CN106460775A - 用于从表面波浪获得能量的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于从表面波浪获得能量的***。该***可包括浮标阵列。该浮标阵列可包括具有多个竖直构件的框架。该浮标阵列还可包括基础浮标，该基础浮标耦接到该框架以将该框架支撑在水体中并且将这些竖直构件维持在竖直取向上。该浮标阵列可进一步包括多个可移动浮标。多个可移动浮标中的每个浮标均可围绕这些竖直构件中的不同构件可移动地布置并且配置成响应于水体中的波浪而相对于相应的竖直构件和基础浮标而移动。此外，该浮标阵列可包括能量转换装置，该能量转换装置能够与多个可移动浮标中的每个浮标进行操作以从可移动浮标相对于竖直构件的移动中发电。

Description

用于从表面波浪获得能量的***和方法
背景技术
如果能够被高效地利用，那么海洋有很大潜力来产生可用能量。例如，海洋可以有几种方式来用于产生可用能量，例如，使用海浪、使用海洋高潮和低潮和/或使用水温差。存在几种海洋能量发电装置，但是规模均不是很大。关于海浪的使用，已知这些波浪具有大量动能，且此能量可用于对各种***供电。
虽然存在用于从海水移动中产生能量的许多***，但是需要继续寻找利用此波浪能量的方式的改进。
发明内容
本申请公开一种用于从表面波浪(诸如深海)获得或产生能量的***。该***可包括浮标阵列。该浮标阵列可包括具有多个竖直构件的框架。该浮标阵列还可包括基础浮标，该基础浮标耦接到该框架以将该框架支撑在水体中并且将这些竖直构件维持在竖直取向。该浮标阵列可进一步包括多个可移动浮标。多个可移动浮标中的每个浮标均可围绕这些竖直构件中的不同构件可移动地布置并且配置成响应于水体中的波浪而相对于相应竖直构件和基础浮标移动。此外，该浮标阵列可包括能量转换装置，该能量转换装置可与多个可移动浮标中的每个浮标进行操作，以使用本领域中已知用于泵送水、泵送空气、电磁感应或通过任何其它类型机械运动的对流的任何技术从这些可移动浮标相对于这些竖直构件的移动中发电。此外，该***可包括浮力系绳，该浮力系绳耦接到该浮标阵列以将该浮标阵列固定到目标上。在另一示例中，一种用于从水体中的波浪获得或产生能量的方法可包括获得如本文所述的浮标阵列，将浮力系绳耦接到该浮标阵列，将该浮标阵列布置在水体中，以及将该浮标阵列固定到目标上。
附图说明
图1展示了根据本公开的实施例的用于从水体中的波浪获得能量的浮标阵列。
图2展示了根据本公开的另一实施例的用于从水体中的波浪获得能量的浮标阵列。
图3A至图3C展示了根据本公开的实施例与具有典型的或设计的尺寸的波浪进行操作的浮标阵列。
图4A至图4C展示了根据本公开的实施例与超过典型的或设计的波浪大小的波浪(诸如巨浪)进行操作的浮标阵列。
图5展示了根据本公开的实施例的可与可移动浮标进行操作以从可移动浮标的移动中发电的能量转换装置。
图6展示了根据本公开的又一实施例的可与可移动浮标进行操作以从可移动浮标的移动中发电的能量转换装置。
图7A和图7B展示了根据本公开的实施例的用于维持浮标阵列在水中的稳定性的交叉配置。
图8A和图8B展示了根据本公开的实施例的用于维持浮标阵列在水中的稳定性以及用于将该阵列扩展至包括任何数量的可移动浮标和/或基础浮标的配置。
图9展示了根据本公开的实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图10展示了根据本公开的又一实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图11A展示了根据本公开的又一实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图11B展示了遭遇极限波浪时的图11A的***。
图12A和图12B展示了与不同的风向/波浪方向对准的图11A的***。
图13A展示了根据本公开的又一实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图13B展示了在处于高潮时的图13A的***。
图13C展示了遭遇极限波浪时的图13A的***。
图14展示了根据本公开的又一实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图15A和图15B展示了根据本公开的又一实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图16展示了根据本公开的又一实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图17展示了根据本公开的又一实施例的用于从表面波浪获得能量的***。
图18展示了图17的***的俯视横截面视图。
具体实施方式
现在将参考示例性实施例，且本文将使用具体语言来描述示例性实施例。然而，将理解的是，并不希望由此限制本公开的范围。本文所说明的发明特征的改变和进一步修改以及如本文所说明的本公开的原理的附加应用(其将为相关领域的且拥有本公开的技术人员所想到)被视为在本公开的范围内。还应理解的是，本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的。除非有这样的规定，否则术语不旨在进行限制。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个指代物。因此，例如，对“浮标”的指代包括对一个或多个这样的浮标的指代，且对“竖直构件”的指代包括对一个或多个这样的竖直构件的指代。
如本文所用，术语“约”用于通过假设给出值可为比端点“大一点”或“低一点”来对数字范围端点提供灵活性。
如本文所用，为了方便起见可以在常见列表中展示多个物件、结构元件、组成元素和/或材料。然而，这些列表应当被解释为该列表的每个成员均被单独识别为不同且唯一的成员。因此，如果没有相反的指示，那么这种列表中应当没有个别成员仅基于其在公共群组中的呈现而被解释为该列表中的任何其它成员的实际等效物。
本文可以以范围格式表达或呈现数字数据。应当理解的是，此范围格式仅仅出于方便和简洁的目的而被使用，并且因此应当被灵活地解释为不仅包括被明确叙述为范围界限的数值，而且包括该范围内所涵盖的所有个别数值或子范围，就像每个数值和子范围被明确叙述一样。作为说明，“约1至约5”的数字范围应当被解释为不仅包括约1至约5的明确叙述值，而且包括所指示范围内的个别值和子范围。因此，此数字范围中包括诸如2、3和4的个别值以及诸如从1至3、从2至4和从3至5等的子范围以及单独的1、2、3、4和5。此相同原理适用于仅叙述一个数值作为最小值或最大值的范围。另外，无论范围宽度或所描述的特性为何，均应当采用这样的解释。
根据本公开的这些定义和实施例，提供了各种***和方法的讨论，包括与其相关联的细节。换言之，应当注意各个实施例将被讨论为其与这些***和方法有关。不管具体细节的上下文如何，由于这些细节是针对这些实施例中的任何一个进行讨论的，应当理解的是，这种讨论也与其它所有实施例有关。
本公开描述了一种用于从水体中的表面波浪获得或产生(转换)能量的***。该***可包括浮标阵列，该浮标阵列可包括具有多个竖直构件的框架。该浮标阵列还可包括基础浮标，该基础浮标耦接到该框架以将该框架支撑在水体中并且将这些竖直构件维持在竖直取向。另外，该浮标阵列可包括多个可移动浮标，其中多个可移动浮标中的每个浮标均围绕竖直构件中的不同构件可移动地布置并且配置成响应于水体中的波浪而相对于相应的竖直构件和基础浮标移动。此外，该浮标阵列可包括能量转换装置，该能量转换装置可与多个可移动浮标中的每个浮标进行操作以从可移动浮标相对于竖直构件的移动中发电。此外，该***可包括浮力系绳，该浮力系绳耦接到该浮标阵列以将该浮标阵列固定到目标上。
在另一实施例中，本公开提供了一种用于从水体中的表面波浪获得或产生(转换)能量的方法。该方法可包括：获得浮标阵列，该浮标阵列包括：具有多个竖直构件的框架；基础浮标，其耦接到该框架以将该框架支撑在水体中并且将这些竖直构件维持在竖直取向；多个可移动浮标，其中所述多个可移动浮标中的每个浮标均围绕所述多个竖直构件中的不同构件可移动地布置并且被配置成响应于该水体中的波浪而相对于相应的竖直构件和基础浮标移动。还可包括能量转换装置，其能够与多个可移动浮标中的每个浮标进行操作以从可移动浮标相对于竖直构件的移动中发电。该方法还可包括将浮力系绳耦接到浮标阵列、将浮标阵列布置在水体中以及将浮标阵列固定到目标上。系绳的浮力可使得系绳本质上自我支撑在水中并且不会向下拖曳或在使用时以其它方式干扰浮标阵列。
图1示出了用于从水体中的波浪101获得能量的浮标阵列100。该浮标阵列可包括具有多个竖直构件111、112、113的框架110。该浮标阵列还可包括基础浮标120，基础浮标120耦接到框架以将框架支撑在水体中并且将竖直构件维持在竖直取向。在一个方面，基础浮标可在框架中心处或附近固定地附接到框架，诸如附接到中间柱或主柱，以有效地将框架支撑在水中。浮标阵列还可包括多个可移动浮标130、131，使得多个可移动浮标中的每个浮标均围绕多个竖直构件中的不同竖直构件(诸如外柱)可移动布置，并且被配置成响应于水体中的波浪而相对于相应的竖直构件和基础浮标移动。在一个方面，可移动浮标可被配置成相对于竖直构件和基础浮标自由地上下移动或滑动。能量转换装置还可被包含于其中并且能够与多个可移动浮标中的每个浮标进行操作以从可移动浮标相对于竖直构件的移动中发电。
注意，图1中以及下文图2至图4C中所示的实施例在海洋中可能或不一定固有地稳定，因为通常将包括附加增稳结构以将竖直构件维持为大体上竖直配置。这些装置以此方式示出而不具有可使用的许多可能增稳结构中的一个或多个结构是为了更清楚地说明装置如何以基础水平运行。图7A至图8B中的实例示出了在海浪中可能更稳定的某些装置，且同样可设想到利用图1至4C中所示的基本结构的许多其它稳定配置。另外，应注意术语“竖直”被定义为当装置位于水中时通常相对于框架的构造而大体上竖直。随着波浪经过装置，“竖直”构件将不会总是保持完全竖直，但是如上所述，其将大体上处于竖直取向。
参考图2且继续参考图1，用于从水体中的波浪获得能量的浮标阵列200可以基于与浮标阵列预期面临的典型(设计)波浪的关系进行配置。例如，已经观察到典型的深水波浪具有合理的恒定波浪高度和波浪长度关系。具体地，对于给定的波浪高度(X)，波浪长度约为从波峰到波谷的波浪高度的7倍(7X)。在一个方面，可针对具体波浪高度设计浮标阵列，其中可移动浮标相对于竖直构件的运动范围约为波浪高度的2倍(2X)。基础浮标可被配置成将框架支撑在水中以促进可移动浮标的移动高达设计波浪高度的两倍。另外，基础浮标与可移动浮标之间的距离可从波浪高度的约2倍(2X或2∶1比率)至波浪高度的约5倍(5X或5∶1比率)。在一个特定方面中，基础浮标与可移动浮标之间的距离可以是设计波浪的约3.5倍(3.5X或3.5∶1比率)。在此配置中，基础浮标可将框架支撑在水中以使得可移动浮标相对于框架的竖直构件的竖直浮动移动可以移动高达设计波浪高度的两倍。
可使用浮标阵列来从水波获得能量以通过泵送水、泵送空气、感应或通过任何其它类型的机械运动的对流产生能量，因为每个可移动浮标均可将其附接到本领域中已知用于将机械运动转换为能量的能量转换装置，诸如泵或发电机。应当认识到，虽然浮标阵列可能被设计用于深海水波，但是也可以可选地利用其它波浪。
另外，每个竖直构件211、213可具有设计波浪高度的两倍(2X)高度加上长度214a、214b以适应诸如可移动浮标高度以及安全距离的变量，以提供附加间隙，从而最小化由于以下事实而产生的撞击机会：每个可移动浮标不可能将总是随着恰好在浮标高度中间的水浮动。能量转换装置240a、240b可与可移动浮标230、231进行操作以从可移动浮标相对于竖直构件的移动中发电。
系绳215可耦接到框架210以将浮标阵列200锚定到目标上，诸如海底203或漂浮在水体表面上的目标204诸如船或石油钻机上。系绳可被配置成允许浮标阵列在波浪上的水中有效地移动，但不允许浮标阵列从期望位置偏离得太远。
在一个方面，浮标阵列200可包括可操作以通过水体移动浮标阵列的运动(locomotion)装置250。该运动装置可用于将浮标阵列移动到期望位置和/或将浮标阵列维持在期望位置处。例如，该运动装置可用于将浮标阵列从部署位置(诸如码头)移动至深水位置以收获能量。在一个方面，运动装置还可用于通过将浮标阵列耦接到轮船而使轮船或其它水上船舶移动。
浮标阵列200还可包括对操作浮标阵列有用的各种***，诸如可操作以控制浮标阵列的操作的控制***260、可操作以与命令中心或基站通信的通信***262和/或全球定位***(GPS)264。例如，该控制***可监测浮标阵列的各个方面，诸如所产生的能量的量。该通信***可与基地266(诸如位于陆地或轮船上的命令中心)通信。该GPS可监测浮标阵列的位置。因此，命令中心可接收来自浮标阵列的数据并且给出操作指令(诸如所要移动到的位置等)。响应于这样的指令，运动装置250可使用用于导航的GPS将浮标阵列移动到某个位置。
浮标阵列200可由任何合适的材料构造而成。例如，可以使用适用于海运用途的典型结构材料，特别是当预期在海洋中使用时适用于咸水应用的材料。此外，浮标阵列可使用其表面上的疏水材料，以使得在寒冷天气期间形成的任何冰将随着浮标阵列在海洋中移动而从浮标和框架中剪除并掉落，由此防止冰积聚。
图3A至图3C展示了与具有典型尺寸或设计尺寸的波浪进行操作的浮标阵列300。例如，如图3A所示，在基础浮标320的相对侧上与如上所述的基础浮标相距一定距离处的两个可移动浮标330、331能够处于最低点或波浪的波谷处，而基础浮标320处于最高点或波浪的波峰处。图3B示出了波浪沿方向302移动并且导致基础浮标从波峰掉落而可移动浮标从波谷中朝波峰向上漂浮。当波浪移动3.5倍波浪高度的距离时，如图3C所示，可移动浮标已切换竖直位置，使得可移动浮标处于波浪的波峰处而基础浮标处于波谷处。这使得每个可移动浮标均沿着与可移动浮标相关联的竖直构件的总竖直移动距离为波浪高度的两倍。
图4A至图4C展示了与超过典型的或设计的波浪尺寸的波浪(诸如巨浪)进行操作的浮标阵列400。例如，如图4A所示，基础浮标420使整个浮标阵列上升到波浪的波峰上，其中基础浮标420的相对侧上的两个可移动浮标430、431在波浪的波峰的任一侧上。图4B示出了波浪沿方向402移动并且导致浮标阵列从波浪的波峰掉落。可移动浮标在波浪上浮动已使得可移动浮标430趋向于相对于框架的竖直构件上升，而可移动浮标431趋向于相对于框架的竖直构件下落。在框架变得不稳定的情况下，框架可能翻转而导致可移动浮标沿竖直构件上升直至其到达运动范围的端点为止，在这一点处它将防止框架的进一步翻转。因此，浮标阵列可有效地沿着巨浪上升或下降且不翻转。如图4C所示，当基础浮标到达波浪的波谷时，可移动浮标已经相对于竖直构件上移。浮标阵列可通过骑跨波浪的斜坡而在任何尺寸的波浪中操作并且可因此保持在飓风和海啸中操作而不损坏。不管波浪达到多高，浮标均可保持浮动并且移动而不碰撞或破坏移动。对于极大的海浪也不需要制动方法或终止运动。
无论海浪何时高于或等于用于阵列的设计波浪长度，浮标阵列均可产生相同大小的能量。这允许针对具体容量来设计***且只要实际波浪高度高于或等于已经针对其设计出阵列1的波浪高度，该***的性能便没有大幅波动。这样的属性对于使用浮标阵列作为主要动力、取代核能、石油、天然气或煤厂是有吸引力的。不需要改变框架的大小来适应海洋深度差，该海洋深度差影响附接到海底的其他海浪装置。每个装置可以是相同的，由此产生成本节约并改进可制造性。此外，因为整个浮标阵列浮动，所以能够在深海波浪中操作。这允许将装置放置成远离陆地以使得可收获高于靠近海滩的波浪的深海波浪的能量，并且避免堵塞沿海水道或占据用于旅游业的不动产。
图5展示了可与可移动浮标530进行操作以从可移动浮标相对于竖直构件511的移动中发电的能量转换装置540的示例。在此示例中，能量转换装置包括经由电磁感应发电的电感器。电感器包括诸如铜线的导电材料的线圈541。竖直构件511包括在可移动浮标的运动范围内的铁磁或铁磁材料以形成用于电感器的芯512。因此，可移动浮标的相对运动引起线圈相对于芯移动并且发电。根据需要，如方框513处所指示，可使用或存储电力。
图6展示了能量转换装置640的另一示例。在此示例中，能量转换装置包括泵，该泵利用在与可移动浮标630相关联的缸642内移动的耦接到竖直构件611的活塞641。该泵包括单向入口阀643a、643b和出口阀644a、644b以调节通过泵的水流量。该泵可被配置成具有设计波浪高度的两倍的最大冲程，其可受限于竖直构件上的止挡件612a、612b。因此，可移动浮标的相对运动引起活塞相对于缸移动并且泵送水。根据需要，如方框613处所指示，所泵送的水可用于产生电力、转动推进器以使可移动浮标运动、经由喷水器提供用于运动的水压、将水从洪水区中泵送出来以提供飓风保护，或任何其它合适的用途。
为了水力进行发电，可将水从一个或多个浮标阵列中泵送至浮动水力发电机或将水泵送至陆基水力发电机。可将水向上泵送至浮动水塔(使得许多小泵可在不需要相互依靠的情况下泵送水)以提供用于水力发电机的水压。例如，此选项将允许麻烦或低效的能源被快速转换为海浪能量。例如，靠近海岸建立了许多核能反应堆。对于这些反应堆，可以泵送海浪中的水以转动最初设计成由核能反应堆产生的蒸气运转的现有发电机。这些发电机可转换为由于所泵送的水而运转。对于脱盐设施，可将水从一个或多个浮标阵列中泵送至反渗透设施以从盐水中产生淡水。并且，可使用浮标阵列对石油钻机、未开发地区和其中需要赈灾的地方远程供电。
应注意，如果希望使用本文所述的***和方法来泵送水，那么可使用(如图5中的)发电机的组合来通过感应产生电力，并且可使用电力来运转常规的水泵。这可以是移动水的更简单方式，而非具有关于图6所描述的更复杂活塞、单向阀等。
图7A和图7B展示了用于维持浮标阵列700在水中的稳定性的交叉配置。此处，基础浮标720和多个可移动浮标730a、731a、730b、731b被安排成交叉配置，其中基础浮标被布置在该交叉配置的中心处。该交叉配置将可移动浮标定位成沿四个相反方向从基础浮标延伸出以提供浮标阵列的浮动稳定性。该交叉配置还由于波浪从多个方向遇到浮标阵列而实现可移动浮标的能量收获竖直运动。
图8A和图8B展示了用于维持浮标阵列800在水中的稳定性以及用于将该阵列扩展至包括任何数量的可移动浮标和/或基础浮标的配置。例如，基础浮标820a可与一个或多个可移动浮标830a、831a以如本文所公开的位置关系相关联。此基本安排可重复任何次数以如分别利用基础浮标820b和820c以及可移动浮标830b、831b和830c、831c所示的那样扩大或增大该阵列。基础浮标可用作该阵列的增稳浮标。基础浮标可由诸如横向构件816a、816b的一个或多个框架构件连接。另选地或附加地，基础浮标可由在靠近可移动浮标的框架部分之间延伸的一个或多个横向框架构件817a、817b连接。在一个方面中，连接基础浮标的横向框架构件可形成刚性连接或枢转连接。通过允许基础构件跟随波浪相对于彼此移动而不会将基础构件悬挂在水上方的空气中，枢转连接可导致框架上的应力随着阵列尺寸增大而减小。在这种情况下，可限制枢转连接的运动范围以防止框架向上折叠以及阵列部件坍塌或损坏。应当认识到，浮标阵列的各个部件可被安排成利用本文所公开的概念和位置关系来提供稳定性和/或扩大阵列中的基础浮标和/或可移动浮标的数量。
图9和图10各自展示了用于从表面波浪获得能量的***，其包括耦接到浮力系绳的浮标阵列，该浮力系绳可用于将浮标阵列固定或附接到目标上，诸如海底或某种类型的漂浮支撑件，诸如船舶或石油钻机。如本文所公开的浮力系绳可因此用作系泊绳、拖绳或任何其它合适类型的系绳。
类似于图2所示，图9展示了具有耦接到系绳940并固定或附接到目标903上的浮标阵列900的***905。然而，在此示例中，系绳是浮力系绳，其包括沿着浮力系绳的长度耦接的多个附接浮力装置941、942、943、944、945。其它结构类似于先前(诸如图1至图4C中)所述的结构。然而，在图9中，附接浮力装置可由任何合适的浮力材料构成并且可在任何位置耦接到浮力系绳。相比之下，浮力系绳无需包括附接浮力装置，而是可包括内置浮力。在一个方面中，浮力系绳940可经由浮标阵列的框架910耦接到浮标阵列900。
更具体地，浮力系绳940可包括电缆或公用事业管线。公用事业管线可将电力、所泵送的流体或气体输送至浮标阵列或从浮标阵列输送电力、所泵送的流体或气体。在非常深的水中，非常长的电缆或公用事业管线可能以其它方式在浮标阵列上施加相当大的拖曳力，这可能减小可移动浮标的移动并且由此减小由浮标阵列捕获的能量的量。电缆或公用事业管线的质量可由内置浮力或附接的浮力装置支撑。这样的支撑将减小存在于电缆或公用事业管线的顶部处(在此处连接至浮标阵列)的峰值负荷，由此可延长电缆或公用事业管线的寿命并且降低恶劣天气期间断裂或其它损坏的风险。在关于浮力系绳的进一步细节中，通过在水中提供关于其自身重量或质量的自我支撑系绳，浮标阵列的可移动浮标可随着海浪自由地上下移动而不损失动量，例如，重系绳或非浮力系绳可能导致浮标阵列被迫进入浸没或部分浸没状态，从而消弱装置的效力。
同样类似于图2所示，图10展示了具有耦接到浮力系绳1040的浮标阵列1000的***1005。然而，在此示例中，浮力系绳1040包括用于将浮标阵列固定到目标1003上的主浮力系绳1050a以及多个辅助浮力系绳1050b和1050c。在此示例中，辅助浮力系绳1050b、1050c经由张紧器1060耦接到主浮力系绳1050a，该张紧器可有利于辅助系绳之间的负荷共享。张紧器1060可包括附接在系绳电缆中的整个环路上的弹力绳、弹簧、减震器等，其允许来自基础浮标1020中的力牵引弹力绳、弹簧或减震器以释放用于系绳的附加绳，因此促进改变系绳长度，这可允许调整系绳以补偿由于波浪和潮汐产生的海洋高度变化。如图所示，主浮力系绳和多个辅助浮力系绳是由附接的浮力装置1041、1042、1043、1044、1045、1046和1047支撑的。附接的浮力装置可由任何合适的浮力材料构成。另外，主浮力系绳和辅助浮力系绳中的至少一个可由浮力材料构成或包括内置浮力。
张紧器1060可将主浮力系绳1050a耦接到多个辅助浮力系绳1050b、1050c。在暴风雨和恶劣海浪、大风负荷、水流和/或波浪作用期间，浮标阵列可能遭到严重破坏。一些较大的浮标阵列可获益于多个系绳以整体减小系绳上的峰值负荷并且防止缆绳断裂和丢失。将一个或多个张紧器附接到主浮力系绳使得***1005能够对多个辅助浮力系绳上的力进行负荷共享。更具体地，可存在耦接于浮标阵列上的不同位置处或可通过张紧器耦接到独立的浮标阵列或直接耦接到目标或海底的多个系绳。每个系绳可自身电连接至能量转换装置的电感器，或者系绳可电连接在一起，诸如串联或并联。
图11A展示了根据本公开的另一示例的用于从表面波浪获得能量的***1105。正如本文所描述的其它示例，***1105可包括浮标阵列1100和耦接到浮标阵列的浮力系绳1140。在这种情况下，浮力系绳可包括耦接到浮标阵列的横向系绳部分1151、附接到目标1103上的竖直系绳部分1152(例如，附接到海底的系泊绳)以及耦接在横向系绳部分与竖直系绳部分之间的横向支撑浮标1153。浮力系绳可经由浮标阵列的框架1110和/或基础浮标1120耦接到浮标阵列。在一个方面中，横向支撑浮标1153可以充分提供用于横向系绳和/或竖直系绳的浮力。因此，横向支撑浮标1153可支撑去到海底的系绳/公用事业管线的重量。沿方向1102传播的波浪可能使得浮标阵列1100被定向成远离横向支撑浮标1153，因此由于竖直系绳部分1152附接到海底而使横向系绳部分沿相同方向基本上水平延伸。横向系绳部分从浮标阵列1100水平地延伸至横向支撑浮标可允许浮标阵列非常像风中的风筝一样在海洋表面上“飞舞”，从而允许浮标阵列随着海浪沿基本上竖直方向移动，该移动与作用于浮标上的浮力处于相同方向。此系绳配置可因此将浮标运动与作用于浮标上的浮力的方向紧密对准。此系绳配置可具有优于其它系绳配置的优点。例如，在一些系绳配置中，浮标阵列被直接或笔直向下拴系到海底(参见例如图2)，导致浮标阵列支撑系绳的至少一些质量，这产生抵抗浮力的上/下移动的阻力，使得浮标以一定的角度倾斜。利用如图11A中的横向支撑浮标1153支撑竖直系绳或系泊缆绳部分1152可减小或最小化诸如其它系绳配置可能发生的浮标移动和浮力方向的倾斜效应或未对准。在一个方面中，如上所述，横向系绳1151和/或竖直系绳1152可包括与其耦接的附接浮力装置和/或具有内置浮力。
图11B展示了当遭遇极限波浪时的***1105。如图所示，通过将横向系绳部分1151耦接到系绳支撑浮标1153(其经由竖直系绳部分1152耦接到海底1103)，可防止浮标阵列1100沿着波浪的斜坡而向下“冲浪”并将系绳绳索卡扣在波浪底部处。使用此配置，随着浮标阵列1100骑跨在波浪上，消除了横向系绳部分1151的松脱，因此防止或最小化浮标阵列的水平速度/运动。横向系绳部分1151可因此保持浮标阵列1100的水平位置并且抵消由于波浪沿方向1102传播引起的作用于浮标阵列上的冲浪力。横向系绳部分1151还可保持浮标阵列1100的前沿，使得破波将崩溃并且不会将浮标阵列抬升或翻转。
虽然图11A和图11B中所示的系绳配置可帮助浮标阵列在极限波浪中幸存，但是诸如可通过档案和卫星数据执行现场勘测以识别易受极限波浪(即，大于30m高且具有显著陡坡的波浪)影响的区域，使得发电站可位于其中具有较低的极限波浪风险的区域中。
图11A和图11B中展示的系绳配置还可有利于系绳1140和浮标阵列1100与波浪(即，水流)方向和/或风向的对准。例如，如图12A的***1105的俯视图中所示，由于***的锚固位置充分低于横向支撑浮标1153，所以沿方向1102a的风/波浪可将***1105定向以使得系绳1140和浮标阵列1100与风/波浪对准。如图12B所示，随着风/波浪改变到方向1102b，***1105可围绕位于横向支撑浮标1153下方的锚固点枢转，使得***的取向可与风向/波浪方向1102b对准。
图13A展示了根据本公开的又一示例的用于从表面波浪获得能量的***1205。正如本文所述的其它示例，***1205可包括浮标阵列1200和耦接到浮标阵列的浮力系绳1240a。在这种情况下，另一浮力系绳1240b也可耦接到浮标阵列以在耦接到目标1203(诸如海底)时提供额外稳定性。浮力系绳1240a、1240b可具有类似的配置，具有耦接到浮标阵列的横向系绳部分1251a、1251b、附接到海底的竖直系绳部分1252a、1252b以及耦接在第二横向系绳部分与第二竖直系绳部分之间的横向支撑浮标1253a、1253b。如图所示，浮力系绳1240a、1240b围绕相对侧耦接到浮标阵列，但是浮力系绳在耦接到浮标阵列时可处于任何合适相对位置。
在一个方面中，图13A可表示当海洋处于低潮时的***1205。在这种情况下，横向支撑浮标1253a、1253b可刚好位于水平面以下，并且竖直系绳部分1252a、1252b处于竖直取向。图13B可表示当海洋处于高潮时的***1205。在这种情况下，横向支撑浮标1253a、1253b可倚靠浮标阵列1200，从而通过将系绳1240a、1240b保持张紧并且减小或消除随着波浪状况从低潮变为高潮而可能存在的系绳松脱，将竖直系绳部分1252a、1252b的方向从竖直(图13A)改变为偏离竖直一定角度1254(图13B)。可增加横向系绳部分1251a、1251b的长度以改进性能。
图13C展示了遭遇极限波浪时的***1205。正如图11B中展示的***1105，***1205的横向浮力系绳1240a可被配置成保持浮标阵列1200的水平位置并且抵消由于波浪沿方向1202传播引起的作用于浮标阵列上的冲浪力。在这种情况下，当波浪经过系绳1240b且浮标阵列正被系绳1240a支撑时浮力系绳1240b可能松脱，或张紧器可减小系绳的长度以消除松脱。竖直系绳部分1252b可在配置有浮力装置或其具有内置浮力时浮动。在一个方面中，浮力系绳1240a、1240b可以为浮标阵列1200提供支撑以对抗沿不同方向传播的波浪。
图14展示了根据本公开的又一示例的用于从表面波浪获得能量的***1305。在这种情况下，***1305包括利用呈现线性布置的横向系绳1355a至1355d耦接到彼此的多个浮标阵列1300a-e。横向系绳1355a-d可附接到框架的内部构件或中心构件处和/或框架的外部构件处的浮标阵列上。一个或多个浮力系绳可耦接到浮标阵列。例如，浮力系绳1340a、1340b可分别在线性布置的相对端处耦接到浮标阵列1300a、1300e，以便为多个浮标阵列1300a-e提供支撑以对抗波浪(诸如沿方向1302传播的波浪)。在一个方面中，浮力系绳1340a、1340b可以为多个浮标阵列1300a-e提供支撑以对抗沿不同方向传播的波浪。
图15A和图15B展示了根据本公开的又一个示例的用于从表面波浪获得能量的***1405。***1405包括利用呈现线性布置或端对端布置的横向系绳1455a-b耦接到彼此的多个浮标阵列1400a-c。浮力系绳1440a、1440b可分别在线性布置或端对端布置的相对端处耦接到浮标阵列1400a、1400c，以便为多个浮标阵列1400a-c提供支撑以对抗波浪(诸如如图15A所示的沿方向1402a传播的波浪)。在一个方面中，浮力系绳1440a、1440b可被配置成有利于多个浮标阵列1400a-c与风向和即将来临的波浪方向的取向或对准。例如，浮力系绳1440b可位于浮力系绳1440a的下风向。下风向浮力系绳1440b(例如，竖直系绳部分)可具有比位于上风向的浮力系绳1440b(例如，竖直系绳部分)更大的长度或松脱。下风向浮力系绳或竖直系绳部分的附加长度或松脱可有利于多个浮标阵列由于风和波浪移动而移动，这可以允许多个浮标阵列与不断变化的风向和波浪方向重新对准或重新定向。如图15B所示，风/波浪可以改变到方向1402b，因此引起浮标阵列沿方向1406移动远离原始取向轴线1407直至消除了浮力系绳1440b的松脱(该松脱可来自于竖直系绳部分1452b)。然后，浮标阵列和浮力系绳可根据来自风/波浪的在***的各个部件上的拖曳力而在海底的锚固点之间呈现大致拱形。
图16展示了根据本公开的另一示例的用于从表面波浪获得能量的***1505。***1505包括利用呈现栅格布置或配置的横向系绳1455a-g耦接到彼此的多个浮标阵列1500a-f。浮力系绳1440a-j可围绕栅格装置的周界耦接到浮标阵列。具体地，浮力系绳1540a-c分别被布置成与浮力系绳1540d-f相对，且浮力系绳1540g-h分别被布置成与浮力系绳1540i-j相对。在此配置中，横向系绳部分1551a-f可被定向成与横向系绳部分1551g-j基本上正交，从而可沿多个方向对浮标阵列提供支撑。
图17展示了根据本公开的又一示例的用于从表面波浪获得能量的***1605。正如本文所述的其它示例，***1605可包括浮标阵列1600和耦接到浮标阵列的浮力系绳1640。在这种情况下，示出了浮力系绳，其被展示为如同耦接到目标(诸如船或可通过水移动以拖曳浮标阵列的其它这样的目标)上。应认识到，如本文所述可利用任何合适的浮力系绳。在一些实施例中，系绳不一定具有浮力，而是可以为标准拖绳。
在一个方面中，浮标阵列1600的基础浮标1620和可移动浮标1630、1631中的一个或多个浮标可包括水力表面以减小随着水经过浮标所产生的拖曳力，如图18的俯视横截面视图A-A中所示。水力表面可包括位于浮标的前端处的弓形部分1632和位于浮标的后端处的尾端部分1633。弓形部分和尾端部分的长度可以不同(即，短弓形部分和长尾端部分)以有利于定向浮标阵列。在一个方面中，浮标阵列的全部浮标可包括这样的水力表面特征并且可沿相同方向定向(如图18所示)，从而可减小或最小化冲浪或破波在浮标阵列上产生的力。
进一步参考图17，浮标阵列1600还可包括可与浮标阵列1620进行操作以响应于水体中的波浪沿方向1608以“摇摆运动”移动的压载物部分1670。压载物部分可对浮标阵列提供稳定性(例如，旋转稳定性)，以使得浮标阵列趋向于在小的角度移位之后自身复原至平衡位置。如图所示，压载物部分1670可布置在基础浮标1620下方，使得基础浮标基本上维持在压载物部分上方。可以在2014年10月20日提交的第62/065,928号美国临时专利申请中找到压载物部分的示例，该申请通过引用合并于此。使浮标阵列包括压载物部分1670可使得浮标阵列即使遭遇趋向于将浮标阵列翻转或旋转地移位的力(例如，波浪)也能够维持或恢复至期望的操作取向。压载物部分1670可因此在浮标阵列中用于维持多种不利条件下的波浪能量收获功能性。此设计元件可用于通过提供足够负稳定性来控制浮标阵列的“扭动”，以使得浮标阵列将移动用于收获波浪能量的有效操作，但是具有足够正稳定性以使得浮标阵列将恢复平稳并且维持期望的功能取向。
延伸构件1671可(例如，经由框架1610)耦接到基础浮标1620和压载物部分1670以将压载物部分悬挂在基础浮标下方。在一个方面中，延伸构件可以是沿方向1609a可延伸和可缩回的，以改变压载物部分与基础浮标之间的距离，由此改变或控制浮标阵列的稳定性。例如，将压载物部分上移可降低稳定性并且提供更快响应，且将压载物部分下移可提高稳定性并且提供更慢响应。
在一个方面中，压载物部分1670可被配置为方向舵以促进浮标阵列1600在水中的转动或引导，诸如沿波浪方向转动或引导。例如，压载物部分可诸如由马达1672沿方向1609b旋转以充当方向舵并且引导浮标阵列或将其转向。当浮标阵列被轮船拖曳时，将浮标阵列转向的能力可能是有用的，因为浮标阵列可随着轮船转动以便更有效拖曳且避开障碍物。
在一个方面，框架1610的竖直构件1611、1613以及可移动浮标1630、1631可被配置成维持可移动浮标相对于竖直构件的取向。例如，如图18所示，竖直构件和可移动浮标可具有接合(interfacing)几何形状1634，从而阻止可移动浮标诸如由于波浪而围绕竖直构件旋转。如图所示，这种几何关系是由大体上圆形的、一侧上有扁平部分1635的横截面提供的。该扁平部分可被研磨或机械加工为具有圆形横截面的结构。在这种情况下，该扁平部分位于竖直构件的背侧上，或换言之位于与行进方向相反的侧上，如由浮标的弓形(前)部分1632和尾部(后)部分1633的位置所识别。这种配置可对浮标的竖直移动提供低摩擦力，同时防止浮标由于波浪产生的横向力而旋转。应认识到，可利用任何合适的接合几何配置，诸如矩形横截面。基础浮标1620可通过紧固件1636或其它合适的装置相对于竖直构件1612固定。接合几何形状可在过渡特征1618、1619处过渡为不同形状。这样的过渡特征可用于终止可移动浮标沿着竖直构件的竖直移动。在一个方面中，过渡特征可被配置成在施加足够大的力时结合或楔合可移动浮标。这可防止在出现恶劣暴风雨或波浪事件时需要可移动浮标的额外移动或操作直至可提供维修或保养，这可最小化在极端条件下对浮标阵列的损坏的风险。
当可移动浮标1630、1631配置有水力表面(诸如弓形部分1632和尾端部分1633)时，防止这些可移动浮标围绕竖直构件1611、1613旋转可能特别有利。即使可移动浮标缺乏这样的水力表面，不存在这样的相对旋转也可能是有利的，以防止可耦接到浮标阵列1600的公用事业管线或进给管线1680由于可移动浮标的自旋或旋转而缠结。例如，公用事业管线或进给管线可用于将电力从与可移动浮标相关联的发电机传递至可位于水下的输电线。2015年1月20日提交的第14/600,456号美国专利申请中可找到这样的公用事业或进给管线的示例，该申请通过引用合并于此。
在相关实施例中，公开了一种用于根据本文的原理从水体中的波浪获得能量的方法。该方法可包括：获得浮标阵列，该浮标阵列包括：具有多个竖直构件的框架；基础浮标，其耦接到该框架以将该框架支撑在水体中并且将竖直构件维持在竖直取向；多个可移动浮标，其中多个可移动浮标中的每个浮标均围绕该多个竖直构件中的不同构件可移动地布置并且被配置成响应于该水体中的波浪而相对于相应的竖直构件和基础浮标移动；以及能量转换装置，其可与多个可移动浮标中的每个浮标进行操作以从可移动浮标相对于竖直构件的移动中发电。该方法还可包括将浮力系绳耦接到浮标阵列。该方法可进一步包括将浮标阵列布置在水体中。此外，该方法可包括将浮标阵列固定到目标上。
在该方法的一个方面中，该浮力系绳可包括：耦接到浮标阵列的横向系绳部分；附接到海底的竖直系绳部分；以及耦接在横向系绳部分与竖直系绳部分之间的横向支撑浮标。应注意，此方法中不需要具体次序，但是在一个实施例中，通常可循序地实行这些方法步骤。
当然，应理解的是，上述安排仅仅说明本公开的原理的应用。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可设想到许多修改和替代安排，且所附权利要求书旨在涵盖这样的修改和安排。因此，虽然上文已经结合目前认为是本公开的最实用实施例特别详细地描述了本公开，但是本领域技术人员将明白的是，可以在不脱离本文所阐述的原理和概念的情况下做出许多修改，包括但不限于尺寸、材料、形状、形式、功能和操作方式、装配和使用的改变。

Claims (26)

1.一种用于从表面波浪获得能量的***，其包括：
浮标阵列，其包括：
具有多个竖直构件的框架，
基础浮标，其耦接到所述框架以将所述框架支撑在水体中并将所述竖直构件维持在竖直取向上，
多个可移动浮标，其中所述多个可移动浮标中的每个浮标均围绕所述多个竖直构件中的不同构件可移动地布置并且被配置成响应于所述水体中的波浪而相对于相应的所述竖直构件和所述基础浮标移动；以及
能量转换装置，其能够与所述多个可移动浮标中的每个浮标进行操作以便从所述可移动浮标相对于所述竖直构件的移动中发电；以及
浮力系绳，其耦接到所述浮标阵列以将所述浮标阵列固定到目标上。
2.如权利要求1所述的***，其中所述浮力系绳是载送电力、泵送流体或气体中的至少一种的公用事业管线。
3.如权利要求1所述的***，其中所述浮力系绳包括与其耦接的附接浮力装置。
4.如权利要求1所述的***，其中所述浮力系绳具有内置浮力。
5.如权利要求1所述的***，其中所述浮力系绳包括主浮力系绳和经由张紧器耦接到所述主系绳的多个辅助系绳，所述张紧器有利于所述辅助系绳之间的负荷共享。
6.如权利要求1所述的***，其中所述浮力系绳经由所述框架和所述基础浮标中的至少一个耦接到所述浮标阵列。
7.如权利要求1所述的***，其中所述浮力系绳包括：
耦接到所述浮标阵列的横向系绳部分；
附接到海底的竖直系绳部分；以及
耦接在所述横向系绳部分与所述竖直系绳部分之间的横向支撑浮标。
8.如权利要求7所述的***，其中所述横向支撑浮标基本上为所述横向系绳和所述竖直系绳中的至少一个提供浮力。
9.如权利要求7所述的***，其中所述横向系绳和所述竖直系绳中的至少一个包括与其耦接的附接浮力装置。
10.如权利要求7所述的***，其中所述横向系绳和所述竖直系绳中的至少一个具有内置浮力。
11.根据权利要求7所述的***，其进一步包括耦接到所述浮标阵列以将所述浮标阵列固定到所述目标的第二浮力系绳。
12.如权利要求11所述的***，其中所述第二浮力系绳包括：
耦接到所述浮标阵列的第二横向系绳部分；
附接到所述海底的第二竖直系绳部分；以及
耦接在所述第二横向系绳部分与所述第二竖直系绳部分之间的第二横向支撑浮标。
13.如权利要求12所述的***，其中所述第一浮力系绳和所述第二浮力系绳围绕相对侧耦接到所述浮标阵列。
14.如权利要求7所述的***，其进一步包括耦接到所述第一浮标阵列的第二浮标阵列。
15.如权利要求14所述的***，其进一步包括耦接到所述第二浮标阵列的第二浮力系绳，其中所述第二浮力系绳包括：
耦接到所述第二浮标阵列的第二横向系绳部分；
附接到所述海底的第二竖直系绳部分；以及
耦接在所述第二横向系绳部分与所述第二竖直系绳部分之间的第二横向支撑浮标。
16.如权利要求15所述的***，其中所述第一浮力系绳和所述第二浮力系绳围绕所述第一浮标阵列和所述第二浮标阵列的相对端耦接。
17.如权利要求16所述的***，其中所述第一竖直系绳部分和所述第二竖直系绳部分被配置成在所述第一浮标阵列和所述第二浮标阵列耦接到所述海底时有利于改变所述第一浮标阵列和所述第二浮标阵列的取向。
18.如权利要求15所述的***，其中所述第一竖直系绳部分和所述第二竖直系绳部分耦接到相应的浮标阵列，使得所述第一横向系绳部分和所述第二横向系绳部分彼此基本正交。
19.如权利要求1所述的***，其中所述基础浮标和所述多个可移动浮标中的至少一个包括水力表面以减小当水经过所述浮标时的拖曳力。
20.如权利要求1所述的***，其中所述竖直构件和所述多个可移动浮标被配置成维持所述多个可移动浮标相对于所述竖直构件的取向。
21.如权利要求1所述的***，其中所述浮标阵列进一步包括压载物部分，所述压载物部分能够与所述基础浮标进行操作以便响应于所述水体中的波浪而以摇摆运动移动，其中所述基础浮标基本上维持在所述压载物部分上方。
22.如权利要求21所述的***，其进一步包括延伸构件，所述延伸构件耦接到所述基础浮标和所述压载物部分以将所述压载物部分悬挂在所述基础浮标下方。
23.如权利要求22所述的***，其中所述延伸构件是可延伸的和可缩回的，以改变所述压载物部分与所述基础浮标之间的距离，从而改变所述浮标阵列的稳定性。
24.如权利要求21所述的***，其中所述压载物部分被配置为方向舵以有利于通过水将所述浮标阵列转向。
25.一种用于从水体中的波浪获得能量的方法，其包括：
获得浮标阵列，所述浮标阵列包括：
具有多个竖直构件的框架，
基础浮标，其耦接到所述框架以将所述框架支撑在水体中并且将所述竖直构件维持在竖直取向上，
多个可移动浮标，其中所述多个可移动浮标中的每个浮标均围绕所述多个竖直构件中的不同构件可移动地布置并且被配置成响应于所述水体中的波浪而相对于相应的所述竖直构件和所述基础浮标移动，以及
能量转换装置，其能够使用所述多个可移动浮标中的每个浮标进行操作以便从所述可移动浮标相对于所述竖直构件的移动中发电；
将浮力系绳耦接到所述浮标阵列；
将所述浮标阵列布置在所述水体中；以及
将所述浮标阵列固定到目标上。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述浮力系绳包括：
耦接到所述浮标阵列的横向系绳部分；
附接到海底的竖直系绳部分；以及
耦接在所述横向系绳部分与所述竖直系绳部分之间的横向支撑浮标。
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