本發(fā)明涉及一種海洋的波能轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

盡管對(duì)可再生能源的全球需要增加，存在于海洋波浪中的大量的能量在很大程度上尚未被開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)的波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常安裝在海床上或者在海洋表面附近支撐在浮動(dòng)平臺(tái)上或借助浮動(dòng)物支撐。浮動(dòng)系統(tǒng)可以捕獲最靠近海洋表面發(fā)生的最大能量波動(dòng)，但是必須通常通過(guò)極其有力的系泊物保持在適當(dāng)位置或保持在安裝于海床上的豎向滑動(dòng)支撐物上。這種波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和其系泊物和/或安裝物因此必須因此抵抗海洋波浪的頻繁的極限載荷并且經(jīng)受所產(chǎn)生的施加至結(jié)構(gòu)的大的脈動(dòng)應(yīng)力，大的脈動(dòng)應(yīng)力包括圍繞系泊物連接器和/或固定式安裝物的高應(yīng)力集中。由于對(duì)離岸系統(tǒng)進(jìn)行修理的復(fù)雜度，波能轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)成例如通過(guò)使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的、不銹鋼或其他耐腐蝕金屬合金的龐大承載組件來(lái)在安全上抵擋這種極限應(yīng)力和疲勞體制及嚴(yán)酷的海洋環(huán)境的腐蝕性能。所產(chǎn)生的高建筑、安裝和操作成本可能因此禁止波能捕獲設(shè)備的廣泛使用。

本發(fā)明的實(shí)施例的目的因此包括：提供一種經(jīng)改善的波能轉(zhuǎn)換器；一種克服了上述的缺點(diǎn)的波能轉(zhuǎn)換器；一種促進(jìn)安裝、檢查、維護(hù)和修理的波能轉(zhuǎn)換器；和/或一種對(duì)傳統(tǒng)波能轉(zhuǎn)換器的廉價(jià)替代物。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種波能轉(zhuǎn)換器，所述波能轉(zhuǎn)換器包括撓性脊柱以及可旋轉(zhuǎn)地安裝在脊柱上并且由脊柱支撐的多個(gè)葉片，其中，每個(gè)葉片能夠通過(guò)海浪被操作以成角度地?cái)[動(dòng)并且由此驅(qū)動(dòng)海洋波能轉(zhuǎn)換為有效功，例如轉(zhuǎn)換為電能或其它形式的機(jī)械能。

脊柱可大體上由一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管組成，并且可包括多個(gè)大體上平行的導(dǎo)管。

每個(gè)葉片可以通過(guò)海浪被操作以將液壓流體驅(qū)動(dòng)到脊柱中并且沿著脊柱驅(qū)動(dòng)液壓流體，例如驅(qū)動(dòng)到脊柱的導(dǎo)管中并且沿著脊柱的導(dǎo)管驅(qū)動(dòng)。液壓流體可以為海水。脊柱可以流體連接至渦輪機(jī)，渦輪機(jī)可以位于陸地上或可以位于浮筏上。替代性地，波能轉(zhuǎn)換器可以用于將液壓流體輸送至除了渦輪機(jī)以外的期望目的地，例如將海水泵送至淡化設(shè)備。作為另一個(gè)替代性的實(shí)施方式，每個(gè)葉片可以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)電機(jī)。

葉片可以繞脊柱的縱向軸線間隔排列。兩個(gè)或多個(gè)所述葉片可以繞脊柱的縱向軸線大體上成角度地平均分布，并且可以沿這所述脊柱安裝在大體上相同的縱向位置處。

兩個(gè)或多個(gè)所述葉片可以沿著所述脊柱間隔排列。所述葉片中的兩個(gè)葉片可以在部署了所述轉(zhuǎn)換器的海洋位置處分開(kāi)至少一半主波長(zhǎng)的距離，可以分開(kāi)至少所述主波長(zhǎng)的距離，可以在部署了所述轉(zhuǎn)換器的海洋位置處分開(kāi)至少一半最大波長(zhǎng)的距離，并且可以優(yōu)選地分開(kāi)至少所述最大波長(zhǎng)的距離。所述葉片中的兩個(gè)葉片可以分開(kāi)至少150m的距離，可以分開(kāi)至少300m的距離，可以分開(kāi)至少450m的距離，并且可以分開(kāi)至少600m的距離。

所述葉片中的兩個(gè)葉片可以在部署了所述轉(zhuǎn)換器的海洋位置處分開(kāi)小于或等于一半主波長(zhǎng)的距離，并且可以分開(kāi)所述主波長(zhǎng)的單位分?jǐn)?shù)。所述葉片中的兩個(gè)葉片可以分開(kāi)小于100m、小于75m、小于60m、小于50m、小于40m、小于30m、小于20m或小于10m的距離，可以分開(kāi)至少10m、至少20m、至少30m、至少40m或至少50m的距離，并且可以分開(kāi)大體上50m的距離。所述葉片中的每個(gè)葉片可以距另一個(gè)所述葉片分開(kāi)小于或等于一半所述主波長(zhǎng)的距離。所述葉片中的每個(gè)葉片可以距另一個(gè)所述葉片分開(kāi)小于100m、小于75m、小于60m、小于50m、小于40m、小于30m、小于20m或小于10m的距離，可以距另一個(gè)所述葉片分開(kāi)至少10m、至少20m、至少30m、至少40m或至少50m的距離，并且可以距另一個(gè)所述葉片分開(kāi)大體上50m的距離。

脊柱可以大體上為線性的。波能轉(zhuǎn)換器可以在海洋位置處部署成使脊柱在所海洋位置處大體上與主波速對(duì)準(zhǔn)。

所述脊柱和所述葉片中的至少一個(gè)的海洋浮力可以起到將葉片支撐在期望的深度處的作用，并且可以起到將脊柱支撐成與海洋表面波形大體上一致的作用。

波能轉(zhuǎn)換器可以設(shè)置成將脊柱的彎曲調(diào)節(jié)成與海洋表面波形大體上一致，并且可以設(shè)置成提供脊柱與海洋表面波形大體上一致的彎曲。

脊柱可以彈性地?fù)锨?，可以大體上由聚合物或基于聚合物的復(fù)合材料形成，并且可以大體上由聚乙烯形成。葉片可以大體上由聚合物或基于聚合物的復(fù)合材料形成，并且可以大體上由聚乙烯形成。

脊柱和葉片的相對(duì)浮力可以起到將所述葉片以期望的定向支撐的作用，并且可以起到將葉片以大體上豎立的定向支撐的作用。葉片可以相對(duì)于脊柱為正浮力，并且可以包含空氣。脊柱可以被加壓。

波能轉(zhuǎn)換器可以包括可調(diào)節(jié)浮力的設(shè)備，并且可以包括自調(diào)節(jié)浮力的設(shè)備。浮力設(shè)備可以可充氣地浮動(dòng)，可以包括可壓縮空氣囊袋，并且可以包括氣泵。

波能轉(zhuǎn)換器可以主要包括聚合物和/或基于聚合物的復(fù)合材料部件，并且可以主要包括聚乙烯部件。波能轉(zhuǎn)換器可以包括聚合物軸承表面，并且可以包括聚乙烯軸承表面。

每個(gè)葉片可以在鉸鏈處支撐在脊柱上。每個(gè)葉片可以驅(qū)動(dòng)液壓缸，液壓缸可以在鉸鏈處支撐在脊柱上，可以在止回閥處流體連接至脊柱，并且可以經(jīng)由弱化點(diǎn)流體連接至脊柱。每個(gè)鉸鏈可以為轉(zhuǎn)向節(jié)鉸鏈，可以包括可釋放銷(xiāo)，可以包括聚合物上聚合物軸承，并且可以包括至少一個(gè)聚乙烯軸承表面。

脊柱可以包括兩個(gè)或更多個(gè)大體上平行對(duì)準(zhǔn)的長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)元件。長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)元件可以可旋轉(zhuǎn)地固定至彼此以允許每個(gè)所述元件的相對(duì)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，可以可滑動(dòng)地固定至彼此以允許每個(gè)所述元件的相對(duì)軸向滑動(dòng)，并且可以通過(guò)聚合物上聚合物軸承固定至彼此。所述長(zhǎng)形元件中的每一個(gè)可以為導(dǎo)管，可以大體上由聚合物或基于聚合物的復(fù)合材料形成，并且可以大體上由聚乙烯形成。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種安裝、維護(hù)、檢查或修理波能轉(zhuǎn)換器的方法，該方法包括以下步驟：提供如上文限定的波能轉(zhuǎn)換器并且將波能轉(zhuǎn)換器從第一海洋位置拖曳到第二海洋位置。第一位置和第二位置中的一個(gè)位置可以為離岸操作位置，并且另一個(gè)位置可以為岸上位置。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種安裝、維護(hù)、檢查或修理波能轉(zhuǎn)換器的方法，該方法包括以下步驟：在海洋位置處提供如上文限定的波能轉(zhuǎn)換器并且調(diào)節(jié)波能轉(zhuǎn)換器的浮力以將波能轉(zhuǎn)換器從第一深度升高或下降至第二深度。第一深度和第二深度中的一個(gè)可以為轉(zhuǎn)換器大體上浸沒(méi)的操作深度，并且第一深度和第二深度中的另一個(gè)可以為轉(zhuǎn)換器大體上沒(méi)有浸沒(méi)的深度。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種操作波能轉(zhuǎn)換器的方法，該方法包括以下步驟：提供如上文限定的波能轉(zhuǎn)換器，在第一操作深度處的海洋位置處操作波能轉(zhuǎn)換器，并且調(diào)節(jié)波能轉(zhuǎn)換器的浮力以使波能轉(zhuǎn)換器下降至第二深度。第二深度可以為被選擇成在轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)期望的波動(dòng)力輸入、電力輸出、葉片加載、脊柱加載或者液壓流體壓力的操作深度。第二深度可以為被選擇成使波動(dòng)力輸入或葉片加載最小化的安全深度。浮力調(diào)節(jié)可以通過(guò)機(jī)械式自調(diào)節(jié)設(shè)備自發(fā)地進(jìn)行，可以通過(guò)監(jiān)控和控制系統(tǒng)自發(fā)地進(jìn)行，可以連續(xù)地進(jìn)行，并且可以通過(guò)人為干預(yù)進(jìn)行。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地理解本發(fā)明，現(xiàn)將參照附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的波能轉(zhuǎn)換器的一部分的透視圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的波能轉(zhuǎn)換器的一部分的透視圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的波能轉(zhuǎn)換器的一部分的透視圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例并包括圖3中示出的部分的波能轉(zhuǎn)換器的透視圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例并也包括圖3中示出的部分的波能轉(zhuǎn)換器的透視圖；

圖6為形成根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的波能轉(zhuǎn)換器的一部分的透視圖；以及

圖7為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的波能轉(zhuǎn)換器的一部分的透視圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種海洋波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，圖1至圖7中示出了海洋波能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)施例。圖1所示的系統(tǒng)以中央支撐脊柱1和固定至脊柱的一些可移動(dòng)葉片2為基礎(chǔ)。脊柱由三個(gè)大體上平行的、以規(guī)律間隔的方式固定至彼此的管狀管道3形成以形成堅(jiān)固梁，葉片支撐在該堅(jiān)固梁上。每個(gè)葉片采用在鉸接式連接器5處可旋轉(zhuǎn)地固定至脊柱的中空槳葉4的形式。槳葉采用大體上為立方形塊的形式，但設(shè)想了替代性的設(shè)計(jì)以用于最佳的能量轉(zhuǎn)換效率和/或有利地適應(yīng)內(nèi)應(yīng)力以及諸如環(huán)境要求、組件可用性和成本之類(lèi)的因素。槳葉例如可以彎曲以聚集用于力或回程或兩者的更多的波能。這例如可能需要一個(gè)或兩個(gè)主表面大體上為凹面。

固定至脊柱的第二鉸鏈?zhǔn)竭B接器6支撐雙動(dòng)式液壓缸7的近端，雙動(dòng)式液壓缸7具有可滑動(dòng)地接合在缸中并且在雙動(dòng)式液壓缸的遠(yuǎn)端處經(jīng)由第三鉸鏈接頭9可旋轉(zhuǎn)地固定至槳葉的活塞8。液壓缸在每個(gè)端部10附近具有流體連接件，液壓流體以常規(guī)的方式被抽吸穿過(guò)每個(gè)端部10，使得隨著活塞從一端向另一端抽吸，流體被抽吸到缸的一個(gè)端部中并且被迫離開(kāi)另一個(gè)端部，并且反之亦然。缸的連接件經(jīng)由進(jìn)口和閥裝置(未示出)被流體連接至脊柱的平行管道中的一個(gè)平行管道，使得無(wú)論槳葉移動(dòng)的方向如何，槳葉繞其鉸鏈?zhǔn)竭B接器5的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起到以下作用：將外部流體經(jīng)由進(jìn)口處的過(guò)濾器抽吸至缸中并且在壓力下將外部流體排出至脊柱的被連接的管道中。因此，當(dāng)系統(tǒng)被部署在海上時(shí)，波浪運(yùn)動(dòng)來(lái)回地驅(qū)動(dòng)槳葉，并且因此將海水抽吸到缸中并在壓力下將海水排出至脊柱的被連接的管道中。

因此，一些成對(duì)的槳葉和液壓缸以規(guī)律間隔的方式固定至脊柱以形成平均分布的葉片的長(zhǎng)形陣列，平均分布的葉片中的每一個(gè)都起到響應(yīng)于波浪運(yùn)動(dòng)將加壓的海水驅(qū)動(dòng)到脊柱中的作用。脊柱的被連接的管道的一個(gè)端部被封閉，并且另一個(gè)端部提供給連接至發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)中以將波能轉(zhuǎn)換為電能。優(yōu)選地，脊柱例如通過(guò)系泊物被保持在固定的地理位置處，使得脊柱維持與波浪速度方向軸向?qū)?zhǔn)，并且槳葉因此平行于脊柱的軸線受載。

在某些實(shí)施例中，脊柱的管道中的兩個(gè)或多個(gè)管道用于將加壓的流體輸送至渦輪機(jī)以通過(guò)將加壓的流體更均勻地分配在兩個(gè)或多個(gè)管道之間來(lái)減小任何一個(gè)管道的被壓力引發(fā)的載荷。為了通過(guò)使沿著管道的壓力損耗最小來(lái)提高能量轉(zhuǎn)換效率，較大直徑的管道通常是優(yōu)選的。然而，使用多個(gè)較小直徑的管道可以實(shí)現(xiàn)相似的益處。脊柱的優(yōu)選的抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度可以通過(guò)設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的固定在一起的平行管道且進(jìn)一步通過(guò)將所述適當(dāng)數(shù)量的固定在一起的平行管道彼此橫向地間隔適當(dāng)?shù)木嚯x來(lái)實(shí)現(xiàn)。管道可以通過(guò)鉸鏈?zhǔn)竭B接器5或通過(guò)任何適合的設(shè)備固定至彼此并且彼此間隔排列。

在某些實(shí)施例中，缸的端部連接器可以通過(guò)使用閥裝置來(lái)代替每個(gè)液壓缸處的海水進(jìn)口被連接在脊柱的兩個(gè)管道之間以提供來(lái)自渦輪機(jī)的回流。液壓系統(tǒng)因而形成封閉的回路，并且可以使用除了海水以外的液壓流體。

在另一實(shí)施例中，在每個(gè)葉片處設(shè)置了各自的發(fā)電機(jī)來(lái)代替液壓系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)例如安裝在其支撐鉸鏈中或連接至其支撐鉸鏈，以用于將動(dòng)態(tài)波能直接轉(zhuǎn)換為電能。

在使用液壓動(dòng)力輸出系統(tǒng)的情況下，渦輪機(jī)可以置于陸上，并且脊柱或其管道中的至少一些管道或另一居間管道延伸到海岸以用于連接至渦輪機(jī)。然而，在波能捕獲結(jié)構(gòu)位于離岸一段較長(zhǎng)路程的情況下，將渦輪機(jī)支撐在靠近波能捕獲結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)單元上，從而將捕獲的電能經(jīng)由海底線纜傳送至海岸，可能更高效和/或更成本節(jié)約。為了防止在連接至浮動(dòng)渦輪機(jī)單元的情況下的管道的過(guò)度加載和/或磨損，脊柱或連接管道被構(gòu)造成例如通過(guò)在靠近渦輪機(jī)單元的管道中設(shè)置能夠適應(yīng)并經(jīng)受任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)線圈或扭結(jié)來(lái)允許單元與脊柱之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

任何這種液壓系統(tǒng)中的壓力通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)管控以使動(dòng)力傳輸最佳化，并且到渦輪機(jī)的流動(dòng)可以借助液壓蓄能器來(lái)管控。

在優(yōu)選實(shí)施例中，脊柱上的相鄰葉片之間的間距為平均波長(zhǎng)λ/n的單位分?jǐn)?shù)，其中，n為大于或等于2的整數(shù)并且λ為頻繁經(jīng)歷且在能量上突出的主波分量的波長(zhǎng)，例如最頻繁出現(xiàn)的波長(zhǎng)或波能能夠通過(guò)有效地捕獲的頻繁出現(xiàn)的最短波長(zhǎng)。這有助于確保n個(gè)相鄰葉片之間的波浪引發(fā)的力和力矩在某種程度上抵消。因而，脊柱內(nèi)的局部力和彎曲力矩通過(guò)避免來(lái)自同相位上加載的相鄰葉片的疊加效應(yīng)被最小化，并且作用在脊柱上的凈力和力矩也整體被最小化。例如，在n＝2的優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)葉片將加載成與其相鄰葉片成大約180°的異相，使得作用在脊柱上的凈力比n＝1的情況下的凈力小得多，且脊柱中的彎曲力矩不應(yīng)超過(guò)作用在單個(gè)葉片上的波浪引發(fā)的力矩。通過(guò)以此方式確保軸向力和彎曲力矩被最小化，系統(tǒng)可以被安全地設(shè)計(jì)成通過(guò)針對(duì)脊柱和葉片的至少主要的結(jié)構(gòu)組件使用諸如塑料或基于聚合物的復(fù)合材料之類(lèi)的相對(duì)廉價(jià)的材料并且通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的低成本系泊系統(tǒng)以將脊柱保持在適當(dāng)位置來(lái)經(jīng)受重大的波浪力。為了實(shí)現(xiàn)該力抵消效應(yīng)，相距最遠(yuǎn)的(例如，在脊柱的任意一端處的)葉片必須分開(kāi)至少λ_max/n并且優(yōu)選地至少λ_max的距離，其中，λ_max為結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成經(jīng)受得起的最大波長(zhǎng)，諸如在部署了葉片的海洋位置處觀察到的最長(zhǎng)波長(zhǎng)或在期望波能轉(zhuǎn)換器維持運(yùn)作的海洋條件下觀察到的最長(zhǎng)波長(zhǎng)，盡管通常優(yōu)選的是葉片陣列明顯長(zhǎng)于該值。

當(dāng)與由諸如不銹鋼之類(lèi)的工程合金形成的典型系統(tǒng)相比時(shí)，大體上為塑料或基于聚合物的復(fù)合材料的脊柱和葉片的構(gòu)造部件可以提供許多優(yōu)點(diǎn)。例如，聚乙烯相對(duì)地廉價(jià)并且容易以標(biāo)準(zhǔn)組件的形式獲得，比如各種直徑的可半彎曲的管道。許多聚合物為惰性并且展示了在海洋環(huán)境下遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)許多工程合金的耐腐蝕性。許多聚合物的韌性和撓性可以通過(guò)彈性地變形而允許其經(jīng)受得起來(lái)自海洋船只的意外沖撞，因而避免了對(duì)波能系統(tǒng)和船只的損壞。比如聚乙烯之類(lèi)的低摩擦聚合物可以被使用在被海水潤(rùn)滑的移動(dòng)部件的軸承中，并且對(duì)密封軸承與移動(dòng)部件或?qū)Νh(huán)境有害的潤(rùn)滑脂沒(méi)有任何要求。

此外，大部分塑料的輕質(zhì)使脊柱和葉片能夠在不需要附加的浮動(dòng)物或支撐物的情況下漂浮。優(yōu)選的，脊柱和葉片為中空的，但即使在某些部件由實(shí)心聚乙烯制成的情況下，脊柱和葉片仍在海水中自然漂浮。因此，脊柱和葉片可以因此被設(shè)計(jì)成提供浮力分配，浮力分配給予結(jié)構(gòu)自動(dòng)扶正能力。和不銹鋼部件不同，如果大塊塑性材料如聚乙烯的情況那樣具有海洋浮力，這些浮力和自動(dòng)扶正能力可以大體上保持，即使在中空部件被刺孔或破裂并吸入水的情況下亦是如此。相反地，這種刺孔和破裂不太可能發(fā)生，由于聚乙烯和許多其它塑料的優(yōu)越的韌性、抗疲勞強(qiáng)度和耐化學(xué)性防止了由許多工程合金在海洋環(huán)境中可能經(jīng)歷的疲勞或點(diǎn)狀腐蝕引起的局部損傷。聚乙烯部件可以由可回收材料廉價(jià)地制造并且可以在使用后回收，從而進(jìn)一步改善了在可再生能源部門(mén)內(nèi)的系統(tǒng)的環(huán)保呼吁。

當(dāng)水深增加時(shí)，波浪的動(dòng)能和勢(shì)能大幅地減小。因此，有利的是，葉片保持靠近水表面(比如與表面接觸或幾乎接觸)并且通常處于小于波浪的平均波長(zhǎng)的一半的深度處。脊柱的撓性允許葉片動(dòng)態(tài)地追蹤表面，從而將每個(gè)葉片維持在最佳深度，即使在有效波高度存在的情況下亦是如此，使得每個(gè)葉片的期望的豎向位置沿著脊柱的長(zhǎng)度顯著地變化。

對(duì)于圖1的裝置，浮力在結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布使得在不需要對(duì)脊柱有任何扭矩限制的情況下，葉片顯著地保持直立。因此，葉片的橫向加載將會(huì)扭彎脊柱而不是使葉片和連接器超載。

例如，葉片可以為正浮力，并且脊柱略微為負(fù)浮力。由于聚乙烯為正浮力材料，可能需要更密致的材料提供負(fù)浮力以將結(jié)構(gòu)保持在水的表面的下方，即使在組件不包含滯留空氣的情況下亦是如此。液壓缸7可以整體地或部分地由聚乙烯或另一聚合物或基于聚合物的復(fù)合材料形成。在圖1的裝置中，相反，液壓缸大體上由不銹鋼形成，并且因此可以設(shè)想的是沿著脊柱適當(dāng)?shù)亻g隔排列的相當(dāng)大型、沉重的液壓缸應(yīng)提供對(duì)將葉片保持在期望的位置和定向所必要的重量分布，期望的位置和定向，即，豎立并且在水的表面的下方或大體上在水的表面的下方。替代性地或附加地，可以沿著脊柱的長(zhǎng)度保證分布的重量以實(shí)現(xiàn)此效果。

例如通過(guò)將加壓空氣泵送到脊柱管道中的一個(gè)或多個(gè)脊柱管道中或者泵送到沿著脊柱安裝的內(nèi)部浮動(dòng)包或外部浮動(dòng)包中，還提供了波能轉(zhuǎn)換器的有效浮力調(diào)節(jié)，使得脊柱結(jié)構(gòu)的浮力發(fā)生變化。為此目的的氣泵可以安裝在陸地上、脊柱上或者如果存在的話安裝在附近的浮動(dòng)渦輪機(jī)單元上。

以此方式的浮力調(diào)節(jié)可以提供許多優(yōu)點(diǎn)?？梢哉{(diào)節(jié)浮力，使得每個(gè)葉片的深度針對(duì)波能捕獲提供最佳的動(dòng)力傳輸。最佳深度可以取決于目前波浪狀況并且因此隨目前波浪狀況改變可以相應(yīng)地被調(diào)節(jié)。脊柱的浮力可以顯著地增加，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)表面促進(jìn)了檢查和維修工作。在洶涌的海中，其中，過(guò)度的波力可以引起對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)，可以將浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)部分地或整體地泄氣或淹沒(méi)以使結(jié)構(gòu)沉到水表面的下方的、波能大大減小的安全操作深度。該生存性特征保持了系統(tǒng)的操作性和維修性，并且還減少了其組件要求的深度和成本?？梢栽O(shè)置漂浮的浮標(biāo)以防止結(jié)構(gòu)沉入太深。

該浮力調(diào)節(jié)可以使用具有空氣壓縮囊袋的壓力控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)并且通過(guò)葉片的液壓操作來(lái)驅(qū)動(dòng)。該浮力調(diào)節(jié)也可以是自發(fā)的，使得脊柱管道內(nèi)的壓力影響系統(tǒng)的浮力，壓力由渦輪機(jī)處的控制系統(tǒng)部分地控制和/或指示目前波動(dòng)力。例如，壓縮囊袋可以安裝在脊柱管道或與管道流體連通的水槽中。減小液壓壓力使囊袋膨脹并且增大了結(jié)構(gòu)的浮力。增大壓力，例如超過(guò)安全工作極限，使包泄氣并且減小了浮力，從而使結(jié)構(gòu)沉到更安全的操作深度。

許多傳統(tǒng)的波能轉(zhuǎn)換器由于其遙遠(yuǎn)的離岸位置而難以安裝和修理。本發(fā)明的進(jìn)一步提高了任意浮力調(diào)節(jié)能力的浮力結(jié)構(gòu)允許浮力結(jié)構(gòu)通過(guò)拖曳便利地運(yùn)輸。因此，設(shè)備可以整體地或部分地在陸地上或靠近海岸組裝并隨后浮動(dòng)至其預(yù)期的離岸位置以用于連接至系泊物，并且可以類(lèi)似地與其系泊物斷開(kāi)并浮動(dòng)至安全位置以用于修理。

由于該結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成在其自身浮力下自支撐，該結(jié)構(gòu)不需要被豎向地支撐。此外，由于葉片間距被選擇為提供脊柱中的力抵消效應(yīng)，到脊柱的合成的軸向力被最小化。撓性的且可旋轉(zhuǎn)的脊柱確保了葉片的橫向加載隨脊柱的扭轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)而非橫向運(yùn)動(dòng)消散。因此，與對(duì)加于傳統(tǒng)的波能系統(tǒng)的系泊物和安裝物上的實(shí)際需求相反，主要地需要系泊物和/或任何其它形式的錨固物或支撐物以防止結(jié)構(gòu)漂流并且維持脊柱與波浪行進(jìn)方向的正確對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于本發(fā)明，對(duì)于系泊物和/或任何其它錨固設(shè)備或支撐設(shè)備的強(qiáng)度要求因此相對(duì)較低，并且為此目的可以使用標(biāo)準(zhǔn)的廉價(jià)組件。

圖1的裝置主要由聚乙烯制造。為了使海洋加載下的局部應(yīng)力最小化，脊柱1由三個(gè)或多個(gè)中密度或高密度的聚乙烯管道3形成。這些管道在鉸鏈?zhǔn)竭B接器5、6處被固定至彼此并且彼此間隔排列，鉸鏈?zhǔn)竭B接器5、6為構(gòu)造成經(jīng)受得起沉重的加載并且以避免較高局部應(yīng)力集中的分布方式在管道與槳葉之間順從地傳輸力的粗短且彈性的聚乙烯塊。鉸鏈?zhǔn)竭B接器塊可以借助過(guò)盈配合(例如，結(jié)合有塊夾緊件或軸向軟管夾緊裝置)被固定至管道。然而，在優(yōu)選的實(shí)施例中，連接器塊緊密地配合而非緊緊地圍繞管道，并且通過(guò)軸向抵接在塑料止動(dòng)件(未示出)上或塑料止動(dòng)件之間被固定在適當(dāng)位置，塑料止動(dòng)件通過(guò)這種夾緊裝置或通過(guò)任何其他適當(dāng)?shù)脑O(shè)備被固定至管道。在管道上使用軸向止動(dòng)件的自由連接件防止或減小對(duì)每個(gè)管道的軸向扭矩的傳輸，同時(shí)將管道和鉸鏈?zhǔn)竭B接器以其它自由度牢固地緊固，并且還可以防止對(duì)管道造成的過(guò)度的摩擦損耗。對(duì)于任何給定的管道剛度和強(qiáng)度，還允許較大的彎曲度并通過(guò)脊柱而不是通過(guò)更牢固地緊固的連接器來(lái)扭轉(zhuǎn)，從而通過(guò)海洋波浪更好地吸收橫向加載并且有浮力地適應(yīng)海洋表面輪廓以實(shí)現(xiàn)一致的脊柱或葉片深度?？偟貋?lái)說(shuō)，可以使用任何適當(dāng)?shù)奶鎿Q緊固設(shè)備，但是連接器和其他結(jié)構(gòu)元件應(yīng)優(yōu)選地為：可釋放地固定至管道，以在對(duì)管道沒(méi)有破壞的情況下促進(jìn)部件的移除和替換；松弛地、可旋轉(zhuǎn)地、和/或順從地固定至管道，以使撓性限制、應(yīng)力集中和脊柱的不必要的加載最小化；對(duì)管道的結(jié)構(gòu)完整性無(wú)損壞；和/或被安裝在管道的連續(xù)長(zhǎng)度上，而不要求管道的連續(xù)部段之間連接或接合。優(yōu)選的是，諸如鉸鏈?zhǔn)竭B接器5、6之類(lèi)的結(jié)構(gòu)元件沒(méi)有焊接至管道，并且脊柱管道不需要斷開(kāi)以便裝配、移除或更換葉片或鉸鏈?zhǔn)竭B接器。

將液壓缸7、槳葉4和相應(yīng)的連接器塊5、6連接至彼此的鉸鏈12中的每一個(gè)和連接器塊與脊柱管道3之間的扭轉(zhuǎn)分離軸承14具有平滑的聚乙烯-聚乙烯軸承界面。這對(duì)耐磨損和通過(guò)海水薄膜潤(rùn)滑有利，從而在不需要滾動(dòng)軸承、潤(rùn)滑劑或密封的軸承盒的情況下提供簡(jiǎn)單、強(qiáng)健且耐磨的軸承界面。優(yōu)選的，水潤(rùn)滑聚乙烯軸承界面被使用在所有滑動(dòng)界面和/或轉(zhuǎn)動(dòng)界面處。

每個(gè)鉸鏈12容納有形成鉸鏈銷(xiāo)16的聚乙烯或涂有聚乙烯的軸。與普通金屬鉸鏈相比，由于鉸鏈所承受的大載荷和聚乙烯軸的相對(duì)高的撓度和相對(duì)低的強(qiáng)度，每個(gè)軸中的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力應(yīng)被最小化以防止過(guò)多的應(yīng)力和磨損。為此，軸的最大跨度例如通過(guò)使用轉(zhuǎn)向節(jié)配件而被最小化。如圖1所示，每個(gè)槳葉的根部處的鉸接式連接器5具有指突狀轉(zhuǎn)向節(jié)鉸鏈裝置以按照鋼琴鉸鏈的方式沿著相同的軸提供多重短跨距。指突狀轉(zhuǎn)向節(jié)鉸鏈12特別有力地經(jīng)受得起扭轉(zhuǎn)加載，因此特別適用于支撐可能經(jīng)歷顯著的扭轉(zhuǎn)載荷的槳葉。當(dāng)與傳統(tǒng)地使用在海洋結(jié)構(gòu)中的鋼軸承在材料和制造成本方面以及在與嚴(yán)酷的海洋環(huán)境兼容的水潤(rùn)滑、耐腐蝕且耐磨損的接頭的壽命方面比較時(shí)，適當(dāng)設(shè)計(jì)的聚乙烯軸和鉸鏈可以提供顯著的成本節(jié)約。此外，和傳統(tǒng)的密封軸承不同，軸可以容易地從鉸鏈釋放并且移除以促進(jìn)葉片或缸的快速安裝、移除或替換。

當(dāng)與金屬合金比較時(shí)，使用聚合物組件的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)聚合物與其他材料接觸時(shí)通常不存在有害的電化效應(yīng)，例如電化腐蝕。因此，盡管對(duì)許多組件而言優(yōu)選聚乙烯，但是聚乙烯可以通常與其他聚合物和基于聚合物的復(fù)合材料組合地使用或被其他聚合物和基于聚合物的復(fù)合材料替換，并且可以在沒(méi)有任何不利的化學(xué)反應(yīng)的情況下與金屬部件接觸地放置。例如，設(shè)想尼龍鉸鏈軸承；以及比如液壓組件和系泊連接器之類(lèi)的某些專(zhuān)門(mén)部件可以必要地或優(yōu)選地由不銹鋼或另一種金屬合金制成。

單獨(dú)的葉片或液壓缸的機(jī)械故障不應(yīng)引起系統(tǒng)失效或中斷其運(yùn)行。因此，缸與脊柱管道之間的連接件設(shè)置有緊靠脊柱放置的止回閥。軟管或其到閥的連接件設(shè)置有失效點(diǎn)，使得閥和脊柱管道在機(jī)械故障或者嚴(yán)重?fù)p壞軟管或缸的情況下保持完整，以在止回閥的下游側(cè)上維持脊柱管道中的流體壓力。閥還使葉片和其液壓缸的安裝、移除和替換能夠在不需要切斷經(jīng)過(guò)脊柱管道的流動(dòng)的情況下執(zhí)行。作為替代性的實(shí)施方式或者附加地，成組的葉片可以與脊柱的相應(yīng)管道相關(guān)聯(lián)，使得如果一個(gè)管道必須不被使用以用于維修或修理，則管道切斷的同時(shí)僅葉片的子組是多余的。作為另一個(gè)替代性的實(shí)施方式或者附加地，每個(gè)液壓缸流體連接至脊柱所采用的閥和軟管的裝置可以包括用于切換脊柱的兩個(gè)或多個(gè)管道之間的流體的流動(dòng)的設(shè)備，使得流動(dòng)可以遠(yuǎn)離待執(zhí)行安裝、維修或修理工作的管道轉(zhuǎn)移，并且因此可以在不中斷每個(gè)葉片的有效運(yùn)行的情況下著手工作。

在圖2所示的第二裝置中，除了葉片2沿著脊柱1成對(duì)地對(duì)稱(chēng)安裝以外，設(shè)置和功能與圖1所示的設(shè)置和功能大體上相同。鉸鏈?zhǔn)竭B接器塊5、6雙側(cè)地支撐接連相對(duì)的成對(duì)的槳葉4和相應(yīng)的槳葉所連接的液壓缸7。因此，如兩倍多的槳葉被部署在管道的給定長(zhǎng)度上以針對(duì)給定的波速提供兩倍的電力。然而，圖2的兩葉片式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：當(dāng)葉片經(jīng)歷平行于脊柱的縱向軸線行進(jìn)的波浪時(shí)，脊柱通過(guò)成對(duì)的葉片對(duì)稱(chēng)地加載，使得到管道的軸向載荷為雙倍并且彎曲力矩被抵消。這意味著，在脊柱保持與波速方向?qū)?zhǔn)的情況下，當(dāng)與圖1的單葉片式裝置相比時(shí)，明顯較小和/或較弱的脊柱可以經(jīng)受得起給定的波浪引發(fā)的操作載荷。除了通過(guò)將葉片間隔小于一半波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的力抵消效應(yīng)以外，該彎曲力矩抵消效應(yīng)因此可以允許波能使用相對(duì)撓性且低成本的組件被成本效益地捕獲。

葉片2位于脊柱的兩側(cè)上并且各自在相應(yīng)的豎向鉸接軸14處固定至鉸鏈?zhǔn)竭B接器塊5以轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)水平路徑。在替代性的裝置中，葉片位于脊柱的上方和下方。在另一實(shí)施例中，支撐在連接器處的葉片的數(shù)目可能大于兩個(gè)。例如，三個(gè)葉片可以繞脊柱以大約120°的角度間隔安裝，從而提供類(lèi)似的彎曲力矩抵消。

圖3所示的第三裝置包括在圓筒形連接器塊16處安裝在脊柱1上的葉片2。除了葉片被鉸接成繞不需要垂直于脊柱軸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以外，該裝置在功能上類(lèi)似于上述的裝置。葉片呈由聚乙烯管道形成的管狀框架20的形式，葉片具有在相應(yīng)的指突狀轉(zhuǎn)向節(jié)鉸鏈12處各自固定至連接器的一對(duì)軸和支撐在軸上的封閉部件，并且葉片包封矩形板18以形成槳葉。如上文所述，槳葉的波浪引發(fā)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)由脊柱的管道3驅(qū)動(dòng)海水穿過(guò)渦輪機(jī)。該裝置意在用于脊柱與波浪軌跡不對(duì)準(zhǔn)的情況。葉片的根部處的鉸鏈在期望的位置附接至連接器，使得鉸鏈軸垂直于預(yù)期的波速。

圖4示出以下構(gòu)型：在該構(gòu)型中，脊柱1的管道3形成封閉回路，使得圖3的葉片2支撐為環(huán)形形式。所有的葉片沿相同的方向?qū)?zhǔn)以捕獲波浪行進(jìn)的主方向上的運(yùn)動(dòng)。海水或另一液壓流體在一個(gè)或兩個(gè)管道中流通并且可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)小型渦輪機(jī)或者可以轉(zhuǎn)移到陸地上或浮動(dòng)渦輪機(jī)單元上。與線性脊柱裝置相比，環(huán)形形式可以提供較強(qiáng)的基礎(chǔ)，從而具有高度穩(wěn)定且相對(duì)堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。圖5示出另一個(gè)構(gòu)型，在該構(gòu)型中，脊柱1形成V形。該裝置提供了意在使由下游葉片上的每個(gè)葉片產(chǎn)生的尾流效應(yīng)最小化的交錯(cuò)葉片陣列，以通過(guò)每個(gè)葉片使能量捕獲最大化和/或減小下游葉片的不利的動(dòng)態(tài)裝載的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6和圖7所示的兩個(gè)裝置在功能上類(lèi)似于圖1的系統(tǒng)。在兩個(gè)裝置中，葉片2制造為由比如聚乙烯管道之類(lèi)的聚合物管形成的管狀框架20，并且一個(gè)或多個(gè)實(shí)心或中空的槳葉22接合至框架以形成槳葉。在圖6中，槳葉通過(guò)管狀框架的中央支桿24被加固。在圖7中，每個(gè)葉片2設(shè)置有兩個(gè)液壓缸7并且所述兩個(gè)液壓缸7被連接至形成脊柱1的兩個(gè)間隔排列的管道3中的每一個(gè)。在該裝置中，每個(gè)葉片2的管狀框架20和橫梁件26及鉸鏈28大體上由標(biāo)準(zhǔn)的、廉價(jià)的聚乙烯管道和管道配件形成，葉片的根部在鉸鏈28處固定至脊柱1的管道3。

如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的是，以上裝置的任何特征可以互換地結(jié)合。僅以示例的方式描述了以上實(shí)施例?？梢栽诓黄x本發(fā)明的如在所附權(quán)利要求中所限定的范圍的情況下進(jìn)行許多變化。