CN109812374A - 一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源领域，特涉及一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置。本发明的装置通过在密封舱内布置两个对称的水平摆，船体包括外舱、重力平衡器、变刚器、液压PTO系统和配重，重力平衡器包括重力平衡器小车、重力平衡器膜带盒；变刚器固定在船体的甲板上，变刚器上部设置重力平衡器小车，变刚器中间设置水平摆，重力平衡器膜带盒设置在重力平衡器小车一侧，液压PTO系统固定在水平摆下部的甲板上，本发明解决了系统运行时的质心偏移问题，并且优化了船体底部的曲线。

Description

一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置

技术领域

本发明属于新能源领域，利用波浪能实现发电，为沿海、海岛或海上仪器提供能源供给，改善能源结构。

背景技术

海洋能是一种清洁可再生能源，资源丰富、分布广泛、蕴藏量大，且便于利用。其中波浪能利用是当今世界的研究热点，全球海洋强国都在开展这方面的研究，已提出4500多种技术方案。据2016年JRC Ocean Energy Status Report，Attenuator/Point absorber/OWC/OWSC四类装置技术成熟度TRL达到8级，接近商业化。但在工程应用方面，当前波能装置公认的转换效率不高于15％，这是波能技术不能商业化的主要原因之一。波电过程中的各环节都涉及效率问题，波浪能的俘获是波电转换的源头，对俘能效率的研究有助于提高波电转换效率，降低波能技术成本，促进波能技术商业化。

振荡浮子式装置是在振荡水柱式装置的基础上发展而来的，是目前研究最多的一种波能发电技术。最简单的，也是早期的振荡浮子式装置是采用半潜式浮筒，通过导杆或缆绳将其与固定在海床上的PTO系统相连接，从而将浮筒的升沉运动转化为电能，例如1980年的G-1T，1983年的Norwegian buoy。瑞典的乌普萨拉大学和美国的俄勒冈州立大学也研发过此类装置。它们的主要区别在于固定在海床上的PTO系统。按照淹没形式和浮体个数，它们可以统称为半潜单浮体振荡浮子式。半潜单浮体振荡浮子式装置与海水构成的波能系统(装置+水)的自振频率单一，专利申请者在对此类装置的研究过程中发现，此类装置的自振频率远高于实际海浪频率，在实际海况下无法发生共振，俘能效率很低。

当海水较深时，浮体和PTO系统之间距离变远，单浮体振荡浮子式装置的布置将面临很大的困难，因此提出了双浮体振荡浮子式装置，比较典型的是爱尔兰研发的Wavebob波能转换装置，该装置具有两个浮体，外部的浮体作为共振吸收器，内部的浮体作为参考物(自振频率非常低)，其与水下足够深的浸没体刚性连接从而增大其质量，并由此可以将系统的频率调节到平均波频。波浪来临时，两浮体发生相对运动，通过PTO系统将这种相对运动转化为电能。但Wavebob公司在2013年由于融资失败，找不到合作伙伴而倒闭。2006年美国OPT公司研制了PowerBuoy波能装置，其工作原理与Wavebob类似，但其内部浮体所连浸没体为垂荡阻尼板，其附连质量与附连阻尼很大，从而保证浸没体处于相对恒定的位置。一种比较有意思的双浮体波能系统是IPS浮体，它通过浮体带动活塞运动，挤压高压海水通过水轮机，从而实现能量转换。采用的频域数值模型试验表明，IPS的发电效率可达到25％。

另外还有完全浸没式的单体振荡装置，比如澳大利亚的CETO系列装置，其工作方式类似单浮体振荡浮子式，但其“浮体”完全浸没在水下，大大提高了装置的生存能力。如此布置情况下，“浮体”恢复刚度为零，“浮体”的往复运动完全需要波浪力来维持，一个周期内只有一半时间波浪力对装置做正功，因此波浪能的利用率不高，从而俘能效率也不会很高。还有2004年英国研制的阿基米德波浪摆(AWS)，也是完全浸没的波能系统，不过其工作方式与CETO不同，其整体固定在海床上，工作时的振动相位恰恰与波浪相反，处于波峰时，装置的俘能部件向下运动，反之，则向上运动。AWS-I型实验表明，该装置制造精度要求高，容易损坏，水下维修困难。

振荡浮子式是一种简单易实现的波能利用方式，工作形式多样，生存能力较强。但其存在的两个主要问题：1、自振频率单一(或自振频率为零，比如CETO)，无法实现实时共振，俘能效率不高。专利申请者在研究中发现，当海浪频率接近装置自振频率，波能系统处于共振区时，系统的俘能效率还是比较高的，一般研究波能装置的文献中给出的“峰值效率”、“峰值功率”都是这种状态下的，事实上一旦离开共振区其俘能效率将大幅降低。因此其实现高效俘能需要波浪的“配合”，一般海况下并不能实现高效俘能。2、水动特性较差，辐射能量多。

基于实现波能系统实时共振的思想，2011年武汉大学蔡元奇教授提出了一种共振波力发电装置(中国，CN201110233308)，这是一种内置单摆主动共振振荡浮子式波能装置，其通过调节内置的变刚器，实时调节波能系统的自振频率与海浪频率一致，实现波能系统常态共振。数值试验表明，其在4.5s规则波激励下的俘能效率最高可达39％。其PTO系统位于密封舱内部，装置的生存能力较强。但该装置在运行时质心偏向一侧，不利于稳定俘能、有对波性要求，高效俘能时，其非线性较强，给控制带来了一定困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置。本发明的装置通过在密封舱内布置两个对称的水平摆，解决了系统运行时的质心偏移问题，并优化了船体底部的曲线。

本发明的目的是在内置单摆主动共振波能装置的基础上，提出一种运行稳定，波能转换效率高于60％高的主动共振波能装置。

本发明的技术方案是：一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，

包括船体和水平摆,水平摆包括摆块和摆臂，其特征在于：

船体上对称布置两个相同的水平摆；船体底部的曲线为Berkeley楔函数，其公式为：

式中，b为船体宽度的一半和D为Berkeley楔的深度，x为船体底部表面的横坐标值，y为船体底部表面的纵坐标值，A＝3+C,B＝-2-2C,C＝(3+6d)/(6(d+1)²-6d-5)，d的取值范围为-1至0之间。

根据如上所述的一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，其特征在于：船体包括外舱、重力平衡器、变刚器、液压PTO系统和配重，重力平衡器包括重力平衡器小车、重力平衡器膜带盒；变刚器固定在船体的甲板上，变刚器上部设置重力平衡器小车，变刚器中间设置水平摆，重力平衡器膜带盒设置在重力平衡器小车一侧，液压PTO系统固定在水平摆下部的甲板上。

根据如上所述的一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，其特征在于：船体包括外舱、重力平衡器、变刚器、液压PTO系统和配重，重力平衡器包括重力平衡器小车、重力平衡器膜带盒；变刚器上部设置重力平衡器小车，变刚器中间设置水平摆，液压PTO系统固定在水平摆下部的甲板上；变刚器、重力平衡器悬挂在摆块上。

根据如上所述的一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，其特征在于：变刚器刚度值为k，则

式(1)中，k为变刚器刚度值，J_po为水平摆相对铰心的惯性矩，λ为波频的平方，m_p为摆块质量，R_p为水平摆相对铰心的惯性半径，k_ωy、m_ωy分别为船体在垂荡向的恢复刚度、附连质量，m_F为总质量。

本发明的有益效果是:一是波能转换效率最高达到70.8％。二是解决了系统运行时的质心偏移问题。三是将伯克利楔函数应用到装置的底面设计中，大大减小了辐射力，提高了装置的吸波能力。四是其有两种布置形式：定点式(即将装置作为半潜单浮体振荡浮子式的俘能部件)、自由漂浮式。五是装置运行时对来波方向无要求，在波浪作用下装置的长边将自动与波脊线平行形成稳定运行状态。

附图说明

图1装置侧面图。

图2装置主舱体设计图。

图3主机装配体。

图4重力平衡器膜带盒。

图5液压PTO系统。

附图标记说明：水平摆1；重力平衡器小车2；变刚器3；重力平衡器膜带盒4、液压PTO系统5、船体底部6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明的内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置包括船体和水平摆1,水平摆1包括摆块和摆臂，船体上对称布置两个相同的水平摆1。本发明的船体包括外舱、重力平衡器、变刚器3、液压PTO系统5和配重，重力平衡器包括重力平衡器小车2、重力平衡器膜带盒4。本发明中的重力平衡器、变刚器3、液压PTO系统5的工作原理与专利CN201110233308.7中的相关部件工作原理相同。但本发明的发电功率与摆块质量成正比，实际制作时为了增加摆块的质量，有效利用装置自身的质量，可以将变刚器3、重力平衡器悬挂在摆块上。

如图2至图5所示，本发明的变刚器3固定在船体的甲板上，变刚器3上部设置重力平衡器小车2，变刚器3中间设置水平摆1，重力平衡器膜带盒4设置在重力平衡器小车2一侧，液压PTO系统5固定在水平摆1下部的甲板上。

本发明的重力平衡器用于平衡摆块的重力对摆的影响。变刚器3的主要作用是为摆块提供转动刚度，与之形成可控振动吸能系统。通过对变刚器3的刚度进行调节，可使波能系统的自振频率与海浪频率一致。从而实现海浪激励下波能系统的共振。液压PTO系统5首先将摆块振动产生的机械能通过液压缸转换成液压能，再通过液压电机将液压能转化为电能。

如图1所示，本发明的船体底部6的曲线为Berkeley楔函数，其公式为：

式中，b为船体宽度的一半和D为Berkeley楔的深度，x为船体底部表面的横坐标值，y为船体底部表面的纵坐标值。其中，A＝3+C,B＝-2-2C,C＝(3+6d)/(6(d+1)²-6d-5)，本发明中，更加d取值确定船体底部6的曲线，d的取值范围为-1至0之间。

针对内置单摆主动共振波能装置在运行时的质心偏移问题，内置双摆主动共振波能装置在船体上对称布置两个相同的水平摆，双摆在大幅运动时，装置质心不会偏向一侧；针对辐射能量大的问题，对装置的外形进行了优化设计。装置的结构示意图见图2。关键技术为变刚器(中国，CN201110231566)、重力平衡器(中国，CN201110186182.2)，这与共振波力发电装置中的关键技术一致。

通过对内置双摆主动共振波能装置与海水构成的波能系统(本发明的装置与水共同构成波能系统)的动力特性进行研究，当装置按式(1)设置变刚器刚度时，波能系统可以在垂荡向发生共振。并通过了数值实验的验证。

式(1)中，k为变刚器刚度值，J_po为水平摆相对铰心的惯性矩，λ为波频的平方，m_p为摆块质量，R_p为水平摆相对铰心的惯性半径，k_ωy、m_ωy分别为船体在垂荡向的恢复刚度、附连质量，m_F为船体以及设备的总质量(包括船体、变刚器3、重力平衡器、液压PTO系统5的质量和)。

为了减小装置辐射出去的能量，提高装置的吸波能力，本发明根据势流理论对装置的外形进行了优化设计。势流理论中将波浪对结构物的作用力分为入射力和辐射力两部分，而入射力又分为F-K力和绕射力两部分，F-K力是面力，绕射力为体力。因此，通过优化装置形状、改变装置尺寸，增大入射力并减小辐射力可以大大提高装置的吸波能力。本发明的装置，对于振荡浮子式波能装置，入射力的主要部分为绕射力，波能装置的尺寸应尽可能做大，增大水线面面积或者吃水深度。而装置底部采用Berkeley楔函数进行设计，装置在运行时几乎不会产生涡，辐射力很小，装置底部的侧面图见图1，底面曲线的形状函数为：

式中，b和D的含义见图1。A＝3+C,B＝-2-2C,C＝(3+6d)/(6(d+1)²-6d-5)，本发明的d最好为-0.335，以保证船体有足够的浮力和适当的尖角。

内置双摆主动共振波能装置主要在效率和稳定性上有较大的提高。主要表现有：

1.可实现波能系统实时共振，实现高效波能俘获；

2.优良的辐射水动力学特性，有效减小了波能装置辐射能量，保证了波能装置的吸波性能。

3.保证了绕射力的入射，有效的提高了吸波能力。

4、双摆的布置条件要求降低，只要保证对称布置即可，且在高效俘能时系统稳定性仍可以得到保证

5、适用范围广，既可作为单浮体振荡浮子式的俘能部件，采用定点形式安装在大陆沿岸或海岛附近；也可采用自由漂浮形式，安装在远海中的任意地方。

6、运行时对来波方向无要求，在波浪的作用下装置的长边将自动与波脊线平行形成稳定运行状态。

Claims (5)

1.一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，

包括船体和水平摆,水平摆包括摆块和摆臂，其特征在于：

船体上对称布置两个相同的水平摆；船体底部的曲线为Berkeley楔函数，其公式为：

式中，b为船体宽度的一半和D为Berkeley楔的深度，x为船体底部表面的横坐标值，y为船体底部表面的纵坐标值，A＝3+C，B＝-2-2C，C＝(3+6d)/(6(d+1)²-6d-5)，d的取值范围为-1至0之间。

2.根据权利要求1所述的一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，其特征在于：船体包括外舱、重力平衡器、变刚器、液压PTO系统和配重，重力平衡器包括重力平衡器小车、重力平衡器膜带盒；变刚器固定在船体的甲板上，变刚器上部设置重力平衡器小车，变刚器中间设置水平摆，重力平衡器膜带盒设置在重力平衡器小车一侧，液压PTO系统固定在水平摆下部的甲板上。

3.根据权利要求2所述的一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，其特征在于：变刚器刚度值为k，则

式(1)中，k为变刚器刚度值，J_po为水平摆相对铰心的惯性矩，λ为波频的平方，m_p为摆块质量，R_p为水平摆相对铰心的惯性半径，k_ωy、m_ωy分别为船体在垂荡向的恢复刚度、附连质量，m_F为总质量。

4.根据权利要求2所述的一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，其特征在于：装置有定点式与自由漂浮式两种工作形式。

5.根据权利要求2所述的一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置，其特征在于：运行时对来波方向无要求，在波浪的作用下装置的长边将自动与波脊线平行形成稳定运行状态。