浮力致動器的制造方法
【專利摘要】一種浮力致動器(10)，其用在利用海洋波能產生動力并將所利用的波能轉換成高壓海水的裝置(11)中。該浮力致動器(10)包括主體(21)，該主體(21)形成具有柔韌外殼(27)的腔體(23)。所述腔體(23)適于容納物質，而所述本體(21)的流體動力性能通過改變腔體(23)內的物質而被可選擇地改變。流體動力性能的改變可以包括浮力的改變(增加或者減少)，或本體(21)的響應區(qū)域的改變(例如體積或形狀)，也可以是這些改變的組合。所述物質的改變可以包括將物質添加到所述腔體(23)中，或將所述腔體(23)中的物質提取出來。該物質可以包括固體、液體或氣體，也可以是它們的任意組合。在所示出的布置方式中，所述物質包括泡沫球體(53)。所述外殼(27)通過內部泡沫球體(53)的向外壓力被拉到繃緊狀態(tài)，致使所述致動器呈現(xiàn)其設計的形狀。被所述泡沫球體(53)所占據(jù)的體積總量仍舊小于腔體(23)的封閉容積總量，并且在每個球體(53)周固有間隙區(qū)域(55)。該間隙區(qū)域(55)可以充滿流體以調整浮力。
【專利說明】浮力致動器
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00780049172.6，申請日為2007年11月02日，發(fā)明名稱為“浮力致動器”的發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及波動能量的提取，更特別地，涉及對波動產生反應的浮力致動器以及該致動器的操作方法。本發(fā)明同樣涉及波能轉換系統(tǒng)和該系統(tǒng)的操作方法。
[0003]盡管并非一定是獨一無二地，本發(fā)明被特別地設計成能針對波動作出反應并將波動結合到可操作的裝置上的致動器。本發(fā)明致動器的一種特別應用涉及海洋波能的利用和將被利用的能量轉換成驅動能量轉換裝置的線性運動，該轉換裝置例如可以是流體泵或線性發(fā)電機。在這樣的布置中，該致動器可以被可操作地連接到能量轉換裝置，該致動器懸浮在所述轉換裝置上方的海水體中，但一般位于水面下方。通過該布置，波動的動力提升被轉換成用于操作能量轉換裝置的單軸力。
[0004]本發(fā)明實際上包括浮標，該浮標在某些情況下被當成致動器，因為該浮標具有水體上擾動的大部分波長的尺寸，并且在靠近水體表面處攔截大部分波動的能流。
【背景技術】
[0005]獲取海洋波的能量是世界上迅速發(fā)展起來的業(yè)務，大量商業(yè)的波能裝置在海上試驗并進行小規(guī)模的商業(yè)應用。這些裝置中比較重要的一類是通過轉變海洋的升降運動來進行操作以產生機械裝置的線性運動，該機械裝置隨后被用于驅動能量轉換裝置(例如流體泵或線性發(fā)電機)。
[0006]對于通過反滲透膜來直接脫鹽和制造電力的高壓海水來說，波能的獲取和轉化是幾個早期建議的焦點，這些建議尤其包括在PCT/AU2006/001187中公開的建議，在此處其內容通過引用的方式被并入。
[0007]在海洋環(huán)境中技術的成功應用、操作和維護所遇到的問題被那些從事近海工業(yè)的人，特別是從事石油和天然氣工業(yè)的人所了解，并且該知識能夠被應用到如海洋波能轉換這樣的新技術中。最初的海洋能量系統(tǒng)的工程設計是十分復雜的任務，其需要探尋最大的能量獲取和轉換，同時要將結構的成本保持在合理的水平，并且要保證所有者的花費在整個技術生命周期中是可以接受的。在維護成本方面，必須對關鍵受損部件的可靠性和系統(tǒng)的故障模式有徹底的了解。
[0008]如何控制暴風雨環(huán)境的問題可能也需要被提及。特別地，需要波能轉換系統(tǒng)能夠響應海水狀態(tài)的變化，并且在超過最大運行水平時，其能夠回復成安全備用模式，優(yōu)選地，其能夠自動回復。一旦海水狀態(tài)已經退回到正常運行水平，該裝置理想地應該自身重新裝配以用于正常操作，優(yōu)選地，其會自動重新裝配。由例如暴風雨事件引起的任何對部分機械的持續(xù)傷害不應該阻止裝置的剩余功能部分的運行。換而言之，波能轉換系統(tǒng)的所有故障模式都應該是“軟”的。
[0009]浮力致動器具有這些特征將會是十分有利的。[0010]浮力致動器可以是大型實體結構，該結構的直徑或線性尺寸范圍達到10米，并且排水體積達到一千立方米。為了滿足大規(guī)模商業(yè)的電力需要，波能設備會需要包括大量(通常為數(shù)百個)這樣的致動器，該致動器用于一批數(shù)百個的海水泵或能量轉換裝置。當個別裝置具有大概是一兆瓦的功率輸出能力而整個元件場地具有幾百兆瓦的瞬時輸出功率時，這批裝置有必要按比例提升功率輸出。
[0011]將數(shù)百個浮力致動器運輸?shù)綉梦恢脮斐珊艽蟮睦щy，并且如果它們不得不以實際尺寸來運輸，將花費巨大。
[0012]同樣十分有利的是，浮力致動器在陸地上被制造，并隨后被折疊和包裝以用于將其運輸?shù)浇Ｎ恢茫诖烁×χ聞悠骺杀慌渲贸蓪嶋H尺寸并在之后被應用。
[0013]本發(fā)明針對【背景技術】產生。

【發(fā)明內容】

[0014]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種響應波動的浮力致動器，該浮力致動器包括本體，該本體形成了用于容納物質的腔體，所述本體的流體動力性能可通過改變腔體內的物質來有選擇地變化。
[0015]流體動力性能的變化可以包括浮力的變化(增加或者減少(either positivelyor negatively)),或者本體的響應區(qū)域的變化(例如體積或形狀)，也可以是這兩種變化的組合。
[0016]所述物質的變化可以包括向腔體添加物質或從腔體中取出物質。
[0017]所述物質可以包括固體、液體或氣體，也可以是這些物質的組合。
[0018]該物質可以采用任何合適的形式。舉例來說，該物質可以由空氣、水(特別包括從致動器的運行環(huán)境中提取的水)構成，或者由一個或多個固體插入物構成，例如固體球體或其它分離元件，也可以是這些物質的組合。
[0019]添加到腔體中的物質的形式可以與該腔體中已經存在的物質相同，也可以不同。舉例來說，在一種布置中，在腔體內已經存在一些海水(也可能組合有一個或多個其它形式的物質)的情況下，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沒有包括海水的情況下，可以將海水添加到該腔體中。
[0020]在腔體中所容納的物質包括多種形式的情況下，從所述腔體中取出的物質可以包括任何一個或多個所述形式。
[0021]當該浮力致動器被應用時，其優(yōu)選定位在水下并距水面一最小距離，從而該致動器總是被淹沒在水中，除非在異常的大洋中。
[0022]最理想的情況是，浮力致動器定位在水柱中的一位置處，在該位置該致動器能攔截最多的能量，并且在波能設備的整個運行過程中能保持該致動器完全被淹沒在水中，只有當海洋中波谷通過期間超過了裝置的運行限制，該致動器才會顯露出來。因此，該浮力致動器需要在一深度處被應用，從而致動器的上表面一般會在中性水線下方幾米處。而且，浮力致動器與機械裝置的組合優(yōu)選形成了最小總長，該機械裝置(例如泵)與浮力致動器可操作地連接在一起，影響到水深運用的該最小總長優(yōu)選不少于10米并且不大于100米。
[0023]浮力致動器的形狀可能也是本發(fā)明的重要特征。計算流體動力學(CFD)已經被廣泛地應用以確定在能量獲取方面何種形狀能產生最佳效果。當CFD分析被應用到尺寸小于或等于四分之一波長(該標準被稱為“點吸收體(point absorber)")的致動器設計時，該CFD分析會排除任何寬厚比過度的致動器形狀。因此以點吸收體的觀點來看，罩蓬狀或降落傘狀致動器作為能量聚集裝置效率較低。當允許較薄的罩蓬狀吸收體在點吸收體規(guī)則外延伸時，即當較薄的罩蓬狀吸收體的長度大于四分之一波長時，這一結論將不適用于較薄的罩蓬狀吸收體(例如在前述PCT/AU2006/001187文件中所提到的)。在這些情況中，優(yōu)化操作是不同的并且罩蓬結構是有用的。而且，罩蓬保留了多個連接點，從而其不易于旋轉。
[0024]對于點吸收體，CFD分析指出球體、短倒錐體或短圓柱體是帶有單個系繩的浮力致動器的適合形狀。CFD分析證實了形狀上越長越薄，則越多的能量能夠被轉換成浮力致動器的旋轉，由此不會在系繩中產生有用的張力并且會導致結合了波浪擾動的較低能量，該系繩可操作地將浮力致動器與機械裝置連接?？紤]到球形的對稱性，球形是比較理想的形狀，因為在波浪擾動和浮力致動器間沒有旋轉結合，由此可知，升降力被最大地轉換成系繩上的線性張力。
[0025]當其它的因素例如工藝性和穩(wěn)健性也被考慮的時候，球體、短圓柱體和短倒錐體之間在能量聚集性能上的區(qū)別并沒有大到把這些形狀排除在球體之外。因此，有一系列的形狀具有可接受的能量聚集性能和可接受的穩(wěn)健性等級。
[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，該薄膜適于對本體內的物質變化作出響應并產生偏斜。該偏斜能夠使得本體的流體動力性能產生變化。
[0027]優(yōu)選地，所述外殼形成了一個空腔，該空腔構成了腔體并且能夠通過接口與周圍的海水相連通。該空腔可以包括封閉的水密空腔。腔體的水密并非必要，只要可以在正常運行期間保持和隔離內部的海水體積且具有最小漏出量，從而其如同系留塊般相抵于致動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構。通過此布置，所述腔體可以通過大致球形的壁結構形成，該結構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而成。
[0029]該壁結構可以進一步包括在本體上下位置間延伸的加固裝置。該加固裝置可以包括多個加固帶，其具有卡箍結構，沿著表面圓周延伸并穿過所述上下位置。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成。
[0030]在本體上底部位置處可以設置定位點，該定位點用于將浮力致動器拴在適當位置處。在本體上頂端處可以設置提升點。
[0031]所述定位點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行過程中承受著負載。當浮力致動器通過波動被提升時，該加固帶繃緊，并且張力通過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械裝置。在波浪通過后，浮力致動器受到由下方機械裝置所施加的回復力的影響而下落，并導致下部孔眼上的負載減小，加固帶收縮。
[0032]由于此設置，致動器中有一些彈性，從而當波浪的提升力拖拉系繩時，能夠有一些對波浪負載的緩沖。
[0033]容納在大致球形腔體中的物質可以包括被放入的浮力物質，這些浮力物質用來向致動器提供必要的浮力。該物質可以是任何密度小于致動器附近的流體密度的材料和物質。該物質可以任何適當?shù)姆绞椒湃肭惑w內，例如通過設置在外殼上的接口。
[0034]優(yōu)選地，該物質包括泡沫材料。該泡沫材料可以由泡沫球體構成。
[0035]該腔體可以被填充泡沫球體，使得致動器的外殼被內部泡沫球體的向外的力拉到緊繃的狀態(tài)，從而促使該致動器呈現(xiàn)其設計的形狀。泡沫球體相互之間可以接觸以能夠相互抵靠著滾動。該球體可以共同地作用以保持致動器的外形，并且在仍舊保持著致動器的形狀的情況下，該球體受致動器上外力的影響彼此抵靠著滾動。由于此布置，球體有效地用作滾動軸承，從而如果點負荷被施加到致動器外殼上時，任何單個泡沫球體上都沒有力的集中。
[0036]在此方式中，浮力致動器可以被制造，以及被進行泄漏和負荷試驗，之后內部不帶有泡沫浮力材料的致動器被運送。該泡沫可以在補給站(其可能在船上)被添加，該補給只要在致動器在運行位置上被應用前完成即可。
[0037]泡沫球體所占體積總量仍小于致動器的封閉容積總量，每個球體周圍存有間隙區(qū)域。這些間隙區(qū)域可以被填充有流體以調整浮力。
[0038]所述浮力可以被設定或預先設定，隨后如果有需要，該浮力可以通過控制任一種流體容量(例如氣壓或水量，或它們的組合)的方式被有效地控制。
[0039]在另一個布置方式中，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似的材料和方法產生。
[0040]優(yōu)選地，內浮力結構容納在由圓環(huán)的內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浮力結構粘接。該浮力結構可以包括兩個浮力元件(例如剛性泡沫片)，每個所述浮力元件的形狀都適配于圓環(huán)從頂部到底部形成的中心孔中。連接器(例如張緊繩索)在兩個浮力元件中延伸并與這兩個浮力元件固定連接。在底部浮力元件的下偵1J, 一定位點被結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)形空腔可以被充滿流體形式的物質，該流體可以被增壓到一定程度，以使外殼處于張緊狀態(tài)下并且形狀是剛性的。優(yōu)選地，流體是水。該流體可以通過接口被導入并可被密封以形成水密密封。
[0042]如果流體是水，當浮力致動器被充滿流體時，該致動器會接近中性浮力。正向浮力通過元件提供給所述致動器。
[0043]在暴風雨狀況下浮力致動器的自動關閉可以通過經由所述接口存取腔體中的流體以及實時控制流體壓力來實現(xiàn)。這可能牽涉到收縮至少一部分腔體以使致動器具有一減少的表面區(qū)域，由此其不易受增強的波浪力的影響。當暴風雨通過后，該腔體可以再次膨脹。
[0044]在另一個布置中，本體可以包括浮力部件，所述腔體設置在浮力部件的下方。腔體可由從浮力部件上垂下來的圓柱形側壁以及底壁形成。該側壁和底壁由柔韌材料構成。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延伸至一中心位置的帶，在該中心位置處有一定位點，并且所述帶被連接到該定位點。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]腔體中的物質優(yōu)選包括流體，優(yōu)選為來自浮力致動器運行地點周圍的水(典型為海水)。該腔體可以通過在一定條件下允許吸入或釋放流體的裝置來與周固的水連通。該裝置可以包括閥門裝置，該裝置具有兩個閥，一個是單向進口閥，其只允許流體進入腔體，另一個是單向出口閥，其只允許流體從腔體中流出并進入周圍的海水。
[0046]浮力致動器的浮力通過腔體上方的浮力部件來提供。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]在一般的運行模式下，浮力致動器被完全地充滿海水并且兩個單向閥都關閉。波浪擾動的升降移動作用于本體上，從而導致本體向上移動并在系繩上施加張力，通過該系繩浮力致動器被連接到下方的機械裝置。由于浮力致動器的結構，材料中有一定程度的固有彈性，從而致動器的一些彈性伸長出現(xiàn)在提升的最高點處。這種程度的彈性變形在系繩承受負載時有利于限制系繩的振動效應。
[0048]除了因為彈性而在伸長上產生的細小變化，形成腔體的本體的形狀在一般運行期間大致保持不變，并且沒有流體通過各個閥，包含在腔體中的流體體積也基本保持不變。
[0049]當海水的狀態(tài)將浮力增加超過一個預定的等級時，浮力致動器上的動壓負載也增力口，迫使單向出口閥打開并使少量的流體從出口中流出。同時，單向進口閥仍舊關閉，因此實際的效果是腔體中流體的體積被減少并且腔體容積被壓縮。不再處于內部壓力下的外殼材料會松弛下來并折疊起來。
[0050]施加在致動器上的波浪力與致動器的容積成比例，所以減少了的容積狀態(tài)對應于減少了的精確的波能攝取率，該波能攝取率用于在暴風雨期間限制能量吸收。
[0051]在暴風雨通過之后，波浪的高度逐漸轉變成常規(guī)等級并且腔體外海水的動壓會變得大于腔體內的壓力，單向進口閥會打開以允許流體流回到致動器容積中。這個過程會逐步出現(xiàn)直到致動器再次完全膨脹，此時不再有任何壓力差橫穿進口閥，該進口閥將關閉。在致動器處于全容積時，該致動器以其最大效率響應波浪擾動。
[0052]單向出口閥的功能可以通過使織物外殼的重疊部分用作多個單向閥來被增加，甚至可以全部替換。
[0053]在先前布置的一變例中，浮力部件下方的腔體可通過向下漸尖的大致圓錐形的壁結構形成，該壁結構在加固的底部部件處終止，一定位點被連接到所述加固的底部部件上。
[0054]為了保持浮力的所需等級，可以向本體提供補充浮力。其可以包括多個較小的球形漂浮物，該漂浮物被連接到浮力部件的上表面。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種波能轉換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能量轉換裝置和本發(fā)明第一方面的浮力致動器，該浮力致動器在能量轉換裝置上方的水體中懸浮，以此響應于水體中的波動的浮力致動器的動力提升會通過浮力致動器傳輸給能量轉換裝置。
[0056]能量轉換裝置可以由任何適當?shù)姆绞綐嫵?，例如流體泵和線性發(fā)電機。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種提取波動能量的方法，該方法包括運行本發(fā)明前述方面的波能轉換系統(tǒng)。
[0058]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種響應波能改變浮力致動器的流體動力性能的方法，該方法包括可選擇地改變被包含在浮力致動器內腔體中的物質。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種運行浮力致動器的方法，該方法包括可選擇地改變被包含在浮力致動器內腔體中的物質，以改變該致動器的流體動力性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0060]通過參考下面結合了附圖的幾個特定實施方式的描述，本發(fā)明將被更好地理解，其中:
[0061]圖1是第一實施方式的浮力致動器的示意性正視圖，該致動器形成了利用海洋波能的裝置的一部分；
[0062]圖2是第一實施方式的浮力致動器的示意性透視圖；
[0063]圖3是所述浮力致動器的側視圖；
[0064]圖4是所述浮力致動器下部的局部視圖；
[0065]圖5與圖2相似，其特別示出了浮力致動器中的浮力插入物；
[0066]圖6是第二實施方式的浮力致動器的示意性截面圖；
[0067]圖7是圖6的浮力致動器的局部視圖；
[0068]圖8與圖6相似，區(qū)別僅在于其圖示出了漏氣狀態(tài)下的浮力致動器的腔體；
[0069]圖9是第三實施方式的浮力致動器的截面圖；
[0070]圖10是圖9的浮力致動器的局部視圖；
[0071]圖11是圖9的浮力致動器的另一個局部視圖；
[0072]圖12是第四實施方式的浮力致動器的示意性側視圖；
[0073]圖13是圖12的浮力致動器的下側的平面圖；
[0074]圖14是圖12的浮力致動器的剖面透視圖；
[0075]圖15是圖12所示的浮力致動器在漏氣狀態(tài)下的示意性側視圖；
[0076]圖16是第五實施方式的浮力致動器的透視圖；
[0077]圖17是圖16所示的浮力致動器的側視圖；
[0078]圖18是圖16所示的浮力致動器的平面圖；
[0079]圖19與圖17相似，其區(qū)別僅在于該浮力致動器在漏氣狀態(tài)下；
[0080]圖20是圖16所示的浮力致動器在膨脹狀態(tài)下的局部側視圖；
[0081]圖21與圖20相似，其區(qū)別僅在于該浮力致動器在漏氣狀態(tài)下；
[0082]圖22是第六實施方式的浮力致動器的剖面透視圖；
[0083]圖23是圖22所示浮力致動器的側視圖；
[0084]圖24是圖22所示浮力致動器的平面圖；
[0085]圖25是圖22所示浮力致動器的底面平面視圖；
[0086]圖26是圖22所示的浮力致動器的頂端組件的放大視圖；
[0087]圖27是圖22所示的浮力致動器的底端組件的放大視圖；
[0088]圖28是圖22所示的浮力致動器的底端組件的另一放大視圖；以及
[0089]圖29是所述底端組件的局部視圖，外殼被連接到該底端組件上。
【具體實施方式】
[0090]如圖所示的實施方式每個都示出浮力致動器10，該浮力致動器用在裝置11中，裝置11利用海洋波能產生動力并將所利用的波能轉換成高壓海水，例如通常為IOOpsi以上，優(yōu)選為SOOpsi以上。所述裝置11產生的高壓海水能夠通過管道被傳送到岸邊以用于任何適當?shù)哪康摹Ｔ谝环N應用中，所述高壓海水被用來作為電動機流體以驅動渦輪機，該渦輪機中的軸功率被用于產生電力。在另一個應用中，高壓海水可以被注入反滲透脫鹽裝置(unit)，淡水可以從該裝置中產生。來自脫鹽裝置的仍在高壓條件下的鹽水濃縮物接著可被注入到渦輪機中用于機械能的提取。如果需要，失去效能的鹽水濃縮物能夠接著返回到海洋中。
[0091]該裝置11被安裝在海水12中，并在海水12中運行，該海水12具有水面13和海床14。泵機械裝置15相對于海床14固定。該浮力致動器10被可操作地連接到泵機械裝置15上并在所述泵機械裝置15上方的海水12中懸浮，但該浮力致動器10在水面13下一定深度處，從而其上表面通?？梢栽谥行运?neutral water)線下幾米處。此外,浮力致動器10和與其可操作連接的泵機械裝置15的結合優(yōu)選形成一總長，該總長在其最小狀態(tài)下(當浮力致動器在其行程的最低點處)適于在一定水深處運用，該水深優(yōu)選為不小于十米并不大于一百米。
[0092]該浮力機構10通過包含有系繩17的連接件16可操作地連接到泵機械裝置15。
[0093]參考圖1-5，第一實施方式的浮力致動器10包括本體21，該本體形成了大致球形結構的腔體23。特別地，由大致球形壁結構25形成腔體23，該球形壁結構25包括由柔韌薄膜構成的外殼27。該外殼27可以由多塊柔韌薄膜材料的板條28粘合而成。該柔韌薄膜包括織物加固的聚合物材料，該材料可以是商業(yè)產品Hypalon?,其廣泛地用于海洋浮標和護舷的制造。該材料可以被粘到其自身上以形成堅韌的防水連接件，該連接件已被該工藝中有經驗的人所熟悉。
[0094]該壁結構25還包括加固裝置31，該加固裝置31在本體21上的上下位置間延伸。該加固裝置31包括多個外部加固帶33，該加固帶33的結構為卡箍35，該卡箍35沿著外殼27的表面圓周延伸并且延伸通過上下位置。該加固帶33由與外殼25相同的材料構成，從而材料的可混用性和粘合性得到優(yōu)化。
[0095]浮力致動器10的頂部和底部具有附加的加固物，該加固物為圓環(huán)37、39(如圖2所示)形式，仍舊是由同樣的織物加固聚合物構成。
[0096]定位點41被設定在本體21的底部上，以用于將浮力致動器拴在適當?shù)奈恢锰?。提升點43被設定在本體21的上端。
[0097]該定位點41包括下部孔眼45，加固帶33穿過該孔眼45。另一個帶47也可以穿過下部孔眼45并被粘合到球形外殼27的底部上。該加固帶33以及另一個帶47承受著正常運行條件下的負載。當所述浮力致動器10被波動提升時，帶33、47被拉緊，并且張力通過孔眼45被向下傳輸?shù)较道K17以將提升力傳輸?shù)较路降幕钊脵C械裝置(piston pumpmechanism)。在波浪通過后，所述浮力致動器10受到下方的所述活塞泵機械裝置15重量的影響而下降，從而促使下部孔眼45上的負載減少，并使得帶33、47緊縮。正常和漏氣的情況如附圖4所示。
[0098]由于此布置，致動器中帶有一些彈性，從而允許在波浪提升力用力拉系繩17時能對波能負載進行緩沖。
[0099]使用孔眼45作為定位點是十分有利的，其允許了致動器的一些旋轉彈性。這是需要的，從而系繩的扭曲在致動器的運行過程中達到最小化。
[0100]提升點43通過由織物構成的卡箍44來被連接，該卡箍44與圓周加固帶33中的一個相接形成。該提升點43被設計成能在提升和操作過程中承受浮力致動器10的干燥靜負載；其不被設計成能承載完整的動力工作負載，因為定位點41被設計成具有該作用。
[0101]該腔體23包含有物質，該物質包括被導入的浮力材料，以向浮力致動器10提供必要的浮力。該物質經過管接頭51被引入腔體23，該管接頭51設置在外殼27上并且能夠被打開和封閉。
[0102]在此實施方式中，所述物質包括泡沫浮力材料52，其由多個泡沫球體53組成，如圖5所示。該泡沫球體53由防海水的閉孔泡沫聚苯乙烯構成，并且具有一定的直徑范圍。對于該實施方式，直徑100毫米(4英寸)的球體是合適的。
[0103]該腔體23充滿泡沫球體53，從而在內部泡沫球體53的外向壓力下該浮力致動器10的外殼27被拉成緊繃狀態(tài)，由此該致動器呈現(xiàn)出其設計形狀。
[0104]該泡沫球體53相互接觸，使得它們能夠相互緊靠著滾動。這些球體53可以共同地運動以保持所述致動器10的外部形狀，并且能在保持所述致動器的形狀的同時響應致動器上的外力彼此滾動。通過此布置，球體53有效地用作滾動軸承，從而在點負載被施加到致動器外殼上的情況下，任何單個泡沫球體上都沒有力的集中。
[0105]該實施方式的浮力致動器10可以被制造并進行漏氣和壓力測試，之后內部不帶有泡沫浮力材料52的致動器被運送。只要在致動器在運行位置上被應用之前，該泡沫浮力材料都可以在補給站處(其可能在所應用的船上)被添加。
[0106]泡沫球體53占有的總體體積仍舊小于腔體23的總封閉容積，并且每個球體53周圍都有間隙區(qū)域55。該間隙區(qū)域55可以充滿流體以調節(jié)浮力。
[0107]當泡沫球體53被放置在腔體23內部之后，通過密封浮力管接頭51，致動器是不漏水的。
[0108]所述外殼27包含三個其它的用于與封閉腔體23連通的管接頭。兩個這樣的管接頭57、59被定位為朝向腔體23的頂部。第三個這樣的管接頭60被定位為靠近腔體23的底部。
[0109]在此方式下，有三種浮力致動器的運行模式。在第一模式中，浮力致動器10的腔體23受壓于通過接口 57來自外部的空氣或氣體。接口 57成為一種單向閥以允許氣體流入腔體23，但不允許泄漏氣體。接口 57是壓力釋放閥，其限制了最大氣體壓力。
[0110]所述浮力致動器10可以在特定的氣壓下被固定，此時與其相連的氣體補給線被斷開，或氣體補給線可以仍舊被連接著而壓力被有效地控制。外殼27的輕微體積變化會導致浮力的變化，而內部壓力的變化會導致體積的變化。
[0111]第二運行模式與第一模式相似，但是其添加物是容置于間隙區(qū)域55中固定量的水或液體。這使得凈浮力在氣壓下受到腔體23的膨脹程度的影響較小，因為其體積變化較小。
[0112]第三運行模式與第二模式相似，但是除了水和空氣的混合體之外，其還增加了第三管接頭60，該管接頭允許流體流進或流出腔體23。這就使得能夠通過改變間隙區(qū)域55中的氣體/流體比率來最大限度的控制浮力。
[0113]該實施方式的有利特征是浮力能夠被設定或預先設定，并且之后如果需要，能夠通過控制腔體23中的氣壓或水量，或同時控制兩者來對浮力進行有效控制。
[0114]參考圖6-8，第二實施方式的浮力致動器10包括本體71，該本體形成大致圓環(huán)(toroidal)結構的腔體73。該實施方式與第一實施方式的區(qū)別在于基礎形狀是圓環(huán)形而不是球形。盡管如此，能量轉換的效率仍然是十分好的，因為該形狀一般仍舊是短而厚的，并且圓環(huán)形的外徑僅略大于其垂直高度的兩倍。在此實施方式中，圓環(huán)形結構的橫截面大致為圓形。
[0115]該本體71包括圓環(huán)形外殼75,該外殼75的材料和制造方法與第一實施方式中的球形外殼27相同。
[0116]圓環(huán)形外殼75形成了封閉的水密空腔76，該空腔形成了腔體73并可通過接口 77與周圍的海水連通。
[0117]圓環(huán)形外殼75的外表面的一部分被粘接至兩個剛性浮力元件81、82，每個浮力元件包括一片剛性浮力材料，例如泡沫材料。該浮力元件81、82的形狀適配于由本體71的圓環(huán)形結構形成的中心孔，一個浮力元件在頂部，另一個在底部。包括張緊繩索84的連接器83在兩個浮力元件81、82之間延伸，并且被緊固于這兩個元件。雖然浮力元件81、82可以在它們在中心相接的位置處相互接觸，優(yōu)選地在它們之間有小間隙85，以使得張緊繩索84能夠被拉緊。
[0118]定位點89在底部浮力元件82下方與所述連接器83結合。該定位點89具有孔眼的結構。
[0119]所述張緊繩索84穿過所述浮力元件81、82，并且被現(xiàn)場澆鑄在所述浮力元件的一個中而穿過另一個浮力元件以利于裝配。張緊繩索84使剛性浮力元件81、82互相連接，并且當繩索被調節(jié)以矯正張力時，張緊繩索84允許連接器上的負載通過分散板91在較寬的區(qū)域上被分散。在此方式下，整個組件被剛性制成，負載施加穿過所述浮力致動器10的質量中心，此時整個組件穩(wěn)固。
[0120]被外殼75封閉的圓環(huán)形空腔76充滿流體形式的物質，并且該流體可以被加壓到一定程度，在該程度下所述外殼被張緊，并且形狀呈剛性。優(yōu)選地，該流體是水。該流體可以通過接口 77被導入，該接口可被密封以形成水密密封。
[0121]浮力致動器70在充滿流體的情況下將接近中性浮力，特別是當流體是水的時候。通過浮力元件81、82，正向浮力被提供給所述致動器。
[0122]在暴風雨狀況下浮力致動器70的自動關閉可以通過經由所述接口 77獲取空腔76中的流體以及實時控制流體壓力來實現(xiàn)。該裝置(未示出)包括柔軟管，該柔軟管通過接口 77在一端與流體空腔76連接，并且在其另一端與控制系統(tǒng)連接，該控制系統(tǒng)可以在所述系統(tǒng)感知到最大波高被超越時抽空流體并使空腔76漏氣。漏氣的狀態(tài)如圖8所示。表面區(qū)域被大量減少的所述浮力致動器70較少地受到增強波浪力的影響，從而其損壞的可能性較少，或將過度的力傳輸給泵的可能性較少。在暴風雨過后，該系統(tǒng)將逐漸使空腔76再次膨脹并充滿流體，直到該空腔再次被完全受壓并能夠正常工作。
[0123]所述浮力致動器10可以在其泄漏狀態(tài)下被壓扁(如圖8所示)以用于貯存和運輸?shù)綉梦恢?。在該位置處，所述空?6受到流體的壓力，優(yōu)選是水的壓力，并且接口 77封閉，固體形狀再次產生。
[0124]參考圖9-11，第三實施方式的所述浮力致動器10與第二實施例的相似，因此相同的標記用來指定相對應的部件。在此實施方式中，形成大致圓環(huán)形結構腔體73的本體71的橫截面大體上為橢圓形。與第二實施方式相比，有利的地方是對于相同的直徑其能提供更大的深度，所以其形狀更對應于理想的球形。
[0125]參考圖12-15，第四實施方式的浮力致動器10能夠響應暴風雨情況并從該暴風雨情況中恢復，而無需像前述兩個實施方式那樣要求助于外部系統(tǒng)。[0126]在此實施方式中，浮力致動器10包括本體101，該本體101具有浮力部件103，在該浮力部件103下方有腔體105。外殼106形成該腔體105，該外殼106包括圓柱形側壁107和底壁109，側壁107從浮力部件103上垂下來，而底壁109逐漸向內向下變小。側壁107和底壁109為柔韌材料。特別地，使用與第一實施方式的外殼27相同的材料和制作方法來構成所述側壁107和底壁109。
[0127]所述底壁109包含加固裝置111，該裝置包括帶113，這些帶113連接至圓形加固環(huán)115，并從圓形加固環(huán)115的外部邊界處開始向內延伸至中心位置117，在該中心位置117處有一定位點119，所述帶113被連接到該定位點119上。所述定位點119包括孔眼。
[0128]腔體105所包含的物質包括流體，最好是海水。該腔體105通過閥門裝置120與周圍的海水連通，該閥門裝置120在一定狀態(tài)下允許吸入和放出流體。該閥門裝置120具有兩個閥，一個是單向進口閥121，其只允許流體進入腔體105，另一個是單向出口閥122，其只允許流體從腔體105中流出并進入周圍的海水。
[0129]腔體105并不一定要是水密的，相反地其只是在正常運行期間保持和隔離其內的海水體積并使泄漏最小，從而其如同系留塊(captive mass)般逆著浮力致動器10的外部水力而起作用。這樣的結構會特別有用，因為浮力致動器的制造要求被允許放寬，其不強求100%的水密密封，因此可以有利地節(jié)約成本。
[0130]所述浮力致動器10的浮力由腔體105上的浮力部件103提供。該浮力部件103包括較短的圓柱形浮力容積123，該容積123被裝在由織物材料構成的外殼125中，該織物材料通?？梢允桥c側壁107和底壁109相同的材料。所述浮力容積123可以包括泡沫材料，該泡沫材料與用于第一實施方式的泡沫浮力球體53的材料相似，并且其具有閉孔結構，不可滲透海水?？紤]到所述泡沫材料在海水中能長時間保持浮力，織物外殼125的完全水密密封并不是必要的。所述圓柱形側壁107被連接到織物外殼125的外邊界上，并從該外邊界上垂下。
[0131]在常規(guī)運行模式下，所述浮力致動器10的腔體105被完全充滿海水，兩個單向閥121，122都被封閉。波浪擾動的升降運動作用在所述浮力致動器10上，由此浮力致動器能夠向上移動并將張力施加在連接到下方泵機械裝置的系繩上。正如在第一實施方式中的情形，所述浮力致動器10的材料設有一定程度的彈性，從而在提升的最高點處致動器會出現(xiàn)一些彈性伸長。因為該彈性變形的程度限制了承受負載時的系繩以及泵機械裝置的振動效應，致動器的該彈性變形程度是十分重要的。其通過限制關鍵元件上的最高點負載來協(xié)助提高波能聚集裝置中組件的壽命。
[0132]除了由于材料彈性而在伸長上產生的小變化，浮力致動器10的形狀在常規(guī)運行期間基本保持不變，并且沒有流體通過各個閥121、122。因此，包含在腔體105中的流體體積也基本保持不變。
[0133]當海洋的狀態(tài)將浮力增加超過一個預定的等級時，浮力致動器10上的動壓負載也增加，迫使單向出口閥122打開并使少量的流體從出口中流出。同時，單向進口閥121仍舊關閉，因此實際的效果是腔體105中流體的體積被減少并且腔體容積被壓縮。如圖15所示，不再處于內部壓力下的外殼106的材料會松弛下來并自身折疊起來。
[0134]施加在致動器10上的波浪力與該致動器的容積成比例，所以腔體105中減少了的容積狀態(tài)對應于減少了的精確的波能攝取率，該波能攝取率用于在暴風雨期間限制能量吸收。
[0135]在暴風雨通過之后，波浪的高度逐漸轉變成常規(guī)等級并且腔體105外海水的動壓會變得大于腔體105內的壓力。因此，單向進口閥121會打開以允許流體流回到腔體105中。這個過程會逐步出現(xiàn)直到腔體105再次膨脹，并且橫穿進口閥121不再有任何壓力差，此時該進口閥121將關閉。當致動器的腔體105處于全容積時，該致動器以其最大效率響應波浪擾動。
[0136]單向出口閥122的功能可以通過允許織物外殼106的重疊部分作為多個單向閥起作用而被加強，甚至可以被全部替換。這可以通過使接縫泄漏來實現(xiàn)，即不沿著它們的整個長度密封，而只需板條部件間的足夠連接，以保證腔體105能在正常運行狀態(tài)下基本防止?jié)B漏。當致動器100受到過度的波浪負載時，織物外殼106的上下擺動會產生出口以使得從致動器中流出的水可以通過。
[0137]在類似的方式中，通過恰當選擇外殼材料厚度、柔韌性、重疊度和定位點，也可以去除用于流入的單向閥121，并且可以由織物外殼106中的泄漏部件來執(zhí)行該功能。在外加動壓已經下降從而水能緩慢流回致動器容積后，必須要確?？椢锝涌p打開足夠長。
[0138]參考圖16-21，第五實施方式的浮力致動器10與前述實施方式相似，因此相同的標記用來指定相對應的部件。在此實施方式中，浮力部件103下的腔體105由一向下漸尖的大致圓錐形的壁結構131所形成，該結構在底部加固部件處終止，定位點119被固定在該底部加固部件上。
[0139]為了維持所需的浮力程度，補充浮力被提供給本體。補充浮力可以由多個較小的球形漂浮物133來提供，該漂浮物被連接到浮力部件103的上表面。
[0140]該實施方式的操作方式與前述實施方式相同，也利用閥121，122。
[0141]在該實施方式中可能無法將泄漏接縫用作單向閥，因為圓錐形狀對外殼的彎曲度的影響使得難以實施該技術。因此使用了常規(guī)單向閥。
[0142]在波能裝置運行范圍內的海洋中，浮力致動器130在正常運行時完全膨脹，如圖
16、17和20所示。流體被允許通過單向進口閥121進入，而出口閥122保持封閉，因為沒有足夠的壓力差可以打開它。
[0143]在暴風雨條件下，情況正好是相反的，這就如圖19和21所描繪的那樣。由于內部壓力，所述進口閥121是封閉的，而所述出口閥122是打開的以允許流體泄漏出來，從而使所述浮力致動器稍微癟下去。在此實施方式中，單向進口閥121和單向出口閥122被仔細地設定有足夠的滯后量，從而所述致動器10會保持膨脹用于正常運行而不會過早地泄漏。典型地，單向閥的調整可以涉及閥中彈簧張力的設定。
[0144]參考圖22-29，第六實施方式的浮力致動器10包括形成腔體23的本體21。特別地，該腔體23由大致球形的壁結構25所形成，該壁結構25包括柔韌的外殼27，該外殼在剛性的上下部131、132間延伸。在所示出的布置中，腔體23具有大致球形的結構，但是顯然也可以是其它結構，例如圓柱形和截頭圓錐形結構。
[0145]剛性上部131和剛性下部132的使用避免了對于如第一實施方式中所使用的在本體21上下位置間延伸的加固裝置的需求。
[0146]外殼27的材料和制作方法與第一實施方式所述外殼相似。
[0147]所述上部131包括頂部組件133，該組件具有外法蘭部件135和中心蓋板部件137，該中心蓋板部件137適于通過例如螺栓這樣的緊固件139來被可釋放地緊固在一起。該外法蘭部件135結合有外圍法蘭141，外殼27的上邊界被密封地連接到該外圍法蘭141上。提升凸耳142被結合到上部131中。
[0148]所述下部132包括底部組件143，該組件具有外法蘭部件145和中心蓋板部件147，該中心蓋板部件147適于通過例如螺栓這樣的緊固件149來被可釋放地緊固在一起。該外法蘭部件145結合有外圍法蘭151，外殼27的下邊界被密封地連接到該外圍法蘭151上。所述中心蓋板部件147包含有用于連接系繩的定位點153，就如同前述實施方式那樣。在所示的布置中，定位點153被結合在位于中心板部件147下方的角板155中。另一角板157被設置在中心板部件147下方并與角板155交叉。這兩個角板155、157包含多個用于緊急系繩的定位點161。
[0149]外圍法蘭151有邊緣163，外殼27的下邊界165被連接到該邊緣163上。所述外殼27的下邊界165通過與邊緣163粘合在一起來實現(xiàn)與該邊緣163的連接，如圖29所示。所述下邊界165被粘到所述邊緣163，并且夾在粘附至內外表面的兩個薄膜材料的帶167中間。
[0150]外殼27的上邊界以相似的方式被連接到頂部組件133的外圍法蘭141上。
[0151]包括單向進口閥121和單向出口閥122的閥門裝置120被結合在所述中心蓋板部件147中，如圖25所示。
[0152]該實施方式的浮力致動器以與前述實施方式相似的方式運行。
[0153]由前述的內容可知，各個實施方式顯然提供了簡單但高效的用于實現(xiàn)改變浮力致動器的流體動力性能的布置，例如浮力的改變(增加或者減少)或響應區(qū)域的改變(例如體積或形狀)，也可用于這些改變的組合。
[0154]應該意識到,本發(fā)明的范圍并不僅限于上述這些實施方式的范圍。
[0155]另外，需要理解的是，雖然在此揭示的實施方式的主要目的在于滿足前述PCT/AU2006/001187中所述波能轉換系統(tǒng)的性能和可靠性，本發(fā)明并不受限于這種特別的波能轉換系統(tǒng)的范圍，也不受限于波能轉換系統(tǒng)的范圍。例如，本發(fā)明可以被用于提供較強的水下浮力以支撐海面下的結構，例如電纜、管道等，也可以適用于在可變條件下通過浮力的動力補償來保持預定負載。
[0156]在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以作出任何變化和改進。
[0157]在說明書中，除非有特別要求，否則，詞語“包括”或者類似意思的詞語都應理解成是暗示包含了所聲明的物體或物體組合，且不將其它物體或其它物體組合排除在外。
【權利要求】
1.一種響應波動的浮力致動器，該浮力致動器包括本體，該本體形成容納物質的腔體，通過改變腔體中的物質,可有選擇地改變所述本體的流體動力性能,所述本體包括壁結構，所述壁結構在所述腔體的邊界處具有柔韌的外殼，該外殼適于在響應所述本體中物質的改變時偏斜，所述物質包括多個浮力球體，所述浮力球體被布置成一個緊靠著另一個滾動，所述腔體被填充所述浮力球體，使得所述外殼被內部的所述浮力球體的外向壓力拉到緊繃的狀態(tài)，從而促使所述浮力致動器呈現(xiàn)其設計形狀，所述浮力球體能共同地保持所述浮力致動器的外形，并且能在仍舊保持著所述浮力致動器的形狀的同時響應所述浮力致動器上的外力彼此抵靠著滾動。
2.如權利要求1所述的浮力致動器，其特征在于，對所述流體動力性能的所述改變包括對浮力的改變(增加或者減少)。
3.如權利要求1所述的浮力致動器，其特征在于，對所述流體動力性能的所述改變包括對所述本體的響應區(qū)域的改變(例如體積或形狀)。
4.如權利要求1所述的浮力致動器，其特征在于，對所述流體動力性能的所述改變包括對浮力的改變(增加或者減少)和對所述本體的響應區(qū)域的改變(例如體積或形狀)。
5.如權利要求1至4中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，對所述物質的所述改變包括將物質添加到所述腔體中，或將物質從所述腔體中取出。
6.如權利要求1至5中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，被所述浮力球體占有的體積總量小于所述腔體的封閉容積總量，其中所述浮力球體周圍有間隙區(qū)域來容納流體以改變浮力。
7.如權利要求1至5中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，所述本體在其底端處設有定位點，以用于將所述浮力致動器拴在適當?shù)奈恢谩?br> 8.如權利要求1至7中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，所述本體在其頂端處設有提升點。
9.如權利要求8所述的浮力致動器，其特征在于，所述腔體由壁結構來形成，所述壁結構具有加固裝置，該加固裝置在所述本體上的上下位置間延伸，所述加固裝置包括多個設置為卡箍的加固帶，所述加固帶沿著表面圓周延伸并穿過所述上下位置。
10.如權利要求1至9中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，所述壁結構包括在剛性上下部分之間延伸的所述柔韌外殼。
11.如權利要求1至10中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，所述壁結構由大致球形的結構形成。
12.如權利要求1至8中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，所述腔體大致為圓環(huán)形(toroidal)。
13.如權利要求12所述的浮力致動器，其特征在于，內部浮力結構被容納在由圓環(huán)(torus)的內邊界所形成的空間中，所述圓環(huán)的外殼的外表面的一部分與該內部浮力結構粘合。
14.如權利要求13所述的浮力致動器，其特征在于，所述內部浮力結構包括兩個浮力元件，每個浮力元件的形狀都適配于所述圓環(huán)從頂部到底部形成的中心孔。
15.如權利要求14所述的浮力致動器，其特征在于，一連接器在兩個浮力元件之間延伸并固定于兩個浮力元件，其中設有定位點的裝置被結合到所述連接器中或被連接到所述連接器。
16.如權利要求1至8中任一項所述的浮力致動器，其特征在于，所述本體包括浮力部件，所述腔體設置在所述浮力部件下方。
17.如權利要求16所述的浮力致動器，其特征在于，所述腔體由從浮力部件上垂下的圓柱形側壁和一底壁形成，所述側壁是柔韌的。
18.如權利要求16所述的浮力致動器，其特征在于，所述腔體由大致圓錐形的側壁形成，該側壁是柔韌的。
19.如權利要求1至18任一項所述的浮力致動器，其特征在于，所述腔體適于與所述浮力致動器運行地點周圍的水連通。
20.如權利要求19所述的浮力致動器，其特征在于，通過允許在一定條件下吸入和釋放水的裝置來與周圍的水連通。
21.如權利要求20所述的浮力致動器，其特征在于，所述裝置包括閥門裝置。
22.如權利要求21所述的浮力致動器，其特征在于，所述閥門裝置包括兩個閥，一個是單向進口閥，該閥只允許周圍的水流入所述腔體，另一個是單向出口閥，該閥只允許所述腔體中的水流出到周圍的海水中。
23.如權利要求21或22所述的浮力致動器，其特征在于，所述閥門裝置包括形成所述腔體的所述外殼的材料的重疊部分。
24.一種波能轉換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括波能轉換裝置和如權利要求1至23中任一項所述的浮力致動器，所述浮力致動器懸浮在所述波能轉換裝置上方的水體中，以此響應水體中波動的所述浮力致動器的動力提升通過`所述浮力致動器被傳輸?shù)剿霾苻D換裝置中。
25.如權利要求24所述的波能轉換系統(tǒng)，其特征在于，所述波能轉換裝置包括流體泵。
26.如權利要求24所述的波能轉換系統(tǒng)，其特征在于，所述波能轉換裝置包括線性發(fā)電機。
27.一種從波動中提取能量的方法，該方法包括運行如權利要求24或25或26所述的波能轉換系統(tǒng)。
28.一種用于響應波動來改變浮力致動器的流體動力性能的方法，該方法包括有選擇地改變被容納在所述浮力致動器內的腔體中的物質。
29.—種運行浮力致動器的方法，該方法包括有選擇地改變被容納在所述浮力致動器內的腔體中的物質，以此改變該浮力致動器的流體動力性能。
30.一種運行波能轉換裝置的方法，該波能轉換裝置具有浮力致動器，所述方法包括有選擇地改變被容納在所述浮力致動器內的腔體中的物質，以此改變所述浮力致動器的流體動力性能。
【文檔編號】F03B15/00GK103498754SQ201310435168
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2007年11月2日 優(yōu)先權日:2006年11月3日
【發(fā)明者】艾倫·羅伯特·伯恩斯 申請人:刻托知識產權有限公司