CN120035703A - 可再生能源在用于提高海洋初级生产、碳封存和捕获数据的方法和系统中的用途 - Google Patents

Abstract

一种在对竖向传输装置(VTD)进行操作时利用可再生能量形式的系统和方法，该VTD被操作成通过可控的上升流或下降流将水从水体中第一深度处的第一水区域传输至第二深度处的目标水区域，VTD包括；浮动式上部结构，该上部结构包括计算机、电源、以及操作性互连的一个或更多个数据收集装置；以及水输送用管状件，该管状件具有上端部和下端部，该上端部连接至上部结构，该下端部连接至管道端部部件，该管状件具有可折叠式分段结构，其中，数据传输线缆被结合到部段的织物中，优点包括使目标水域的营养物丰富、便于碳封存、以及使水产养殖生产和鱼类资源增加。

Description

可再生能源在用于提高海洋初级生产、碳封存和捕获数据的 方法和系统中的用途

技术领域

下文的公开内容涉及以可控的方式对在较大水体中形成一区域的有限体积的水的状态进行改变。较大水体可以是海洋、大海、湖泊或水坝的一部分。特别地，本公开涉及一种在水域之间实现高效且环保的水传输以及将所传输的水应用于局部冷却、施肥、增加初级生产和碳封存(sequester)的方法和系统。此外，本公开提供了一种半自动水下航行器/装置，该半自动水下航行器/装置能够根据输入或感测到的参数至少进行航线航行和预定的水传输。

背景技术

海洋上升流是一种自然过程，该过程将营养丰富的水从较冷的深度带到较温暖的海洋表面，从而形成海洋生物进行繁衍所必须的条件。如果没有该过程，则海藻森林和其他海洋生物将面临因缺乏营养和过热而死亡的威胁。然而，相对较暖的水的表面层目前正在加深。在不希望被理论约束的情况下，相对较暖的水层的加深——被认为是由气候变化驱动的——正在阻止或至少显著抑制自然海洋上升流。

自20世纪90年代初以来，低位声学多普勒水流剖面仪(ADCP)一直提供全深度水流剖面，并且建立了对上部季节层以下的深海进行观测的方法。虽然目前不像气流那样容易利用，但对即时可用的水流剖面的需求正在增长，从科学发现和海上钻井到用于碳封存和海洋永续养殖的海洋技术，所有这些都利用和观测对海洋食物链至关重要的深水储存的氧和营养水平。

人工上升流是将海水从深海带至表面的相对较新的技术发展。下降流是使水沿相反的方向传输。为浮游植物、鱼类和其他海洋生物提供食物的营养物是从被称为温跃层的水层输送的。如果没有上升流，则这些营养物将仍无法被依赖于这些营养物的海洋生命形式获取。相反，下降流将溶解的氧带到深海层，在该深海层处，氧被腐烂物质消耗。在某些情况下，需要下降流，从而例如使密度较高的物质下沉至密度较低的区域。

人工上升流或将水从较低海拔传输到较高海拔的最新方法涉及空气提升泵。这些泵是由压缩空气驱动的，可以使用太阳能或风能来产生压缩空气。然而，提高这些泵的提升能量效率仍然是持续的挑战。替代性地，可以采用其他类型的风驱动和波浪驱动的泵来产生人工上升流运动。当前的技术提供刚性泵结构和挠性泵结构。相对于可获得的生产力改进而言，构造刚性结构往往非常昂贵，而软管泵仅用于自由漂移应用，而不是栓系应用。此外，长期来看，环境影响在很大程度上仍是未知的，并且在上述两种设计的目前形式下，上述两种设计均不包括环境缓解策略。用于海洋数据收集的数据浮标和自动水下航行器(AUV)越来越多地被部署成用于研究不同的海洋现象，比如石油泄漏测绘(Kinsey等人，2011)、有害藻华(Das等人，2010)、浮游植物和浮游动物群落(Kalmbach等人，2017)和珊瑚白化(Manderson等人，2017)。这些AUV可以被分为两类：1)螺旋桨驱动式航行器，例如Dorado级，该螺旋桨驱动式航行器可以快速移动并且收集大量传感器观测数据，但作业时间被限于数小时；以及2)最小化致动式航行器，比如漂移器、剖面浮标和滑行器，该最小化致动式航行器移动缓慢，但可以保持作业达数十天至数周。新一代长期自动水下航行器(LRAUV)、即Tethys结合了最小化致动式AUV和螺旋桨驱动式AUV两者的优点(Hobson等人，2012年)。这些LRAUV可以快速移动数百公里，并且可以一次在水中作业数周。然而，跨越数年或甚至数十年的长期数据收集在很大程度上仍是未解决的问题。

人工上升流泵(AUP)是下述装置：该装置重现海洋上升流的自然过程，以恢复竖向海洋环流以及将营养物从温跃层输送至位于较温暖营养层中的生命形式。海洋生物包括但不限于浮游植物、海藻和肌肉类生物(muscle)，海洋生物消耗大气中的碳并结合营养物来生长，从而同时封存海水和沉积物。

典型的AUP包括以下连接的元件：

·浮动件——在变化的天气和波浪状态下保持装置浮力的设备；

·上升流用管状件——用于对水进行容纳并且将水从目标深度输送至海面的管道；

·单向阀，该单向阀通过在AUP随波浪下降时打开并且在AUP随波浪上升时关闭而操作成防止水通过上升流用管状件反向流动；以及

·入口，该入口与管状件的下端部相关联并且对阀进行容置。

AUP可以是锚固的，也可以是自由漂移的。锚固的AUP被固定在一位置中，并且可以用于诸如输送冷水以对珊瑚礁环境进行冷却或为海洋永续养殖场提供营养物等的应用。另一方面，自由漂移的AUP表现得像海洋中的卫星：这些自由漂移的AUP穿越广阔的深海区域，并且被这些自由漂移的AUP部署于其中的水流所约束。自由漂移的AUP被构造成从特定海洋区域的中层(mesopelagic)内的目标深度泵送水，在该中层处发现有促进浮游植物生长所需的营养物。

上升流用管状件及其支撑结构——包括浮动件——被制造成达到总目标深度，迫使水从该总目标深度在人工上升流中向上。

AUP——无论是锚固的还是自由漂移的——的效率都是按照所实现的上升流速率相对于AUP生产成本来测量的。

对于人工上升流装置及其应用的示例，可以参考专利申请公布US2005155922、US2021301800、US2010300560和WO2021/168125A1。

下降流泵以与上升流泵类似的方式进行操作。止回阀不与设备的管状件的底端相关联，而是朝向顶端安装的，从而在管状件下沉且变得被浸没时关闭，并且在顶端露出水面时打开，使得管状件内的水从底端排出。

前述对本公开的背景的讨论旨在便于理解本文所述的解决方案。然而，应当理解的是，该讨论并非承认或认可所提及的材料中的任何材料在本申请的优先权日时是该领域的公知常识的一部分，无论是在澳大利亚还是在世界其他地方都是如此。

此外，除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，用语“包括”、“包含”等应当以“包括但不限于”的包容性含义来解释，而不是以“仅包括该内容但排出其他可能”的排他性或穷尽性含义来解释。

本公开的目的在于至少在一定程度上缓解本领域中的上述缺点中的一些缺点。

目的在于提供一种将通过上升流和/或下降流的水传输与数据捕获相结合的装置。

另一目的在于提供一种上升流或下降流装置，该装置是计算机操作的，并且该装置的操作能够通过陆上指令、传入的感测数据和算法的组合进行编程，所述算法包括但不限于通过人工智能(AI)生成的算法。

另外的目的在于在上升流/下降流装置的操作中利用一种或更多种形式的可再生能源。

发明内容

本文公开了能够进行上升流操作或下降流操作的泵送装置的实施方式：锚固或栓系式的方案以及自由漂移式的方案。在下文的实施方式中，两个方案均可以包括内嵌数据线缆以及远程控制能力。

本公开提出了一种智能且环保的系统，该系统用于利用数据收集和可编程操作控制以在较大水体中的不同高度处的区域之间竖向地输送水。为方便起见，当提及人工引起上升流或下降流的水输送装置以及数据捕获和智能特征时，将使用术语“竖向输送装置”(缩写为VTD)。

下面公开的VTD可以单独地或以与其他VTD配合的方式使用，以形成用于蓝碳封存、鱼类种群补充和近海海洋永续养殖且同时还支持珊瑚礁冷却的可扩展解决方案。

本文中的公开内容利用了VTD，该VTD可以自由漂移，但该VTD的行进方向能够通过作用于该装置的结构特征部上的机载计算机来改变。机载计算机可以响应于由机载数据收集装置、远程指令或算法收集的数据而起作用。机载计算机的响应可以包括以可控的方式实时地对水的上升流速率和下降流速率进行调节、预定操作时段和非操作时段以使环境效益最大化同时使风险最小化、以及帮助排空该VTD的水柱以进行回收过程。

根据第一公开方面，提供了一种竖向传输装置(VTD)，该VTD能够被操作成将水从水体中第一深度处的第一水区域传输到水体中第二深度处的第二水区域，该VTD包括：

a.浮动式上部结构，该上部结构包括计算机、电源、以及操作性互连的一个或更多个数据收集装置，

b.水输送用管状件，该管状件具有上端部和下端部，该上端部连接至上部结构，该下端部连接至管道端部部件，该管状件具有分段式结构，该分段式结构包括中空的、可轴向折叠的多个部段，从而在上部结构与管道端部部件之间建立流体连通，以及

c.管道端部部件具有位于第一端部处的开口以及位于第二端部处的开口，该第一端部连接至管状件的下端部，该第二端部远离管状件，第二端部处的开口比第一端部处的开口宽。

在实施方式中，管道端部部件的第一端部和第二端部通过具有倾斜部分的侧壁连接，该倾斜部分在所述端部的中间的位置处相对于管道端部部件在第二端部处的纵向轴线形成(subtend)在5°至40°的范围内的倾斜角度。

所形成的角度可以在27°至34°的范围内。在一实施方式中，该角度为30°。

在实施方式中，当VTD被栓系时，管道端部部件被构造成是自定向的，以使得第二端部处的较宽开口自动地定向成面向入射水流。管道端部部件可以被栓系至锚固件。

管道端部部件可以限定有弯曲的内部流动通道，以用于在使用时使流体穿过该内部流动通道。

计算机可以被编程为响应于由收集装置收集的数据而使VTD进行自主的操作。

在实施方式中，数据收集装置包括能够对与水状况有关的数据进行收集的传感器。

优选地，计算机被编程为通过对管状件的长度进行调节来使VTD航行。计算机可以替代性地或还可以被编程为通过对管状件的至少一部分的横截面轮廓进行调节来使VTD航行。

在另外的实施方式中，在使用中能够通过计算机发出用于使管状件部段至少部分地折叠的编程指令，而以远程的方式改变管状件的长度。

在实施方式中，VTD能够借助于计算机可操作的方向控制表面来航行，该方向控制表面根据编程指令而在水中或空中部署或定向。

在另外的实施方式中，VTD的管状件部段具有织物壁，并且在制造时数据线缆被结合到该壁中。

此外，根据本公开的方面，VTD包括安装于上部结构的鸟类检测系统和包括喷洒器的清洁设备，鸟类检测系统被构造成：对上部结构上鸟类的存在进行检测，并且响应于上部结构上鸟类的存在而对喷洒器进行致动，以对排泄物进行清洁并促使鸟类远离VTD。

根据本公开的第二方面，提供了一种自由漂移的竖向传输装置(VTD)，该VTD包括：水用管道，该管道用于将水从水体中的第一区域传输至第二区域；可远程控制的阀，该阀以可操作的方式与管道相关联，以对通过管道的水传输速率进行调节；一个或更多个机载数据收集装置；以及机载计算机，该机载计算机被编程为通过借助于阀对在VTD中通过的水的上升流速率和下降流速率进行调节来响应于所述装置收集的数据，从而改变VTD的行进方向。

在实施方式中，管道包括通过连结件连接的两个或更多个部段，连结件被加重，以在使用中保持该连结件上方部段的浸没深度。部段中的至少一些部段可以具有与其相关联的阀。

根据本公开的第三方面，提供了一种海洋碳捕获的方法，该方法包括：

a.提供VTD，该VTD具有浮动式上部结构，该浮动式上部结构对具有可调节长度的上升流用管状件进行支撑；

b.将VTD定位在开放水域中；

c.对VTD进行操作，以捕获和/或接收与水体的生物化学以及水流方向和速度有关的数据；

d.响应于所述数据，识别VTD待被重新定位的目标水域；

e.对管状件的长度进行调节，从而利用当前水流而使VTD行驶至目标区域；以及

f.从该区域引起水的上升流，以改变目标区域中的营养物分布，以及在空气/水界面处捕获大气碳化合物。

在实施方式中，VTD的管状件具有入口端口，喇叭状轮廓的管道端部部件连接至该入口端口，该管道端部部件具有比管状件宽的喇叭状端部。

在本公开的第四方面，提供了一种自航行式竖向输送装置(VTD)，该VTD能够被操作成将水从水体中第一深度处的第一水区域输送至水体中第二深度处的第二水区域，该VTD包括：

a.浮动式上部结构，该上部结构包括以可操作的方式连接以实现VTD的操作的计算机、电源、数据收集装置和电动马达，以及

b.水输送用管状件，该管状件具有上端部和下端部，该上端部连接至上部结构，该下端部连接至管道端部部件，该管状件具有分段式结构，该分段式结构包括中空、可轴向折叠且径向可压缩的多个部段，从而经由管道端部部件而在第一区域与第二区域之间建立流体连通，

其中，计算机被编程为通过对管状件的长度进行调节来使VTD航行，以到达或避开洋流。

在该方面的实施方式中，计算机被编程为通过对管状件的至少一部分的横截面轮廓进行调节来使VTD进行航行。

在本公开的另外方面中，设想了一种利用可再生能源的VTD在为海洋植物施肥、增加鱼类资源、封存碳和捕获相关数据的方法中的用途，其中，VTD包括可浸没的水输送用管状件，该管状件以可操作的方式连接至包括可再生能量捕获装置的上部结构，并且该方法包括以下步骤：

a.将VTD引入水体中，

b.通过来自能量捕获装置的能量来为VTD提供动力，以将水从所述水体中第一深度处的第一水区域传输至水体中第二深度处的第二水区域，

由此使第二区域中的营养物含量增加，从而为第二区域中的初级生产者提供食物，以及促进在所述区域的空气/水界面处捕获大气碳化合物。

VTD的管状件可以包括远端的管道端部部件，该管道端部部件被构造成在水流中自定向并且具有纵向轴线。

在该方面的实施方式中，提供了位于水域中的多个VTD，所述多个VTD由该区域中的传感器进行监测，该传感器将数据传输至远程计算机，该计算机被编程为使用人工智能来对VTD进行管理，该计算机被编程为通过对该区域中的单个VTD的至少一个功能进行调节来对传输至该计算机的数据作出响应，所述功能涉及平衡能量需求、节能、漂移规划和单个VTD配置。

在本公开的另外方面，提供了一种促进海洋生态系统安全的方法，该方法包括以下步骤:

d.以可操作的方式将远程控制的VTD定位在海洋环境中，该VTD包括多个数据收集装置，该数据收集装置被安装VTD上并且被配置成从至少一个外部第三方源接收数据；

e.对由数据收集装置捕获的以及从所述至少一个第三方源接收到的数据进行监测；以及

f.使计算机将智能感测和控制算法应用于数据并且基于参数组合对状态进行检测，并且对这些状态作出响应，以使VTD的操作发生改变。

下文的描述和所附的参考附图是说明性的，并且不应当被解释为限制性的。对许多具体细节进行了描述，以提供对当前公开的实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，没有对公知或常规的细节进行描述，以避免使描述模糊。对本公开中的一个实施方式或一实施方式的引用不一定是对同一实施方式的引用；并且这种引用意味着至少一个实施方式。

附图说明

为了便于理解本发明，参照附图，在附图中示出了优选的实施方式。

因此：

图1是本发明的利用人工上升流的水上园圃(garden)的示意性立体图。

图2以立体图示出了图1的园圃中所使用的上升流泵的更多细节。图2的(a)示出了可选的锚固式泵送装置，而图2的(b)示出了非栓系式装置。图2的(c)示出了图2的(a)和(b)的管道端部部件的轮廓，以展示管道端部部件的构型的原理。

图3是图2的(a)的竖向传输装置的替代性端部部件的锚固式方案的示意性侧视图。

图4以(a)的立体图和侧视图示出了本公开的VTD的端部部件，并且在(b)、(c)和(d)中示出了图1的系统中能够使用的止回阀的多个片状件的实施方式。

图5以立体图和安装的侧视图示出了配备电磁体的4个片状件式的阀，该电磁体用于以远程的方式启用和管理阀状态。

图6是图2的实施方式中的分段式管状件的局部分解立体图。

图7是图2中的浮动式上部结构的俯视立体图。

图8表示图6中所示的连结件的立体图和平面图。

图9示意性地示出了图2的管状件的管道部段的制造过程。

图10以立体图示出了图2的VTD的附接线缆和卷绕器系统的实施方式。(a)中示出了被动系统；(b)中示出了主动系统；并且在(c)中更详细地示出了卷绕器板。

图11是用于在对图1系统进行控制时使用的控制系统的框图。

图12以立体图示出了对VTD的管状件延伸的深度进行调节的过程。

图13是一实施方式的平面示意图，在该实施方式中，VTD的上升流用管状件的轮廓为了航行目的而被改变。

具体实施方式

本说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着就该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施方式中。说明书中各处出现的用语“在一个实施方式中”不一定均是指同一实施方式，也不是与其他实施方式相互排斥的单独或替代性的实施方式。此外，对各种特征进行了描述，一些实施方式可能呈现出这些特征，而其他实施方式没有呈现出这些特征。类似地，对各种要求进行了描述，这些要求可能是针对一些实施方式的要求，而不是针对其他实施方式的要求。

本公开涉及一种数据收集、水调节系统，其中，水在开放水环境中的可区分的第一水区域与第二水区域之间传输，所述开放水环境比如是海洋、大海、湖泊或大型水坝。这些区域可以通过下述各者来进行区分：物理特性，比如温度、密度或水流速度；或化学成分，例如营养物含量和特定营养物的浓度；或不同微生物、例如浮游植物的存在。合适的营养物的存在有助于维持食物链，从而为初级生产者提供必要的食物，使得鱼类资源增加。

该系统被配置成用于对实现水传输的VTD进行选择性计算机化控制。可以通过机载计算机的方式对VTD进行控制，该机载计算机自主地进行操作，以收集数据并基于该数据对VTD的操作进行监测和引导，或者可以通过从位于控制中心处的远程计算机向机载计算机发送操作指令的方式对VTD进行控制。在后一种情况下，指令可以在预定情况下覆盖由机载计算机生成的某些指令。控制中心可以是位于陆地的，或者可以是位于船上或卫星上的。

通过非限制性的说明性示例的方式，水区域可以是海洋中位于相对较深处的第一水层以及位于不同深度处的第二层。水传输可以从第一区域到到第二区域，或者从第二区域到第一区域。因此，本文考虑了下降流以及上升流和侧向水传输。在浮游植物将下沉至较低水位的情况下或者在下降流将有助于重新平衡区域中的营养水平的情况下，可能需要下降流。因此，在本申请文件中，使用术语“竖向传输装置”或VTD，而不是更具限制性的术语“人工上升流泵”或AUP。为了清楚起见，AUP是VTD的一种形式。另一种形式是“人工下降流泵”或ADP。

本发明的采用一组VTD装置来产生聚合上升流效应的实施方式中的水上园圃总体上在图1中用数字10表示。园圃包括具有表面14的水表面层12，其中，例如通过从下层输送冷的、营养丰富的水来为海洋生物提供食物。该层被容纳在较大的水体16中并且具有由方向箭头D表示的深度，该较大的水体16借助于虚线来表示。较大的水体可以是层12能够在其中移动的海、海洋或湖泊，层12的移动取决于VTD 18的位置，VTD 18在本示例中作为人工上升流泵或AUP进行操作，并且在本上下文中将被称为VTD。VTD具有机载数据处理器，该机载数据处理器被编程为对由VTD上的数据收集传感器装置收集的数据以及来自远程控制中心的命令作出响应。

在本实施方式中，VTD作为AUP的操作使层12的状态发生改变，使得该层所占据的区域能够与在侧向上围绕该层的表面层中的水区域区分开一相应的深度D。层12的改变的状态将层12与较大水体16的表面层中的水以及层12正下方的水、即深度大于D处的水区分开。当然，由于扩散导致一定程度的混合，因此在层12与周围水体16之间形成接合部的边界层处存在连续状的态改变。然而，当VTD作为AUP进行操作时，VTD将从层12的下方向上抽吸水，并且将所抽吸的水排出到表面14或排出到表面14附近，该表面14与上方的环境空气接合。

如上所述，表面层12与将该表面层12围绕的表面层相比的区别特征可以包括但不限于温度、密度、诸如营养物的化学成分等。表面层12中的这种水状态的改变有利于促进存在于该层中的或引入该层中的水生物种的健康成长和生长。水生物种可以包括但不限于初级生产者、比如鱼类。可以随上升流水或下降流水输送的化学物质包括但不限于叶绿素a(或称为“叶绿素a(Chl a)”，浮游植物生物量的通用指标)、溶解氧、碳、钙、磷酸盐、硝酸盐、以及影响酸度(以pH值测量)的物质。

将参照图2更详细地讨论用作AUP并具有用于对与诸如上述物种有关的数据进行收集的机载传感器的VTD。该传感器提供连续或离散的输出。

参照图2，图中示出了相同的VTD 18A、18B，(a)中的VTD通过锚固件20和附接链22而被栓系到海底，(b)中的VTD未被栓系并且因此自由地浮动。相似的附图标记表示相似的部件。VTD具有浮动式上部结构24，该浮动式上部结构24被安装至向下悬垂的上升流用管状件26的敞开端部28。

VTD使用可再生能源来对上升流运动或下降流运动进行驱动以及对机载电子设备进行驱动。如前所述，利用波浪来对泵送过程进行驱动，而波浪能、太阳能和/或风能可以被控制成对通信和控制子系统的电子设备进行供能。

再次参照图2，该系统的VTD包括浮动式上部结构24，该浮动式上部结构24具有由一个或更多个浮力单元35组成的浮动组件，该浮力单元35可以选择性地连结在一起以提供现场条件所需的浮力水平。在一个实施方式中，回收材料、比如气罐可以被重新用作浮力装置，回收材料可以是单独使用的或被焊接到更大的浮动结构、比如筏状件。浮力单元被安装在甲板式板40上，使用保持件(stay)42以间隔方式将管状件26安装至甲板式板40，以确保泵出口28(用于AUP)或入口(当用作ADP时)不会受到超过最低限度的阻碍。

在其他实施方式中，浮动组件被制造成提供安装表面和围封件，以承载除太阳能板之外的附加的可再生能源部件、即风能或机械能收集器。还提供的是将海洋安全设备和电子子系统包括在内。举例而言，可以使用具有常规设计的浮标，该浮标具有安装的太阳能板和定制嵌入的电子设备，其中，浮标几何结构被优化成使波浪能转换为上升流运动的转换率最大化。

回到图2的实施方式，双太阳能板44以顶点限定的布置结构被安装在浮动式上部结构24的顶部上。双太阳能板44是以倾斜的方式安装的，其中，相邻的较长边缘在顶点46处相交。顶点布置结构在面板下方提供空间48，以用于对包括电子部件的辅助设备进行容置，并提供适当保护以防恶劣天气。倾斜面板有助于增大太阳角度范围来捕获太阳光线以及有助于分散水和冷凝物。可以实现太阳能板的替代性安装布置结构以优化能量捕获，而不会脱离本公开的范围。

管状件26是下述管道：该管道用于对从输送区域延伸到目标深度的水柱进行容纳以及将水从目标深度输送到输送区域、比如海洋表面。管状件长度可以跨越40m至500m或更大的水深，以从深海输送所需的营养物，从而面临来自不同深度层的不同水流、温度和压力状态，所述不同深度层例如是表面海洋层(0m至50m)、上层海洋层(50m至200m)和中层海洋层(200m至1000m)。相比于中层及以下层的水流，上层中的水流显著更强，并且沿不同的方向移动。在一些实施方式中，管状件可以具有约2m的直径，但在本公开的范围内，管状件可以更宽或更窄。直径不需要是沿整个长度恒定的，并且可以呈喇叭状或渐缩。横截面轮廓不需要是仅圆形的，而是可以是任何可行的几何形状，包括但不限于卵形、矩形、七边形、六边形、八边形。如本说明书中下文所讨论的，横截面轮廓可以是可自动调节的。在栓系式的实施方式中，管状件的基部可以被压载，以保持由入射流引起的管状件曲率。

管状件26在其下部远端端部30处终止于管道端部部件32，该管道端部部件32在两个端部处均是敞开的，所述两个端部中的一个端部是喇叭状的。与喇叭状的较宽端部31相反的较窄端部23连接至管状件。端部23、31通过侧壁29连接。在该实施方式中，端部部件32被示出为呈大致截头式钟状件的形状，其中，侧壁29是连续弯曲的，但端部部件可以采用结构和表面细节不同的类似形式。

端部部件32在一个端部23处具有较窄的开口，而在相反端部31处具有喇叭状的较宽开口。如下文所讨论的，侧壁29不需要是连续弯曲的，但可以具有恒定的斜度，如图2的(c)的示意性轮廓中所示的截头锥形实施方式。壁29的平滑弯曲内表面可以减少流体摩擦，从而提高VTD性能。在其他实施方式中，壁可以包括弯曲部分以及直的、恒定斜度的部分，图3中示出了一示例。

在每个实施方式中，管道端部部件32的较窄的近端端部23被固定到管状件26，该管状件26具有互补的、基本匹配的直径。端部部件32的与管状件下端端部远离的较宽端部31限定入口，该入口用于将水引入到以AUP模式进行操作的VTD的上升流用管状件中。

参照图2的(c)，此处所示的实施方式表明，为了简化，管道端部部件可以减少为两个部分：较窄管道部分25，该较窄管道部分25附接至管状件26的端部；以及喇叭状部分27，该喇叭状部分27终止于端部31处的相对较宽的开口。较窄部分和喇叭状部分的相对纵向尺寸可以改变，如图2的(a)和图2的(b)以及图4的(a)中示出的管道端部部件所示。管道端部部件32的纵向轴线与从部分27中的具有恒定斜率的壁33延伸的线之间形成角度β。

在图4的(a)中，管道端部部件具有弯曲侧壁。在该管道端部部件的实施方式的两个端部的中间的位置处，弯曲壁的至少一部分形成最佳角度β。这在图中右侧的弯曲端部部件的虚线图像中进行了比较说明。然而，这并不适用于图3的管道端部部件的“弯曲”实施方式的情况。

在某种程度上令人吃惊地发现的是，除图3的实施方式之外的实施方式中的角度β优选地应当在5°至40°的范围内，更优选地在27°至34°的范围内。这一发现是大量计算流体动力学建模的结果，所述建模重点关注介于1米与3米之间的波浪高度以及介于6秒与8秒之间的波浪频率。该角度与上升流之间并不是线性相关的，但发现在大多数情况下，对于1.8m的管状件直径，使阻力最小化同时使上升流速率最大化的理想角度最佳为30°±0.5°。

如上所述，在替代性的喇叭状实施方式中，图2中的钟形形状可以用截头锥形和类似的形状及构型来代替。喇叭状敞开端部用作接近其的水的扩口部(spoon)。当VTD被锚固到固定位置时，这将确保相对较大的、喇叭状的扩口部开口将始终面向当前水流。水流将把浮动式上部结构或浮标和管状件带到下游，从而将自动地使开口面向水流。如果风沿与水流相反的方向吹动，则作用在管状件26的较长长度的大横截表面面积上的水流被发现将克服任何作用在表面上部结构上的风。与没有大扩口部的开口相比，底部处的大扩口部开口将把更大量的水向上送入上升流用管状件26。为防止回流而结合在与扩口部开口相邻的管道端部部件中的阀组还增加了在水流最小时的效率并且增加了对装置的波浪(swell)作用，使得该装置以与未锚固的上升流VTD类似的方式起作用。

图3示出了端部部件的替代性实施方式，该端部部件特别地适于栓系或锚固式VTD的情况。端部部件32’是中空的，并且是由焊接在一起的刚性环状件制成的。然而，也可以使用已知技术将端部部件32’模制或铸造为单个件。端部部件32’限定出弯曲的内部管道，如用成列的外部方向箭头B所示的，该外部方向箭头B表示水流入端部部件并向上流动穿过端部部件的方向。端部部件32’在第一敞开端部23处连接到上升流用管状件26的下端部，并且具有远离管状件26的相反的喇叭状端部31。在喇叭状端部31处，端部部件32’连接到线缆系统22’，该线缆系统22’经由转环39和链组件41将端部部件32’栓系至锚固件20’，锚固件20’被示出为支撑在海床21上。

敞开端部或扩口端部不限于具有特定形状。敞开端部或扩口端部可以是圆形、卵形、三角形、矩形、六边形、或具有任意数量的边。敞开端部或扩口端部可以在一个方向上比在另一个方向上向外延伸得更远。例如，如果扩口部用于搁置在海底，则扩口部的用于搁置的侧部与相邻或相对的侧部相比可以被扩展。

由于图3的栓系式VTD的实施方式中所使用的端部部件32’的弯曲，因此每个端部开口具有不同的纵向轴线，即远端敞开端部31的纵向轴线为“X”，并且近端敞开端部23的纵向轴线为“Y”。在该实施方式中，该端部部件被定位成使得：该端部部件在远端端部31处的纵向轴线或者该端部部件在上升流(AUP)模式下使用时的进口端部处的纵向轴线，相对于与管状件连接的近端端部23的纵向轴线，形成范围在约120°至175°的钝角。这直接与图3中标记为“α”的互补锐角有关。这意味着在近端端部23的轴线与管状件26的轴线对准的实施方式中，在入口轴线与管状件纵向轴线相交处形成的角度因此将处于相同范围内。通过提供沿液体流动方向减小的等效横截面的端部部件，入口处的水压增加，从而由于上述扩口部效应而为穿过管状件的水提供增加的流速。

锚固件20’和栓系链组件41以及线缆22有助于进口开口31自定位成朝向用方向箭头C表示的迎面而来的水流。

参照图4，在钟状端部部件32内安装有止回阀(也称为单向阀)34(图2中不可见)，以对通过管状件26的水传输进行调节。阀具有片状件70，该片状件70被安装成关于轴72从打开状态旋转到关闭状态，该轴72延伸穿过钟状件32的较窄端部开口。旋转件不必居中地位于端部部件中，而是可以被安装成抵靠侧壁。在这种情况下，将存在有仅一个旋转轴线，一个或更多个片状件可以被安装在该旋转轴线上。止动件结构以可操作的方式被安装在管道的相邻或相对的侧壁上，以防止一个或更多个片状件摆动成超过阀关闭点且允许水逸出。

阀不必仅能被安装在端部部件32中，而是替代性地可以被安装在管状件内，优选地被安装在下端部30处或被安装在下端部30附近。止回阀具有常规设计，并且如已知的，当管状件内的水柱的重量所施加的压力小于入口件的较宽端部处的水的压力时，止回阀允许水进入管状件26，但当管状件内的水柱压力超过外部压力时，止回阀在管状件内的水柱的重量下关闭。当管状件的浸没深度随园圃10的表面层12中的波浪作用而变化时，压力发生变化。

阀在波浪作用下的打开及关闭有助于进入的水产生上升流运动。与其中入口面积等于出口面积并且等于管状件横截面面积的直壁式阀壳体相比，使用变窄的端部部件使得上升流速率增加。锥形阀壳体的侧部是光滑的，以防止再循环，这种再循环可能会对水的上升流速度产生不利影响。

图3的(b)、图3的(c)和图3的(d)中所示的实施方式中的止回阀34是百叶窗类型，止回阀34包括多个片状件70，类似于百叶窗，该术语借用自百叶窗。片状件的数量可以根据物理因素、比如入口尺寸和相关阻力进行优化。因此，在图4的(b)中，存在有借助于铰接件74而以枢转的方式安装在轴72上的两个片状件70。图4的(c)具有两个铰接件和四个片状件，而图4的(d)具有三个铰接件和六个片状件。借助辅助安装托架76，将阀安装在钟状件32的出口内。托架具有螺钉和铆接孔78，以用于将该托架紧固在件32的口部内。

无论使用图4中所示的哪种变体，都可以通过来自系统控制中心(将在下文讨论)或VTD的机载计算机的命令来对阀进行远程控。在一个实施方式中，命令使得安装在阀壳体内部(即端部部件32或连结件38)以及片状件、铰接件膜和内侧表面上的电磁体动态地通电或断电。这些命令的目的是实现连续地对阀片状件进行动态调节并且将阀片状件锁定在所需的各个位置，即打开、关闭或中间状态。在VTD回收方案中，阀片状件可以被锁定在完全打开的位置，以将水柱中的数吨水从管状件排空并减少提升重量以及设备被提升时的重量。

图4中示出了阀的实施方式，该阀具有四个阀片状件和相关联的电磁体78，并且利用水下磁体实现简单的打开和关闭状态。图4的(a)示出了处于关闭状态的阀。图4的(b)示出了安装在连结件38内的阀。当以与铰接件74相邻的方式安装在阀片状件上的磁体78被通电而被启用时，实现了打开状态，如由图4的(b)中的虚线所示，该虚线示出了阀片状件下部末端的行进路径。当磁体80被启用时，实现了关闭状态，如图4的(a)中所示。

在另外的实施方式中，潜水式线性致动器用于改变阀的可用行程，使得与使用电磁体和简单的双位置、即完全打开或完全关闭的片状件相比，可以更精确地控制装置流量。合适的此类致动器的示例是美国威斯康星州Sun Prairie的2G Engineering的2000系列海底线性致动器和美国纽约州Cutchogue的Ultra Motion的NEMA潜水式线性致动器。在该实施方式中，控制中心或机载计算机可以控制线性致动器的位置(或杆长度)，从而限制阀的行程并且允许动态地对通过管状件26的水传输速率进行调节。

然而，应当理解的是，图2中的AUP可以通过反转管组件26的取向来用作人工下降流泵(ADP)，使得喇叭状管道端部部件32和止回阀34位于浮动组件24的正下方并且连接至浮动组件24，从而使出口端部28位于管状件的最下端。因此，当波浪作用使得钟状件32的较宽端部短暂地上升至水面以上时，已在管状件内的水随管状件一起下沉，管状件内的阀关闭，并且阀上方的顶部空间被排空。当波浪作用使得管状件的顶部部分沉入水面下方时，顶部空间重新充满。当管状件再次随着下一波浪上升时，阀打开，并且顶部空间中的水进入管状件。通过这种方式，表面水被传输至管状件的下端部的深度并且被排出。该作用使较低水平处的水移位，从而在一定程度上形成管状件外部的上升流。

以上示例中所讨论的止回阀随着波浪作用而自动地进行操作。在本发明的范围内还提供可远程控制的阀，该可远程控制的阀由设备的控制系统(仍将在下文中进行描述)根据设备需要用作上升流泵还是下降流泵来进行致动。这种阀的示例是电磁阀，该电磁阀由电能供电，该电能储存在电池中并且通过安装在上部结构上的装置所收集的太阳能、风能或波浪能或其组合来补充。

本公开的优选实施方式中的管状件具有可调节的长度。调节是借助于分段模块化结构实现的，其中，管状件包括通过连接件38顺序互连的部段36，为了易于例示，并未示出所有部段。分段式管状件设计优选于单个不间断长度的管状材料件，这便于系统以适当的方式对海洋表面、上层深度层和中层深度层作出响应。例如，管状件的上部部段可能位于海洋的上50米处，其中，这些上部部段可能遭遇最严重的磨损和伤害。在上部部段的下方，中间部段位于50mm与200mm的深度之间，而下部部段位于200mm以下，每个部段均经受暴露于不同的水流和压力。分段式管状件模块允许根据需要构造源材料单元以适合各种条件，而不是在可能不需要更昂贵材料的区域使用更昂贵的材料。因此，分段使得构造更经济且更易于操纵。模块化结构还便于现场对部段进行更换和维修。

下文将参照图2和图6(部分分解图)对部段和连接件进行描述。分段的方法能够实现超过400m的总管状件长度。各个部段可以具有任何合适的长度，这主要取决于操纵可行性。例如，单个部段可以长达50m，甚至更长。

管状件由弹性弯曲和高延展性但基本不透水的膜制成，该膜承受长时间、连续地暴露于海水。膜优选具有低热传递性，以将管状件的内容物与外部环境热隔离，并且使热损失或热增益最小化。合适的制造材料的示例包括热塑性聚氨酯(TPU)和增塑帆布织物。替代性示例对于本领域技术人员而言将变得清楚。织物管状件在轴向方向上易于折叠，并且优选于刚性材料的管状件，所述刚性材料比如是金属、塑料和复合材料。刚性管状件倾向于被制成比挠性的可折叠管状件短。在某些实施方式中，刚性管状件可以与挠性的可折叠管状件交错布置。管状件可以被设计成使用诸如刚性伸缩的部段的机构、或者口琴(harmonica)或六角手风琴(concertina)式的构型等而以受控的方式进行折叠。

如就图2的实施方式已经提及的，止回阀可以被安装在最终部段或喇叭状端部部件32中。管状件的分段布置在管状件的一部分受损的情况下是有利的。在这种情况下，如果管状件部段壁受到损坏，例如由于鲨鱼撕咬而造成穿孔，则可以将被损坏的部段竖向地折叠，尽管总长度被缩短，但允许恢复VTD的运行。下面将参照图10对折叠进行描述。就被损坏的部段的总长度和位置而言，其对长度的减少可能是微不足道的。通常，鲨鱼撕咬往往在相对靠近水表面处发生。此外，这种模块化还使得能够现场对各个部分进行组装和维护。

然而，在另一实施方式中，分段布置可以用于通过将管状件内部的水柱内的总体积分成更小的体积来降低结构载荷。这是通过设置与每个部段相关联或与选定数量的部段相关联的止回阀来实现的。阀被安装在部段之间的连结件38内，使得每个部段形成具有管状件部段、连结件和止回阀的模块。阀被安装在连结件中，并且当阀被关闭时，阀将其上方的部段与其下方的部段隔离。

参照图8，示出了连结件38，该连结件38位于相邻部段之间，或者作为位于管状件结构中没有末端钟形进口的下端处的配重件。连结件是端部敞开式结构的环状件，该环状件具有中央管道62和呈孔眼64形式的结构附接点，该中央管道62用于提供供水穿过的通道，该结构附接点用于将管状件部段附接至线缆66，如图10中所示。织物部段36的端部部分以袜套的方式被拉过连结件的端部。管状材料件具有环状条带件68，该环状条带件68被紧固至在管状件表面上的凸出部(未示出)。条带件的环状部朝向连结环状件38上的锚固点64延伸，并且通过常规设计的卸扣(shackle，未示出)而被固定至孔眼64，以防止管状件从连结件上滑落。当然，根据水下条件的适用性，可以使用卸扣的替代性紧固件。

连结件可以是由任何适于海洋状态的材料制成的。示例包括(但不限于)合适等级的不锈钢(例如SS316或SS304)和铝。连结件的重量需要有效地将其上方所附接的部段保持在连结件的选定深度处。

分段式管状件通过一组高强度、低拉伸的线缆而被悬置于浮动式上部结构，如图10中所示。线缆对上升流用管状件部段、连结件、阀和入口端部部件32的重量进行承载。线缆将所泵送的水的结构载荷以及相关的扭转和弯曲力传递到浮动式上部结构。线缆连接到浮动式上部结构的下侧。比喻而言，线缆用作VTD的骨架，并且可以被安装在管状材料件的内部或外部。在所示的实施方式中，相对于内部位置方案而言，外部骨架方案具有优势，即更易于维护并且不会在管状件部段内导致附加的内部上升流摩擦。相反，内部结构线缆可以使扭转和缠结最小化。传感器被安置在横过水柱的连结环状件上，其中，在最简单的实施方式中，通过单个部段，在装置的入口和出口处捕获数据。数据通过专用水下线缆进行传输。在一个实施方式中，在管状件制造过程期间，通过缝合将数据线缆结合到管状材料件中，从而为线缆提供保护以及防止扭转、缠结和任何物理损坏。现在参照图9，管状件部段36在(a)中被示出为处于折叠、非操作状态的平坦片材，并且在(b)中被示出为处于操作状态，在该操作状态中，管状件部段36限定出挠性的圆形筒状件。在制造时，将形成部段的挠性织物的片材按尺寸和矩形形状进行切割。相对的纵向边缘43和45被朝向纵向中线47叠置地折叠，从而形成短的交叠部。数据线缆位于交叠边缘部分43、45之间。交叠部足够宽，以对管状材料件进行双重缝合，从而形成长形的定制数据袋，该数据袋沿折叠片材的竖向长度延伸并且对数据线缆进行围封。图9的标注框中示出了突出端部的放大图像。在完成制造过程时，仅线缆端部49从管状材料件片材的相反纵向端部突出，然后在最终组装期间连接并附接至电子子系统。

图10示出了支撑结构的两个实施方式：(a)中的被动实施方式和(b)中的主动实施方式。

在被动实施方式(a)中，一组线缆跨越管状材料件的长度，并且在连结件处附接。该结构仅用于对VTD的重量进行承载、保持大致竖向位置、以及防止泵扭转和弯曲。每个连结环状件38具有用于线缆附接的至少两个锚固点：一个锚固点用于从正上方连结件引出的线缆66n，而另一个锚固点用于引向正下方连结件的线缆66n+1。

从图10的(a)左侧的阴影覆盖图(表示标注细节的位置)中可以看出，单独的线缆将连续的每对连结件附接在一起。因此，连结件38在此用于沿部段链将载荷从一个支撑线缆66n传递至下一支撑线缆(66n+1)。

在图10的(b)的标注中所示的主动实施方式中，单独的线缆或绳索66a、66b经由安装在浮动式上部结构24中的滑轮系统将每个部段连接至浮动式上部结构24。图10的(c)中示出了滑轮系统。滑轮系统包括板70，板70上安装有可旋转的、马达驱动的卷轴72，该卷轴72用于将与部段连结件中的每个部段连结件连接的线缆66收起和放出。这种布置结构提供了用于对这些部段进行收缩或展开的控制。

板70在图2中位于太阳能板44下方的腔48中被安装在浮动件内。滑轮72中的每个滑轮是由专用马达(未示出)驱动的。马达由VTD的机载处理器82进行监测或由远程站通过所述处理器进行监测，并且马达的操作由VTD的机载处理器82进行控制或由远程站通过所述处理器进行控制。通过将线缆卷起或放下，可以对分段式管状件的如可见的在其长度和形状方面的构型进行控制和管理。应当理解的是，可以采用上述卷绕系统的替代方案，而不会偏离本公开及其所附权利要求的范围。

滑轮系统便于对管状件进行收缩，以用于对总长度进行调节、取回目的或者在给定部段发生损坏之后恢复VTD的运行。

沉积的海鸥排泄物是任何海洋固定装置面临的挑战。当排泄物积聚在太阳能板上时尤其令人担忧，这会使太阳能板表面的大部分区域效率降低甚至失效。简单而稳健的解决方案是在浮动式上层结构的顶部上安装尖状件50，如图2和图7(放大视图)中的顶点46处所示。这些尖状件阻止鸟类降落在面板相接的顶点46上。设备还可以包括超声波噪声发射装置，该超声波噪声发射装置发射选定的超声波频率范围内的声音以威慑鸟类生物。

在实施方式中，尖状件与喷洒器系统联接，该喷洒器系统在因存在有鸟52而被致动时发射水喷雾54以阻止鸟降落在上部结构上，并促使任何成功降落的鸟立即飞向空中。喷洒器系统由容置在腔48内的数据处理器进行控制。数据处理器接收来自运动检测器或相机装置56的输入，该运动检测器或相机装置56作为用于将安装在平台甲板40下方的泵(未示出)启用的致动器来起作用。泵将经加压的水输出到喷射器喷嘴58。喷洒器系统不仅进一步提供针对海鸟的着陆威慑，而且还有助于间歇性地对太阳能板的面部和盐渍污垢堆积物进行清洁。喷洒器还可以被编程为在选定的时间间隔内定期致动，而无需考虑是否存在有鸟。

在另一实施方式中，可以部署使用人工智能(AI)算法控制的喷洒器系统。AI对喷洒器输出的定位或方向进行控制，并且被编程为使得系统从过去阻止鸟类降落和排泄物清除的失败和成功中学习。例如，如果喷洒器喷射水，但是通过图像分析的方式仍然在太阳能板44上检测到排泄物，则AI将记录清洁面板或阻止海鸥降落的失败。

另一方面，如果喷嘴58的喷射导致没有可检测到的排泄物，则算法认为这是成功的。合理地，可以预期的是，算法通过学习最终会变得聪明，从而足以在适当的硬件控制和数据反馈的支持下始终“战胜”海鸥。

本文中所公开的以及在图1中示意性地示出的园圃是适于对现场数据进行收集和响应的智能系统。单个VTD对围绕该VTD的附近海洋环境中的状态进行感测和测量，从而通过卫星实现的无线通信将该VTD从传感器60收集的数据发送至控制中心100(参照图11)。传感器60位于管状件部段36的连结件18上以及位于上部结构24上。

控制中心可以位于该区域内或远离该区域。在前一种情况下，控制中心可以位于单个浮动本体上或分布在各个VTD之间。每个VTD均可以具有其自己的自动控制系统，该自动控制系统对测量数据作出响应并产生对相关VTD的操作进行引导的输出。

当使用已知协议将各个VTD和/或这些VTD的协作集群捕获的测量值无线传输至远程控制中心时，控制中心会根据最新的研究技术和发现对这些测量值进行分析。然后，控制中心被配置成：

a.传输一次性手动命令，以比如打开或关闭特定识别的传感器60；

b.开始对单个VTD进行自动调节，比如节能和电池监测；以及

c.通过使用嵌入在AI系统中的算法、例如应用简单的启发法和优化程序来发送复杂的命令。

参照图11，海洋控制系统对图1的VTD 18在其部署环境10内的操作进行管理，以确保高效且环保的上升流以及安全且高效地应用上升流水。海洋控制系统包括控制中心100和泵送装置或VTD 18。

图11的实施方式中的控制中心100是远程计算服务，该远程计算服务包括独立于实际VTD 18——无论是上升流式VTD还是下降流式VTD——操作的计算机，并且该远程计算服务建立有人机界面，从而使人类管理者或操作者能够从远处单独地或以与同一园圃中的其他VTD协作的方式对VTD 18的操作进行管理。可以进行管理的操作包括计算机资源、从环境传感器接收到的遥测消息的分析、最佳控制动作的评估、以及机载电子子系统的能量需求与能源的平衡。控制中心可以向该装置发送消息以及从该装置接收消息，所述信息包括对该装置及其子系统的操作优先级或配置进行设置的命令。

此类子系统中的第一子系统可以包括漂移规划系统102，该漂移规划系统102使用天气、波浪和水流预报来对实现操作目的的预期轨迹进行确定和绘制。这些目的可以与在浮动园圃内的多个VTD中单独识别的VTD相关联，并且确定为实现这些确定的轨迹该装置所必须采取的步骤。

此类子系统中的第二子系统可以是环境监测系统104，该环境监测系统104装载有海洋算法、GPS跟踪和最新的洋流预测。海洋算法是基于最新的同行评审研究的一套与特定阈值、参数组合和比率有关的算法，该海洋算法生成与可能对周围海洋生物或生态系统产生负面影响的当前或预测的水质、生物化学、营养物分布和浓度、某些微生物的存在、或其他海洋状态有关的警报。因此，安全控制机制将被启用以暂时中止泵的操作。这可以通过将阀固定在打开位置或关闭位置一段时间来实现。通过利用已建立的洋流模式和剖面以及被编程到位于VTD 18上的处理器110中的智能感测和控制算法，可以采用控制机制来预测和影响泵的轨迹，以避免碰撞或进入受保护的海洋环境的风险。

控制中心的第三子系统106涉及通信和通信完整性。第三子系统106被编程为：在传输之前以加密的方式对消息进行签名以防止篡改，并且对传入的消息进行验证以确保这些信息源自VTD且未被修改。

VTD 18的机载计算机系统内包含被配置成用于对功能进行调节的子系统，所述功能包括执行控制、电源、数据、流量管理、航信、传感器管理、安全、回收、和通信。

执行控制子系统112是电子和计算子系统，该电子和计算子系统被配置和编程为对该装置内的其他子系统的操作进行协调以实现操作目标。

a.执行控制子系统112接受来自控制中心100的设置操作优先级的命令。然后执行控制子系统112向适当的控制子系统发送命令以执行这些优先级。

b.执行控制子系统112将装置18的操作状态传输至控制中心100。

c.当安全和回收状态需要立即响应时，执行控制子系统112自主地接管对VTD 18的操作优先级的控制。当安全和回收状态不再需要立即行动时，执行控制子系统112返还优先级。

VTD上的通信子系统114是电子和计算子系统，该电子和计算子系统将数据从该装置发送至远程计算设施，特别是(尽管不一定总是)发送至控制中心100。

a.当网络服务允许通信时，通信子系统114向远程指挥中心100发送消息。

b.通信子系统114从远程指挥中心100接收消息并且将接收到的信息路由至VTD18上的适当子系统。

c.通信子系统114在传输之前以加密的方式对消息进行签名，以防止篡改。

d.通信子系统114以加密的方式对接收到的消息进行验证，以确保接收到的消息来自控制中心100。

e.通信子系统114将通信子系统的状态传输至VTD上的执行控制系统112。

VTD 18包括电力子系统116，该电力子系统116对该装置内的能量进行收集、存储、以及对该装置内的能量使用进行管理，以实现操作目标。

a.电力子系统116收集太阳能、风能、波浪能，并且将所收集的太阳能、风能、波浪能储存在本地能量储存系统中。

b.电力子系统116对本地储存系统中的能量可用性进行监测和预测，以形成能量预算。

c.电力子系统116接受确定操作优先级的命令。

d.电力子系统116通过打开和关闭特定的电气子系统来实现操作优先级，以确保这些优先级可以在当前能量预算内实现。例如，当该装置处于回收模式时，不需要流量传感器，并且可以禁用流量传感器以节省电力。然而，在回收模式下，需要光信标和其他信号系统来执行和辅助回收过程，并且所述光信标和其他信号系统必须保持运行。

e.电力子系统116发送消息以将电力子系统和能量储存的状态传输至执行控制系统112和远程控制中心100。

VTD 18还包括数据子系统118。数据子系统118是电子和计算子系统，该电子和计算子系统：对与该装置的物理状态及其周围环境有关的数据进行存储、处理和解释；以及确保该装置内数据的安全性和完整性。

a.数据子系统118接受确定操作优先级或操作参数的命令。例如，数据子系统118可以打开或关闭特定传感器56、60的数据记录。

b.数据子系统118接受设置操作参数的命令。例如，数据子系统118可以增加或减少从不同传感器收集数据的频率。

c.数据子系统118接受确定在传输之前如何在该装置上对数据进行预处理的命令。数据子系统118可以更改数据消息中返回的信息的内容或详细程度。

d.数据子系统118将该数据子系统的状态传输至远程指挥中心。

e.数据子系统118按照配置中规定的间隔从每个传感器收集数据，并将该数据写入本地存储装置。

f.数据子系统118按照配置和操作优先级的指示处理数据，以形成新的数据。

g.数据子系统118将带有处理后的数据或原始数据的消息发送至控制中心100。

VTD 18上包括的另外的子系统是流量管理子系统120。流量管理子系统120是对通过上升流用管状件的水流速率进行监测和控制的电子和计算子系统。

a.流量管理子系统120接受对操作优先级和参数进行确定的命令。

b.流量管理子系统120启用用于阀片状件70的阀控制系统，以增加、减少或阻止通过上升流用管状件的水流量。

c.流量管理子系统120通过数据子系统对流量状态进行监测并且对阀控制进行调节，以实现操作目标。

航行子系统122是电子和计算子系统，该电子和计算子系统通过使用控制表面和修改该装置的形状来影响该装置在海水中的漂移。

a.航行子系统122接受确定操作优先级和参数的命令。

b.航行子系统122部署控制表面来影响该装置在海水中的漂移。

c.航行子系统122启用使上升流用管状件收缩或伸长的装置，以影响该装置在海水中的漂移。

d.航行子系统122启动改变浮动件形状的装置，以影响该装置在海水中的漂移。

传感器子系统124是用于对与该装置及其周围环境的物理状态有关的数据进行收集的电子和计算子系统。传感器子系统124包括经由连结件38而与管状件部段36相关联的传感器60。

传感器子系统124内的传感器包括——但不一定限于——温度传感器(例如Measurement Specialties TSYS01传感器)、压力传感器(例如Keller Series 4LD压力传感器)、倾斜角度传感器、加速度传感器和地理位置定位传感器。这些传感器在本领域中是公知的，并且易于在市场上获得。

安全子系统126是下述电子和计算子系统：该电子和计算子系统对该装置的状态进行监测，以确定该装置是否处于或接近临界状态，所述临界状态可能部分或致命地损害VTD 18的操作和功能，并且该电子和计算子系统采取对策以防止部分或致命地损失操作能力。

如果可以预测到可能导致紧急情况的临界状态，安全子系统126可以通过对阀的打开或管状件长度施加控制来响应，从而改变方向或操作能力来缓解当前状态。如果处理器或人为干预认为是适当的，则安全子系统可以将所有的阀完全打开以减少载荷。

回收子系统128是便于对该装置进行定位以及将该装置从海洋中取出的电子和计算子系统。回收子系统128从执行控制处理器112接收对操作优先级和参数进行确定的命令。回收子系统128可以发出该装置存在的信号，例如一系列短促的声波。

在使用中，来自VTD 18的机载现场电子子系统——该电子子系统结合有一组传感器、诸如传感器60和56——的测量值通过卫星遥测消息130而被传输至远程控制系统100。控制系统使用合适的已知类型的数据云存储设施接收和存储消息，并且执行各种形式的分析，从而发出由人类操作者或由自身使用机器学习技术的系统来确定的可执行注释。可以执行的功能和所发出的命令包括但不限于下述各者：

a.从远程陆上环境通过命令对流量控制阀进行控制和操作，所述命令可以使阀保持永久打开、关闭或部分打开的状态，以对上升流速率进行控制。

b.对围绕所部署的VTD的区域中的附近环境是否有利于海洋生物生长进行评估。这可以通过简单的已知比率来计算，所述比率比如是浮游植物C:N:P吸收比率(146:19:1)或可以被海藻捕获并因此被埋入海洋的较深层中的碳磷比率C:P 117:1。这些和其他已知的营养物比率提供了与下述内容有关的有价值的信息：围绕所部署的VTD的附近环境对于引起浮游植物繁殖或生长以及为海带和其他海洋水产养殖、包括植物施肥而言是否是最适合的。

c.对围绕所部署的VTD的附近环境是否有利于不希望的海洋生物、比如有毒或有害藻华的繁衍进行评估。

d.根据对单个VTD和/或协作网络中一组VTD的时间序列测量值来计算碳封存。该分析可以考虑下述各者：从定位系统、比如被称为全球定位系统或GPS的美国政府空基系统获得的各个VTD地理位置；各个VTD之间的推断距离；以及各个时间点的营养物测量值。

e.对来自区域内部署和移动的VTD网络的测量值进行分析和协调。

f.对VTD的当前累积效应以及预测的生产力输出和环境影响进行监测和报告。

g.分析单个VTD的电子系统的总能耗和分布式能耗。收集历史能耗并预测未来能耗。

h.识别园圃区域中的VTD的操作风险。例如，结构载荷的变化可能表明上升流用管状件可能断裂、部段丢失、阀故障；或测得的上升流速率的变化可能表明管状件破裂或阀故障等。

i.通过采用加速度计来检测碰撞，以确定浮动件或支撑上部结构是否可能与水中或空中的另一浮动物体发生碰撞。

现场和其他更广泛环境以及气候数据的整理、与条件和性能有关的统计数据的生成、以及关键指标的计算限定出计算机管理系统，该计算机管理系统可以灵活地扩展以及更新用于对遥测数据进行分析的一套算法。

自由漂移的VTD绕海洋航行，通常随着这种VTD遇到的水流流动。然而，如果需要控制，例如由于部署的园圃区域中营养物过多或营养物比例不利而禁用VTD的活动，或者由于该装置意外地朝向海洋公园或其他限制区域浮动而禁用VTD的活动，则可从控制中心100启用控制以发送指令，所述指令覆盖从机载计算机112传输的现行命令。例如，控制动作可以包括：

a.使用节能算法或手动超控来确定传感器操作的优先级并且对传感器操作进行控制。这可能包括暂时关闭传感器或降低传感器测量或通信的频率。

b.如果出现不利的环境条件，如有毒藻华，则自动应用控制。控制可以包括暂时禁用一组此类装置中的所有VTD或VTD的子集，以便在恢复上升流之前使营养平衡恢复。

c.通过在选定的深度位置注入盐或气泡来控制水柱的浮力。

d.根据GPS位置和传感器读数，对集群或组内的VTD的目标子集应用控制。这样做可以实现温度和营养物在海洋养殖区域中均匀分布，或有意形成不同的分布区域以进行比较测试。

e.在采用百叶窗类型的阀设计的实施方式中，通过禁用阀片状件中的一些阀片状件来控制水的上升流速度或下降流速度。例如，为了使上升流的速度减半，将关闭对阀壳体中约一半横截面流动面积进行覆盖的阀百叶窗部。替代性地，可以同时对所有阀片状件的打开角度进行调节，以实现相应的等效效果。可以通过在顶部出口环处安装流量管理阀、比如图4中的磁性致动式百叶窗型阀来实现流量控制。就功能而言，管状件顶部控制和管状件底部控制之间没有区别，但管状件底部控制的益处是控制线缆更短，并且设备不必具有额定深度。

f.对于VTD回收过程(例如，在需要维护的情况下)，将流量阀设置为永久打开，以排空水柱中收集的数吨水。在外部状态对VTD的操作和生命周期造成安全问题的情况下，可以应用类似的控制措施。

g.使VTD朝向最近的港口行驶以进行维护，或行驶远离诸如海洋保护区或航道等的限制区域。

h.对浮动式上部结构上的太阳能板进行清洁。

控制动作可以通过使用控制杆来实现。这些可以包括以可操作的方式影响总管状件长度的主动阀和主动管状件部段。用于对阀进行操作的电力通过适于海洋环境的已知类型的线路供给，该线路将阀连接至浮动式上部结构24上的电力供给和储存装置。

主动阀是可以被控制的阀，并且这种控制可以包括下述设置：(1)阀自由地在打开状态与关闭状态之间交替布置；(2)阀被设置为打开状态；(3)阀被设置为关闭状态；以及(4)阀在控制程度更精细的情况下被设置为部分打开。本公开的VTD可以包括位于阀壳体32中和/或位于连结件38内部的一个或更多个主动阀。

当阀处于设置(1)时，VTD会使得相对冷的水从海洋深处向上流，从而影响周围园圃区域的局部温度和营养物含量。当阀被设置为(2)中的打开位置时，泵不允许冷水向上流并且被视为不进行操作，即仅是浮动的、未启用的泵。在设置(3)中，阀被关闭并且保持水柱而不允许吸入新的水。在设置(4)中，泵用软件对流入速率和上升流速率进行控制。

主动阀可以通过由安全子系统(126)、回收子系统(128)和流量子系统(120)中的一者或更多者发出的信号打开或关闭。在一个实施方式中，该装置可以通过为所请求的操作保留和优化电力、以高频率传输其位置并启用闪光信标来作出响应。为了节省能量，传感器中的一些传感器可以被暂时关闭或者可以使其感测频率降低。

主动管状件是指包括一个或更多个如图2、图5和图8中所示类型的主动部段36的VTD，这些部段是下述部段：该部段可以收缩、扩展、降低或升高该部段在海洋中的竖向定位，从而改变部段相对于表面的深度位置，或者以其他方式改变形状。

由于部段36由连结环状件38间隔开，因此当下部环状件通过其线缆66而被向上拉动时，部段壁的延展性或挠性材料通过在被拉动的部段与其正上方的环状件之间聚拢而被轴向地折叠。这使得总上升流用管状件的长度缩短，同时不会显著减小有效横截面流动面积。折叠部段的材料可以以手风琴状的方式折叠起来。

相反，当部段恢复到原始长度时，该过程被称为“扩展”。先前升高的连结环状件降低使得相关部段的折叠壁部分能够向下释放而变直。

这些缩短或延长动作改变了VTD的压力中心，从而改变了VTD与位于不同深度水平处的洋流相互作用的方式。这些动作由电动马达来实现，该电动马达由安装在浮动式上部结构24上的电力供给系统供电，并且该电动马达由机载执行控制模块112自动地进行控制，或者从远程控制中心100或与远程控制中心100一起通过机载执行控制模块112自动地进行控制。马达可以被指示将与选定部段附接的线缆66绞起，从而产生将端部部件32升高到更高吸入水平的效果。当总管状件长度达到预定值时，已知设计的锁定机构(未示出)被启用以防止进一步卷绕或退绕。作为操作示例而言，具有2kW的组合额定功率输出的马达能够在约一小时内使管状件26的总长度从500m减半到250m。理想情况下，该操作应在白天阳光充足的情况下进行。根据可用的能源和紧急程度，操作可以在不太理想的条件下进行。根据当前海洋和阳光条件以及之前记录的数据，机载计算机将对长度减小操作的情况下进行下述哪一者更优进行计算：通过使靠近表面的部段轴向折叠来提升管状件从而将整个结构提升折叠部段的长度：或者通过提升下部部段来提升管状件。

图11对比性地示出了这些绞绕动作，其中，之前遇到的类似部件具有类似编号：在(a)中，VTD 18处于中性状态。VTD是就图10的(b)和(c)中的例示讨论的主动类型。在图12的(b)中，示出了相同的VTD通过放出悬置线缆66而沿黑色箭头方向下降，从而增加了上部结构24与最上方环状件38t之间的距离。

在(c)中，箭头指示将最下方连结件38b提升，使得该最下方连结件38与紧接的最低连结件38b-1抵接。在(d)中，整个结构已被折叠，其中，部段壁36的挠性材料呈向上折叠且抵靠于各个较高的连结环状件的状态。

为了帮助对VTD的行进方向进行控制，浮动式上部结构可以配备有计算机可操作的方向控制表面，例如向外可延伸和可收缩的翼状件或鳍状件，该翼状件或鳍状件可以根据响应于环境数据和人工输入或机器学习产生的输入而由计算机发出的指令来定向。在实施方式中，可收缩鳍状件在步进式马达(未示出)的驱动下从浮力单元35的前端部处的位置竖向地部署(参照图2)。实际上，延伸的翼状件类似于向上延伸的帆的作用，以对风进行利用。在该示例性构型中，分段式管状件26上的液压阻力允许分段式管状件26用作舵，从而保持VTD的方向稳定性。在这种操作模式下，帆上的力用于使该装置以与洋流大致垂直的方式移动，从而帮助改变该装置的轨迹。

在方向位移管理的另一实施方式中，上升流用管状件的挠性部分的宽度在一个方向上被压缩，从而减小了横截面积，并且使上升流用管状件的横截面轮廓从其默认形状、例如圆形改变为更椭圆的轮廓。在图8和图10的实施方式中，这仅适用于管状件26的挠性部分36，而不适用于非挠性连接件38。

因此，为了使管状件横截面轮廓同时沿不止单个部段更均匀地变化，一系列挠性分隔环状件被结合到管状件结构中，从而替代基本非挠性的金属分隔环状件38。这些环状件是以在偏压下可变形的方式设计的，以暂时被挤压来改变上升流用管状件的大致水平的轮廓。当挤压力移除时，偏压使得恢复原始轮廓。

参照图13，用于将VTD连接到上部结构24(未示出)的竖向线缆66a、66b通过链接件84穿过挠性环状件88的中心，形成管状件26的膜是围绕挠性环状件88的中心配装的。线缆从管状件26的外部进入内部，以被容纳在横向定向的管状件90中。这些管状件与已经位于VTD上升流用管状件26内部的水隔离开，以防止水在被允许的位置、比如排出出口和端部部件处的入口之外位置进出管状件。

在实施方式中，密封的管状件通过弹簧加载而被偏置，使得当线缆上没有侧向张力时，环状件处于完全展开状态，如图13的(a)中所示。当通过线缆66b由上部结构24(未示出)上的马达拉动而使侧向线缆张紧时，管状件26沿箭头方向L在侧向上收缩，如图13的(b)中所示。用于引起张紧的电动马达位于浮动式上部结构中，以根据控制计算机112的命令产生所需的线缆张力。

如图13的(b)中所示，横截面面积在一个侧向方向上减小，从而在管状件沿侧向方向行进时，使管状件上的阻力减小。因此，当VTD在风力下操作时(就像VTD通常那样)，由于阻力减小，可以提高可达到的最大速度。

当浮动件35和管状件26对准，使得较大的尺寸(由方向箭头C标记)垂直于洋流方向(由方向箭头O示出)时，出现利用这种构型的示例。在这种取向下，管状件的表面面积的较大部分暴露于洋流，从而增加了该装置沿水流方向的速度。此外，管状件的较短尺寸沿浮动件的方向对准。当浮动件经受风时，管状件阻力减小，并且表面以上的帆力的有效性增加。通过这种方式，该装置沿洋流方向航行，同时根据表面风向向两侧偏离。

通过这些控制，VTD能够驾驭不同海洋深度的洋流，类似于热气球航行的原理。借助于对上升流用管状件的深度和总长度进行控制，VTD能够利用选定深度的洋流沿预定方向移动。因此，本公开的系统利用了主要洋流，比如温盐环流、海洋环流圈和东澳大利亚洋流、以及与潮汐运动和天气模式相关的局部变化。这些主要洋流和局部洋流在不同海洋深度上的变化产生了一系列能够被利用的可行泵轨迹，从而提供了用于在长时间内对泵进行近似控制的机制。

通过利用关于已建立的已知模式和洋流变化和位置的剖面的数据，以及位于VTD上的智能感测和控制算法，可以采用控制机制来预测和影响VTD在自由浮动时的轨迹。通过结合沿VTD管状件的长度部对局部水的实时感测，并且将该实时感测与卫星定位导航能力配对，在远程控制中心的支持下进行操作的机载计算机系统的硬件和软件可以响应于从远程遥测站接收到的轨迹命令而自主地改变管状件及其组成部段的形状和深度。

在另外的实施方式中，本地感测的信息与来自由第三方机构提供的天气预报模型的风和水流预测相结合，以将泵装置保持在目标区域内或向所需位置输送，以便于回收。

航行速度虽然不如常规的自推进式海洋船舶或无人机那样快，但并不完全依赖于洋流，这使得VTD能够乘潮汐驶向最近的理想港口位置，以进行计划的回收。虽然仅特定的轨迹子集将可用于利用这种行进机制，但VTD上的预测算法将确定一系列可实现的位置。因此，可以确定与最低能量需求相关的合适回收目的地。这又会降低从深海收集泵的成本和碳足迹。在控制中心执行的优化算法将预测航行的能量成本，并且开始节能，以为航行做准备。然后，控制系统将使VTD收缩到与最佳航行质量相称的尺寸，并且使相关部段降低到所需洋流将在其流动中运送VTD的深度。

本公开还提供了用于在发生损坏时自我修复VTD的措施，所述损害例如来自海洋生物的撞击或干扰，特别是鲨鱼刺穿部段壁的材料。在这种情况下，VTD流量传感器将记录上升流速率突然降低，并且相关故障解决子程序的软件的执行将得出发生结构损坏的结论。将对损坏的可能位置进行确定，并且通过提升该位置正下方的连结环状件来对有问题的部段进行折叠。当进行提升时，可以从传感器反馈确定部分折叠是否足以覆盖受损区域。如果无法从初始流量监测中确定发生损坏的部段，则可能有必要一次收缩一个部段。如果一个部段的收缩没有使上升流速率变化，则将继续对下一部段进行提升。当部段的收缩过程使得上升流速率恢复时，VTD控制系统将会知道其已成功找到受损部件，并且其余的健康部段将扩展至原始尺寸。如果多个部件受损，则过程是类似的。

替代性地，为了节省能量，查找损坏部分的顺序可以从需要最少能耗的部段进行收缩直至最需要能量的部段。在另一实施方式中，利用A*搜索算法、Dijkstra的最短路径或其他启发式搜索来查找损坏的部段，同时消耗最少的能量供给。

本文中所公开的系统和设备的应用是海洋碳捕获的方法。该方法可以包括：提供上述实施方式中限定类型的VTD，该VTD能够自主地进行操作和航行；将VTD定位在开放水体中，该开放水体可以是发生显著上升流或下降流的海洋、大海或大型湖泊；对VTD进行操作，以捕获与水体有关的数据；以及响应于所捕获的数据，使碳捕获介质、比如富含浮游植物的水上升。当介质到达表面时，介质现在被适当地定位，以捕获于空气/水界面处存在的大气碳化合物。该实施方式提供了环保的解决方案，这是因为该解决方案意味着的是：对数据进行测量；如果表面层处的水的状态没有得到适当改变，则对潜在的环境影响进行评估；以及允许计算机化的VTD自动地对评估结果作出响应以减轻影响，比如通过增加人工上升流的速率来输送所需的生物或其他营养物和化合物，以用于吸收或处理有害的碳化合物、比如二氧化碳，从而将有害的碳化合物从大气中移除。

在阅读本公开后，对于通过本文中所公开的原理而以有益且有利的方式对开放水域进行调节的自动且自主的系统方法和设备的系统和过程而言，本领域技术人员将认识到其他的替代结构和功能设计。因此，虽然已经对特定的实施方式和应用进行了例示和描述，但应当理解的是，所公开的实施方式不限于本文中所公开的精确结构和部件。对于本领域技术人员而言明显的是，可以对本文中所公开的方法和设备的布置结构、操作和细节进行各种修改、改变和变化，而不会脱离所附权利要求中限定的精神和范围。

Claims (37)

1.一种竖向输送装置(VTD)，所述竖向输送装置能够被操作成将水从水体中第一深度处的第一水区域输送至所述水体中第二深度处的第二水区域，所述VTD包括：

a.浮动式上部结构，所述上部结构包括计算机、电源、以及操作性互连的一个或更多个数据收集装置；

b.水输送用管状件，所述管状件具有上端部和下端部，所述上端部被连接至所述上部结构，所述下端部被连接至管道端部部件，所述管状件具有分段式结构，所述分段式结构包括中空、可轴向折叠的多个部段，从而在所述上部结构与所述管道端部部件之间建立流体连通；以及

c.所述管道端部部件具有位于第一端部处的开口以及位于第二端部处的开口，所述第一端部被连接至所述管状件的所述下端部，所述第二端部远离所述管状件，位于所述第二端处的开口比位于所述第一端部处的开口宽。

2.根据权利要求1所述的VTD，其中，所述管道端部部件的所述第一端部和所述第二端部通过具有倾斜部分的侧壁连接，所述倾斜部分在所述端部的中间位置处相对于所述管道端部部件的位于所述第二端部处的纵向轴线形成在5°至40°的范围内的倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的VTD，其中，所形成的角度在27°至34°的范围内。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的VTD，其中，当所述VTD被栓系时，所述管道端部部件被构造成是自定向的，以使得所述第二端处的较宽开口自动定向成面向入射水流。

5.根据权利要求4所述的VTD，其中，所述管道端部部件限定有弯曲的内部流动通道，以用于在使用时使流体穿过所述内部流动通道。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的VTD，其中，所述计算机被编程为响应于由所述收集装置收集的水状态相关的数据而使所述VTD进行自主的操作。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的VTD，所述VTD包括流量调节用阀，所述阀能够通过计算机程序进行操作，以响应于来自所述数据收集装置的数据对通过所述管状件的水传输速率进行调节。

8.根据权利要求7所述的VTD，其中，所述阀具有多个可移动片状件，所述片状件能够响应于计算机发出的命令而单独且动态地从打开状态移动至关闭状态以及移动至中间状态。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的VTD，其中，管状件的长度在使用中是能够通过计算机发出用于使部段至少部分地折叠的编程指令而以远程的方式来改变的。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的VTD，其中，所述管状件在被以可操作的方式部署时具有能够通过侧向压缩而变形的横截面轮廓。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的VTD，其中，所述计算机被编程为通过对所述管状件的长度进行调节来使所述VTD进行航行。

12.根据权利要求11所述的VTD，其中，所述计算机被编程为通过使得对所述管状件的至少一部分的横截面轮廓进行调节来使所述VTD进行航行。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的VTD，所述VTD包括计算机可操作的方向控制表面，所述方向控制表面能够根据编程指令而部署或定向。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的VTD，所述VTD包括位于所述部段内的数据传输线缆。

15.根据权利要求14所述的VTD，其中，所述部段具有织物壁，以及所述线缆被结合到所述壁中。

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的VTD，所述VTD包括安装在上部结构上的鸟类阻止系统以及具有喷洒器的清洁设备，所述鸟类阻止系统被构造成：对所述上部结构上鸟类的存在进行检测，以及响应于鸟类的存在而对所述喷洒器进行致动，以对排泄物进行清洁并且驱逐鸟类。

17.根据权利要求1至15中的任一项所述的VTD，其中，所述电源包括太阳能板，并且所述上部结构包括安装的清洁设备，所述清洁设备包括喷洒器，所述清洁设备被构造成定期将水流引导至所述太阳能板处以进行清洁。

18.一种自由漂移的竖向输送装置(VTD)，包括：水用管道，所述管道用于将水从水体中的第一区域输送至第二区域；可远程控制的阀，所述阀以可操作的方式与所述管道相关联，以用于对通过所述管道的水输送速率进行调节；一个或更多个机载数据收集装置；以及机载计算机，所述机载计算机被编程为：通过借助于所述阀对在所述VTD中通过的水的上升流速率及下降流速率进行调节来响应于所述装置收集的数据，从而改变所述VTD的行进方向。

19.根据权利要求18所述的VTD，其中，所述管道包括通过连结件连接的两个或更多个部段，所述连结件被加重，以在使用中保持所述连结件上方的部段的浸没深度。

20.根据权利要求19所述的VTD，其中，阀与所述部段中的至少一个部段相关联。

21.根据权利要求20所述的VTD，其中，所述阀位于一部段中。

22.根据权利要求18至21中的任一项所述的VTD，所述VTD在所述管状件的第一端部处具有喇叭状管道端部部件，水在所述管状件的所述第一端部处被接收以向相反的排放端部传输，所述喇叭状管道端部部件具有比所述管状件宽的喇叭状端部。

23.一种海洋碳捕获的方法，所述方法包括：

a.提供VTD，所述VTD具有浮动式上部结构，所述上部结构对具有可调节长度的上升流用管状件进行支撑；

b.将所述VTD定位在开放水体中；

c.对所述VTD进行操作，以捕获和/或接收与所述水体的生物化学以及水流方向和速度有关的数据；

d.响应于所述数据，识别所述VTD待被重新定位的目标水域；

e.对所述管状件的长度进行调节，从而利用当前水流而使所述VTD行驶至所述目标区域；以及

f.从所述区域引起水的上升流，以改变所述目标区域中的营养物分布、提高初级生产力、或者在空气/水界面处捕获大气碳化合物。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述VTD的管状件具有入口端部，具有喇叭状轮廓的管道端部部件连接至所述入口端部，所述管道端部部件具有比所述管状件宽的喇叭状端部。

25.一种自航行式竖向输送装置(VTD)，所述VTD能够被操作成将水从水体中第一深度处的第一水区域输送至所述水体中第二深度处的第二水区域，所述VTD包括：

a.浮动式上部结构，所述上部结构包括计算机、电源、数据收集装置和马达，所述计算机、所述电源、所述数据收集装置和所述马达以可操作的方式连接以实现所述VTD的操作；以及

b.水输送用管状件，所述管状件具有上端部和下端部，所述上端部连接至所述上部结构，所述下端部连接至管道端部部件，所述管状件具有分段式结构，所述分段式结构包括中空、可轴向折叠且可径向压缩的多个部段，从而经由所述管道端部部件在所述第一区域与所述第二区域之间建立流体连通；

其中，所述计算机被编程为通过对所述管状件的长度进行调节来使所述VTD进行航行，以到达或避开洋流。

26.根据权利要求25所述的VTD，其中，所述计算机被编程为通过对所述管状件的至少一部分的横截面轮廓进行调节来使所述VTD进行航行。

27.根据权利要求25或26所述的VTD，所述VTD包括喇叭状管道端部部件，所述管道端部部件具有：纵向轴线；相对较窄的端部，所述相对较窄的端部在所述管状件的用作水入口端部的端部处连接至所述管状件；以及相对较宽的喇叭状端部，所述喇叭状端部远离所述管状件。

28.根据权利要求27所述的VTD，其中，所述管道端部部件的第一端部和第二端部通过侧壁连接，所述侧壁具有倾斜部分，所述倾斜部分在所述端部的中间的位置处相对于所述纵向轴线形成在5°至40°的范围内的倾斜角度。

29.根据权利要求28所述的VTD，其中，所形成的角度在27°至34°的范围内。

30.一种利用可再生能源的VTD在为海洋植物施肥、增加鱼类资源、封存碳和捕获相关数据的方法中的用途，其中，所述VTD包括可浸没的水输送用管状件，所述管状件以可操作的方式连接至上部结构，所述上部结构包括可再生能量捕获装置，并且所述方法包括以下步骤：

a.将所述VTD引入到水体中；

b.使用来自所述能量捕获装置的能量为所述VTD提供动力，以将水从所述水体中第一深度处的第一水区域传输至所述水体中第二深度处的第二水区域；

由此使所述第二区域中的营养物含量增加，从而为所述第二区域中的初级生产者提供食物，以及促进在所述区域的空气/水界面处捕获大气碳化合物。

31.根据权利要求30所述的用途，其中，所述VTD的管状件包括远端的管道端部部件，所述管道端部部件被构造成在水流中自定向并且具有纵向轴线。

32.根据权利要求31所述的用途，其中，远端的所述管道端部部件具有远端喇叭状端部以及宽度与所述管状件相对应的相反端部，所述喇叭状端部与所述管状件相比是相对较宽的，所述喇叭状端部和所述相反端部通过侧壁连接，所述侧壁具有倾斜部分，所述倾斜部分在所述端部的中间的位置处相对于所述纵向轴线形成在5°至40°的范围内的倾斜角度。

33.根据权利要求32所述的用途，其中，所述管道端部部件的所述喇叭状端部处的开口具有与所述管状件的纵向轴线的取向不同的纵向轴线。

34.根据权利要求33所述的用途，其中，所述方法包括将锚固件附接至所述管道的远端端部，以用于将所述喇叭状端部定向到入射流中。

35.根据权利要求30至34中的任一项所述的用途，位于水域中的多个VTD由所述区域内的传感器进行监测，所述传感器将数据传输至远程计算机，所述计算机被编程为使用人工智能对所述VTD进行管理，所述计算机被编程为通过对所述区域中的单个VTD的至少一个功能进行调节来对传输至所述计算机的数据作出响应，所述功能涉及平衡能量需求、节能、漂移规划、以及单个VTD配置。

36.一种促进海洋生态系统安全的方法，所述方法包括以下步骤：

a.以可操作的方式将远程控制的VTD定位在海洋环境中，所述VTD包括多个数据收集装置，所述数据收集装置被安装在所述VTD上并且被配置成从至少一个外部第三方源接收数据；

b.对由所述数据收集装置捕获的以及从所述至少一个第三方源接收到的数据进行监测；以及

c.使所述计算机将智能感测和控制算法应用于所述数据并且根据参数组合对状态进行检测，以及对所述状态作出响应，以使所述VTD的操作发生改变。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，改变所述VTD的操作包括：使所述VTD自动地改变所述VTD的轨迹，或者使所述VTD暂停操作以等待可能的重新启用。