CN109854434B - 自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置及发电方法，波浪能发电装置由机架、浮子、刚性杆、拉线式发电机、自适应双稳态机构、滑块构成；机架设置有一水平板并开设有条状孔，在条状孔一侧设置有滑轨；刚性杆一端铰接在浮子的顶部，另一端与拉线式发电机连接，该刚性杆穿过条状孔且两侧均设置有一组自适应双稳态机构；自适应双稳态机构包括弹性装置和辅助伸缩装置，弹性装置一端与刚性杆相连，另一端通过滑块与辅助伸缩装置相连，辅助伸缩装置的另一端固定在水平板上，滑块滑动安装在滑轨上。本发明引入双稳态机制，明显提升装置的能量效率和捕获频率带宽，增强装置对持续变化海况的适应性，保持一个较好的能量捕获状态。

Description

自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置及发电方法

技术领域

本发明涉及洋流发电领域，具体涉及到一种自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置及发电方法。

背景技术

传统浮子式波浪能发电装置的能量效率较低，针对此问题，目前有人提出通过主动控制提高效率的方法。比如运用传感器数据和智能算法预测波浪，在此基础上对线性发电装置施加主动控制，但由于传感器在海浪中的低可靠性和较高的维护成本以及波浪预测耗时长和偏差等原因，短期内很难在工程中得到应用并产生有益效果；另外有一种利用弹簧或磁铁等其他工具实现的双稳态能量捕获机制，一定程度上解决了传统线性波浪能发电装置的缺陷，增加在低频入射波时的能量捕获效率。但是当激励振幅较小时，这种双稳态机制会由于不能跨过势垒而进行井内运动，其效率相对线性装置反而降低。

现有技术的缺点总结如下：针对装置的主动控制，由于对波浪进行预测需要额外的传感器，测量和分析仪器，对这些关键原件的可靠性依赖性比较大，对波浪时历预测的准确性比较敏感，在实际运用中会有很大的挑战；同时主动控制需要消耗大量电能，降低了装置的经济性。针对传统双稳态能量捕获机制，由于其势垒不变，在小幅值波浪下因发生势能井内运动而降低效率。

发明内容

本发明要解决的问题主要如下：传统浮子式波浪能装置的能量捕获效率整体而言比较低：因为传统浮子式波浪能装置作为一种振动系统，有特定固有频率，而外界海浪持续变化，一旦外界波浪频率偏离装置固有频率，其效率显著降低。简单的来讲就是传统装置的能量捕获的频率带宽比较窄，对于外界持续变化的海况适应性差。本发明主要解决传统装置能量捕获频率带宽窄的问题，通过增加捕获频率带宽来改善装置对多种海况的适应性，并提高能量捕获效率。具体方案如下：

一种自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，所述波浪能发电装置由机架、浮子、刚性杆、拉线式发电机、自适应双稳态机构、滑块构成；

所述机架设置有一水平板并开设有条状孔，在条状孔一侧设置有滑轨；

所述刚性杆一端铰接在所述浮子的顶部，另一端与拉线式发电机连接，该刚性杆穿过条状孔且两侧均设置有一组自适应双稳态机构；

所述自适应双稳态机构包括弹性装置和辅助伸缩装置，所述弹性装置一端与所述刚性杆相连，另一端通过滑块与辅助伸缩装置相连，所述辅助伸缩装置的另一端固定在水平板上，所述滑块滑动安装在所述滑轨上。

进一步的，在水平板两端均设置有固定块，刚性杆两侧的自适应双稳态机构的一端固定在所述固定块上。

进一步的，弹性装置为主弹簧，辅助伸缩装置为辅助弹簧或气缸。

进一步的，拉线式发电机还配备有灯泡，所述灯泡为亮度可调的灯泡。

进一步的，所述水平板两端还设置有竖直向下的稳定柱。

进一步的，浮子的半球形浮子，且平坦的一面与刚性杆铰接连接。

一种采用上述自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置进行发电的方法，浮子带动刚性杆运动并通过拉线式发电机进行发电；

其中，所述刚性杆运动时，弹性装置的长度会随着所述刚性杆的运动幅度而变化，所述弹性装置的长度改变使所述滑块位置发生改变，所述辅助伸缩装置的长度也会随之改变，以调节势能阱能够适应波浪而改变势能阱。

本发明的优点在于：

(1)适应型双稳态机制能够大幅度提高装置的能量捕获效率和能量捕获频率带宽，增强对外界复杂多变海况的适应性；

(2)适应型双稳态机制作为一种“固有控制”，能够实现与传统主动控制相同的调节装置运动相位的效果，但是不需要对波浪时历进行预测，增加了可靠性；

(3)该装置能够自适应调节弹簧间距，从而自动调节势能阱高度，在小波浪幅值下也有很好的能量捕获效率；

(4)引入负刚度，在给定海况下，可以减小装置尺寸来匹配外界波浪频率，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的一种自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置的结构图；

图2示出了自适应双稳态机构的示意图；

图3-4示出了新型自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置原理图；

图5示出了自适应双稳态的三种平衡状态；

图6a-6c为新型自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置发电时三种状态下的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，引入双稳态机制，明显提升装置的能量效率和捕获频率带宽，增强装置对持续变化海况的适应性，保持一个较好的能量捕获状态。创造性地通过辅助弹簧的设计使双稳态系统具备“自适应”特性，解决在低振幅激励下井内振荡引起的能量吸收率低的问题。具体方案如下：

波浪能发电装置由机架6、浮子5、刚性杆1、拉线式发电机7、自适应双稳态机构、滑块3构成；

机架6设置有一水平板60并开设有条状孔63，在条状孔63一侧设置有滑轨62；

刚性杆1一端铰接在浮子5的顶部，另一端与拉线式发电机7连接，该刚性杆1穿过条状孔63且两侧均设置有一组自适应双稳态机构；

自适应双稳态机构包括弹性装置2和辅助伸缩装置4，弹性装置2一端与刚性杆1相连，另一端通过滑块与辅助伸缩装置4相连，辅助伸缩装置4的另一端固定在水平板60上，滑块滑动安装在滑轨62上。

在一可选的实施例中，在水平板60两端均设置有固定块61，刚性杆1两侧的自适应双稳态机构的一端固定在固定块61上。

在一可选的实施例中弹性装置2为主弹簧，辅助伸缩装置4为辅助弹簧或气缸。

在一可选的实施例中，拉线式发电机7还配备有灯泡9，灯泡9为亮度可调的灯泡。

在一可选的实施例中水平板60两端还设置有竖直向下的稳定柱64，可以提高整体装置在洋流中漂流的稳定性，不易翻倒。

同时，本发明还提供了一种采用上述自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置进行发电的方法，浮子5带动刚性杆1运动并通过拉线式发电机7进行发电。波浪来临时，浮子5主要在垂直于海平面的方向上运动，以此带动刚性杆1运动，进而带动发电装置7进行发电，完成波浪能向电能的转化。灯泡9的明暗程度可以来表征发电的效果，评价装置的效率。刚性杆1运动时，弹性装置2(即主弹簧)长度会随着刚性杆1的运动幅度(即波浪的幅度)变化。弹性装置2的长度改变时，滑块3的位置会随之改变，辅助伸缩装置4(即辅助弹簧)的长度也会随之改变。由于滑块3和机架6的限制，辅助伸缩装置4只能在水平方向运动。当弹性装置2长度和位置改变时，以弹性装置2和辅助伸缩装置4共线时为基准线，存在上、下两个位置使弹性装置2和辅助伸缩装置4处于原长，即装置处于稳定平衡状态；在基准线处装置处于不稳定平衡状态。辅助伸缩装置4可以随着波浪幅值的改变而改变长度，进而调节滑块间的距离，即调节势能阱，这使装置引入了适应型双稳态机制，能够适应波浪而改变势能阱，从而使装置在低幅值的波浪下仍然具有较高的效率。同时弹性装置2为系统引入了负刚度，减小了装置的谐振频率，使装置以(相对于线性装置)较小的尺寸来匹配外界波浪频率，便于运输，节约了制造和使用成本。

其中，弹性装置2和辅助伸缩装置4的刚度、原长、位置；滑块3的位置；浮子5的形状、质量；发电装置7、灯泡9的类型等初始特征并不固定，可以根据应用地区实际海况做出相应调整。这就使得装置的可用性大大增加，波浪能的利用效率也会大大提高。

本发明通过在传统双稳态机制上增加辅助弹簧，将传统双稳态机制固定的势函数转变为可变的势函数，使得振动系统在运动过程中能够自主调节势垒高度，从而解决传统双稳态机制在小振幅激励下进行井内运动导致能量捕获效率降低的问题。在小幅值波浪激励下，自适应双稳态系统也能进行跨井运动，会引入负刚度，因此峰值频率低于线性系统；然而传统的双稳态系统进行井内振荡，给系统带来了额外的正刚度，因此其峰值频率高于线性系统。因此在低振幅下，自适应双稳态的振动峰值频率低于线性和传统双稳态装置，根据固有频率与质量的关系可知，自适应双稳态的质量更小，即可以节省材料、降低成本。由于固定势垒的存在，传统双稳态只有当波浪振幅较大时才能有效捕获能量，而本发明提出的装置由于自适应性，能够适应更大范围的波浪幅值的变化，也就是说跨井运动能够在更大的波浪幅值变化范围内来实现。在小波浪幅值下，由于适应型双稳态机制能够在低频波浪下实现跨井运动，在高频波浪下实现井内运动，因此其能量捕获效率在较大的频率范围内均高于线性和传统双稳态装置，即其能量捕获频率带宽显著增加。

在本发明中，自适应双稳态机构由两个对称斜向的主弹簧(负责双稳态特性)和两个辅助弹簧(使双稳态系统自适应)实现。与势函数(或势垒)在时间上不变的传统双稳态系统不同，本发明中的自适应双稳态系统可以自动调整其势函数，降低其在不稳定平衡位置附近的势垒，该“自适应”特性有助于解决传统双稳态波浪能装置在低振幅激励下因井内振荡引起的能量捕获效率降低的问题。在小波浪幅值下，自适应双稳态浮子式波浪能装置的能量捕获效率和带宽远远优于线性装置和传统双稳态装置。在相对大的波浪幅值下，自适应双稳态浮子式波浪能装置的效率和频率带宽与传统双稳态装置相当，但均优于线性装置。两个斜向主弹簧在一端相互连接(两个主弹簧都固结到刚性杆上以跟随浮子的运动)，在另一端通过滑块连接到辅助弹簧，辅助弹簧另一端固定在机架上，当浮子随波浪上下运动时，主弹簧通过拉伸和压缩，对浮体和发电机动子的运动产生弹力作用，形成非线性双稳态系统；而辅助弹簧的设计可以使得双稳态振动系统具备“自适应”特性，即可以自动调节势垒。

自适应双稳态机制原理图如图3-4所示。采用(右手)笛卡尔坐标系，浮子的形状是一个半径为R的半球，浮子的质量为M。为便于研究，试验时浮球被限制只在垂直方向运动(即只考虑升沉运动)；需要说明的是，在实际应用中很难限制浮子运动只在垂直方向，漂移力可能导致浮子在水平方向上偏离平衡位置，这将对运动特性有一定的影响，最终影响装置的能量捕获性能。然而，对于浮子式波浪能装置而言，如果波长相对于浮子的尺寸较长，漂移力对能量捕获的影响不显著。半球形浮子通过刚性杆连接到发电模块和自适应双稳态系统。在理论分析时，为方便起见，发电模块一般用一个有固定阻尼系数的线性阻尼器来代表。自适应双稳态机构具有两个对称的主弹簧，刚度系数为K/2，初始长度为l₀，以及两个刚度系数为K₁的辅助弹簧。两个主弹簧在一端相互连接(两个主弹簧都连接到刚性杆上跟随浮子上下运动)，在另一端通过滑块连接到辅助弹簧。当主弹簧和辅助弹簧均处于初始长度(无拉伸或压缩)时，两个滑块之间的距离记为2l₁。滑块在水平方向上可以自由移动，忽略滑块的质量。因此，在浮子运动过程中，两个滑块之间的距离随着时间的变化而变化，其时变距离记为2l(t)，其中t为时刻。

如图6a-6c所示，自适应双稳态系统有三个平衡位置(两个稳定，一个不稳定)。如前所述，对于(上或下)稳定平衡位置，主弹簧和辅助弹簧均处于初始长度。两个滑块之间的距离为2l₁，满足l₁<l，保证了机构的双稳态。当两个主弹簧的连接点从(上或下)稳定平衡位置移动到中间不稳定平衡位置时，对主弹簧进行压缩，从而推动滑块对辅助弹簧进行压缩，因此不稳定平衡位置的两个滑块之间的距离要大于稳定平衡位置的滑块之间的距离。如果我们将滑块的位置固定在主弹簧和辅助弹簧均处于初始长度时，系统将成为“传统”双稳态系统。

自适应双稳态系统(即两个主弹簧)的势函数如下:

l(t)由

决定(假设忽略两个滑块的质量)。

值得注意的是，在分析中我们只考虑了自适应双稳态系统(即两个主弹簧)的势能，而没有考虑浮子在静水中的势能，在不影响结论的情况下，这样可以更方便地解释本发明提出的“自适应”双稳态机制的概念

需要说明的是，辅助弹簧的刚度、发电模块等效阻尼(阻尼越大，其能量捕获宽度比越大，频率带宽越宽)、主弹簧的刚度等都会影响装置的性能。辅助弹簧的刚度对自适应双稳态波能捕获装置的能量捕获能力有很大的影响，自适应双稳态波能器件在刚度较小的情况下类似线性器件，而在刚度较大的情况下则像传统的双稳态波能转换器。通过选择合适的系统参数，在低振幅波下，自适应双稳态波能器件的性能显著优于线性和传统双稳态波能器件；即使在振幅较大的波中，自适应双稳态波能量转换器的功率吸收能力也与传统双稳态转换器相当，两者的性能都优于线性器件，尤其是在低频区域。

为了提高能量捕获效率，传统的主动控制方法大多依赖复杂的器件和算法，本发明的自适应双稳态机构可以很容易地用弹簧实现，而不需要再增加任何额外的元件，提高了装置的可靠性。

总之，本发明提出了一种新的自适应双稳态能量捕获机制，并将其应用于浮子式波能捕获装置。该“自适应”特性有助于解决传统双稳态波能器件在低振幅激励下井内振荡引起的低能量吸收问题；可减小装置尺寸节省材料，便于运输和安装；扩展了能量捕获带宽和增加能量捕获效率，减少波浪气候的不确定性和季节/年际变化对波浪能量提取的负面影响。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，其特征在于，所述波浪能发电装置由机架(6)、浮子(5)、刚性杆(1)、拉线式发电机(7)、自适应双稳态机构、滑块(3)构成；

所述机架(6)设置有一水平板(60)并开设有条状孔(63)，在条状孔(63)一侧设置有滑轨(62)；

所述刚性杆(1)一端铰接在所述浮子(5)的顶部，另一端与拉线式发电机(7)连接，该刚性杆(1)穿过条状孔(63)且两侧均设置有一组自适应双稳态机构；

所述自适应双稳态机构包括弹性装置(2)和辅助伸缩装置(4)，所述弹性装置(2)一端与所述刚性杆(1)相连，另一端通过滑块与辅助伸缩装置(4)相连，所述辅助伸缩装置(4)的另一端固定在水平板(60)上，所述滑块滑动安装在所述滑轨(62)上。

2.如权利要求1所述的自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，其特征在于，在水平板(60)两端均设置有固定块(61)，刚性杆(1)两侧的自适应双稳态机构的一端固定在所述固定块(61)上。

3.如权利要求2所述的自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，其特征在于，弹性装置(2)为主弹簧，辅助伸缩装置(4)为辅助弹簧或气缸。

4.如权利要求1所述的自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，其特征在于，拉线式发电机(7)还配备有灯泡(9)，所述灯泡(9)为亮度可调的灯泡。

5.如权利要求1所述的自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，其特征在于，所述水平板(60)两端还设置有竖直向下的稳定柱。

6.如权利要求1所述的自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置，其特征在于，浮子(5)的半球形浮子，且平坦的一面与刚性杆(1)铰接连接。

7.一种采用如权利要求1-6任意一所述自适应型双稳态浮子式波浪能发电装置进行发电的方法，其特征在于，浮子(5)带动刚性杆(1)运动并通过拉线式发电机(7)进行发电；

其中，所述刚性杆(1)运动时，弹性装置(2)的长度会随着所述刚性杆(1)的运动幅度而变化，所述弹性装置(2)的长度改变使所述滑块(3)位置发生改变，所述辅助伸缩装置(4)的长度也会随之改变，以调节势能阱能够适应波浪而改变势能阱。