CN103765002A - 波浪能提取装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种为将波浪能转化为机械运动的波浪能提取装置（或称波浪桨板），在水平面上呈弯曲状，具有一个面向入射波的凹陷侧面（11）以增加捕捉到的能量，以及一个位于背水侧的凸起侧面（12）以减少能量耗散。凹面基本呈抛物线或半椭圆状，而凸面可以采用大致的高斯曲线轮廓（4）以提高流体动力，并增加强度。为了简化与基座平台的链接，波浪桨板的曲度可以逐渐减缓，在安装点变为平直边缘（1），而基座装置既可位于水面以上也可位于水面一下。一个实施例在垂直面上也呈弯曲状，与水平面相同，形成一种勺状或杯状的桨板（9）。

Description

波浪能提取装置及方法

技术领域

本发明涉及一种波浪能提取设备，或称波浪桨板，它能把水波，尤其是海浪中的能量转化为有用的机械运动。本发明也衍生出一种波浪能转化装置，以及一种从水波中提取能量的方法。

世界上的海洋和其他水体蕴含着大量能量，这些能量来自于经过的天气***，随着波浪起伏沿着水面传播。这种能量往往被认为是一种“绿色”能量资源，能满足地球上一代代人对能量的需求。

用来从水波中提取能量的方法有很多种。主要的***包括：

1.点吸收器，利用位于（或靠近）水面的漂浮单元与一个固定点之间的相对位移来产生机械能量。

2.衰减器，使用一组随水面上下浮动的漂浮单元，在相对运动的过程中产生机械能量。

波浪桨板，它们垂直切过水波，通过干扰粒子轨道产生运动，并在桨板上形成压力梯度，使之向前或向后摆动。这种运动产生的能量由一个液压活塞或液力压头进行捕捉，用以产生电能，或以其他适用形式产生或存储能量。

背景技术

更进一步，针对上述第三类***，人们提出了不同的波浪桨板设计方案。举例说明，US-A-2008/0018113和GB-A-2,333,130介绍了向下悬挂的、扁平的，且对称的波浪桨板，它在靠近水面的地方截断水波的运动。当波浪从这些设备下方通过时，它们就能渐渐吸收能量，并令波浪变得平缓。

WO-A-2004/097212和EP-A-2,292,924是为浅水设计的，将一块对称波浪桨板底部用铰链固定。WO-A-2004/097212描述了一种大体平坦，只有轻微垂直曲度的波浪桨板。而EP-A-2,292,924中的波浪桨板则是由一系列水平管状部件构成的，使板的两面都具备流线型垂直轮廓。波浪桨板还另含一对“末端效应器”，从各垂直面上均匀突出。

尽管这些设备中的波浪桨板构造各不相同，但它们的设计都是基于同一假设，即在波浪环境中，驱使板向能量移动方向（“向前”）运动的波浪环境和使之与能量移动方向相反（“向后”）运动的力是相等的，尽管它们分别作用在板的两面上。因此这些设计在反向安装时也能同样运作良好。然而海洋能量的流向通常具有强烈的方向倾向：比如，在大西洋北海北部，95%的能量输入与平均方向所成的夹角都在+/-30°之间。

这些波浪桨板的背水侧还有着基本平坦的表面，因此，当它们运动时，有相当大一部分能量会通过板传播出去的二级造浪耗散掉。在理想***中，波浪桨板的背水侧应该没有大浪。要实现这点，一种方法是去除板背水侧的水，制造一个空气间隙，让波浪桨板可以在其中自由移动。然而，这样不仅制造复杂，造价昂贵，而且需要对高压防水密封件进行常规维护。

我们需要的是一种简洁的波浪桨板设计，既能利用波浪（尤其是海洋中的波浪）的方向性倾向来增加捕捉到的波浪能，同时又能减少板背水侧生成的波浪，以使其整体能量吸收特性达到最大化。

发明内容

本发明提供了一种波浪能提取装置，与波浪能转化设备一同使用，可以提取并转化水波中的能量。该装置具有一定高度和宽度，可安装在波浪能转化设备上，使其至少有部分能没入水中。其第一表面绕装置的垂直对称轴呈凹陷状，而第二表面与第一表面相反，绕装置的垂直对称轴呈凸起状，这样就能从浪的波峰和波谷吸取能量。因此，在本发明的实施例上，装置（或波浪桨板）的第一表面和第二表面之间存在一定不对称性。这种不对称性既增加了波浪桨板在入射波作用下运动时的能量采集，又减少了装置第二表面一侧（或称背水侧）生成新浪造成的能量损耗。这样一来，与对称形状或平面装置相比，能量提取量总体有所增加。不对称性还能让该装置更进一步利用水波的方向性倾向。

在一个实施例中，波浪桨板装置可通过安装没入水中直至浸没其高度的大部分，如其高度的近80%或更高。对于给定高度的波浪桨板而言，这能令能量采集达到最大化。然而波浪桨板最好不要完全没入水中，而波浪也最好不要超过波浪桨板的顶端（越浪），因为这可能导致能量损失。在一些实施例中，波浪桨板的中心可能高于边缘，尤其是当板很宽时，这样能防止入射波越浪，因为波浪会向板中心集中，同时也能减少边缘的材料用量。理想情况下，从正视图上看，波浪桨板的轮廓应该大体呈矩形。

在一个实施例中，凸起的第二表面的横截面轮廓延长线交会顶点应该在装置的垂直对称轴上。第二表面的横截面轮廓可由任意适宜的光滑曲线构成，只要它能形成一个较锐利的顶角，比如高斯函数形成的曲线。这让装置具备液体动力学高效的轮廓，增加第二表面周围的层流，这些层流能减少板背水侧的动态牵引压力，并降低能量损耗。

在一个实施例中，凹陷的第一表面水平方向上的末端由顶角组成，使用时其位于阻挡波浪平均方向的位置上。顶角通常包含翼状的顶角，这种形状的顶角有一道前沿，在使用中处于阻挡波浪平均行进方向的位置。顶角能将水流清楚的分隔为流向波浪桨板凹面的和绕其四周的。

在一个实施例中，第一表面沿着波浪能提取装置在水平方向上的末端之间不断延伸。这样一来，第一表面的整个宽度都是可移动的，对入射波时作出回应，产生能量。

该装置另有两个或多个部件，包括：一个波浪能吸收器部件，它有一个第一宽度，并能根据流入的水波进行调整并移动以吸收能量；另有一个波浪能集中器部件，能从比第一宽度更宽的第二宽度将水波集中到第一宽度，并将集中后的波浪能导向波浪能吸收器部件。在这个实施例中，通过使用波浪集中器将波浪桨板两侧的波浪导向波浪桨板表面，每个波峰可由波浪桨板捕捉的波浪能总量增加了，理想情况下，波浪集中器应该与流入的水波保持相对静止。否则经过导流的波浪就会流过波浪桨板，而其中蕴含的能量就会部分损耗掉。这也意味着波浪桨板具有相对较小的优点，因此牵引力也较小，而且构造简单，而捕捉的能量却与大得多的移动波浪桨板相同。

在一个实施例中，装置包含一个附着点，以便附着在波浪能转化设备上。附着点可能包含一个铰接点，可以用铰链连接附着在波浪能转化设备上。附着点可以位于装置高端或低端之一，这样就能以中枢轴方式用铰链把装置连接到波浪能转化设备上。如果附着点在上端，该装置即可垂直悬挂在波浪能转化设备上；如果附着点在低端，则装置就会直立在水中。

根据装置高度的不同，其横截面轮廓也可能不同。在靠近附着点的地方，横截面轮廓可能会渐渐趋近于扁平，这样易于把装置连接到波浪能转化设备上去。另外，如果靠近海底的附着点轮廓较扁平，这样可能更容易保证密封性，以制约波浪桨板下方的水流，防止能量流失。在另一个实施例中，波浪桨板经过调整，可适应绕着一个附着点进行旋转运动，波浪桨板板体的曲度至少部分上是随着波浪桨板的高度而变化的，在一个第一点上，板体弯曲程度增加，这个点比第二点离波浪桨板的旋转轴距离更远。

在另一个实施例中，附着点是可操作的，这样就能调整波浪能提取装置和波浪能转化设备之间的相对间隔。一个能让装置随着海平面高度变化（例如：由于潮汐）上下移动的可调接合点能让装置处于与海平面的相对最优位置，从而更好地提取波浪能。可调接合点也有助于波浪桨板和能量转化设备之间的相对移动，易于维护和安装。

该装置可能包含一个或多个大体上水平装置的架子，它们能限制顺着装置第一表面垂直方向上的液体流量。这些架子增加了能量吸收，尤其是当为了防止水流越浪或从装置下方流过，而把它们分别置于或靠近装置的顶端与/或底端时，并能额外增加结构强度。每个架子的深度不一，可能从装置深度的1/10左右到装置的完整深度。架子可以是平的，但最好具有曲线轮廓，这样在附着到装置的顶端或底端时就能与第二表面光滑衔接。这能减少牵引力。另外，理想情况下，装置的凹陷第一表面的曲度也应与架子光滑衔接。当波浪作用于装置的表面时，光滑的轮廓能降低压力集中程度。

在一个优选实施例中，在凸起的第二表面和大体尖锐的尖端之间形成了一个第一内部容积。大体尖锐的尖端可以由第三表面来构成，第三表面独立于，且固定装置在凸起的第二表面上，由此形成第一内部体积。尖锐的尖端巩固了波浪能装置中央部位的强度和硬度，由于凹陷第一表面的作用，这个部位是波浪能最集中的地方。内第一表面也都可以是独立部件，通过边缘固定在一起，形成一个第二内部体容积。

内部容积可以是空气间隙，通过调整，可带来浮力或提供装置内部存储空间。本设计提供了一定方式，可以进入内部间隙。内部间隙中也可附带一个或多个挂钩、夹具或其他器材附着设施，用来放置缆绳或任何其他器材。内部容积也可包含能量转化设备或脱盐设备，如渗透膜和过滤器。

凹陷第一表面和凸起第二表面都可以是大体呈抛物线状或半椭圆状的，第一凹陷表面和第二凸起表面的形状可以互不相同。在一些实施例中，抛物线或半椭圆形可以通过两个或多个平直段近似得到，以便于生产制造与/或附着在波浪能转化设备上。

在部分实施例中，第一表面和第二表面其中之一或两者都可以是绕水平轴呈凹陷状的，形成一个杯状的波浪桨板。

第一表面的凹度最好在水波主波长预期值的1/16到1/4之间。

装置可包含一个或多个安装在第二表面上的液力压头，实现与波浪能转化设备之间的可操作连接。波浪能转化设备可能包含一个基座平台，它能可操作地附着在设备应用的水体环境底部。在一个实施例中，基座平台锚定在水体底部。或者也可将基座平台固定安装在一个锚定在水体底部的浮筒上。理想情况下，基座平台可绕垂直轴旋转，以根据不断变化的入射波方向和能量对装置进行重新定向，从而对该装置吸取的能量总量进行控制。比如，通过把装置直接转向入射波可以使能量提取最大化，而在对装置进行修理与维护时，则可将其转至与入射波成90°角的位置。

通过某种能量转化工具，波浪桨板装置可以具可操作性地连接到波浪能转化设备上，将装置的运动转化为有用形式的能量，通常是电能。不过，转化设备也可用于其他用途，比如泵送加压水或产生氢气。在一个实施例中，能量转化工具包含一组液压蓄电池（accumulator，蓄能器），用可操作的方式与液力压头相连接，把一股工作液泵送到一个液压蓄电池。液压蓄电池会驱动一个相连的水力发动机，而发动机又将驱动一个交流发电机。

在一个实施例中，更进一步地，波浪能转化设备包含一个波浪状况传感器和一个与该传感器和液力压头保持有效通信的控制器。传感器感应到入射波的情况，并将其转发给控制器，控制器则根据感应到的波浪情况控制液力压头的运动。通过这种方式，该设备就可以根据感应到的波浪环境强度进行有效运作，在极端情况下，波浪桨板还可离开水面及波浪作用最显著的部分，以防止设备损坏。

另一方面，本发明还提供了一种从水波中提取有用能量的方法，这样的水波满足以下条件：至少能在水体中部分浸没波浪能转化设备；在波浪能转化设备第一表面绕一垂直轴呈凹陷状时，与第一表面成一定角度，阻挡在水波的近似平均行进方向上；从波浪能转化设备因流入波浪的波峰和波谷产生的运动中提取能量。面朝波浪方向的凹陷表面将波浪能引导并引流到设备中央，于是这种方法从每个入射波的波峰和波谷中提取的有用能量就更多。

理想状况下，波浪能转化设备的第二表面所成角度令其位于设备的背水侧，指向大致的水波平均方向，其形状也能令水的阻力达到最小，从而减少用于牵引而损失的有用能量。

再从另一方面而言，这提供了一种吸收水波能量的装置，它包含一块波浪桨板，在波浪桨板的第一侧面有一个后向表面，而在与之相对的第二侧面有一个前向表面。后向表面对水流运动产生高阻力，而前向表面对水流运动的阻力较低。通过调整，波浪桨板能浸没在水中，这样后向表面的角度就基本为朝向入射波，并被入射波向前推或向后拉，波浪桨板运动范围内，绝大部分仍在水下，这样就能吸收波浪的能量。与其他方面相似，阻力较高的后向表面会增加从每个入射波中吸收的能量总量，而阻力较低的前向表面能降低波浪桨板在水中移动时的能量损耗。

在一个实施例中，波浪桨板的高端或低端通过铰链固定，可随入射波的运动绕铰链向前或向后旋转。铰链是一种简单有效的工具，可确保波浪桨板随着波峰和波谷顺利地向后和向前移动，最大化吸收能量。

本发明的另一方面是提供了一种带第一表面的波浪能吸收波浪桨板，该第一表面的曲度随波浪桨板的高度而变化，从波浪桨板第一端的平坦部分到与之相对的波浪桨板另一端的凹陷部分。平坦的部分可供连接到铰链，使波浪桨板能旋转，而凹陷部分则可使导致波浪桨板绕铰链旋转的入射波集中，以吸收入射波的能量。弯曲的波浪桨板能增加入射波的能量吸收，而平坦的波浪桨板则易于连接到铰链上以限制波浪桨板随波浪向前或向后旋转。本发明的这一方面带来了两者之间的平衡。

在一个实施例中，波浪桨板有一个与第一表面相对的第二表面，第二表面的曲度随波浪桨板的高度变化，从波浪桨板第一端的平坦部分到与之相对的波浪桨板另一端的凹陷部分。凹陷部分能降低在水中运动时第二表面产生的阻力，最好是符合高斯曲线。与其他实施例相似，高斯曲线让波浪桨板在水中运动时牵引过程中损耗的能量达到最小化。

再有另一方面，本发明提供了一种从水波中提取能量的方法，它含有以下特征：在水体中至少能部分浸没一个水波波浪桨板，把入射波从波浪桨板的两侧导向波浪桨板上，由此把水波的能量聚集到波浪桨板的一个前表面上，以及把入射波造成的波浪桨板运动转化为可用的能量。在本发明的这一方面上，通过把波浪桨板两侧的波浪都引向板的表面，增加了波浪桨板能从每次波峰中捕捉的波浪能总量。若非这样，被引导的那部分波浪就会流过波浪桨板，造成能量损耗。这也意味着波浪桨板具有相对较小的优点，因此牵引力也较小，而且构造简单，而捕捉的能量却与比它大得多的移动波浪桨板相同。

本发明的另一方面提供了一个水波浪能提取***，它含有以下特征：一个具有第一宽度的波浪能吸收器，且至少有部分没入水中，并可随入射水波而相应运动，波浪能吸收器的运动则被转化为有用的能量；以及波浪能集中器，能从比第一宽度更宽的第二宽度将水波集中到第一宽度，并将集中后的波浪能导向波浪能吸收器。与前一方面相似，通过在比波浪能吸收器自身更宽的宽度上聚集波浪能，无需增加波浪能吸收器自身的大小，就能增加每次波峰吸收的能量。

附图说明

现在参考附图来描述本发明的更多特色功能与优点。

图1a是第一件体现本发明的波浪桨板的设计平面图；

图1b是图1a中波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图2a是第二件体现本发明的波浪桨板的设计平面图；

图2b是图2a中波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图2c是图2b中所示***的侧视图；

图2d是图2b中所示***的另一种组装方式，它展示了一件内嵌式能量转化设备；

图3a显示的是第三件体现本发明的波浪桨板的设计平面图；

图3b是图3a中波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图3c是图3b中所示***的侧视图；

图4a显示的是第四件体现本发明的波浪桨板的设计平面图；

图4b是图4a中波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图5a显示的是第五件体现本发明的波浪桨板的设计平面图；

图5b是图5a中波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图6a显示的是第六件体现本发明的波浪桨板的设计平面图；

图6b是图6a中波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图7a显示的是第七件体现本发明的波浪桨板的设计平面图；

图7b是图7a中波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图8a显示的是体现本发明的波浪桨板与波浪集中器的设计平面图；

图8b是图8a中所示***中，波浪桨板连接到基座装置上时的三维立体侧视图；

图8c是图8b中所示***的侧视图；

图9是体现本发明的波浪桨板尖端前缘的设计平面图；

图10a到10p都是设计平面图，说明的是体现本发明的波浪桨板一系列可能的横截面；

图11a到11f都是设计平面图，说明的是体现本发明的波浪桨板和波浪集中器的一系列可能的横截面；

图12是一个由波浪驱动的能量发生***示意图；

图13a是一个由波浪驱动的海水脱盐***示意图；

图13b是体现本发明的第八件波浪桨板的三维立体侧视图，它带垂直结构性管材，这些管材也可容纳海水淡化***中的渗透膜；

图14a是在原位的一组波浪桨板与基座装置的三维立体侧视图；

图14b是体现本发明的一件波浪桨板安装在一个浮动基座上的三维立体侧视图，浮动基座一端固定在海底。

图15说明的是随着波峰波谷之下的高度，动态压力如何变化；

图16说明的是在波峰下方，动态压力如何在波浪桨板的任何一个侧面上变化；

图17a和17b说明了波浪桨板周围的相对流速，以及波浪桨板前向或后向面上的动态压力；

图18a和18b展示的是一个曲线不对称的波浪桨板与对称平面型波浪桨板各自的实验结果。

具体实施方式

本发明的实施例首先关系到波浪桨板（24）的形状与设计，以使其从水波中提取能量，以海洋波浪为典型，但也包括海湾/海港、湖泊、内河、江河入海口、水库或其他适宜的自然或人工水体。波浪桨板在与波浪能传播平均方向上垂直的平面上呈现不对称性，这样就能利用波浪运动时的垂直方向偏向性。与大体呈平面状的已知波浪桨板设计相比，这种不对称性增加了收集的能量，并减少了能量耗散。实施本发明的波浪桨板能产生流畅的动力冲程，降低突发性冲击负载对设备造成的疲劳损耗。

此处所述的波浪桨板（24）应与波浪能转化***或称“基座装置”（15）配套使用，共同从波浪桨板的运动中提取能量，并将其转化为有用的形式，通常是电能，也可直接使用，例如为海水脱盐。

图1a和1b分别为体现本发明的第一例波浪桨板的设计平面图和三维立体侧视图。波浪桨板有一个凹陷的表面（11），指向入射波（40）（即“后向面”），以及一个相反的凸出表面（12），指向波浪行进的方向（即“前向面”）。波浪桨板的曲率随高度增加而减小，在波浪桨板底部逐渐变为平坦的边缘（1），以便于在水面下与基座装置（15）连接；而波浪桨板的顶部则是弯曲的，且冒出水面。在曲率达到最大处，波浪桨板的理想形状在水平面上应为抛物线形或半椭圆形，而板两侧的边缘或尖端（2）则应该大体指向入射波的方向。

在工作时，波浪桨板与一个基座装置（15）通过铰链（13）相连，让波浪桨板得以顺应入射波峰和波谷转动或向前向后摆动。基座装置（15）包含一种或多种能量转化工具，如液力压头（16）（只显示了一个），以将波浪桨板的运动变为有用的能量。液力压头（16）有一个灵活的联接头（18），连接到前向凸面（12）上的支撑器（19）上。理想情况下，支撑器（19）能扩展波浪桨板的整体宽度，因此最好是位于波浪桨板底部往上三分之一高度处。这种构型为波浪桨板带来垂直方向上的灵活性，也降低了断裂的可能性，尤其是在靠近水面处，由于破碎波或其他漂浮物体的影响，这是突发性冲击负载最常见的地方。

后向凹面（11）最好具备大于2.0的牵引系数（Cd）。当流体进入凹陷面（11）上波浪桨板两端顶点之间的区域时，它既无法从侧面流走，也无法向下流，因此就会在波浪桨板表面上形成很高的滞止压力，并抬高水面高度（“抬高”）。凹陷面（11）还会把入射波峰导向波浪桨板中央，这能进一步增加波峰的上升高度和对波浪桨板造成的动态压力。

此外，后向面（11）的凹陷表面确保了能量从波浪向波浪桨板流畅的转移，波峰首先到达两端顶点（2），然后会逐渐越来越多地接触波浪桨板后向面（11）。

在波谷形成过程中，当波浪的流体质点离开波浪桨板的凹陷后向面（11）往回移动时，其凹陷的形状就可以起作用，进一步加深波谷深度，相对于不使用波浪桨板的情况形成一个较低的水面。因此，在波浪运动的过程中，动态压力（D₁）就再次得到增加，不过现在是在相反方向上。

总体而言，无论波浪桨板形状如何，波浪桨板移动式造成的流体体积位移都与其扫过的面积直接相关。与平面波浪桨板相比，实施本发明的波浪桨板前向凸面（12）能以较大的周长造成水流位移，由此会令与波浪桨板表面正交的流体速度降低，从而形成较小的波浪，减少前向面上的动态压力（D₂），并大大降低能量损耗。

前向凸面（12）的另一个优势来自于入射波比波浪桨板的行进速度快得多这一现象。当波浪在两端顶点（2）的外侧赶超波浪桨板时，弯曲的前向表面（12）会加强波浪桨板周围的层流。这会让水流比波浪桨板提前运动起来，由此其运动就能与波浪桨板的运动更密切地保持一致。这大大降低了前向面（12）上承受的动态压力（D₂），增加前向面（12）和后向面（11）之间的压力差，而压力差能增加能量吸收。更进一步地，超越波浪桨板的波浪会在波浪桨板的前端流畅地汇合，产生的湍流（或漩涡）较少，因而造成的能量损耗也较少。

前向凸面（12）有一个缺点，即与该表面平行的水流造成的表面摩擦力和牵引力增加了，不过对此处涉及的水流速度而言，增加的幅度应该相对较小。尽管如此，前向表面（12）还是具备很光滑的表面，使牵引力最小化。

为了让捕获到的能量最大化，考虑到水面高度的变化、波浪桨板在运动范围内的角度变化，以及后向凹面（11）造成的抬高，波浪桨板的顶部边缘应比最大预期波峰高度（“出水高度”）略高。在深水中，理想情况下，波浪桨板的深度应延伸到约为主要波长一半，以便捕捉到大部分波浪能，而基座装置包含一个水平架（25），以便限制向下的水流。在浅水中，波浪桨板会延展全水深度，而基座装置（15）则包含一个密封件（14），正对海底，防止水从波浪桨板下方流过。因此，波浪桨板的高度也取决于水的深度、波浪的状况和基座装置的位置。

举例说明，在10米深的浅水中，基座装置处于离海底1米的位置，而主要浪高为Hs=1.9米，峰值时段为T_p=5.9秒，那么波浪桨板的高度就应为11.5米左右。这样能让波浪桨板在+/-22°的范围内倾斜，而且当波浪桨板倾斜度达到最大且在水中位置较低时，还能保留至少1米的出水高度。如果没有这样的出水高度，波浪就可能会冲过波浪桨板，减少它所能提取的能量。出水高度也不应超过实际需要，因为这样会增加波浪桨板的重量，而且在波浪汹涌的海水中，有限的出水高度能让多余能量逸走，并限制波浪桨板上的负荷。在波浪极猛的海中，应把波浪桨板撤离水面，可以把它向上提出水中，或是向下朝海底移动。在一些环境中，更理想的方式可能是让波浪桨板保持完全浸没在水下以效率较低的方式工作，尤其是在这样的情况下：波浪能超过能量需求；水面有交通（例如：航道或当地休闲航船）；或存在环境考虑因素（例如：视觉影响）。

基座单元（15）最好能随着潮汐和风暴浪潮引起的水深的变化升高或降低，这样能保证波浪桨板基本以同一区域面向入射波。

当波浪桨板工作时，波浪桨板的宽度所在维度与波阵面平行，它取决于各种因素，包括所需能量和使用时的入射波预期波长平均值：随着波浪桨板宽度相对于入射波波长平均值的增加，波浪桨板与其周边流体的相对运动也开始近似于平坦表面，这样一来，本发明的许多优势都会消失。波浪桨板宽度的其他限制还包括起重量和制造材料的强度。

在深水中，波浪桨板的宽度可以大于其高度以使能力吸收最大化。然而，在浅水中，基座装置可以直接安装在海底，波浪桨板的高度一般都大于其宽度。然而高度与宽度的相对比例要视情况而定，比如，在预期的波浪状况和能量需求下。

波浪桨板的高度也不必在整个宽度范围内保持不变。后向曲面（11）会将波浪向波浪桨板中央汇聚，于是波浪高度就会升高。为了降低在中央位置越浪的风险，波浪桨板的中心可以高出边缘部位。

后向面（11）的凹陷深度范围通常应从波浪桨板宽度的四分之一到其宽度全长，以确保合适的曲率。水面的理想凹陷深度与预期的波浪状况相关，最好应在主导波长的1/16到1/2范围内。后向面（11）的凹陷深度越深，就会对波浪桨板两端顶点（2）周围波峰/波谷中多余水流的排出产生限制，捕捉到的入射波能量也就越多，因此如果深度小于波长1/16，就只能捕捉到入射波能量中的一小部分。如果由于其他限制因素（如重量和海洋变化）的制约，凹陷深度要小于入射波波长的1/16左右，则两端顶点（2）可以往前向延伸，与波浪行进的方向平行，以限制排水效应。另一方面，如果凹陷深度大于约1/2波长，就会跨越连续波峰和波谷，在波浪桨板表面上的不同点造成流向的相互冲突。

波浪桨板边沿的顶点（2）面向入射波，其位置与波浪质点的运动大体平行，例如，与波峰基本垂直。如图8中所示，每个顶点都为钝头，其横截面近似于翼状，但带有中央凸起。这能确保流入波浪桨板的水流和围绕波浪桨板的水流被分隔开来。顶点的精确角度和宽度取决于主导波浪方向的预期变化。大体来说，顶点宽度在靠近水面处应达到最大。同样，当主导波浪流向变化较大时，也应使用较宽的顶点以减少漩涡、位置层状水流，以及限制结构性振动和疲劳。当波浪方向上的变化较显著时，通常超过+/-30°，整个波浪桨板在朝向入射波时都应该是可转动的，以使能量提取最大化。

波浪桨板可用多种不同方式制造。一种简单的制造方法是把一片平整的适用金属（如铝）卷曲成所需曲率，波浪桨板也可用合适的塑料或合成材料（如玻璃钢）铸模制成。另一种制造波浪桨板的方式是用一组中空管焊接或固定在一起组成所需形状。每根中空管都会有一定内积，在封闭状况下能增加波浪桨板的浮力，也可用于设备存放（参加以下关于图2和图13b的讨论）。

图2a，2b和2c分别为体现本发明的第二例波浪桨板的设计平面图、三维立体侧视图和侧视图。这第二个实施例与第一个实施例唯一的区别就在于增加了前向顶点（4）和后向面（11）上的架层（6）。

特别地，前向凸面（12）带有较尖锐的顶点（4），它指向波浪行进的方向，并朝波浪桨板底部的平坦边缘（1）渐渐趋于平整。前指顶点（4）进一步增强了波浪桨板周围的层状水流，这种水流能进一步加强上述关于图1的描述中提到的水流流动性。

理想情况下，前指顶点（4）的形状应与牵引区（41）（参见图17a）相似，否则就要创建一个牵引区。举例说明，一种适合的形状是变量为0.2到1之间的高斯函数，其大小经过调整，能与波浪桨板的前向凸面（12）流畅结合。也可使用其他具备流体动力学轮廓的形状（通常为一个尖锐的前边缘和宽阔的基座）来代替高斯函数。从前指顶点（4）到后向凹面（11）中心之间的水平距离通常约为波浪桨板宽度的1/2，以构成光滑程度合适的整体轮廓。

从一块与图1中所示相似的波浪桨板开始，比如说它是由一片卷曲的金属制成的，前指顶点（4）可以用另一片金属制成，然后再连接到波浪桨板（24）的主体上，形成内部容积（5）。用于确定内部容积（5）的附加材料在各主要水平方向上都增加了波浪桨板的第二面矩，为波浪桨板中央位置增加了结构性强度和刚度。

另一种方法是用塑模方式制造波浪桨板，包括作为一个单独部件的前指顶点（4），带或者不带内部容积（5）。或者也可以用两个或多个管状部件固定在一起。

内部容积（5）最好是密封防水的，不过也可以是在水中开口的。内部容积（5）可容纳更多的结构组件，以提供更高的结构强度，如果是密封的，那么还能带来浮力，让波浪桨板在水中具有基本垂直的偏向性。内部容积（5）也可以装载能量转换或海水脱盐设备。如果内部容积（5）是密封的，就能保护内部储藏的设备不受海水腐蚀。

同样在这第二个实施例中，可以选择将一个水平放置的架层（6）放置在装置后向面（11）顶部。架层（6）可通过弯曲后向面（11）的顶端部分形成，也可以把架层的一部分固定在后向面（11）上。无论采用哪种方式，架层都应与后向面（11）流畅地衔接或结合以降低结构性压力的集中程度，在图2c和图2d中有清楚展示。夹层有助于防止水流流过工作状态下的后向面（11）（“越浪”），从而增加能量吸收量，并增强结构性强度。

架层（6）的深度可与后向面（11）的凹陷深度相等，尤其是当在预期会遇到汹涌海浪而很可能出现越浪的情况下，或是当装置顶部要处于或低于水面时。此外，架层（6）也可以比凹陷深度长出仅1/10，此类情况的例子：较平静的水域或是出水高度较大时。相反地，如果出现极端大浪（也称异常巨浪）的风险相当高，那么最好为架层（6）选择合适的尺寸，允许越浪，这样既能提供足够的附加强度，又不用把水流完全限制在凹陷空间内。

尽管图中没有显示，前向面（12）和前指顶点（4）最好也与架层（6）的曲度相接，向第二表面过渡，减少牵引力。

在使用中，波浪桨板的弯曲力矩在支撑器（19）与波浪桨板连接处达到最大，因此波浪桨板的该部位也应为最坚固的。要增加结构性强度，波浪桨板曲度的逐渐平缓最好从其顶部开始向连接点逐渐加剧，在向下到达低于连接点的平直边缘（1）时加速变得平缓，如图2c中所示。

图2d是第二实施例另一种组装方式的侧视图。在这种组装形式中，能量转化设备至少有部分（图中只显示了液力压头（16）和液压软管（17））是安装在内部容积（5）内的。在这种构型中，液力压头（16）和基座装置（15）之间的连接点（31）位于靠近铰链（13）的位置。这种组装方式良好地保护设备不受恶劣的外部盐水环境侵蚀，减少了对保护罩与/或涂层的需要，从而降低成本。不仅如此，集成式的设计还可以让能量转化设备的安装和移除与波浪桨板一同进行。缺点是在液力压头（16）的活塞退出内部容积（5）的位置需要用到弹性高压密封件。

图3a、3b和3c分别为体现本发明的第三例波浪桨板的设计平面图、三维立体图和侧视图。这第三个实施例与第二实施例完全相同，只是经过调整，从顶部安装到基座装置（15）上，波浪桨板垂直悬挂在其下方。弯曲的后向面（11）和前向面（12）以及前指顶点（4）都向顶部平直边缘（22）渐渐变平缓，以便于连接到基座装置（15）。

在顶部安装的波浪桨板上，波浪桨板绕顶部边缘（22）旋转的线性水平速度随深度增加而增加。不过，入射波中的质点运动则随着深度增加而减少。因此，理想情况下，在一定深度下波浪桨板底部尖端的速度超过入射波中质点速度时，波浪桨板就不应再往下延伸了。

底盘（6）最好是横向连接在后向凹面（11）的整个底部，阻挡沿表面往下流的流体。底盘（6）最好向上朝前指顶点（4）弯曲，以进一步减小波浪桨板在水中前行时的牵引阻力。

图4a和4b分别为体现本发明的第四例波浪桨板的设计平面图和三维立体侧视图。这第四个实施例保留了其他实施例中的后向凹面（11）和前向凸面（12），但它在水平和垂直方向上都有弯曲，形成了一个杯状或勺状的构造（9）。中空的椭圆体可以形成这种构造，抛物线或其他适合形状绕其中心对称轴旋转而成的旋转面也可以形成这种构造。波浪桨板通过一根连接杆（8）连接到基座装置，基座最好是紧靠波浪桨板，位于其正上方或正下方，不过其他方向也可以。连接杆（8）最好具有椭圆形横截面，椭圆形较尖的两头指向波浪平均方向以减小牵引力。

图5a和5b分别为体现本发明的第五例波浪桨板的设计平面图和三维立体侧视图。这第五个实施例与第一个实施例相同，只是波浪桨板的弯曲后向面（11）和前向面（12）的曲度不向平直边缘减缓，而是具有不随波浪桨板高度变化的常量曲度。这样的波浪桨板制造简易，适合与基座装置（21）一同使用，该基座依靠的是波浪桨板的侧向运动而非旋转运动，理想的使用环境是较浅水域的波浪中，这种环境中的波浪流速随水深降低较缓慢。

如图5b所示，要与依靠侧向运动的基座装置（21）相连，需要将支撑器（19）连接到波浪桨板前向凸面（12）的中心，以与基座装置（21）上的液力压头（16）相连。最好使用一个底盘或架层（6）横向连接到后向凹面（11）的整个底部，该阻挡沿表面往下流和装置下方的流体。底盘（6）最好向上朝前向面（12）弯曲，与前向面（12）流畅衔接，以减小波浪桨板在水中前行时的牵引阻力。架层（6）最好向后延伸至后向面（11）的完整凹陷深度，以使水流排出最小化。

如果装置需要完全没入水中，或出水高度较小，那么最好使用延伸更长的架层（6）横跨链接在后向凹面（11）的顶部，阻挡沿表面往上的和装置上方的流体。同样，架层（6）最好弯曲到能与前向面（12）平滑衔接的曲度以减少牵引阻力。此外，架层（6）也最好向后延伸到后向面（11）的完整凹陷深度以使水流排出最小化，但如果预期不会出现显著越浪，或有必要限制从特别大的波浪中提取的最大能量，则也可以小于完整深度。

任意适合长度的附加水平夹层或底盘（6）也可以沿着后向面（11）的高度安装，以提供进一步结构性强度。

图6a和6b分别为体现本发明的第六例波浪桨板的设计平面图和三维立体侧视图。这第六个实施例与第二个实施例相同，只是波浪桨板的弯曲表面(11、12)和前指顶点（4）不会向平直边缘（1）减缓曲度，而是具有不随波浪桨板高度变化的常量曲度。和第五个实施例一样，这样的波浪桨板较易制造。波浪桨板可以与一个依靠侧向运动的基座装置组合使用，与上述的第五个实施例相似。此外，如图6b中所示，如果内部容积（5）有一个受到支撑的结构性成员体（20），从波浪桨板延伸出去，可以与基座装置（15）构成一个旋转链接（22），那么波浪桨板经过这种改造，也可以绕基座装置（15）旋转。为了把波浪桨板的运动变为可用能量，基座装置的液力压头（16）可以与结构性成员体相连，以避免对波浪桨板自身施加压力。

如图6b中所述，波浪桨板可以位于基座装置下方，也可以位于其上，或者处于其他任何方向上。理想情况下，底盘（6）应该横跨连接在后向凹面（11）的整个底部，与上述第五个实施例相同。

在一种变体中，结构性成员体（20）是以可移动或可调节的方式与波浪桨板（24）相连的。这能让波浪桨板的垂直位置相对基座装置（15）进行调节，以使其位置与水平面保持相对不变。举例说明，海平面会随着潮汐变化，因此改变波浪桨板的位置能确保在水深变化时能量输出始终为最优。这种垂直方向上的调节最好通过装置内部容积（5）产生的浮力实现，它能实现自动调节。

图7a和7b分别为体现本发明的第七例波浪桨板的设计平面图和三维立体侧视图。这第七个实施例与第六个实施例相同，只是波浪桨板的顶点（2）加大了，以容纳结构性成员体（26），与基座装置（15）相连。结构性成员体（26）和波浪桨板顶点（2）之间通过可移动或可调节的连接相连，让波浪桨板的垂直位置可以相对于基座装置（15）进行调节，与上述第六个实施例相似。图中还显示了一根杆或棒（28），它连接在波浪桨板顶点（2）之间，以增强装置的结构性刚度，并防止装置产生过度侧向形变。

与第三个实施例一样，最好将底盘（6）横跨连接到后向凹面（11）的整个地步，阻挡沿表面往下的水流。底盘（6）最好向上朝前指顶点（4）弯曲，以进一步减少牵引阻力。

图8a、8b和8c分别为体现本发明的第八例波浪桨板（24）的设计平面图和三维立体侧视图和侧视图。这些图中所示的波浪桨板设计与图2中所示的相同，但它没有采用任何合适的设计，而是包含了一种完全平直的设计。在后向面一侧波浪桨板的两侧各有一个波浪偏导器或波浪集中器面板（23）。在一个实施例中，面板不会随入射波移动，而是把入射波的能量导向可移动的波浪桨板（24），放大可移动波浪桨板接受到的波峰高度和波谷深度。当波浪桨板（24）已经达到尺寸、重量或其他限制所能允许的最大宽度，但***仍能从每一道波浪中提取更多有用能量时，这些面板（23）就很有用。

在另一个实施例中，面板（23）也是可以随着入射波移动的，而且每块面板（23）和波浪桨板（24）都带有一个能量提取装置，如液压泵。面板（23）和波浪桨板（24）既可以安装在同一个基座装置上，也可以安装在不同基座装置上，这样可以根据波浪状况带来面板（23）和波浪桨板（24）之间的相对位置灵活性。有多个独立可移动的部件意味着不同表面之间可以不同相地相互作用，这样对接受方向性的波浪能尤其有利。通过使用较小而可结合的单个部件，独立多部件设计也增加了制造和安装上的灵活性。

与上述波浪桨板实施例相似，面板（23）朝向入射波的边缘顶点最好具有钝头的翼状顶点，如图9中所示。

上述的实施例或者具有不随波浪桨板高度变化的曲度常量，或者曲度沿着波浪桨板高度逐渐减弱，成为平直边缘。然而，本发明并不仅限于这些特定组装形式。其他体现本发明的实施例的曲度也可在波浪桨板部分高度段保持常量，在其余部分随波浪桨板高度变化。曲度的变化也不限于从曲线到平直边缘的过渡。根据预期波浪状况和基座装置的设计，波浪桨板的不同部分可能具有不同的综合曲度，在波浪桨板不同高度的不同曲度之间可以流畅衔接。

图10a到10p展示了本发明实施例中使用的一系列不同波浪桨板（24）曲度或横截面。图10a到10d展示的是与上述第一实施例相似的抛物线或半椭圆形波浪桨板。图10c中所述的波浪桨板板包含后向平直延伸到顶点（2）的延伸段（27），其延伸方向与入射波基本平行，以限制波浪桨板边缘周围的水流排出。

图10e显示了一种与上述第二实施例相似的前指顶点（4）设计，但它是由一整块面板制成的，这样后向面（11）就和前向面具有相同的形状。图10f是图10e的一种变形，采用了钝头前指顶点（4）以增强顶点处的结构性强度。

图10g到10l分别展示了由两个、四个和八个平直段组成的波浪桨板，以近似平滑曲面。图10j显示的波浪桨板有一个基本平直的中央部分，末端弯曲，形成指向入射波的顶点（2）。在连接到某些基座装置时可能需要这种平直的轮廓。

图10k到10p展示了一系列通过在波浪桨板的前向和后向面使用不同横截面而形成的合成波浪桨板设计。每个合成波浪桨板都有内部容积（5），可提供结构性刚度和浮力。图10k显示的波浪桨板的前向面和后向面各由两个平直段形成。图10m显示的波浪桨板有平滑弯曲的后向凹面和与图10e中类似的前指顶点（4），而图10n显示的前指顶点(4)则为钝头的，与图10f中的类似。图10o显示的波浪桨板外形前向面和后向面曲度略有不同。图10p显示的波浪桨板连接到后向面的中间部分为平直的，与图10j相似，也带有前指顶点（4）。

对图10a到10p中显示的每个波浪桨板而言，后向面（11）的牵引系数（C_d）都大于2。根据所用材料的不同，前向面（12）的牵引系数（C_d）在0.3到2.0之间。图10j中较平的设计在前向面（12）上有最大的牵引力，而图10k到10n中显示的带前指顶点的波浪桨板前向面（12）上的牵引力则为最低水平。像以往工艺中那种基本平直的对称波浪桨板的两面的牵引系数通常都大于2。

图11a到11f展示了一系列波浪桨板（24）和面板（23）的组合方式，与上述与图8相关所描述的实施例相似。在这些图中所显示的组装方式中，面板（23）都可以在合适位置上固定，只起引导作用，并将波浪能集中到可移动的波浪桨板（24）上，或者每块面板（23）也可以如上文所述，为独立可移动的。

图11a显示了两块流畅弯曲的面板（23），其曲度与呈椭圆状弯曲的波浪桨板（24）流畅衔接，与图10b中所示的波浪桨板相似。图11b显示了四块面板/波浪桨板的组合，其整体形状与图10g中的波浪桨板相似，但该图中4块面板/波浪桨板中的任意或全部都可以是独立可移动的，以提取波浪能。

图11c到11e展示了面板（23）和波浪桨板（24）的组合，这些图中的面板和波浪桨板各由两个或多个平直段组成。尤其是图11e具有完全平直的前向面。尽管如此，它仍能实现本发明的许多优点，因为与入射波方向垂直的水平底盘具有整体对称性。侧面面板（23）因而能把波浪能顺畅地集中到波浪桨板（24）上。

图11f显示了两个集中波浪的面板（23）的组合，以及一个与图8中所示相似的高斯曲线状波浪桨板（24）。

图12显示的是一种由波浪驱动的液压***的可能设计，它是为发电而设计的。这项技术中的其他设计都已为人所熟知。由波浪驱动的波浪桨板的运动在一个双作用液压泵（16）的任意一段对流体进行压缩，并将其通过两个止回阀（52）泵送进入液压蓄电池（55）。水力发动机（58）将水泵送去驱动一个交流发电机（59）已产生电力。蓄电池（55）的体积与液力压头（16）的体积而言最好相对较大，并有较大的规划区域，这样带来供水力发动机（58）使用的压力落差就能保持相对恒定。要在维持压力落差的同时降低蓄电池的高度蓄电池前端的空间（56）可以用气体加压。

流向发动（58）的流体流量是通过控制阀（57）来调节的。排出液体流向一个蓄水池（60），再从那里通过第二套止回阀被抽回液压泵（16）的任意一端。从波浪桨板组装设备到蓄电池的管道可能相当长，为了使其中的压力波动变得平滑，这里提供了一个压力调节舱（54）。

当基座装置带有不止一个液力压头（16）时，可以通过增加或减少额外液力压头的使用改变波浪桨板运动的总体阻力。实现该目的的一个简便方法是开启一个旁通阀(64)，它能让流体从双作用液压泵的一侧流向另一侧。理想情况下，一组由两个或多个波浪桨板组成的阵列会共享同一个核心***，而只有方框（63）中的器件会在每个波浪桨板中重复出现。方框（63）中的一些器件可以放置在波浪桨板的内部容积（5）中。

***控制通过中央计算机单元（62）来实现。由一个电子感应***（61）来监控入射波。通过阀（51）的操作可以调谐液压泵（16）的运动，也即波浪桨板的运动与波浪状况相配合。泵送的流体流量是通过流量计（53）来测量的。

图13a展示的是一种由波浪驱动的脱盐***的可能设计，该***能把海水转化为淡水。方框（70）中的器件在操作上与图12方框（63）中的器件相似，只是工作水流是通过过滤器（71）吸入的海水。海水经过液力压头（16）加压，运送至流量计（53），再通过控制阀（57）到达反渗透设备（72），在那里变成淡水，再收集到蓄水池（72）中，而浓缩的盐水溶液则被收集到蓄水池（75）中。

控制阀（74和57）是由中央计算机单元（62）控制的，用来使反渗透设备（73）中的压力维持在适当水平。

图13a中的一些器件可以放置在波浪桨板的内部容积（5）中。举例说明，图13b展示的是波浪桨板（24）的一种可能设计，其中的反渗透管结合在垂直结构性管（76）中，这些结构性管位于两块平直面板之间，构成了前向面（12）和后向面（11）。图13a中所示的该设备其余部分可以置于装置前部顶点（5）中，一根低压管道会把经过脱盐处理的淡水输送到陆地上。

图14a显示的是三个波浪桨板组合起来形成的波浪能发电组阵列。每个单元所处的位置能让入射波在不同时刻冲撞上去，这样整个阵列提取的能量就能变得流畅。最好把大量波浪桨板单元并联使用，这样输送到蓄电池（55）或脱盐设备（73）的水流就能保持流畅。波浪桨板也可以彼此对齐，共同形成一道防波堤，降低涌向岸边的波浪的大小和强度。

图14b展示了一种方法，在深水中，在海底直接固定基座装置（15）如果很困难或无法实现，也可以放置波浪桨板。波浪桨板附着在基座装置（15）上，而基座装置自身则安装在浸没在水下的浮桥（30）上。浮桥用线缆（29）锚定在海底，线缆可以缩短或伸长，以根据波浪状况将波浪桨板置于合适的高度，或在恶劣天气中将其完全撤离水面。

图15到17展示了体现本发明的波浪桨板所处区域的压力变化和流体速度。提供这些示意图旨在协助理解本发明背后的数学和理论基础。

与波浪相连的压力场是由理想流体的不稳定伯努利公式导出的：

    (公式1)

这里，

是速度势，ρ是密度，g是重力加速度，而z是静水面（SWL）以上的垂直位置。

图15展示了在非破碎波下一块垂直波浪桨板的整体压力，很大程度上符合流体静力学（例如：P=-ρgz），在表面附近有不稳定的影响，这来自于公式1中的

表面波浪只会对下方的压力造成局部冲击，因此在约为主导波长一半的深度上，仅相对于静水面，压力会变为纯静水压力的。波浪下的实际压力和相对于静水面的静水压力被称为动态压力（D₁），它可从波峰下的正压力变为波谷下的负压力，如图17a和17b所示。

图16展示了动态压力在处于波峰下的波浪桨板前向和后向面如何呈现出不同。当波浪桨板比波浪移动速度慢时，后向面（11）的凹陷曲度会沿着该表面限制流体运动，并放大压力D₁：在波峰内为正，波谷内为负。

前向表面（12）上的动态压力是由多个流程的组合导出的，包括：

1）由波浪桨板相对水流运动的相对加速度导致的惯性力，造成周围流体的惯性变化。因此，当波浪桨板（24）加速度为最大时，这种压力通常在波浪桨板运动的任意程度上为最大。当后向面（11）上的水流运动驱动波浪桨板时，被这个波浪桨板加速度所影响的水流区域可被理想化为波浪桨板前方的水体（41）。它的形状通常为高斯曲线，抵抗波浪桨板速度变化。由于通常被认为会增加波浪桨板的质量，因此也被称为“附加质量”。

2）一旦波浪桨板开始运动，就会产生的牵引力，它能生成传播方向与波浪桨板前向表面垂直的波浪，并耗散能量。耗散波中的能量与波速的平方成正比，因此令波速最小化较为有利。前向凸面（12）和前指顶点（4）都有助于减少这些垂直波速。

3）由于入射波（42）经过波浪桨板的顶点（2）并从外侧绕过，并绕波浪桨板的前向面（12）行进，产生了构造性压力（D₃）。在波峰经过时（如图17a所示），入射波（42）会使波浪桨板前方的流体流动起来，沿着波浪桨板的前向面（12）产生负动态压力（D₃）。当波谷经过时（如图17b所示），入射波（42）会反向行进，沿着前向面（12）产生正动态压力。

第三个流程能将波浪桨板拉向波浪行进的方向，从而增加波浪桨板可用的能量。在对本发明实施例进行初始测试时发现了波浪桨板前向面（12）的光滑曲度带来的这一意外效果，原本预期它只能减少牵引力，如上述流程2所述。装置获取的能量也因此大大多于预期。事实上，装置能在大于实际波浪桨板宽度的波阵面上获取能量。

平衡波浪桨板上的主要作用力：

Σ(D₁-D₂-D₃)＝(m+m_added)·a+F_p    (公式2)

这里F_p代表波浪桨板和活塞之间的提取能量的力，m是波浪桨板的质量，而m_added则是附加质量。

在波浪桨板的前向运动中，D₁和D₃共同作用，并受到D2的制约（参见图17a），而公式2右边的表达式分别代表已储存的、已提取的和丧失的能量。在波浪桨板的后向运动中，由于波谷作用在波浪桨板的后向面（11）上，D₁大体为负，同时D₃变为正的，而D₂则变为负的。

从波浪桨板提取的能量可由以下公式近似得出：

$\mathrm{Power}\∝\frac{F_P\·\mathrm{\Δ}}{T}$     (公式3)

这里T是主导的波周期，Δ是波浪桨板的水平移动距离，而F_P则是波浪桨板和活塞之间力的平均值。T是取决于既定波浪状况的固定值，因此要改变从波浪中提取的能量，唯一的方法就是改变乘积。

这个公式有两个限制性条件，此时能量提取为零：

1）如果波浪桨板被锁住，它就成为了一面垂直不动的硬墙，于是Δ=0，且F_P将为最大。然而，在没有运动的情况下，假设其他损耗都极小，那么几乎所有能量都沿着与入射波相反的方向反射回去。

2）如果波浪桨板随着波浪***，则F_P=0，而Δ为最大。如果波浪桨板足够轻，可以与入射波同侧的流体以相同速度移动，那么几乎所有到达波浪桨板的能量都会被吸收，而且立即在另一面通过新生成的二级波耗散掉。

在实验室对一系列测试用曲面波浪桨板设计进行了测试，并以一款平直对称测试用波浪桨板作为基准进行对比。实验设施为15米长、2.5米宽、1米深的水箱。水箱中一侧有计算机控制的波浪发生器，另一侧有吸收波浪的沙滩。每个测试波浪桨板的宽度和高度都恰好为1米，这样面向入射波的投影面积就都相同。所有波浪桨板都以基本垂直的方向安装在一个位于水箱底部上方20厘米的固定框架上，让波浪桨板可以与入射波方向保持一致地向前向后转动。转动的幅度受一个活塞气阀限制，活塞通过一个力传感器连接到测试波浪桨板的顶部，其气阀经过配置，能提供适当的阻力，同时也随着每次冲击泵送空气（与图12中框图（63）所示的构造相似）。

图18a和18b分别展示了在近乎相同的入射波作用下，曲面波浪桨板（测试#123）和平直波浪桨板（测试#139）的一些取样结果。曲面波浪桨板的形状与图2a中所示的相类似，凹陷深度约为0.3m。每种情况下的入射波高度都约为16厘米，周期为1.3秒，相当于约31W/m的入射波能量。

比较各个波浪桨板的力-位移曲线，很明显，曲面波浪桨板产生的力要大得多，由此产生的位移也较大。公式3可用于从这两种波形中来计算产生的功率以及在2s内的功率平均值（图中以虚线表示）。这些结果显示，曲面波浪桨板产生的功率平均值约为51W/m，而平直波浪桨板只能产生约23W/m。更进一步，出人意料的结果是弯曲波浪桨板在波峰和波谷经过时产生的功率几乎相同，而平直波浪桨板在波谷期间产生的功率要少约30%。

一系列其他波浪频率和高度也经过了测试，曲面设计产生的功率始终要多40%到150%。基于波浪状况对曲面波浪桨板设计进行优化后，可望带来更大的改进。

Claims (46)

1.一种波浪能提取装置，与波浪能转化设备协同使用，能从水波中提取能量并进行转化，该装置具有一定高度和宽度，能够组装在所述波浪能转化设备上，使之至少部分浸没在水中，该装置包含一个第一表面，阻挡在水波的平均行进方向上，该第一表面绕所述装置的垂直对称轴呈凹陷状；以及一个第二表面，与所述第一表面位置相对，绕所述装置的垂直对称轴呈凸起状，如此一来就能从波浪的波峰和波谷中提取能量。

2.根据权利要求1所述的波浪能提取装置，其中，所述第二表面的横截面轮廓延长线延伸到位于所述装置的垂直对称轴上的一个基本尖锐的顶点。

3.根据权利要求1或2中所述的波浪能提取装置，其中，所述第二表面的横截面轮廓基本符合高斯曲线。

4.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，所述第二表面的横截面轮廓在水中运动时具有低阻力。

5.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，第一凹陷表面水平方向上的末端呈顶点状，在使用中位于阻挡波浪平均行进方向的位置上。

6.根据权利要求5所述的波浪能提取装置，其中，所述顶点基本呈翼状，翼状顶点具有一道前沿，在使用中位于阻挡波浪平均行进方向的位置上。

7.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，所述第一表面持续延伸，在水平方向上的末端之间横跨波浪能提取装置。

8.根据权利要求中1至6中任一项所述的波浪能提取装置，包含以下组件：

一个波浪能吸收器组件，具有第一宽度，通过调节可随入射水波进行相应运动以提取能量；以及

一个波浪能集中器组件，能把水波从比所述第一宽度更宽的第二宽度集中到所述第一宽度，并把集中后的波浪能导向波浪能吸收器组件。

9.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，包含一块桨板。

10.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，组装成随水波进行相应运动，以从中提取能量。

11.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，更进一步地包含一个附着点，用于附着在所述波浪能转化设备上。

12.根据权利要求11所述的波浪能提取装置，其中，所述装置在使用中有较高端和较低端，所述附着点位于所述装置的较高端和较低端之一。

13.根据权利要求11或12所述的波浪能提取装置，具有随所述装置的高度而变化的横截面轮廓。

14.根据权利要求13所述的波浪能提取装置，其中，所述横截面轮廓逐渐变平缓，在靠近所述附着点处为平直。

15.根据权利要求11到14中任一项所述的波浪能提取装置，其中，所述附着点包含一个铰链点，以便用铰链附着到所述波浪能转化设备上。

16.根据权利要求11到15中任一项所述的波浪能提取装置，其中，所述附着点用于调节所述波浪能提取装置和所述波浪能转化设备之间的相对间距。

17.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，所述装置的较低端包含一个或多个基本水平放置的层架，以在使用中沿所述装置在垂直方向上限制流体流量。

18.根据权利要求17所述的波浪能提取装置，其中，基本水平放置的层架具有曲线轮廓。

19.根据权利要求2所述的波浪能提取装置，其中，所述基本尖锐的顶点由第三表面形成，该第三表面固定附着在凸起第二表面上，在所述凸起第二表面和所述第三表面之间形成第一内部容积。

20.根据权利要求19所述的波浪能提取装置，由独立部件组成，并且其中，所述基本尖锐的顶点是一个与形成所述凸起第二表面的部件不同的独立部件，并能加强所述波浪能装置的中央部位的强度和刚度。

21.根据权利要求20所述的波浪能提取装置，其中，凹陷第一表面经过调整，能把波浪能集中到所述波浪能提取装置的经过加固的中央部位上。

22.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，第一表面和第二表面为彼此独立的部件，固定在一起形成第二内部容积。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的波浪能提取装置，其中，第一内部容积与第二内部容积中的至少一个是防水密封的，为所述装置提供浮力。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的波浪能提取装置，其中，第一内部容积与第二内部容积中的至少一个配置成在所述装置内部提供存储空间。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的波浪能提取装置，其中，第一内部容积与第二内部容积中的至少一个配置成接收一个或多个海水脱盐单元。

26.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，第一凹陷表面和第二凸起表面的形状都基本符合抛物线或半椭圆形。

27.根据权利要求26所述的波浪能提取装置，其中，所述第一凹陷表面和所述第二凸起表面的形状互不相同。

28.根据权利要求26或27所述的波浪能提取装置，其中，所述抛物线或半椭圆的形状是由一组平直区段近似组成的。

29.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，所述第一表面也绕水平轴呈凹陷状。

30.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，所述第二表面也绕水平轴呈凸起状。

31.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，所述第一表面的凹陷深度为水波的预期主导波长的1/16到1/4。

32.根据任一前述权利要求中所述的波浪能提取装置，其中，所述装置能够组装在所述波浪能转化设备上，以使其整个高度的大部分浸没在水中。

33.一种波浪能转化设备，包含根据任一上述权利要求所述的波浪能提取装置，以及用于将所述装置的运动转化为有用形式的能量转化设施。

34.根据权利要求33所述的波浪能转化设备，其中，所述有用形式是电能。

35.根据权利要求33所述波浪能转化设备，其中，所述有用形式是水增压。

36.根据权利要求33至35中任一项所述的波浪能转化设备，其中，所述功率转换设施包括一个液力压头。

37.根据权利要求36所述的波浪能转化设备，其中，所述功率转换设施更进一步地包括：一个液压蓄电池，使用联接至所述液力压头以将工作水流泵送到所述液压蓄电池；水力发动机，由所述液压蓄电池驱动以泵送工作水流；以及由所述水力发动机驱动的交流发电机。

38.根据权利要求36或37所述的波浪能转化设备，进一步包括一个波浪状况传感器和一个控制器，所述控制器与所述波浪状况传感器和所述液力压头之间进行可操作通信，所述传感器能将其感应到的入射波状况转发至所述控制器，所述控制器则根据感应到的波浪状况控制所述液力压头的运动。

39.根据权利要求33至35中任一项所述的波浪能转化设备，包括一个基座平台，组装成用于在所述设备的使用中可操作地附着至水体底部。

40.根据权利要求39所述的波浪能转化设备，其中，所述基座平台锚定至所述水体底部。

41.根据权利要求39所述的波浪能转化设备，更进一步地包括一个浮桥，其中所述基座平台固定于所述浮桥上并且所述浮桥锚定在所述水体底部。

42.根据权利要求33至41中任一项所述的波浪能转化设备，其中，所述波浪能提取装置相对于所述波浪能转化设备的垂直位置能够进行调节，以适应海平面的变化。

43.根据权利要求33至42中任一项所述的波浪能转化设备，包含多个根据权利要求1至32中任一项所述的波浪能提取装置。

44.一种从水波中提取有用能量的方法，包含：

将一个波浪能提取装置至少部分浸没在水体中；

将所述装置的第一表面朝向正对水波行进的近似平均方向相对，第一表面绕垂直轴呈凹陷状；且

使用一种波浪能转化设备，从入射波浪的波峰和波谷两者引起的所述装置的运动中提取能量。

45.根据权利要求44所述的方法，更进一步地包含：

为所述波浪能转化设备提供第二表面，所述第二表面在所述设备的背水侧上朝向指向水波的近似平均方向，且其形状构造成能将水的阻力造成的牵引阻力降到最小。

46.根据权利要求44或45所述的方法，更进一步地包含：

将入射波从所述波浪能提取装置的每侧引导至所述装置，从而将波浪能集中到所述装置的第一表面上。

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