波能量转换的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及波能量转换。
【背景技术】
[0002]针对当前所关注的全球变暖、碳排放及限制使用或获得传统的化石燃料，可替代的再生能源正变得越来越重要。
[0003]公知的是用于产生电能的太阳能、风能和波浪发电系统。太阳能光热发电系统在阳光充沛时正常工作，否则如果需要连续能量输出的话，在日照时需要将能量存储起来并且在夜晚释放。这通常是通过相变的盐(储存热能时液化，释放热能时再固化)来实现的。然而，如果在白天未能存储足够的热能，则存在的风险是能量输出有可能被耗尽。
[0004]显然，风能需要足够的空气流动来产生电力形式的风力涡轮机。虽然风力涡轮机技术已经进步了并且风能已变得更具有成本效益，但仍然存在中断以及使多个风力涡轮机定位成足以产生所需量的可再生能量的挑战。风力涡轮机在地上产生对当地不能总是接受的视觉和噪音影响。风电场最近已选址在海上，以便受益于更可靠的盛行风，并且减少存在的高大风力涡轮机对环境的影响。
[0005]从海洋中提取能量是可再生能源领域中的公认概念。波能量的主要好处在于，几乎总是存在从波中提取的至少一些能量，由此使得波能比太阳能热或风能潜在地更加可靠，并且在对当地环境具有更低的视觉及潜在地更低的噪音的影响方面更加地环保可接受。
[0006]虽然波能量在概念上相对简单，然而波能量是复杂的能源介质。
[0007]能量通过海洋有效地“滚动”，以圆形或椭圆形(取决于水的深度)摆动运动(上下“垂荡”和来回“浪涌”)移动水粒子，依靠水的流动性和粘度来将能量从一个地方传递到另一个地方。水在垂直和水平方向上不断地改变方向，并且自然地不断从势能(高度)变化到动能(运动)以及其间的组合。
[0008]来自海洋的波浪同样没有规律。虽然在给定的地点和给定的时间可能存在平均周期和平均波高，但波与波之间以及在每个波内仍然会存在差异。
[0009]这完全对试图从波中提取能量的任何波能量转换器(WEC)(有时也称为波能量转换装置或WECD)造成了显著的挑战。为了提高效率，转换器必须与波很好地“耦合”(即回应或“追踪”波动)，而在同时抵挡足以从波中提取能量的浪。转换器还必须坚固以在暴风雨期间承受波浪力(特别不利的力)，并有效地降低能量损失，且具有成本效益。
[0010]先前已经构思出了许多不同的WEC。然而，同样从波中提取能量足够有效并且同样充分可靠的具有成本效益的转换器的开发至今被证明是难以捉摸的。
[0011]许多WEC非常大，并且其构造和操作“机械”，从而导致高的制造、维护和/或操作成本，以及由于转换器的高质量和惯性而造成很难维持与波耦合。这导致低耦合(带宽)和很差的现实世界性能。
[0012]一些WEC使用相对复杂的方法来捕获、传输波能量以及将其转换为电能，往往通过连续能量转换进行，从波(流体)能量至机械至液压至旋转机械(涡轮机)至电能。转换的每个阶段都具有效率及系统复杂性成本，并导致能量损失。传输的每个阶段都具有摩擦损失，特别是当在高压和速度比如液压下与致密的流体(液体)工作时。
[0013]一些转换器只专注于水中能量的一个方向分量(即垂直或水平分量)，并不试图或有效地捕捉垂直和水平分量或者适应波中能量流动的流体性质。
[0014]其他WEC使用振荡水柱(OWC)，依赖于移动大量的水进出开放室或腔，该运动在涡轮机上来回泵送空气从而转动发电机。这些OWC转换器通常需要水改变方向并且围绕非流线型边缘流动。这增加了系统中的摩擦和能量损失，并且可以引入不必要的延迟，从而可能阻碍与波良好的耦合。相对于转换器的功率输出，这些转换器在其建造、安装或锚定中还需要相当量的材料。涡轮还暴露于汲有盐的空气，这可能会增加抵抗腐蚀的成本以及与保持叶片清洁来维持性能相关联的维护成本。
[0015]许多WEC还位于近海并且在恶劣天气条件下极其高力显而易见的海面上。这相对于有效功率输出增加了转换器的成本。
[0016]已显示出巨大潜力的WEC的一个领域可被表征为“膜”电力转换器，更具体地说是膜-气动电力转换转换器。这些转换器使用一系列低成本和低惯性膜或隔膜来与波相互作用并有效地将能量转移到第二流体(通常是低惯性、低摩擦的流体比如空气)，其将能量发送到涡轮机和发电机上。一般而言，因为低系统惯性(快速响应)以及用于其降低的复杂性，这些WEC比其他WEC可以表现出与波更好的耦合，并且有可能比上面所讨论的其他类型的WEC在更宽范围的波条件下更加成本有效地产生功率。
[0017]各种波能量转换器在现有专利文献中得到讨论。例如，20世纪60年代Semo的US3353787提出使用水或油作为第二(传输)流体。目的是具有能够更好抵御风暴的坚固海底转换器，并且利用在当时比其他更复杂的转换器更大比例的现有波浪能。Semo提出了每个具有柔性上表面的一系列细长腔，以通过单向阀将不可压缩的流体(液体)泵送至岸上流体电动机用于能量提取。流动在与流出相同的回路中从岸上返回，但是通过小孔进入腔。
[0018]20世纪70年代中期Lesster的US3989951讨论了一种浸没式转换器，其使用可压缩流体(比如空气)作为传输流体，以通过降低传输流体的质量和惯性来提高转换器的响应性。Lesster还提供了更短的柔性壁单元，以提高操作的灵活性，并且使波浪依次在每个单元上沿着转换器的长度行进。在回路中分离并流出回路使空气从每个单元通过单向阀，并且在提供对气流的“推拉”动作的闭环回路中导致一个或多个涡轮发电机。
[0019]20世纪70年代后期French的US4164383主张垂直于波阵面的转换器的纵向(脊柱)设计和定向。此转换器使用具有单向阀的闭环电路，并且将空气用作传输流体，但是将转换器移动成浮动的转换器处于或略低于像长‘脊柱’的波浪的表面，并且使用像分隔成隔室的袋的单个柔性外壳。
[0020]20世纪80年代早期以后French的US4375151披露了一种控制系统，其使用波高度和多个闭环回路以及涡轮发电机，通过减少气流脉动来提高能量提取的效率，并且提高转换器的海保持，特别是桨距控制。
[0021]20世纪80年代早期Bellamy的US4441030公开了一种类似的浮动“脊柱”设计，但在“终端”模式下，即平行于波阵面，柔软的“枕形袋”装出脊柱的侧面来捕捉波能量并减少磨损袋。主要重点是在袋设计上，但该专利文献还公开了使用每单元单个自整流涡轮，而不是先前的闭环电路。
[0022]Bellamy后来的专利文献US4675536在80年代中期进一步提出了一种圆形或环形设计来减少转换器的尺寸和成本，提高其海保持，并且回复至使用一系列膜的选择，但现在垂直定位，而不是袋捕获波浪能。
[0023]然后，膜转换器的发展出现停滞，直到在Turner的US2011-0185721和Bellamy等人的US2011-0162357中透露的发展在2008年进一步阐述了该原理。Turner文献主要侧重于具有用于膜的“S”形安装边缘的圆形转换器以及膜的其他设计特征(尺寸、厚度、硬度、加强等)。Bellamy等人还提出了一种圆形转换器(或‘无穷脊柱’)，但是引入了膜和振动水柱组合到一个转换器。目的是通过与波能量的垂荡(垂直)和浪涌(水平)分量接合来提高转换器的效率和‘带宽’(即与波親合)。Bellamy等人还回复到Lesster、French以及一定程度上Semo的止回阀、单向气流(闭环回路)特征。
[0024]Winsloe 的 US7554216 和 Rasmussen 的 W02007/057013 均公开了一种具有多个单元的振荡水柱(owe)和一种闭路气流系统，其通过使用单向阀送入高压歧管到涡轮发电机上，并且经由低压歧管返回。这两种转换器是浮动的OWC转换器，并且完全暴露至恶劣的波浪条件。
[0025]可替代地，本发明所期望的是提供一种波能量转换器(WEC)，其比上述已知的转换器能够更好地利用现有的波能量。
[0026]由于采用上述想法，本发明所期望的是通过优选地提供能够更好地承受风暴的子海波能量转换器来克服这种转换器的困难。
[0027]可替代地，本发明所期望的是提供一种与已知的波能量转换器相比具有改善的操作效率的波能量转换器。
【发明内容】
[0028]鉴于以上考虑，本发明的一个方面提供了一种波能量转换器(WEC)，包括主体和至少一个柔性膜，限制至少一部分的流体体积，所述至少一个膜的主要部分从垂直倾斜，为波能量提供流动平滑路径以在WEC上行进，同时使所述至少一个膜朝向所述主体变形来压缩流体，所述至少一个膜的倾斜有助于将波的势能和动能转化为流体内的压力。
[0029]本发明的另一方面提供了一种波能量转换器(WEC)，包括主体部分和至少一个柔性膜，为加压流体形成至少一部分的至少一个单元体积，所述至少一个膜从下部倾斜到上部，允许在WEC上撞击的波流过所述至少一个膜，以及来自波的浪涌和升沉的力使所述至少一个膜朝向所述主体变形来压缩所述至少一个体积中的流体。
[0030]根据本发明的WEC来自流过所述WEC的膜的波的能量转换成WEC中流体的一个或多个体积的压力(能量)，然后能够被用作有用的能量。具有倾斜膜的WEC与波有效地耦入口 ο
[0031]流动平滑可以为WEC上的波或波能量提供引导。
[0032]优选地，对于通过WEC的垂直截面来说，所述膜的横截面的长度与限制所述单元或体积的主体或面的表面的横截面的长度大致相同。这允许膜在所述膜充分变形或被压缩到主体或面时叠加到所述主体表面或面上。
[0033]所述WEC可以包括至少一个端口，优选地设置位于或邻近相应单元的上后方部。当波压力高于单元体积内的流体的压力时，对着所述膜撞击导致所述膜变形，加压的流体经由位于或邻近相应单元的上后方部的至少一个端口被压出所述单元。
[0034]所述主体可以包括至少一个面，其分别相对着所述至少一个柔性膜中的一个或多个，使得相应的柔性膜发生变形或通过朝向相应相对面的外部波的力而发生变形。
[0035]所述至少一个柔性膜可以朝向主体从下前部逐渐变形至上后部。
[0036]本发明的另一方面提供了一种波能量转换器(WEC)，其包括主体部分和至少一个单元，每个所述单元由柔性膜和相对面至少部分地限定，相应的柔性膜和面为单元内的加压流体提供体积，柔性膜可以通过来自膜上的波的外部力朝向面变形，从而经由至少一个端口迫使流体流出单元，其中，波压力高于单元体积内的流体的压力，