考虑到传统的可燃碳氢燃料资源的有限性和使用这些燃料造成 的有害排放，人们对可持续利用的无污染能源，如波能，风能，潮 汐能，地热能和太阳能进行了大量的研究工作。
在诸如风能和太阳能这些替代能源领域中，在能量转换技术方 面已经取得了显著的进展，但是，迄今为止提出的波能发电系统中 的大部分都未能做到实际上可用和/或经济上可行。
在这方面，已经提出了许多不同类型的波能发电系统，其中大 部分的设计原理是利用波动中固有的垂直运动使发电系统的部件产 生对应的移动。然而，迄今为止所提出的所有系统都有其局限性。
例如，一个这样的系统采用了波动漂浮桨叶，将波动漂浮桨叶 的运动直接或间接转换成电能。但是一般来说，这种漂浮桨叶系统 的能量转换率较低，不能承受不利的天气条件。这就意味着，这样 的系统或是限制在只有中等的和可预测的波动类型的沿海地点使 用，或是在暴雨来临时必须将系统移进适当的保护设施。
其他系统包括那些利用活塞式水泵引导波动的系统，或是引入 大的蓄水池或水库，再利用所储存的水的液体静压力来驱动涡轮发 电机或类似机械。同样，就给定的相关投资成本来说，总的能量转 换率相对较低。
到目前为止，所提出的可供选择的系统中，最有前途的一种是 将波动的垂直运动直接或间接转换成驱动发电机的旋转运动的系 统，本发明也是基于这种系统做出的。在这种系统中，海水的上升 和下落被引入空气压缩室并加以利用。空气压缩室的出口处带有出 口导管或文氏管，空气压缩室中装有风力涡轮机，这种风力涡轮机 可在因波动而形成的周期变换方向的空气流作用下做单方向旋转。
而且，这种新型的波动驱动的空气涡轮机系统的主要缺陷是可 达到的总的能源利用率有限。主要原因首先在于聚集波动能量使波 动幅度最大的装置的限制，其次是涡轮机设计所固有的运转效率。
在第一方面，大部分已有技术的波动聚集装置靠波前的平面反 射和/或通过窄小的开孔引导波前，来增大波动的垂直移动量或波动 幅度。其他波动聚集装置包括各种不同的装置来改变海底的地层结 构，以可控制地干扰波动的传播，以便在预定的位置处使波动幅度 最大。同样，在给定的资金投入水平基础上，这种系统迄今所能达 到的最大波动放大作用也是有限的。
在第二方面，大部分已有技术的涡轮机的设计都是只能在单方 向流动的流体推动下做恒速转动，因此不能在前面所述的波动驱动 应用中流体流动方向不断变换的条件下连续运转。但是，已经设计 出一些适用于这种不断变换流动方向的流体的特殊结构的单方向涡 轮机，最常用的装置是基于一种被称为“井式”涡轮机的结构。
最初的井式涡轮机具有单平面轴流风机的结构，其带有径向延 伸的具有翼型剖面形状的叶片，翼型基本与翼弦线对称，叶片固定 在翼弦线上，叶片的零升力平面垂直于转子轴线。
但是，据了解这些初期的涡轮机常出现失速问题，并经常导致 波能利用装置的停车。这种发生失速的原因在于，这种涡轮机应该 根据预测的空气流的强度来设计，但在各个不同海洋区域时进入涡 轮机腔体的波的尺寸是无法控制的。因此，当较大尺寸的波进入腔 体中时，其动量会造成相应的流过涡轮机叶片的空气流速变得更强。 由于叶片结构上的原因，叶片的转速不能相应地增大以平衡增强的 空气流，空气流对叶片的冲角增大超过失速角度，涡轮机出现失速。
为了解决这个问题，某些新型的已有技术的装置中，将两个单 平面井式涡轮机做有效的串联安装形成双平面涡轮机。尽管这种改 进的系统可以解决失速问题，但其代价是总效率受损失。这是因为， 第一组叶片经常处于失速或停车的状态而未发挥作用，而第二组叶 片以降低的速度和效率运转。其原因在于第一组叶片的失速和空气 流被第一组叶片阻断使总的空气流速降低并变得平缓。
这些已有技术的涡轮机通常要依赖大质量、加速性能差的结构 来保证在所论及的周期变换方向的驱动空气流条件下的平稳连续运 转。
因此，可以理解适用于这类用途的大部分已有技术的涡轮机的 设计通常都是相当复杂，而且在运转条件和/或效率方面有严格的限 制。
本发明的目的是提出一种波能提取系统和/或系统的一个或多个 部件，这个系统可克服或至少改善前面所述的已有技术的一个或多 个缺陷，或至少提供一种有用的替代方案。
发明简述
本发明的第一个方面是提出一种平面波的聚集和放大结构，所 述结构包括由大致直立的挡墙围成的单侧式海堤，平面形状大致为 部分抛物线的两个起始于海堤开口的会聚分支墙构成了挡墙的内侧 形状，其中每个确定分支墙形状的所述的抛物面的对称轴线互相平 行，分支墙在靠近它们的会聚端处连接在一起形成一个共同的顶点， 所述挡墙的取向为可接受在与所述对称轴线大致平行方向上行进的 波前，因此在受到挡墙的反射后，波动可会聚到顶点附近的能量利 用区域，从而将波动的垂直运动放大，顶点位于或靠近所述每个抛 物面焦点处。
可以在共同顶点处利用端墙部分将形状为部分抛物面的会聚的 分支墙连接起来，端墙部分同时还构成空气压缩室的后墙，由后部 向前延伸的前墙确定了压缩室的前部，并在能量利用区域内划分出 一个预定的范围，该前墙部分仅局部延伸到预期的最低波动水平面 之下，水可以从前墙之下流过进入压缩室。
在一种优选形式中，挡墙的设计为在平面剖面上其内侧形状是 单一的抛物线末端部分或近似于抛物线末端部分，在受到挡墙的反 射后，波动可会聚到抛物线单一焦点处或焦点附近区域。
在另一种建设费用较低的形式中，结构的空气压缩室的部分后 墙由现有的海岸线构成，而且海堤只是由两个相对较短的自压缩室 墙延伸的部分抛物面形状的分支墙构成。一般来说，任何抛物面曲 面分支墙长度上的不足都可以通过扩大圈定能量利用区域的空气压 缩室的平面面积来补偿。
海堤的底部最好是平面的海底，即在垂直于抛物线对称轴线的 方向上的深度是恒定的。海底的深度和坡度(如果有的话)可能因 局部地层情况和波浪状况不同而异，也与为提取能量放大波动的方 式有关。基本的目的是优化局部条件使波动放大倍数最大，并且最 好在波动进入利用区域之前不消散。例如，在一个优选形式中，海 底具有朝向利用区域的上升坡度，有利于使海水向着该方向流动。
抛物线的焦距长度最好小于或等于输入波动的波长的1/7，在大 部分情况下焦距长度在5－15米范围内。
本发明的第二个方面是提出一种在不断变换轴向流动方向的流 体流过时可单方向运转的涡轮机，所述涡轮机带有转子，转子包括：
一中心轮毂；
一组与所述轮毂相连接、在径向方向直线延伸的具有翼型剖面 形状的叶片；
每个所述叶片的横断面关于最大凸起高度的直线大致对称，在 径向延伸的长度方向上基本不变；
叶片的大致对称的形状和叶片相对于轮毂的角度有利于在不断 变换轴向流动方向的流体流过时转子的单方向运转。
叶片最好分别与轮毂连接并使所述翼型剖面的弦平面和轮毂轴 线的夹角在0°至90°之间，比如，在0°到45°之间则更好。
前面所述的最大夹角最好是可调节的，而且最好能够与不断变 换流动方向的流体同步换向，以便在两个方向上都获得最佳的流体 冲角。
显然，可以利用许多种方法来改变叶片倾斜角的方向，例如这 些方法包括利用电机带动的伞齿轮机构来驱动安装了叶片的中心套 筒。在另一个变化的形式中，每个叶片都安装在带有偏心驱动臂的 套筒上，偏心驱动臂与可沿转子轴线往复移动的带有螺旋槽的驱动 轴配合工作。
在一种适用于一系列特定条件的优选形式中，最大夹角在+30° 和-30°之间，并可以随着流体的换向而换向。在另一种特别适用于 这里所列举的应用条件的优选形式中，其中的工作流体是气体，如 可以是空气，叶片倾斜角的换向装置通过可检测气流换向点的压力 传感器进行控制。
叶片最好在轮毂上以均匀间隔分布。在某些适用于特定条件的 优选形式中，转子带有4－16个叶片。叶片填充系数的变化范围很 大，通常在0.2－0.8的范围内。比较合适的叶片弦比为18％，较佳 的叶片外形包括合并在一起的两段标准的NACA 65-418翼型前半部 分。
本发明的第三个方面是提出一种海洋波能提取系统，所述系统 包括：
可在确定能量利用区域的预定平面位置处将输入波动的波峰和 波谷之间的垂直位差放大的波动聚集装置；
空气压缩室，其带有设置在所述能量利用区域或与之非常靠近 的基本处于水下的进水口，进水口可引入周期性的波动以排出一定 量的上部空气来产生对应的周期换向的空气流；
所述能量利用区域还带有空气出口，可在所述周期换向的空气 流驱动下做单方向运转的空气驱动涡轮机安装在空气出口中。
涡轮机最好具有对应于本发明第二个方面的结构形式。
波动聚集装置最好包括相应于本发明第一个方面的结构形式的 基本为抛物面的平面波动聚集和放大结构，其中的抛物面的焦点位 于预定的平面位置上。
空气压缩室的结构为从进水口到空气出口是会聚的，可以加速 空气流。在一种优选形式中，压缩室在靠近出口处带有文氏管，空 气驱动涡轮机安装在文氏管的喉部。
在另一种优选形式中，空气压缩室出口和/或壳体和/或涡轮机配 装的定子可以带有导流叶片，以便使流进和/或流出涡轮机的空气流 方向最佳。
附图简述
下面结合附图，仅借助于范例对优选实施例做详细的叙述，附 图包括：
图1为相应于本发明第一方面的波动聚集和放大结构的第一实 施例的平面示意图，其中起始于海堤开口的分支墙是由对称轴平行 且彼此分开一定距离的两段抛物面部分构成；
图2为由计算机完成的相应于本发明第一方面的波动聚集和放 大结构的第二实施例的立体示意图，其中挡墙的形状基本为单一抛 物面的端部部分，图中示出了在能量利用区域中可获得的最大波峰 的位置；
图3为由计算机完成的图2所示结构的立体示意图，图中所示 为在能量利用区域中可获得的最大波谷的位置；
图4为按比例绘制的图2和图3所示的第二实施例的平面波抛 物面波动聚集结构的曲线；
图5为第三实施例的平面波部分抛物面波动聚集和放大结构的 平面示意图；
图6为相应于本发明第二方面的涡轮机转子第一实施例的立体 示意图，其中叶片与中心轮毂的安装夹角为0°；
图7为相应于本发明第二方面的涡轮机转子第二实施例的立体 示意图，其中叶片倾斜角度是可调的并且可以随着流过涡轮机的往 复的空气流动而换向；
图8为图7所示的涡轮机转子的局部视图，示出了一个叶片及 其与轮毂的连接；
图9为图6、图7和图8所示的涡轮机转子叶片的横向剖面图；
图10为改变涡轮机叶片倾斜角度和换向机构的第一实施例的剖 面图；
图11为图10所示机构的局部平面图；
图12为改变涡轮机叶片倾斜角度和换向机构的第二实施例的剖 面图；
图13为图12所示机构的局部平面图；和
图14为相应于本发明第三方面的海洋波能提取系统的第一实施 例的剖面示意图。
本发明的优选实施例
首先参见图1，图中所示为相应于本发明的第一方面的波动聚 集结构的第一实施例，用序号1表示。
结构1包括由大致为直立的海水挡墙3围成的一侧开放的海堤 2。挡墙3的内侧4是凹曲面形，形成了平面形状为部分抛物线的两 个会聚的分支墙5，确定分支墙5形状的抛物线的对称轴线6和7 是平行的。分支墙5在靠近它们的会聚端处连接在一起形成一个共 同的顶点8。挡墙3的取向可使挡墙能够接受在与对称轴线6和7 大致平行方向上传播的波前。
图5所示为图1所示结构的另一种变化形式，由于周围海岸线 的原因或延伸进入海堤的抛物面分支墙的长度太长的原因，使得建 筑海堤挡墙费用太高或由于不可能修建时可以采用这种形式。在这 种形式中，建了两个相对较短的部分抛物面形状的分支墙5作为补 偿措施，分支墙5直接与共同顶点8相连接同时还构成了相联的空 气压缩室(平面图中的序号11)的后墙。
图2、图3和图4所示为一种优选的形式，其结构的形状为具 有单一焦点9的单一抛物线的末端部分或近似于抛物线末端部分。
海洋中的波动蕴含有大量的能量，但是由于这些波动基本是平 面波，波峰的能量是沿着波峰分布开的。本发明第一个方面所提出 的抛物面或部分抛物面形状的波动聚集和放大结构的目的，就是将 这个能量输送或会聚到一个集中的区域，在那里可以更方便地对能 量加以利用。
在使用中，如前面所述，波动聚集结构的取向应能使平面波在 基本平行于对称轴线6和7的方向上冲向抛物面或部分抛物面形状 的挡墙3。波动在冲击到挡墙3的抛物面部分5上之后被反射，向 焦点9或各段抛物面的焦点9和10会聚。在图2、图3和图4所示 的第二优选实施例中，挡墙形状为单一抛物线的一部分，波动以圆 波或极化波的形式向焦点9会聚。在这个位置处，波动的幅度会大 大地被放大，使得这里成为最理想的平面位置，在该位置可设置将 海水位移能量转换为更方便利用的能量形式的适当装置。这里被称 为能量利用区域，如图1中12所示，在图5中这个位置对应于空气 压缩室11的位置。应该理解这个区域的平面尺寸不是固定的，其尺 寸的确定部分取决于该区域内所获得的能量分布。
应该注意到，为了利用前面所述的抛物面或部分抛物面形状的 波动聚集和放大结构的取得最大能量聚集效果，还必须满足一些条 件。
首先，波峰最好应严格平行于抛物面的对称轴线6和7传播。 造成少量能量损失的小的偏差似乎可以容许，但是对称轴线与波动 传播方向之间的角度越大，能量聚集区域就越大，导致系统效率降 低。只要在施工时将波动聚集结构正确取向，这将不是大的问题， 因为波峰在接近海底的结构物时冲角不会有大的改变。
在平面波部分进入抛物线区域后，海底在对称轴线横向方向上 最好是平坦或平面的，以便不扰乱波动方向，海底还有足够深度或 适当的形状以防止由于非线性效应而使波峰增长而在进入利用区域 之前就出现消散现象。初步的研究表明，在一个特定的应用中，除 了最大的击岸波之外，海堤开口处大约6米的深度在大部分情况是 足够的。
如果因输入波动的不连续和不规则而使最初的能量分散，那么 某些能量会从焦点9和10散开。可以选择适当的焦距使波动没有时 间或空间在抛物线区域内出现大的变化，以减小由于这个原因或前 面所述的任何原因造成的能量损失。同样，初步的研究表明，大约 为波长1/7的焦距长度适用于大部分应用场合。由于波长通常都是35 －105米，换算为焦距长度大约在5－15米。
这种波动聚集装置的潜力是很大的，计算机仿真结果表明，对 应于抛物面的开口宽度来说，流入抛物面区域的能量比已有的未聚 焦的一定波长的波动增加24％。换算成波动放大倍数大约为3倍。 迄今所做的试验已经证明，放大倍数2.5很容易实现。
但是，可以理解，在实际当中会有一些损失，不能获得最大理 论能量值。例如，在单一抛物面结构的实际使用中，由于在朝向海 洋方向的开口处有缺口部分，在焦点处会聚成的圆波实际上不是完 整的圆形。在缺口部分的边缘，会有某些绕射能量进入抛物线区域。 还可能有由于靠近抛物面海堤的海岸结构物和不规则的海底形状的 干涉波动反射造成的损失。
下面结合本发明的第二和第三方面以及相关的附图6至14对能 够实现这种能量提取和转化的优选装置做详细叙述。
参见图6，图中所示为相应于本发明第二方面的涡轮机的第一 实施例的转子20，转子可在不断变换轴向流动方向的流体流过时做 单方向运转。
转子20包括带有轴线22的中心轮毂21，具有翼型剖面形状的 叶片23自轴线径向向外直线延伸。
叶片23最好具有图9所示的翼型剖面形状，其一侧基本为平面 表面24，另一侧是大体凸起的表面25。图中序号26为弦线，也可 以代表叶片在纵向方向延伸的弦平面。如图所示，每个叶片的横断 面大致关于叶片断面最大凸起度直线27对称，其在径向延伸的长度 方向上基本为恒定。
在图6所示的第一实施例中，每个叶片的弦平面都是相对于中 心轮毂轴线22呈直线排列或平行的，即夹角为0°。这样，由两个 方向进入涡轮机的空气流相对于转子叶片23具有相同的冲角，导致 转子产生相同的如图示方向的转动。当流体流过时，由于伯努利效 应和叶片平面及凸起表面之间压力差的结果，每个流动方向上作用 在平面叶片表面24上的有效作用力的方向相同，其大小取决于在两 个相反方向上的相对空气流。
尽管这种固定叶片的结构可以满意地用于不同的低速应用场 合，随着转子转速的增加，驱动流体对叶片的冲角就不再是最佳的 了，并对涡轮机的运转效率产生影响。
为了解决这个问题，提出了可改变倾斜角的本发明第二实施例， 如图7和图8所示。在这个实施例中，每个叶片23都是通过中心套 筒28或类似结构与中心轮毂21相连接，通过某种适宜的内部机构 中心套筒可以使叶片转动因而改变叶片的倾斜角。
应该注意到，调节叶片倾斜角的机构最好这样设计：使倾斜角 能够自动地与流过转子的不断变换流动方向的流体同步换向，以便 在两个方向上都获得最佳的冲角。很清楚，如果转子只是在一个方 向按最佳化固定的，当空气流换向时，在大部分情况下，所产生的 不利结果可能会超过图4所示的固定的平行叶片会带来的任何好 处。
图10至图13示出了只是作为范例的两种适用的机构。图10和 11所示为一种简易的机构，利用空心轴29将每个叶片23与处于中 心位置的套筒28相连接，套筒28与转子轮毂21做刚性连接。用来 驱动轴向悬装的传动齿轮31的电动机30也与轮毂21做刚性连接。 传动齿轮31与正齿轮32啮合，正齿轮32带有与之相连的可绕中心 轮毂21自由旋转的环形伞齿轮33。
在叶片23的中心套筒28的空心轴29的端部带有一可与环形伞 齿轮33啮合的小伞齿轮34。每个叶片都设置了同样的装置。这样， 就可以在涡轮机高速旋转时利用上述的齿轮机构改变叶片相对于转 子轴线的倾斜角。
图12和13所示为另外一种结构，叶片23的转动是借助于对角 线上带有开槽的套环35的轴向往复移动来实现的。套环35的开槽 与安装在偏心驱动臂37上的销轴36配合，可使叶片绕中心套筒28 转动。
涡轮机技术领域的一般技术人员可以理解，对于特定条件和每 个拟议中的这类涡轮机应用中的能量值，需要对许多参数进行计算。 这些参数包括叶片的展弦比(弦比)，叶片的弦长，涡轮机的叶片填 充系数(叶片有效长度与轮毂直径的比)，叶片数量，和叶片在空气 流作用下能够旋转的最大角度(即叶片倾斜角)。在一个拟定的适用 于一个特定应用条件的例子中，叶片的弦比为18％，叶片弦长为0.4 米，轮毂直径1.2米，叶片长度0.45米，叶片总数12个以及叶片弦 平面与轮毂轴线最大夹角为30°。较佳的叶片外形包括合并在一起 的两段标准的NACA 65-418翼型前半部分。
下面参见图14，图14是相应于本发明第三方面的海洋波能提 取系统40的第一实施例的剖面示意图。
系统40包括波动聚集装置41，波动聚集装置可在预定的平面 位置处或利用区域12将周期性的输入波动的波峰和波谷之间的垂直 位差放大，图中的线42为利用区域的中心。
空气压缩室43位于或靠近圈定利用区域的平面位置处42。压 缩室带有基本处于水下的进水口44，压缩室的尺寸确定成使得周期 性的波动进入时可将一定量的空气排出，形成对应的周期换向的空 气流。
压缩室最好向着空气出口46会聚，空气驱动涡轮机47设置在 空气出口46处或与之靠近的位置上。
在使用中，输入的波动被聚集，从而将区域42的周期性的输入 波动的波峰和波谷之间的垂直位差放大。这样，往复运动的这部分 或一定体积的水通过进水口44在空气压缩室43内波动，对上部的 空气45有一个类似活塞的作用。例如，在波动向上的行程中，一定 体积的空气45被排向空气出口46，会聚的压缩室壁和管路加大了 排出的空气流的流速。这个加速的空气流被迫通过空气驱动涡轮机， 可利用涡轮机的旋转来驱动发电机或类似机械。随着波动的下落， 空气被向下抽吸进压缩室，再次使涡轮机旋转，涡轮机被设计成可 在不断变换方向的空气流的驱动下单方向运转。
在优选的形式中，系统利用相应于本发明第一个方面的抛物面 波动聚集装置和相应于本发明的第二个方面的单方向运转的涡轮 机。这样，这些机构的优异的性能就可以结合起来，实现高可行性 的波能提取。
但是，如前面所做的预测，可以理解，系统中的每一个部件， 尤其是波动聚集装置和涡轮机都适合用于其他应用中或与本文中未 详细叙述的其他装置组合应用。尤其是，涡轮机可以用于工作介质 为各种流体的许多种无关的应用中。
总之，可以理解，尽管对本发明的各个方面的叙述是结合特定 实施例进行的，本发明的这些方面以及包括这些方面的组合系统都 可以以多种不同形式实施，都属于本发明各个方面的专利范围。