CN108678895B - 动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法。装置包括：控制器、涡激振动获能模块和发电模块，还包括与控制器电连接的流速检测器；每个螺旋弹簧还配置有刚度调节模块，刚度调节模块包括伺服电机、螺杆、螺母、导向齿轮和限位转销，伺服电机与控制器电连接，螺母固定在支撑框架，螺杆螺纹连接在螺母上，螺杆与导向齿轮花键连接，并且，螺杆可滑动的设置在导向齿轮上，伺服电机用于驱动导向齿轮转动，螺旋弹簧套在螺杆的外部，限位转销固定在螺杆上并沿螺旋弹簧的螺旋方向倾斜设置。实现动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置能够在较宽的流速范围内继续保持高振幅运动，提高发电效率。

Description

动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及海洋能开发利用领域，尤其涉及一种动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法。
背景技术
潮流能作为一种相对容易开发的能源形式，近年来得到了较大的发展，主要利用能量转换装置把潮汐引起的海水往复运动产生的动能转化为装置运动部件的机械能，带动发电机发电。中国专利号201410721994.6 公开了一种涡激振动潮流能转换装置，利用涡激振动来驱动人工肌肉薄膜机械能发电，但是，在实际使用过程中，受潮流强弱的影响，振子的振动幅度动态变化，而螺旋弹簧的刚度又是一定的不能改变，使得振子只能在特定的潮流流速范围内实现较大的幅度振动，而无法满足任意潮流环境条件下振幅最大化的要求，导致发电效率低。如何设计一种发电效率高的潮流能发电装置是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法，实现动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置能够在较宽的流速范围内继续保持高振幅运动，提高发电效率。
本发明提供的技术方案是，一种动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，包括：控制器、涡激振动获能模块和发电模块，所述涡激振动获能模块包括振子、振子支架、支撑框架、螺旋弹簧和导杆，所述支撑框架为倒U型结构，所述振子支架两侧上下两端分别通过所述螺旋弹簧与所述支撑框架弹性连接，所述导杆固定在所述振子支架的上部，所述导杆穿设在所述支撑框架的顶部，所述振子设置在所述振子支架的下部，所述导杆用于驱动所述发电模块进行发电，所述控制器与所述发电模块电连接，还包括与所述控制器电连接的流速检测器；每个所述螺旋弹簧还配置有刚度调节模块，所述刚度调节模块包括伺服电机、螺杆、螺母、导向齿轮和限位转销，所述伺服电机与所述控制器电连接，所述螺母固定在所述支撑框架，所述螺杆螺纹连接在所述螺母上，所述螺杆与所述导向齿轮花键连接，并且，所述螺杆可滑动的设置在所述导向齿轮上，所述伺服电机用于驱动所述导向齿轮转动，所述螺旋弹簧套在所述螺杆的外部，所述限位转销固定在所述螺杆上并沿所述螺旋弹簧的螺旋方向倾斜设置。
进一步的，还包括用于检测所述振子振动幅度的位移传感器。
进一步的，所述导向齿轮设置有内花键，所述螺杆设置有外花键。
进一步的，所述发电模块为直线发电机，所述导杆驱动所述直线发电机发电。
进一步的，所述支撑框架的上端部设置有横梁，所述导杆通过导套穿设在所述横梁上。
进一步的，所述支撑框架的两侧设置有导轨，所述振子支架的两侧设置有滑块，所述振子支架滑动连接在所述导轨上。
本发明还提供一种上述动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置的控制方法，包括：控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值来调节螺旋弹簧的工作圈的圈数。
进一步的，所述动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置还包括用于检测所述振子振动幅度的位移传感器；所述控制方法具体为：控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值来调节螺旋弹簧的工作圈的圈数，直至位移传感器检测到振子的振幅达到该流速值条件下对应的极大值。
进一步的，当检测器检测到潮流的流速值增大后，则减少螺旋弹簧的工作圈的圈数，增加弹簧刚度，直至位移传感器检测到振子的振幅达到极大值；当检测器检测到潮流的流速值较小后，则增加螺旋弹簧的工作圈的圈数，减小弹簧刚度，直至位移传感器检测到振子的振幅达到极大值。
本发明提供的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法，通过增加流速检测器和刚度调节模块，流速检测器能够检测潮流的流速，从而根据检测到的流速计算出螺旋弹簧所需要的刚度值，再通过刚度调节模块来调节螺旋弹簧的有效工作圈的圈数，以调节螺旋弹簧的刚度值与潮流流速匹配，这样，便可以保证振子在较宽的流速范围内继续保持高振幅运动，在不同的潮流流速下都能获取最大潮流能量，扩大潮流流速利用范围，实现潮流能的高效利用，以提高发电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置实施例的结构示意图；
图2为本发明动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置实施例的局部结构示意图；
图3为本发明动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置实施例的另一局部结构示意图；
图4为本发明动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置实施例中螺杆的截面图；
图5为本发明动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置实施例中导向齿轮的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图5所示，本实施例动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，包括：控制器（未图示）、涡激振动获能模块和发电模块6，其中，涡激振动获能模块包括振子1、振子支架2、支撑框架3、螺旋弹簧4和导杆5，支撑框架3为倒U型结构，振子支架2为对称框架式结构，振子支架2两侧上下两端分别通过螺旋弹簧4与支撑框架3弹性连接，导杆5固定在振子支架2的上部，导杆5穿设在支撑框架3的顶部，振子1设置在所述振子支架2的下部，所述导杆5用于驱动所述发电模块6进行发电，所述控制器与所述发电模块电连接。其中，为了实现根据潮流流速动态调节螺旋弹簧4的刚度，本实施例动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置还包括与所述控制器电连接的流速检测器（未图示）；每个所述螺旋弹簧4还配置有刚度调节模块7，所述刚度调节模块7包括伺服电机71、螺杆73、螺母74、导向齿轮72和限位转销75，所述伺服电机71与所述控制器电连接，所述螺母74固定在所述支撑框架3，所述螺杆73螺纹连接在所述螺母74上，所述螺杆73与所述导向齿轮72花键连接，并且，所述螺杆73可滑动的设置在所述导向齿轮72上，所述伺服电机71用于驱动所述导向齿轮72转动，所述螺旋弹簧4套在所述螺杆72的外部，所述限位转销75固定在所述螺杆73上并沿所述螺旋弹簧4的螺旋方向倾斜设置。
具体而言，本实施例动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置通过流速检测器能够实时检测潮流的流速，控制器根据检测到的流速控制伺服电机71驱动导向齿轮72转动，导向齿轮72将带动螺杆73转动，转动的螺杆73在螺母74的作用下将沿着螺杆73的转轴移动，在所述导向齿轮72带动所述螺杆73转动过程中，所述螺杆73沿其轴线方向移动并带动所述限位转销75在所述螺旋弹簧4相邻的工作圈之间转动，这样，便可以通过限位转销75来调节螺旋弹簧4处于工作状态下工作圈的圈数，以实现调节螺旋弹簧4的刚度。具体调节原理为：根据涡激振动原理当流体流过非线性物体即振子1表面时，会在振子1两侧交替地产生旋涡泻放，产生周期性的脉动升力，而振子1通过螺旋弹簧4实现弹性支撑，那么就会在垂直于来流方向产生周期性的振动；在涡激振动的影响下，会发生周期性上下振动，而当振子1的固有频率与漩涡的泄放频率达到一致时，振幅会达到最大值；由于振子1的上下振动驱动振子支架2上下振动，向上运动时导杆5的顶端与发电模块6连接，进行电磁感应发电。而针对潮流流速不同，当流速较低时，如图2所示，通过刚度调节模块使螺旋弹簧4刚度减小，即增加螺旋弹簧4的工作圈圈数（图2中A区域中的工作圈），此时振子2在此流速区间内保持高振幅运动；当流速升高时（涨潮、落潮），振子2振幅下降，能量利用较低，如图3所示，通过刚度调节模块使螺旋弹簧4刚度升高，即减少螺旋弹簧4的工作圈圈数（图3中B区域中的工作圈），振子2继续保持高振幅运动，实现了扩大了流速利用范围，使能量得到充分利用。其中，本实施例中的发电模块6可以为转子发电机、直线发电机或人工肌肉发电组。另外，所述导向齿轮72设置有内花键，所述螺杆73设置有外花键。
进一步的，为了在运动时对导杆5起到导向作用，支撑框架3的上端部设置有横梁31，导杆5通过导套51穿设在横梁31上。具体的，通过设置横梁31以及导套51，可以维持导杆5在竖直方向上做上下往复运动时，对导杆5 起到导向的作用，从而有效的减少动能的损失。为了更有效的减少动能的损失，支撑框架3的两侧设置有导轨32，振子支架2的两侧设置有滑块21。具体的，通过设置导轨32和滑块21，可以保持振子支架2在竖直方向上沿着导轨32运动，有效减少了动能的损失。
上述动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置的控制方法，包括：控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值来调节螺旋弹簧的工作圈的圈数，具体调节过程如下：
模式一：在调节螺旋弹簧时，可以采用已经通过试验得出的数据来定性的控制调节螺旋弹簧的工作圈的圈数，即控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值来计算螺旋弹簧的工作圈的圈数，根据计算出的圈数来调节螺旋弹簧。具体的，根据流速检测器检测到潮流的流速值来定性的计算螺旋弹簧工作圈所需要的圈数，以调节螺旋弹簧达到合适的刚度值。根据弹簧刚度的计算公式：
Figure 420819DEST_PATH_IMAGE002
可知，当弹簧材料固定时，弹簧刚度k与工作圈的圈数n成反比，其中，G是切变模量，与材料有关，d是弹簧丝直径，D是弹簧直径，n是螺旋弹簧工作圈的圈数n。在振子、弹簧等部件的参数确定的情况下，通过试验可以检测出对应流速范围所对应的最佳螺旋弹簧刚度值，将动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置投入实际环境使用时，则根据检测到的潮流的流速值，结合试验获得的数据进行查表，便可以得知该流速值对应的最佳螺旋弹簧刚度值，以进行调节。通过增加流速检测器和刚度调节模块，流速检测器能够检测潮流的流速值，控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值计算螺旋弹簧的刚度值，根据计算出的刚度值通过伺服电机转动来调节螺旋弹簧的工作圈的圈数，使得螺旋弹簧的刚度值与潮流流速匹配，以使的振子在较宽流速范围内继续保持高振幅运动，提高能量转化效率。
模式二：控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值来动态调节螺旋弹簧的工作圈的圈数，直至位移传感器检测到振子的振幅达到该流速值条件下对应的极大值。具体的，通过位移传感器能够实时检测振子的振幅，这样，在流速变化时，通过调节螺旋弹簧的工作圈的圈数，使得振子的振幅达到对应流速条件下的极大值即可满足能量高转化效率的目的，而当检测器检测到潮流的流速值增大后，则减少螺旋弹簧的工作圈的圈数，增加弹簧刚度，直至位移传感器检测到振子的振幅达到极大值；当检测器检测到潮流的流速值较小后，则增加螺旋弹簧的工作圈的圈数，减小弹簧刚度，直至位移传感器检测到振子的振幅达到极大值（即在该流速条件下，振子所能达到的振幅峰值）。
当流速值发生变化时，控制器如果检测到振子振幅降低，则控制器根据流速值的变化趋势来增大或减小螺旋弹簧的刚度，直到振子获得一个振幅峰值，实现在不同的潮流流速下都能获取最大潮流能量。
本发明提供的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法，采用两种工作模式，扩大潮流流速利用范围，实现潮流能的高效利用，以提高发电效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，包括：控制器、涡激振动获能模块和发电模块，所述涡激振动获能模块包括振子、振子支架、支撑框架、螺旋弹簧和导杆，所述支撑框架为倒U型结构，所述振子支架两侧上下两端分别通过所述螺旋弹簧与所述支撑框架弹性连接，所述导杆固定在所述振子支架的上部，所述导杆穿设在所述支撑框架的顶部，所述振子设置在所述振子支架的下部，所述导杆用于驱动所述发电模块进行发电，所述控制器与所述发电模块电连接，其特征在于，还包括用于检测潮流流速的流速检测器，所述流速检测器与所述控制器电连接；每个所述螺旋弹簧还配置有刚度调节模块，所述刚度调节模块包括伺服电机、螺杆、螺母、导向齿轮和限位转销，所述伺服电机与所述控制器电连接，所述螺母固定在所述支撑框架，所述螺杆螺纹连接在所述螺母上，所述螺杆与所述导向齿轮花键连接，并且，所述螺杆可滑动的设置在所述导向齿轮上，所述伺服电机用于驱动所述导向齿轮转动，所述螺旋弹簧套在所述螺杆的外部，所述限位转销固定在所述螺杆上并沿所述螺旋弹簧的螺旋方向倾斜设置；在所述导向齿轮带动所述螺杆转动过程中，所述螺杆沿其轴线方向移动并带动所述限位转销在所述螺旋弹簧相邻的工作圈之间转动，以通过所述限位转销来调节所述螺旋弹簧处于工作状态下工作圈的圈数。
2.根据权利要求1所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，其特征在于，还包括用于检测所述振子振动幅度的位移传感器。
3.根据权利要求1所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，其特征在于，所述导向齿轮设置有内花键，所述螺杆设置有外花键。
4.根据权利要求1所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，其特征在于，所述发电模块为直线发电机，所述导杆驱动所述直线发电机发电。
5.根据权利要求1所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，其特征在于，所述支撑框架的上端部设置有横梁，所述导杆通过导套穿设在所述横梁上。
6.根据权利要求1所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置，其特征在于，所述支撑框架的两侧设置有导轨，所述振子支架的两侧设置有滑块，所述振子支架滑动连接在所述导轨上。
7.一种如权利要求1所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置的控制方法，其特征在于，包括：控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值来调节螺旋弹簧的工作圈的圈数。
8.根据权利要求7所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置的控制方法，其特征在于，所述动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置还包括用于检测所述振子振动幅度的位移传感器；所述控制方法具体为：控制器根据流速检测器检测到潮流的流速值来调节螺旋弹簧的工作圈的圈数，直至位移传感器检测到振子的振幅达到该流速值条件下对应的极大值。
9.根据权利要求8所述的动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置的控制方法，其特征在于，当检测器检测到潮流的流速值增大后，则减小螺旋弹簧的工作圈的圈数，增加弹簧刚度，直至位移传感器检测到振子的振幅达到极大值；当检测器检测到潮流的流速值较小后，则增加螺旋弹簧的工作圈的圈数，减小弹簧刚度，直至位移传感器检测到振子的振幅达到极大值。
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