CN102506005B - 一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置和方法。包括：一个浮子，浮子与锚固点之间连接的是一个带有液压缸的伸缩杆，液压缸的上下两个液压腔的液压进出口分别与上液压调节阀、下液压调节阀管路连接，上液压调节阀、下液压调节阀与桥型整流阀管路连接，桥型整流阀与液压马达管路连接，液压马达与发电机轴连接，伸缩杆上还设置有与液压缸同步伸缩的气缸，气缸带有气室，气缸与气室之间设有气阀。液压缸上设置有位移传感器，位移传感器与控制器电连接，控制器与气阀电连接。本发明采用的与液压缸同步的气缸和气室，将阻尼功能从液压系统中分离出来。同时利用气缸和气室在一定范围内调节震动系统的刚性，产生参数共振。

Description

一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置和方法，是一种利用波浪能的波力发电装置和方法，是一种集液压、机械、电子结合的发电装置和方法。

背景技术

一种传统的浮子-液压波能发电系统，通常设置一个锚固在水底的浮子。浮子与锚固点之间连接的是一个带有液压缸的伸缩杆。浮子随波浪上下、前后、左右的移动捕捉波浪能，致使伸缩杆不断的伸缩。伸缩杆中的液压缸将伸缩杆的动能转换为往复的液压能量输出，通过桥型整流阀转换为单向液压流，推动液压马达产生旋转的机械能，带动发电机产生电能。这种浮子-液压波能发电系统是现今可以找到效率最高的波能发电系统，其波能捕获效率达到30%。在实海况中，由于波长、波高、频率和波向都随时间变化，这大大影响了波能发电装置的波能转化效率。为此，需通过设置控制系统来提高装置适应波浪的能力，其目的是通过自适应控制系统来保证装置具有较高的波能转化效率。但复杂的控制策略、实时检测系统，以及控制设备，对装置的设计、成本、耐久性和可靠性都提出了更高的要求。造成这一困境的原因之一是由于现有的浮子-液压波能发电系统的液压系统，承担了两项任务：其一是输出能量，其二是产生一定的阻尼，使浮子系统的固有频率接近波浪的频率，产生最大的谐振，以此最大限度的捕获波浪能。液压系统要同时完成这两项任务，使系统的控制策略变得异常的复杂。现有的多数浮子-液压波浪能发电系统，均在控制策略上寻找突破，并取得了一些良好的进展，但尚无明显的改进。如何进一步提高浮子-液压波浪能发电系统捕捉波浪能的效率，是需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置和方法。所述的装置和方法将液压系统承担的阻尼任务分离出来，由单独的气压室，并使用参数共振的方式，扩大系统的谐振频率，有效的提高了浮子-液压波能发电系统的效率。

本发明的目的是这样实现的：一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置，包括：一个锚固的漂浮在水面的浮子，所述的浮子与锚固点之间连接的是一个带有液压缸的伸缩杆，所述的液压缸的上下两个液压腔的液压进出口分别与上液压调节阀、下液压调节阀管路连接，所述的上液压调节阀、下液压调节阀与桥型整流阀管路连接，所述的桥型整流阀与液压马达管路连接，所述的液压马达与发电机轴连接，所述的伸缩杆上还设置有与液压缸同步伸缩的气缸，所述的气缸带有气室，所述的气缸与气室之间设有气阀；所述的液压缸上设置有位移传感器，所述的位移传感器与控制器电连接，所述的控制器与气阀电连接。

一种使用上述装置的一种基于参数共振的浮子-液压波能发电方法，包括以下步骤：

利用参数共振捕获波浪能的步骤：用于通过浮子在波浪中的上下、左右、前后的浮动，控制空气阀的周期性开关，实现浮子的参数共振，高效捕捉波浪能，并将其转化为动能；

动能转换为液压能的步骤：用于通过上液压调节阀和下液压调节阀的操作，使液压缸的伸缩与浮子振荡相适应，最大化地吸收动能，并将其转化为液压能；

将液压能转换为电能的步骤：用于通过建立不同液压系统压力情况下，发电机转速与发电功率之间的对应曲线关系，动态调整发电机的负载，优化液压能转化为电能的效率，最大化的将液压能转换为电能。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的与液压缸同步的气缸和气室，将阻尼功能从液压系统中分离出来。同时利用气缸和气室在一定范围内调节震动系统的刚性，产生参数共振。利用增加的气缸和气室可以有效的提高捕获波浪能的效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一、二所述装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例三所述装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置，如图1、2所述。本实施例包括：一个锚固7的漂浮在水面1的浮子2，所述的浮子与锚固点之间连接的是一个带有液压缸的伸缩杆17，所述的液压缸的上下两个液压腔13、15的液压进出口分别与上液压调节阀14、下液压调节阀16管路连接，所述的上液压调节阀、下液压调节阀与桥型整流阀6管路连接，所述的桥型整流阀与液压马达4管路连接，所述的液压马达与发电机5轴连接，所述的伸缩杆上还设置有与液压缸同步伸缩的气缸9，所述的气缸带有气室10，所述的气缸与气室之间设有气阀；所述的液压缸上设置有位移传感器12，所述的位移传感器与控制器3电连接，所述的控制器与气阀电连接。

本实施例是在传统的浮子-液压波能发电系统的基础上增加了一个与液压缸同步的气缸和与气缸相配合的气室。本实施例的基本思路是利用气缸在与液压缸同步往复运动的时候控制气缸与气室之间的空气流动，干扰液压缸的固有震荡频率，使整个系统的固有频率与随机形成的波浪的频率相适应，产生谐振，以最大效能的捕获波浪中的能量。

根据参数共振原理，在波能捕获环节上，通过设置气室的方式，周期性地改变系统的刚度，使得浮子产生参数共振，不但增加了波能捕获的效率，而且可以适应波浪频率和振幅的变化，增大了系统适应来流条件的能力，增大了系统的带宽。在气缸和气室之间的空气调整是关键。本实施例所述的气缸可以是单腔气缸，也可以是双腔气缸。如果是双腔气缸，可以在上下腔的进出口进安装气阀，也可以仅在上进出口，或下进出口安装气阀。只是控制的过程略有不同。

采用液压系统进行波能的转换和蓄能，根据振动理论，通过调节上液压调节阀和下液压调节阀，实现能量转换效率的最大化。通过研究建立液压马达和发电机转速与发电功率最大功率点之间的对应关系，通过调整发电机负载，达到优化发电功率的目的。为此，本实施例可以在桥型整流阀与液压马达之间的进油管路上设置压力传感器，检测进油管路的压力，并以此为依据调整上液压调节阀和下液压调节阀实现能量转换的效率的最大化，并实现优化发电功率的目的。本实施例减弱了波能捕获环节、能量转换环节和发电环节的耦合，能够达到无功控制情况下的系统能量捕获效率，但是控制系统简单化，易于实现。

本实施例所述装置能够实现系统参数共振，较常规共振具有更大的带宽，能够适应波浪频率和振幅随机变化的情况。参数共振的振幅与系统的频率成指数关系，较成线性关系的常规共振的振幅大得多，所以，参数共振提高了浮子的振荡幅值，加大波浪能的捕获效率。本实施例由于实现了波能捕获环节和能量转换环节的部分解耦，不但使得控制系统的设计简单化，而且容易实现。本实施例系统鲁棒性好，当遭遇极端灾害天气时，设备可以完全潜入水中，抗台风等自然灾害的侵袭。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于气缸的细化。本实施例所述的气缸的为双腔气缸，所述双腔气缸的上腔空气进出口设有上气阀11，下腔空气进出口设有下气阀8（如图1所示），所述的上气阀和下气阀分别与控制器电连接。

本实施例利用气缸中上、下两个气阀的开关过程，周期性地改变系统的刚度系数，结合整个系统的控制方程，使得系统在入射波参数变化范围内能够产生参数共振，不但增大系统振荡的振幅，而且可以增强系统对波浪激励频率变化的适应能力，在很宽的带宽内均可以达到参数共振的目的。根据这一原理，应用本实施例所述装置，并设计一种液压调节阀的控制算法。在一个波浪周期内，首先确定浮子的运动轨迹，通过对液压系统阻尼力做功的优化计算，确定液压调节阀所需要达到的阻尼系数值，通过对调节阀开度的控制来达到最大限度地转换能量的目的。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于控制器的细化，如图2所示。本实施例所述的控制器与压力传感器18电连接，所述压力传感器设置在所述的桥型整流阀与液压马达之间的进油管路上。

本实施例所述压力传感器检测进油管的压力。检测这个压力的作用主要用于作为调整上、下液压调节阀的依据。调整上、下液压调节阀实现液压系统与浮子振荡行为相适应，最大化地吸收振荡浮子所产生的动能，并将其转化为液压能。同时通过液压系统动态的调整发电机的负载，优化液压能转化为电能的效率。

本实施例所述的液压系统，通过控制液压调节阀的控制算法，能够保证阻尼力做功的最大化，而以往的控制算法，由液压调节阀控制波能捕获环节和能量转换环节的整体优化，需要预先知道以后的波浪的运动参数，然后才能调节液压控制阀，这在实际运行中是不可能的，在控制上是非因果关系，即先有结果，后有原因，很难达到阻尼力做功的最大化，而且算法实现起来也很复杂。

实施例四：

本实施例是一种使用上述实施例所述装置的一种基于参数共振的浮子-液压波能发电方法，包括以下步骤：

利用参数共振捕获波浪能的步骤：用于通过浮子在波浪中的上下、左右、前后的浮动，控制空气阀的周期性开关，实现浮子的参数共振，高效捕捉波浪能，并将其转化为动能。

动能转换为液压能的步骤：用于通过上液压调节阀和下液压调节阀的操作，使液压缸的伸缩与浮子振荡相适应，最大化地吸收动能，并将其转化为液压能。

将液压能转换为电能的步骤：用于通过建立不同液压系统压力情况下，发电机转速与发电功率之间的对应曲线关系，动态调整发电机的负载，优化液压能转化为电能的效率，最大化的将液压能转换为电能。

为了克服现有的波浪发电装置能量捕获效率低和抗灾害能力差的缺点，本实施例基于浮子-液压系统这种波能利用模式，在浮子振荡这一波能捕获环节上，通过设计互相连通的气室和位于气室间的气阀（见图1），通过波浪运行周期相关地、周期性地开关气阀来改变系统控制方程的刚度，使得系统符合参数共振的条件。本实施例与常规共振比较，在波能捕获效率上要高出大约一倍，而且在波浪频率和幅值大幅度变化的情况下，仍能够实现参数共振，也就是系统波能的捕获效率不会因波浪条件的变化而降低，这在以前的研究中是很难实现的。另外，参数共振的振幅大小主要取决于系统自身的设计，与外部波浪激励的关系不大，因此，在外部波浪较大时，浮子振荡的幅值增加也不明显，如此可以抵御外部灾害的侵袭。同时，本实施例实现了波能捕获环节与能量转换环节的部分解耦，也就是波能捕获环节主要由参数共振来实现，而能量转换为液压能的环节通过液压系统中的液压调节阀来实现，浮子的集中参数控制方程是单自由度系统的振动微分方程，液压系统吸收能量的最大化是阻尼力做功的最大化，所以能量转换环节的功率最大化由液压调节阀的控制算法来实现。这样就减低了控制系统算法实现的难度。

本实施例使用的液压系统，同样为了控制算法实施的方便，将上一个周期内的浮子振荡轨迹作为本周期内液压系统阻尼力做功最大化的参考，这样阻尼力做功最大化只是简单的一个变化的函数，即是液压系统中阻尼的函数，在考虑液压系统阻尼变化约束的同时，很容易实现系统的优化，即实现了能量转换环节的最大化。

就液压能量转化为电能的系统来说，检测液压系统中的压力，在已知压力的情况下，仿真给出发电机转速和发电功率的对应关系，根据这些曲线组，通过调整发电机的负载，改变发电机的转速，实现发电功率的最大化。通过建立发电机转速和系统发电功率之间的对应关系曲线（研究表明是二次曲线），运用电子电力技术动态地改变发电机的负载，来实现发电功率的最大化。

通过以上三种措施，极大地提高了波浪能的捕获效率，也增强了装置抗灾害打击的能力。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例关于参数共振捕获波浪能的步骤的细化。本实施例所述的利用参数共振捕获波浪能的步骤描述的是一个浪涌周期，即从浪涌的中间点到浪涌的最高点，再经过浪涌的中间点，进入浪涌的最低点，再回到浪涌的中间点这样一个周期。所述步骤的子步骤如下：

浪涌从零点开始上升，水位传感器将水位信号传至控制器，控制器根据上一个浪涌周期的中间点水位，确认本次浪涌周期已经过中间点水位，并确认上气阀和下气阀均打开。

当浪涌达到上一个浪涌周期的最高点是，关闭上气阀，水位传感器记录下本次浪涌的最高点。

浪涌下落，当水位传感器显示浪涌达到上一个浪涌周期的中间点时，控制器打开上气阀，并确认下气阀也打开。

浪涌下落至上一个浪涌周期的最低点时，控制器打开下气阀，控制器根据水位传感器记录本次浪涌的水位最低点，并与本次浪涌的最高点进行比较，计算出本次浪涌的中间点。

浪涌升高至已计算得到的中间点，打开下气阀，回到第一个子步骤，开始又一个浪涌周期。 

浮子在波浪的作用下产生的振动是受迫振动，可以简化为简谐激振，简谐激振的解是系统中质量、刚度和阻尼等几个参数的函数，当这几个参数周期性变化时，外部激励的一个小的变化将使振动幅值随着时间指数性地增长，这种现象称为参数共振。

参数共振与常规共振大不相同。差别有两点：1. 常规共振仅当激振频率与自振频率相等时才发生，而参数共振并不需要外部激励变化频率与自振频率重合，因而它可以在很宽的外部激振频率范围内产生。 2. 参数共振的振幅与频率成指数关系，而常规共振的振幅与频率成线性关系，所以参数共振的振幅要比常规共振大得多，所以产生参数共振的波能捕获装置的能量转化效率要比一般共振大得多。本实施例所述方法利用参数共振加大波能的捕获效率，将波能捕获环节和波能转换环节解耦，将优化的重点放在波能转化环节上，即实现液压系统的能量转换的最大化，降低了优化算法实现的难度，同样能够达到无功控制的转换效率。

浮子在外部波浪激励下，会做近似简谐振动的上下振荡，本实施例采用上一个周期的浮子振荡轨迹作为下一个周期气阀操作的根据，即根据上一个周期的浮子运动轨迹，通过运算给出本周期内气阀的操作过程，设上一个周期内浮子的最高点为a，上一个周期内浮子的最低点为b，则其中点位置为c=(b+a)/2，那么，本浮子运动周期内，气阀的动作过程为：当浮子向上运动达到高程a时，上气阀关闭。气缸上部的空气被压缩，使系统的刚度增加。当浮子经过高程位置c（向上或向下）时，上气阀和下气阀均打开。这时空气可以自由的进出气缸的任何一个腔，此时系统的刚度降低。当浮子向下达到位置b时，关闭下气阀，系统的刚度增加。如此就达到了周期性地改变系统刚度的目的，形成了浮子系统的参数共振，提高了系统的波能捕获效率。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如装置中各要素的连接方式、步骤的前后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于参数共振的浮子-液压波能发电装置，包括：一个锚固的漂浮在水面的浮子，所述的浮子与锚固点之间连接的是一个带有液压缸的伸缩杆，所述的液压缸的上下两个液压腔的液压进出口分别与上液压调节阀、下液压调节阀管路连接，所述的上液压调节阀、下液压调节阀与桥型整流阀管路连接，所述的桥型整流阀与液压马达管路连接，所述的液压马达与发电机轴连接，其特征在于，所述的伸缩杆上还设置有与液压缸同步伸缩的气缸，所述的气缸带有气室，所述的气缸与气室之间设有气阀；所述的液压缸上设置有位移传感器，所述的位移传感器与控制器电连接，所述的控制器与气阀电连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的气缸为双腔气缸，所述双腔气缸的上腔空气进出口设有上气阀，下腔空气进出口设有下气阀，所述的上气阀和下气阀分别与控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的控制器与压力传感器电连接，所述压力传感器设置在所述的桥型整流阀与液压马达之间的进油管路上。

4.一种使用权利要求3所述装置的一种基于参数共振的浮子-液压波能发电方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

利用参数共振捕获波浪能的步骤：用于通过浮子在波浪中的上下、左右、前后的浮动，控制空气阀的周期性开关，实现浮子的参数共振，高效捕捉波浪能，并将其转化为动能；

动能转换为液压能的步骤：用于通过上液压调节阀和下液压调节阀的操作，使液压缸的伸缩与浮子振荡相适应，最大化地吸收动能，并将其转化为液压能；

将液压能转换为电能的步骤：用于通过建立不同液压系统压力情况下，发电机转速与发电功率之间的对应曲线关系，动态调整发电机的负载，优化液压能转化为电能的效率，最大化的将液压能转换为电能。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的利用参数共振捕获波浪能的步骤，本步骤描述的是一个浪涌周期，即从浪涌的中间点到浪涌的最高点，再经过浪涌的中间点，进入浪涌的最低点，再回到浪涌的中间点这样一个周期；所述步骤的子步骤如下：

浪涌从零点开始上升，水位传感器将水位信号传至控制器，控制器根据上一个浪涌周期的中间点水位，确认本次浪涌周期已经过中间点水位，并确认上气阀和下气阀均打开；

当浪涌达到上一个浪涌周期的最高点是，关闭上气阀，水位传感器记录下本次浪涌的最高点；

浪涌下落，当水位传感器显示浪涌达到上一个浪涌周期的中间点时，控制器打开上气阀，并确认下气阀也打开；

浪涌下落至上一个浪涌周期的最低点时，控制器打开下气阀，控制器根据水位传感器记录本次浪涌的水位最低点，并与本次浪涌的最高点进行比较，计算出本次浪涌的中间点；

浪涌升高至已计算得到的中间点，打开下气阀，回到第一个子步骤，开始又一个浪涌周期。

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