浮力致动器的制作方法

专利名称：浮力致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及波动能量的提取，更特别地，涉及对波动产生反应的浮力致动器以及该致动器的操作方法。本发明同样涉及波能转换系统和该系统的冲喿作方法。
尽管并非 一 定是独一 无二地，本发明被特别地设计成能针对波动作出反应并将波动结合到可操作的装置上的致动器。本发明致动器的一种特别应用涉及海洋波能的利用和将被利用的能量转换成驱动能量转换装置的线性运动，该转换装置例如可以是流体泵或线性发电机。在这样的布置中，该致动器可以被可操作地连接到能量转换装置，该致动器悬浮在所述转换装置上方的海水体中，但一般位于水面下方。通过该布置，波动的动力提升被转换成用于操作能量转换装置的单轴力。
本发明实际上包括浮标，该浮标在某些情况下被当成致动器，因为该浮标具有水体上扰动的大部分波长的尺寸，并且在靠近水体表面处拦截大部分波动的能流。
背景技术：
获取海洋波的能量是世界上迅速发展起来的业务，大量商业的波能装置在海上试验并进行小规模的商业应用。这些装置中比较重要的一类是通过转变海洋的升降运动来进行操作以产生机械装置的线性运动，该机械装置随后被用于驱动能量转换装置(例如流体泵或线性发电机)。
对于通过反渗透膜来直接脱盐和制造电力的高压海水来说，波能的获取和转化是几个早期建议的焦点，这些建议尤其包括在
PCT/AU2006/001187中公开的建议，在此处其内容通过引用的方式被并入。
6在海洋环境中技术的成功应用、操作和维护所遇5 lj的问题被那些 从事近海工业的人，特别是从事石油和天然气工业的人所了解，并且 该知识能够被应用到如海洋波能转换这样的新技术中。最初的海洋能 量系统的工程设计是十分复杂的任务，其需要探寻最大的能量获取和 转换，同时要将结构的成本保持在合理的水平，并且要保证所有者的 花费在整个技术生命周期中是可以接受的。在维护成本方面，必须对 关键受损部件的可靠性和系统的故障模式有彻底的了解。
如何控制暴风雨环境的问题可能也需要被提及。特别地，需要波 能转换系统能够响应海水状态的变化，并且在超过最大运行水平时， 其能够回复成安全备用模式，优选地，其能够自动回复。 一旦海水状 态已经退回到正常运行水平，该装置理想地应该自身重新装配以用于 正常操作，优选地，其会自动重新装配。由例如暴风雨事件引起的任 何对部分机械的持续伤害不应该阻止装置的剩余功能部分的运行。换 而言之，波能转换系统的所有故障模式都应该是"软"的。
浮力致动器具有这些特征将会是十分有利的。
浮力致动器可以是大型实体结构，该结构的直径或线性尺寸范围 达到10米，并且排水体积达到一千立方米。为了满足大规模商业的电 力需要，波能设备会需要包括大量(通常为数百个)这样的致动器， 该致动器用于一批数百个的海水泵或能量转换装置。当个别装置具有 大概是一 兆瓦的功率输出能力而整个元件场地具有几百兆瓦的瞬时输 出功率时，这批装置有必要按比例提升功率输出。
将数百个浮力致动器运输到应用位置会造成很大的困难，并且如 果它们不得不以实际尺寸来运输，将花费巨大。
同样十分有利的是，浮力致动器在陆地上被制造，并随后被折叠 和包装以用于将其运输到近海位置，在此浮力致动器可被配置成实际 尺寸并在之后纟皮应用。
本发明针对背景技术产生。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种响应波动的浮力致动器，该浮力致动器包括本体，该本体形成了用于容納物质的腔体，所述本体的 流体动力性能可通过改变腔体内的物质来有选择地变化。
流体动力性能的变化可以包括浮力的变化(增加或者减少(either positively or negatively)),或者本体的响应区i或的变4b (例i口体积或 形状)，也可以是这两种变化的组合。
所述物质的变化可以包括向腔体添加物质或从腔体中取出物质。 所述物质可以包括固体、液体或气体，也可以是这些物质的组合。 该物质可以采用任何合适的形式。举例来说，该物质可以由空气、 水(特别包括从致动器的运行环境中提取的水)构成，或者由一个或 多个固体插入物构成，例如固体球体或其它分离元件，也可以是这些
物质的组合。
添加到腔体中的物质的形式可以与该腔体中已经存在的物质相 同，也可以不同。举例来说，在一种布置中，在腔体内已经存在一些 海水(也可能组合有一个或多个其它形式的物质)的情况下，可以将 海水添加到该腔体中。在另一种布置中，在所述腔体中的物质没有包 括海水的情况下，可以将海水添加到该腔体中。
在腔体中所容纳的物质包括多种形式的情况下，从所述腔体中取 出的物质可以包括任何一个或多个所述形式。
当该浮力致动器被应用时，其优选定位在水下并距水面 一最小距 离，从而该致动器总是被淹没在水中，除非在异常的大洋中。
最理想的情况是，浮力致动器定位在水柱中的一位置处，在该位 置该致动器能拦截最多的能量，并且在波能设备的整个运行过程中能 保持该致动器完全被淹没在水中，只有当海洋中波谷通过期间超过了 装置的运行限制，该致动器才会显露出来。因此，该浮力致动器需要 在一深度处被应用，从而致动器的上表面一般会在中性水线下方几米 处。而且，浮力致动器与机械装置的组合优选形成了最小总长，该机 械装置(例如泵)与浮力致动器可操作地连接在一起，影响到水深运 用的该最小总长优选不少于IO米并且不大于100米。
浮力致动器的形状可能也是本发明的重要特征。计算流体动力学 (CFD )已经被广泛地应用以确定在能量获取方面何种形状能产生最佳效果。当CFD分析被应用到尺寸小于或等于四分之一波长(该标准 被称为"点吸收体(point absorber)'，)的致动器设计时，该CFD分 析会排除任何宽厚比过度的致动器形状。因此以点吸收体的观点来看， 罩蓬状或降落伞状致动器作为能量聚集装置效率较低。当允许较薄的 罩蓬状吸收体在点吸收体规则外延伸时，即当较薄的罩蓬状吸收体的 长度大于四分之一波长时，这一结论将不适用于较薄的罩蓬状吸收体 (例如在前述PCT/AU2006/001187文件中所提到的)。在这些情况中， 优化操作是不同的并且罩蓬结构是有用的。而且，罩蓬保留了多个连 接点，从而其不易于旋转。
对于点吸收体，CFD分析指出球体、短倒锥体或短圓柱体是带有 单个系绳的浮力致动器的适合形状。CFD分析证实了形状上越长越薄， 则越多的能量能够被转换成浮力致动器的旋转，由此不会在系绳中产 生有用的张力并且会导致结合了波浪扰动的较低能量，该系绳可操作 地将浮力致动器与机械装置连接。考虑到球形的对称性，球形是比较 理想的形状，因为在波浪扰动和浮力致动器间没有旋转结合，由此可 知，升降力被最大地转换成系绳上的线性张力。
当其它的因素例如工艺性和稳健性也被考虑的时候，球体、短圆 柱体和短倒锥体之间在能量聚集性能上的区别并没有大到把这些形状 排除在球体之外。因此，有一系列的形状具有可接受的能量聚集性能 和可接受的稳健性等级。
优选地，本体包括柔韧薄膜，该薄膜在腔体边界处形成了外壳， 该薄膜适于对本体内的物质变化作出响应并产生偏斜。该偏斜能够使 得本体的流体动力性能产生变化。
优选地，所述外壳形成了一个空腔，该空腔构成了腔体并且能够 通过接口与周围的海水相连通。该空腔可以包括封闭的水密空腔。腔 体的水密并非必要，只要可以在正常运行期间保持和隔离内部的海水 体积且具有最小漏出量，从而其如同系留块般相抵于致动器的外部水 力起作用。
在一种布置中，腔体可以是大致的球形结构。通过此布置，所述 腔体可以通过大致球形的壁结构形成，该结构包括由柔韧薄膜形成的
9外壳。该外壳可以由织物加固的聚合物材料的板条粘结而成。
该壁结构可以进 一 步包括在本体上下位置间延伸的加固装置。该 加固装置可以包括多个加固带，其具有卡箍结构，沿着表面圓周延伸 并穿过所述上下位置。该加固带的材料可以与外壳材料相同从而材料 混用性和粘附性得到优化。致动器的顶部和底部具有额外加固的圓环， 该圆环也是由相同的织物加固聚合物构成。
在本体上底部位置处可以设置定位点，该定位点用于将浮力致动 器拴在适当位置处。在本体上顶端处可以设置提升点。
所述定位点可以包括将加固带拴在其上的下部孔眼。另 一 根加固 带还可以穿过下部孔眼并被粘附到球形外壳的底部上。该加固带以及 另一根带在正常运行过程中承受着负载。当浮力致动器通过波动被提 升时，该加固带绷紧，并且张力通过下部孔眼被向下传输到系绳，以 此将提升力传送到下方的机械装置。在波浪通过后，浮力致动器受到 由下方机械装置所施加的回复力的影响而下落，并导致下部孔眼上的 负载减小，加固带收缩。
由于此设置，致动器中有一些弹性，从而当波浪的提升力拖拉系 绳时，能够有一些对波浪负载的緩冲。
容纳在大致球形腔体中的物质可以包括被放入的浮力物质，这些 浮力物质用来向致动器提供必要的浮力。该物质可以是任何密度小于 致动器附近的流体密度的材料和物质。该物质可以任何适当的方式放 入腔体内，例如通过设置在外壳上的接口。
优选地，该物质包括泡沫材料。该泡沫材料可以由泡沫球体构成。
该腔体可以被填充泡沫球体，使得致动器的外壳被内部泡沫球体 的向外的力拉到紧绷的状态，从而促使该致动器呈现其设计的形状。 泡沫球体相互之间可以接触以能够相互抵靠着滚动。该球体可以共同 地作用以保持致动器的外形，并且在仍旧保持着致动器的形状的情况 下，该球体受致动器上外力的影响彼此抵靠着滚动。由于此布置，球 体有效地用作滚动轴承，从而如果点负荷被施加到致动器外壳上时， 任何单个泡沫球体上都没有力的集中。
在此方式中，浮力致动器可以被制造，以及被进行泄漏和负荷试
10验，之后内部不带有泡沫浮力材料的致动器被运送。该泡沫可以在补 给站(其可能在船上)被添加，该补给只要在致动器在运行位置上被 应用前完成即可。
泡沫球体所占体积总量仍小于致动器的封闭容积总量，每个球体 周围存有间隙区域。这些间隙区域可以被填充有流体以调整浮力。
所述浮力可以被设定或预先设定，随后如果有需要，该浮力可以 通过控制任一种流体容量(例如气压或水量，或它们的组合)的方式 被有效地控制。
在另一个布置方式中，腔体可以是大致圓环形而不是球形。在此 布置中，本体可以包括圆环，该圆环具有环形外壳，该圆环形外壳由 与上述球形外壳相似的材料和方法产生。
优选地，内浮力结构容纳在由圆环的内部边界形成的空间中，优 选地，圆环面的外壳外表面的一部分与该内浮力结构粘接。该浮力结 构可以包括两个浮力元件(例如刚性泡沫片)，每个所述浮力元件的 形状都适配于圆环从顶部到底部形成的中心孔中。连接器(例如张紧 绳索)在两个浮力元件中延伸并与这两个浮力元件固定连接。在底部 浮力元件的下侧， 一定位点被结合到连接器中或被连接在连接器上。
被外壳封闭的该圆环形空腔可以被充满流体形式的物质，该流体 可以被增压到 一定程度，以使外壳处于张紧状态下并且形状是刚性的。 优选地，流体是水。该流体可以通过接口^皮导入并可^R密封以形成水 密密封。
如果流体是水，当浮力致动器被充满流体时，该致动器会接近中 性浮力。正向浮力通过元件提供给所述致动器。
在暴风雨状况下浮力致动器的自动关闭可以通过经由所述接口存 取腔体中的流体以及实时控制流体压力来实现。这可能牵涉到收缩至 少 一部分腔体以使致动器具有 一减少的表面区域，由此其不易受增强 的波浪力的影响。当暴风雨通过后，该腔体可以再次膨胀。
在另一个布置中，本体可以包括浮力部件，所述腔体设置在浮力 部件的下方。腔体可由从浮力部件上垂下来的圆柱形侧壁以及底壁形 成。该侧壁和底壁由柔韧材料构成。该底壁可以带有加固装置，该加
11固装置包括从外围边界处向内延伸至一 中心位置的带，在该中心位置 处有一定位点，并且所述带被连接到该定位点。该加固装置还包括底 壁边界处的圆环，可以将所述带的外端连接到所述圓环上。
腔体中的物质优选包括流体，优选为来自浮力致动器运行地点周 围的水(典型为海水)。该腔体可以通过在一定条件下允许吸入或释 放流体的装置来与周围的水连通。该装置可以包括阀门装置，该装置 具有两个阀， 一个是单向进口阀，其只允许流体进入腔体，另一个是 单向出口阀，其只允许流体从腔体中流出并进入周围的海水。
浮力致动器的浮力通过腔体上方的浮力部件来提供。该浮力部件 可以包括较短的注入有容积量的圆柱形泡沫。
在一般的运行模式下，浮力致动器被完全地充满海水并且两个单
向阀都关闭。波浪扰动的升降移动作用于本体上，从而导致本体向上
移动并在系绳上施加张力，通过该系绳浮力致动器被连接到下方的机
械装置。由于浮力致动器的结构，材料中有一定程度的固有弹性，从
而致动器的 一些弹性伸长出现在提升的最高点处。这种程度的弹性变
形在系绳承受负载时有利于限制系绳的振动效应。
除了因为弹性而在伸长上产生的细小变化，形成腔体的本体的形
状在一般运行期间大致保持不变，并且没有流体通过各个阀，包含在 腔体中的流体体积也基本保持不变。
当海水的状态将浮力增加超过一个预定的等级时，浮力致动器上 的动压负载也增加，迫使单向出口阀打开并使少量的流体从出口中流 出。同时，单向进口阀仍旧关闭，因此实际的效果是腔体中流体的体 积被减少并且腔体容积被压缩。不再处于内部压力下的外壳材料会松 弛下来并折叠起来。
施加在致动器上的波浪力与致动器的容积成比例，所以减少了的 容积状态对应于减少了的精确的波能摄取率，该波能摄取率用于在暴 风雨期间限制能量吸收。
在暴风雨通过之后，波浪的高度逐渐转变成常规等级并且腔体外 海水的动压会变得大于腔体内的压力，单向进口阀会打开以允许流体 流回到致动器容积中。这个过程会逐步出现直到致动器再次完全膨胀，
12此时不再有任何压力差横穿进口阀，该进口阀将关闭。在致动器处于 全容积时，该致动器以其最大效率响应波浪扰动。
单向出口阀的功能可以通过使织物外壳的重叠部分用作多个单向 阀来被增加，甚至可以全部替换。
在先前布置的一变例中，浮力部件下方的腔体可通过向下渐尖的 大致圆锥形的壁结构形成，该壁结构在加固的底部部件处终止， 一定 位点被连接到所述加固的底部部件上。
为了保持浮力的所需等级，可以向本体提供补充浮力。其可以包 括多个较小的球形漂浮物，该漂浮物被连接到浮力部件的上表面。
根据本发明的另一方面，提供了一种波能转换系统，该系统包括 能量转换装置和本发明第一方面的浮力致动器，该浮力致动器在能量 转换装置上方的水体中悬浮，以此响应于水体中的波动的浮力致动器 的动力提升会通过浮力致动器传输给能量转换装置。
能量转换装置可以由任何适当的方式构成，例如流体泵和线性发 电机。
根据本发明的另一方面，提供一种提取波动能量的方法，该方法 包括运行本发明前述方面的波能转换系统。
根据本发明的另 一方面，提供一种响应波能改变浮力致动器的流 体动力性能的方法，该方法包括可选择地改变被包含在浮力致动器内
腔体中的物质。
根据本发明的另一方面，提供一种运行浮力致动器的方法，该方 法包括可选择地改变被包含在浮力致动器内腔体中的物质，以改变该 致动器的流体动力性能。


通过参考下面结合了附图的几个特定实施方式的描述，本发明将
被更好地理解，其中
图1是第一实施方式的浮力致动器的示意性正视图，该致动器形
成了利用海洋波能的装置的 一部分；
图2是第一实施方式的浮力致动器的示意性透视图；图3是所述浮力致动器的侧视图4是所述浮力致动器下部的局部视图5与图2相似，其特别示出了浮力致动器中的浮力插入物；
图6是第二实施方式的浮力致动器的示意性截面图7是图6的浮力致动器的局部视图8与图6相似，区别仅在于其图示出了漏气状态下的浮力致动 器的腔体；
图9是第三实施方式的浮力致动器的截面图10是图9的浮力致动器的局部视图11是图9的浮力致动器的另一个局部视图12是第四实施方式的浮力致动器的示意性侧视图13是图12的浮力致动器的下侧的平面图14是图12的浮力致动器的剖面透视图15是图12所示的浮力致动器在漏气状态下的示意性侧视图16是第五实施方式的浮力致动器的透视图17是图16所示的浮力致动器的侧视图18是图16所示的浮力致动器的平面图19与图17相似，其区别仅在于该浮力致动器在漏气状态下；
图20是图16所示的浮力致动器在膨胀状态下的局部侧视图21与图20相似，其区别仅在于该浮力致动器在漏气状态下；
图22是第六实施方式的浮力致动器的剖面透视图23是图22所示浮力致动器的侧视图24是图22所示浮力致动器的平面图25是图22所示浮力致动器的底面平面视图26是图22所示的浮力致动器的顶端组件的放大视图27是图22所示的浮力致动器的底端组件的放大视图28是图22所示的浮力致动器的底端组件的另一放大视图；以
及
图29是所述底端组件的局部视图，外壳被连接到该底端组件上。
1具体实施例方式
如图所示的实施方式每个都示出浮力致动器10，该浮力致动器用
在装置11中，装置11利用海洋波能产生动力并将所利用的波能转换
成高压海水，例如通常为100psi以上，优选为800psi以上。所述装置 11产生的高压海水能够通过管道被传送到岸边以用于任何适当的目 的。在一种应用中，所述高压海水被用来作为电动机流体以驱动涡轮 机，该涡轮机中的轴功率被用于产生电力。在另一个应用中，高压海 水可以被注入反渗透脱盐装置(unit)，淡水可以从该装置中产生。来 自脱盐装置的仍在高压条件下的盐水浓缩物接着可被注入到涡轮机中 用于机械能的提取。如果需要，失去效能的盐水浓缩物能够接着返回 到海洋中。
该装置11被安装在海水12中，并在海水12中运行，该海水12 具有水面13和海床14。泵机械装置15相对于海床14固定。该浮力 致动器IO被可操作地连接到泵机械装置15上并在所述泵机械装置15 上方的海水12中悬浮，但该浮力致动器IO在水面13下一定深度处， 从而其上表面通常可以在中性水(neutral water)线下几米处。此外， 浮力致动器IO和与其可操作连接的泵机械装置15的结合优选形成一 总长，该总长在其最小状态下(当浮力致动器在其行程的最低点处) 适于在一定水深处运用，该水深优选为不小于十米并不大于一百米。
该浮力机构IO通过包含有系绳17的连接件16可操作地连接到泵 机械装置15。
参考图1-5，第一实施方式的浮力致动器10包括本体21,该本体 形成了大致球形结构的腔体23。特别地，由大致球形壁结构25形成 腔体23，该球形壁结构25包括由柔韧薄膜构成的外壳27。该外壳27 可以由多块柔韧薄膜材料的板条2 8粘合而成。该柔韧薄膜包括织物加 固的聚合物材料，该材料可以是商业产品Hypalon ,其广泛地用于海 洋浮标和护舷的制造。该材料可以被粘到其自身上以形成坚韧的防水 连接件，该连接件已被该工艺中有经验的人所熟悉。
该壁结构25还包括加固装置31,该加固装置31在本体21上的 上下位置间延伸。该加固装置31包括多个外部加固带33,该加固带33的结构为卡箍35，该卡箍35沿着外壳27的表面圆周延伸并且延伸 通过上下位置。该加固带33由与外壳25相同的材料构成，从而材料 的可混用性和粘合性得到优化。
浮力致动器10的顶部和底部具有附加的加固物，该加固物为圆环 37、 39(如图2所示)形式，仍旧是由同样的织物加固聚合物构成。
定位点41被设定在本体21的底部上，以用于将浮力致动器拴在 适当的位置处。提升点43被设定在本体21的上端。
该定位点41包括下部孔眼45，加固带33穿过该孔眼45。另一个 带47也可以穿过下部孔眼45并被粘合到球形外壳27的底部上。该加 固带33以及另一个带47承受着正常运行条件下的负载。当所述浮力 致动器10被波动提升时，带33、 47被拉紧，并且张力通过孔眼45被 向下传输到系绳17以将提升力传输到下方的活塞泵机械装置(piston pump mechanism )。在波浪通过后，所述浮力致动器IO受到下方的所 述活塞泵机械装置15重量的影响而下降，从而促使下部孔眼45上的 负载减少，并使得带33、 47紧缩。正常和漏气的情况如附图4所示。
由于此布置，致动器中带有一些弹性，从而允许在波浪提升力用 力拉系绳17时能对波能负载进行緩沖。
使用孔眼45作为定位点是十分有利的，其允许了致动器的 一些旋 转弹性。这是需要的，从而系绳的扭曲在致动器的运行过程中达到最 小化。
提升点43通过由织物构成的卡箍44来被连接，该卡箍44与圓周 加固带33中的一个相接形成。该提升点43被设计成能在提升和操作 过程中承受浮力致动器IO的干燥静负载；其不被设计成能承载完整的 动力工作负载，因为定位点41被设计成具有该作用。
该腔体23包含有物质，该物质包括被导入的浮力材料，以向浮力 致动器IO提供必要的浮力。该物质经过管接头51被引入腔体23,该 管接头51设置在外壳27上并且能够被打开和封闭。
在此实施方式中，所述物质包括泡沫浮力材料52，其由多个泡沫 球体53组成，如图5所示。该泡沫球体53由防海水的闭孔泡沫聚苯 乙烯构成，并且具有一定的直径范围。对于该实施方式，直径100毫
16米(4英寸)的球体是合适的。
该腔体23充满泡沫球体53,从而在内部泡沫i求体53的外向压力 下该浮力致动器10的外壳27被拉成紧绷状态，由此该致动器呈现出
其设计形状。
该泡沫球体53相互接触，使得它们能够相互紧靠着滚动。这些球 体53可以共同地运动以保持所述致动器10的外部形状，并且能在保 持所述致动器的形状的同时响应致动器上的外力彼此滚动。通过此布 置，球体53有效地用作滚动轴承，从而在点负载被施加到致动器外壳 上的情况下，任何单个泡沫球体上都没有力的集中。
该实施方式的浮力致动器IO可以被制造并进行漏气和压力测试， 之后内部不带有泡沫浮力材料52的致动器被运送。只要在致动器在运 行位置上被应用之前，该泡沫浮力材料都可以在补给站处(其可能在 所应用的船上)被添加。
泡沫球体53占有的总体体积仍旧小于腔体23的总封闭容积，并 且每个球体53周围都有间隙区域55。该间隙区域55可以充满流体以 调节浮力。
当泡沫球体53被放置在腔体23内部之后，通过密封浮力管接头 51,致动器是不漏水的。
所述外壳27包含三个其它的用于与封闭腔体23连通的管接头。 两个这样的管接头57、 59被定位为朝向腔体23的顶部。第三个这样 的管接头60被定位为靠近腔体23的底部。
在此方式下，有三种浮力致动器的运行模式。在第一模式中，浮 力致动器IO的腔体23受压于通过接口 57来自外部的空气或气体。接 口 57成为一种单向阀以允许气体流入腔体23,但不允许泄漏气体。 接口57是压力释放阀，其限制了最大气体压力。
所述浮力致动器IO可以在特定的气压下被固定，此时与其相连的 气体补给线被断开，或气体补给线可以仍旧被连接着而压力被有效地 控制。外壳27的轻微体积变化会导致浮力的变化，而内部压力的变化 会导致体积的变化。
第二运行模式与第 一模式相似，但是其添加物是容置于间隙区域
1755中固定量的水或液体。这使得净浮力在气压下受到腔体23的膨胀
程度的影响较小，因为其体积变化较小。
第三运行模式与第二模式相似，但是除了水和空气的混合体之外，
其还增加了第三管接头60,该管接头允许流体流进或流出腔体23。这 就使得能够通过改变间隙区域55中的气体/流体比率来最大限度的控
制浮力。
该实施方式的有利特征是浮力能够被设定或预先设定，并且之后 如果需要，能够通过控制腔体23中的气压或水量，或同时控制两者来 对浮力进行有效控制。
参考图6-8,第二实施方式的浮力致动器10包括本体71，该本体 形成大致圆环(toroidal)结构的腔体73。该实施方式与第一实施方式 的区别在于基础形状是圆环形而不是球形。尽管如此，能量转换的效 率仍然是十分好的，因为该形状一般仍旧是短而厚的，并且圓环形的 外径仅略大于其垂直高度的两倍。在此实施方式中，圆环形结构的横 截面大致为圆形。
该本体71包括圆环形外壳75，该外壳75的材料和制造方法与第 一实施方式中的球形外壳27相同。
圆环形外壳75形成了封闭的水密空腔76，该空腔形成了腔体73 并可通过接口 77与周围的海水连通。
圆环形外壳75的外表面的一部分被粘接至两个刚性浮力元件81、 82,每个浮力元件包括一片刚性浮力材料，例如泡沫材料。该浮力元 件81、 82的形状适配于由本体71的圆环形结构形成的中心孔， 一个 浮力元件在顶部，另一个在底部。包括张紧绳索84的连接器83在两 个浮力元件81、 82之间延伸，并且被紧固于这两个元件。虽然浮力元 件81、 82可以在它们在中心相接的位置处相互接触，优选地在它们之 间有小间隙85,以使得张紧绳索84能够被拉紧。
定位点89在底部浮力元件82下方与所述连接器83结合。该定位 点89具有孔眼的结构。
所述张紧绳索84穿过所述浮力元件81、 82，并且被现场浇铸在 所述浮力元件的一个中而穿过另 一个浮力元件以利于装配。张紧绳索
1884使刚性浮力元件81、 82互相连接，并且当绳索被调节以矫正张力 时，张紧绳索84允许连接器上的负载通过分散板91在较宽的区域上 被分散。在此方式下，整个组件被刚性制成，负载施加穿过所述浮力 致动器10的质量中心，此时整个组件稳固。
被外壳75封闭的圆环形空腔76充满流体形式的物质，并且该流 体可以被加压到一定程度，在该程度下所述外壳被张紧，并且形状呈 刚性。优选地，该流体是水。该流体可以通过接口 77被导入，该接口 可被密封以形成水密密封。
浮力致动器70在充满流体的情况下将接近中性浮力，特别是当流 体是水的时候。通过浮力元件81、 82,正向浮力被提供给所述致动器。
在暴风雨状况下浮力致动器70的自动关闭可以通过经由所述接 口 77获取空腔76中的流体以及实时控制流体压力来实现。该装置(未 示出)包括柔软管，该柔软管通过接口 77在一端与流体空腔76连接， 并且在其另 一 端与控制系统连接，该控制系统可以在所述系统感知3 'J 最大波高被超越时抽空流体并使空腔76漏气。漏气的状态如图8所示。 表面区域被大量减少的所述浮力致动器70较少地受到增强波浪力的 影响，从而其损坏的可能性较少，或将过度的力传输给泵的可能性较 少。在暴风雨过后，该系统将逐渐使空腔76再次膨胀并充满流体，直 到该空腔再次被完全受压并能够正常工作。
所述浮力致动器IO可以在其泄漏状态下被压扁(如图8所示)以 用于贮存和运输到应用位置。在该位置处，所述空腔76受到流体的压 力，优选是水的压力，并且接口77封闭，固体形状再次产生。
参考图9-11，第三实施方式的所述浮力致动器IO与第二实施例的 相似，因此相同的标记用来指定相对应的部件。在此实施方式中，形 成大致圓环形结构腔体73的本体71的横截面大体上为椭圆形。与第 二实施方式相比，有利的地方是对于相同的直径其能提供更大的深度， 所以其形状更对应于理想的球形。
参考图12-15,第四实施方式的浮力致动器10能够响应暴风雨情 况并从该暴风雨情况中恢复，而无需像前述两个实施方式那样要求助 于外部系统。在此实施方式中，浮力致动器10包括本体101，该本体101具有浮力部件103，在该浮力部件103下方有腔体105。外壳106形成该腔体105,该外壳106包括圆柱形侧壁107和底壁109,侧壁107从浮力部件103上垂下来，而底壁109逐渐向内向下变小。侧壁107和底壁109为柔韧材料。特别地，使用与第一实施方式的外壳27相同的材料和制作方法来构成所述侧壁107和底壁109。
所述底壁109包含加固装置111,该装置包括带113,这些带113连接至圆形加固环115,并从圆形加固环115的外部边界处开始向内延伸至中心位置117，在该中心位置117处有一定位点119，所述带113被连接到该定位点119上。所述定位点119包括孔眼。
腔体105所包含的物质包括流体，最好是海水。该腔体105通过阀门装置120与周围的海水连通，该阀门装置120在一定状态下允许吸入和放出流体。该阀门装置120具有两个阀，一个是单向进口阀121,其只允许流体进入腔体105，另一个是单向出口阀122，其只允许流体从腔体105中流出并进入周围的海水。
腔体105并不一定要是水密的，相反地其只是在正常运行期间保持和隔离其内的海水体积并使泄漏最小，从而其如同系留块(captivemass)般逆着浮力致动器IO的外部水力而起作用。这样的结构会特别有用，因为浮力致动器的制造要求被允许放宽，其不强求100%的水密密封，因此可以有利地节约成本。
所述浮力致动器IO的浮力由腔体105上的浮力部件103提供。该浮力部件103包括较短的圆柱形浮力容积123,该容积123被装在由织物材料构成的外壳125中，该织物材料通常可以是与侧壁107和底壁109相同的材料。所述浮力容积123可以包括泡沫材料，该泡沫材料与用于第一实施方式的泡沫浮力球体53的材料相似，并且其具有闭孔结构，不可渗透海水。考虑到所述泡沫材料在海水中能长时间保持浮力，织物外壳125的完全水密密封并不是必要的。所述圆柱形侧壁107被连接到织物外壳125的外边界上，并从该外边界上垂下。
在常规运行模式下，所述浮力致动器10的腔体105被完全充满海水，两个单向阀121， 122都被封闭。波浪扰动的升降运动作用在所述浮力致动器10上，由此浮力致动器能够向上移动并将张力施加在连接
到下方泵机械装置的系绳上。正如在第一实施方式中的情形，所述浮
力致动器10的材料设有一定程度的弹性，从而在提升的最高点处致动
器会出现 一 些弹性伸长。因为该弹性变形的程度限制了承受负载时的 系绳以及泵机械装置的振动效应，致动器的该弹性变形程度是十分重 要的。其通过限制关键元件上的最高点负载来协助提高波能聚集装置 中组件的寿命。
除了由于材料弹性而在伸长上产生的小变化，浮力致动器10的形 状在常规运行期间基本保持不变，并且没有流体通过各个阀121、 122。 因此，包含在腔体105中的流体体积也基本保持不变。
当海洋的状态将浮力增加超过一个预定的等级时，浮力致动器10 上的动压负载也增加，迫使单向出口阀122打开并使少量的流体从出 口中流出。同时，单向进口阀121仍旧关闭，因此实际的效果是腔体 105中流体的体积被减少并且腔体容积被压缩。如图15所示，不再处 于内部压力下的外壳106的材料会松弛下来并自身折叠起来。
施加在致动器IO上的波浪力与该致动器的容积成比例，所以腔体 105中减少了的容积状态对应于减少了的精确的波能摄取率，该波能 摄取率用于在暴风雨期间限制能量吸收。
在暴风雨通过之后，波浪的高度逐渐转变成常规等级并且腔体105 外海水的动压会变得大于腔体105内的压力。因此，单向进口阀121 会打开以允许流体流回到腔体105中。这个过程会逐步出现直到腔体 105再次膨胀，并且横穿进口阀121不再有任何压力差，此时该进口 阀121将关闭。当致动器的腔体105处于全容积时，该致动器以其最 大效率响应波浪4尤动。
单向出口阀122的功能可以通过允许织物外壳106的重叠部分作 为多个单向阀起作用而被加强，甚至可以被全部替换。这可以通过使
接缝泄漏来实现，即不沿着它们的整个长度密封，而只需板条部件间 的足够连接，以保证腔体105能在正常运行状态下基本防止渗漏。当 致动器100受到过度的波浪负载时，织物外壳106的上下摆动会产生 出口以使得从致动器中流出的水可以通过。
21200780049172.6 在类似的方式中，通过恰当选择外壳材料厚度、柔韧性、重叠度 和定位点，也可以去除用于流入的单向阀121,并且可以由织物外壳
106中的泄漏部件来执行该功能。在外加动压已经下降从而水能緩慢 流回致动器容积后，必须要确保织物接缝打开足够长。
参考图16-21,第五实施方式的浮力致动器10与前述实施方式相 似，因此相同的标记用来指定相对应的部件。在此实施方式中，浮力 部件103下的腔体105由一向下渐尖的大致圓锥形的壁结构131所形 成，该结构在底部加固部件处终止，定位点119 ^:固定在该底部加固 部件上。
为了维持所需的浮力程度，补充浮力被提供给本体。补充浮力可 以由多个较小的球形漂浮物133来提供，该漂浮物被连接到浮力部件 103的上表面。
该实施方式的才乘作方式与前述实施方式相同，也利用阀121， 122。
在该实施方式中可能无法将泄漏接缝用作单向阀，因为圓锥形状 对外壳的弯曲度的影响使得难以实施该技术。因此使用了常规单向阀。
在波能装置运行范围内的海洋中，浮力致动器130在正常运行时 完全膨胀，如图16、 17和20所示。流体4皮允许通过单向进口阀121 进入，而出口阀122保持封闭，因为没有足够的压力差可以打开它。
在暴风雨条件下，情况正好是相反的，这就如图19和21所描绘 的那样。由于内部压力，所述进口阀121是封闭的，而所述出口阀122 是打开的以允许流体泄漏出来，从而使所述浮力致动器稍微瘪下去。 在此实施方式中，单向进口阀121和单向出口阀122被仔细地设定有 足够的滞后量，从而所述致动器IO会保持膨胀用于正常运行而不会过 早地泄漏。典型地，单向阀的调整可以涉及阀中弹簧张力的设定。
参考图22-29,第六实施方式的浮力致动器10包括形成腔体23 的本体21。特别地，该腔体23由大致球形的壁结构25所形成，该壁 结构25包括柔韧的外壳27,该外壳在刚性的上下部131、 132间延伸。 在所示出的布置中，腔体23具有大致球形的结构，但是显然也可以是 其它结构，例如圆柱形和截头圆锥形结构。
刚性上部131和刚性下部132的使用避免了对于如第一实施方式
22中所使用的在本体21上下位置间延伸的加固装置的需求。
外壳27的材料和制作方法与第一实施方式所述外壳相似。 所述上部131包括顶部组件133，该组件具有外法兰部件135和 中心盖板部件137,该中心盖板部件137适于通过例如螺栓这样的紧 固件139来被可释放地紧固在一起。该外法兰部件135结合有外围法 兰141,外壳27的上边界被密封地连接到该外围法兰141上。提升凸 耳142被结合到上部131中。
所述下部132包括底部组件143,该组件具有外法兰部件145和 中心盖板部件147,该中心盖板部件147适于通过例如螺栓这样的紧 固件149来被可释放地紧固在一起。该外法兰部件145结合有外围法 兰151，外壳27的下边界被密封地连接到该外围法兰151上。所述中 心盖板部件147包含有用于连接系绳的定位点153,就如同前述实施 方式那样。在所示的布置中，定位点153被结合在位于中心板部件147 下方的角板155中。另一角板157被设置在中心板部件147下方并与 角板155交叉。这两个角板155、 157包含多个用于紧急系绳的定位点 161。
外围法兰151有边缘163,外壳27的下边界165被连接到该边缘 163上。所述外壳27的下边界165通过与边缘163粘合在一起来实现 与该边缘163的连接，如图29所示。所述下边界165被粘到所述边缘 163,并且夹在粘附至内外表面的两个薄膜材料的带167中间。
外壳27的上边界以相似的方式被连接到顶部组件133的外围法兰 141上。
包括单向进口阀121和单向出口阀122的阀门装置120被结合在
所述中心盖板部件147中，如图25所示。
该实施方式的浮力致动器以与前述实施方式相似的方式运行。 由前述的内容可知，各个实施方式显然提供了简单但高效的用于
实现改变浮力致动器的流体动力性能的布置，例如浮力的改变(增加
或者减少)或响应区域的改变(例如体积或形状)，也可用于这些改
变的组合。
应该意识到，本发明的范围并不仅限于上述这些实施方式的范围。
23另外，需要理解的是，虽然在此揭示的实施方式的主要目的在于
满足前述PCT/AU2006/001187中所述波能转换系统的性能和可靠性， 本发明并不受限于这种特别的波能转换系统的范围，也不受限于波能 转换系统的范围。例如，本发明可以被用于提供较强的水下浮力以支 撑海面下的结构，例如电缆、管道等，也可以适用于在可变条件下通 过浮力的动力补偿来保持预定负载。
在不脱离本发明范围的情况下，可以作出任何变化和改进。 在说明书中，除非有特别要求，否则，词语"包括"或者类似意 思的词语都应理解成是暗示包含了所声明的物体或物体组合，且不将 其它物体或其它物体组合排除在外。
权利要求
1、一种响应波动的浮力致动器，该浮力致动器包括本体，该本体形成容纳物质的腔体，通过改变腔体中的物质，可有选择地改变所述本体的流体动力性能。
2、 如权利要求1所述的浮力致动器，其特征在于，所述对流体动力性能的所述改变包括对浮力的改变(增加或者减少)。
3、 如权利要求1所述的浮力致动器，其特征在于，所述对流体动力性能的所述改变包括对所述本体的响应区域的改变(例如体积或形状)。
4、 如权利要求1所述的浮力致动器，其特征在于，所述对流体动力性能的改变包括对浮力的改变(增加或者减少)和对所述本体的响应区域的改变(例如体积或形状)。
5、 如前述任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述对物质的改变包括将物质添加到腔体中，或将物质从腔体中取出。
6、 如前述任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述物质包括固体、液体或气体，或它们之间的任意组合。
7、 如权利要求6所述的浮力致动器，其特征在于，所述物质包括来自所述致动器的运行环境中的水。
8、 如权利要求6或7所述的浮力致动器，其特征在于，所述物质包括固体物质，并且所述固体物质包括一个或多个固体插入物。
9、 如权利要求8所述的浮力致动器，其特征在于，所述固体插入物包括多个浮力球体。
10、 如权利要求9所述的浮力致动器，其特征在于，被所述球体占有的体积总量小于所述腔体的封闭容积总量，其中所述球体周围有间隙区域，该间隙区域用于容纳流体以改变浮力。
11、 如权利要求9或IO所述的浮力致动器，其特征在于，所述球体被布置成一个紧靠着另一个滚动。
12、 如前述任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述本体在其底端处设有定位点，以用于将浮力致动器拴在适当的位置。
13、 如前述任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述本体在其顶端处设有提升点。
14、 如前述任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述本体包括壁结构，该壁结构在腔体边界处具有柔韧的外壳，该外壳适于在响应所述本体中物质的改变时偏斜。
15、 如权利要求13所述的浮力致动器，其特征在于，所述腔体由壁结构来形成，该壁结构具有加固装置，该加固装置在所述本体上的上下位置间延伸，所述加固装置包括多个设置为卡箍的加固带，该加固带沿着表面圓周延伸并穿过所述上下位置。
16、 如权利要求14所述的浮力致动器，其特征在于，所述壁结构包括在刚性上下部分之间延伸的所述柔韧外壳。
17、 如前述任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述壁结构由大致球形的结构形成。
18、 如权利要求1到14中任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述腔体大致为圆环形(toroidal)。
19、 如权利要求18所述的浮力致动器，其特征在于，内部浮力结构被容纳在由圆环(torus)的内边界所形成的空间中，所述圆环的外壳的外表面的 一部分与该内部浮力结构粘合。
20、 如权利要求19所述的浮力致动器，其特征在于，所述内部浮力结构包括两个浮力元件，每个浮力元件的形状都适配于所述圆环从顶部到底部形成的中心孔。
21、 如权利要求20所述的浮力致动器，其特征在于， 一连接器在两个浮力元件之间延伸并固定于两个浮力元件，其中设有定位点的装置与所述连接器结合或被连接到所述连接器。
22、 如权利要求1到14中任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述本体包括浮力部件，所述腔体设置在该浮力部件下方。
23、 如权利要求22所述的浮力致动器，其特征在于，所述腔体由从浮力部件上垂下的圆柱形侧壁和一底壁形成，所述侧壁是柔韧的。
24、 如权利要求22所述的浮力致动器，其特征在于，所述腔体由大致圆锥形的侧壁形成，该侧壁是柔韧的。
25、 如前述任一权利要求所述的浮力致动器，其特征在于，所述腔体适于与所述浮力致动器运行地点周围的水连通。
26、 如权利要求25所述的浮力致动器，其特征在于，通过允许在一定条件下吸入和释放水的装置来与周围的水连通。
27、 如权利要求26所述的浮力致动器，其特征在于，所述装置包括阀门装置。
28、 如权利要求27所述的浮力致动器，其特征在于，所述阀门装置包括两个阀， 一个是单向进口阀，该阀只允许周围的水流入腔体，另 一 个是单向出口阀，该阀只允许腔体中的水流出到周围的海水中。
29、 如权利要求27或28所述的浮力致动器，其特征在于，所述阀门装置包括形成所述腔体外壳的材料的重叠部分。
30、 一种波能转换系统，该系统包括波能转换装置和如前述任一权利要求所述的浮力致动器，所述浮力致动器悬浮在所述波能转换装置上方的水体中，以此响应水体中波动的浮力致动器的动力提升通过浮力致动器被传输到波能转换装置中。
31、 如权利要求30所述的波能转换系统，其特征在于，所述波能转换装置包括流体泵。
32、 如权利要求30所述的波能转换系统，其特征在于，所述波能转换装置包括线性发电机。
33、 一种从波动中提取能量的方法，该方法包括运行如权利要求30-32中任一项所述的波能转换系统。
34、 一种用于响应波动来改变浮力致动器的流体动力性能的方法，该方法包括可选地改变被容纳在所述浮力致动器内腔体中的物质。
35、 一种运行浮力致动器的方法，该方法包括可有选择地改变被容纳在所述浮力致动器内腔体中的物质，以此改变该浮力致动器的流体动力性能。
36、 一种运行波能转换装置的方法，该波能转换装置具有浮力致动器，该方法包括可有选择地改变被容纳在所述浮力致动器内腔体中的物质，以此改变该浮力致动器的流体动力性能。
37、 一种大致结合附图所描述的浮力致动器。
38、 一种大致结合附图所描述的波能转换系统。
39、 一种大致在此描述的从波动中提取能量的方法。
40、 一种大致在此描述的改变浮力致动器的流体动力性能的方法。
41、 一种大致在此描述的运行浮力致动器的方法。
全文摘要
一种浮力致动器(10)，其用在利用海洋波能产生动力并将所利用的波能转换成高压海水的装置(11)中。该浮力致动器(10)包括主体(21)，该主体(21)形成具有柔韧外壳(27)的腔体(23)。所述腔体(23)适于容纳物质，而所述本体(21)的流体动力性能通过改变腔体(23)内的物质而被可选择地改变。流体动力性能的改变可以包括浮力的改变(增加或者减少)，或本体(21)的响应区域的改变(例如体积或形状)，也可以是这些改变的组合。所述物质的改变可以包括将物质添加到所述腔体(23)中，或将所述腔体(23)中的物质提取出来。该物质可以包括固体、液体或气体，也可以是它们的任意组合。在所示出的布置方式中，所述物质包括泡沫球体(53)。所述外壳(27)通过内部泡沫球体(53)的向外压力被拉到绷紧状态，致使所述致动器呈现其设计的形状。被所述泡沫球体(53)所占据的体积总量仍旧小于腔体(23)的封闭容积总量，并且在每个球体(53)周围有间隙区域(55)。该间隙区域(55)可以充满流体以调整浮力。
文档编号E02B9/08GK101688512SQ200780049172
公开日2010年3月31日 申请日期2007年11月2日 优先权日2006年11月3日
发明者艾伦·罗伯特·伯恩斯 申请人:Reh知识产权公司