案是使用海洋養(yǎng)殖來(lái)為 世界人口提供相對(duì)便宜的能量(及食物)。威爾科克斯博士與加利福尼亞理工學(xué)院的惠 勒諾斯(Wheeler North) 一起研究且在來(lái)自美國(guó)海軍(the U. S. Navy)、國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (the National Science Foundation)、美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)(the American Gas Association) 及其它機(jī)構(gòu)的資助下，他部署一小塊測(cè)試養(yǎng)殖臺(tái)，其顯示快速生長(zhǎng)的海生植物(特別是巨 藻(Macrocystis Pyrfera)，“加利福尼亞巨大海藻”)可將超過(guò)1 %的入射日光轉(zhuǎn)化成有用 的所存儲(chǔ)化學(xué)能量。他設(shè)想使用來(lái)自深海的營(yíng)養(yǎng)。大多數(shù)海洋是光合“沙漠”，因?yàn)楸砻嫠?是如此的營(yíng)養(yǎng)不豐富-而在從較深層上涌是自然現(xiàn)象的地方(例如馬尾藻海)，存在豐富的 光合作用。威爾科克斯博士提議大型養(yǎng)殖臺(tái)_通常是100，000英畝-其每一者將由具有數(shù) 米的柵格間距的巨大“網(wǎng)”構(gòu)成，所有植物將附加到所述網(wǎng)上。威爾科克斯博士證明如果將 養(yǎng)殖臺(tái)錨定在海底且其必須耐受水流、波浪及風(fēng)暴的力，則此培養(yǎng)基的成本將昂貴得多。替 代地，他設(shè)想自由漂浮且使用推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生細(xì)微控制以保持其在海洋中以大的漩渦模式 旋轉(zhuǎn)的養(yǎng)殖臺(tái)。盡管威爾科克斯博士表明在制作得足夠大時(shí)此類養(yǎng)殖臺(tái)可以為經(jīng)濟(jì)型的，但他 警告到(參見(jiàn)“熱室地球”，威爾科克斯，霍華德，A，普雷格1975)仍存在石油輸出國(guó)組織 (OPEC)的石油生產(chǎn)者可能且曾經(jīng)通過(guò)其對(duì)能量?jī)r(jià)格的完全控制有系統(tǒng)地將任何新的替代 能源驅(qū)逐出市場(chǎng)的基本問(wèn)題。由于那時(shí)對(duì)于某些國(guó)家生產(chǎn)一桶石油的成本接近0. 25美元， 且其售出20美元或更多，因此OPEC國(guó)家(尤其是沙特阿拉伯)可操控能量的價(jià)格以使得 任何對(duì)替代能源的投資都可能受到有系統(tǒng)的破壞或廢除。威爾科克斯博士注意到任何新生 的替代能源要想繁盛必須得到政府法令的保護(hù)。海洋養(yǎng)殖的特定優(yōu)點(diǎn)是海洋中的水面區(qū) 域是“免費(fèi)的”，培養(yǎng)所述植物所需的必要營(yíng)養(yǎng)僅在日光照射表面水以下幾百米處，所產(chǎn)生 的生物質(zhì)成為現(xiàn)有食物及能量?jī)烧叻峙渚W(wǎng)絡(luò)的幾乎理想給料，及這些植物的生長(zhǎng)沒(méi)有導(dǎo)致 溫室氣體的凈產(chǎn)生或熱污染。使用這種生物質(zhì)作為食物是吸引人的，因?yàn)楦稍锏暮Ｔ蹇芍?接喂給養(yǎng)殖臺(tái)動(dòng)物，替代當(dāng)前比石油貴得多出售的給料。可僅在幾周內(nèi)以極高的效率將海 藻直接堆肥化處理成天然氣，且所得的天然氣可注入到分配網(wǎng)或可容易地轉(zhuǎn)化成汽油、噴 氣燃料或其它常見(jiàn)石化商品。威爾科克斯博士所設(shè)想的巨大海藻養(yǎng)殖臺(tái)的主要問(wèn)題是所述系統(tǒng)的極大資本成 本。為產(chǎn)生凈回報(bào)，威爾科克斯博士所設(shè)想的養(yǎng)殖臺(tái)將必須為極大。此是由于從深處(通常 為300m深)噴出營(yíng)養(yǎng)豐富的水的任何大型上涌設(shè)備的差不多固定最小大小及支配保持養(yǎng) 殖臺(tái)免于擱淺的大型“推進(jìn)器”(柴油或波浪動(dòng)力的推動(dòng)器)的設(shè)計(jì)的縮放規(guī)則所致。威爾 科克斯博士推測(cè)養(yǎng)殖臺(tái)的總效率可能從他和諾斯博士已證明的增加到大約2%，此時(shí)， 他所設(shè)想的大型養(yǎng)殖臺(tái)將是經(jīng)濟(jì)型的。這些養(yǎng)殖臺(tái)的另一主要問(wèn)題是大量冷的深水上涌將 改變海洋的水面溫度且改變水蒸氣或其它氣體在表面水與大氣之間的交換速率。這些改變 對(duì)全球氣候的影響是不可知的，但如果所需農(nóng)場(chǎng)的區(qū)域極大(如果將對(duì)全球食物及能量的 生產(chǎn)存在顯著影響)，則所述影響可能也是大的。因此，期望提供用于海洋生物質(zhì)生產(chǎn)的系統(tǒng)，其即使在相對(duì)小規(guī)模及所證明的日 光到所存儲(chǔ)的化學(xué)能的有效轉(zhuǎn)換時(shí)也是經(jīng)濟(jì)型的，且不需要大量深水以可能對(duì)地球的 氣候具有不可預(yù)見(jiàn)影響的方式上涌到海洋表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)，其包含植物支撐柵格與可潛入水面的拖引系 統(tǒng)，所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)具有用于所述支撐柵格在公海中的導(dǎo)航的構(gòu)件，及用于將 所述支撐柵格定位于用于所述植物的日光暴露的第一浮出水面的位置中及用于由所述植 物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)采集的第二潛入水面的位置中的構(gòu)件。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)并入有連接到所述柵格的 前面外圍的相對(duì)延伸部的兩個(gè)拖船，所述拖船中的每一者并入有用于所述柵格的航行且維 持所述柵格的所述前面外圍中的橫向張力的推進(jìn)系統(tǒng)。另外，反作用船連接到所述柵格的 后面外圍的相對(duì)延伸部。所述反作用船中的每一者并入有用于維持所述柵格的所述后面外 圍中的橫向張力且與所述拖船一致地起反作用以維持所述柵格中的縱向張力的推進(jìn)系統(tǒng)。一種用于收獲多個(gè)獨(dú)立操作的養(yǎng)殖臺(tái)的系統(tǒng)并入有收獲站，其經(jīng)放置或自身定位 以在其出航期間的預(yù)定位置處與所述養(yǎng)殖臺(tái)相會(huì)以收獲且補(bǔ)給所述養(yǎng)殖臺(tái)柵格中所攜載 的植物。與所述收獲站分離或作為其一部分的基站與所述養(yǎng)殖臺(tái)通信以為所述養(yǎng)殖臺(tái)的最 優(yōu)化操作提供相互支持及信息交換。


結(jié)合附圖參照下文詳細(xì)說(shuō)明將更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖 中圖1是根據(jù)本發(fā)明的可潛入水面的養(yǎng)殖臺(tái)的元件的示意圖；圖2是海洋層的圖形；圖3是養(yǎng)殖臺(tái)系統(tǒng)中的可潛入水面的拖引及反作用船的第一實(shí)施例的元件的方 框圖；圖4是用于收獲及支撐的系統(tǒng)元件的元件的方框圖；圖5是所述系統(tǒng)的養(yǎng)殖臺(tái)元件的操作流程圖；及圖6是供用于體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的拖引及反作用船的第二實(shí)施例的圖示表示。
具體實(shí)施例方式參考所述圖式，圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的養(yǎng)殖臺(tái)10。堅(jiān)固中間浮力繩索12與兩個(gè)類 似繩索14形成支撐柵格，所述兩個(gè)類似繩索向后拖帶有在其之間伸展的額外(或許直徑較 小，但也是中間浮力)繩索16。在替代實(shí)施例中，所述支撐柵格可使用以分隔間隔用浮標(biāo)支 撐的線或繩索來(lái)形成以提供大致有中間浮力的柵格。以周期間隔將海生植物18錨定到由 繩索網(wǎng)形成的柵格上(對(duì)于加利福尼亞巨大海藻來(lái)說(shuō)，沿繩索間隔開(kāi)約1米而沿水流向下 間隔開(kāi)10米以適應(yīng)可收獲大小的植物)。在替代實(shí)施例中，所述支撐柵格可使用以分隔間 隔用浮標(biāo)支撐的線或其它高強(qiáng)度細(xì)線來(lái)形成以提供大致有中間浮力的柵格。所述柵格由可 潛入水面的拖引系統(tǒng)推動(dòng)。兩個(gè)拖船20及22 (本發(fā)明的第一實(shí)施例中的機(jī)器人“帆船”) 提供拖引系統(tǒng)的第一元件。兩個(gè)反作用船24及26提供拖引系統(tǒng)的第二元件以通過(guò)相對(duì)于 所述兩個(gè)拖船相對(duì)定位來(lái)形成且維持線中的張力。在一個(gè)替代實(shí)施例中，對(duì)于半剛性柵格 來(lái)說(shuō)可采用單個(gè)拖船及單個(gè)反作用船。在額外的替代實(shí)施例中采用用以實(shí)現(xiàn)對(duì)柵格的必要 控制及導(dǎo)航的可潛入水面的拖引及反作用船的各種數(shù)目及配置的組合。而且，分布在整個(gè)養(yǎng)殖臺(tái)柵格中的配重及軟管饋送的水囊陣列可提供浮力的改變。 如后文將更詳細(xì)地描述，拖船及反作用船為具有受控制壓載能力以將所述柵格定 位于所需深度處的可潛入水面的船。海生植物可在不同時(shí)應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)及日光的情形下有效地 生長(zhǎng)。加利福尼亞理工學(xué)院的惠勒諾斯所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明植物可在晚上沐浴在營(yíng)養(yǎng)豐富的 水中且白天暴露在日光下(僅被營(yíng)養(yǎng)不豐富的水包圍)且其和在同時(shí)獲取所述兩者時(shí)生長(zhǎng) 得一樣好。如同大多數(shù)生物有機(jī)體一樣，海生植物在任何時(shí)候其暴露在營(yíng)養(yǎng)下都采集且存 儲(chǔ)營(yíng)養(yǎng)，以使得存在為了在任何時(shí)候能夠得到能源以使植物進(jìn)行新陳代謝所建立的至少一 適度倉(cāng)庫(kù)。 對(duì)于最初實(shí)例性實(shí)施例，拖船及反作用船采用使用相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的流體層的“帆船，， 推進(jìn)。這些層中最明顯的是空氣/水界面，其中帆船已使用所述兩種流體之間的任何局部 剪切力用于推進(jìn)達(dá)千年。然而，海洋中還存在其相對(duì)運(yùn)動(dòng)可用于推進(jìn)的不同層。圖2顯示 不同緯度處這些層的典型布置。頂層202(即，“混合層”)為營(yíng)養(yǎng)不豐富且還比較深層溫暖 且淡。密度躍層204鄰近混合層且深層206位于密度躍層之下。存在額外局部層(如大氣 中的局部微氣候)且其在可利用時(shí)可用于所需的相對(duì)剪切運(yùn)動(dòng)。在大多數(shù)情況下，這些層 之間的邊界將是相對(duì)明顯的_相差一個(gè)熱及/或鹽度梯度，其造成通常小于幾米厚的幾乎 逐階梯過(guò)渡。圖3表明第一實(shí)施例中的拖船及反作用船的基本配置。每一船300采用桅桿和帆 302 (對(duì)于所顯示的實(shí)施例，其集成為單個(gè)剛性或半剛性組合件)，其在船身304以上延伸以 充當(dāng)翼來(lái)攔截上部層(例如，海洋水面以上的大氣風(fēng))且產(chǎn)生橫向力(空氣動(dòng)力“提升”，只 是“翼”是垂直的，所以“提升”在水平平面中)。龍骨306從船身懸垂到水中，其中船身在 水面處或在潛入水面時(shí)進(jìn)入到下部層，所述龍骨充當(dāng)另一翼來(lái)攔截水層且產(chǎn)生向不同側(cè)的 “提升”向量。將帆連接到龍骨的機(jī)動(dòng)化齒輪組308或附著到其每一者的個(gè)別齒輪組改變帆 與龍骨之間的角度以使得通過(guò)管理來(lái)自帆及龍骨的提升向量來(lái)允許在任何既定方向上的 運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)正常的“航行類型”導(dǎo)航(包含“搶風(fēng)行駛”，如帆船一樣(如果所需運(yùn)動(dòng)為“迎 風(fēng)”))。在替代實(shí)施例中，提供一個(gè)或一個(gè)以上額外的控制面310，其(舉例來(lái)說(shuō))允許龍 骨對(duì)帆的傾翻運(yùn)動(dòng)起反作用，從而將帆保持為比其在正常帆船上要垂直。提供標(biāo)準(zhǔn)的舵控 制件312用于方向控制。提供計(jì)算機(jī)控制的服務(wù)器313用于操作控制面。對(duì)于潛入水面的操作來(lái)說(shuō)，每一船具有浮力控制系統(tǒng)(例如波能供電式空氣壓縮 機(jī)314、水艙316及具有計(jì)算機(jī)控制的閥門320的浮力控制室318)，所述浮力控制系統(tǒng)允許 其“下潛”，從而使整個(gè)養(yǎng)殖臺(tái)潛入水面到和到達(dá)攜載營(yíng)養(yǎng)的海洋層或避免風(fēng)暴或接近的船 只或其它危險(xiǎn)物所必要的深度一樣深。每一船并入有測(cè)力儀(例如，拉力計(jì)量器)324作為其到繩索柵格的附著系統(tǒng)322 的一部分，所述測(cè)力儀用于感測(cè)養(yǎng)殖臺(tái)圍線中的張力以使得所述張力可通過(guò)操縱機(jī)器人帆 船來(lái)管理。無(wú)源張力控制件(例如，彈簧及減震器)325作為附著及張力感測(cè)系統(tǒng)的一部分 包含在內(nèi)以防止瞬間超載(例如，由于波浪作用所致)。釋放機(jī)構(gòu)允許柵格在被阻擋時(shí)從船 釋放以使得可保全對(duì)船的資本投資(其比對(duì)柵格的資本投資大得多)。每一船并入有用于產(chǎn)生并存儲(chǔ)能量的發(fā)電機(jī)326(例如靠近桅桿頂部的小太陽(yáng)能 面板或風(fēng)輪機(jī)或者水中的波能發(fā)電機(jī))。直接或通過(guò)能量存儲(chǔ)器(例如，電池)328使用發(fā)電 機(jī)來(lái)根據(jù)需要操作導(dǎo)航及控制電子器件且還在不存在流體剪切力時(shí)通過(guò)馬達(dá)330提供臨時(shí)推進(jìn)以使線保持緊繃。在實(shí)例性實(shí)施例中導(dǎo)航電子器件包含位于桅桿/帆頂部上的GPS 天線332及用于在水下時(shí)感測(cè)地球的磁場(chǎng)向量的磁羅盤(例如，3軸磁通量傳感器)334。時(shí) 鐘336包含在控制計(jì)算機(jī)338中具有相關(guān)聯(lián)編程的控制電子器件中以預(yù)測(cè)日光照射周期、 布置與總養(yǎng)殖臺(tái)控制系統(tǒng)的通信會(huì)話、計(jì)劃到排定的收獲約定地點(diǎn)的道路等。所述控制計(jì) 算機(jī)另外還控制用于壓載水艙控制的開(kāi)關(guān)、帆、龍骨及舵控制件以針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)導(dǎo)航維持柵 格上的張力從而防止碰撞等。檢測(cè)系統(tǒng)340 (例如，聲感測(cè)、雷達(dá)檢測(cè)及/或來(lái)自控制中心的遠(yuǎn)程感測(cè)報(bào)告)用 來(lái)檢測(cè)風(fēng)暴及接近的船只。提供環(huán)境測(cè)量傳感器342 (例如，溫度、鹽度及/或密度傳感器) 用于檢測(cè)水下的層邊界。采用用于風(fēng)或相對(duì)水定向流動(dòng)的流動(dòng)方向傳感器343來(lái)供計(jì)算機(jī) 進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算以用于帆設(shè)定。提供本地通信鏈路344 (例如，聲通信設(shè)備或嵌入在初級(jí)張力電纜中的電線或光 纖)用于與養(yǎng)殖臺(tái)各角落處的其它機(jī)器人船通信。提供遠(yuǎn)程通信鏈路346 (例如，衛(wèi)星電話 或沖出電離層的低頻率無(wú)線電)用于與一個(gè)或一個(gè)以上控制中心通信，偶爾接收命令及/ 或傳輸狀態(tài)信息。提供中程通信鏈路(例如，聲或無(wú)線電通信設(shè)備或所述兩者)用于與其 它類似養(yǎng)殖臺(tái)通信以防止碰撞及纏結(jié)。圖4中顯示所設(shè)想的本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)且其包含相對(duì)于一個(gè)控制及收獲/補(bǔ)給系 統(tǒng)共同地操作的個(gè)別養(yǎng)殖臺(tái)10，所述系統(tǒng)將包含一個(gè)或一個(gè)以上通信及控制站28及一個(gè) 或一個(gè)以上收獲站30，在所顯示的實(shí)施例中，所述收獲站將類似于大型漁船隊(duì)中所使用的 加工船只。所述收獲站將停留在集中地點(diǎn)或行進(jìn)到集中地點(diǎn)，在此處個(gè)別養(yǎng)殖臺(tái)將以預(yù)定 時(shí)間間隔集合在一起。預(yù)期所述養(yǎng)殖臺(tái)的預(yù)定路線產(chǎn)生從收獲站離開(kāi)且返回到所述收獲站 的回路。針對(duì)所述回路的導(dǎo)航計(jì)劃將包含輔助海洋水流數(shù)據(jù)且將在出航期間由個(gè)別養(yǎng)殖臺(tái) 上的控制系統(tǒng)重新計(jì)算及/或從集中控制站輸入。將收獲附加到繩索柵格的植物，其結(jié)果 是將所獲得的生物物質(zhì)轉(zhuǎn)移到收獲站以進(jìn)行處理及/或運(yùn)輸。如果采用不損害柵格上的植 物的附著及本體的收獲方法，則養(yǎng)殖臺(tái)返回其預(yù)定航行站以進(jìn)行下一輪生長(zhǎng)循環(huán)。如果收 獲導(dǎo)致從柵格完全移除成熟植物，則收獲站通過(guò)將不成熟植物“秧苗”附著到柵格上來(lái)對(duì)養(yǎng) 殖臺(tái)進(jìn)行“重新種植”。然后，養(yǎng)殖臺(tái)開(kāi)始其出航以形成新的植物生長(zhǎng)。然后收獲站航行到卸載港口 32或從收獲站卸載所述生物質(zhì)以運(yùn)輸?shù)叫遁d港口的 特定運(yùn)輸船只34。所產(chǎn)生的生物質(zhì)然后可供作為能量給料或食物原料來(lái)處理。圖5提供操作所揭示實(shí)施例所定義的系統(tǒng)的養(yǎng)殖臺(tái)元件的流程圖。每一養(yǎng)殖臺(tái)將 以預(yù)定操作航行模式自定位502。在大多數(shù)情況下，所述航行模式遵循大規(guī)模公海環(huán)流模式 以從自然發(fā)生的水流獲得輔助來(lái)促進(jìn)其出航。然后，養(yǎng)殖臺(tái)在夜間通過(guò)允許水進(jìn)入每一船 504的壓載水艙來(lái)使整個(gè)系統(tǒng)稍微有負(fù)浮力來(lái)潛入水面。如果養(yǎng)殖臺(tái)是如此裝備，則也將使 分布式浮標(biāo)中的壓載水艙具有負(fù)浮力。其將下潛直到其感測(cè)到(例如，通過(guò)溫度、鹽度或水 密度測(cè)量)其已穿透到所假定的富營(yíng)養(yǎng)層的邊界506。其將夜晚花費(fèi)在調(diào)整浮力以剛好保 持在所述邊界以下508，從而允許嚙合到養(yǎng)殖臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的植物灌輸營(yíng)養(yǎng)。潛入水面時(shí)的導(dǎo) 航可通過(guò)深度控制以允許船身的精確放置且主要是在一個(gè)層中的龍骨及上升到鄰接層中 的桅桿及帆組合件的精確放置來(lái)實(shí)現(xiàn)。由所述層產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及剪切力提供推進(jìn)力以用 于維持針對(duì)柵格拉緊以及養(yǎng)殖臺(tái)作為整體的定向運(yùn)動(dòng)的拖引及反作用船的位置以替代或 補(bǔ)充先前所述的臨時(shí)推進(jìn)馬達(dá)。在大約黎明時(shí)(基于其時(shí)鐘及對(duì)其近似緯度的了解)，使用所存儲(chǔ)的能量(例如，通過(guò)壓縮空氣或電池)，所述船從壓載水艙移除一些水以上升510。 再次，如果柵格也是如此裝備，則將通過(guò)相同方法使分布式浮標(biāo)具有正浮力。隨著養(yǎng)殖臺(tái)接近水面，其感測(cè)(例如，通過(guò)聲感測(cè))可能損壞養(yǎng)殖臺(tái)的相沖突的海 洋系統(tǒng)(例如，接近的船只)的可能性512，且保持潛入水面514在一安全深度處直到相沖 突的目標(biāo)過(guò)去為止。通過(guò)比較養(yǎng)殖臺(tái)各角落處的機(jī)器人船之間的聲數(shù)據(jù)到達(dá)階段，可獲得 準(zhǔn)確的方向信息。如果接近的船只保持為恒定船向，則其在碰撞路線上。類似的聲感測(cè)及 波浪高度感測(cè)可用于檢查水面處是否存在強(qiáng)烈風(fēng)暴，其可損壞帆或其它裝備。同樣，如圖4 中所顯示的中央養(yǎng)殖臺(tái)控制站28可提前數(shù)天通知養(yǎng)殖臺(tái)所預(yù)測(cè)的風(fēng)暴，因此其知曉應(yīng)保 持為潛入水面。假設(shè)不存在接近的船只及所估計(jì)風(fēng)是可接受的，則養(yǎng)殖臺(tái)將在大約日出時(shí) 浮出水面516。帆的尖端將首先穿透水面，從而暴露GPS接收天線、風(fēng)速率及風(fēng)向傳感器以 及通信天線。如果所測(cè)量的風(fēng)速比以聲方式估計(jì)的速度大得多，且處于不安全等級(jí)，則機(jī)器 人船可在不將滿帆暴露于風(fēng)中的情形下再次潛入水面。如果風(fēng)速及波浪高度是安全的，則 可更完全地排空壓載水艙以將整個(gè)帆暴露于風(fēng)中。控制計(jì)算機(jī)采用風(fēng)向傳感器來(lái)激活齒 輪驅(qū)動(dòng)以在帆從水中出來(lái)時(shí)使其指向正確方向518，從而確保沒(méi)有過(guò)多的力被加到帆、龍骨 或張力線上。船上的所述GPS傳感器將確定養(yǎng)殖臺(tái)的精確位置及定向520。通信天線將允 許與養(yǎng)殖臺(tái)控制中心交換信息522，包含但不限于養(yǎng)殖臺(tái)的狀態(tài)及位置、所記載的水柱傳感 器數(shù)據(jù)及從養(yǎng)殖臺(tái)的桅桿頂頭拍攝的圖像(如果帶寬準(zhǔn)許的話)的傳輸，及更新的天氣預(yù) 報(bào)、海洋水流預(yù)報(bào)、特定區(qū)域中大型船只的預(yù)期移動(dòng)、對(duì)收獲集合點(diǎn)的時(shí)間及地點(diǎn)的更新等 的接收。在一整天中，所述船將監(jiān)視風(fēng)速及風(fēng)向以控制養(yǎng)殖臺(tái)524 (通過(guò)改變帆與龍骨之間 的角度)以保持在期望的海洋環(huán)流中且在期望的時(shí)間到達(dá)收獲點(diǎn)。機(jī)器人船還將使用傳感 器數(shù)據(jù)(包含聲接收器且或許還與雷達(dá)接收器一起)感測(cè)接近的船只，以便可執(zhí)行逃避性 的潛入水面526。如果風(fēng)速或波浪高度上升到危險(xiǎn)等級(jí)，則養(yǎng)殖臺(tái)也將潛入水面。在任何情 況下，在一天的結(jié)束時(shí)，養(yǎng)殖臺(tái)將潛入水面且將重復(fù)所述過(guò)程。預(yù)期的升高或下降速率將為 約0. lm/s,因此，潛入水面或上升300米將花費(fèi)大約1小時(shí)。在預(yù)定出航模式結(jié)束時(shí)，養(yǎng)殖 臺(tái)將與收獲站528相會(huì)或行進(jìn)到所述收獲站。作為本文所揭示的實(shí)施例的實(shí)例，整個(gè)養(yǎng)殖臺(tái)需要以與或許0. lm/s(0. 2節(jié))的盛 流成適當(dāng)?shù)慕嵌炔倏v以能夠保持在海洋的主要環(huán)流漩渦中且導(dǎo)航到收獲點(diǎn)。對(duì)于此系統(tǒng)， 假設(shè)阻力系數(shù)為2.0、水的密度為1026kg/m3 (海水)且典型的速度為0. lm/s (0. 2節(jié))。假 設(shè)養(yǎng)殖臺(tái)可近似為每一側(cè)的長(zhǎng)度為S的正方形，則其具有面積S2。如果每株植物覆蓋10m2， 那么對(duì)于具有P株植物的養(yǎng)殖臺(tái)來(lái)說(shuō)，可具有IOP = S2或S = 3. 2P172米。因此，養(yǎng)殖臺(tái)為 3. 2P172寬(以米為單位)乘以約1米深(例如，在吸收日光時(shí)使柵格浮動(dòng)在水面處或其附 近)。正面面積為3. 2P"2m2，因此養(yǎng)殖臺(tái)的阻力系數(shù)近似為F = 72pV2ACd= (0. 5) (1026) (0. I2) (3. 2P172) (2) 32. 8P172 牛頓。公海范圍中的典型風(fēng)速為大約8m/s (16節(jié))。長(zhǎng)度為L(zhǎng)的翼使大約L2A的有效橫 截面的氣流偏斜。因此對(duì)于海平面處的為1. 29kg/m3的空氣密度P來(lái)說(shuō)，由翼產(chǎn)生的力將 為F = 72pV2(L2/2) - 20L2的某一小倍數(shù)，其中L以米為單位且F以牛頓為單位。因此， 如果以0. 2節(jié)的平均速度拖拉P株植物花費(fèi)32. 8P172牛頓，則其需要高度L 0. 9IP174的兩 個(gè)帆。因而，所需帆高度大致隨著養(yǎng)殖臺(tái)中的植物數(shù)目的四次方根增長(zhǎng)。由于桅桿及帆的 成本最多隨著高度的三次方增長(zhǎng)(所有尺寸均勻縮放且假設(shè)成本與質(zhì)量呈比例)，因此此有利于大型養(yǎng)殖臺(tái)。裝備有5米桅桿及帆的拖船可能花費(fèi)幾千美元的成本(基于商業(yè)帆船 供應(yīng)商數(shù)據(jù))，且將支撐具有約930株植物的養(yǎng)殖臺(tái)，所述植物以1 %效率轉(zhuǎn)化日光，按能量 值計(jì)算每年產(chǎn)生總收入7，800美元(或如果作為食物出售或牲畜飼料將更多)。10米桅桿 及帆可能花費(fèi)稍微多于10，000美元的成本，且支撐具有超過(guò)14，600株植物的養(yǎng)殖臺(tái)，所述 植物按能量值計(jì)算每年產(chǎn)生總收入123，000美元。以0. lm/s垂直移動(dòng)養(yǎng)殖臺(tái)所需的以牛頓為單位的浮力將大于以所述相同速度水 平拖引養(yǎng)殖臺(tái)所需的力，這是因?yàn)轲B(yǎng)殖臺(tái)在下潛及浮出水面操作期間投射比其正面面積 大的面積。如果假設(shè)植物的阻礙處于支配地位且每株植物在垂直運(yùn)動(dòng)的方向上投射Im2 的面積，那么整個(gè)養(yǎng)殖臺(tái)的面積為P，因此阻力F = V2PV2ACd = (0. 5) (1026) (0. I2) (P) (2) ^ 10.3P牛頓。對(duì)于具有930株植物的養(yǎng)殖臺(tái)(船只上桅桿為5米)，此在四個(gè)角落上 的船中的每一者上需要容積為士0. 24m3的壓載水艙以產(chǎn)生必要的浮力變化。由于壓載水艙 的容積隨著植物數(shù)目的增加而線性增長(zhǎng)，但船的大小隨著植物數(shù)目的增加相當(dāng)慢地增長(zhǎng)， 因此存在最優(yōu)點(diǎn)，在這一點(diǎn)處，壓載水艙占用船的容積的合宜分?jǐn)?shù)。具有比最優(yōu)數(shù)目多的植 物的養(yǎng)殖臺(tái)將需要具有超大船身(相比于其帆大小來(lái)說(shuō))的船來(lái)適應(yīng)所需大型壓載水艙。圖6顯示養(yǎng)殖臺(tái)系統(tǒng)中的拖引及反作用船的替代配置。船602使用由電池存儲(chǔ)系 統(tǒng)606電驅(qū)動(dòng)的常規(guī)推動(dòng)器或噴射驅(qū)動(dòng)驅(qū)使物604來(lái)操作。太陽(yáng)能陣列608存在于船的 上部甲板上，其為用于推進(jìn)及總系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)需要提供充分電力產(chǎn)生能力。為使用每一 者具有Im2的有效橫截面的四個(gè)推動(dòng)器在柵格角落上產(chǎn)生32. 8P172牛頓的力(如在段落32 中所推導(dǎo)出的)將需要每一推動(dòng)器產(chǎn)生速率為V= (32. 8/(4*1026)) 172P174^O. 09P1/4 ^ 噴射。對(duì)于具有930株植物的養(yǎng)殖臺(tái)，此暗指大約0.5m/s的噴射速率。每一噴射中的功率 (以100%效率轉(zhuǎn)化)為大約62W。較大的推動(dòng)器將需要較小的功率來(lái)產(chǎn)生既定等級(jí)的推 力，正如拖拽船的大型推動(dòng)器足夠以適中的功率緩慢地移動(dòng)巨大船只。假設(shè)圖6中所顯示 的配置必須使用僅在(例如)三分之一的時(shí)間可獲取的太陽(yáng)能連續(xù)產(chǎn)生此推力，則太陽(yáng)能 陣列將需要具有至少200W的頂峰功率輸出且電池將需要具有大約2000Wh的容量(全部針 對(duì)具有930株植物的養(yǎng)殖臺(tái))?；诟鞣N成本的當(dāng)前可購(gòu)得技術(shù)的性能范圍，具有200W輸 出的太陽(yáng)能陣列將具有大約1到3m2的面積，且所述電池將具有大約20到IOOkg的質(zhì)量。在其它替代實(shí)施例中，使用風(fēng)輪機(jī)或波能發(fā)電機(jī)給水面下推動(dòng)器供電(與帆船或 太陽(yáng)能發(fā)電的推動(dòng)器不同)的風(fēng)或波能供電的船提供拖引及反作用船。使用其中拖引及反作用船與植物支撐柵格一起潛入水面的拖引系統(tǒng)提供天氣及 交通避免功能。然而，本發(fā)明的替代實(shí)施例提供受控的潛入水面系統(tǒng)，其位于植物支撐柵格 上且具有來(lái)自船的相關(guān)聯(lián)可延伸支撐件。圖7中顯示此實(shí)施例的實(shí)例。拖船702及反作用 船704每一者采用附著到植物支撐柵格710的絞盤706及纜繩708。浮標(biāo)712并入有壓載 水艙714以維持支撐柵格潛入水面到富營(yíng)養(yǎng)層的所需浮力。用于給壓載水艙注水以潛入水 面的計(jì)算機(jī)控制的閥門716及來(lái)自所述船中的一者或一者以上之上的加壓源的壓縮空氣 管線718提供將水從壓載水艙排出到水面。柵格上的傳感器720提供層組成到計(jì)算機(jī)722 的通信以用于壓載控制?，F(xiàn)已根據(jù)專利法規(guī)的要求對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將能認(rèn)識(shí) 到本文所揭示特定實(shí)施例的修改形式及替代形式。這些修改形式均涵蓋于如以上權(quán)利要求 書(shū)所界定的本發(fā)明范圍及意圖內(nèi)。
10
權(quán)利要求
一種機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)，其包括植物支撐構(gòu)件(10)；可潛入水面的拖引系統(tǒng)(20、22、24、26)，其具有用于所述植物支撐構(gòu)件在公海中的導(dǎo)航的構(gòu)件(302)，及用于將所述植物支撐構(gòu)件定位于用于附著到所述植物支撐構(gòu)件的植物的日光暴露的第一浮出水面的位置中及用于由所述植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)采集的第二潛入水面的位置中的構(gòu)件(318)。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)，其中所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)包括連接到支撐柵格(12、14、16)的前面外圍的至少一個(gè)拖船(20、22)，所述拖船中的每一 者并入有用于所述柵格的導(dǎo)航且維持所述柵格的所述前面外圍中的橫向張力的推進(jìn)系統(tǒng) (302)；及連接到所述支撐柵格的后面外圍的至少一個(gè)反作用船(24、26)，所述反作用船中的每 一者并入有用于維持所述柵格的所述后面外圍中的橫向張力且與所述拖船一致地起反作 用以維持所述柵格中的縱向張力的推進(jìn)系統(tǒng)(302)。
3.如權(quán)利要求2所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)，其中所述至少一個(gè)拖船(20、22)并入有用 于針對(duì)定向推力的空氣動(dòng)力及液體動(dòng)力剪切力分解的可調(diào)節(jié)帆(302)及龍骨(306)。
4.如權(quán)利要求2所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)，其中所述至少一個(gè)反作用船(24、26)并入 有用于針對(duì)定向推力的空氣動(dòng)力及液體動(dòng)力剪切力分解的可調(diào)節(jié)帆(302)及龍骨(306)。
5.如權(quán)利要求2所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)，其中所述至少一個(gè)拖船及所述至少一個(gè)反 作用船每一者并入有用于與其它船通信的構(gòu)件(344)。
6.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)，其中可潛入水面的拖引構(gòu)件包含用于使所 述柵格潛入水面的壓載水艙(318)。
7.一種機(jī)器人海洋養(yǎng)殖系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)植物支撐柵格(12、14、16)；可潛入水面的拖引系統(tǒng)，其具有用于所述至少一個(gè)支撐柵格在公海中的沿預(yù)定路徑的導(dǎo)航的構(gòu)件(20、22、24、26)，及 用于將所述至少一個(gè)支撐柵格定位于用于植物的日光暴露的第一浮出水面的位置中及用 于由所述植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)采集的第二潛入水面的位置中的構(gòu)件(318)；可定位于預(yù)定點(diǎn)處以用于與所述植物柵格相互作用的收獲站(30)。
8.如權(quán)利要求7所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖系統(tǒng)，其中所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)包括連接到所述柵格的前面外圍的相對(duì)延伸部的至少兩個(gè)拖船(20、22)，所述拖船中的每一者并入有用于所述柵格的導(dǎo)航且維持所述柵格的所述前面外圍中的橫向張力的推進(jìn)系 統(tǒng)(302)；及連接到所述柵格的后面外圍的相對(duì)延伸部的至少兩個(gè)反作用船(24、26)，所述反作用 船中的每一者并入有用于維持所述柵格的所述后面外圍中的橫向張力且與所述拖船一致 地起反作用以維持所述柵格中的縱向張力的推進(jìn)系統(tǒng)(302)。
9.如權(quán)利要求8所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖系統(tǒng)，其中所述拖船中的每一者并入有用于針 對(duì)定向推力的空氣動(dòng)力及液體動(dòng)力剪切力分解的可調(diào)節(jié)帆(302)及龍骨(306)。
10.如權(quán)利要求8所述的機(jī)器人海洋養(yǎng)殖系統(tǒng)，其中所述反作用船中的每一者并入有 用于針對(duì)定向推力的空氣動(dòng)力及液體動(dòng)力剪切力分解的可調(diào)節(jié)帆(302)及龍骨(306)。
11.一種用于海洋養(yǎng)殖的方法，其包括以下步驟提供植物支撐柵格及可潛入水面的拖引系統(tǒng)，所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)具有用于 所述支撐柵格在公海中的導(dǎo)航的構(gòu)件，及用于將所述支撐柵格定位于用于植物的日光暴露 的第一浮出水面的位置中及用于由所述植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)采集的第二潛入水面的位置中的構(gòu) 件；以預(yù)定操作航行模式定位所述植物支撐柵格；通過(guò)允許水進(jìn)入每一船的壓載水艙而在晚間使所述植物支撐柵格潛入水面直到穿透 到富營(yíng)養(yǎng)層的邊界，從而允許嚙合到養(yǎng)殖臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的所述植物灌輸營(yíng)養(yǎng)；在大約黎明時(shí)使所述植物支撐柵格浮出水面；及導(dǎo)航水面上的所述植物支撐柵格以允許由所述支撐柵格上的所述植物進(jìn)行光合作用。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述航行模式遵循大規(guī)模公海環(huán)流模式以從自然 發(fā)生的水流獲得輔助來(lái)促進(jìn)所述植物支撐柵格及可潛入水面的拖引系統(tǒng)的出航。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其在所述潛入水面的步驟之后進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)浮力以 保持在所述富營(yíng)養(yǎng)層邊界以下的步驟。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)包含具有用于針對(duì)定 向推力的空氣動(dòng)力及液體動(dòng)力剪切力分解的可調(diào)節(jié)帆及龍骨的至少兩個(gè)拖船，且所述潛入 水面的步驟之后是在潛入水面時(shí)的導(dǎo)航步驟，所述在潛入水面時(shí)的導(dǎo)航步驟是通過(guò)深度控 制以允許所述拖船的船身的精確放置且主要是一個(gè)層中的所述龍骨與上升到鄰接層中的 所述帆的精確放置。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述浮出水面的步驟進(jìn)一步包括以下步驟在所述養(yǎng)殖臺(tái)接近水面時(shí)感測(cè)可損壞所述支撐柵格及拖引系統(tǒng)的相沖突的海洋系統(tǒng)的可能性，所述相沖突的海洋系統(tǒng)例如是接近的船只；及保持潛入水面一安全深度處直到所述相沖突的海洋系統(tǒng)過(guò)去為止。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)并入有每一者具有聲 感測(cè)的多個(gè)機(jī)器人船，且作為所述感測(cè)步驟的一部分所述方法進(jìn)一步包括比較所述支撐柵 格的各角落處的所述機(jī)器人船之間的聲數(shù)據(jù)到達(dá)階段以用于獲得所述相沖突的海洋系統(tǒng) 的準(zhǔn)確方向信息。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述浮出水面的步驟的一部分包括以下步驟以帆尖端穿透水面，從而暴露風(fēng)速與風(fēng)向傳感器；如果所測(cè)量的風(fēng)速處于不安全等級(jí)，則在不將滿帆暴露于風(fēng)中的情形下再次潛入水如果所述風(fēng)速為安全的，則將整個(gè)帆完全暴露于風(fēng)中；通過(guò)控制計(jì)算機(jī)采用所述風(fēng)向傳感器來(lái)激活齒輪驅(qū)動(dòng)以在所述帆從水中出來(lái)時(shí)使其 指向正確方向，從而確保沒(méi)有過(guò)多的力被加到所述帆、所述龍骨或張力線上。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述可潛入水面的拖引系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接到所 述柵格的后面外圍的相對(duì)延伸部的至少兩個(gè)反作用船且所述方法進(jìn)一步包括以下步驟 使用所述反作用船維持所述柵格的所述后面外圍中的橫向張力；及 與所述拖船一致地起反作用以維持所述柵格中的縱向張力。
全文摘要
機(jī)器人海洋養(yǎng)殖臺(tái)包含植物支撐柵格，與用于將支撐柵格定位于用于日光暴露的第一浮出水面的位置中及用于營(yíng)養(yǎng)采集的第二潛入水面的位置中的可潛入水面的拖引系統(tǒng)。所述拖引系統(tǒng)并入有連接到所述柵格的前部的用于導(dǎo)航及維持橫向張力的拖船。反作用船連接到所述柵格的后面外圍。收獲站經(jīng)放置以在出航期間的若干個(gè)位置處與所述養(yǎng)殖臺(tái)相會(huì)?；九c所述養(yǎng)殖臺(tái)通信以為所述養(yǎng)殖臺(tái)的操作提供相互支持及信息交換。
文檔編號(hào)B63B21/24GK101925508SQ200880125683
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者布賴恩·H·威爾科克斯 申請(qǐng)人:布賴恩和辛西婭威爾克科斯信托公司