本發(fā)明涉及波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，更特別地，涉及將近岸/在岸波浪能轉(zhuǎn)換成電力的波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。本申請(qǐng)?zhí)卮艘砸梅绞讲⑷?014年7月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.62/024,790的全部?jī)?nèi)容。

背景技術(shù)：

近年來，已經(jīng)進(jìn)行了利用地球上的可再生能量作為現(xiàn)有能源的補(bǔ)充或替代的眾多努力。特別地，已經(jīng)對(duì)諸如離岸海洋波浪能、近岸波浪能和在岸波浪能的海洋能量進(jìn)行了深入的研究和開發(fā)。對(duì)波浪能技術(shù)的回顧可見于例如以下被作為非專利文獻(xiàn)(NPL)1列出的Lopez等人的綜述文章。

如NPL 1中所示的，例如，直至最近，提出和驗(yàn)證了各種類型的波浪能轉(zhuǎn)換器。其中一些使用水面上的懸浮主體和利用來自離岸海洋波上的豎直振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的海洋能量。另一個(gè)使用豎直容器將波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成氣流，空氣渦輪機(jī)跟在豎直容器后面用于發(fā)電。然而，這些研發(fā)中的大部分由于以下原因而失?。?1)低的能量轉(zhuǎn)換效率；(2)風(fēng)暴狀況中的機(jī)械故障；(3)高成本的安裝，由此不滿足經(jīng)濟(jì)需要；和/或(4)對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間段操作而言是不可靠的設(shè)計(jì)。

引用列表

非專利文獻(xiàn)

NPL1：I.Lopez等人的“Review of wave energy technologies and the necessary power-equipment”(Renewable and Sustainable Energy Reviews 27(2013)413-434)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

因此，已經(jīng)提出和驗(yàn)證了諸如水面和底部之間的離岸、近岸、在岸波浪或壓力差異的不同形式的波浪能的各種系統(tǒng)。不同的系統(tǒng)具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而，還沒有建立和創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)且高效的發(fā)電系統(tǒng)。本領(lǐng)域中的研究人員和工程師在不斷追求利用波浪能進(jìn)行發(fā)電的新型、經(jīng)濟(jì)且高效的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明涉及波浪能轉(zhuǎn)換器單元/系統(tǒng)，更特別地，將近岸/在岸波浪能轉(zhuǎn)換成電力的波浪能轉(zhuǎn)換器單元/系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是提供新型的改進(jìn)的波浪能轉(zhuǎn)換器單元和裝有該波浪能轉(zhuǎn)換器單元的發(fā)電系統(tǒng)，以消除現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)問題。

問題的解決方案

為了實(shí)現(xiàn)這些和其他優(yōu)點(diǎn)并且按照本發(fā)明的目的，如所實(shí)施和概括描述的，一方面，本發(fā)明提供了一種波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，該波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括：多個(gè)波浪能轉(zhuǎn)換器單元，所述多個(gè)波浪能轉(zhuǎn)換器單元安裝在海岸線處或者與海岸線相鄰安裝，以接收由接近海岸線的海洋波浪引起的水流，所述多個(gè)波浪能轉(zhuǎn)換器單元中的每個(gè)均包括：具有轉(zhuǎn)子軸的發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)被構(gòu)造成根據(jù)所述轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)來發(fā)電；以及和附接到所述轉(zhuǎn)子軸的多個(gè)葉片，所述多個(gè)葉片致使所述發(fā)電機(jī)的所述轉(zhuǎn)子軸響應(yīng)于撞擊在所述葉片上的水流而旋轉(zhuǎn)，由此發(fā)電；以及功率調(diào)節(jié)器，所述功率調(diào)節(jié)器安裝在岸上，以接收所述多個(gè)波浪能轉(zhuǎn)換器單元中的每個(gè)所生成的電力，所述功率調(diào)節(jié)器向外部電網(wǎng)提供合并后的電力。

另一方面，本發(fā)明提供了一種波浪能轉(zhuǎn)換器單元，所述波浪能轉(zhuǎn)換器單元具有自適應(yīng)性俯仰葉片，所述波浪能轉(zhuǎn)換器單元用于將海洋波浪能量轉(zhuǎn)換成電力，所述波浪能轉(zhuǎn)換器單元包括：具有轉(zhuǎn)子軸的發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)被構(gòu)造成根據(jù)所述轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)來發(fā)電；以及附接到所述轉(zhuǎn)子軸的多個(gè)自適應(yīng)性俯仰葉片，所述多個(gè)自適應(yīng)性俯仰葉片致使所述發(fā)電機(jī)的所述轉(zhuǎn)子軸響應(yīng)于撞擊在所述葉片上的海洋波浪的水流而旋轉(zhuǎn)，由此發(fā)電，其中，各個(gè)自適應(yīng)性俯仰葉片均具有在該葉片的前沿處的翼梁軸，所述翼梁軸固定到所述轉(zhuǎn)子軸并且從所述轉(zhuǎn)子軸徑向延伸；并且其中，所述葉片的至少一些片段被構(gòu)造成能相對(duì)于預(yù)定中立靜止位置圍繞所述翼梁軸彈性旋轉(zhuǎn)，使得所述葉片的所述至少一些片段能響應(yīng)于撞擊在所述葉片上的海洋波浪的水流而改變相對(duì)于所述翼梁軸的俯仰角。多個(gè)這種波浪能轉(zhuǎn)換器單元可用于上述的波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。

本發(fā)明的有利效果

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)方面，變得可以提供有效且經(jīng)濟(jì)的波浪量轉(zhuǎn)換器和裝有該波浪能轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)。在本文中公開的本發(fā)明的至少一些實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)單且智能的。安裝將是在岸的(非?？拷０?，因此容易進(jìn)行維護(hù)。通過與諸如四腳底部的現(xiàn)有波浪耗散結(jié)構(gòu)組合，將大幅減少安裝成本。另外，對(duì)于環(huán)境將是無害的，相反它有助于破浪結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)用于具有可調(diào)節(jié)俯仰葉片的波浪能轉(zhuǎn)換器單元的本發(fā)明的至少一些方面，可有效應(yīng)對(duì)大范圍的環(huán)境改變(諸如，由于惡劣天氣條件而導(dǎo)致的極高水流速)并且可以以低維護(hù)成本來處置該環(huán)境改變。

本發(fā)明的另外或單獨(dú)的特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的描述中闡述并且部分地將根據(jù)描述而清楚，或者可通過實(shí)踐本發(fā)明而獲知。將通過書面描述及其權(quán)利要求書以及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和得到本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)。

要理解，以上的總體描述和以下的詳細(xì)描述是示例性和說明性的，旨在提供對(duì)要求保護(hù)的本發(fā)明的進(jìn)一步說明。

附圖說明

[圖1]

圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的與海岸相鄰安裝的波浪能轉(zhuǎn)換器單元。

[圖2]

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的與海岸相鄰安裝的波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖。

[圖3]

圖3更詳細(xì)地示出圖1的波浪能轉(zhuǎn)換器單元的實(shí)施例。

[圖4A]

圖4A是圖1的波浪能轉(zhuǎn)換器單元的另一個(gè)實(shí)施例的正視圖。

[圖4B]

圖4B示出圖4A的波浪能轉(zhuǎn)換器單元的側(cè)視圖。

[圖5]

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電構(gòu)造實(shí)施例的示意圖。

[圖6]

圖6示出對(duì)于帶固定葉片的渦輪機(jī)和帶可變俯仰葉片的渦輪機(jī)而言的流體速率與電力輸出之間的關(guān)系的曲線圖。

[圖7]

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的波浪能轉(zhuǎn)換器中使用的葉片的操作原理。

[圖8]

圖8示出當(dāng)水流率極高時(shí)的圖7中示出的葉片的操作原理。

[圖9]

圖9示出纏繞根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的螺旋簾線層的示例性方式。

[圖10]

圖10示出按照參照?qǐng)D9說明的方法的纏繞有螺旋簾線層的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片。

[圖11]

圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片。

[圖12]

圖12示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片。

[圖13]

圖13示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的已經(jīng)實(shí)際建立的WEC單元。

[圖14]

圖14示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的WEC單元安裝在海岸線處的另一個(gè)實(shí)施例。

[圖15]

圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的WEC單元安裝在海岸線處的又一個(gè)實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

一方面，本公開內(nèi)容提供了一種用于波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)的具有被適當(dāng)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)葉片的渦輪機(jī)，WEC用于利用海洋能量從在岸破浪波中的水流轉(zhuǎn)換成電力。在一些實(shí)施方式中，多個(gè)這樣的渦輪機(jī)安裝在海岸旁邊，使得靠近海岸線的近岸波的前后流致使葉片旋轉(zhuǎn)，由此構(gòu)成發(fā)電的波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。海洋波一般混有渦流和氣泡。因此，渦輪機(jī)必定在高度不均一的多相流內(nèi)部運(yùn)行。當(dāng)海洋波接近海岸時(shí)，波峰的向前運(yùn)動(dòng)變成主導(dǎo)。因?yàn)楹５壮洚?dāng)阻力，所以波峰比底部更快地前行，從而開始破浪。在本文中公開的實(shí)施方式中的至少一些中，這種快速運(yùn)行的水坡已經(jīng)被用于沖浪；這里，本公開內(nèi)容使用它來生成能量。

相比于靠近海岸的波浪動(dòng)態(tài)，在深水中，水粒按圓形運(yùn)動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)。這種上下運(yùn)動(dòng)已經(jīng)被用作以上列出的NPL NO.1中描述的WEC中的一些。

<波浪能轉(zhuǎn)換器單元>

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的與海岸相鄰安裝的波浪能轉(zhuǎn)換器單元?？拷０毒€(在這個(gè)實(shí)施例中，岸106)，WEC單元102安裝在海床105上。WEC單元102具有沿著連接到發(fā)電機(jī)101的軸旋轉(zhuǎn)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片103。在一個(gè)設(shè)計(jì)中，WEC單元靠近四腳底部107安裝，以面對(duì)離岸，使得例如海水104的平均高度主要碰到旋轉(zhuǎn)葉片103，使得到來的波峰將使葉片高效旋轉(zhuǎn)。因此，本實(shí)施方式的WEC單元利用波浪中的水平水流。在一個(gè)實(shí)施方式中，可在WEC單元中利用僅單向流來發(fā)電，但是如下所述，在某些其他實(shí)施方式中，可以利用雙向流。破浪波致使葉片103旋轉(zhuǎn)，并且由于穿過發(fā)電機(jī)101的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致生成電力。

葉片優(yōu)選地由柔性材料制成，使得水流的極高速率不容易使葉片的完整性受損。另外，如以下公開的，在一些實(shí)施方式中，葉片103可被構(gòu)造成按照由于波浪而到來的水流速度來改變其攻角(即，俯仰或扭曲角度)，以使電力轉(zhuǎn)換效率最大并且避免了葉片上的應(yīng)力過大。

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的與海岸相鄰安裝的波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)系統(tǒng)的示意圖。該圖示出從海岸向著海洋水平線204看到的WEC系統(tǒng)。如該圖所示的，多個(gè)WEC單元201(例如，以上圖1中示出的WEC單元)可沿著海岸線安裝，使得可生成大量電力，并且使得所生成的時(shí)間上平均的總電力相當(dāng)恒定并且能容易管理。根據(jù)海洋波浪理論，當(dāng)海洋波浪202正接近海岸時(shí)，由于水面和海床的斜坡之間的邊界變窄，導(dǎo)致波浪能量聚集在水面周圍。結(jié)果，波浪高度變得越來越高，最后它到達(dá)臨界點(diǎn)和破浪。恰在波浪202破浪之前，水流的速率在典型的波浪條件(幾米高)下在面對(duì)海岸的方向上達(dá)到大約5至10m/s。通過將旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)置于該水流中，可生成電力。由于這個(gè)過程是直接的并且沒有中間過程，因此能量守恒效率相當(dāng)高。使多個(gè)這種類型的發(fā)電機(jī)陣列，可以利用大量波浪能。通過將所生成的電力暫時(shí)儲(chǔ)存在電容器組中，調(diào)節(jié)后的AC電可以通過正確的功率調(diào)節(jié)器被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。來自破浪的波浪沖刷或其他形式的脈動(dòng)可以達(dá)到平均。可以使發(fā)電機(jī)的尺寸小。例如，葉片的直徑可以是大約2m，因此操縱和安裝沒有構(gòu)成重大問題。通過利用現(xiàn)今的來自電動(dòng)汽車的高級(jí)技術(shù)(發(fā)電機(jī)、電池和電力轉(zhuǎn)換器)，可以以低成本制造這種類型的可靠WEC。這種類型的WEC單元和現(xiàn)有的消滅波浪的四腳底部203的組合是優(yōu)選的構(gòu)造；可以從波浪中提取能量并且可以保護(hù)海岸不遭受土壤流失和鹽水。

圖3更詳細(xì)地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的圖1的波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)單元的實(shí)施例。如該圖所示，這個(gè)實(shí)施方式的WEC單元包括鼻錐301、在方向304上旋轉(zhuǎn)的葉片302和用于容納發(fā)電機(jī)306的外殼305。這些部件一起構(gòu)成渦輪機(jī)303。渦輪機(jī)303由固定在支承底座309上的支承軸308支承。線纜307附接到發(fā)電機(jī)306，以將所生成的電力傳遞到海岸。

圖3的WEC單元可以靠近海岸安裝在平均海水深度是例如大約1m至5m的位置。海岸線波浪產(chǎn)生反復(fù)地向著在岸方向并且向后的快速水平水流。WEC單元被布置成WEC單元的渦輪軸線大致垂直于海岸線或者在到來波浪的前進(jìn)方向上取向，使得葉片響應(yīng)于到來的波浪(如以下公開的，另外，響應(yīng)于回流/向后的波浪)而高效地旋轉(zhuǎn)。

圖4A是波浪能轉(zhuǎn)換器(WEC)單元的另一個(gè)實(shí)施方式的正視圖。圖4B是圖4A的波浪能轉(zhuǎn)換器單元的側(cè)視圖。如圖4B所示，在這個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)置六(6)個(gè)轉(zhuǎn)子葉片409。葉片409(在圖4A中被示出為葉片402)由用交叉簾布層加固的橡膠材料構(gòu)成?？刹鹦兜匕惭b葉片409，以便進(jìn)行維護(hù)。為各葉片設(shè)置作為翼梁的金屬桿408，并且金屬桿408附接到轉(zhuǎn)子軸407。該WEC單元還包括：推進(jìn)器鼻錐406，其由附接到轉(zhuǎn)子軸407的纖維加固聚合物(FRP)或玻璃纖維加固聚合物(GFRP)制成；用于容納發(fā)電機(jī)411的外殼412，其由例如FRP或鋁制成；吊鉤410，其用于安裝；墩軸405，其用于支承外殼411；以及輸出電力線纜413，其用于連接到電力轉(zhuǎn)換站。墩軸405由底部鋼錠404支承，底部鋼錠404的重量是例如10噸并且布置在形成在海床上的沙或破碎巖石地基403上。圖4A和圖4B中的小數(shù)字符號(hào)指示以毫米為單元的各個(gè)大小的大致優(yōu)選尺寸。所估計(jì)的旋轉(zhuǎn)速度是大約1至3Hz；60至180rpm。葉片402(409)的形狀和尺寸取決于諸如水深和速度的場(chǎng)所條件，并且可使用例如空氣動(dòng)力模擬進(jìn)行適宜設(shè)計(jì)。

<波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)>

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的波浪能轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電構(gòu)造實(shí)施例的示意圖。多個(gè)WEC單元WEC 1至WEC 40安裝在海洋中，靠近海岸(或在海岸處)，以構(gòu)造(可以說)相對(duì)小規(guī)模的WEC場(chǎng)。在這個(gè)實(shí)施方式中，各WEC單元具有2m直徑的渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)對(duì)于標(biāo)稱2m的波浪高度而言具有100kW峰值輸出和25kW平均額定輸出。這些WEC單元以5m的間隔布置，沿著海岸遍及總共200m的長(zhǎng)度。所生成的輸出電力被600V，100A的三相電力線纜504獨(dú)立發(fā)送，三相電力線纜504可以鋪設(shè)幾百米(例如，300m)的長(zhǎng)度。WEC單元中的WEC 1至WEC 40中的每個(gè)接收隨機(jī)到達(dá)的波浪501并且生成均通常持續(xù)幾秒的電流脈沖。

用于處理各個(gè)WEC單元WEC1至WEC 40所生成電力的功率調(diào)節(jié)器503安裝在海岸上。如圖5所示，來自對(duì)應(yīng)WEC單元的各線纜504通過連接開關(guān)506和整流器507連接到電容器組508，使得所生成的AC電被暫時(shí)作為DC電儲(chǔ)存在電容器組508中。DC/AC轉(zhuǎn)換器509將儲(chǔ)存在電容器組508中的DC電轉(zhuǎn)換成AC電并且將它發(fā)送到升壓變壓器510。升壓變壓器510將AC電的相位和電壓與外部電網(wǎng)的相位和電壓進(jìn)行匹配并且將調(diào)節(jié)后的AC電發(fā)送到外部電網(wǎng)。由于波浪隨機(jī)到達(dá)海岸，因此各WEC單元所生成的電力變成在時(shí)間上隨機(jī)的脈沖，各脈沖的持續(xù)時(shí)間是幾秒。來自WEC的脈沖能量被轉(zhuǎn)換成DC并且被儲(chǔ)存在電容器組508中。因此，來自多個(gè)WEC的組合電流505被儲(chǔ)存在電容器組508中。重要的是，所儲(chǔ)存的能量因?yàn)檎髌?07而沒有泄露到WEC。因此，整流器507起到兩個(gè)作用：AC/DC轉(zhuǎn)化和當(dāng)WEC單元由于沒有波浪和/或機(jī)器故障而停止發(fā)電時(shí)將WEC單元與電容器組508隔離。為了進(jìn)行維護(hù)，可通過連接開關(guān)506將各WEC單元隔離。

電容器組508中儲(chǔ)存的能量通過DC/AC轉(zhuǎn)換器509和升壓變壓器510被發(fā)送到電網(wǎng)。如以上提到的，通過DC/AC轉(zhuǎn)換器509調(diào)節(jié)電壓和相位，以匹配電網(wǎng)電力條件的電壓和相位，從而將電力平穩(wěn)且高效低傳遞到電網(wǎng)。如以上描述的，根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式的WEC系統(tǒng)，可用到達(dá)海岸的破浪和/或波浪來生成相對(duì)大量的電力。在適宜的情形下，該構(gòu)造(即，旋轉(zhuǎn)葉片的陣列)還可應(yīng)用于離岸波浪、潮汐發(fā)電和河道水流中的水力發(fā)電。

發(fā)明人已經(jīng)通過以下實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了上述WEC單元和WEC系統(tǒng)的可操作性。圖13示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的已經(jīng)實(shí)際建立的WEC單元1300。圖13的左圖是正視圖而圖13的右圖是側(cè)視圖。WEC單元1300具有五(5)個(gè)葉片1301，葉片1301均用四(4)個(gè)螺栓固定到轉(zhuǎn)子轂1303并且由插入其中的碳軸支承，以耐受由到來的波浪所產(chǎn)生的阻力。各葉片1301按照NACA0020-0018混合規(guī)范進(jìn)行成形并且使用3D打印機(jī)由ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)樹脂制成。葉片的旋轉(zhuǎn)跨度被設(shè)置成600mm的直徑。鼻錐1302附接到轉(zhuǎn)子轂1303。三相AC發(fā)電機(jī)1304附接到轉(zhuǎn)子轂1303，以將葉片1301的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換成電力。該圖中的數(shù)值表示以毫米為單位的各個(gè)部分的尺寸。由Winpowertech制造的WPT100-20WE型發(fā)電機(jī)用作發(fā)電機(jī)1304。針對(duì)126.6W的輸入功率，該發(fā)電機(jī)的標(biāo)稱輸出功率是100.1W，效率是79.03％。

WEC單元1300被置于日本沖繩縣內(nèi)的前田海灘(Maeda beach)處的海水中。在該實(shí)驗(yàn)中，渦輪機(jī)(WEC單元1300)的大致下半部被浸沒在平均海平面中。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的波浪高度是大約幾十厘米至幾米。通過與三相整流器的輸出端子連接的電阻是233歐的負(fù)載電阻器來評(píng)價(jià)所生成的電力，該三相整流器整流從發(fā)電機(jī)1304輸出的三相AC。在負(fù)載電阻器處，所觀測(cè)到的最大功率是101.7W。計(jì)算出的水速是1.4m/s，該水速與大約200rmp的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電力轉(zhuǎn)換中的顯著效率，并且已經(jīng)成功確認(rèn)了本文中描述的WEC單元以及WEC系統(tǒng)的實(shí)際功用和可行性。

<WEC單元的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片>

在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，WEC單元(即，渦輪機(jī))的葉片被構(gòu)造成具有可變俯仰，該俯仰響應(yīng)于到來的水流/波浪運(yùn)動(dòng)是自適應(yīng)性的。圖6是示出根據(jù)本實(shí)施方式的對(duì)于帶固定葉片的渦輪機(jī)和帶可變俯仰葉片的渦輪機(jī)而言的流體速率與電力輸出之間的關(guān)系的曲線圖。固定俯仰葉片具有相對(duì)于葉片所附接的桿(諸如，圖4B中的金屬桿408)的固定角度。如圖6中的針對(duì)固定俯仰葉片的曲線中所示，當(dāng)?shù)絹淼牧黧w(海水)速率增大時(shí)，通過固定俯仰所生成的電力輸出增加。然而，當(dāng)流體速率極高時(shí)，通過海水施加到葉片的機(jī)械應(yīng)力會(huì)致使固定俯仰葉片破裂。因此，當(dāng)使用固定俯仰葉片時(shí)，必須在考慮到安裝場(chǎng)所處的典型和最差波浪條件下謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的WEC單元，以確保不達(dá)到圖6的葉片破裂點(diǎn)。如上所述，諸如橡膠的相對(duì)柔性材料可用于葉片302(或402/409)的材料，用于吸收極高的流體流動(dòng)帶來的壓力。然而，作為這種固定俯仰設(shè)計(jì)的替代方式，可更直接地利用材料或彈性結(jié)構(gòu)的彈性來更有效地應(yīng)對(duì)葉片破裂的問題。本公開內(nèi)容提供了如下所述的用于這些結(jié)構(gòu)的一些創(chuàng)新實(shí)施方式。

因此，在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，在渦輪機(jī)中引入自適應(yīng)性機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)使得葉片的扭曲角能夠根據(jù)波浪的流動(dòng)方向和本地速率而自動(dòng)地并且順從地改變。根據(jù)這些實(shí)施方式的葉片可由柔性材料(例如，橡膠)制成。在一個(gè)實(shí)施方式中，桿式翼梁在葉片的前沿附近實(shí)現(xiàn)，用于在沒有水流/波浪的情況下保持柔性葉片是筆直的，而葉片的另一側(cè)的另一端可圍繞桿翼梁旋轉(zhuǎn)?？衫孟鹉z的機(jī)械彈簧或彈簧動(dòng)作將翼面轉(zhuǎn)矩保持在優(yōu)化值，以使能量守恒效率最大。在一些實(shí)施方式中，隨著波的周期性交替的流動(dòng)方向，葉片可響應(yīng)于流動(dòng)方向的改變而自動(dòng)地改變扭曲角的方向；因此，渦輪保持在同一方向上旋轉(zhuǎn)。換句話講，不僅到來的波浪，而且回流的波浪可促成葉片在同一預(yù)定方向上旋轉(zhuǎn)，由此促成發(fā)電。

此外，在破浪中存在大速率梯度，即，在水面處的速率高而在底部處的速率低。如果使用固定扭曲角葉片，則葉片獲得表面附近的速度，但它損失了底部處的能量，因此會(huì)犧牲能量守恒效率。通過使用自適應(yīng)性俯仰設(shè)計(jì)，葉片在底部成小角度并且使阻力最小，結(jié)果，渦輪機(jī)沒有損失其底部處的能量。另外，在風(fēng)暴條件下，該設(shè)計(jì)提供了轉(zhuǎn)矩限制功能。在極高速流動(dòng)時(shí)，葉片快速翻轉(zhuǎn)成與流動(dòng)方向?qū)?zhǔn)，即，成為中立位置(零攻角，從而升力系數(shù)變成接近零)并且減小了來自高能量流的升力。結(jié)果，由于浪涌電流，導(dǎo)致可保護(hù)它不受破壞性沖擊。以下，在描述特定實(shí)施方式的背景下，進(jìn)一步說明該操作原理。

在本發(fā)明的一個(gè)方面，各葉片或葉片的一部分以它能繞著翼梁軸彈性(對(duì)應(yīng)于圖4B中的金屬桿408)旋轉(zhuǎn)這樣的方式附接到翼梁軸。圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方式的這種葉片的操作原理。圖7示出從徑向方向向著旋轉(zhuǎn)的軸/中心看到的葉片701的剖視圖。到來/向前的水流在圖中是從左到右的。參照?qǐng)D7，更詳細(xì)地描述以上提到的操作原理。當(dāng)沒有水流時(shí)，葉片701處于其中立位置(即，扭曲(俯仰)角是零(頂部的圖))。換句話講，葉片701在與水流/波浪移動(dòng)的方向垂直的旋轉(zhuǎn)平面上保持平坦。當(dāng)向前的波浪到來時(shí)，水的向前流動(dòng)使葉片701扭曲，從而致使葉片701圍繞轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)(中間的圖)。當(dāng)向外(向后)的波浪到來時(shí)，水的向后流動(dòng)使葉片701在相反方向上扭曲，結(jié)果，葉片701致使渦輪機(jī)在同一方向上旋轉(zhuǎn)(底部的圖)。

圖8示出當(dāng)水流速極高時(shí)的根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方式的葉片701的操作原理。在諸如臺(tái)風(fēng)的極端條件下，波浪變得非常高，水以極高的速度流動(dòng)。由于所得的大壓力，葉片701進(jìn)一步扭曲，并且流動(dòng)相對(duì)于葉片表面的攻角變小，即，葉片(或葉片的片段)相對(duì)于初始靜置位置以幾乎90度扭曲。結(jié)果，葉片701的升力受限制，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度受限制。當(dāng)極高的向后流速從后方撞擊渦輪機(jī)時(shí)，出現(xiàn)相同的受限制(或自動(dòng)調(diào)節(jié))旋轉(zhuǎn)。用這種機(jī)制，撞擊到渦輪機(jī)上的波浪/海水的非常高的流速?zèng)]有造成葉片701或渦輪機(jī)上的不允許的高應(yīng)力，由此以自動(dòng)調(diào)節(jié)/自適應(yīng)性方式保持WEC單元的完整性。換句話講，上述的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)矩自限制的。在以上討論的圖6中總結(jié)了這種效果。如圖6中的針對(duì)可變俯仰葉片的曲線所示出的，即使當(dāng)?shù)絹淼牧魉僮兊梅浅４髸r(shí)，電力輸出也達(dá)到飽和，這表明在流速非常大的情況下，旋轉(zhuǎn)受到了限制。因此，保護(hù)WEC單元/系統(tǒng)不受惡劣天氣條件的影響。因此，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面的自適宜性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的特征提供了用于應(yīng)對(duì)大范圍的波浪/海洋條件的經(jīng)濟(jì)且高效的方式。換句話講，本發(fā)明的這個(gè)特征提供了自動(dòng)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩限制效果，使得即使安裝場(chǎng)所偶爾經(jīng)受極大的水流速時(shí)，葉片也沒有經(jīng)受不期望的大應(yīng)力和壓力。

<自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的示例>

以上參照?qǐng)D7和圖8描述的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的剖面結(jié)構(gòu)可以通過徑向方向上的葉片的整體長(zhǎng)度來提供，或者在一些實(shí)施方式中，可以例如只設(shè)置在縱向方向上的葉片的一個(gè)或更多個(gè)片段處。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片可由柔軟材料(例如，合成橡膠或天然橡膠)制成，該柔軟材料可以與汽車的充氣輪胎中常用的相同的材料。可在這些材料中添加炭黑，以增強(qiáng)和改善由于波浪而導(dǎo)致的葉片上重復(fù)應(yīng)力下的壽命。

自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的剖視圖具有流線形。在一些實(shí)施方式中，可利用國(guó)家航空咨詢委員會(huì)(National Advisory Committee for Aeronautics，NACA)開發(fā)的NACA翼面的形狀數(shù)據(jù)。在某些情形下，對(duì)于WEC的本發(fā)明的實(shí)施方式(諸如，四位數(shù)族的NACA0020)而言，優(yōu)選的是對(duì)稱的翼型，因?yàn)檫@些形狀可響應(yīng)于波浪對(duì)稱方式的向前和向后流動(dòng)。

例如，葉片尺寸的實(shí)施例是：渦輪直徑為2m；葉片長(zhǎng)度為0.9m；葉片寬度0.3向著0.1m變細(xì)。

在一些實(shí)施方式中，自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片具有靠近前沿的用于允許翼梁插入其中的長(zhǎng)孔。在一些實(shí)施方式中，孔的直徑比翼梁的直徑大幾毫米，以允許葉片自由扭曲。在一些實(shí)施方式中，孔的中心位置是從前沿起測(cè)得的弦長(zhǎng)的大約5％至15％。

在一些實(shí)施方式中，扭曲的中立角度被設(shè)置成零，即，葉片在靜置條件下平坦放置。當(dāng)波浪到來時(shí)，水流將推動(dòng)后沿成為下游方向，并且自適應(yīng)性地創(chuàng)建適宜的扭曲角。在一些實(shí)施方式中，可以構(gòu)造葉片，使得當(dāng)生成目標(biāo)電力時(shí)，例如，扭曲角在底部(靠近轉(zhuǎn)子軸)處是30至60度并且在翼梢處是0至3度。

根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的葉片的翼梁可由例如CFRP(碳纖維增強(qiáng)型聚合物)、GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)型塑料)、或金屬(不銹鋼或鋼)制成。翼梁可具有圓形橫截面(即，桿形)。翼梁可具有減縮形狀，即，靠近發(fā)電機(jī)軸有較大直徑而朝向翼梢有較小直徑。在一些實(shí)施方式中，翼梁的直徑可被設(shè)置成在底部(靠近轉(zhuǎn)子軸)處的30mm至100mm和翼梢處的10mm至30mm。

圖11示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片。在這個(gè)實(shí)施方式中，通過將翼梁插入葉片的翼梢1104中形成的孔窩中，將翼梢1104固定到翼梁1105，翼梢1104由GFRP、CFRP或金屬(不銹鋼或鋁)制成。翼梁1105的另一端附接到轉(zhuǎn)子轂1101。翼梁1105可設(shè)置有滑動(dòng)環(huán)1106，滑動(dòng)環(huán)1106由特氟龍(Teflon)或碳塑料制成，以減少摩擦，使得葉片(除了翼梢1104外)的這些片段可容易地圍繞翼梁1105旋轉(zhuǎn)。葉片具有由例如橡膠制成的柔性葉片主體1107。柔性葉片主體1107由肋1108支承，并且肋1108可用軸承1103連同機(jī)械密封件1102旋轉(zhuǎn)附接到翼梁1105。用這種構(gòu)造，由于葉片主體1107的頂部附連到翼梢1104并且由于葉片主體1107的其他片段被制成能自由旋轉(zhuǎn)，因此葉片主體1107的彈性控制響應(yīng)于到來的波浪而產(chǎn)生的葉片主體1107的扭曲角。如圖11所示，由于以上提到的本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉片的下部響應(yīng)于水流而具有大范圍的扭矩角度，并且葉片的較高部分具有較窄范圍的扭曲角。由于這種彈性，葉片(葉片片段)的扭曲角響應(yīng)于水流而改變。

參照?qǐng)D9和圖10，說明根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的另一個(gè)實(shí)施方式。圖9示出纏繞根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的螺旋簾線層的示例性方式。在這個(gè)實(shí)施方式中，如該圖所示，簾線903的層以螺旋方式纏繞橡膠層904，以保持橡膠層的形狀并且提供用于扭曲運(yùn)動(dòng)的彈簧動(dòng)作。如該圖所示，肋905和肋902設(shè)置在各個(gè)端部。用于接受翼梁軸的孔901設(shè)置在葉片的前沿處。簾線903的取向和密度確定了機(jī)械性能。橫向簾線層還沿著流線設(shè)置，以保持在遭遇流動(dòng)水的動(dòng)態(tài)壓力時(shí)翼型不變。這樣，翼面的空氣動(dòng)力L/D(升力/阻力)系數(shù)可保持高，并且能量守恒效率保持高。例如，L/D系數(shù)可高于20并且能量守恒效率可高達(dá)30％。橫向?qū)釉试S橡膠主體不費(fèi)力地扭曲。在沒有橫向?qū)拥那闆r下，在某些情形下，橡膠葉片可在升力的作用下容易彎曲，并且劣化空氣動(dòng)力性能，例如，L/D變成低于10，由此降低能量轉(zhuǎn)換效率。圍繞翼梁孔的簾線903的螺旋層提供用于扭曲葉片的正確彈簧作用。簾線903可以是尼龍、聚酯、或芳綸或凱芙拉(Kevlar)。例如，簾線的直徑可以在0.01mm至0.5mm的范圍內(nèi)。層和葉片的制作過程可遵循與充氣輪胎制作相同的過程。

圖10示出按照參照?qǐng)D9說明的方法纏繞有螺旋以及橫向簾線層的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片。如以上說明的，這個(gè)實(shí)施方式的葉片包括纏繞內(nèi)部橡膠層1002的橫向簾線1006、螺旋層簾線1005和螺旋簾線層1001。另外，以上參照?qǐng)D9說明的結(jié)構(gòu)被外部橡膠層1007纏繞，由此構(gòu)成用于WEC單元的該實(shí)施方式的葉片1008?？?004設(shè)置在葉片的前沿處，以接受具有軸線1003的翼梁軸。如該圖所示的，在這個(gè)實(shí)施方式中，簾線層設(shè)置在葉片內(nèi)部。這樣，使用本實(shí)施方式的葉片1008，所得的WEC單元可具有自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片，自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的俯仰(扭曲角)可響應(yīng)于沖擊波浪(水流)而彈性改變。換句話講，出現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩限制。

圖12示出根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方式的自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片。在這個(gè)實(shí)施方式中，用的翼梁1204將更靠近葉片1201底部的部分(最靠近轉(zhuǎn)子軸的一側(cè))固定到轉(zhuǎn)子轂1203，其中具有大的初始扭曲角(例如，30至60度)。葉片1201的橫截面具有呈不對(duì)稱凹形設(shè)計(jì)的翼型?？衫糜糜谝砻嬖O(shè)計(jì)的NACA數(shù)據(jù)來確定這種類型的橫截面形狀。直到靠近空氣動(dòng)力中心，即，從前沿起的弦長(zhǎng)的25％，在葉片1201中制成用于翼梁1204的孔。翼梁位置轉(zhuǎn)變到外部片段的前側(cè)，而葉片可向著后側(cè)向后彎曲。翼梁1204是筆直的翼梁(中軸)，其具有被插入各葉片的孔中的圓形橫截面并且通過轉(zhuǎn)子轂1203固定到主轉(zhuǎn)子軸。葉片1201由柔軟材料制成，并且被構(gòu)造成容易圍繞中軸扭曲。使中立扭曲(在沒有水流的情況下的靜置條件)向著翼梢較小。當(dāng)水流速率增大時(shí)，因?yàn)槿~片上的升力并且力的中心偏離中軸(翼梁1204)，所以形成轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使葉片翻過來并且減小了作用在葉片上的力，從而保護(hù)葉片，使其不破裂。如圖12中插入的葉片的剖視圖中所示，靠近其頂端，葉片1201響應(yīng)于到來的水流/波浪以較大角度彈性扭曲，并且在中間以相對(duì)小的角度彈性扭曲。在底部處，葉片1201幾乎不扭曲。本實(shí)施方式以這種方式實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)性俯仰。

上述自適應(yīng)性俯仰旋轉(zhuǎn)葉片的任一個(gè)實(shí)施方式可用于例如圖1、圖3和圖4A至圖4B中示出的WEC單元。在圖3中示出的WEC單元設(shè)置有這種自適應(yīng)性俯仰葉片的情況下，當(dāng)波浪到達(dá)渦輪機(jī)304時(shí)候，水流碰到葉片，形成阻力，從而使葉片扭曲成推進(jìn)器形狀，之后葉片開始在水中旋轉(zhuǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)果，出現(xiàn)流體動(dòng)力升力，從而進(jìn)一步加速渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。通過發(fā)電機(jī)306將旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電力，并且所生成的電力通過電力線307被發(fā)送到在岸發(fā)電站。至于向后流動(dòng)，扭曲角使渦輪機(jī)在同一方向上逆向旋轉(zhuǎn)。

圖14示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的WEC單元安裝在海岸線處的另一個(gè)實(shí)施例。到來的海洋波浪1401被防波堤(或碼頭)1407的壁(在這個(gè)實(shí)施例中，豎直壁)反彈，并且反彈波浪1403和到來的波浪1401的組合在水面處創(chuàng)建振蕩駐波1402，這造成靠近防波堤的壁附近的水豎直上下移動(dòng)。重要的是，駐波的振幅是到來的波浪的幾乎兩倍。因此，存在快速豎直流動(dòng)。本實(shí)施方式的渦輪機(jī)利用來自該豎直水流的能量。具體地，渦輪機(jī)1408(本文中描述的WEC單元中的任一個(gè))與發(fā)電機(jī)1404一起沿著防波堤1407的豎直壁安裝，而非安裝在海底1410上，使得通過發(fā)電機(jī)1404將豎直水流(即，振蕩水流1409)轉(zhuǎn)換成電力。渦輪機(jī)1408和發(fā)電機(jī)1404由安裝于防波堤1407的支承結(jié)構(gòu)1406支承。為了應(yīng)對(duì)或有效利用由于潮汐而導(dǎo)致的平均水高度的改變，兩個(gè)或更多個(gè)渦輪機(jī)(葉片組)1408可被安裝在同一轉(zhuǎn)子軸1405上，如圖14所示。另外，通過利用來自振蕩水流的能量，該WEC可有效地充當(dāng)破浪結(jié)構(gòu)。

圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的WEC單元安裝在海岸線處的又一個(gè)實(shí)施例。當(dāng)防波堤或碼頭1507具有斜坡時(shí)，水沿著斜坡流動(dòng)。為了利用能量，渦輪機(jī)(即，本文中描述的WEC單元中的任一個(gè))可平行于斜坡安裝，而非安裝在海底1509上。到來的波浪1501由于與反彈波浪1503組合而創(chuàng)建了駐波1502，并且所得的振蕩水流1508致使渦輪機(jī)1504旋轉(zhuǎn)，從而造成轉(zhuǎn)子軸1505旋轉(zhuǎn)，由此在發(fā)電機(jī)1506處生成電力。類似于圖14中示出的結(jié)構(gòu)，考慮到由于潮汐導(dǎo)致的海平面改變，可設(shè)置多個(gè)渦輪機(jī)(葉片組)1504。另外，通過利用來自振蕩水流的能量，該WEC還可充當(dāng)有效的破浪結(jié)構(gòu)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該清楚，可在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在本發(fā)明中進(jìn)行各種修改和變形。因此，本發(fā)明旨在涵蓋落入隨附權(quán)利要求書及其等同物的范圍內(nèi)的修改形式和變化形式。特別地，明確料想到，上述實(shí)施方式中的任兩個(gè)或更多個(gè)的任何部分或整體或其修改形式可被組合并且被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。